JP2019503095A - 集積された圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサピクセルおよびアレイ - Google Patents

集積された圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサピクセルおよびアレイ Download PDF

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リシケシュ・ヴィジャイクマール・パンチャワグ
スーリヤプラカシュ・ガンティ
コスタディン・ディミトロフ・ジョルジェフ
デイヴィッド・ウィリアム・バーンズ
ティモシー・アラン・ディッキンソン
ドナルド・ウィリアム・キッドウェル・ジュニア
ラヴィンドラ・ヴァマン・シェノイ
ジョン・ブラッドリー・ラシター
ハオ−イェン・タン
イペン・ル
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Abstract

超音波センサピクセルは、基板と、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)と、センサピクセル回路とを含む。PMUTは、キャビティの上に配設された圧電層を含む圧電層スタックであって、キャビティが圧電層スタックと基板との間に配設される、圧電層スタックと、圧電層とキャビティとの間に配設された基準電極と、圧電層の第1の表面上またはその近傍に配設された受信電極および送信電極の一方または両方であって、第1の表面がキャビティから反対側である、受信電極および送信電極の一方または両方とを含む。センサピクセル回路は、基準電極、受信電極、および送信電極のうちの1つまたは複数と電気的に結合され、PMUTおよびセンサピクセル回路は、基板上でセンサピクセル回路とともに集積される。

Description

関連出願の相互参照
本開示は、2015年10月14日に出願された「INTEGRATED PIEZOELECTRIC MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCER PIXEL AND READOUT」という名称の米国仮特許出願第62/241,651号、および2016年10月12日に出願された「INTEGRATED PIEZOELECTRIC MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCER PIXEL AND ARRAY」という名称の米国特許出願第15/292,057号の優先権を主張し、これらの開示の全体が本明細書によって参照により本出願に組み込まれる。
本開示は、圧電超音波トランスデューサ、ならびに、生体検知、画像形成、およびタッチまたはジェスチャー認識のための圧電トランスデューサの電子センサアレイまたは対話型ディスプレイに関する。
薄膜圧電音響トランスデューサは、指紋センサ、ジェスチャー検出デバイス、マイクロフォンおよびスピーカー、超音波画像形成デバイス、ならびに化学センサなどの、生体センサを含む多数の用途への魅力的な候補である。そのようなトランスデューサは、キャビティの上に配設された圧電層スタックおよび機械層を含む多層スタックとして構成された、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT:piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer)を含み得る。圧電層スタックは、圧電材料の層を含んでよい。いくつかの用途では、任意の数のPMUT要素の1次元アレイまたは2次元アレイ(「PMUTアレイ」)が企図され得る。
効率、速度および解像度を改善するため、ならびに集積およびコストの利点を得るために、単一のダイアフラムからなる各PMUT要素が、超音波信号の送信機と受信機の両方として機能するように、PMUTアレイを構成することが望ましい。たとえば、指紋センサとして構成されたPMUTアレイでは、数千ものPMUT要素がアレイ内に配列され得、ここにおいて、各PMUT要素は、ユーザの指紋が短い時間期間において画像形成および認証され得る、十分高速なレートで読み出されることが必要とされ得る。従来の超音波画像形成アレイは、アレイのサイズを制限し得る外部インターフェース回路への極めて多数のハードワイヤード相互接続を必要とすることがある。結果として、改善されたPMUTドライブ/読出し方式が望ましい。
米国特許出願第14/569,280号 米国特許出願第14/569,256号 米国特許出願第14/883,583号 米国特許出願第14/883,585号 米国特許出願第14/883,586号
本開示のシステム、方法、およびデバイスは、いくつかの発明的態様をそれぞれ有し、それらの態様はどれも、本明細書で開示する望ましい属性を単独で担うことはない。
本開示で説明する主題の1つの発明的態様は、基板と、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)と、センサピクセル回路とを含む、超音波センサピクセルに関する。PMUTは、キャビティの上に配設された圧電層を含む圧電層スタックであって、キャビティが圧電層スタックと基板との間に配設される、圧電層スタックと、圧電層とキャビティとの間に配設された基準電極と、圧電層の第1の表面上またはその近傍に配設された受信電極および送信電極の一方または両方であって、第1の表面がキャビティから反対側である、受信電極および送信電極の一方または両方とを含む。センサピクセル回路は、基準電極、受信電極、および送信電極のうちの1つまたは複数と電気的に結合され、PMUTおよびセンサピクセル回路は、基板上でセンサピクセル回路とともに集積される。
いくつかの例では、PMUTは、送信機励起信号が送信電極に印加されるとき、超音波を発生させるように構成され得る。
いくつかの例では、センサピクセル回路は、PMUTに当たる反射超音波圧力波の強度または大きさを示すピクセル出力信号を発生させるように構成され得る。
いくつかの例では、センサピクセル回路は、ダイオードと、読出しトランジスタと、ピーク検出器、ピークツーピーク検出器、サンプルアンドホールド回路、包絡線検出器、および電荷積分器のうちの少なくとも1つとを含み得る。いくつかの例では、ダイオードは、ダイオードがピーク検出動作モードまたは整流動作モードで動作するように、バイアス信号を使用してバイアスされるように構成され得る。いくつかの例では、バイアス信号は、受信機バイアス電圧またはダイオードバイアス電圧に対応し得、バイアス信号は、基準電極、送信電極、またはダイオードの端子に印加される。いくつかの例では、バイアス信号は、時間的に分離されたバイアス電圧の複数のレベルを含み得る。いくつかの例では、時間的に分離されたバイアス電圧の複数のレベルの各々は、ホールド値、ブロック値、およびサンプル値のそれぞれ1つに対応し得る。いくつかの例では、時間的に分離されたバイアス電圧の複数のレベルのうちの1つは、サンプル値に対応し得、サンプル値は、反射超音波を検出するために、取得時間ウィンドウに対応する持続時間の間、保持される。いくつかの例では、持続時間は、送信機励起信号の1つの周期の期間よりも実質的に短くなり得る。いくつかの例では、時間的に分離されたバイアス電圧の複数のレベルの各々は、ホールド値およびサンプル値のそれぞれ1つに対応し得る。
いくつかの例では、基板は、シリコンウエハ、シリコンオンインシュレータ(SOI)ウエハ、集積回路を伴うシリコンまたはSOIウエハ、半導体基板、および、薄膜トランジスタ(TFT)回路を伴うガラスまたはポリマー基板のうちの1つまたは複数を含み得る。
いくつかの例では、センサピクセル回路は、基板上にPMUTとともに作製される薄膜トランジスタ(TFT)回路またはCMOS回路を含み得る。
いくつかの例では、PMUTは、センサピクセル回路をオーバーレイまたはアンダーレイし得、PMUTおよびセンサピクセル回路が共通フットプリント面積内に含まれるようにする。
いくつかの例では、センサピクセル回路は、第1のフットプリント面積内に含まれ得、PMUTは、第2のフットプリント面積内に含まれ得、第1のフットプリント面積は第2のフットプリント面積よりも小さくなり得る。
いくつかの実装形態によれば、超音波センサアレイは、基板と、複数の超音波センサピクセルとを含み、各センサピクセルは、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)を含む。各超音波センサピクセルは、PMUTの下の基板上に配設され、PMUTと電気的に結合された、それぞれのセンサピクセル回路を含む。
いくつかの例では、各PMUTは、キャビティの上に配設された圧電層を含む圧電層スタックであって、キャビティが圧電層スタックと基板との間に配設される、圧電層スタックと、圧電層とキャビティとの間に配設された基準電極と、圧電層の第1の表面上またはその近傍に配設された受信電極および送信電極の一方または両方であって、第1の表面がキャビティから反対側である、受信電極および送信電極の一方または両方とを含み得る。
いくつかの例では、送信機励起信号は、実質的に平坦な超音波を発生させるために、超音波センサアレイ内の複数のPMUTの送信電極に印加され得る。
いくつかの例では、複数の送信機励起信号は、ビームフォーミングされた超音波を発生させるために、超音波センサアレイ内のPMUTの一部または全部に印加され得る。
いくつかの例では、各センサピクセル回路は、超音波センサアレイから超音波を送り出した後に選択された時間において、超音波の反射部分の局所的な大きさを表すピクセル出力信号を与えるように構成され得る。
いくつかの例では、各それぞれのセンサピクセル回路は、ダイオードバイアスドライバ端子と、リセット端子と、読取りドライバ端子とを含む。いくつかの例では、超音波センサアレイは、受信機バイアス電極、ダイオードバイアスドライバ端子、リセット端子、および読取りドライバ端子のうちの1つまたは複数をシグナリングすることによって、超音波センサアレイにおいて、送信動作モード、受信動作モード、および読取り動作モードを選択的に開始するように構成された、センサコントローラを含む。
いくつかの実装形態によれば、超音波センサピクセルを作成する方法は、基板の上に圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)を形成するステップであって、基板がセンサピクセル回路を含み、PMUTが、キャビティの上に配設された圧電層を含む圧電層スタックと、圧電層スタックとキャビティとの間に配設された基準電極と、圧電層スタックの第1の表面上またはその近傍に配設された受信電極および送信電極の一方または両方であって、第1の表面がキャビティから反対側である、受信電極および送信電極の一方または両方とを含む、ステップと、センサピクセル回路と、基準電極、受信電極、および送信電極のうちの少なくとも1つとの間に、導電性経路を形成するステップとを含む。
いくつかの例では、センサピクセル回路は、ピクセル入力電極を含み得、導電性経路は、受信電極をピクセル入力電極と電気的に結合し得る。
いくつかの例では、センサピクセル回路は、ダイオードと読出しトランジスタとを含み得る。いくつかの例では、ダイオードは、ダイオードがピーク検出動作モードまたは整流動作モードで動作するように、バイアス信号を使用してバイアスされるように構成され得る。
いくつかの例では、PMUTは、センサピクセル回路をオーバーレイし得、PMUTおよびセンサピクセル回路が共通フットプリント面積内に含まれるようにする。
いくつかの例では、センサピクセル回路は、第1のフットプリント面積内に含まれ得、PMUTは、第2のフットプリント面積内に含まれ、第1のフットプリント面積は、第2のフットプリント面積よりも小さい。
いくつかの実装形態によれば、装置は、基板と、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)であって、PMUTが、キャビティの上に配設された圧電層を含む圧電層スタックであって、キャビティが圧電層スタックと基板との間に配設される、圧電層スタックと、圧電層とキャビティとの間に配設された基準電極と、圧電層の第1の表面上またはその近傍に配設された受信電極および送信電極の一方または両方であって、第1の表面がキャビティから反対側である、受信電極および送信電極の一方または両方とを含む、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)とを含む。装置は、PMUTと電気的に結合されたセンサピクセル回路と、PMUTに当たる反射超音波の強度または大きさを示すピクセル出力信号を発生させるための、PMUTと電気的に結合され、基板上でPMUTとともに集積された、手段とをさらに含む。
いくつかの例では、基板は、シリコンウエハ、シリコンオンインシュレータ(SOI)ウエハ、集積回路を伴うシリコンまたはSOIウエハ、半導体基板、および、薄膜トランジスタ(TFT)回路を伴うガラスまたはポリマー基板のうちの1つまたは複数を含み得る。
本明細書で説明する主題の1つまたは複数の実装形態の細部が、本開示および添付図面で述べられる。他の特徴、態様、および利点は、本開示を検討することにより明らかになるであろう。本開示の図面および他の図の相対的な寸法は、一定の縮尺で描かれていない可能性のあることに留意されたい。本開示に図示され、記載されたサイズ、厚さ、配置、材料などは、単なる例としてなされ、限定するものとして解釈されるべきではない。様々な図面における同様の参照番号および名称は、同様の要素を示す。
