JP2024032876A - 直接相互接続機能をもつ低電圧、低電力memsトランスデューサ - Google Patents
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
- H10N30/2047—Membrane type
- H10N30/2048—Membrane type having non-planar shape
-
- H—ELECTRICITY
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- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive element covered by groups H10N30/00 – H10N35/00
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
- A61B8/4427—Device being portable or laptop-like
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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- A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
- A61B8/4444—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device related to the probe
- A61B8/4472—Wireless probes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
- B06B2201/70—Specific application
- B06B2201/76—Medical, dental
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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- G01S7/52079—Constructional features
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Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
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Abstract
Description
関連出願への相互参照
本願は、2016年12月4日に出願され、「A Configurable Ultrasonic Line imager」
と題する米国仮出願第62,429,832号、2016年12月4日に出願され、「Low Voltage, Low
Power MEMS Transducer with Direct Interconnect」と題する米国仮出願第62,42
9,833号および2016年12月13日に出願され、「Micromachined Transceiver Array」と題
する米国仮出願第62,433,782号の利益を主張する。これらの出願の内容はここに参照によ
りその全体において組み込まれる。
本願は、2016年12月4日に出願され、「A Configurable Ultrasonic Line imager」
と題する米国仮出願第62,429,832号、2016年12月4日に出願され、「Low Voltage, Low
Power MEMS Transducer with Direct Interconnect」と題する米国仮出願第62,42
9,833号および2016年12月13日に出願され、「Micromachined Transceiver Array」と題
する米国仮出願第62,433,782号の利益を主張する。これらの出願の内容はここに参照によ
りその全体において組み込まれる。
A.技術分野
本発明は、イメージング・デバイスに関し、より詳細には、構成可能な超音波ライン・
イメージャを有するイメージング・デバイスに関する。
本発明は、イメージング・デバイスに関し、より詳細には、構成可能な超音波ライン・
イメージャを有するイメージング・デバイスに関する。
B.発明の背景
人または動物の体の内部組織、骨、血流または器官を画像化し、該画像を表示するため
の非侵入的イメージング・システムは、信号を身体に送信し、撮像される身体部分から反
射信号を受信することを要する。典型的には、イメージング・システムにおいて使用され
るトランスデューサはトランシーバと呼ばれ、トランシーバのいくつかは、光音響効果ま
たは超音波効果に基づく。一般に、トランシーバは撮像のために使われるが、必ずしも撮
像に限定されない。たとえば、トランシーバは、医療撮像、管内の流れ測定、スピーカー
およびマイクロフォン・アレイ、砕石術、治療のための局在化された組織加熱または手術
のための高強度集束超音波(HIFU)において使用できる。バルクの圧電(PZT)材料から
構築される通常のトランスデューサは典型的には、送信信号を生成するために非常に高電
圧、典型的には100V以上のパルスを必要とする。トランスデューサにおける電力消費/散
逸は駆動電圧の二乗に比例するので、この高い電圧は高い電力散逸につながる。また、プ
ローブの表面がどれだけ高温になれるかについても限界があり、消費電力はプローブによ
って生成される熱に比例するので、これは、どのくらいの電力がプローブにおいて消費さ
れることができるかを制限する。通常のシステムでは、発熱は、いくつかのプローブのた
めに冷却装置を必要とし、プローブの製造コストおよび重量を増加させている。一般に、
通常のプローブの重量も問題である。なぜなら、これらのプローブを使用する多くの超音
波検査技師が筋傷害を受けることが知られているからである。
人または動物の体の内部組織、骨、血流または器官を画像化し、該画像を表示するため
の非侵入的イメージング・システムは、信号を身体に送信し、撮像される身体部分から反
射信号を受信することを要する。典型的には、イメージング・システムにおいて使用され
るトランスデューサはトランシーバと呼ばれ、トランシーバのいくつかは、光音響効果ま
たは超音波効果に基づく。一般に、トランシーバは撮像のために使われるが、必ずしも撮
像に限定されない。たとえば、トランシーバは、医療撮像、管内の流れ測定、スピーカー
およびマイクロフォン・アレイ、砕石術、治療のための局在化された組織加熱または手術
のための高強度集束超音波(HIFU)において使用できる。バルクの圧電(PZT)材料から
構築される通常のトランスデューサは典型的には、送信信号を生成するために非常に高電
圧、典型的には100V以上のパルスを必要とする。トランスデューサにおける電力消費/散
逸は駆動電圧の二乗に比例するので、この高い電圧は高い電力散逸につながる。また、プ
ローブの表面がどれだけ高温になれるかについても限界があり、消費電力はプローブによ
って生成される熱に比例するので、これは、どのくらいの電力がプローブにおいて消費さ
れることができるかを制限する。通常のシステムでは、発熱は、いくつかのプローブのた
めに冷却装置を必要とし、プローブの製造コストおよび重量を増加させている。一般に、
通常のプローブの重量も問題である。なぜなら、これらのプローブを使用する多くの超音
波検査技師が筋傷害を受けることが知られているからである。
医療撮像に使用される従来の超音波プローブは、典型的には、PZT材料または他の圧電
セラミックおよびポリマー複合体を使用する。プローブは、典型的には、トランスデュー
サおよび画像を表示ユニットに表示させるための手段をもつ他の若干の電子回路を収容す
る。トランスデューサ用の従来のバルクPZT素子を製造するためには、単に、厚い圧電材
料スラブを大きな長方形のPZT素子に切ればよい。これらの長方形のPZT素子は、製造プロ
セスが長方形の厚いPZTまたはセラミック材料を精密に切断し、精密な間隔で基板上に取
り付けることに関わるため、製造コストが非常に高い。さらに、トランスデューサのイン
ピーダンスは、トランスデューサのための送受信電子回路のインピーダンスよりもはるか
に高い。
セラミックおよびポリマー複合体を使用する。プローブは、典型的には、トランスデュー
サおよび画像を表示ユニットに表示させるための手段をもつ他の若干の電子回路を収容す
る。トランスデューサ用の従来のバルクPZT素子を製造するためには、単に、厚い圧電材
料スラブを大きな長方形のPZT素子に切ればよい。これらの長方形のPZT素子は、製造プロ
セスが長方形の厚いPZTまたはセラミック材料を精密に切断し、精密な間隔で基板上に取
り付けることに関わるため、製造コストが非常に高い。さらに、トランスデューサのイン
ピーダンスは、トランスデューサのための送受信電子回路のインピーダンスよりもはるか
に高い。
従来のシステムでは、トランスデューサのための送受信電子回路は、しばしばプローブ
から遠く離れて位置され、トランスデューサと電子回路との間の小型同軸ケーブルを必要
とする。一般に、ケーブルは、遅延およびインピーダンス整合のための正確な長さを有す
る必要があり、ケーブルを介したトランスデューサの電子回路への効率的な接続のために
は、かなりしばしば、追加的なインピーダンス整合ネットワークが必要とされる。
から遠く離れて位置され、トランスデューサと電子回路との間の小型同軸ケーブルを必要
とする。一般に、ケーブルは、遅延およびインピーダンス整合のための正確な長さを有す
る必要があり、ケーブルを介したトランスデューサの電子回路への効率的な接続のために
は、かなりしばしば、追加的なインピーダンス整合ネットワークが必要とされる。
ミクロ機械加工技術の進歩により、容量性ミクロ機械加工超音波トランスデューサ(cM
UT)および圧電ミクロ機械加工超音波トランスデューサ(pMUT)のようなセンサーおよび
アクチュエータが、基板上に効率的に形成されることができる。バルクの圧電材料を有す
る従来のトランスデューサと比較して、pMUTは、電子回路とトランスデューサとの間のよ
り簡単でより高性能の相互接続をもち、動作周波数においてより大きな柔軟性を提供し、
より高品質の画像を生成する可能性を提供しながら、それほどかさばらず、安価でもある
。
UT)および圧電ミクロ機械加工超音波トランスデューサ(pMUT)のようなセンサーおよび
アクチュエータが、基板上に効率的に形成されることができる。バルクの圧電材料を有す
る従来のトランスデューサと比較して、pMUTは、電子回路とトランスデューサとの間のよ
り簡単でより高性能の相互接続をもち、動作周波数においてより大きな柔軟性を提供し、
より高品質の画像を生成する可能性を提供しながら、それほどかさばらず、安価でもある
。
これらのトランスデューサの基本概念は1990年代初頭に開示されたが、これらの概念の
商業的実装は多くの課題に直面している。たとえば、従来のcMUTセンサーは、高電圧動作
の間の電荷蓄積に起因する障害またはパフォーマンスのドリフトを受けやすく、低周波数
で十分高い音響圧力を生成することが難しく、本質的に非線形である。従来のpMUTは有望
な代替であったが、送信および受信の非効率性に関する問題を有し、依然として比較的高
い動作電圧を必要とし、帯域幅が制限されている。よって、向上された効率を有し、より
低い電圧で動作し、高い帯域幅を示すことができるpMUTが必要とされている。
商業的実装は多くの課題に直面している。たとえば、従来のcMUTセンサーは、高電圧動作
の間の電荷蓄積に起因する障害またはパフォーマンスのドリフトを受けやすく、低周波数
で十分高い音響圧力を生成することが難しく、本質的に非線形である。従来のpMUTは有望
な代替であったが、送信および受信の非効率性に関する問題を有し、依然として比較的高
い動作電圧を必要とし、帯域幅が制限されている。よって、向上された効率を有し、より
低い電圧で動作し、高い帯域幅を示すことができるpMUTが必要とされている。
実施形態において、撮像デバイスは圧電素子の二次元アレイを含む。各圧電素子は:圧
電層と;前記圧電層の下側に配置され、送信モードの間は送信信号を受け取り、受信モー
ドの間は電荷を形成するよう構成された下部電極と;前記圧電層の上側に配置された第一
の上部電極と;第一の導体とを含み、前記二次元アレイの第一の列内の前記圧電素子の一
部の前記第一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている。
電層と;前記圧電層の下側に配置され、送信モードの間は送信信号を受け取り、受信モー
ドの間は電荷を形成するよう構成された下部電極と;前記圧電層の上側に配置された第一
の上部電極と;第一の導体とを含み、前記二次元アレイの第一の列内の前記圧電素子の一
部の前記第一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている。
実施形態において、撮像デバイスは圧電素子の二次元アレイであって、圧電素子の前記
二次元アレイの各圧電素子は少なくとも一つのサブ圧電素子を含み、圧電層;前記圧電層
の下側に配置された下部電極;および前記圧電層の上側に配置された第一および第二の上
部電極を含む、二次元アレイと;第一の導体であって、前記二次元アレイの第一の列内の
圧電素子の一部の前記第一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている、第一
の導体と;前記第一の導体に電気的に結合され、前記第一の導体を通じて受信された信号
を処理するよう構成された第一の電気回路と;第二の導体であって、前記二次元アレイの
第二の列内の圧電素子の一部の前記第二の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合され
ている、第二の導体と;第一の端部および第二の端部をもつスイッチであって、前記第一
の端部は前記第二の導体に電気的に結合されている、スイッチと;信号を処理するための
第二の電気回路と;前記第二の導体に信号を送るための送信ドライバとを含み、前記スイ
ッチの前記第二の端部は、前記第二の電気回路および前記送信ドライバの一方に選択的に
結合される。
二次元アレイの各圧電素子は少なくとも一つのサブ圧電素子を含み、圧電層;前記圧電層
の下側に配置された下部電極;および前記圧電層の上側に配置された第一および第二の上
部電極を含む、二次元アレイと;第一の導体であって、前記二次元アレイの第一の列内の
圧電素子の一部の前記第一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている、第一
の導体と;前記第一の導体に電気的に結合され、前記第一の導体を通じて受信された信号
を処理するよう構成された第一の電気回路と;第二の導体であって、前記二次元アレイの
第二の列内の圧電素子の一部の前記第二の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合され
ている、第二の導体と;第一の端部および第二の端部をもつスイッチであって、前記第一
の端部は前記第二の導体に電気的に結合されている、スイッチと;信号を処理するための
第二の電気回路と;前記第二の導体に信号を送るための送信ドライバとを含み、前記スイ
ッチの前記第二の端部は、前記第二の電気回路および前記送信ドライバの一方に選択的に
結合される。
実施形態において、撮像デバイスは圧電素子の二次元アレイであって、圧電素子の前記
二次元アレイの各圧電素子は少なくとも一つのサブ圧電素子を含み、圧電層;前記圧電層
の下側に配置された下部電極;および前記圧電層の上側に配置された第一および第二の上
部電極を有する、二次元アレイと;第一の導体であって、前記二次元アレイの第一の行内
の圧電素子の一部の前記第一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている、第
一の導体と;前記第一の導体に電気的に結合され、前記第一の導体を通じて受信された信
号を処理するよう構成された第一の電気回路と;第二の導体であって、前記二次元アレイ
の第一の列内の圧電素子の一部の前記第二の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合さ
れている、第二の導体と;第一の端部および第二の端部をもつスイッチであって、前記第
一の端部は前記第二の導体に電気的に結合されている、スイッチと;信号を処理するため
の第二の電気回路と;前記第二の導体に信号を送るための送信ドライバとを含み、前記ス
イッチの前記第二の端部は、前記第二の電気回路および前記送信ドライバの一方に選択的
に結合される。
二次元アレイの各圧電素子は少なくとも一つのサブ圧電素子を含み、圧電層;前記圧電層
の下側に配置された下部電極;および前記圧電層の上側に配置された第一および第二の上
部電極を有する、二次元アレイと;第一の導体であって、前記二次元アレイの第一の行内
の圧電素子の一部の前記第一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている、第
一の導体と;前記第一の導体に電気的に結合され、前記第一の導体を通じて受信された信
号を処理するよう構成された第一の電気回路と;第二の導体であって、前記二次元アレイ
の第一の列内の圧電素子の一部の前記第二の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合さ
れている、第二の導体と;第一の端部および第二の端部をもつスイッチであって、前記第
一の端部は前記第二の導体に電気的に結合されている、スイッチと;信号を処理するため
の第二の電気回路と;前記第二の導体に信号を送るための送信ドライバとを含み、前記ス
イッチの前記第二の端部は、前記第二の電気回路および前記送信ドライバの一方に選択的
に結合される。
実施形態において、撮像デバイスはトランシー基板および特定用途向け集積回路(ASIC
)チップを含む。前記トランシーバ基板は:圧電素子の二次元アレイを含み、圧電素子の
前記二次元アレイの各圧電素子は:圧電層と;前記圧電層の下側に配置された下部電極と
;前記圧電層の上側に配置された第一および第二の上部電極と;それぞれ前記第一および
第二の上部電極に電気的に結合された第一および第二の導体とを有する。前記ASICチップ
は:回路素子の二次元アレイを有し、回路素子の前記二次元アレイの各回路素子は:圧電