圧電超音波トランスデューサの一例を示す図である。 圧電超音波トランスデューサの一例を示す図である。 PMUT超音波センサアレイの様々な構成の断面図である。 PMUT超音波センサアレイの様々な構成の断面図である。 PMUT超音波センサアレイの様々な構成の断面図である。 一実装形態による、超音波センサシステムのブロック図である。 ピクセル読出し電子回路に結合されたセンサピクセルアレイの簡略ブロック図である。 一実装形態による、センサピクセル回路の一例を示す図である。 時間に応じた送信機励起信号および受信機バイアスレベルの例をグラフによって示す図である。 時間に応じた送信機励起信号および受信機バイアスレベルの例をグラフによって示す図である。 時間に応じた送信機励起信号およびダイオードバイアスレベルのさらなる例をグラフによって示す図である。 時間に応じた送信機励起信号およびダイオードバイアスレベルのさらなる例をグラフによって示す図である。 一実装形態による、センサピクセル回路の一例を示す図である。 一実装形態による、センサピクセル回路動作させるためのタイミング図の一例を示す図である。 一実装形態による、3ポートPMUTを組み込んだセンサピクセル回路の一例を示す図である。 一実装形態による、3ポートPMUTを組み込んだセンサピクセル回路を動作させるためのタイミング図の一例を示す図である。 いくつかの実装形態による、2ポートPMUT要素のアレイの選択されたフィーチャを示す図である。 いくつかの実装形態による、2ポートPMUT要素のアレイの選択されたフィーチャを示す図である。 いくつかの実装形態による、2ポートPMUT要素のアレイの選択されたフィーチャを示す図である。 いくつかの実装形態による、2ポートPMUT要素のアレイの選択されたフィーチャを示す図である。 いくつかの実装形態による、3ポートPMUT要素のアレイの選択されたフィーチャを示す図である。 いくつかの実装形態による、3ポートPMUT要素のアレイの選択されたフィーチャを示す図である。 アモルファスまたは多結晶シリコン薄膜トランジスタを有するTFT基板を用いて集積されたPMUT要素の簡略化された断面の例を示す図である。 アモルファスまたは多結晶シリコン薄膜トランジスタを有するTFT基板を用いて集積されたPMUT要素の簡略化された断面の例を示す図である。 アモルファスまたは多結晶シリコン薄膜トランジスタを有するTFT基板を用いて集積されたPMUT要素の簡略化された断面の例を示す図である。 超音波センサピクセルを作製するためのプロセスフローの一例を示す図である。 TFT回路を有するTFT基板上にオーバーレイされたPMUTを含む超音波センサピクセルを作製するためのプロセスフローの一例を示す図である。 TFT回路を有するTFT基板上にオーバーレイされたPMUTを含む超音波センサピクセルを作製するためのプロセスフローの一例を示す図である。 TFT回路を有するTFT基板上にオーバーレイされたPMUTを含む超音波センサピクセルを作製するためのプロセスフローの一例を示す図である。 TFT回路を有するTFT基板上にオーバーレイされたPMUTを含む超音波センサピクセルを作製するためのプロセスフローの一例を示す図である。 TFT回路を有するTFT基板上にオーバーレイされたPMUTを含む超音波センサピクセルを作製するためのプロセスフローの一例を示す図である。
本開示のシステム、方法、およびデバイスは各々、いくつかの発明的態様を有し、それらの態様はいずれも、本明細書で開示する望ましい属性を単独で担うものではない。本開示で説明する主題の1つの発明的態様は、圧電層スタックと2つ以上の電極とを含む多層ダイアフラム構造を含む多層スタックとして構成された、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)内で実装され得る。3つの電極を用いる実装形態では、3つの電極は、関連するトランシーバ回路に信号を送信すること、およびそこから信号を受信することの各々のための別個の電極と、共通の基準電極または接地電極とを含み得る。その配置は、送信タイミングおよび受信タイミングが互いに無関係であることを可能にし、それによって、たとえば、超音波の同時送受信が可能になる。いくつかの実装形態では、送信および受信の電極は、同じ電極層内に形成されてよい。いくつかの実装形態では、送信電極および受信電極の各々は、屈曲中に異なる方向の機械的応力またはひずみを経験することがある。たとえば、一方の電極がダイアフラムの内部領域の近傍に配設され、他方の電極がダイアフラムの外部領域の近傍に配設される場合、第2の電極の近傍のダイアフラム層の第2の部分が圧縮を受けるのと同時に、第1の電極の近傍の圧電層の第1の部分は張力を受けることがある。結果として、この配置は、同時の送信機および受信機動作の時間の間に、効率の低下を回避する。
本開示で説明する主題の1つの発明的態様は、ディスプレイまたは超音波指紋センサアレイの基板などの基板の下に、そのそばに、それとともに、その上に、またはその上方に配置された圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)要素の1次元アレイまたは2次元アレイを含む装置において実装され得る。
圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサの態様については、2014年12月12日に出願された「MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCERS AND DISPLAY」という名称の米国特許出願第14/569,280号において、ならびに、2014年12月12日に出願された「PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER AND PROCESS」という名称の米国特許出願第14/569,256号、2015年10月14日に出願された「THREE-PORT PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER」という名称の米国特許出願第14/883,583号、2015年10月14日に出願された「ACTIVE BEAM-FORMING TECHNIQUE FOR PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER ARRAY」という名称の米国特許出願第14/883,585号、および2015年10月14日に出願された「SUPERPIXEL ARRAY OF PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCERS FOR 2-D BEAMFORMING」という名称の米国特許出願第14/883,586号において記載されており、各々が本発明の譲受人によって所有され、その全体がすべての目的のために本明細書によって参照により本出願に組み込まれる。
図1Aを参照すると、圧電超音波トランスデューサ100は、キャビティ120の上でアンカー構造170によって支持されたダイアフラム(以下で「PMUTダイアフラム」または「変形可能ダイアフラム」と呼ばれることがある)を形成するように配設された、圧電層スタック110と機械層130とを含むように構成され得る。圧電層スタック110は、圧電層115と、下部電極112と、上部電極114とを含む。図示の実装形態では、下部電極112は、圧電層115の下、およびキャビティ120に近接して配設されるのに対して、上部電極114は、圧電層115の上方、キャビティ120と反対である圧電層115の表面に近接して配設される。キャビティ120は、基板160内またはその上に形成され得る。基板160は、たとえば、シリコンウエハ、シリコンオンインシュレータ(SOI)ウエハ、集積回路を伴うシリコンもしくはSOIウエハ、半導体基板、または、薄膜トランジスタ(TFT)回路を伴うガラスもしくはポリマー基板であり得るか、またはそれを含み得る。いくつかの実装形態では、基板は、ポリイミド(PI)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、もしくはポリエチレンテレフタレート(PET)の薄い層などのフレキシブル基板、またはInGaZnO(IGZO)回路を伴うフレキシブル基板であり得る。
次に図1Bを参照すると、動作中、圧電層スタック110および機械層130は、トランシーバ回路1010によって上部電極114および下部電極112にわたって印加される時変の励起電圧に応答して屈曲および振動を引き起こされ得る。結果として、たとえば、超音波周波数帯域内の周波数を有する1つまたは複数の超音波圧力波122が、伝搬媒体124中に伝搬され得る。いくつかの実装形態では、伝搬媒体124には、空気、プラテン、カバーガラス、デバイス筐体、または音響結合層もしくは音響整合層が含まれることがある。同様に、圧電層スタック110は、伝搬媒体内の物体から反射超音波圧力波を受信し、受信された超音波圧力波を、トランシーバ回路1010によって読み取られ得る電気信号に変換し得る。キャビティ120の上の変形可能ダイアフラムは、PMUTの表面に当たる反射超音波圧力波に応答して、屈曲および振動し、PMUTダイアフラムにおける機械的応力およびひずみと、下にある回路によって検出され得る圧電層の表面上の表面電荷とを発生させ得る。いくつかの実装形態では、下部電極112(本明細書で基準電極と呼ばれることがある)は、接地され、一定バイアス電圧(たとえば、基準電圧)に接続され、または、トランシーバ回路1010によって与えられ得る受信機バイアス電圧などのマルチレベルバイアス信号に接続され得る。
いくつかの実装形態では、PMUTアレイは、複数の周波数範囲に対応するモードで動作するように構成され得る。いくつかの実装形態では、たとえば、PMUTアレイは、低周波数範囲(たとえば、50kHz〜200kHz)に対応する低周波数モードで、または高周波数範囲(たとえば、1MHz〜25MHz)に対応する高周波数モードで動作するように構成可能であり得る。高周波数モードで動作するとき、PMUTアレイは、比較的より高い解像度で画像形成することが可能であり得る。したがって、PMUTアレイは、ディスプレイまたはセンサアレイの表面上に置かれた指などの物体から、タッチ、指紋、スタイラス、および生体情報を検出することが可能であり得る。そのような高周波数モードは、本明細書では、指紋センサモードと呼ばれることがある。
低周波数モードで動作するとき、PMUTアレイは、装置が高周波数モードで動作しているときよりも、空気中への比較的大きい侵入が可能な音波を放射することが可能であり得る。そのような低周波数の音波は、カバーガラス、タッチスクリーン、ディスプレイアレイ、バックライト、ハウジングもしくは筐体、または超音波送信機とディスプレイもしくはセンサ表面との間に配置された他の層を含む、様々な上にある層を通して送信され得る。いくつかの実装形態では、ポートは、PMUTアレイから空気中への音響結合を最適化するために、上にある層のうちの1つまたは複数を通して開かれ得る。低周波数音波は、ディスプレイまたはセンサ表面の上方の空気中を送信され、表面の近くの1つまたは複数の物体から反射され、空気中を送信され、上にある層を通して戻され、超音波受信機によって検出され得る。したがって、低周波数モードで動作するとき、PMUTアレイは、ジェスチャー検出モードで動作することが可能であり得、ジェスチャー検出モードでは、ディスプレイの近くであるが必ずしもタッチするとは限らない自由空間ジェスチャーが検出され得る。
代替的にまたは付加的に、いくつかの実装形態では、PMUTアレイは、低周波数範囲と高周波数範囲との間の周波数範囲(たとえば、約200kHz〜約1MHz)に対応する中周波数モードで動作するように構成可能であり得る。中周波数モードで動作するとき、PMUTアレイは、高周波数モードよりもいくぶん低い解像度を有するが、タッチセンサ機能を提供することは可能であり得る。
PMUTアレイは、波面ビームフォーミング、ビームステアリング、受信側ビームフォーミング、および/または戻ってきた信号の選択的読出しのためにアドレス指定可能であり得る。たとえば、個々の列、行、センサピクセル、および/またはセンサピクセルのグループは、別個にアドレス指定可能であり得る。制御システムは、平面状、円形、または円筒形の波面などの特定の形状の波面を生成するように送信機のアレイを制御し得る。制御システムは、所望のロケーションにおいて強め合う干渉または弱め合う干渉を生じるように、送信機のアレイの振幅および/または位相を制御し得る。たとえば、制御システムは、タッチまたはジェスチャーが検出されたかまたは検出されそうな1つまたは複数のロケーションにおいて強め合う干渉を生じるように、送信機のアレイの振幅および/または位相を制御し得る。
いくつかの実装形態では、PMUTデバイスは、いくつかの例では、シリコン基板、SOI基板、ガラス基板、またはプラスチック基板であり得る、同じ基板上またはそれにおいて薄膜トランジスタ(TFT)回路またはCMOS回路とともに作製され得る。TFT基板は、行および列アドレス指定電子回路と、マルチプレクサと、ローカル増幅段と、制御回路とを含み得る。いくつかの実装形態では、ドライバ段と感知段とを含むインターフェース回路は、PMUTデバイスを励起し、同じデバイスからの応答を検出するために使用され得る。他の実装形態では、第1のPMUTデバイスは、音響送信機または超音波送信機として機能し得、第2のPMUTデバイスは、音響受信機または超音波受信機として機能し得る。いくつかの構成では、異なるPMUTデバイスは、(たとえば、ジェスチャーのため、および指紋検出のための)低周波数動作および高周波数動作が可能であり得る。他の構成では、同じPMUTデバイスは、低周波数動作および高周波数動作のために使用され得る。いくつかの実装形態では、PMUTは、シリコンウエハ内に作製された能動シリコン回路を有するシリコンウエハを使用して作製され得る。能動シリコン回路は、PMUTまたはPMUTアレイを機能させるための電子回路を含み得る。
いくつかの実装形態では、PMUTアレイは、超音波センサアレイとして構成され得る。図2A〜図2Cは、PMUT超音波センサアレイの様々な構成の断面図を示す。図2Aは、たとえば、超音波指紋センサ、超音波タッチパッド、または超音波イメージャとして使用され得る送信要素および受信要素としてのPMUTを有する超音波センサアレイ200aを示す。PMUTセンサアレイ基板260上のPMUTセンサ要素262は、超音波を放射および検出し得る。図示のように、超音波264は、少なくとも1つのPMUTセンサ要素262から送信され得る。超音波264は、音響結合媒体265およびプラテン290aなどの伝搬媒体を通して、プラテン290aの外面上に置かれた指またはスタイラスなどの物体202に向かって進み得る。超音波264の一部分は、プラテン290aを通して物体202内に送信され得るが、第2の部分は、プラテン290aの表面からセンサ要素262に向かって戻るように反射される。反射波の振幅は、物体202の音響特性に部分的に依存することがある。反射波は、センサ要素262によって検出され得、そこから物体202の画像が取得され得る。たとえば、約50ミクロン(1インチあたり約500ピクセル)のピッチを有するセンサアレイでは、指紋の隆線および谷線が検出され得る。接着剤、ゲル、コンプライアント層、または他の音響結合材料などの音響結合媒体265は、センサアレイ基板260上に配設されたPMUTセンサ要素262のアレイと、プラテン290aとの間の結合を改善するために設けられ得る。音響結合媒体265は、センサ要素262との間の超音波の送信を助け得る。プラテン290aは、たとえば、ガラス、プラスチック、サファイア、金属、金属合金、または他のプラテン材料の層を含み得る。音響インピーダンス整合層(図示せず)が、プラテン290aの外面上に配設され得る。プラテン290aは、外面上に被膜(図示せず)を含むことがある。
図2Bは、センサおよびディスプレイ基板260上にともに作製されたPMUTセンサ要素262およびディスプレイピクセル266を有する、超音波センサおよびディスプレイアレイ200bを示す。センサ要素262およびディスプレイピクセル266は、セルのアレイの各セル内にコロケートされ得る。いくつかの実装形態では、センサ要素262およびディスプレイピクセル266は、同じセル内に並んで作製され得る。いくつかの実装形態では、センサ要素262の一部またはすべては、ディスプレイピクセル266の上方または下方に作製され得る。プラテン290bは、センサ要素262およびディスプレイピクセル266の上に配置され得、カバーレンズもしくはカバーガラスとして機能し得、またはカバーレンズもしくはカバーガラスを含み得る。カバーガラスは、ガラス、プラスチック、またはサファイアなどの材料の1つまたは複数の層を含み得、容量性タッチスクリーンのための設備を含み得る。音響インピーダンス整合層または被膜(図示せず)が、プラテン290bの外面上に配設され得る。超音波264は、プラテン290b上に置かれたスタイラスまたは指などの物体202のための画像形成能力を提供するために、1つまたは複数のセンサ要素262から送受信され得る。プラテン290bは、ディスプレイピクセル266のアレイからの光学光がプラテン290bを通してユーザによって見られることを可能にするために、実質的に透明である。ユーザは、プラテン290bの一部分にタッチすることを選択することができ、そのタッチは、超音波センサアレイによって検出され得る。指紋情報などの生体情報は、たとえば、ユーザがプラテン290bの表面にタッチするとき、取得され得る。接着剤、ゲル、または他の音響結合材料などの音響結合媒体265は、センサアレイ基板260とカバーガラスとの間の音響結合、光学的結合、および機械的結合を改善するために設けられ得る。いくつかの実装形態では、結合媒体265は、液晶ディスプレイ(LCD)の一部として機能し得る液晶材料であり得る。LCDの実装形態では、バックライト(図示せず)は、センサおよびディスプレイ基板260に光学的に結合され得る。いくつかの実装形態では、ディスプレイピクセル266は、発光ディスプレイピクセルをもつアクティブマトリックス有機発光ダイオード(AMOLED)またはOLEDディスプレイの一部であり得る。いくつかの実装形態では、超音波センサおよびディスプレイアレイ200bは、表示目的のため、およびタッチ、スタイラス、または指紋検出のために使用され得る。
図2Cは、ディスプレイアレイ基板260bの背後に配置されたセンサアレイ基板260aを有する、超音波センサおよびディスプレイアレイ200cを示す。音響結合媒体265aは、センサアレイ基板260aをディスプレイアレイ基板260bに音響的に結合するために使用され得る。光学結合および音響結合媒体265bは、センサアレイ基板260aおよびディスプレイアレイ基板260bを、指紋の検出のためのプラテンとしても機能し得るカバーレンズまたはカバーガラス290cに光学的および音響的に結合するために使用され得る。音響インピーダンス整合層または他の被膜(図示せず)が、カバーガラス290cの外面上に配設され得る。1つまたは複数のセンサ要素262から送信された超音波264は、ディスプレイアレイ基板260bおよびカバーガラス290cを通って進み、カバーガラス290cの外面から反射し、反射超音波が検出されて画像情報が取得され得るセンサアレイ基板260aに向かって戻るように進み得る。いくつかの実装形態では、超音波センサおよびディスプレイアレイ200cは、視覚的情報をユーザに提供するため、および、ユーザからのタッチ、スタイラス、または指紋検出のために使用され得る。代替的に、PMUTセンサアレイは、ディスプレイアレイ基板260bの裏面上に形成され得る。代替的に、PMUTセンサアレイを有するセンサアレイ基板260aは、ディスプレイアレイ基板260bの裏面に取り付けられ得、センサアレイ基板260aの裏面は、たとえば、接着剤層または接着剤材料(図示せず)でディスプレイアレイ基板260bの裏面に直接取り付けられる。
図3は、一実装形態による、超音波センサシステムのブロック図を示す。超音波センサシステム300は、超音波送信機320と、超音波センサピクセル回路アレイ335と、Rxバイアス電極339とを含む、超音波センサアレイ302を含み得る。超音波送信機320は、送信機ドライバ(「Txドライバ」)368と電気的に結合され得る。いくつかの実装形態では、Txドライバ368は、超音波送信機320に関連付けられた1つまたは複数の送信機電極と電気的に結合された、正極性出力信号(Tx1(+))と負極性出力信号(Tx2(-))とを有し得る。Txドライバ368は、センサコントローラ304の制御ユニット360と電気的に結合され得る。制御ユニット360は、センサシステム300の様々な態様、たとえば、超音波送信機のタイミングおよび励起波形、バイアス電圧、ピクセルアドレス指定、信号のフィルタリングおよび変換、読出しフレームレートなどを制御するように構成され得る。制御ユニット360は、1つまたは複数の送信機励起信号をTxドライバ368に与え得る。制御ユニット360は、たとえば、Rxレベル選択入力バスを通して、受信機(Rx)バイアスドライバ362と電気的に結合され得る。Rxバイアスドライバ362は、RBias電圧をRxバイアス電極339に与え得る。制御ユニット360は、1つまたは複数のデマルチプレクサ364と電気的に結合され得る。デマルチプレクサ364は、複数のゲートドライバ366と電気的に結合され得る。ゲートドライバ366は、超音波センサアレイ302のセンサピクセル回路アレイ335と電気的に結合され得る。ゲートドライバ366は、いくつかの実装形態では、センサピクセル回路アレイ335の外部に配置され得る。他の実装形態では、ゲートドライバ366は、センサピクセル回路アレイ335とともに共通基板上に含まれ得る。センサピクセル回路アレイ335の外部にあり得る、またはセンサピクセル回路アレイ335とともに共通基板上に含まれ得るデマルチプレクサ364は、特定のゲートドライバ366を選択するために使用され得る。ゲートドライバ366は、センサピクセル回路アレイ335の1つまたは複数の行または列を選択し得る。センサピクセル回路アレイ335は、図示の実装形態では、いくつかの個々の超音波センサピクセル334を含み、1つまたは複数のデジタイザ372と電気的に結合され得る。デジタイザ372は、個々のセンサピクセル334のうちの1つまたは複数からのアナログピクセル出力信号を、データプロセッサ370内のさらなる処理に好適なデジタル信号に変換し得る。データプロセッサ370は、センサコントローラ304内に(図示のように)含まれ得る。他の実装形態では、データプロセッサ370は、センサコントローラ304の外部であり得る。図示の実装形態では、センサコントローラ304は、センサピクセル回路アレイ335からデータを受信する1つまたは複数のデータプロセッサ370を含み得る。センサコントローラ304は、モバイルデバイスのアプリケーションプロセッサのような外部システムまたはプロセッサに、データ出力を与え得る。データプロセッサ370は、デジタル化データを指紋の画像データに変換するか、またはさらなる処理のためにデータをフォーマットし得る。
各超音波センサピクセル334は、超音波受信機および/または超音波送信機として機能し得る、PMUT要素を含み得る。各センサピクセル334はまた、PMUT要素に関連付けられるセンサピクセル回路を含み得る。関連付けられたPMUT要素は、各センサピクセル回路をオーバーレイし得、すなわち、関連付けられたPMUT要素およびセンサピクセル回路は、共通のフットプリント面積内に含まれ得る。有利には、センサピクセル回路は、PMUT要素のフットプリント面積よりも大きくないフットプリント面積内に含まれ得る。いくつかの実装形態では、超音波送信機320は、2つの送信機電極の間にはさまれ、超音波センサピクセル回路アレイ335の上方または下方に配置された、圧電材料の層を含み得る。
超音波送信機320は、超音波を発生させ、送り出すために、Txドライバ368を介して送信機励起信号によって電気的に結合され、駆動され得る。いくつかの実装形態では、送信機励起信号は、超音波の発生および送り出しを可能にするために、各PMUTに関連付けられた送信電極など、各PMUTまたはPMUTアレイ内の1つまたは複数の電極に結合され得る。いくつかの実装形態では、PMUTアレイ内のPMUTは、実質的に平坦な超音波を送り出すために、PMUTアレイ内の送信電極の一部または全部に共通して印加され得る、送信機励起信号を与えられ得る。いくつかの実装形態では、送信機励起信号は、PMUTアレイ内のPMUT要素を用いた送信側ビームフォーミングを可能にするように、PMUTアレイ内の送信電極に選択的に、および調整された時間シーケンスにおいて与えられ得る。いくつかの実装形態では、送信機励起信号がトランシーバ回路1010によって与えられ得、送信機励起信号は、PMUT超音波センサアレイの外部(付随するセンサコントローラ304内など)で、超音波センサアレイと同じ基板上で、またはPMUTアレイの各センサピクセル内で発生され得る。たとえば、送信機励起信号は、実質的に平坦な超音波を発生させるために、超音波センサアレイ内の複数のPMUTの送信電極に印加され得る。別の例では、各センサピクセル回路の外部または内部で発生された複数の送信機励起信号は、ビームフォーミングされた超音波を発生させるために、超音波センサアレイ内のPMUTの一部または全部に印加され得る。
いくつかの実装形態では、制御ユニット360は、Txドライバ368に超音波送信機320を励起させ、1つまたは複数の超音波を生じさせるために、Tx励起信号をTxドライバ368に一定の間隔で送るように構成され得る。制御ユニット360はまた、Rxバイアス電極339をバイアスし、超音波センサピクセル334による超音波信号検出のためのゲーティングを可能にするために、Rxバイアスドライバ362を通して、レベル選択入力信号を送るようにも構成され得る。いくつかの実装形態では、制御ユニット360は、ダイオードバイアス(DBias)ドライバ374を通して、超音波センサピクセル回路アレイ335にレベル選択入力信号を送り得る。デマルチプレクサ364のうちの1つまたは複数は、センサピクセル回路アレイ335の特定の行または列にピクセル出力信号を提供させるゲートドライバ366をオンおよびオフにするために使用され得る。センサピクセル回路アレイ335からの出力信号は、電荷増幅器、抵抗キャパシタ(RC)フィルタまたはアンチエイリアシングフィルタなどのフィルタ、およびデジタイザ372を通して、データプロセッサ370に送られ得る。1つまたは複数の制御ライン376は、センサコントローラ304と超音波センサアレイ302との間で制御信号を搬送し得る。
図4は、ピクセル読出し電子回路に結合されたセンサピクセルアレイの簡略ブロック図を示す。図示の実装形態では、超音波センサピクセルアレイ435は、超音波センサのための4×4アレイにおいて配列された16個の超音波センサピクセル434を含む。各センサピクセル434は、圧電センサ材料(PSM)の局所領域に関連付けられ得、ピーク検出ダイオードD401と読出しトランジスタM403とを含む、センサピクセル回路436を含み得る。これらの要素の多数またはすべては、各センサピクセル回路436を形成するように共通基板上または共通基板内に形成され得る。動作中、各センサピクセル434のPSMの局所領域は、受信された超音波エネルギーを電荷に変換し得る。たとえば、図1に示されたようなPMUT100の圧電層115が、PSMと見なされ得る。ピーク検出ダイオードD401は、PSMの局所領域によって検出された最大電荷量(「ピーク電荷」)を登録し得る。次いで、ピクセル回路アレイ435の各行は、たとえば、行選択機構、ゲートドライバ、またはシフトレジスタを通して走査され得る。各読出しトランジスタM403は、各センサピクセル434のためのピーク電荷の大きさが、追加の回路、たとえば、ピクセル読出し電子回路440のマルチプレクサおよびA/D変換器によって読み取られることを可能にするようにトリガされ得る。センサピクセル回路436は、センサピクセル434のゲーティング、アドレス指定、およびリセットを可能にするために、1つまたは複数のTFT(図示せず)を含み得る。各センサピクセル434は、超音波受信機および/または超音波送信機として機能し得る、PMUT要素を含み得る。PMUTセンサアレイ内の各PMUT要素は、センサピクセル回路アレイ435内のそれぞれのセンサピクセル回路436に関連付けられ得る。センサピクセル回路436のピクセル入力電極437は、上にあるPMUT要素内の1つまたは複数の電極との電気接続を行うために使用され得る。
各センサピクセル回路436は、超音波センサシステム300によって検出された物体の小部分についての情報を提供し得る。説明の便宜上、図4に示す例は、単純な4×4アレイのものであるが、500ピクセルパーインチ以上程度の解像度を有する超音波センサが、適切にスケールされた構造で構成され得る。超音波センサシステム300の検出面積は、意図された検出の物体に応じて選択され得る。たとえば、検出領域は、1本の指に対する約5mm×5mmから、4本の指に対する約80mm×80mmまでの範囲で変動し得る。正方形、矩形および非矩形の形状を含め、より小さい面積およびより大きい面積が、検出されるべき物体の特性に応じて適宜に使用され得る。
図5は、一実装形態による、センサピクセル回路の一例を示す。図示の実装形態では、たとえば、図3に示された超音波ピクセル回路アレイ335、または図4に示された超音波ピクセル回路アレイ435など、ピクセルアレイを形成するために、同様のピクセル回路のアレイにおいて配設され得る、センサピクセル回路536が示されている。いくつかの実装形態では、センサピクセルアレイ435内の各超音波センサピクセル434は、関連付けられたセンサピクセル回路536を含み得る。センサピクセル回路536が、圧電層(たとえば、図4のPSM、または図5のPMUT500)と電気的に結合され得るので、センサピクセル回路536は、以下でより詳細に説明するように、圧電層を通過するか、またはPMUTの表面に当たる、送信または反射された超音波の局所的な大きさを検出し得る。