素子の前記第一の導体に電気的に結合され、前記第一の導体を通じて受信された信号を処
理するよう構成された第一の電気回路と;第一の端部および第二の端部をもつスイッチで
あって、前記第一の端部は圧電素子の前記第二の導体に電気的に結合されている、スイッ
チと;信号を処理するための第二の電気回路と;前記第二の導体に信号を送るための送信
ドライバとを含み、前記スイッチの前記第二の端部は、前記第二の電気回路および前記送
信ドライバの一方に選択的に結合される。
)チップを含む。前記トランシーバ基板は:圧電素子の二次元アレイを含み、圧電素子の
前記二次元アレイの各圧電素子は:圧電層と;前記圧電層の下側に配置された下部電極と
;前記圧電層の上側に配置された第一および第二の上部電極と;それぞれ前記第一および
第二の上部電極に電気的に結合された第一および第二の導体とを有する。前記ASICチップ
は:回路素子の二次元アレイを有し、回路素子の前記二次元アレイの各回路素子は:圧電
素子の前記第一の導体に電気的に結合され、前記第一の導体を通じて受信された信号を処
理するよう構成された第一の電気回路と;第一の端部および第二の端部をもつスイッチで
あって、前記第一の端部は圧電素子の前記第二の導体に電気的に結合されている、スイッ
チと;信号を処理するための第二の電気回路と;前記第二の導体に信号を送るための送信
ドライバとを含み、前記スイッチの前記第二の端部は、前記第二の電気回路および前記送
信ドライバの一方に選択的に結合される。
実施形態において、複数の圧電素子を制御するための電気回路が:送信モードの間に、
前記複数の圧電素子のうちの一つまたは複数に駆動信号を伝送するための第一の導体と;
受信モードの間に、前記複数の圧電素子のうちの一つまたは複数からセンサー信号を伝送
するための第二の導体とを含む。前記複数の回路素子の各回路素子は:前記第二の導体お
よび圧電素子の第一の電極に電気的に結合された第一の端部をもつ第一のスイッチと;第
一の端部および第二の端部をもつ第二のスイッチであって、前記第二のスイッチの前記第
一の端部は前記第一の導体に電気的に結合されている、第二のスイッチと;前記第二のス
イッチの前記第二の端部に電気的に結合され、前記第二のスイッチの前記第二の端部を通
じて信号を受信するときに圧電素子の第一の電極に信号を送信するよう構成された送信ド
ライバと;第一および第二の端部をもつ第三のスイッチであって、前記第三のスイッチの
前記第一の端部は前記第二のスイッチの前記第二の端部に電気的に結合され、前記第三の
スイッチの前記第二の端部は圧電素子の電極に電気的に結合される。
前記複数の圧電素子のうちの一つまたは複数に駆動信号を伝送するための第一の導体と;
受信モードの間に、前記複数の圧電素子のうちの一つまたは複数からセンサー信号を伝送
するための第二の導体とを含む。前記複数の回路素子の各回路素子は:前記第二の導体お
よび圧電素子の第一の電極に電気的に結合された第一の端部をもつ第一のスイッチと;第
一の端部および第二の端部をもつ第二のスイッチであって、前記第二のスイッチの前記第
一の端部は前記第一の導体に電気的に結合されている、第二のスイッチと;前記第二のス
イッチの前記第二の端部に電気的に結合され、前記第二のスイッチの前記第二の端部を通
じて信号を受信するときに圧電素子の第一の電極に信号を送信するよう構成された送信ド
ライバと;第一および第二の端部をもつ第三のスイッチであって、前記第三のスイッチの
前記第一の端部は前記第二のスイッチの前記第二の端部に電気的に結合され、前記第三の
スイッチの前記第二の端部は圧電素子の電極に電気的に結合される。
実施形態において、特定用途向け集積回路(ASIC)チップに電気的に結合されている圧
電素子をポーリングする方法であって、前記圧電素子は、下部電極と、前記下部電極上に
配置された圧電層と、前記圧電層上に配置された第一および第二の上部電極とを含む、方
法が:前記下部電極を接地に電気的に接続する段階と;前記第一の上部電極に正電圧を印
加する段階と;前記第二の上部電極に負電圧を印加する段階と;前記圧電素子を長時間に
わたってある温度にさらし、それにより前記第一の上部電極の下にある前記圧電層の第一
の部分が第一の向きにポーリングされ、前記第二の上部電極の下にある前記圧電層の第二
の部分が前記第一の向きとは逆の第二の向きにポーリングされる、段階とを含む。
電素子をポーリングする方法であって、前記圧電素子は、下部電極と、前記下部電極上に
配置された圧電層と、前記圧電層上に配置された第一および第二の上部電極とを含む、方
法が:前記下部電極を接地に電気的に接続する段階と;前記第一の上部電極に正電圧を印
加する段階と;前記第二の上部電極に負電圧を印加する段階と;前記圧電素子を長時間に
わたってある温度にさらし、それにより前記第一の上部電極の下にある前記圧電層の第一
の部分が第一の向きにポーリングされ、前記第二の上部電極の下にある前記圧電層の第二
の部分が前記第一の向きとは逆の第二の向きにポーリングされる、段階とを含む。
実施形態において、撮像デバイスは:圧電素子の二次元アレイを含み、各圧電素子は、
少なくとも一つのサブ圧電素子を含み、圧電層と;前記圧電層の下側に配置された下部電
極と;前記圧電層の上側に配置された第一の上部電極とを含み、当該撮像デバイスはさら
に、圧電素子の前記二次元アレイを駆動するための回路のアレイを有する特定用途向け集
積回路(ASIC)チップを含み、前記回路のそれぞれは対応する圧電素子に電気的に結合さ
れており、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の一部を含む第一のライン・イメー
ジャが、前記二次元アレイの前記第一の列内の圧電素子の前記一部を制御する前記回路の
部分を同時にオンにすることによって形成される。
少なくとも一つのサブ圧電素子を含み、圧電層と;前記圧電層の下側に配置された下部電
極と;前記圧電層の上側に配置された第一の上部電極とを含み、当該撮像デバイスはさら
に、圧電素子の前記二次元アレイを駆動するための回路のアレイを有する特定用途向け集
積回路(ASIC)チップを含み、前記回路のそれぞれは対応する圧電素子に電気的に結合さ
れており、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の一部を含む第一のライン・イメー
ジャが、前記二次元アレイの前記第一の列内の圧電素子の前記一部を制御する前記回路の
部分を同時にオンにすることによって形成される。
本発明の実施形態を参照する。実施形態の例が添付の図面に示されることがある。これ
らの図は、限定ではなく、例示的であることが意図されている。本発明は一般にこれらの
実施形態の文脈で説明されるが、本発明の範囲をこれらの特定の実施形態に限定すること
は意図されていないことを理解しておくべきである。
らの図は、限定ではなく、例示的であることが意図されている。本発明は一般にこれらの
実施形態の文脈で説明されるが、本発明の範囲をこれらの特定の実施形態に限定すること
は意図されていないことを理解しておくべきである。
以下の記述では、説明の目的上、開示の理解を提供するために、具体的な詳細が記載さ
れる。しかしながら、本開示がこれらの詳細なしに実施可能であることは、当業者には明
白であろう。さらに、当業者は、以下に記述される本開示の実施形態が、プロセス、装置
、システム、デバイスまたは有体なコンピュータ可読媒体上の方法などの多様な仕方で実
装されうることを認識するであろう。
れる。しかしながら、本開示がこれらの詳細なしに実施可能であることは、当業者には明
白であろう。さらに、当業者は、以下に記述される本開示の実施形態が、プロセス、装置
、システム、デバイスまたは有体なコンピュータ可読媒体上の方法などの多様な仕方で実
装されうることを認識するであろう。
当業者は:(1)ある種の製造ステップが任意的に実行されてもよいこと;(2)ステ
ップは本稿に記載される特定の順序に限定されなくてもよいこと;(3)ある種のステッ
プは、同時に行なわれることも含め、異なる順序で実行されてもよいことを認識する。
ップは本稿に記載される特定の順序に限定されなくてもよいこと;(3)ある種のステッ
プは、同時に行なわれることも含め、異なる順序で実行されてもよいことを認識する。
図に示される要素/コンポーネントは、本開示の例示的な実施形態を示しており、本開
示を埋没させることを避けることが意図されている。明細書において、「一つの実施形態
」、「好ましい実施形態」、「ある実施形態」または「実施形態」への言及は、その実施
形態に関連して記載される特定の特徴、構造、特性または機能が、本開示の少なくとも一
つの実施形態に含まれ、複数の実施形態に含まれていてもよいことを意味する。明細書の
随所において「一実施形態では」、「ある実施形態では」、または「実施形態では」とい
う句が現われることは、必ずしもすべて同じ実施形態(単数または複数)を指しているわ
けではない。「含む」「含んでいる」「有する」「有している」という用語はオープン・
タームであると理解されるものとし、それに伴うリストは例であり、リストされた項目に
限定されることは意図されていない。本明細書において使用されるいかなる見出しも、単
に整理の目的のためであり、明細書または請求項の範囲を限定するためには使われない。
さらに、明細書のさまざまな箇所におけるある種の用語の使用は、例示のためのものであ
り、限定として解釈されるべきではない。
示を埋没させることを避けることが意図されている。明細書において、「一つの実施形態
」、「好ましい実施形態」、「ある実施形態」または「実施形態」への言及は、その実施
形態に関連して記載される特定の特徴、構造、特性または機能が、本開示の少なくとも一
つの実施形態に含まれ、複数の実施形態に含まれていてもよいことを意味する。明細書の
随所において「一実施形態では」、「ある実施形態では」、または「実施形態では」とい
う句が現われることは、必ずしもすべて同じ実施形態(単数または複数)を指しているわ
けではない。「含む」「含んでいる」「有する」「有している」という用語はオープン・
タームであると理解されるものとし、それに伴うリストは例であり、リストされた項目に
限定されることは意図されていない。本明細書において使用されるいかなる見出しも、単
に整理の目的のためであり、明細書または請求項の範囲を限定するためには使われない。
さらに、明細書のさまざまな箇所におけるある種の用語の使用は、例示のためのものであ
り、限定として解釈されるべきではない。
実施形態において、pMUTトランスデューサおよびトランスデューサ組立体は、人間/動
物の身体の内部器官の画像を生成するために、ならびに超音波ビームを使って治療のため
に組織を加熱するもしくはマイクロ手術のために高出力超音波ビームを合焦させる他の治
療用途のために使用されうる。実施形態において、圧電素子は、断層撮影用途のために使
用されてもよい。
物の身体の内部器官の画像を生成するために、ならびに超音波ビームを使って治療のため
に組織を加熱するもしくはマイクロ手術のために高出力超音波ビームを合焦させる他の治
療用途のために使用されうる。実施形態において、圧電素子は、断層撮影用途のために使
用されてもよい。
実施形態において、pMUTの製造コストは、現代の半導体およびウエーハ処理技術を適用
することによって低減されうる。実施形態において、薄膜圧電層は、半導体ウエーハ上に
スピンまたはスパッタリングされて、後にパターニングされて、それぞれ二つ以上の電極
を有する圧電センサーを形成してもよい。実施形態において、各圧電素子は、中心周波数
として知られるある周波数、ならびに第二のおよび/または追加的な周波数で信号を放出
または受信する能力を有するように設計されてもよい。以下、圧電素子、pMUT、トランシ
ーバおよびピクセルという用語は交換可能に使用される。
することによって低減されうる。実施形態において、薄膜圧電層は、半導体ウエーハ上に
スピンまたはスパッタリングされて、後にパターニングされて、それぞれ二つ以上の電極
を有する圧電センサーを形成してもよい。実施形態において、各圧電素子は、中心周波数
として知られるある周波数、ならびに第二のおよび/または追加的な周波数で信号を放出
または受信する能力を有するように設計されてもよい。以下、圧電素子、pMUT、トランシ
ーバおよびピクセルという用語は交換可能に使用される。
図1は、本開示の実施形態によるイメージング・システム100の概略図を示す。図の
ように、システム100は、送信モード/プロセスにおいて、心臓などの内部器官112
に向かって圧力波122を生成し送信するイメージャ120と;通信チャネル130を通
じてイメージャに信号を送信し、受信する装置102とを含んでいてもよい。実施形態に
おいて、内部器官112は、圧力波122の一部をイメージャ120に向かって反射して
もよく、イメージャ120は、受信モード/プロセスにおいて、反射された圧力波を捕捉
し、電気信号を生成しうる。イメージャ120は、電気信号を装置102に通信してもよ
く、装置102は、該電気信号を使って、ディスプレイ/スクリーン104上に器官また
は目標の画像を表示してもよい。
ように、システム100は、送信モード/プロセスにおいて、心臓などの内部器官112
に向かって圧力波122を生成し送信するイメージャ120と;通信チャネル130を通
じてイメージャに信号を送信し、受信する装置102とを含んでいてもよい。実施形態に
おいて、内部器官112は、圧力波122の一部をイメージャ120に向かって反射して
もよく、イメージャ120は、受信モード/プロセスにおいて、反射された圧力波を捕捉
し、電気信号を生成しうる。イメージャ120は、電気信号を装置102に通信してもよ
く、装置102は、該電気信号を使って、ディスプレイ/スクリーン104上に器官また
は目標の画像を表示してもよい。
実施形態において、イメージャ120は、Aスキャンとしても知られる一次元撮像、Bス
キャンとしても知られる二次元撮像、Cスキャンとも呼ばれる三次元撮像、およびドップ
ラー撮像を実行するために使用されうる。また、イメージャは、プログラム制御下でさま
ざまな撮像モードに切り替えられることができる。
キャンとしても知られる二次元撮像、Cスキャンとも呼ばれる三次元撮像、およびドップ
ラー撮像を実行するために使用されうる。また、イメージャは、プログラム制御下でさま
ざまな撮像モードに切り替えられることができる。
実施形態において、イメージャ120は、動物の内部器官の画像を得るために使用され
てもよい。イメージャ120はまた、ドップラー・モード撮像におけるように、動脈およ
び静脈における血流の方向および速度を決定し、また、組織の硬さを測定するために使用
されてもよい。実施形態において、圧力波122は、人間/動物の身体を通過し、内部器
官、組織、または動脈および静脈によって反射されることのできる音響波、超音波または
光音響波でありうる。
てもよい。イメージャ120はまた、ドップラー・モード撮像におけるように、動脈およ
び静脈における血流の方向および速度を決定し、また、組織の硬さを測定するために使用
されてもよい。実施形態において、圧力波122は、人間/動物の身体を通過し、内部器
官、組織、または動脈および静脈によって反射されることのできる音響波、超音波または
光音響波でありうる。
実施形態において、イメージャ120は携帯型装置であってもよく、無線で(802.11プ
ロトコルのようなプロトコルを使って)またはケーブル(USB2、USB 3、USB 3.1およびUS
B-Cのような)を介して、通信チャネル130を通じて装置102と信号を通信してもよ
い。実施形態において、デバイス102は、携帯電話またはiPad(登録商標)などのモバイ
ル装置、またはユーザーに対して画像を表示することができる静止コンピューティング装
置であってもよい。
ロトコルのようなプロトコルを使って)またはケーブル(USB2、USB 3、USB 3.1およびUS
B-Cのような)を介して、通信チャネル130を通じて装置102と信号を通信してもよ
い。実施形態において、デバイス102は、携帯電話またはiPad(登録商標)などのモバイ
ル装置、またはユーザーに対して画像を表示することができる静止コンピューティング装
置であってもよい。
実施形態において、イメージャは、超音波波形を同時に送受信するように構成されても
よい。ある種の圧電素子が撮像されている目標臓器に向かって圧力波を送るように構成さ
れてもよく、その間に他の圧電素子が目標臓器から反射された圧力波を受信し、受信波に
応答して電荷を発生してもよい。
よい。ある種の圧電素子が撮像されている目標臓器に向かって圧力波を送るように構成さ
れてもよく、その間に他の圧電素子が目標臓器から反射された圧力波を受信し、受信波に
応答して電荷を発生してもよい。
図2は、本開示の実施形態によるイメージャ120の概略図を示す。実施形態において
、イメージャ120は、超音波イメージャであってもよい。図2に描かれるように、イメ
ージャ120は:圧力波を送受信するためのトランシーバ・タイル(単数または複数)2
10と;圧力波の伝搬方向を制御するおよび/または圧力波を集束させるレンズとして動
作し、トランシーバ・タイルと人体110との間のインピーダンス・インターフェースと
しても機能するコーティング層212と;トランシーバ・タイル210を制御するための
、バンプによってトランスデューサ・タイル210に結合されたASICチップ(または単に
ASIC)のような制御ユニット202と;イメージャ120のコンポーネントを制御するた
めのフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)214と;信号を処理する/整える
ためのアナログフロントエンド(AFE: Analogue Front End)のような回路(単数また
は複数)215と;トランスデューサ・タイルによって生成され、回路215に向かって
伝搬する波を吸収するための音響吸収層203と;一つまたは複数のポート216を通じ
て装置102のような外部装置とデータを通信するための通信ユニット208と;データ
を記憶するためのメモリ218と;イメージャのコンポーネントに電力を提供するための
バッテリー206と;任意的に、目標器官の画像を表示するためのディスプレイ217と
を含んでいてもよい。
、イメージャ120は、超音波イメージャであってもよい。図2に描かれるように、イメ
ージャ120は:圧力波を送受信するためのトランシーバ・タイル(単数または複数)2
10と;圧力波の伝搬方向を制御するおよび/または圧力波を集束させるレンズとして動
作し、トランシーバ・タイルと人体110との間のインピーダンス・インターフェースと