図5の例示的な実装形態では、センサピクセル回路536は、PMUT500と、キャパシタCp(「寄生キャパシタンスCp」)と、ダイオードD501と、トランジスタM501と、トランジスタM502と、トランジスタM503と、キャパシタC502とを含み得る。トランジスタM501、M502、およびM503の各々は、たとえば、n形金属酸化物半導体(NMOS)トランジスタに対応し得る。ダイオードD501は、p-n形ダイオードまたはp-i-n形(PIN)ダイオードに対応し得、ピーク検出または整流ダイオードとして機能し得る。図5に示されているように、PMUT500は、PMUT500の圧電フィルムまたは圧電層のキャパシタンスの結果として、キャパシタンスCfを有し得る。たとえば、Cfは、(PMUT500の下部電極512と電気的に結合された)受信機バイアス電極539と、(PMUT500の上部電極514と電気的に結合された)ピクセル入力電極537との間のキャパシタンスを示し得、そこで、誘電体層と見なされ得る圧電層515は、下部電極512と上部電極514との間に配設される。キャパシタC502は、センサアレイのサイズおよび構成とともに変動し得るキャパシタンスを有する、出力キャパシタンス(たとえば、特定の実装形態に応じて、列または行キャパシタンス)を表す。たとえば、比較的大きい80mm×80mmのセンサアレイは、より長い電気トレース、および、行または列に取り付けられたより多数の出力トランジスタのために、小さい矩形の8mm×3mmのセンサアレイよりもかなり高い出力キャパシタンスC502を有し得る。正方形の構成は、行アドレス指定されるか、列アドレス指定されるかにかかわらず、実質的に同様の出力キャパシタンスを有し得るが、矩形の構成は、センサアレイが行アドレス指定されるか、列アドレス指定されるかに応じて、異なる出力キャパシタンスを有し得る。
図5の例では、キャパシタCfおよびC502は、それぞれ、約13フェムトファラド(fF)および10ピコファラド(pF)のキャパシタンスを有し得る。図5の例は例示的であること、および、デバイスパラメータ(キャパシタンス値など)が、ピクセル回路の特定の適用例またはレイアウトに基づいて選択または決定され得ることを諒解されたい。
図示の実装形態では、NMOSトランジスタが企図されるが、代替実装形態では、トランジスタM501、M502、およびM503のうちの1つまたは複数は、動作のために必要に応じて供給電圧および電圧値の調整を伴う、p形金属酸化物半導体(PMOS)トランジスタに対応し得ることが諒解されよう。
トランジスタM501は、センサアレイのための供給電圧(Vcc)に応答し得る。供給電圧(Vcc)はまた、「アレイ電力」(AP)と呼ばれることもある。トランジスタM501は、ソースフォロワとして機能し、M501のゲート上の信号が、トランジスタM503(「パストランジスタM503」)に、およびパストランジスタM503がオンにされるときは出力Dnに転送されることを可能にし得る。ダイオードD501およびトランジスタM501(「ソースフォロワトランジスタM501」)は、ダイオードバイアス電圧(ダイオードバイアスまたは「DBias」)に応答し得る。DBias電圧レベルは、ダイオードD501が順方向バイアスされるとき、またはトランジスタM502(「リセットトランジスタM502」)がオンにされるとき、ソースフォロワトランジスタM501のゲートに印加され得る。図示の実装形態では、リセットトランジスタM502およびパストランジスタM503は、それぞれのゲートドライバG2およびG3と各々結合される。
ダイオードD501は、図5に示されたDBias信号など、バイアス信号を使用してバイアスされ得、バイアス信号は、例示的な例として、ダイオードD501をピーク検出動作モードまたは整流動作モードにバイアスし得る。ダイオードバイアス信号は、ダイオードD501のダイオード端子(たとえば、アノード)など、ダイオードバイアス電極540に印加され得る。いくつかの実装形態では、ダイオードバイアス信号は、図1のトランシーバ回路1010、または図3のセンサコントローラ304によって発生され得る。他の実装形態では、ダイオードバイアス信号は、図3の超音波センサアレイ302においてなど、別のロケーションにおいて発生され得る。
動作中、センサピクセル回路536は、図2に示された超音波264の反射部分など、PMUTの表面を通過するかまたはその表面に当たる超音波圧力波に応答し得る。超音波は、センサアレイの外面上に置かれた対象物体202(たとえば、図2に示されたようなユーザの指、またはスタイラス)から反射され得る。反射は、圧電効果に従って、電荷/電圧を発生させ得る。たとえば、反射は、PMUT500の圧電層515における結晶構造および/またはセラミック構造への動的引張および圧縮機械的応力を引き起こし得る。機械的応力は、ダイオードD501によってなど、センサピクセル回路536によって検出され得る、表面電荷または電圧を発生させ得る。より詳細には、ソースフォロワトランジスタM501のゲートにおける整流された信号および初期バイアス電圧は、ソースフォロワトランジスタM501のゲート電圧を決定し得、ソースフォロワトランジスタM501のゲート電圧は、センサピクセル回路536のパストランジスタM503をオンにすることによって読み出され得る。図5の例では、寄生キャパシタンスCpは、いくつかの交流電流(AC)信号を接地に分流させ、したがって、いくつかの信号(たとえば、高周波雑音)をフィルタリングし得る。センサピクセル回路536は、センサピクセル回路536によって検出されるような反射超音波の強度または大きさを示す、大きさまたは電圧を有する、ピクセル出力信号またはデータ出力信号(Dn)を発生させ得る。データ出力信号(Dn)は、図3のピクセル出力信号のうちの1つに対応し得る。
いくつかの実装形態では、受信機バイアス電極539(たとえば、PMUT500の下部電極512)は、トランジスタM501のゲートに容量結合され得る。容量性分圧器は、Cfと、トランジスタM501のゲートキャパシタンスとの間で形成され得る。容量性分圧器の動作は、寄生キャパシタンスCpと、リセットトランジスタM502およびダイオードD501に関連付けられたキャパシタンスとによって、さらに影響され得る。受信機バイアス電圧が受信機バイアス電極539に印加されるとき、M501ゲートバイアス電圧が、容量性分圧器ネットワークに従って、トランジスタM501のゲートにおいて発生され得る。たとえば、M501ゲートバイアス電圧は、トランジスタM501を「オン」状態にバイアスするように機能し得る。
いくつかの実装形態では、マルチレベル動作モードが企図され得る。たとえば、第1の動作モードでは、受信機バイアス電極539に印加された「ブロック」値または電圧は、超音波のために圧電層によって発生された電圧がブロックされることを引き起こし得る、深い逆バイアスモードにおいて動作するように、ダイオードD501をバイアスし得る。第2の動作モードでは、受信機バイアス電極539に印加された「サンプル」値または電圧は、順バイアスモードで動作し、圧電層にわたって発生された信号電圧を整流するように、ダイオードD501のカソードにおける電圧をバイアスし、その電圧がそうすることを可能にし得る。第3の動作モードでは、受信機バイアス電極539に印加された「ホールド」値または電圧は、軽度の逆バイアスモードで動作するようにダイオードD501をバイアスし、センサピクセル回路536のトランジスタM501のゲートにおけるサンプル電圧値が、望まれるときに読み出されることを可能にし得る。
いくつかの実装形態では、複数のレベルのバイアス電圧が、図5のダイオードバイアス電極540に印加され得る。これらのダイオードバイアス値は、それぞれ、準備またはホールドモード、ブロックモード、およびサンプルモードにおける動作を可能にするために、ホールド値、ブロック値、およびサンプル値に対応し得る。例示的な実装形態では、センサコントローラ304は、センサピクセル回路536のダイオードバイアス電極540を選択的にバイアスすることによって、超音波センサアレイ302において、ホールド動作モード、ブロック動作モード、またはサンプル動作モードを選択的に開始するように構成され得る。たとえば、バイアス電圧は、センサピクセル回路536に現在値を維持させるために(たとえば、現在値を「ホールド」するために)、ダイオードバイアス電極540に印加されるホールド値を有し得る。バイアス電圧は、センサピクセル回路536が信号を取得または検出することを抑制するために(たとえば、センサピクセル回路536が信号を取得または検出することを「ブロック」するために)、ダイオードバイアス電極540に印加されるブロック値を有し得る。バイアス電圧は、センサピクセル回路536に超音波を検出させるために(たとえば、超音波を「サンプリング」するために)、ダイオードバイアス電極540に印加されるサンプル値を有し得る。DBiasレベル制御を用いたこれらの動作モード中に、受信機バイアス電極539に印加された値は、いくつかの実装形態では、一定に(接地または基準電位などにおいて)保持されるか、または変動させられ得る。DBiasレベルを印加する値およびタイミングは、RBiasレベル制御のためのものから変動し得るが、それでも、機能は同様または実質的に同様であり得る。他の実装形態では、DBiasの機能は、RBiasの機能とは異なり得る。他の動作モードは、動作中に、RBias値、DBias値、または両方のいずれかを変動させ得る。
したがって、TFTピクセル回路(たとえば、センサピクセル回路536)は、DBias信号に応答するダイオード(たとえば、ダイオードD501)を含み得る。センサピクセル回路536は、トランジスタM501など、第1のトランジスタをさらに含み得る。第1のトランジスタは、容量結合を介して、受信機バイアス電圧(RBias)に応答し得る。たとえば、第1のトランジスタのゲート端子は、受信機バイアス電極539に容量結合され得る。PMUTは、上記で説明したように、反射超音波に基づいて、表面電荷を発生させるように構成され得る。ダイオードD501および第1のトランジスタM501は、表面電荷に応答して、特定の信号を発生させ得る。センサピクセル回路536は、トランジスタM503など、第2のトランジスタをさらに含み得る。第2のトランジスタM503は、特定の信号に応答して、図5のデータ出力信号(Dn)など、センサピクセル回路536のデータ出力信号Dnを発生させ得る。データ出力信号Dnは、図3のデータ出力内に含まれ得る。
図6A〜図6Bは、時間に応じた送信機励起信号および受信機バイアスレベルの例をグラフによって示す。送信機励起信号(上のグラフ)は、超音波送信機に与えられ得るのに対して、受信機バイアスレベル(下のグラフ)は、超音波センサアレイの受信機バイアス電極に印加され得る。以下の説明は、本明細書で開示する様々な実装形態に汎用的である。
図6Aは、超音波送信機に与えられ得る送信機(Tx)励起信号(上のグラフ)、および(下のグラフ)受信機バイアス電極に印加され得る受信機バイアス(RBias)電圧レベルをグラフによって示す。たとえば、RBias電圧レベルは、超音波センサアレイ302の受信機バイアス電極339(たとえば、PMUT500の下部電極512)に印加され得る。図6Aの上のグラフに示されるように、所定の周波数および走査レートにおける超音波送信機励起信号の1つまたは複数の周期が、超音波送信機に印加され得る。1つのTx周期は実線で示されているが、追加の周期は破線で示されている。いくつかの実装形態では、単一の送信機励起周期が使用され得る。いくつかの実装形態では、2つの周期、3つの周期、4つの周期、5つ以上の周期など、複数の励起周期が使用され得る。いくつかの実装形態における送信機励起信号は、方形波、矩形波、部分波、パルス波、多重周波数波、チャープ波、低もしくは高デューティーサイクル波、可変振幅波、可変周波数波、または、超音波送信機320を駆動するための他の好適な波形であり得る。出て行く超音波の送信中に、ブロックモードに対応する制御信号が、超音波センサアレイ302の受信機バイアス電極339に印加され得、ブロックモードでは、出て行く送信波から反射された信号がセンサピクセル回路536によって捕捉されることを防止するように、バイアスレベルがブロック値に設定される。反射超音波信号は、サンプルモードの間に捕捉され得、サンプルモードの間、受信機バイアス電極339に印加される制御信号のバイアスレベルは、サンプル値に設定される。望まれない内部反射の検出を防止するために、受信機バイアス電極339に印加されるバイアスレベルは、短い時間期間の間、ブロック値に戻され得る。受信機バイアス電極339に印加されるバイアスレベルがホールド値にされるホールドモードの間、超音波センサアレイの各センサピクセル内に記憶された信号は、クロックアウトされ得る。再び図6Aを参照すると、第1の送信機励起信号は、超音波送信機320に印加され得、センサアレイのバイアスレベルは、送り出し時間にブロック値に設定され得る。範囲ゲート遅延(RGD:range-gate delay)とも呼ばれる取得時間遅延の後、バイアスレベルは、サンプル値にされ、サンプリングウィンドウまたは範囲ゲートウィンドウ(RGW:range-gate window)とも呼ばれる、取得時間ウィンドウに対応する持続時間の間、そこで保持され得る。取得時間ウィンドウは、図示の実装形態では、送信機励起周期の期間以上である時間間隔に対応し得る。他の実装形態では、取得時間ウィンドウは、送信機励起周期の期間よりも短くなり得る。送信機励起周期の期間は、一般に、対応する送信および反射された超音波の期間に等しくなり得る。RGWに対応する時間間隔の後、受信機バイアス電極339に印加されるバイアスレベルは、ブロック値に戻され得る。別の時間間隔の後、バイアスレベルは、ピクセル出力信号のクロックアウトを可能にするために、ホールド値にされ得る。たとえば、超音波平面波は、プラテン表面に向かって、平面波発生器などの超音波送信機320から、送り出し時間において送り出され得る。ピクセル出力信号のセットは、取得時間遅延によって超音波平面波の送り出しから遅延される取得時間において取得され得る。ピクセル出力信号は、平面波がプラテン表面から反射された後、選択された時間における超音波平面波の局所的な大きさを表し得る。追加のセットのピクセル出力信号が、追加の超音波平面波を送り出した後、取得され得る。ピクセル出力信号は、同じまたは異なる取得時間遅延の後、および同じまたは異なる取得時間ウィンドウとともに取得され得る。いくつかの実装形態では、Txドライバ信号(シングルエンドまたは差動のいずれか)が、関連付けられたPMUTまたはPMUTのアレイの1つまたは複数の上部電極(たとえば、送信電極)に印加され得る。いくつかの実装形態では、Txドライバ信号は、関連付けられたPMUTまたはPMUTのアレイの下部電極に印加され得る。いくつかの実装形態では、RBias電圧は、関連付けられたPMUTまたはPMUTアレイの上部または下部電極への電気的結合を介して、超音波を発生させ、送り出すために、Txドライバ信号によって変調され得る。