しても機能するコーティング層212と;トランシーバ・タイル210を制御するための
、バンプによってトランスデューサ・タイル210に結合されたASICチップ(または単に
ASIC)のような制御ユニット202と;イメージャ120のコンポーネントを制御するた
めのフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)214と;信号を処理する/整える
ためのアナログフロントエンド(AFE: Analogue Front End)のような回路(単数また
は複数)215と;トランスデューサ・タイルによって生成され、回路215に向かって
伝搬する波を吸収するための音響吸収層203と;一つまたは複数のポート216を通じ
て装置102のような外部装置とデータを通信するための通信ユニット208と;データ
を記憶するためのメモリ218と;イメージャのコンポーネントに電力を提供するための
バッテリー206と;任意的に、目標器官の画像を表示するためのディスプレイ217と
を含んでいてもよい。
実施形態において、装置102がディスプレイ/スクリーンを有していてもよい。その
ような場合、イメージャ120にはディスプレイは含まれなくてもよい。実施形態におい
て、イメージャ120は、ポート230のうちの一つを通して装置102から電力を受け
取ってもよい。そのような場合、イメージャ120は、バッテリー206を含まなくても
よい。イメージャ120のコンポーネントのうちの一つまたは複数は、一つの一体型の電
気素子に組み合わされてもよいことを注意しておく。同様に、イメージャ120の各コン
ポーネントは、一つまたは複数の電気素子において実装されてもよい。
ような場合、イメージャ120にはディスプレイは含まれなくてもよい。実施形態におい
て、イメージャ120は、ポート230のうちの一つを通して装置102から電力を受け
取ってもよい。そのような場合、イメージャ120は、バッテリー206を含まなくても
よい。イメージャ120のコンポーネントのうちの一つまたは複数は、一つの一体型の電
気素子に組み合わされてもよいことを注意しておく。同様に、イメージャ120の各コン
ポーネントは、一つまたは複数の電気素子において実装されてもよい。
実施形態において、ユーザーは、身体110がコーティング層212と直接接触する前
に、人体110の皮膚上にゲルを塗布してもよい。これにより、コーティング層212と
人体110との間の界面におけるインピーダンス整合が改善されうる、すなわち界面にお
いて、界面での圧力波122の損失が低減され、イメージャ120に向かう反射波の損失
も低減される。実施形態において、トランシーバ・タイル210は、基板上にマウントさ
れてもよく、音響吸収体層に取り付けられてもよい。この層は、反対方向に放射される任
意の超音波信号を吸収する。この吸収がなければ該反対方向に放射される超音波信号は反
射され、画像の品質に干渉することがありうる。
に、人体110の皮膚上にゲルを塗布してもよい。これにより、コーティング層212と
人体110との間の界面におけるインピーダンス整合が改善されうる、すなわち界面にお
いて、界面での圧力波122の損失が低減され、イメージャ120に向かう反射波の損失
も低減される。実施形態において、トランシーバ・タイル210は、基板上にマウントさ
れてもよく、音響吸収体層に取り付けられてもよい。この層は、反対方向に放射される任
意の超音波信号を吸収する。この吸収がなければ該反対方向に放射される超音波信号は反
射され、画像の品質に干渉することがありうる。
以下で論じるように、コーティング層212は、単に、トランスデューサから身体への
およびその逆の音響信号の伝送を最大にするためだけの平坦な整合層であってもよい。実
施形態において、コーティング層212の厚さは、トランスデューサ・タイル202によ
って生成される圧力波の4分の1波長であってもよい。列の長さの方向に沿う仰角方向にお
けるビーム・フォーカスは、制御ユニット202において電子的に実装することができる
ので、この場合必須ではない。それでも、場合によってはフォーカスのあるレンズが設計
されてもよい。イメージャ120は、反射信号を使って器官112の画像を生成し、結果
が、器官112の画像と一緒にまたは該画像なしに示されるグラフ、プロット、および統
計のような多様なフォーマットでスクリーン上に表示されてもよい。
およびその逆の音響信号の伝送を最大にするためだけの平坦な整合層であってもよい。実
施形態において、コーティング層212の厚さは、トランスデューサ・タイル202によ
って生成される圧力波の4分の1波長であってもよい。列の長さの方向に沿う仰角方向にお
けるビーム・フォーカスは、制御ユニット202において電子的に実装することができる
ので、この場合必須ではない。それでも、場合によってはフォーカスのあるレンズが設計
されてもよい。イメージャ120は、反射信号を使って器官112の画像を生成し、結果
が、器官112の画像と一緒にまたは該画像なしに示されるグラフ、プロット、および統
計のような多様なフォーマットでスクリーン上に表示されてもよい。
実施形態において、ASICなどの制御ユニット202は、トランシーバ・タイルと一緒に
一つのユニットとして組み立てられてもよい。他の実施形態では、制御ユニット202は
、イメージャ120の外部に位置されてもよく、ケーブルを介してトランシーバ・タイル
210に電気的に結合されてもよい。実施形態において、イメージャ120は、コンポー
ネント202~215を囲むハウジングと、それらのコンポーネントによって生成される
熱エネルギーを放散するための熱放散機構とを含んでいてもよい。
一つのユニットとして組み立てられてもよい。他の実施形態では、制御ユニット202は
、イメージャ120の外部に位置されてもよく、ケーブルを介してトランシーバ・タイル
210に電気的に結合されてもよい。実施形態において、イメージャ120は、コンポー
ネント202~215を囲むハウジングと、それらのコンポーネントによって生成される
熱エネルギーを放散するための熱放散機構とを含んでいてもよい。
図3Aは、本開示の実施形態による、三つのトランシーバ・タイル210を有する例示
的なトランシーバ・アレイの概略図を示している。タイルは、平面上または曲面上にあっ
てもよい。図3Bは、本開示の実施形態による、一つまたは複数の圧電素子302を含む
トランシーバ・タイル210の上面図を示している。図示されるように、トランシーバ・
タイル210は、トランシーバ基板304と、トランシーバ基板304上に配置された一
つまたは複数の圧電素子302とを含んでいてもよい。
的なトランシーバ・アレイの概略図を示している。タイルは、平面上または曲面上にあっ
てもよい。図3Bは、本開示の実施形態による、一つまたは複数の圧電素子302を含む
トランシーバ・タイル210の上面図を示している。図示されるように、トランシーバ・
タイル210は、トランシーバ基板304と、トランシーバ基板304上に配置された一
つまたは複数の圧電素子302とを含んでいてもよい。
バルク圧電素子を使う従来のシステムとは異なり、実施形態では、pMUTアレイ302は
、ウエーハ上に形成されてもよく、ウエーハはダイシングされて、複数のトランシーバ・
タイル210を形成してもよい。このプロセスは、トランシーバ・タイル210を大量に
低コストで製造できるので、製造コストを低減することができる。実施形態において、ウ
エーハの直径は、6~12インチの範囲であってもよく、多くのpMUTアレイがバッチ製造さ
れうる。さらに、図18および図19に関連して論じられる実施形態では、pMUTアレイ3
02を制御するための集積回路は、ASICチップ内に形成されてもよく、その結果、pMUTア
レイ302は、好ましくは25μm~100μm以内に近接して整合(matching)集積回路に接
続されうる。たとえば、トランシーバ・タイル210は、1024個のpMUT素子302を有し
、該1024個のpMUT素子302を駆動するための適切な数の回路を有する整合(matching)
ASICチップに接続されてもよい。
、ウエーハ上に形成されてもよく、ウエーハはダイシングされて、複数のトランシーバ・
タイル210を形成してもよい。このプロセスは、トランシーバ・タイル210を大量に
低コストで製造できるので、製造コストを低減することができる。実施形態において、ウ
エーハの直径は、6~12インチの範囲であってもよく、多くのpMUTアレイがバッチ製造さ
れうる。さらに、図18および図19に関連して論じられる実施形態では、pMUTアレイ3
02を制御するための集積回路は、ASICチップ内に形成されてもよく、その結果、pMUTア
レイ302は、好ましくは25μm~100μm以内に近接して整合(matching)集積回路に接
続されうる。たとえば、トランシーバ・タイル210は、1024個のpMUT素子302を有し
、該1024個のpMUT素子302を駆動するための適切な数の回路を有する整合(matching)
ASICチップに接続されてもよい。
実施形態において、各圧電素子302は、正方形、長方形および円などの任意の好適な
形状を有していてもよい。実施形態において、二つ以上の圧電素子が接続されて、より大
きなピクセル要素を形成してもよい。図3Bに示されるように、イメージャを構築する際
、直交方向に配置された圧電素子302の二次元アレイを有することが望ましい。実施形
態において、ライン要素を作成するために、N個の圧電素子302の列が、電気的に並列
に接続されてもよい。すると、このライン要素は、各素子のほぼN倍の長さの連続的な圧
電素子によって達成されるものと同様の超音波信号の送信および受信を提供することがで
きる。このライン要素は、交換可能に、列〔コラム〕(column)またはライン(line)ま
たはライン要素(line element)と呼ばれることがある。タイルは、円形または他の形
状のような他の形状に配列されてもよいことが理解される。実施形態において、一つまた
は複数の温度センサー320がトランスデューサ・タイル210内に設置されて、タイル
210の温度を測定してもよい。イメージャ120は、イメージャ120のさまざまな位
置における温度を測定するための一つまたは複数の温度センサーを含みうることを注意し
ておく。
形状を有していてもよい。実施形態において、二つ以上の圧電素子が接続されて、より大
きなピクセル要素を形成してもよい。図3Bに示されるように、イメージャを構築する際
、直交方向に配置された圧電素子302の二次元アレイを有することが望ましい。実施形
態において、ライン要素を作成するために、N個の圧電素子302の列が、電気的に並列
に接続されてもよい。すると、このライン要素は、各素子のほぼN倍の長さの連続的な圧
電素子によって達成されるものと同様の超音波信号の送信および受信を提供することがで
きる。このライン要素は、交換可能に、列〔コラム〕(column)またはライン(line)ま
たはライン要素(line element)と呼ばれることがある。タイルは、円形または他の形
状のような他の形状に配列されてもよいことが理解される。実施形態において、一つまた
は複数の温度センサー320がトランスデューサ・タイル210内に設置されて、タイル
210の温度を測定してもよい。イメージャ120は、イメージャ120のさまざまな位
置における温度を測定するための一つまたは複数の温度センサーを含みうることを注意し
ておく。
従来の設計のライン要素を模倣するために、所与の幅の圧電素子の形状は、非常に高さ
が大きい必要がある。たとえば、従来の設計のライン要素は、幅280μmおよび高さ8000μ
mであってもよく、厚さは100μmであってもよい。しかしながら、トランシーバ・タイル
210上では、複数の同一の圧電素子302を使ってライン要素を設計することが有利で
あり、各素子はその特徴的な中心周波数を有してもよい。実施形態において、複数の圧電
素子302が一緒に接続されるとき、複合構造(すなわちライン要素)は、すべての要素
ピクセルの中心周波数からなる中心周波数をもつ一つのライン要素として作用しうる。現
代の半導体プロセスでは、これらの中心周波数は互いによく一致し、ライン要素の中心周
波数からの非常に小さな偏差をもつ。また、いくらか異なる中心周波数のいくつかのピク
セルを混合して、一つの中心周波数のみを使うラインと比較して広い帯域幅のラインを作
り出すことも可能である。
が大きい必要がある。たとえば、従来の設計のライン要素は、幅280μmおよび高さ8000μ
mであってもよく、厚さは100μmであってもよい。しかしながら、トランシーバ・タイル
210上では、複数の同一の圧電素子302を使ってライン要素を設計することが有利で
あり、各素子はその特徴的な中心周波数を有してもよい。実施形態において、複数の圧電
素子302が一緒に接続されるとき、複合構造(すなわちライン要素)は、すべての要素
ピクセルの中心周波数からなる中心周波数をもつ一つのライン要素として作用しうる。現
代の半導体プロセスでは、これらの中心周波数は互いによく一致し、ライン要素の中心周
波数からの非常に小さな偏差をもつ。また、いくらか異なる中心周波数のいくつかのピク
セルを混合して、一つの中心周波数のみを使うラインと比較して広い帯域幅のラインを作
り出すことも可能である。
実施形態において、圧電素子302は、その中心周波数での刺激にさらされると該中心
周波数で振動し、共振器のように振る舞う懸架された膜が付随している。これらの共振器
には、Q因子として知られる選択性がある。実施形態において、超音波イメージャについ
ては、Qは、通例は、低く(1に近いまたはその前後)設計されてもよく、実際の使用にお
いてはピクセルの設計およびピクセルに適用される負荷の組み合わせによって達成されて
もよい。実施形態において、負荷は、圧電素子の上面にRTVまたは他の材料の層を適用す
ることによって提供されてもよく、負荷は、圧力波を放出し、受信するトランスデューサ
表面と撮像される人体部分との間のより密接なインピーダンス整合を容易にしうる。実施
形態において、低Qおよびよく一致した中心周波数は、ライン要素が本質的には、実質的
に一つの中心周波数をもつライン撮像要素のように作用することを許容しうる。実施形態
において、負荷はまた、トランスデューサの下にある整合層をも含んでいてもよく、ここ
で、放出された波形は、音響吸収体によって吸収される。
周波数で振動し、共振器のように振る舞う懸架された膜が付随している。これらの共振器
には、Q因子として知られる選択性がある。実施形態において、超音波イメージャについ
ては、Qは、通例は、低く(1に近いまたはその前後)設計されてもよく、実際の使用にお
いてはピクセルの設計およびピクセルに適用される負荷の組み合わせによって達成されて
もよい。実施形態において、負荷は、圧電素子の上面にRTVまたは他の材料の層を適用す
ることによって提供されてもよく、負荷は、圧力波を放出し、受信するトランスデューサ
表面と撮像される人体部分との間のより密接なインピーダンス整合を容易にしうる。実施
形態において、低Qおよびよく一致した中心周波数は、ライン要素が本質的には、実質的
に一つの中心周波数をもつライン撮像要素のように作用することを許容しうる。実施形態
において、負荷はまた、トランスデューサの下にある整合層をも含んでいてもよく、ここ
で、放出された波形は、音響吸収体によって吸収される。
実施形態において、たとえば、各圧電素子302は、中心どうしで互いに250μm離間さ
れていてもよい。さらに単純化するために、それらは正方形の形状だとする。ここで、言
ってみれば従来のライン要素を模倣するために、列の圧電素子302が互いに接続されて
もよい。たとえば、列内の24個の圧電素子302が、約6mmの高さのライン要素を形成し
てもよく、各素子は0.25mmの幅である。実施形態において、この接続は、金属相互接続層
を使ってウエーハ・レベルで達成されてもよい。
れていてもよい。さらに単純化するために、それらは正方形の形状だとする。ここで、言
ってみれば従来のライン要素を模倣するために、列の圧電素子302が互いに接続されて
もよい。たとえば、列内の24個の圧電素子302が、約6mmの高さのライン要素を形成し
てもよく、各素子は0.25mmの幅である。実施形態において、この接続は、金属相互接続層
を使ってウエーハ・レベルで達成されてもよい。
トランシーバ・タイル210は、基板から懸架される一つまたは複数の膜を含んでいて
もよく、圧電素子302は膜上に配置されてもよいことを注意しておく。実施形態におい
て、図4~図8に関連して下記で説明するように、膜は、圧電素子302のそれぞれの下
に配置されてもよい。実施形態において、一つの膜309上に複数の圧電素子が配置され
てもよい。実施形態において、圧電素子302のうちの一つの下に二つ以上の膜が配置さ
れてもよい。膜上の圧電素子の配置に関するさらなる情報は、その全体が参照により本明
細書に組み込まれる、2017年11月21日に出願された「圧電トランスデューサを有するイメ
ージング・デバイス」と題する同時係属の米国特許出願第15/820,319号に見出されうる。
もよく、圧電素子302は膜上に配置されてもよいことを注意しておく。実施形態におい
て、図4~図8に関連して下記で説明するように、膜は、圧電素子302のそれぞれの下
に配置されてもよい。実施形態において、一つの膜309上に複数の圧電素子が配置され
てもよい。実施形態において、圧電素子302のうちの一つの下に二つ以上の膜が配置さ
れてもよい。膜上の圧電素子の配置に関するさらなる情報は、その全体が参照により本明
細書に組み込まれる、2017年11月21日に出願された「圧電トランスデューサを有するイメ
ージング・デバイス」と題する同時係属の米国特許出願第15/820,319号に見出されうる。
従来のバルク圧電素子では、上部電極と下部電極の間の電圧ポテンシャルは100V~200V
の範囲である。従来のpMUTでは、上部電極と下部電極の間の電圧ポテンシャルは約30Vで
ある。実施形態では、この電圧をさらに低減するために、圧電素子302は、スケールダ
ウンされた薄い圧電層を含んでもよく、圧電層は、2μm以下のオーダーの厚さを有してい
てもよい。図4~図8は、本開示の実施形態による例示的な圧電素子を製造するためのス
テップを示す。図4は、基板402上に配置された膜406の上面図を示し、図5は、本
開示の実施形態による、線4-4に沿って取られた膜および基板の断面図を示す。(実施形
態において、基板402は、図3Bのトランシーバ基板304に対応してもよい。)図示
されるように、実施形態において、膜層404が基板402上に堆積されてもよく、空洞
408が基板402の一部を除去するように形成されてもよく、それによって、基板40
2に対して垂直方向に振動しうる膜〔メンブレン〕406を形成してもよい。実施形態に
おいて、空洞408は、エッチングなどの通常のウエーハ処理技術によって形成されても
よい。実施形態において、基板402は、膜層404と同じ材料から形成されてもよい。
代替的な実施形態において、基板402は、膜層404とは異なる材料から形成されても
よい。空洞408は、圧電素子の上部導体(図8の812)のような他のコンポーネント
が形成された後に形成されてもよいことを注意しておく。
の範囲である。従来のpMUTでは、上部電極と下部電極の間の電圧ポテンシャルは約30Vで
ある。実施形態では、この電圧をさらに低減するために、圧電素子302は、スケールダ
ウンされた薄い圧電層を含んでもよく、圧電層は、2μm以下のオーダーの厚さを有してい
てもよい。図4~図8は、本開示の実施形態による例示的な圧電素子を製造するためのス
テップを示す。図4は、基板402上に配置された膜406の上面図を示し、図5は、本
開示の実施形態による、線4-4に沿って取られた膜および基板の断面図を示す。(実施形
態において、基板402は、図3Bのトランシーバ基板304に対応してもよい。)図示
されるように、実施形態において、膜層404が基板402上に堆積されてもよく、空洞
408が基板402の一部を除去するように形成されてもよく、それによって、基板40
2に対して垂直方向に振動しうる膜〔メンブレン〕406を形成してもよい。実施形態に
おいて、空洞408は、エッチングなどの通常のウエーハ処理技術によって形成されても
よい。実施形態において、基板402は、膜層404と同じ材料から形成されてもよい。
代替的な実施形態において、基板402は、膜層404とは異なる材料から形成されても
よい。空洞408は、圧電素子の上部導体(図8の812)のような他のコンポーネント
が形成された後に形成されてもよいことを注意しておく。
実施形態において、膜406は、円形の投影エリアをもつ。しかしながら、膜406が
他の好適な幾何学的形状を有しうることは、当業者には明白なはずである。
他の好適な幾何学的形状を有しうることは、当業者には明白なはずである。
図6は、本開示の実施形態による、膜層404上に配置され、膜406の上方に配置さ
れた下部電極602の上面図を示す。図7は、本開示の実施形態による、下部電極602
上に配置された圧電層706の上面図を示す。実施形態において、圧電層706は、下部
電極602と同様の投影エリアを有していてもよく、その結果、圧電層706は、下部電
極602の全部分を覆ってもよい。
れた下部電極602の上面図を示す。図7は、本開示の実施形態による、下部電極602
上に配置された圧電層706の上面図を示す。実施形態において、圧電層706は、下部
電極602と同様の投影エリアを有していてもよく、その結果、圧電層706は、下部電
極602の全部分を覆ってもよい。
図8は、本開示の実施形態による圧電素子の上面図を示している。図示されるように、
上部電極808が圧電層706上に配置され、膜406上方に配置されてもよい。実施形
態において、導体812が上部電極808上に配置されて、上部電極808に電気的に結
合されてもよく、一方、導体810および811は、一つまたは複数のビア814を通じ
て下部電極602に到達してもよい。実施形態において、上部電極808、圧電層706
および下部電極602は、二端子の圧電素子を形成してもよく、膜406は、上部電極と
下部電極の間に電圧が印加されると振動しうる。実施形態において、受信モード/プロセ
スの間に膜が圧力波によって変形されるとき、上部電極および下部電極において電荷が形
成されてもよい。
上部電極808が圧電層706上に配置され、膜406上方に配置されてもよい。実施形
態において、導体812が上部電極808上に配置されて、上部電極808に電気的に結
合されてもよく、一方、導体810および811は、一つまたは複数のビア814を通じ
て下部電極602に到達してもよい。実施形態において、上部電極808、圧電層706
および下部電極602は、二端子の圧電素子を形成してもよく、膜406は、上部電極と
下部電極の間に電圧が印加されると振動しうる。実施形態において、受信モード/プロセ
スの間に膜が圧力波によって変形されるとき、上部電極および下部電極において電荷が形
成されてもよい。
図9は、本開示の実施形態による圧電素子900の概略図を示している。図示されるよ
うに、圧電層910は、第一の電極(X)906と第二の電極(O)904との間に配置さ
れてもよい。実施形態において、第一の電極(X)906は、導体(X)908を介して接
地またはDCバイアスに接続されてもよく、第二の電極(O)904は、信号導体(O)90
2を通じて電気回路(図9には示さず)に接続されてもよい。実施形態において、図8の
圧電素子800は、圧電素子900の例示的な実装であり、圧電素子900は、膜層(図
5の404など)上に配置されてもよい。
うに、圧電層910は、第一の電極(X)906と第二の電極(O)904との間に配置さ
れてもよい。実施形態において、第一の電極(X)906は、導体(X)908を介して接
地またはDCバイアスに接続されてもよく、第二の電極(O)904は、信号導体(O)90
2を通じて電気回路(図9には示さず)に接続されてもよい。実施形態において、図8の
圧電素子800は、圧電素子900の例示的な実装であり、圧電素子900は、膜層(図
5の404など)上に配置されてもよい。
従来の圧電素子では、圧電層は厚く、約100μmに近づき、医療撮像を可能にするのに十
分な強さの超音波圧力波を生成するためには、典型的には、圧電層にかかる+100ないし
-100VのAC電圧が必要とされる。このAC駆動信号の周波数は、典型的には、圧電構造の共
振周波数付近であり、医療撮像用途では典型的には1MHzを超える。従来のシステムでは、
圧電素子を駆動する際に散逸される電力は、C*V2に比例する。ここで、Cは圧電素子のキ
ャパシタンスであり、Vは圧電層にかかる最大電圧である。典型的には、圧力波を送信す
るとき、複数の圧電ラインが、いくぶん異なる位相遅延をもって一緒に駆動され、圧力波
をフォーカスするか、または圧力波の伝搬方向をステアリングする。複数の圧電ラインの
同時駆動は、圧電素子の表面の温度を上昇させる。一般に、撮像される対象を傷つけない
ように、ある閾値温度を超えないことが非常に望ましい。これは、駆動できるラインの数
および駆動できる時間期間を制限する。
分な強さの超音波圧力波を生成するためには、典型的には、圧電層にかかる+100ないし
-100VのAC電圧が必要とされる。このAC駆動信号の周波数は、典型的には、圧電構造の共
振周波数付近であり、医療撮像用途では典型的には1MHzを超える。従来のシステムでは、
圧電素子を駆動する際に散逸される電力は、C*V2に比例する。ここで、Cは圧電素子のキ
ャパシタンスであり、Vは圧電層にかかる最大電圧である。典型的には、圧力波を送信す
るとき、複数の圧電ラインが、いくぶん異なる位相遅延をもって一緒に駆動され、圧力波
をフォーカスするか、または圧力波の伝搬方向をステアリングする。複数の圧電ラインの
同時駆動は、圧電素子の表面の温度を上昇させる。一般に、撮像される対象を傷つけない
ように、ある閾値温度を超えないことが非常に望ましい。これは、駆動できるラインの数
および駆動できる時間期間を制限する。
実施形態では、圧電層910は、従来のバルク圧電素子と比較してずっと薄く、約1~2
μmの厚さである。実施形態において、厚さのこの大幅な減少は、圧電素子900のため
のより低い電圧駆動信号を使うことを可能にする。ここで、同様の電場強度を維持するた
め、電圧は、ほぼ圧電層910の厚さを減じる量だけ、下げられる。たとえば、実施形態
において、二つの電極904および906にかかる電圧ポテンシャルは、ピークツーピー
クで約1.8V~12.6Vの範囲でありうる。圧電素子900のキャパシタンスは、同様の圧電
材料については、圧電層910の厚さの減少によって増大しうる。たとえば、駆動電圧が
10倍減少し、圧電層910の厚さも10倍減少する場合、キャパシタンスは10倍増加し、電
力散逸は10倍減少する。この電力散逸の低減はまた、圧電素子における発熱および温度上
昇を減らす。よって、実施形態では、従来の圧電素子と比較して、より低い駆動電圧およ
びより薄い圧電層を使用して、pMUT表面の温度を下げることができる。あるいはまた、実
施形態において、所与の温度に対して、従来の圧電素子と比較して、より多くのpMUT素子
が同時に駆動されて、より大きな目標エリアを照射してもよい。これは、特に、一つの画
像を形成するために目標の全部分を走査するために複数の放出が必要とされる場合、目標
のより高速な走査を許容しうる。実施形態において、目標エリアは、異なるステアリング
角度を使って複数の放出で走査されてもよく、得られた画像データが組み合わされて、よ
り高品質の画像が得られてもよい。
μmの厚さである。実施形態において、厚さのこの大幅な減少は、圧電素子900のため
のより低い電圧駆動信号を使うことを可能にする。ここで、同様の電場強度を維持するた
め、電圧は、ほぼ圧電層910の厚さを減じる量だけ、下げられる。たとえば、実施形態
において、二つの電極904および906にかかる電圧ポテンシャルは、ピークツーピー
クで約1.8V~12.6Vの範囲でありうる。圧電素子900のキャパシタンスは、同様の圧電
材料については、圧電層910の厚さの減少によって増大しうる。たとえば、駆動電圧が
10倍減少し、圧電層910の厚さも10倍減少する場合、キャパシタンスは10倍増加し、電
力散逸は10倍減少する。この電力散逸の低減はまた、圧電素子における発熱および温度上
昇を減らす。よって、実施形態では、従来の圧電素子と比較して、より低い駆動電圧およ
びより薄い圧電層を使用して、pMUT表面の温度を下げることができる。あるいはまた、実
施形態において、所与の温度に対して、従来の圧電素子と比較して、より多くのpMUT素子
が同時に駆動されて、より大きな目標エリアを照射してもよい。これは、特に、一つの画
像を形成するために目標の全部分を走査するために複数の放出が必要とされる場合、目標
のより高速な走査を許容しうる。実施形態において、目標エリアは、異なるステアリング
角度を使って複数の放出で走査されてもよく、得られた画像データが組み合わされて、よ
り高品質の画像が得られてもよい。
従来のバルク圧電素子と比較して、実施形態では、より多くの圧電素子を同時に駆動す
る能力は、放出毎にトランスデューサ開口のより多くの被覆を許容し、開口全体をカバー
するのに必要とされる放出数を最小限にし、よってフレームレートを増加させうる。フレ
ームレートは、1分当たりに目標が何回撮像されるかを測る。特に、組織動きが関わると
きは、動いている組織が画像をぼかす可能性があるため、高フレーム・レートで撮像する
ことが望ましい。実施形態において、より高いフレームレートで動作するイメージャ12
0は、従来のバルク圧電素子と比較して、高品質の画像を生成することができうる。
る能力は、放出毎にトランスデューサ開口のより多くの被覆を許容し、開口全体をカバー
するのに必要とされる放出数を最小限にし、よってフレームレートを増加させうる。フレ
ームレートは、1分当たりに目標が何回撮像されるかを測る。特に、組織動きが関わると
きは、動いている組織が画像をぼかす可能性があるため、高フレーム・レートで撮像する
ことが望ましい。実施形態において、より高いフレームレートで動作するイメージャ12
0は、従来のバルク圧電素子と比較して、高品質の画像を生成することができうる。
実施形態において、画像のいくつかのフレームを、結果として得られる、より低ノイズ
の一つのフレームに複合することによって、画質を改善することができる。実施形態にお
いて、この平均化技術は、低電圧かつ低電力のpMUTを従来のバルク圧電素子と比べて高い
フレームレートで使うことにより、pMUT温度の所与の上昇について、画質を高めるために
実施可能でありうる。実施形態において、画像の複合を許容するために、超音波撮像の開
口合成法を使ってもよい。画像のさまざまなフレームはまた、目標をよりよく見るために
、異なるステアリング角度を用いてまたは直交するステアリング方向からであってもよい
。
の一つのフレームに複合することによって、画質を改善することができる。実施形態にお
いて、この平均化技術は、低電圧かつ低電力のpMUTを従来のバルク圧電素子と比べて高い
フレームレートで使うことにより、pMUT温度の所与の上昇について、画質を高めるために
実施可能でありうる。実施形態において、画像の複合を許容するために、超音波撮像の開
口合成法を使ってもよい。画像のさまざまなフレームはまた、目標をよりよく見るために
、異なるステアリング角度を用いてまたは直交するステアリング方向からであってもよい
。
図10Aは、本開示の実施形態による圧電素子1000の概略図を示している。図10
Bは、図10Aにおける圧電素子1000の記号的表現を示している。図示されるように
、圧電素子1000は圧電素子900と同様だが、圧電素子1000が二つより多くの電
極を有するという違いがある。より具体的には、圧電素子1000は、上部電極(O)1
00、第一の下部電極(X)1006、第二の下部電極(T)1012、上部電極と下部電
極との間に配置された圧電層1010、および下部電極および上部電極1004、100
6および1012にそれぞれ電気的に結合された三つの導体1002、1008および1
014を含んでいてもよい。(以下、上、下という用語は、単に圧電層の二つの向かい合
う側を指すものであり、必ずしも上部電極が下部電極の上方に配置されているのではない
。)
Bは、図10Aにおける圧電素子1000の記号的表現を示している。図示されるように
、圧電素子1000は圧電素子900と同様だが、圧電素子1000が二つより多くの電
極を有するという違いがある。より具体的には、圧電素子1000は、上部電極(O)1
00、第一の下部電極(X)1006、第二の下部電極(T)1012、上部電極と下部電
極との間に配置された圧電層1010、および下部電極および上部電極1004、100
6および1012にそれぞれ電気的に結合された三つの導体1002、1008および1
014を含んでいてもよい。(以下、上、下という用語は、単に圧電層の二つの向かい合
う側を指すものであり、必ずしも上部電極が下部電極の上方に配置されているのではない
。)
純粋に例示の目的で図10Aにはユニモルフ圧電素子が示されているが、実施形態では
、複数の圧電サブ層および電極から構成される多層圧電素子が利用されることができる。
実施形態において、圧電層1010は、PZT、PZT-N、PMN-Pt、AlN、Sc-AlN、ZnO、PVDF、
およびLiNiO3のうちの少なくとも一つを含んでいてもよい。
、複数の圧電サブ層および電極から構成される多層圧電素子が利用されることができる。
実施形態において、圧電層1010は、PZT、PZT-N、PMN-Pt、AlN、Sc-AlN、ZnO、PVDF、
およびLiNiO3のうちの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図10Cは、本開示の実施形態による圧電素子1000の概略的な断面図を示している
。図示されるように、圧電素子1000は、基板1030によって支持される膜層103
4上に配置されてもよい。実施形態において、膜を画定するために、空洞1032が基板
1030内に形成されてもよい。実施形態において、膜層1034は、基板1030上に
SiO2を堆積することによって形成されてもよい。
。図示されるように、圧電素子1000は、基板1030によって支持される膜層103
4上に配置されてもよい。実施形態において、膜を画定するために、空洞1032が基板
1030内に形成されてもよい。実施形態において、膜層1034は、基板1030上に
SiO2を堆積することによって形成されてもよい。
実施形態において、圧電素子1000は、圧電層1010と、信号導体(O)1004
に電気的に接続される第一の電極(O)1002とを含んでいてもよい。実施形態におい
て、信号導体(O)1004は、膜層1034上にTiO2および金属層を堆積することによ
って形成されてもよい。実施形態において、圧電層1010は、スパッタリング技術によ
ってまたはソル・ゲル・プロセスによって形成されてもよい。
に電気的に接続される第一の電極(O)1002とを含んでいてもよい。実施形態におい
て、信号導体(O)1004は、膜層1034上にTiO2および金属層を堆積することによ
って形成されてもよい。実施形態において、圧電層1010は、スパッタリング技術によ
ってまたはソル・ゲル・プロセスによって形成されてもよい。
実施形態において、第二の電極(X)1006が、圧電層1010の上に成長せられ、
第二の導体1008に電気的に接続されてもよい。第三の電極(T)1012も、圧電層
1010の上に成長させられ、第二の導体1012に隣接して配置されるが、第二の導体
(X)1008から電気的には絶縁されてもよい。実施形態において、第二の電極(X)1
006および第三の電極(T)1012は、圧電層1010上に一つの金属層を堆積させ
、該金属層をパターニングすることによって形成されてもよい。実施形態において、電極
1002、1006および1012の投影エリアは、正方形、長方形、円形、楕円形など
の任意の好適な形状を有していてもよい。
第二の導体1008に電気的に接続されてもよい。第三の電極(T)1012も、圧電層
1010の上に成長させられ、第二の導体1012に隣接して配置されるが、第二の導体
(X)1008から電気的には絶縁されてもよい。実施形態において、第二の電極(X)1
006および第三の電極(T)1012は、圧電層1010上に一つの金属層を堆積させ
、該金属層をパターニングすることによって形成されてもよい。実施形態において、電極
1002、1006および1012の投影エリアは、正方形、長方形、円形、楕円形など
の任意の好適な形状を有していてもよい。
圧電素子1000と同様に、第一の電極(O)1002は、金属、ビアおよび層間誘電
体を用いて導体(O)1004に電気的に接続されてもよい。実施形態において、第一の
電極(O)1002は、圧電層1010と直接接触していてもよい。第三の導体(T)10
14は、第一の電極(O)1002に対して圧電層1010の反対側に堆積または成長さ
せられてもよい。
体を用いて導体(O)1004に電気的に接続されてもよい。実施形態において、第一の