図6Bは、超音波センサアレイ302の受信機バイアス電極339(たとえば、PMUT500の下部電極512)に印加される超音波送信機および受信機バイアスレベル(下のグラフ)に与えられ得る、Tx励起信号の複数の周期(上のグラフ)をグラフによって示す。図示の実装形態では、送信機励起信号の1つの周期の期間よりも実質的に短いサンプリングウィンドウを使用して、反射波が検出される。
図7A〜図7Bは、時間に応じた送信機励起信号およびダイオードバイアスレベルの例をグラフによって示す。送信機励起信号(上のグラフ)は、超音波送信機に与えられ得るのに対して、ダイオードバイアスレベル(下のグラフ)は、超音波センサアレイのダイオードバイアス電極に印加され得る。この図の上部分において示されているように、および図6Aに関して上記で説明したように、所定の周波数および走査レートにおける超音波送信機励起信号の1つまたは複数の周期が、送信機(Tx)に印加され得る。出て行く超音波の送信中に、バイアスレベルがブロック値に設定されるブロックモードに対応する制御信号が、ダイオードバイアス電極540に印加され得る。反射超音波信号は、サンプルモードの間に捕捉され得、そのとき、ダイオードバイアス電極540に印加される制御信号のバイアスレベルは、サンプル値に設定される。望まれない内部反射の検出を防止するために、ダイオードバイアス電極540に印加されるバイアスレベルは、短い時間期間の間、ブロック値に戻され得る。ダイオードバイアス電極540に印加されるバイアスレベルがホールド値にされるホールドモードの間、超音波センサアレイ302の各センサピクセル内に記憶された信号は、クロックアウトされ得る。
さらに図7Aを参照すると、第1の送信機励起信号は、超音波送信機320に印加され得、ダイオードバイアス電極540のバイアスレベルは、送り出し時間にブロック値に設定され得る。範囲ゲート遅延(RGD)とも呼ばれる取得時間遅延の後、バイアスレベルは、サンプル値にされ、範囲ゲートウィンドウ(RGW)とも呼ばれる取得時間ウィンドウに対応する持続時間の間、そこで保持され得る。取得時間遅延は、図示の実装形態では、送信機励起周期の期間以上の時間間隔に対応し得る。他の実装形態では、取得時間ウィンドウは、送信機励起周期よりも短くなり得る。取得時間ウィンドウに対応する時間間隔の後、ダイオードバイアス電極540に印加されるバイアスレベルは、ブロック値に戻され得る。別の時間間隔の後、バイアスレベルは、ピクセル出力信号のクロックアウトを可能にするために、ホールド値にされ得る。ピクセル出力信号を取得するために、ダイオードバイアス電極540に印加されるダイオードバイアス電圧およびタイミングの動作は、図6Aに関して上記で説明したように、受信機バイアス電極339に印加される電圧およびタイミングと概して同様であり得るが、電圧の極性および大きさは、それらの間で異なり得る。いくつかの実装形態では、超音波センサアレイ302は、必要に応じて、超音波画像形成では、いずれかまたは両方のモードで動作され得る。
図7Bは、超音波送信機に与えられる送信機励起信号の複数の周期(上のグラフ)と、ダイオードバイアス電極540に印加される様々なRBiasレベル(下のグラフ)とをグラフによって示す。図示の実装形態では、RGWは、反射波を検出するためにサンプリングパルスを構成し得、サンプリングパルスまたはウィンドウの持続時間は、送信機励起信号の1つの周期の期間よりも実質的に短い。サンプリングパルスは、PMUTの表面に当たる反射超音波の強度または大きさを検出するために十分長い持続時間の間、アクティブに保持され得る。いくつかの実装形態では、サンプル値は、ピーク検出器として機能するために、送信機励起信号の1つの周期の期間よりも実質的に短い持続時間(RGW)の間に保持され得、センサピクセル回路が、(反射超音波のピーク強度または大きさに対応してもしなくてもよい)サンプリングウィンドウの間に生じるピーク信号を検出および取得するようにする。動作中、様々な時点に反射超音波の信号強度を捕捉するために、超音波の送り出しから異なる取得時間遅延(RGD)とともに、追加の画像が取得され得る。
図8Aは、一実装形態による、センサピクセル回路の一例を示す。図示の実装形態では、センサピクセル回路836は、たとえば、図3に示された超音波ピクセル回路アレイ335、または図4に示された超音波ピクセル回路アレイ435など、ピクセルアレイを形成するために、同様のセンサピクセル回路のアレイにおいて配設され得る。
図示の実装形態では、センサピクセル回路836は、PMUT500と、ダイオードD801と、トランジスタM801と、トランジスタM802と、トランジスタM803とを含む。トランジスタM801は、アレイ電力(AP)に応答し得、ソースフォロワとして機能し得、M801のゲート上の信号が、トランジスタM803(「パストランジスタM803」)に、および(パストランジスタM803がオンにされるときは)出力Voutに転送されることを可能にし得る。ダイオードD801およびトランジスタM801(「ソースフォロワトランジスタM801」)は、ダイオードバイアス電圧に応答し得る。ダイオードバイアス電圧レベルは、ダイオードD801が順方向バイアスされるとき、またはトランジスタM802(「リセットトランジスタM802」)がオンにされるとき、ソースフォロワトランジスタM801のゲートに印加され得る。図示の実装形態では、リセットトランジスタM802およびパストランジスタM803のゲートは、それぞれのゲートドライバ端子と各々結合される。より詳細には、リセットトランジスタM802のゲートは、「リセット」ゲートドライバ端子と結合され、パストランジスタM803のゲートは、「読取り」ゲートドライバ端子と結合される。
ダイオードD801は、図示の実装形態では、ダイオードバイアスドライバ端子840において、印加されるダイオードバイアス(DBias)信号を使用してバイアスされ得る。結果として、ダイオードD801は、例示的な例として、ピーク検出動作モードまたは整流動作モードにバイアスされ得る。いくつかの実装形態では、DBias信号は、図1のトランシーバ回路1010、または図3のセンサコントローラ304によって発生され得る。他の実装形態では、DBias信号は、図3の超音波センサアレイ302など、別のロケーションにおいて発生され得る。
本開示の技法によれば、超音波信号(たとえば、図2に示された超音波264)は、Rxバイアス電極839によってPMUT500の下部電極512に与えられた励起信号の結果として、PMUT500によって放射され得る。センサピクセル回路836は、センサアレイの外面上に置かれた対象物体202(たとえば、図2に示されたようなユーザの指、またはスタイラス)から反射された超音波264の反射部分に応答し得る。反射は、圧電効果に従って、電荷/電圧を発生させ得る。たとえば、反射は、PMUT500の圧電層515における結晶構造および/またはセラミック構造への動的引張および圧縮機械的応力を引き起こし得る。機械的応力は、図5に関して上記で説明したように、センサピクセル回路836によって検出され得る、ピクセル入力電極837と電気的に結合された上部電極514において、表面電荷または電圧を発生させ得る。結果として、センサピクセル回路836は、センサピクセル回路836によって検出されたような反射超音波の強度または大きさを示す、大きさまたは電圧を有する、ピクセル出力信号(Vout)を発生させ得る。
図8Bは、センサピクセル回路を動作させるためのタイミング図の一例を示す。図示のタイミング図では、センサピクセル回路836は、3つの時間的に分離されたモード、すなわち、「送信モード」、「受信モード」、および「読取りモード」で制御され得る。送信モード中に、超音波信号は、Rxバイアス電極839によってPMUT500の下部電極512に与えられた励起信号の結果として、PMUT500によって放射され得る。受信モード中に、対象物体202(たとえば、図2に示されたような、ユーザの指、またはスタイラス)からの超音波信号の反射が、PMUT500によって受信され得る。受信された超音波信号の反射は、ピクセル入力電極837と結合される上部電極514において表面電荷または電圧を発生させ得る。読取りモード中に、読出しトランジスタM803がトリガされ得る。結果として、PMUT500によって受信される反射超音波信号の大きさを表すVoutは、たとえば、図3のセンサコントローラ304など、センサコントローラ内に配設された追加の回路によって読み取られ得る。DBias信号は、いくつかの実装形態では、図7Bに関して上記で説明されたように、サンプリングパルスとして、ダイオードバイアスドライバ端子840に印加され得る。
いくつかの実装形態では、センサコントローラ304は、センサピクセル回路836のRxバイアス電極839、ダイオードバイアスドライバ端子840、リセット端子841、および読取りドライバ端子842を適切にシグナリングすることによって、超音波センサアレイ302において、送信動作モード、受信動作モード、および読取り動作モードを選択的に開始するように構成され得る。
図8Aに示された実装形態では、PMUT500は、2つの端子(または「ポート」)、すなわち、下部電極512および上部電極514を含む。結果として、PMUT500は、2ポートPMUTと呼ばれることがある。2015年10月14日に出願された「THREE-PORT PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER」という名称の米国特許出願第14/883,583号において、本出願人によって開示されているように、PMUTは、第1の電極によって第1の超音波信号を同時に送信すること、および、第2の電極によって第2の超音波信号を受信することを行うように構成された、3端子デバイスとして構成され得、ただし、第3の電極は、基準および/または接地電極として機能する。いくつかの実装形態では、3ポートPMUTは、電気的入力(Tx)ポートと、超音波出力ポート(超音波入力ポートとしても機能する)と、電気的出力(Rx)ポートとを有する。そのような実装形態では、電気的入力ポートおよび電気的出力ポートは、物理的および電気的に分離され得、それでもPMUTマイクロ構造の同じ部分上(たとえば、キャビティの上方のダイアフラム上)に配設され得る。
図9Aは、一実装形態による、3ポートPMUTを組み込んだセンサピクセル回路の一例を示す。図示の実装形態では、PMUT900は、圧電層915の下方およびキャビティ920の上方に配設された基準(下部)電極912を含む。内部(上部)電極913は、圧電層915の上方に配設される。図示の実装形態では、1つまたは複数の外部(上部)電極914もまた、圧電層915の上方に配設される。これらの外部電極914は、一例では、3ポートPMUT900の周辺部の部分的または完全に周囲に外部電極914を延長することによって、または、別の例では、1つまたは複数の電気相互接続またはジャンパを用いて、セグメント化された外部電極914を外部で相互接続することによって、一緒に電気的に接続され得る。図示の実装形態では、内部電極913は、「送信電極」として構成され、外部電極914は、「受信電極」として構成される。代替実装形態(図示せず)では、内部電極913は、受信電極として構成され得、外部電極914は、送信電極として構成され得る。センサピクセル回路936は、たとえば、図3に示された超音波ピクセル回路アレイ335、または図4に示された超音波ピクセル回路アレイ435など、ピクセルアレイを形成するために、同様のピクセル回路のアレイにおいて配設され得る。
図示の実装形態では、センサピクセル回路936は、PMUT900と、ダイオードD901と、トランジスタM901と、トランジスタM902と、トランジスタM903とを含む。トランジスタM901は、アレイ電力(AP)に応答し得、ソースフォロワとして機能し得、M901のゲート上の信号が、トランジスタM903(「パストランジスタM903」)に、および(たとえば、パストランジスタM903がオンにされるときは)出力Voutに転送されることを可能にし得る。ダイオードD901およびトランジスタM901(「ソースフォロワトランジスタM901」)は、ダイオードバイアス電圧に応答し得る。ダイオードバイアス電圧レベルは、ダイオードD901が順方向バイアスされるとき、またはトランジスタM902(「リセットトランジスタM902」)がオンにされるとき、ソースフォロワトランジスタM901のゲートに印加され得る。図示の実装形態では、リセットトランジスタM902およびパストランジスタM903のゲートは、それぞれのゲートドライバ端子と各々結合される。より詳細には、リセットトランジスタM902のゲートは、「リセット」ゲートドライバ端子と結合され、パストランジスタM903のゲートは、「読取り」ゲートドライバ端子と結合される。
ダイオードD901は、ダイオードD901が、例示的な例として、ピーク検出動作モードまたは整流動作モードにバイアスされるように、ダイオードバイアス信号を使用してバイアスされ得る。いくつかの実装形態では、ダイオードバイアス信号は、図1のトランシーバ回路1010、または図3のセンサコントローラ304によって発生され得る。他の実装形態では、ダイオードバイアス信号は、図3の超音波センサアレイ302においてなど、別のロケーションにおいて発生され得る。
本開示の技法によれば、超音波信号(たとえば、図2に示された超音波264)は、Tx駆動電極によって内部(送信)電極913に与えられた励起信号の結果として、PMUT900によって放射され得る。センサピクセル回路936は、センサアレイの外面上に置かれた対象物体202(たとえば、図2に示されたようなユーザの指、またはスタイラス)から反射された超音波264の反射部分に応答し得る。反射は、圧電効果に従って、電荷/電圧を発生させ得る。たとえば、反射は、PMUT900の圧電層915における結晶構造および/またはセラミック構造への動的引張および圧縮機械的応力を引き起こし得る。機械的応力は、図5に関して上記で説明したように、センサピクセル回路936によって検出され得る、ピクセル入力電極937と電気的に結合された外部(受信)電極914において、表面電荷または電圧を発生させ得る。結果として、センサピクセル回路936は、センサピクセル回路936によって検出されたような反射超音波の強度または大きさを示す、大きさまたは電圧を有する、ピクセル出力信号(Vout)を発生させ得る。