電極(O)1002は、圧電層1010と直接接触していてもよい。第三の導体(T)10
14は、第一の電極(O)1002に対して圧電層1010の反対側に堆積または成長さ
せられてもよい。
図10Dは、本開示の実施形態による圧電素子1030の概略図を示している。図示さ
れるように、圧電素子1030は、二つのサブ圧電素子(または単にサブ素子)1031
-1および1031-2を含んでいてもよい。実施形態では、各サブ素子は、三端子デバ
イスであってもよく、すなわち、一つの上部電極1032-1(または1032-2)、
二つの下部電極1034-1(または1034-2)、および1036-1(または10
36-2)ならびに一つの圧電層1035-1(または1035-2)を有していてもよ
い。実施形態において、上部電極1032-1は、共通導体(O)1031によって上部
電極1032-2に電気的に接続されてもよく、第一の下部電極(X)1034-1は、
共通導体(X)1038によって第一の下部電極(X)1034-2に電気的に接続されて
もよく、第二の下部電極(T)1036-1は、共通導体(T)1040によって第二の下
部電極(T)1036-2に電気的に接続されてもよい。実施形態において、圧電素子1
030は、一つの膜上に配置されてもよく、または各サブ素子は、別個の膜上に配置され
てもよい。導体(O)1032-1が、図12~図16に示される圧電素子と同様の仕方
で、金属、ビア、層間誘電体(ILD: interlayer dielectrics)などを使って、電極(O
)1031に電気的に接続されてもよいことは、当業者には明白であるはずである。
れるように、圧電素子1030は、二つのサブ圧電素子(または単にサブ素子)1031
-1および1031-2を含んでいてもよい。実施形態では、各サブ素子は、三端子デバ
イスであってもよく、すなわち、一つの上部電極1032-1(または1032-2)、
二つの下部電極1034-1(または1034-2)、および1036-1(または10
36-2)ならびに一つの圧電層1035-1(または1035-2)を有していてもよ
い。実施形態において、上部電極1032-1は、共通導体(O)1031によって上部
電極1032-2に電気的に接続されてもよく、第一の下部電極(X)1034-1は、
共通導体(X)1038によって第一の下部電極(X)1034-2に電気的に接続されて
もよく、第二の下部電極(T)1036-1は、共通導体(T)1040によって第二の下
部電極(T)1036-2に電気的に接続されてもよい。実施形態において、圧電素子1
030は、一つの膜上に配置されてもよく、または各サブ素子は、別個の膜上に配置され
てもよい。導体(O)1032-1が、図12~図16に示される圧電素子と同様の仕方
で、金属、ビア、層間誘電体(ILD: interlayer dielectrics)などを使って、電極(O
)1031に電気的に接続されてもよいことは、当業者には明白であるはずである。
実施形態において、導体(X)1038および導体(T)1040は、イメージャのアク
ティブな動作の間は、みな接地(またはDCバイアスに接続)されてもよい。実施形態にお
いて、電極(O)1032-1および1032-2は、共通の送信ドライバ回路および共
通の電気信号、典型的にはトランスデューサの中心周波数のまわりの信号波形によって駆
動されてもよい。たとえば、中心周波数が2MHzである場合、2MHzの正弦波波形または方形
波形が圧電素子1030に印加される。この波形は、圧電素子1030を2MHzで共振させ
、トランスデューサの表面から、122のような圧力波を送出させうる。圧力波は、撮像
される目標器官から反射されてもよい。実施形態において、反射された圧力波は、今や信
号受信器に接続された圧電素子1030に当たってもよい。圧力波は、圧電素子1030
において、圧電層1035-1および1035-2によって電荷に変換されてもよい。実
施形態において、この電荷は、増幅器、フィルタによって処理され、最終的にはA/D変換
器(図10Dには示さず)によってデジタル化され、それにデジタル・デシメータが続き
、データは最終的にはFPGAまたはグラフィカル処理ユニット(GPU)にインターフェース
される。次いで、複数の圧電素子からのこれらの処理された信号が画像に再構成されても
よい。送信ドライバを駆動する信号波形は、周波数変動信号、位相変動信号、または他の
複雑な符号化された信号、たとえばチャープまたはゴレイ(Golay)符号であってもよい
。
ティブな動作の間は、みな接地(またはDCバイアスに接続)されてもよい。実施形態にお
いて、電極(O)1032-1および1032-2は、共通の送信ドライバ回路および共
通の電気信号、典型的にはトランスデューサの中心周波数のまわりの信号波形によって駆
動されてもよい。たとえば、中心周波数が2MHzである場合、2MHzの正弦波波形または方形
波形が圧電素子1030に印加される。この波形は、圧電素子1030を2MHzで共振させ
、トランスデューサの表面から、122のような圧力波を送出させうる。圧力波は、撮像
される目標器官から反射されてもよい。実施形態において、反射された圧力波は、今や信
号受信器に接続された圧電素子1030に当たってもよい。圧力波は、圧電素子1030
において、圧電層1035-1および1035-2によって電荷に変換されてもよい。実
施形態において、この電荷は、増幅器、フィルタによって処理され、最終的にはA/D変換
器(図10Dには示さず)によってデジタル化され、それにデジタル・デシメータが続き
、データは最終的にはFPGAまたはグラフィカル処理ユニット(GPU)にインターフェース
される。次いで、複数の圧電素子からのこれらの処理された信号が画像に再構成されても
よい。送信ドライバを駆動する信号波形は、周波数変動信号、位相変動信号、または他の
複雑な符号化された信号、たとえばチャープまたはゴレイ(Golay)符号であってもよい
。
図10Eは、本開示の実施形態による圧電素子1050の概略図を示している。図示さ
れるように、圧電素子1050は、二つのサブ素子1051-1および1051-2を含
んでいてもよい。実施形態において、各サブ素子は二端子デバイスであってもよく、すな
わち、一つの上部電極1052-1(または1052-2)、一つの下部電極1054-
1(または1054-2)、および一つの圧電層1056-1(または1056-2)を
有していてもよい。実施形態において、上部電極(O)1052-1は、共通導体(O)1
051によって上部電極(O)1052-2に電気的に接続されてもよく、下部電極(X)
1054-1は、共通導体(X)1058によって下部電極(X)1054-2に電気的に
接続されてもよい。実施形態において、圧電素子1050は、一つの膜上に配置されても
よく、あるいは各サブ素子が別個の膜上に配置されてもよい。
れるように、圧電素子1050は、二つのサブ素子1051-1および1051-2を含
んでいてもよい。実施形態において、各サブ素子は二端子デバイスであってもよく、すな
わち、一つの上部電極1052-1(または1052-2)、一つの下部電極1054-
1(または1054-2)、および一つの圧電層1056-1(または1056-2)を
有していてもよい。実施形態において、上部電極(O)1052-1は、共通導体(O)1
051によって上部電極(O)1052-2に電気的に接続されてもよく、下部電極(X)
1054-1は、共通導体(X)1058によって下部電極(X)1054-2に電気的に
接続されてもよい。実施形態において、圧電素子1050は、一つの膜上に配置されても
よく、あるいは各サブ素子が別個の膜上に配置されてもよい。
図10Fは、本開示の実施形態による圧電素子1070の概略図を示している。図10
Gは、本開示の実施形態による圧電素子1070の底面図を示している。図示されるよう
に、圧電素子1070は、上部電極(O)1074、第一の下部電極(X)1080、第二
の下部電極(T)1076、上部電極と下部電極との間に配置された圧電層1075、お
よび下部電極および上部電極1074、1076および1080にそれぞれ電気的に結合
された三つの導体1072、1078および1082を含んでいてもよい。(図10Gで
は、導体は示されていない。)実施形態において、第一および第二の下部電極のそれぞれ
は環状形状を有し、第二の下部電極(X)1076が第一の下部電極(T)1080を取り
囲む。
Gは、本開示の実施形態による圧電素子1070の底面図を示している。図示されるよう
に、圧電素子1070は、上部電極(O)1074、第一の下部電極(X)1080、第二
の下部電極(T)1076、上部電極と下部電極との間に配置された圧電層1075、お
よび下部電極および上部電極1074、1076および1080にそれぞれ電気的に結合
された三つの導体1072、1078および1082を含んでいてもよい。(図10Gで
は、導体は示されていない。)実施形態において、第一および第二の下部電極のそれぞれ
は環状形状を有し、第二の下部電極(X)1076が第一の下部電極(T)1080を取り
囲む。
図10Hは、本開示の実施形態による圧電素子1085の概略図を示している。図示さ
れるように、圧電素子1085は、横モード動作(transverse mode of operation)
を利用してもよく、基板1091、一端で基板に固定された膜1090、導体1089に
電気的に結合された下部電極(O)1092、圧電層1088、および導体1087に電
気的に結合された上部電極1086を含んでいてもよい。実施形態において、膜1090
は、矢印1093によって示されるように、横モードで振動するように、一端で基板10
91に固定されてもよく、すなわち、圧電素子は、横モードで動作してもよい。
れるように、圧電素子1085は、横モード動作(transverse mode of operation)
を利用してもよく、基板1091、一端で基板に固定された膜1090、導体1089に
電気的に結合された下部電極(O)1092、圧電層1088、および導体1087に電
気的に結合された上部電極1086を含んでいてもよい。実施形態において、膜1090
は、矢印1093によって示されるように、横モードで振動するように、一端で基板10
91に固定されてもよく、すなわち、圧電素子は、横モードで動作してもよい。
圧電素子1085は、任意の好適な数の上部電極を有しうることを注意しておく。また
、二つ以上の圧電素子が膜1090上に設置されてもよいことを注意しておく。さらに、
基板1091および膜1090は、一つのモノリシック体から形成されてもよく、膜は、
基板をエッチングすることによって形成されてもよいことを注意しておく。
、二つ以上の圧電素子が膜1090上に設置されてもよいことを注意しておく。さらに、
基板1091および膜1090は、一つのモノリシック体から形成されてもよく、膜は、
基板をエッチングすることによって形成されてもよいことを注意しておく。
図11は、本開示の実施形態による圧電素子1100の概略図を示している。図示され
るように、電極(O)1104は、圧電層1110の上面上に配置され、電気回路に接続
されうる導体(O)1102に電気的に接続されてもよい。導体(T1)1108、導体(T
2)1114および導体(X)1118は、それぞれ下部電極(T1)1106、電極(T2)
1112および電極(X)1116に接続されてもよい。電極(T1)1106、電極(X)
1116および電極(T2)1112は、圧電層1110の下面に配置されてもよい。実施
形態において、圧電素子1100は、一つの膜または三つの別個の膜上に配置されてもよ
い。
るように、電極(O)1104は、圧電層1110の上面上に配置され、電気回路に接続
されうる導体(O)1102に電気的に接続されてもよい。導体(T1)1108、導体(T
2)1114および導体(X)1118は、それぞれ下部電極(T1)1106、電極(T2)
1112および電極(X)1116に接続されてもよい。電極(T1)1106、電極(X)
1116および電極(T2)1112は、圧電層1110の下面に配置されてもよい。実施
形態において、圧電素子1100は、一つの膜または三つの別個の膜上に配置されてもよ
い。
図10A~図11は、それぞれが二端子(OおよびX)または三端子(O、XおよびT)ま
たは四端子(O、X、T1およびT2)のいずれかを有する圧電素子(またはサブ素子)を示し
ている。しかしながら、圧電素子(またはサブ素子)が四つより多くの端子を有していて
もよいことは、当業者には明白であるはずである。たとえば、圧電素子は、上下(O)電
極および三つより多くの下部電極を有してもよい。
たは四端子(O、X、T1およびT2)のいずれかを有する圧電素子(またはサブ素子)を示し
ている。しかしながら、圧電素子(またはサブ素子)が四つより多くの端子を有していて
もよいことは、当業者には明白であるはずである。たとえば、圧電素子は、上下(O)電
極および三つより多くの下部電極を有してもよい。
図12~図16は、本開示の実施形態によって、四つの端子を有する例示的な圧電素子
を製造するためのステップを示している。図12は、基板1202上に膜層1204を形
成し、基板内に空洞1208を形成することによって形成されうる膜1206の上面図を
示している。図13は、線12-12に沿って取られた図12の構造の断面図を示している。
実施形態において、膜1204は、好適なウエーハ処理技術によって堆積されてもよい。
を製造するためのステップを示している。図12は、基板1202上に膜層1204を形
成し、基板内に空洞1208を形成することによって形成されうる膜1206の上面図を
示している。図13は、線12-12に沿って取られた図12の構造の断面図を示している。
実施形態において、膜1204は、好適なウエーハ処理技術によって堆積されてもよい。
図14は、膜層1204上に形成された層構造の上面図を示し、図15は、本開示の実
施形態による、線14-14に沿って取られた図14の層構造の断面図を示している。図示さ
れるように、三つの上部電極1223、1224-1および1224-2、圧電層122
0、および下部電極1222が、膜層1204上に形成されてもよい。実施形態において
、上部電極1223、1224-1、および1224-2、圧電層1220、および下部
電極1222は、蒸着、スパッタリング、パターニングなどの好適なウエーハ処理技術に
よって堆積されてもよい。
施形態による、線14-14に沿って取られた図14の層構造の断面図を示している。図示さ
れるように、三つの上部電極1223、1224-1および1224-2、圧電層122
0、および下部電極1222が、膜層1204上に形成されてもよい。実施形態において
、上部電極1223、1224-1、および1224-2、圧電層1220、および下部
電極1222は、蒸着、スパッタリング、パターニングなどの好適なウエーハ処理技術に
よって堆積されてもよい。
図16は、本開示の実施形態による圧電素子1600の上面図を示す。図示されるよう
に、三つの導体1620、1622-1および1622-2が、それぞれ、電極1223
、1224-1および1224-2に電気的に結合されてもよい。また、導体(O)16
10が、一つまたは複数のビア1614を通じて下部電極1222に電気的に結合されて
もよい。実施形態において、電気的接地およびソース面は、ビア1614および導体(O
)1610を通じて下部電極1222に到達することができる。実施形態において、導体
1620、1622-1および1622-2のそれぞれは、接地またはDCバイアス電圧に
接続されてもよい。実施形態において、導体1620は、接地または第一のDCバイアス電
圧に接続されてもよく、導体1622-1および1622-2は、接地または第二のDCバ
イアス電圧に接続されてもよい。
に、三つの導体1620、1622-1および1622-2が、それぞれ、電極1223
、1224-1および1224-2に電気的に結合されてもよい。また、導体(O)16
10が、一つまたは複数のビア1614を通じて下部電極1222に電気的に結合されて
もよい。実施形態において、電気的接地およびソース面は、ビア1614および導体(O
)1610を通じて下部電極1222に到達することができる。実施形態において、導体
1620、1622-1および1622-2のそれぞれは、接地またはDCバイアス電圧に
接続されてもよい。実施形態において、導体1620は、接地または第一のDCバイアス電
圧に接続されてもよく、導体1622-1および1622-2は、接地または第二のDCバ
イアス電圧に接続されてもよい。
一般に、圧電材料の結晶構造における固有の非対称性のために、電気的極性が発達し、
電気双極子を生成する。巨視的な結晶構造では、双極子は、デフォルトでは、図17Aで
左に示されるように、ランダムに配向していることが見出される。材料が機械的応力にさ
らされると、各双極子は、そのもとの配向から、双極子に蓄積される全体的な電気的およ
び機械的エネルギーを最小にする方向に回転する。すべての双極子が初期にランダムに配
向されている場合(すなわち、正味の分極がゼロ)、それらの回転は、材料の巨視的な正
味の分極を有意に変化させない可能性があり、よって、示される圧電効果は無視できるで
あろう。よって、初期状態の間に、双極子は多少とも同じ方向に配向される必要があり、
これはポーリング(poling)〔分極処理〕・プロセスと呼ばれる。双極子が整列する方向
はポーリング方向として知られる。図17は、本開示の実施形態による、ポーリング・プ
ロセスの前、間、および後における圧電材料の双極子配向を示している。
電気双極子を生成する。巨視的な結晶構造では、双極子は、デフォルトでは、図17Aで
左に示されるように、ランダムに配向していることが見出される。材料が機械的応力にさ
らされると、各双極子は、そのもとの配向から、双極子に蓄積される全体的な電気的およ
び機械的エネルギーを最小にする方向に回転する。すべての双極子が初期にランダムに配
向されている場合(すなわち、正味の分極がゼロ)、それらの回転は、材料の巨視的な正
味の分極を有意に変化させない可能性があり、よって、示される圧電効果は無視できるで
あろう。よって、初期状態の間に、双極子は多少とも同じ方向に配向される必要があり、
これはポーリング(poling)〔分極処理〕・プロセスと呼ばれる。双極子が整列する方向
はポーリング方向として知られる。図17は、本開示の実施形態による、ポーリング・プ
ロセスの前、間、および後における圧電材料の双極子配向を示している。
図示されるように、ポーリング・プロセスの前には、個々の双極子モーメントは整列し
ていない。ポーリング・プロセスの間に、双極子モーメントは、同じ方向を向くように整
列されうる。ポーリング後は、双極子モーメントはかなり整列したままでありうるが、ラ
ンダムな方向のいくつかの要素が存在しうる。実施形態において、ポーリング・プロセス
は、圧電材料を高温で一定の電場中に置くことによって実行され、それにより、双極子を
強制的に整列させる。
ていない。ポーリング・プロセスの間に、双極子モーメントは、同じ方向を向くように整
列されうる。ポーリング後は、双極子モーメントはかなり整列したままでありうるが、ラ
ンダムな方向のいくつかの要素が存在しうる。実施形態において、ポーリング・プロセス
は、圧電材料を高温で一定の電場中に置くことによって実行され、それにより、双極子を
強制的に整列させる。
実施形態において、図10Aの圧電素子1000は、電極(X)1006および電極(T
)1012上の圧電層の部分が反対方向に分極処理されうるようにポーリングされてもよ
い。この型のポーリングは、一つのポーリング方向構成を使って得られる圧力出力と比較
して、同じ送信電圧について、ブーストされた圧力出力をもたらしうる。また、実施形態
において、この型のポーリングは、受信感度を改善することができ、ここで、反射圧力波
は、一つのポーリング方向構成と比較して、より大きな電荷出力を生成するよう差動的に
(differentially)ブーストされうる。
)1012上の圧電層の部分が反対方向に分極処理されうるようにポーリングされてもよ
い。この型のポーリングは、一つのポーリング方向構成を使って得られる圧力出力と比較
して、同じ送信電圧について、ブーストされた圧力出力をもたらしうる。また、実施形態
において、この型のポーリングは、受信感度を改善することができ、ここで、反射圧力波
は、一つのポーリング方向構成と比較して、より大きな電荷出力を生成するよう差動的に
(differentially)ブーストされうる。
図17Bは、本開示の実施形態による圧電素子1600をポーリングするための例示的
プロセスのフローチャートを示す。圧電素子1600をポーリングするために、圧電素子
1600は、高温チャンバ内にマウントされてもよく(ステップ1728)、下部電極1
222は、接地に結合されてもよく(ステップ1722)、一方、第一の上部電極122
4-1(または1224-2)は、15Vのような高い正の電圧に結合されてもよく(ステ
ップ1724)、第二の上部電極1223は、-15Vのような高い負の電圧に結合されて
もよい(ステップ1726)。次いで、圧電素子1600は、長時間にわたりチャンバ内
で高温にさらされてもよい(ステップ1728)。
プロセスのフローチャートを示す。圧電素子1600をポーリングするために、圧電素子
1600は、高温チャンバ内にマウントされてもよく(ステップ1728)、下部電極1
222は、接地に結合されてもよく(ステップ1722)、一方、第一の上部電極122
4-1(または1224-2)は、15Vのような高い正の電圧に結合されてもよく(ステ
ップ1724)、第二の上部電極1223は、-15Vのような高い負の電圧に結合されて
もよい(ステップ1726)。次いで、圧電素子1600は、長時間にわたりチャンバ内
で高温にさらされてもよい(ステップ1728)。
第一および第二の高電圧の極性に依存して、二つの電極1224-1および1224-
2の下の圧電層1220の部分は、電極1223の下の圧電層1220の部分と同じ向き
または反対向きに分極されうる。実施形態において、たとえば、ポーリングは、ある種の
圧電材料について、高温、典型的には150°Cで、30分間、電極間に高電圧を印加すること
によって実施されうる。たとえば、厚さ1μmの圧電層については、信号電極からT電極へ
の+15V、信号電極からX電極への-15Vが印加されてもよい。いったん圧電材料がポーリ
ングされると、XおよびT電極のそれぞれは、接地されてもよく、あるいはゼロでないDCバ
イアス電圧に結びつけられてもよく、一方、導体(O)1610は、送信動作中に送信ド
ライバによって駆動されるようにASICチップに接続されてもよく、または受信動作中にAS
ICチップ内のLNA(たとえば図18Aの1811)に接続されてもよい。実施形態におい
て、DCバイアス電圧は、圧電素子1600の感度を改善しうる。
2の下の圧電層1220の部分は、電極1223の下の圧電層1220の部分と同じ向き
または反対向きに分極されうる。実施形態において、たとえば、ポーリングは、ある種の
圧電材料について、高温、典型的には150°Cで、30分間、電極間に高電圧を印加すること
によって実施されうる。たとえば、厚さ1μmの圧電層については、信号電極からT電極へ
の+15V、信号電極からX電極への-15Vが印加されてもよい。いったん圧電材料がポーリ
ングされると、XおよびT電極のそれぞれは、接地されてもよく、あるいはゼロでないDCバ
イアス電圧に結びつけられてもよく、一方、導体(O)1610は、送信動作中に送信ド
ライバによって駆動されるようにASICチップに接続されてもよく、または受信動作中にAS
ICチップ内のLNA(たとえば図18Aの1811)に接続されてもよい。実施形態におい
て、DCバイアス電圧は、圧電素子1600の感度を改善しうる。
図18Aは、本開示の実施形態による撮像組立体1800を示している。図示されるよ
うに、撮像組立体1800は、トランシーバ基板1802(トランシーバ・タイル210
と同様であってもよい)およびトランシーバ基板に電気的に結合されたASICチップ180
4を含んでいてもよい。実施形態において、トランシーバ基板1802は、一つまたは複
数の圧電素子1806を含んでいてもよく、ここで、各圧電素子は、一つまたは複数の膜
上に配置されてもよい。実施形態において、二つ以上の圧電素子が一つの膜上に配置され
てもよい。実施形態において、圧電層のポーリングは、トランシーバ基板1802がASIC
チップ1804に相互接続された後に実行されてもよい。ASIC 1804は、トランシー
バ基板1802内の圧電素子1806を駆動するための複数の回路を含む好適な基板で置
き換えられてもよいことを注意しておく。
うに、撮像組立体1800は、トランシーバ基板1802(トランシーバ・タイル210
と同様であってもよい)およびトランシーバ基板に電気的に結合されたASICチップ180
4を含んでいてもよい。実施形態において、トランシーバ基板1802は、一つまたは複
数の圧電素子1806を含んでいてもよく、ここで、各圧電素子は、一つまたは複数の膜
上に配置されてもよい。実施形態において、二つ以上の圧電素子が一つの膜上に配置され
てもよい。実施形態において、圧電層のポーリングは、トランシーバ基板1802がASIC
チップ1804に相互接続された後に実行されてもよい。ASIC 1804は、トランシー
バ基板1802内の圧電素子1806を駆動するための複数の回路を含む好適な基板で置
き換えられてもよいことを注意しておく。
実施形態において、ポーリングは、トランシーバ基板がASICチップ1804に3D相互接
続された後に、トランシーバ・タイル/基板1802上で実行されてもよい。従来の圧電
素子では、トランスデューサ・タイルが圧電素子を駆動するための回路に結合された後、
トランシーバ・タイル上でポーリング処理を実行することは困難である。これは、ポーリ
ングが圧電素子を制御するための回路に高電圧を印加することを必要とし、かかる高電圧
が回路を損傷する可能性があるためである。対照的に、実施形態では、ポーリングは、AS
ICチップ1804とすでに一体化されているトランスデューサ基板1802上で実行され
うる。実施形態において、ASICチップ1804は、圧電素子のすべての第一の電極に所望
の電圧を印加することを可能にし、高電圧は、すべての第二のまたは追加的な電極に印加
されてもよい。
続された後に、トランシーバ・タイル/基板1802上で実行されてもよい。従来の圧電
素子では、トランスデューサ・タイルが圧電素子を駆動するための回路に結合された後、
トランシーバ・タイル上でポーリング処理を実行することは困難である。これは、ポーリ
ングが圧電素子を制御するための回路に高電圧を印加することを必要とし、かかる高電圧
が回路を損傷する可能性があるためである。対照的に、実施形態では、ポーリングは、AS
ICチップ1804とすでに一体化されているトランスデューサ基板1802上で実行され
うる。実施形態において、ASICチップ1804は、圧電素子のすべての第一の電極に所望
の電圧を印加することを可能にし、高電圧は、すべての第二のまたは追加的な電極に印加
されてもよい。
実施形態において、各圧電素子1806a~1806nは、二つ以上の電極を有してい
てもよく、これらの電極は、ASICチップ1804内に収容された駆動/受信電子回路に接
続されてもよい。実施形態において、各圧電素子(たとえば1806a)は、導体(O)
(たとえば1814a)に電気的に接続される上部導体と、導体(X,T)(たとえば1
810aおよび1812a)に電気的に接続される二つの下部電極とを含んでいてもよい
。実施形態において、導体1810aは、DCバイアス(X)1832aまたは接地に電気
的に結合されてもよく、導体(T)1812aは、DCバイアス(T)1834aまたは接地
に結合されてもよい。
てもよく、これらの電極は、ASICチップ1804内に収容された駆動/受信電子回路に接
続されてもよい。実施形態において、各圧電素子(たとえば1806a)は、導体(O)
(たとえば1814a)に電気的に接続される上部導体と、導体(X,T)(たとえば1
810aおよび1812a)に電気的に接続される二つの下部電極とを含んでいてもよい
。実施形態において、導体1810aは、DCバイアス(X)1832aまたは接地に電気
的に結合されてもよく、導体(T)1812aは、DCバイアス(T)1834aまたは接地
に結合されてもよい。
実施形態において、ASICチップ1804は、一つまたは複数の圧電素子1806a~1
806nにそれぞれ電気的に結合される一つまたは複数の回路1842a~1842nと
、回路1842a~1842nを制御するための一つの制御ユニット1840とを含んで
いてもよい。実施形態では、各回路(たとえば1842a)は、送信ドライバ(1813
a)と、受信器増幅器(または単に増幅器)(たとえば1811a)と、導体(O)(1
814a)に電気的に結合される一つの端子および送信ドライバ1813aおよび増幅器
1811aに結合される前記二つの導体の間でトグルするもう一つの端子を有するスイッ
チ(たとえば1816a)とを含んでいてもよい。送信(Tx)モード/プロセスの間、ス
イッチ1816aは、信号が圧電素子1806aの上部電極に伝送されるように、送信ド
ライバ1813aを圧電素子1806aに接続してもよい。受信(Rx)モード/プロセス
の間、信号が圧電素子1806aの上部電極から増幅器1811aに伝送されるように、
スイッチ1816aは、増幅器1811aを圧電素子1806aに接続してもよい。
806nにそれぞれ電気的に結合される一つまたは複数の回路1842a~1842nと
、回路1842a~1842nを制御するための一つの制御ユニット1840とを含んで
いてもよい。実施形態では、各回路(たとえば1842a)は、送信ドライバ(1813
a)と、受信器増幅器(または単に増幅器)(たとえば1811a)と、導体(O)(1
814a)に電気的に結合される一つの端子および送信ドライバ1813aおよび増幅器
1811aに結合される前記二つの導体の間でトグルするもう一つの端子を有するスイッ
チ(たとえば1816a)とを含んでいてもよい。送信(Tx)モード/プロセスの間、ス
イッチ1816aは、信号が圧電素子1806aの上部電極に伝送されるように、送信ド
ライバ1813aを圧電素子1806aに接続してもよい。受信(Rx)モード/プロセス
の間、信号が圧電素子1806aの上部電極から増幅器1811aに伝送されるように、
スイッチ1816aは、増幅器1811aを圧電素子1806aに接続してもよい。
送信ドライバ1813aが、さまざまな電気コンポーネントを含んでもよいことを注意
しておく。しかしながら、簡潔のために、送信ドライバ1813aは、一つのドライバに
よって表わされている。しかし、送信ドライバが多くの機能をもつ、より複雑なドライバ
を含んでいてもよいことは、当業者には明白であるはずである。図18Aには、一つの増
幅器1811aのみが示されているが、増幅器1811aには、受信信号を処理するため
の電気コンポーネントが接続されてもよい。実施形態において、増幅器1811aは、低
雑音増幅器(LNA)であってもよい。実施形態において、回路1842nは、回路184
2aと同じまたは同様の構造を有していてもよい。
しておく。しかしながら、簡潔のために、送信ドライバ1813aは、一つのドライバに
よって表わされている。しかし、送信ドライバが多くの機能をもつ、より複雑なドライバ
を含んでいてもよいことは、当業者には明白であるはずである。図18Aには、一つの増
幅器1811aのみが示されているが、増幅器1811aには、受信信号を処理するため
の電気コンポーネントが接続されてもよい。実施形態において、増幅器1811aは、低
雑音増幅器(LNA)であってもよい。実施形態において、回路1842nは、回路184
2aと同じまたは同様の構造を有していてもよい。
実施形態において、すべてのDCバイアス(X)1832a~1832nは、同一のDCバ
イアスまたは接地に接続されていてもよく、すなわち、導体(X)1810a~1810
nのすべては、単一のDCバイアスまたは接地に接続されてもよい。同様に、すべてのDCバ
イアス(X)1834a~1834nは、同じDCバイアスまたは異なるDCバイアスに接続
されてもよく、すなわち、導体(T)1812a~1812nのすべては、単一のDCバイ
アスまたは接地に接続されてもよい。
イアスまたは接地に接続されていてもよく、すなわち、導体(X)1810a~1810
nのすべては、単一のDCバイアスまたは接地に接続されてもよい。同様に、すべてのDCバ
イアス(X)1834a~1834nは、同じDCバイアスまたは異なるDCバイアスに接続
されてもよく、すなわち、導体(T)1812a~1812nのすべては、単一のDCバイ
アスまたは接地に接続されてもよい。
実施形態において、導体(X、TおよびO)1810、1812および1814は、矢印
1880によって示されるように、相互接続技術、たとえば、銅ピラー相互接続またはバ
ンプ(たとえば図18Bにおける1882)を使って、ASICチップ1804に接続されて
もよい。実施形態において、ASICチップ1804内の回路コンポーネントは、相互接続1
830を使ってASICチップ1804の外側と通信してもよい。実施形態において、相互接
続1830は、ASICチップ1804上のパッドからASICチップの外部の別のパッドへのボ
ンディングワイヤを使って実装されてもよい。実施形態において、ワイヤボンディング・
パッドに加えて、ASICチップ1804上のバンプ・パッドまたは再分配バンプのような他
の型の相互接続が使われてもよい。
1880によって示されるように、相互接続技術、たとえば、銅ピラー相互接続またはバ
ンプ(たとえば図18Bにおける1882)を使って、ASICチップ1804に接続されて
もよい。実施形態において、ASICチップ1804内の回路コンポーネントは、相互接続1
830を使ってASICチップ1804の外側と通信してもよい。実施形態において、相互接
続1830は、ASICチップ1804上のパッドからASICチップの外部の別のパッドへのボ
ンディングワイヤを使って実装されてもよい。実施形態において、ワイヤボンディング・
パッドに加えて、ASICチップ1804上のバンプ・パッドまたは再分配バンプのような他
の型の相互接続が使われてもよい。
実施形態において、回路1842に含まれるLNA 1811は、受信アナログフロント
エンド(AFE: receive analog front end)の一部など、ASICチップ1804の外部
に実装されてもよい。実施形態において、LNAは、ASICチップ1804内に存在してもよ
く、別のLNAおよびプログラマブル利得増幅器(PGA: programmable gain amplifier)
がAFE内に存在してもよい。各LNA 1811の利得は、リアルタイムでプログラムされて
もよく、LNAが、イメージャに必要な時間利得補償関数(time gain compensation fun
ction)(TGC)の一部であることを許容する。
エンド(AFE: receive analog front end)の一部など、ASICチップ1804の外部
に実装されてもよい。実施形態において、LNAは、ASICチップ1804内に存在してもよ
く、別のLNAおよびプログラマブル利得増幅器(PGA: programmable gain amplifier)
がAFE内に存在してもよい。各LNA 1811の利得は、リアルタイムでプログラムされて
もよく、LNAが、イメージャに必要な時間利得補償関数(time gain compensation fun
ction)(TGC)の一部であることを許容する。
実施形態において、LNA 1811は、低電圧トランジスタ技術を使って構築されても
よく、よって、従来のトランスデューサが必要とする高い送信電圧にさらされる場合、損
傷されることがありうる。よって、従来のシステムでは、高い送信電圧を低電圧受信回路
から分離するために、高電圧送受信切り換えスイッチが使用される。そのようなスイッチ
は、大きく高価であり、高電圧(HV: High Voltage)プロセスを使用し、LNAに送られ
る信号を劣化させる。対照的に、実施形態では、低電圧が使用されてもよく、よって、従
来のシステムの高電圧コンポーネントはもはや必要とされないことがありうる。また、実
施形態においては、従来のHVスイッチをなくすことにより、従来のHVスイッチによって引
き起こされる性能劣化が回避されうる。
よく、よって、従来のトランスデューサが必要とする高い送信電圧にさらされる場合、損
傷されることがありうる。よって、従来のシステムでは、高い送信電圧を低電圧受信回路
から分離するために、高電圧送受信切り換えスイッチが使用される。そのようなスイッチ
は、大きく高価であり、高電圧(HV: High Voltage)プロセスを使用し、LNAに送られ
る信号を劣化させる。対照的に、実施形態では、低電圧が使用されてもよく、よって、従
来のシステムの高電圧コンポーネントはもはや必要とされないことがありうる。また、実