図9Bは、一実装形態による、3ポートPMUTを組み込んだセンサピクセル回路を動作させるためのタイミング図の一例を示す。図示のタイミング図では、センサピクセル回路936は、3つのモード、すなわち、「送信モード」、「受信モード」(送信モードに少なくとも部分的に重なり得る)、および「読取りモード」で制御され得る。送信モード中に、超音波信号は、Tx駆動電極によって送信電極913に与えられた励起信号の結果として、PMUT900によって放射され得る。受信モード中に、対象物体202(たとえば、図2に示されたような、ユーザの指、またはスタイラス)からの超音波信号の反射がPMUT900によって受信され得る。受信された超音波信号の反射は、ピクセル入力電極937と結合される受信電極914において表面電荷または電圧を発生させ得る。読取りモード中に、読出しトランジスタM903がトリガされ得る。結果として、PMUT900によって受信される反射超音波信号の大きさを表すVoutは、たとえば、図3のセンサコントローラ304など、センサコントローラ内に配設された追加の回路によって読み取られ得る。DBias信号は、いくつかの実装形態では、図7Bに関して上記で説明されたように、サンプリングパルスとして、ダイオードバイアスドライバ端子940に印加され得る。
いくつかの実装形態では、センサコントローラ304は、センサピクセル回路936のRxバイアス電極939、ダイオードバイアスドライバ端子940、リセット端子941、および読取りドライバ端子942を適切にシグナリングすることによって、超音波センサアレイ302において、送信動作モード、受信動作モード、および読取り動作モードを選択的に開始するように構成され得る。
いくつかの実装形態では、2レベルバイアス方式が使用され得る。たとえば、時間的に分離されたバイアス電圧の複数のレベルは、ホールド値およびサンプル値に対応し得る。サンプル値は、PMUT900の表面に当たる反射超音波の強度または大きさを検出するために十分長い取得時間ウィンドウに対応する持続時間の間、保持され得る。いくつかの実装形態では、サンプル値は、ピーク検出器として機能するために、送信機励起信号の1つの周期の期間よりも実質的に短い持続時間の間に保持され得、センサピクセル回路が、(反射超音波のピーク強度または大きさに対応してもしなくてもよい)取得時間ウィンドウの間に生じるピーク信号を検出および取得するようにする。バイアス信号は、様々な受信機バイアス電圧レベルに対応し得、PMUTの基準(下部)電極に、または送信電極に印加され得る。代替的に、バイアス信号は、様々なダイオードバイアス電圧レベルに対応し得、センサピクセル回路内の整流ダイオードのダイオード端子(たとえば、アノード)に印加され得る。いくつかの2レベルバイアス方式実装形態では、ブロックモードは、省略され得、センサピクセル回路のリセット端子に印加される高速リセット信号によって置き換えられ得る。リセット信号は、超音波が送り出され、反射超音波がセンサピクセル回路によって検出される時間の間に印加され得る。
各ピクセル回路内でダイオードといくつかのトランジスタとを有するセンサピクセル回路について、上記で説明したが、他のセンサピクセル回路は、整流ダイオード有りでまたは無しで、より多いまたはより少ないシリコンまたは薄膜トランジスタとともに、および、上記で説明した機能よりも多いまたは少ない機能とともに企図され得る。たとえば、センサピクセル回路は、1つまたは複数のピーク電圧検出器、ピークツーピーク電圧検出器、サンプルアンドホールド回路、包絡線検出器、または電荷積分器を含み得る。上記で説明し、以下で説明するプロセス説明において詳述するピクセル回路は、一般に、ガラスまたはプラスチック基板上に形成されたTFT回路に関するが、シリコンまたはSOI基板上に形成されたCMOS回路など、シリコンまたは半導体ベースのトランジスタ回路は、同様または向上した性能および機能とともに構築され得る。
図10A〜図10Dは、いくつかの実装形態による、2ポートPMUT要素のアレイの選択されたフィーチャを示す。各2ポートPMUT要素は、キャビティ領域1020の上に配設された、上部電極1014と下部電極1012とを含む。図10Aに示す例示的な実装形態では、PMUT要素の行における各PMUT要素は、共通RBias入力を受信し得る共通下部(基準)電極1012aによって電気的に結合される。図示の実装形態では、各上部電極1014aは、中心に配設された駆動/センス電極として構成され、それぞれのピクセル入力電極1037aによって、関連付けられたセンサピクセル回路(図示せず)に個々に結合される。
図10Bに示す例示的な実装形態では、PMUT要素の行における各PMUT要素は、共通RBias入力を受信し得る共通下部(基準)電極1012bによって電気的に結合される。図示の実装形態では、各上部電極1014bは、周囲に配設された(リング状)駆動/センス電極として構成され、それぞれのピクセル入力電極1037bによって、関連付けられたセンサピクセル回路(図示せず)に個々に結合される。
図10Cに示す例示的な実装形態では、各下部(基準)電極1012cは、それぞれのRxバイアス電極1039cと個々に結合される。図示の実装形態では、各上部電極1014cは、中心に配設された駆動/センス電極として構成され、それぞれのピクセル入力電極1037cによって、関連付けられたセンサピクセル回路(図示せず)に個々に結合される。
図10Dに示す例示的な実装形態では、各下部(基準)電極1012dは、それぞれのRxバイアス電極1039dと個々に結合される。図示の実装形態では、各上部電極1014dは、周囲に配設された(リング状)駆動/センス電極として構成され、それぞれのピクセル入力電極1037dによって、関連付けられたセンサピクセル回路(図示せず)に個々に結合される。
図11A〜図11Bは、いくつかの実装形態による、3ポートPMUT要素のアレイの選択されたフィーチャを示す。各3ポートPMUT要素は、キャビティ領域1120の上に配設された、下部(基準)電極1112と、第1の上部電極1113と、第2の上部電極1114とを含む。図11Aに示す例示的な実装形態では、PMUT要素の行における各PMUT要素は、共通基準および/または接地電圧を受信し得る共通下部(基準)電極1112aによって電気的に結合される。図示の実装形態では、PMUT要素の列における各PMUT要素は、共通励起(Tx Drive)信号を受信し得る第1の上部(駆動)電極1113aによって一緒に電気的に結合される。図示の実装形態では、第2の上部(受信)電極1114aは、周囲に配設された外部電極として構成され、それぞれのピクセル入力電極1137aによって、関連付けられたセンサピクセル回路(図示せず)に個々に結合される。図示の実装形態では、第2の上部電極1114aは、ジャンパ領域において電気的に結合された2つの部分を含む。
図11Bに示す例示的な実装形態では、各PMUT要素の各下部(基準)電極1112bは、基準および/または接地電圧と個々に電気的に結合される。図示の実装形態では、各PMUT要素の各第1の上部(駆動)電極1113bは、励起(Tx Drive)信号と個々に電気的に結合され得る。図示の実装形態では、第2の上部(受信)電極1114bは、周囲に配設された外部電極として構成され、それぞれのピクセル入力電極1137bによって、関連付けられたセンサピクセル回路(図示せず)に個々に結合される。
図12A〜図12Cは、アモルファスまたは多結晶シリコン薄膜トランジスタを有するTFT基板を用いて集積されたPMUT要素の簡略化された断面の例を示す。図12Aを参照すると、PMUT900の上部電極914は、接続トレースのシーケンスと電気ビアとによって、トランジスタM901のゲート端子と電気的に結合されることが観察され得る。図示の実装形態では、トランジスタM901のドレイン端子は、トランジスタM903のソース端子と接続トレースによって電気的に結合される。図示の断面図は、簡略化された概念的表現であること、ならびに、複数のトランジスタ、ダイオード、および容量性要素の複雑な配列を含むセンサピクセル回路は、図示の構成要素の近傍で、PMUT900の下に配設され、PMUT900と実質的に同じフットプリントを共有し得ることが諒解されよう。
次に図12Bを参照すると、キャビティ920が、二重用途ビアと結合される、突出するエッチチャネル領域を含むものとして示される、一実装形態が示されている。PMUT900は、レイヤ間電気コネクタとして、およびキャビティ920のためのシールとして機能する、1つまたは複数の二重用途ビアを含み得る。作製プロセス中に、二重用途ビア内に導電トレースを堆積させるより前に、キャビティ920は、ビアホールおよび突出するエッチチャネル領域を通して、キャビティ920から犠牲材料を除去することによって形成され得る。ビアホールおよび突出するエッチチャネル領域の一部分を充填する金属層が堆積され得、同時に、キャビティ920を密閉し、キャビティ920の上方の接続トレースと、キャビティ920の下方の接続トレースとの間の電気相互接続を可能にし得る。
いくつかの実装形態では、下部電極層は、図12Cに示されるように、キャビティにまたがり、PMUT900の一方の側まで、またはほぼ一方の側まで延在し得る。たとえば、PMUTフットプリントの大部分にまたがる下部電極層は、バイアス層として、および有効な静電遮蔽として機能し得る。同様にして、圧電層は、キャビティにまたがり、PMUT900の各側まで、またはほぼ各側まで延在し得る。下部電極層および圧電層のホールおよび他のカットアウト部分は、必要に応じてビアおよび他の電気トレースのトラバースを可能にするように形成され得る。
代替構成(図示せず)では、基準電極は、キャビティから最も遠い圧電層の側に配置され得、受信および/または送信電極は、キャビティに最も近い圧電層の反対側に配置され得る。いくつかの実装形態では、基準電極は、キャビティに連続的にまたがり得るが、他の実装形態では、基準電極はセグメント化され得、各セグメントがキャビティの一部分にまたがる。
図13は、超音波センサピクセルを作製するためのプロセスフローの一例を示す。方法1300は、センサピクセル回路を含む基板の上で、電極を含む、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)を形成するためのステップ1310を含む。上記で説明したように、PMUTは、キャビティの上に配設された圧電層を含む、圧電層スタックを含み得る。電極は、圧電層スタックとキャビティとの間に配設された基準電極と、キャビティから反対側である圧電層スタックの表面上またはその近傍に配設された受信電極および送信電極の一方または両方とを含み得る。PMUTは、センサピクセル回路およびPMUTが共通フットプリント面積内に含まれるように、センサピクセル回路をオーバーレイし得る。有利には、センサピクセル回路は、第1のフットプリント面積内に含まれ得、PMUTは、第2のフットプリント面積内に含まれ得、第1のフットプリント面積は第2のフットプリント面積よりも小さい。
ステップ1320で、導電性経路が、センサピクセル回路と1つまたは複数の電極との間に形成され得る。導電性経路は、受信電極をセンサピクセル回路のピクセル入力電極と電気的に結合するように構成され得る。
図14A〜図14Eは、TFT回路を有するTFT基板上にオーバーレイされたPMUTを含む超音波センサピクセルを作製するためのプロセスフローの一例を示す。プロセスフロー1400は、ステップS1401で、低温ポリシリコンTFT基板を受容することで開始し得る。図示の例では、TFT基板は、トランジスタおよび/または他の半導体構成要素、ならびに相互接続導電性材料の所望の配置をすでに設定されている。説明の簡単のために、図示の例では、2つのトランジスタM1401およびM1402のみが示されているが、複数のトランジスタ、ダイオード、および容量性要素のより複雑な配置が、本開示の技法によって企図され得ることが諒解されよう。
プロセスフロー1400は、ステップS1402で、SiO2平坦化層1402aを堆積させることで継続し得る。堆積に続いて、(図示の例では、ロケーション1402b、1402c、および1402dにおいて)導電性パッドを選択的に露出させ、かつ/またはビアを開けるように、平坦化層1402aが平坦化およびパターニングされ得る。
プロセスフロー1400は、ステップS1403で、図示の例では、ロケーション1402b、1402c、および1402dの近傍の所望の配置において、金属層1403a(たとえば、「再分配層」)を堆積させ、パターニングすることで継続し得る。
プロセスフロー1400は、ステップS1404で、SiO2の層1404aを堆積させることで継続し得る。SiO2層1404aは、化学機械研磨(CMP)および平坦化シーケンスを受け得、それに続いて、アモルファスシリコン犠牲層1404bが、堆積およびパターニングされ得る。パターニングされたアモルファスシリコン層は、1つまたは複数のキャビティ、ビア、および/またはエッチチャネルを形成するために、後続のステップで除去されるように意図される犠牲材料であり得る。
次に図14Bを参照すると、プロセスフロー1400は、ステップS1405で継続し得る。図示の例では、ステップS1405は、さらなる層1405aを堆積させることを含む。層1405aは、図1Aの機械層130に対応し得る。層1405aは、二酸化ケイ素(SiO2)、酸窒化ケイ素(SiON)、窒化ケイ素(SiN)、他の誘電体材料、または誘電体材料もしくは誘電体層の組合せを含み得る。層1405aは、平坦化プロセスを受け得、その後、下部金属層1405bが堆積され得る。下部金属層1405bは、図1Aの下部電極112に対応し得る。図示の例では、ステップS1405は、窒化アルミニウムAlN、スカンジウムドープAlN、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、または他の好適な圧電材料などの材料の圧電層1405cを堆積させることをさらに含む。圧電層1405cは、図1Aの圧電層115に対応し得る。図示の例では、ステップS1405は、上部金属層1405dを堆積させ、パターニングすることをさらに含む。パターニングされた上部金属層1405dは、図1Aの上部電極114に対応し得る。いくつかの実装形態では、AlNの薄層など、シード層1405dが、下部金属層1405bより前に堆積され得る。
プロセスフロー1400は、ステップS1406で、圧電層1405cをパターニングおよび/またはエッチングすることで継続し得る。圧電層1405cのエッチングは、圧電層1405cの不要な部分を選択的に削除するため、および、下部金属層1405bなど、下にあるエッチ停止層上で停止するために、1つまたは複数のドライエッチまたはウェットエッチステップを含み得る。
プロセスフロー1400は、ステップS1407で、下部金属層1405bをパターニングおよび/またはエッチングすることで継続し得る。