施形態においては、従来のHVスイッチをなくすことにより、従来のHVスイッチによって引
き起こされる性能劣化が回避されうる。
実施形態において、圧電素子1806は、スイッチ1816によって、受信モードの間
、LNA 1811に接続されてもよい。LNA 1811は、圧電素子に圧力を与える反射圧
力波によって生成された圧電素子1806内の電荷を、低ノイズの増幅された電圧信号に
変換することができる。受信信号の信号対雑音比は、再構成される画像の品質を決定する
重要な要因の一つでありうる。よって、LNA自身における内在的なノイズを低減すること
が望ましい。実施形態において、ノイズは、入力段においてより大きな電流を使用するな
ど、LNA 1811の入力段の相互コンダクタンスを増加させることによって低減されて
もよい。電流の増大は、電力散逸および熱の増加を引き起こすことがある。実施形態にお
いて、pMUT 1806は、低電圧で動作させられてもよく、ASICチップ1804に近接し
ていてもよく、よって、低電圧pMUT 1806によって節約された電力は、高電圧で動作
する従来のトランスデューサと比較して、受け容れ可能な所与の全温度上昇について、LN
A 1811内のノイズを下げるために利用されてもよい。
、LNA 1811に接続されてもよい。LNA 1811は、圧電素子に圧力を与える反射圧
力波によって生成された圧電素子1806内の電荷を、低ノイズの増幅された電圧信号に
変換することができる。受信信号の信号対雑音比は、再構成される画像の品質を決定する
重要な要因の一つでありうる。よって、LNA自身における内在的なノイズを低減すること
が望ましい。実施形態において、ノイズは、入力段においてより大きな電流を使用するな
ど、LNA 1811の入力段の相互コンダクタンスを増加させることによって低減されて
もよい。電流の増大は、電力散逸および熱の増加を引き起こすことがある。実施形態にお
いて、pMUT 1806は、低電圧で動作させられてもよく、ASICチップ1804に近接し
ていてもよく、よって、低電圧pMUT 1806によって節約された電力は、高電圧で動作
する従来のトランスデューサと比較して、受け容れ可能な所与の全温度上昇について、LN
A 1811内のノイズを下げるために利用されてもよい。
図18Bは、本開示の実施形態による撮像組立体1850の概略図を示している。実施
形態において、トランシーバ基板1852およびASICチップ1854は、それぞれトラン
シーバ基板1802およびASICチップ1804と同様であってもよい。従来のシステムで
は、圧電トランスデューサを駆動するための電子回路は、典型的には、圧電トランスデュ
ーサから遠く離れて位置され、同軸ケーブルを使って圧電トランスデューサに接続される
。一般に、同軸ケーブルは、電子回路に対する追加的なキャパシタンスのような寄生負荷
を増大させ、追加的なキャパシタンスは、ノイズの増大および信号電力の損失のような重
要な性能パラメータの損失を引き起こす。対照的に、図18Bに示されるように、送信ド
ライバまたはドライバ(または同等だが、回路)1862a~1862nは、Cuピラーま
たははんだバンプ1882のような低インピーダンスの三次元(3D)相互接続機構(矢印
1880によって示される)、またはウエーハ接合もしくは同様のアプローチまたはその
ような技術の組み合わせを使って、圧電素子(または同等だが、ピクセル)1856a~
1856n+iに直接接続されてもよい。実施形態において、トランシーバ基板1852
をASICチップ1854に統合すると、回路1862は、圧電素子1856から垂直方向に
100μm(またはその程度)未満離れて位置されうる。実施形態において、駆動回路186
2と圧電素子1856との間のインピーダンス整合のための任意の従来のデバイスは、必
要とされなくてもよく、撮像組立体1800の設計をさらに単純化し、電力効率を向上さ
せる。回路1862のインピーダンスは、圧電素子1856の要件に整合するように設計
されてもよい。
形態において、トランシーバ基板1852およびASICチップ1854は、それぞれトラン
シーバ基板1802およびASICチップ1804と同様であってもよい。従来のシステムで
は、圧電トランスデューサを駆動するための電子回路は、典型的には、圧電トランスデュ
ーサから遠く離れて位置され、同軸ケーブルを使って圧電トランスデューサに接続される
。一般に、同軸ケーブルは、電子回路に対する追加的なキャパシタンスのような寄生負荷
を増大させ、追加的なキャパシタンスは、ノイズの増大および信号電力の損失のような重
要な性能パラメータの損失を引き起こす。対照的に、図18Bに示されるように、送信ド
ライバまたはドライバ(または同等だが、回路)1862a~1862nは、Cuピラーま
たははんだバンプ1882のような低インピーダンスの三次元(3D)相互接続機構(矢印
1880によって示される)、またはウエーハ接合もしくは同様のアプローチまたはその
ような技術の組み合わせを使って、圧電素子(または同等だが、ピクセル)1856a~
1856n+iに直接接続されてもよい。実施形態において、トランシーバ基板1852
をASICチップ1854に統合すると、回路1862は、圧電素子1856から垂直方向に
100μm(またはその程度)未満離れて位置されうる。実施形態において、駆動回路186
2と圧電素子1856との間のインピーダンス整合のための任意の従来のデバイスは、必
要とされなくてもよく、撮像組立体1800の設計をさらに単純化し、電力効率を向上さ
せる。回路1862のインピーダンスは、圧電素子1856の要件に整合するように設計
されてもよい。
実施形態において、図18Aにおいて、圧電素子1806a~1806nのそれぞれは
、ASICチップ1804内に位置する回路1842a~1842nの対応する一つに電気的
に接続されてもよい。実施形態において、この構成は、イメージャが三次元画像を生成す
ることを許容しうる。同様に、図18Bにおいて、圧電素子1856a~1856mのそ
れぞれは、X、TおよびOで表わされる三つのリードを有していてもよい。圧電素子のそれ
ぞれからのリードは、相互接続手段1882によってASICチップ1854内に位置する回
路1862a~1862mの対応する一つに電気的に接続されてもよい。さらに、実施形
態において、1856n+1~1856n+iのような圧電素子のラインが、一つの共通
の回路1862nに電気的に結合されてもよい。実施形態において、送信ドライバ回路1
862nは、一つの送信ドライバで実装されてもよい。代替実施形態では、送信ドライバ
回路1862nは、さまざまな撮像モードを容易にするために、マルチレベル・ドライバ
で実装されてもよい。
、ASICチップ1804内に位置する回路1842a~1842nの対応する一つに電気的
に接続されてもよい。実施形態において、この構成は、イメージャが三次元画像を生成す
ることを許容しうる。同様に、図18Bにおいて、圧電素子1856a~1856mのそ
れぞれは、X、TおよびOで表わされる三つのリードを有していてもよい。圧電素子のそれ
ぞれからのリードは、相互接続手段1882によってASICチップ1854内に位置する回
路1862a~1862mの対応する一つに電気的に接続されてもよい。さらに、実施形
態において、1856n+1~1856n+iのような圧電素子のラインが、一つの共通
の回路1862nに電気的に結合されてもよい。実施形態において、送信ドライバ回路1
862nは、一つの送信ドライバで実装されてもよい。代替実施形態では、送信ドライバ
回路1862nは、さまざまな撮像モードを容易にするために、マルチレベル・ドライバ
で実装されてもよい。
ASICチップ1854が、回路1862nと同様な任意の好適な数の回路を有しうること
は、当業者には明白であるはずである。実施形態において、制御ユニット1892は、二
次元ピクセル・アレイにおいて水平または垂直に圧電素子を構成し、それらの長さを構成
し、それらを送信または受信またはポーリング・モードまたはアイドル・モードにする機
能を有していてもよい。実施形態において、制御ユニット1892は、トランシーバ基板
1852が三次元集積技術1882によってASICチップ1854と組み合わされた後に、
ポーリング・プロセスを実行してもよい。実施形態において、送信ドライバ回路1843
は、図34に示されるように、マルチレベル・ドライブで実装されてもよく、ここで、送
信ドライバ出力は、二つより多くの出力レベルを有しうる。図34は、出力レベルが0Vま
たは6Vまたは12Vでありうる実施形態を示している。これらの電圧は異なることができ、
たとえば、-5V、0Vおよび+5Vであってもよいことが理解される。送信ドライバはまた、
図33に示されるような駆動信号をもつ二レベルのドライバであってもよい。
は、当業者には明白であるはずである。実施形態において、制御ユニット1892は、二
次元ピクセル・アレイにおいて水平または垂直に圧電素子を構成し、それらの長さを構成
し、それらを送信または受信またはポーリング・モードまたはアイドル・モードにする機
能を有していてもよい。実施形態において、制御ユニット1892は、トランシーバ基板
1852が三次元集積技術1882によってASICチップ1854と組み合わされた後に、
ポーリング・プロセスを実行してもよい。実施形態において、送信ドライバ回路1843
は、図34に示されるように、マルチレベル・ドライブで実装されてもよく、ここで、送
信ドライバ出力は、二つより多くの出力レベルを有しうる。図34は、出力レベルが0Vま
たは6Vまたは12Vでありうる実施形態を示している。これらの電圧は異なることができ、
たとえば、-5V、0Vおよび+5Vであってもよいことが理解される。送信ドライバはまた、
図33に示されるような駆動信号をもつ二レベルのドライバであってもよい。
実施形態において、リード線1882a~1882nは、圧電素子1856の電極(O
)にパルスを印加するために使用される信号導体であってもよい。同様に、圧電素子18
56a~1856n+iと信号を通信するためにリード線1884a~1884n、18
86a~1886n、および1888a~1888nを使ってもよい。信号/データを撮
像組立体1800と通信するために、他の好適な数のリード線が使用されてもよいことを
注意しておく。
)にパルスを印加するために使用される信号導体であってもよい。同様に、圧電素子18
56a~1856n+iと信号を通信するためにリード線1884a~1884n、18
86a~1886n、および1888a~1888nを使ってもよい。信号/データを撮
像組立体1800と通信するために、他の好適な数のリード線が使用されてもよいことを
注意しておく。
実施形態において、リード線(X)1886およびリード線(T)1888のそれぞれは
、接地またはDCバイアス端子に接続されてもよい。実施形態において、デジタル制御リー
ド1894は、デジタル制御バスであってもよく、撮像組立体1850内のさまざまな機
能を制御しアドレス指定するために必要とされる一つまたは複数のリードを含んでいても
よい。これらのリードはたとえば、シリアル周辺インターフェース(SPI: Serial Peri
pheral Interface)または他のプロトコルのような通信プロトコルを使ってASICチップ
1854のプログラム可能性を許容してもよい。
、接地またはDCバイアス端子に接続されてもよい。実施形態において、デジタル制御リー
ド1894は、デジタル制御バスであってもよく、撮像組立体1850内のさまざまな機
能を制御しアドレス指定するために必要とされる一つまたは複数のリードを含んでいても
よい。これらのリードはたとえば、シリアル周辺インターフェース(SPI: Serial Peri
pheral Interface)または他のプロトコルのような通信プロトコルを使ってASICチップ
1854のプログラム可能性を許容してもよい。
実施形態において、圧電素子1806(または1856)および制御電子回路/回路1
842(または1862)は、同じ半導体ウエーハ上に形成されてもよい。代替実施形態
では、トランシーバ基板1802(または1852)およびASICチップ1804(または
1854)は、バンプ1882を使う金属相互接続技術のような3D相互接続技術によって
別々に製造され、互いと組み合わされてもよい。実施形態において、相互接続技術は、低
歩留まりの増倍効果をなくし、それにより製造コストを低下させ、諸コンポーネントの歩
留まりを独立して最大化することができる。
842(または1862)は、同じ半導体ウエーハ上に形成されてもよい。代替実施形態
では、トランシーバ基板1802(または1852)およびASICチップ1804(または
1854)は、バンプ1882を使う金属相互接続技術のような3D相互接続技術によって
別々に製造され、互いと組み合わされてもよい。実施形態において、相互接続技術は、低
歩留まりの増倍効果をなくし、それにより製造コストを低下させ、諸コンポーネントの歩
留まりを独立して最大化することができる。
実施形態において、リード線1862a~1862nは、圧電素子1806の電極(O
)にパルスを印加するために使用される信号導体であってもよい。同様に、圧電素子18
06a~1806nと信号を通信するためにリード線1864a~1864n、1866
a~1866nおよび1868a~1868nが使用されてもよい。信号/データを撮像
組立体1800と通信するために、他の好適な数のリード線が使用されてもよいことを注
意しておく。
)にパルスを印加するために使用される信号導体であってもよい。同様に、圧電素子18
06a~1806nと信号を通信するためにリード線1864a~1864n、1866
a~1866nおよび1868a~1868nが使用されてもよい。信号/データを撮像
組立体1800と通信するために、他の好適な数のリード線が使用されてもよいことを注
意しておく。
上記で論じたように、LNA 1811は、電荷感知モードで動作してもよく、それぞれ
利得補償を提供するためにリアルタイムで構成されうるプログラマブル利得を有していて
もよい。実施形態において、図3Bとの関連で論じたように、一つまたは複数の温度セン
サーがイメージャ120内に設置されてもよい。実施形態において、ASICは、温度センサ
ーから温度データを受信し、温度データを使用して、撮像フレームレートまたはLNA 1
811の信号対雑音比を調整することができる。
利得補償を提供するためにリアルタイムで構成されうるプログラマブル利得を有していて
もよい。実施形態において、図3Bとの関連で論じたように、一つまたは複数の温度セン
サーがイメージャ120内に設置されてもよい。実施形態において、ASICは、温度センサ
ーから温度データを受信し、温度データを使用して、撮像フレームレートまたはLNA 1
811の信号対雑音比を調整することができる。
図19A-1は、トランシーバ基板1902およびASICチップ1906の上面図を示し
、図19A-2は、本開示の実施形態による撮像組立体1901の側面図を示している。
図示されるように、撮像組立体1901は、バンプなどの好適な相互接続機構によってAS
ICチップ1906に相互接続されるトランシーバ基板1902を含んでもよい。以下では
、バンプが相互接続機構として示されるが、バンプの代わりに他の好適な相互接続機構が
使用されてもよい。
、図19A-2は、本開示の実施形態による撮像組立体1901の側面図を示している。
図示されるように、撮像組立体1901は、バンプなどの好適な相互接続機構によってAS
ICチップ1906に相互接続されるトランシーバ基板1902を含んでもよい。以下では
、バンプが相互接続機構として示されるが、バンプの代わりに他の好適な相互接続機構が
使用されてもよい。
実施形態において、各圧電素子1904は二端子の圧電素子であってもよく、ここで圧
電素子は、二つの電極OおよびXによって記号的に表わされている。実施形態において、回
路素子1908は、対応する圧電素子1904を駆動するための電気コンポーネントを含
んでいてもよく、ここで、回路素子1908は、送信ドライバによって記号的に表わされ
ている。実施形態において、撮像素子1910は、圧電素子1904および回路素子19
08を含んでいてもよく、圧電素子1904は、二つのバンプによって回路素子1908
に電気的に接続されてもよい。
電素子は、二つの電極OおよびXによって記号的に表わされている。実施形態において、回
路素子1908は、対応する圧電素子1904を駆動するための電気コンポーネントを含
んでいてもよく、ここで、回路素子1908は、送信ドライバによって記号的に表わされ
ている。実施形態において、撮像素子1910は、圧電素子1904および回路素子19
08を含んでいてもよく、圧電素子1904は、二つのバンプによって回路素子1908
に電気的に接続されてもよい。
図19B-1は、トランシーバ基板1911およびASICチップ1913の上面図を示し
、図19B-2は、本開示の実施形態による撮像組立体1915の側面図を示している。
図示されるように、撮像組立体1915は、撮像組立体1901と同様であってもよいが
、二つのサブ圧電素子が三つのバンプによって二つのサブ回路素子に電気的に結合される
という違いがある。より具体的には、圧電素子1912は、二つのサブ圧電素子を含み、
各サブ圧電素子は二端子圧電素子であってもよく、二つのサブ圧電素子のX電極は互いに
電気的に結合されてもよい。実施形態では、サブ圧電素子の各O電極は、対応するサブ回
路素子1914の送信ドライバに電気的に結合されてもよく、二つのサブ圧電素子のX電
極は、回路素子1914の共通電気端子に電気的に結合されてもよい。よって、各撮像要
素1917において、圧電素子1912は、三つのバンプによって回路素子1914に相
互接続されてもよい。
、図19B-2は、本開示の実施形態による撮像組立体1915の側面図を示している。
図示されるように、撮像組立体1915は、撮像組立体1901と同様であってもよいが
、二つのサブ圧電素子が三つのバンプによって二つのサブ回路素子に電気的に結合される
という違いがある。より具体的には、圧電素子1912は、二つのサブ圧電素子を含み、
各サブ圧電素子は二端子圧電素子であってもよく、二つのサブ圧電素子のX電極は互いに
電気的に結合されてもよい。実施形態では、サブ圧電素子の各O電極は、対応するサブ回
路素子1914の送信ドライバに電気的に結合されてもよく、二つのサブ圧電素子のX電
極は、回路素子1914の共通電気端子に電気的に結合されてもよい。よって、各撮像要
素1917において、圧電素子1912は、三つのバンプによって回路素子1914に相