プロセスフロー1400は、ステップS1408で、さらなる誘電体層1408aを堆積させることで継続し得る。層1408aは、SiO2、SiON、SiN、他の誘電体材料、または誘電体材料もしくは誘電体層の組合せを含み得る。図示の例では、ステップS1408は、(図示の例では)ロケーション1408bおよび1408cに位置する、コンタクト開口またはビアを設けるように、誘電体層1408aをパターニングすることを含む。
次に図14Cを参照すると、プロセスフロー1400は、ステップS1409で継続し得る。図示の例では、ステップS1409は、ロケーション1409a、1409b、および1409cにおいて、コンタクト開口またはビアホールを形成し、導電層を露出させるように、パターニングおよびエッチングすることを含む。
プロセスフロー1400は、ステップS1410で、図示の例では、ロケーション1409a、1409b、および1409cの近傍の金属層を堆積させ、パターニングおよびエッチングすることで継続し得る。これらのステップの結果として、ロケーション1409aを通って延在する導電性経路1410aが形成され、トランジスタM1401のゲート端子と上部金属層1405d(図1Aの上部電極114に対応する)との間の電気的結合を与えることが観察され得る。同様に、コンタクト開口およびビアホールを充填するか、または部分的に充填するために、ロケーション1409bを通って延在する、導電性経路1410bが形成され得、金属層1405b上のパターニングされたフィーチャと、TFT基板上で下にあるTFT回路に関連付けられた下にある相互接続層上のパターニングされたフィーチャとの間の電気的接続を可能にし得る。たとえば、いくつかの実装形態では、トランジスタM1402は、図5に示されたような、PMUT500の受信機バイアス電極539および下部電極512に対応する、下部電極1405bのためのトランジスタドライバとして使用され得る。導電性経路1410cが形成され得、導電性経路1410cは、金属層1405b上のパターニングされたフィーチャと、TFT基板上の1つまたは複数のボンドパッドとの間の電気的接続を可能にするために、1つまたは複数の誘電体層の側壁を通して、またはその上に延在する。代替的に、導電性経路1410cが形成され得、導電性経路1410cは、TFT基板上のTFT回路に関連付けられた相互接続層上のパターニングされたフィーチャと、TFT基板上の1つまたは複数のボンドパッドとの間の電気的接続を可能にする。場合によっては、ステップS1410はまた、金属層1410aの選択された部分の上で、酸化インジウムスズなどの透明導電体を堆積させ、パターニングおよびエッチングすることを含み得る。
プロセスフロー1400は、ステップS1411で、アモルファスシリコン犠牲層1404bまで延在する1つまたは複数の犠牲エッチビアホール1411aを形成するように、層1405aおよび1408aの部分をパターニングおよびエッチングすることで継続し得る。
プロセスフロー1400は、ステップS1412で、好適に選択的なウェットまたはドライエッチング剤などを用いて、犠牲アモルファスシリコンを(たとえば、ビアホール1411aを通して)除去することで継続し得る。いくつかの実装形態では、フッ化キセノン(XeF2)が、アモルファスシリコン犠牲層1404bの露出された部分を選択的に除去するために使用され得る。得られたキャビティ1412aは、図1Aのキャビティ120に対応し得る。
プロセスフロー1400の残りのステップは、PMUTのカプセル化、ならびに、結合層およびプラテンの設置に関する。これらのプロセスステップの2つの実装形態について説明する。最初に図14Dを参照すると、一実装形態では、プロセスフロー1400は、ステップS1413Aで、カプセル化層1413aの堆積で継続し得る。カプセル化層1413aは、SiO2、SiON、SiN、ALD酸化アルミニウム(ALD AlOx)、または他の原子層堆積材料など、1つまたは複数の金属または誘電体層、あるいはいくつかのそのような層の複合層を含み得る。次いで、カプセル化層1413aは、たとえば、ロケーション1414aにおいて、1つまたは複数のボンドパッドまたは他の導電性フィーチャを露出させるように、パターニングおよびエッチングを受け得る(ステップS1414A)。いくつかの実装形態では、カプセル化層1413aのALD AlOx層または他の好適な構成要素は、PMUTダイアフラムの上方の過剰なカプセル化層材料を除去するとき、エッチ停止層として機能し、同時に、カプセル化層の有効性を改善し得る。カプセル化層は、PMUTキャビティ1412a内の真空または他の好ましい圧力レベルを密閉および維持するように機能し得る。プロセスフロー1400は、ステップS1415Aで、カプセル化層1413aの上に結合層1415aを適用すること、および、結合層1415aの上にプラテン1415bを配設することで終了し得る。結合層1415aは、下にあるPMUTによって発生または受信される超音波の送信を可能にし得る。いくつかの実装形態では、結合層1415aは、下にあるPMUTとプラテン1415bとの間の音響整合層として機能し得る。いくつかの実装形態では、結合層1415aは、ポリイミドまたはドライレジスト膜など、光画像形成可能ポリマーであり得る。光画像形成可能ポリマーまたは他の結合層材料は、ロケーション1414aなど、下にあるTFT基板上に配設された1つまたは複数のボンドパッドを露出させるように、パターニングおよびエッチングされ得る。いくつかの実装形態では、結合層1415aは、感圧接着剤(PSA)、または熱硬化性もしくはUV硬化性エポキシなど、1つまたは複数の接着剤層を含み得る。
次に図14Eを参照すると、第2の実装形態では、プロセスフロー1400は、(ステップS1412から)ステップS1413Bで継続し得、ステップS1413Bで、単一のカプセル化/結合層1413bが、ステップS1412において示されたPMUTアセンブリの上に適用され、プラテン1413cが、カプセル化/結合層1413bの上に配設される。図示の実装形態では、単一のカプセル化/結合層1413bがビア1413dを密閉するが、充填せず、それによって、PMUTとプラテン1413cとの間の音響結合を可能にしながら、キャビティ1412aをカプセル化および密閉することが観察され得る。
ここまで、集積されたPMUTピクセルおよび読出しを開示した。いくつかの代替の構成および作製技法が企図され得ることが諒解されよう。たとえば、誘電性の機械層の大部分が、キャビティ領域からさらに離れた圧電層スタックの上方に配置された(すなわち、機械層130が圧電層スタック110の上に配設され得、圧電層スタック110がキャビティ120の近傍である)、PMUT変形可能ダイアフラムが構成され得る。
本明細書で使用するとき、項目のリスト「のうちの少なくとも1つ」を指す句は、単一のメンバーを含むそれらの項目の任意の組合せを指す。一例として、「a、b、またはcのうちの少なくとも1つ」は、a、b、c、a-b、a-c、b-c、およびa-b-cを包含することを意図する。
本明細書で開示する実装形態に関連して説明する様々な例示的な論理、論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムプロセスは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組合せとして実装され得る。ハードウェアとソフトウェアの互換性について、概して機能に関して説明し、上記で説明した様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路およびプロセスにおいて例示した。そのような機能がハードウェアに実装されるか、ソフトウェアに実装されるかは、特定の適用例および全体的なシステムに課された設計制約によって決まる。
本明細書で開示する態様に関連して説明する様々な例示的な論理、論理ブロック、モジュール、および回路を実装するために使用されるハードウェアおよびデータ処理装置は、汎用シングルチッププロセッサもしくは汎用マルチチッププロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別のゲートもしくはトランジスタ論理、個別のハードウェア構成要素、または、本明細書で説明する機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せで実装または実行され得る。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサ、または任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、もしくは状態機械であり得る。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、DSPとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連携した1つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装され得る。いくつかの実装形態では、特定のプロセスおよび方法は、所与の機能に特有の回路によって実行され得る。
1つまたは複数の態様では、説明する機能は、本明細書で開示する構造およびそれらの構造的等価物を含む、ハードウェア、デジタル電子回路、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組合せにおいて実装され得る。また、本明細書で説明した主題の実装形態は、1つまたは複数のコンピュータプログラムとして、すなわち、データ処理装置によって実行するか、またはデータ処理装置の動作を制御するための、コンピュータ記憶媒体上に符号化されたコンピュータプログラム命令の1つまたは複数のモジュールとしても実装され得る。
それらの機能は、ソフトウェアにおいて実装される場合、1つまたは複数の命令またはコードとして、非一時的媒体などのコンピュータ可読媒体上に記憶され得るか、またはコンピュータ可読媒体を介して送信され得る。本明細書で開示する方法またはアルゴリズムのプロセスは、コンピュータ可読媒体上に存在し得るプロセッサ実行可能ソフトウェアモジュールにおいて実装され得る。コンピュータ可読媒体は、ある場所から別の場所にコンピュータプログラムを転送することが可能になる場合がある任意の媒体を含む、コンピュータ記憶媒体と通信媒体の両方を含む。記憶媒体は、コンピュータによってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であり得る。限定ではなく例として、非一時的媒体には、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROMもしくは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージもしくは他の磁気ストレージデバイス、または、命令もしくはデータ構造の形式で、所望のプログラムコードを記憶するために使用され得、コンピュータによってアクセスされ得る任意の他の媒体が含まれ得る。また、任意の接続がコンピュータ可読媒体と適切に呼ばれてもよい。本明細書で使用するディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(disc)(CD)、レーザーディスク(登録商標)(disc)、光ディスク(disc)、デジタル多用途ディスク(disc)(DVD)、フロッピーディスク(disk)およびblu-rayディスク(disc)を含み、ディスク(disk)は通常、データを磁気的に再生し、ディスク(disc)は、レーザーを用いてデータを光学的に再生する。上記の組合せもコンピュータ可読媒体の範囲に含まれるべきである。さらに、方法またはアルゴリズムの動作は、コードおよび命令のうちの1つまたは任意の組合せまたはセットとして、コンピュータプログラム製品に組み込まれ得る機械可読媒体およびコンピュータ可読媒体上に存在し得る。
本開示で説明する実装形態に対する様々な変更形態が、当業者には容易に明らかになる場合があり、本明細書で規定された一般原理は、本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実装形態に適用される場合がある。したがって、特許請求の範囲は、本明細書で示されている実装形態に限定されることを意図するものではなく、本開示、本明細書で開示する原理および新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。加えて、当業者が容易に諒解するように、「上部」および「下部」、「上(top)」および「底」、「前」および「後」、ならびに、「の上」、「上にある」、「上(on)」、「下方」、および「下にある」という用語は、時には図面の説明を容易にするために使用され、適切に向けられたページ上の図面の向きに対応する相対的な位置を示し、実装されたデバイスの適切な向きを反映しないことがある。
また、本明細書において別個の実装形態の文脈で説明するいくつかの特徴は、単一の実装形態において組み合わせて実装され得る。逆に、単一の実装形態の文脈で説明する様々な特徴もまた、複数の実装形態において別個に実装されるか、または任意の好適な部分組合せで実装され得る。その上、特徴は、上記では、いくつかの組合せで作用するものとして説明されることがあり、最初にそのようなものとして請求されることもあるが、請求される組合せからの1つまたは複数の特徴は、場合によっては、組合せから削除され得、請求される組合せは、部分組合せまたは部分組合せの変形形態を対象とし得る。
同様に、動作は特定の順序において図面に示されているが、これは、そのような動作が所望の結果を達成するために、示された特定の順序で実行されるかもしくは順次に実行されること、またはすべての図示された動作が実行されることを必要とするものとして理解されるべきではない。さらに、図面は、1つまたは複数の例示的なプロセスを流れ図の形で概略的に示す場合がある。しかしながら、示されていない他の動作が、概略的に示されている例示的なプロセスに組み込まれ得る。たとえば、示された動作のいずれかの前に、後に、それと同時に、またはそれらの間に、1つまたは複数の追加の動作が実行され得る。いくつかの状況では、マルチタスキングおよび並列処理が有利であり得る。その上、上記で説明した実装形態における様々なシステム構成要素の分離は、そのような分離がすべての実装形態において必要であるものとして理解されるべきではなく、説明したプログラム構成要素およびシステムは、一般に、単一のソフトウェア製品において一緒に統合されるか、または複数のソフトウェア製品にパッケージ化され得ることを理解されたい。加えて、他の実装形態が、以下の特許請求の範囲内である。場合によっては、特許請求の範囲に記載されているアクションは、異なる順序で実行され得、依然として望ましい結果を達成し得る。
100 圧電超音波トランスデューサ、PMUT
110 圧電層スタック
112、512、1012 下部電極
114、514、1014、1014a、1014b、1014c、1014d 上部電極
115、515、915、1405c 圧電層
120、920 キャビティ
122 超音波圧力波
124 伝搬媒体
130 機械層
160 基板
170 アンカー構造
200a、302 超音波センサアレイ
200b、200c 超音波センサおよびディスプレイアレイ
202 物体、対象物体
260 PMUTセンサアレイ基板、センサアレイ基板、センサおよびディスプレイ基板
260a センサアレイ基板
260b ディスプレイアレイ基板
262 PMUTセンサ要素、センサ要素
264 超音波
265 音響結合媒体、結合媒体
265a 音響結合媒体
265b 光学結合および音響結合媒体
266 ディスプレイピクセル
290a、290b、1413c、1415b プラテン
290c カバーレンズまたはカバーガラス、カバーガラス
300 超音波センサシステム、センサシステム
304 センサコントローラ
320 超音波送信機
334、434 超音波センサピクセル、センサピクセル
335 超音波センサピクセル回路アレイ、センサピクセル回路アレイ、超音波ピクセル回路アレイ
339 Rxバイアス電極、受信機バイアス電極
360 制御ユニット
362 受信機(Rx)バイアスドライバ、Rxバイアスドライバ
364 デマルチプレクサ
366、G2、G3 ゲートドライバ
368 送信機ドライバ、Txドライバ
370 データプロセッサ
372 デジタイザ
374 ダイオードバイアス(DBias)ドライバ
376 制御ライン
435 超音波センサピクセルアレイ、ピクセル回路アレイ、センサピクセル回路アレイ、超音波ピクセル回路アレイ、センサピクセルアレイ
436、536、836、936 センサピクセル回路
437、537、837、937、1037a、1037b、1037c、1037d、1137a、1137b ピクセル入力電極
D401 ピーク検出ダイオード
M403 読出しトランジスタ
440 ピクセル読出し電子回路
500 PMUT
539 受信機バイアス電極
540 ダイオードバイアス電極
Cp キャパシタ、寄生キャパシタンス
D501、D801、D901 ダイオード
M501 トランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、第1のトランジスタ
C502 キャパシタ、出力キャパシタンス
M502、M802、M902 トランジスタ、リセットトランジスタ
M503 トランジスタ、パストランジスタ、第2のトランジスタ
Cf キャパシタンス、キャパシタ
Vcc 供給電圧
Dn 出力、データ出力信号
DBias ダイオードバイアス電圧
M801、M901 トランジスタ、ソースフォロワトランジスタ
M803、M903 トランジスタ、パストランジスタ、読出しトランジスタ
AP アレイ電力
Vout 出力、ピクセル出力信号
839、939、1039c、1039d Rxバイアス電極
840、940 ダイオードバイアスドライバ端子
841、941 リセット端子
842、942 読取りドライバ端子
900 PMUT、3ポートPMUT
913 内部(上部)電極、内部電極、内部(送信)電極、送信電極
914 外部(上部)電極、外部電極、外部(受信)電極、受信電極、上部電極
1012a、1012b、1112a 共通下部(基準)電極
1012c、1012d、1112、1112b 下部(基準)電極
1020、1120 キャビティ領域
1010 トランシーバ回路
1113 第1の上部電極
1113a、1113b 第1の上部(駆動)電極
1114 第2の上部電極
1114a 第2の上部(受信)電極、第2の上部電極
1114b 第2の上部(受信)電極
M1401、M1402 トランジスタ
1402a SiO2平坦化層
1402b、1402c、1402d、1408b、1408c、1409a、1409b、1409c、1414a ロケーション
1403a 金属層
1404a SiO2の層、SiO2層
1404b アモルファスシリコン犠牲層
1405a さらなる層、層
1405b 下部金属層、金属層、下部電極
1405d 上部金属層、シード層
1408a さらなる誘電体層、層、誘電体層
1410a 導電性経路、金属層
1410b、1410c 導電性経路
1411a 犠牲エッチビアホール、ビアホール
1412a キャビティ、PMUTキャビティ
1413a カプセル化層
1413b カプセル化/結合層
1413d ビア
1415a 結合層

Claims (30)

  1. 超音波センサピクセルであって、
    基板と、
    圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)であって、前記PMUTが、キャビティの上に配設された圧電層を含む圧電層スタックであって、前記キャビティが前記圧電層スタックと前記基板との間に配設される、圧電層スタックと、前記圧電層と前記キャビティとの間に配設された基準電極と、前記圧電層の第1の表面上またはその近傍に配設された受信電極および送信電極の一方または両方であって、前記第1の表面が前記キャビティから反対側である、受信電極および送信電極の一方または両方とを含む、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)と、
    前記基準電極、前記受信電極、および前記送信電極のうちの1つまたは複数と電気的に結合されたセンサピクセル回路と
    を備え、
    前記PMUTおよび前記センサピクセル回路が、前記基板上で前記センサピクセル回路とともに集積される、超音波センサピクセル。
  2. 前記PMUTが、送信機励起信号が前記送信電極に印加されるとき、超音波を発生させるように構成される、請求項1に記載の超音波センサピクセル。
  3. 前記センサピクセル回路が、前記PMUTに当たる反射超音波圧力波の強度または大きさを示すピクセル出力信号を発生させるように構成される、請求項1に記載の超音波センサピクセル。
  4. 前記センサピクセル回路が、ダイオードと、読出しトランジスタと、ピーク検出器、ピークツーピーク検出器、サンプルアンドホールド回路、包絡線検出器、および電荷積分器のうちの少なくとも1つとを含む、請求項1に記載の超音波センサピクセル。
  5. 前記ダイオードが、前記ダイオードがピーク検出動作モードまたは整流動作モードで動作するように、バイアス信号を使用してバイアスされるように構成される、請求項4に記載の超音波センサピクセル。
  6. 前記バイアス信号が、受信機バイアス電圧またはダイオードバイアス電圧に対応し、前記バイアス信号が、前記基準電極、前記送信電極、または前記ダイオードの端子に印加される、請求項5に記載の超音波センサピクセル。
  7. 前記バイアス信号が、時間的に分離されたバイアス電圧の複数のレベルを含む、請求項5に記載の超音波センサピクセル。
  8. 前記時間的に分離されたバイアス電圧の複数のレベルの各々が、ホールド値、ブロック値、およびサンプル値のそれぞれ1つに対応する、請求項7に記載の超音波センサピクセル。
  9. 前記時間的に分離されたバイアス電圧の複数のレベルのうちの1つが、前記サンプル値に対応し、前記サンプル値が、反射超音波を検出するために、取得時間ウィンドウに対応する持続時間の間、保持される、請求項8に記載の超音波センサピクセル。
  10. 前記持続時間が、送信機励起信号の1つの周期の期間よりも実質的に短い、請求項9に記載の超音波センサピクセル。
  11. 前記時間的に分離されたバイアス電圧の複数のレベルの各々が、ホールド値およびサンプル値のそれぞれ1つに対応する、請求項7に記載の超音波センサピクセル。
  12. 前記基板が、シリコンウエハ、シリコンオンインシュレータ(SOI)ウエハ、集積回路を伴うシリコンまたはSOIウエハ、半導体基板、および、薄膜トランジスタ(TFT)回路を伴うガラスまたはポリマー基板のうちの1つまたは複数を含む、請求項1に記載の超音波センサピクセル。
  13. 前記センサピクセル回路が、前記基板上に前記PMUTとともに作製される薄膜トランジスタ(TFT)回路またはCMOS回路を含む、請求項1に記載の超音波センサピクセル。
  14. 前記PMUTが、前記センサピクセル回路をオーバーレイし、前記PMUTおよび前記センサピクセル回路が共通フットプリント面積内に含まれるようにする、請求項1に記載の超音波センサピクセル。
  15. 前記センサピクセル回路が、第1のフットプリント面積内に含まれ、前記PMUTが、第2のフットプリント面積内に含まれ、前記第1のフットプリント面積が前記第2のフットプリント面積よりも小さい、請求項1に記載の超音波センサピクセル。
  16. 超音波センサアレイであって、
    基板と、
    複数の超音波センサピクセルであって、各センサピクセルが、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)を含む、複数の超音波センサピクセルと
    を備え、
    各超音波センサピクセルが、前記PMUTの下の前記基板上に配設され、前記PMUTと電気的に結合された、それぞれのセンサピクセル回路を含む、超音波センサアレイ。
  17. 各PMUTが、キャビティの上に配設された圧電層を含む圧電層スタックであって、前記キャビティが前記圧電層スタックと前記基板との間に配設される、圧電層スタックと、前記圧電層と前記キャビティとの間に配設された基準電極と、前記圧電層の第1の表面上またはその近傍に配設された受信電極および送信電極の一方または両方であって、前記第1の表面が前記キャビティから反対側である、受信電極および送信電極の一方または両方とを含む、請求項16に記載の超音波センサアレイ。
  18. 送信機励起信号が、実質的に平坦な超音波を発生させるために、前記超音波センサアレイ内の複数のPMUTの送信電極に印加される、請求項16に記載の超音波センサアレイ。
  19. 複数の送信機励起信号が、ビームフォーミングされた超音波を発生させるために、前記超音波センサアレイ内の前記PMUTの一部または全部に印加される、請求項16に記載の超音波センサアレイ。
  20. 各センサピクセル回路が、前記超音波センサアレイから超音波を送り出した後に選択された時間において、前記超音波の反射部分の局所的な大きさを表すピクセル出力信号を与えるように構成される、請求項16に記載の超音波センサアレイ。
  21. 各それぞれのセンサピクセル回路が、ダイオードバイアスドライバ端子と、リセット端子と、読取りドライバ端子とを含む、請求項16に記載の超音波センサアレイ。
  22. 受信機バイアス電極、前記ダイオードバイアスドライバ端子、前記リセット端子、および前記読取りドライバ端子のうちの1つまたは複数をシグナリングすることによって、前記超音波センサアレイにおいて、送信動作モード、受信動作モード、および読取り動作モードを選択的に開始するように構成された、センサコントローラをさらに備える、請求項21に記載の超音波センサアレイ。
  23. 超音波センサピクセルを作成する方法であって、
    基板の上に圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)を形成するステップであって、前記基板がセンサピクセル回路を含み、前記PMUTが、キャビティの上に配設された圧電層を含む圧電層スタックと、前記圧電層スタックと前記キャビティとの間に配設された基準電極と、前記圧電層スタックの第1の表面上またはその近傍に配設された受信電極および送信電極の一方または両方であって、前記第1の表面が前記キャビティから反対側である、受信電極および送信電極の一方または両方とを含む、ステップと、
    前記センサピクセル回路と、前記基準電極、前記受信電極、および前記送信電極のうちの少なくとも1つとの間に、導電性経路を形成するステップと
    を含む方法。
  24. 前記センサピクセル回路が、ピクセル入力電極を含み、前記導電性経路が、前記受信電極を前記ピクセル入力電極と電気的に結合する、請求項23に記載の方法。
  25. 前記センサピクセル回路が、ダイオードと読出しトランジスタとを含む、請求項23に記載の方法。
  26. 前記ダイオードが、前記ダイオードがピーク検出動作モードまたは整流動作モードで動作するように、バイアス信号を使用してバイアスされるように構成される、請求項25に記載の方法。
  27. 前記PMUTが、前記センサピクセル回路をオーバーレイし、前記PMUTおよび前記センサピクセル回路が共通フットプリント面積内に含まれるようにする、請求項23に記載の方法。
  28. 前記センサピクセル回路が、第1のフットプリント面積内に含まれ、前記PMUTが、第2のフットプリント面積内に含まれ、前記第1のフットプリント面積が前記第2のフットプリント面積よりも小さい、請求項23に記載の方法。
  29. 装置であって、
    基板と、
    圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)であって、前記PMUTが、キャビティの上に配設された圧電層を含む圧電層スタックであって、前記キャビティが前記圧電層スタックと前記基板との間に配設される、圧電層スタックと、前記圧電層と前記キャビティとの間に配設された基準電極と、前記圧電層の第1の表面上またはその近傍に配設された受信電極および送信電極の一方または両方であって、前記第1の表面が前記キャビティから反対側である、受信電極および送信電極の一方または両方とを含む、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)と、
    前記PMUTと電気的に結合されたセンサピクセル回路と、
    前記PMUTに当たる反射超音波の強度または大きさを示すピクセル出力信号を発生させるための、前記PMUTと電気的に結合され、前記基板上で前記PMUTとともに集積された、手段と
    を備える装置。
  30. 前記基板が、シリコンウエハ、シリコンオンインシュレータ(SOI)ウエハ、集積回路を伴うシリコンまたはSOIウエハ、半導体基板、および、薄膜トランジスタ(TFT)回路を伴うガラスまたはポリマー基板のうちの1つまたは複数を含む、請求項29に記載の装置。
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