互接続されてもよい。
図19Cは、本開示の実施形態によるトランシーバ基板1920およびASICチップ19
24の上面図を示している。図示されるように、トランシーバ基板1920はトランシー
バ基板1902と同様であってもよいが、三つのサブ圧電素子が四つのバンプによって三
つのサブ回路素子に電気的に結合されるという違いがある。より具体的には、圧電素子1
922は、三つのサブ圧電素子を含み、各サブ圧電素子は二端子圧電素子であってもよく
、三つのサブ圧電素子のX電極は互いに電気的に結合されてもよい。実施形態において、
サブ圧電素子の各O電極は、対応するサブ回路素子の送信ドライバに電気的に結合されて
もよく、三つのサブ圧電素子のX電極は、回路素子1926の共通の電気端子に電気的に
結合されてもよい。このように、圧電素子1922は、四つのバンプによって回路素子1
926に相互接続されてもよい。
24の上面図を示している。図示されるように、トランシーバ基板1920はトランシー
バ基板1902と同様であってもよいが、三つのサブ圧電素子が四つのバンプによって三
つのサブ回路素子に電気的に結合されるという違いがある。より具体的には、圧電素子1
922は、三つのサブ圧電素子を含み、各サブ圧電素子は二端子圧電素子であってもよく
、三つのサブ圧電素子のX電極は互いに電気的に結合されてもよい。実施形態において、
サブ圧電素子の各O電極は、対応するサブ回路素子の送信ドライバに電気的に結合されて
もよく、三つのサブ圧電素子のX電極は、回路素子1926の共通の電気端子に電気的に
結合されてもよい。このように、圧電素子1922は、四つのバンプによって回路素子1
926に相互接続されてもよい。
圧電素子は、二つより多くの端子を有してもよいことを注意しておく。図19Dは、本
開示の実施形態によるトランシーバ基板1930およびASICチップ1934の上面図を示
している。図示されるように、トランシーバ基板1930はトランシーバ基板1902と
同様であってもよいが、各圧電素子1932が三つのバンプによって回路素子1936に
電気的に結合され得るという違いがある。実施形態において、O電極は、バンプによって
回路素子1936の送信ドライバに結合されてもよく、XおよびT電極は、二つのバンプに
よって回路素子1936に結合されてもよい。
開示の実施形態によるトランシーバ基板1930およびASICチップ1934の上面図を示
している。図示されるように、トランシーバ基板1930はトランシーバ基板1902と
同様であってもよいが、各圧電素子1932が三つのバンプによって回路素子1936に
電気的に結合され得るという違いがある。実施形態において、O電極は、バンプによって
回路素子1936の送信ドライバに結合されてもよく、XおよびT電極は、二つのバンプに
よって回路素子1936に結合されてもよい。
図19Eは、本開示の実施形態によるトランシーバ基板1940およびASICチップ19
44の上面図を示している。図示されるように、圧電素子1942は、二つのサブ圧電素
子を含んでいてもよく、各サブ圧電素子は、三端子圧電素子であってもよく、二つのサブ
圧電素子のX電極は互いに電気的に結合されてもよい。実施形態において、サブ圧電素子
の各O電極は、バンプによって対応するサブ回路素子の送信ドライバに電気的に結合され
てもよく、二つのサブ圧電素子のX電極は、バンプによって回路素子1946に電気的に
結合されてもよく、サブ圧電素子の各T電極は、バンプによって回路素子1946に電気
的に結合されてもよい。このように、圧電素子1942は、五つのバンプによって回路素
子1946に相互接続されてもよい。
44の上面図を示している。図示されるように、圧電素子1942は、二つのサブ圧電素
子を含んでいてもよく、各サブ圧電素子は、三端子圧電素子であってもよく、二つのサブ
圧電素子のX電極は互いに電気的に結合されてもよい。実施形態において、サブ圧電素子
の各O電極は、バンプによって対応するサブ回路素子の送信ドライバに電気的に結合され
てもよく、二つのサブ圧電素子のX電極は、バンプによって回路素子1946に電気的に
結合されてもよく、サブ圧電素子の各T電極は、バンプによって回路素子1946に電気
的に結合されてもよい。このように、圧電素子1942は、五つのバンプによって回路素
子1946に相互接続されてもよい。
図19Fは、本開示の実施形態によるトランシーバ基板1950およびASICチップ19
54の上面図を示している。図示されるように、圧電素子1952は、二つのサブ圧電素
子を含んでいてもよく、各サブ圧電素子は、三端子圧電素子であってもよく、二つのサブ
圧電素子のX電極は、互いに電気的に結合されてもよく、二つのサブ圧電素子のT電極は、
互いに電気的に結合されてもよい。実施形態において、サブ圧電素子の各O電極は、バン
プによって対応するサブ回路素子の送信ドライバに電気的に結合されてもよく、二つのサ
ブ圧電素子のX電極は、バンプによって回路素子1956に電気的に結合されてもよい。
また、二つのサブ圧電素子のT電極は、バンプによって回路素子1956に電気的に結合
されてもよい。このように、圧電素子1952は、四つのバンプによって回路素子195
6に相互接続されてもよい。
54の上面図を示している。図示されるように、圧電素子1952は、二つのサブ圧電素
子を含んでいてもよく、各サブ圧電素子は、三端子圧電素子であってもよく、二つのサブ
圧電素子のX電極は、互いに電気的に結合されてもよく、二つのサブ圧電素子のT電極は、
互いに電気的に結合されてもよい。実施形態において、サブ圧電素子の各O電極は、バン
プによって対応するサブ回路素子の送信ドライバに電気的に結合されてもよく、二つのサ
ブ圧電素子のX電極は、バンプによって回路素子1956に電気的に結合されてもよい。
また、二つのサブ圧電素子のT電極は、バンプによって回路素子1956に電気的に結合
されてもよい。このように、圧電素子1952は、四つのバンプによって回路素子195
6に相互接続されてもよい。
図19Gは、本開示の実施形態によるトランシーバ基板1960およびASICチップ19
64の上面図を示している。図示されるように、圧電素子1962は、二つのサブ圧電素
子を含んでいてもよく、各サブ圧電素子は、三端子圧電素子であってもよく、二つのサブ
圧電素子のO電極は、互いに電気的に結合されてもよく、二つのサブ圧電素子のX電極は、
互いに電気的に結合されてもよく、そして二つのサブ圧電素子のT電極は、互いに電気的
に結合されてもよい。このように、圧電素子1962は、三つのバンプによって回路素子
1966に相互接続されてもよい。
64の上面図を示している。図示されるように、圧電素子1962は、二つのサブ圧電素
子を含んでいてもよく、各サブ圧電素子は、三端子圧電素子であってもよく、二つのサブ
圧電素子のO電極は、互いに電気的に結合されてもよく、二つのサブ圧電素子のX電極は、
互いに電気的に結合されてもよく、そして二つのサブ圧電素子のT電極は、互いに電気的
に結合されてもよい。このように、圧電素子1962は、三つのバンプによって回路素子
1966に相互接続されてもよい。
図20は、本開示の実施形態による圧電素子2002-11~2002-mnのm×nア
レイ2000の概略図を示している。図示されるように、各圧電素子は、二端子圧電素子
(図9における圧電素子900のような)であってもよく、導体(O)(たとえば200
4-11)に電気的に結合された電極(O)(たとえば2003-11)と、共通導体(X
)2007を介して接地またはDCバイアス電圧に電気的に接続された電極(X)とを有し
ていてもよい。実施形態において、各信号導体(O)は、回路素子(たとえば1908)
によって独立して管理されてもよい。実施形態において、各導体(O)(たとえば、20
04-mn)は、回路素子の送信ドライバに電気的に結合されてもよく、圧電素子アレイ
のすべてのX電極(2006-11~2006-mn)は、共通導体(X)2007に接続
されてもよい。実施形態において、アレイ2000は、図19A~19Gに関連して論じ
たように、トランシーバ基板上に配置され、m×n+1個のバンプのような相互接続機構に
よってASICチップに電気的に結合されてもよい。より具体的には、m×n個の導体(O)2
004-2004-mnは、m×n個のバンプによってASICチップのm×n個の送信ドライバ
に結合されてもよく、共通導体(X)2007は、一つのバンプによってASICチップに結
合されてもよい。実施形態において、本明細書に記載されるそような例示的な構成は、3D
撮像を実行するために使用され、ここで、少なくとも一つのサブ圧電素子を含む各圧電素
子は、アレイにおいて固有の情報を提供することができる。実施形態において、各圧電素
子は、一つまたは複数の膜を有し、膜の複数のモードおよび周波数で振動しうる。実施形
態において、各圧電素子2002は、図33および図34の電圧プロファイル3300お
よび3400を有するパルスによって駆動されてもよい。
レイ2000の概略図を示している。図示されるように、各圧電素子は、二端子圧電素子
(図9における圧電素子900のような)であってもよく、導体(O)(たとえば200
4-11)に電気的に結合された電極(O)(たとえば2003-11)と、共通導体(X
)2007を介して接地またはDCバイアス電圧に電気的に接続された電極(X)とを有し
ていてもよい。実施形態において、各信号導体(O)は、回路素子(たとえば1908)
によって独立して管理されてもよい。実施形態において、各導体(O)(たとえば、20
04-mn)は、回路素子の送信ドライバに電気的に結合されてもよく、圧電素子アレイ
のすべてのX電極(2006-11~2006-mn)は、共通導体(X)2007に接続
されてもよい。実施形態において、アレイ2000は、図19A~19Gに関連して論じ
たように、トランシーバ基板上に配置され、m×n+1個のバンプのような相互接続機構に
よってASICチップに電気的に結合されてもよい。より具体的には、m×n個の導体(O)2
004-2004-mnは、m×n個のバンプによってASICチップのm×n個の送信ドライバ
に結合されてもよく、共通導体(X)2007は、一つのバンプによってASICチップに結
合されてもよい。実施形態において、本明細書に記載されるそような例示的な構成は、3D
撮像を実行するために使用され、ここで、少なくとも一つのサブ圧電素子を含む各圧電素
子は、アレイにおいて固有の情報を提供することができる。実施形態において、各圧電素
子は、一つまたは複数の膜を有し、膜の複数のモードおよび周波数で振動しうる。実施形
態において、各圧電素子2002は、図33および図34の電圧プロファイル3300お
よび3400を有するパルスによって駆動されてもよい。
実施形態において、各列のO電極(たとえば、2003-11~2003-m1)は、
共通導体に電気的に結合されてもよい。たとえば、ASICチップ内の諸回路素子は、各列の
O電極が互いに電気的に結合されるように、電子的に制御されてもよい。そのような構成
では、各列のO電極は、送信モードの間、共通の送信ドライバを通じて、または同一の電
気的駆動信号をもつ複数のドライバにより、同じ電気的パルスを受信することができる。
同様に、各列のO電極は、受信モードの間、前記電荷を共通の増幅器に同時に送信するこ
とができる。別の言い方をすると、各列の圧電素子は、ライン・ユニット(または同等だ
が、ライン要素)として動作させられてもよい。
共通導体に電気的に結合されてもよい。たとえば、ASICチップ内の諸回路素子は、各列の
O電極が互いに電気的に結合されるように、電子的に制御されてもよい。そのような構成
では、各列のO電極は、送信モードの間、共通の送信ドライバを通じて、または同一の電
気的駆動信号をもつ複数のドライバにより、同じ電気的パルスを受信することができる。
同様に、各列のO電極は、受信モードの間、前記電荷を共通の増幅器に同時に送信するこ
とができる。別の言い方をすると、各列の圧電素子は、ライン・ユニット(または同等だ
が、ライン要素)として動作させられてもよい。
図21は、本開示の実施形態による圧電素子2102-11~2012-mnのn×nア
レイ2100の概略図を示している。図示されるように、各圧電素子は、三端子圧電素子
であってもよく、電極O、XおよびTを含んでいてもよい。実施形態において、X電極(たと
えば、X11、X21、…、Xm1)は、列ごとに直列式に接続されてもよく、X電極のすべて(X1
1~Xmn)は、共通導体(X)2106に電気的に結合されてもよい。T電極(たとえば、T1
1、T21、…、Tm1)は、列ごとに直列式に接続されてもよく、T電極のすべて(T11~Tmn)
は、共通導体(T)2108に電気的に結合されてもよい。2102-11、2102-
21~2102-m1などの要素の列は、実施形態に記載されるように一緒に接続される
と、ライン要素または列を構成する。実施形態において、O電極2103-11~210
3-mnのそれぞれは、導体O11~Omnの一つを介して、ASICチップ内の対応する回路素子
の送信ドライバに電気的に結合されてもよい。実施形態において、アレイ2100は、ト
ランシーバ基板上に配置され、m×n+2個のバンプのような相互接続機構によってASICチ
ップに電気的に結合されてもよい。
レイ2100の概略図を示している。図示されるように、各圧電素子は、三端子圧電素子
であってもよく、電極O、XおよびTを含んでいてもよい。実施形態において、X電極(たと
えば、X11、X21、…、Xm1)は、列ごとに直列式に接続されてもよく、X電極のすべて(X1
1~Xmn)は、共通導体(X)2106に電気的に結合されてもよい。T電極(たとえば、T1
1、T21、…、Tm1)は、列ごとに直列式に接続されてもよく、T電極のすべて(T11~Tmn)
は、共通導体(T)2108に電気的に結合されてもよい。2102-11、2102-
21~2102-m1などの要素の列は、実施形態に記載されるように一緒に接続される
と、ライン要素または列を構成する。実施形態において、O電極2103-11~210
3-mnのそれぞれは、導体O11~Omnの一つを介して、ASICチップ内の対応する回路素子
の送信ドライバに電気的に結合されてもよい。実施形態において、アレイ2100は、ト
ランシーバ基板上に配置され、m×n+2個のバンプのような相互接続機構によってASICチ
ップに電気的に結合されてもよい。
実施形態において、各列のO電極(たとえば、2103-11~2103-m1)は、
共通導体に電気的に結合されてもよい。そのような構成では、各列のO電極は、送信モー
ドの間、共通の送信ドライバを通じて同じ電気パルスを受け取ることができる。同様に、
各列のO電極は、受信モードの間、電荷を共通の増幅器に同時に送信することができる。
別の言い方をすると、各列の圧電素子はライン・ユニットとして動作する。実施形態にお
いて、列内のO電極のそれぞれが専用の送信ドライバに接続されてもよく、ここで、列内
のすべての素子についての送信ドライバの入力信号は同一であり、よって、送信動作中に
すべての圧電素子上に現われるべき実質的に同一の送信駆動出力を生成しうる。そのよう
なライン要素は、各素子がそれ自身の送信ドライバを有するので、素子ごとに電子的に制
御される。これは、大きな容量性ライン要素を駆動する際の利点をもつ。各素子はより小
さなキャパシタンスを有し、列上の素子についてのタイミングの遅延を最小限にできる。
実施形態において、受信モードでは、列内のすべての素子からの電荷は、それをLNAに接
続することによって感知されることができる。これは2D撮像によって行なわれるのと同様
である。3D撮像については、受信モード動作中に各素子のO電極をLNAに接続することによ
り、各素子についての電荷が感知される。
共通導体に電気的に結合されてもよい。そのような構成では、各列のO電極は、送信モー
ドの間、共通の送信ドライバを通じて同じ電気パルスを受け取ることができる。同様に、
各列のO電極は、受信モードの間、電荷を共通の増幅器に同時に送信することができる。
別の言い方をすると、各列の圧電素子はライン・ユニットとして動作する。実施形態にお
いて、列内のO電極のそれぞれが専用の送信ドライバに接続されてもよく、ここで、列内
のすべての素子についての送信ドライバの入力信号は同一であり、よって、送信動作中に
すべての圧電素子上に現われるべき実質的に同一の送信駆動出力を生成しうる。そのよう
なライン要素は、各素子がそれ自身の送信ドライバを有するので、素子ごとに電子的に制
御される。これは、大きな容量性ライン要素を駆動する際の利点をもつ。各素子はより小
さなキャパシタンスを有し、列上の素子についてのタイミングの遅延を最小限にできる。
実施形態において、受信モードでは、列内のすべての素子からの電荷は、それをLNAに接
続することによって感知されることができる。これは2D撮像によって行なわれるのと同様
である。3D撮像については、受信モード動作中に各素子のO電極をLNAに接続することによ
り、各素子についての電荷が感知される。
図22は、本開示の実施形態による圧電素子2202-11~2202-mnのm×nア
レイ2200の概略図を示している。図示されるように、アレイ2200は、アレイ21
00と同様であってもよいが、列内のX電極(たとえばX12~Xm2)が共通導体(たとえば
、2206-1)に接続されてもよく、列内のT電極(たとえばT12~Tm2)が共通導体(
たとえば、2208-1)に接続されてもよいという違いがある。よって、同じ列内のX
電極(またはT電極)は、動作中に同じ電圧ポテンシャルを有しうる。実施形態において
、O電極のそれぞれは、導体O11~Omnのうちの一つを介してASICチップ内の対応する回路
素子の送信ドライバに電気的に結合されてもよい。実施形態において、アレイ2200は
、トランシーバ基板上に配置され、m×n+2n個のバンプのような相互接続機構によってAS
ICチップに電気的に結合されてもよい。
レイ2200の概略図を示している。図示されるように、アレイ2200は、アレイ21
00と同様であってもよいが、列内のX電極(たとえばX12~Xm2)が共通導体(たとえば
、2206-1)に接続されてもよく、列内のT電極(たとえばT12~Tm2)が共通導体(
たとえば、2208-1)に接続されてもよいという違いがある。よって、同じ列内のX
電極(またはT電極)は、動作中に同じ電圧ポテンシャルを有しうる。実施形態において
、O電極のそれぞれは、導体O11~Omnのうちの一つを介してASICチップ内の対応する回路
素子の送信ドライバに電気的に結合されてもよい。実施形態において、アレイ2200は
、トランシーバ基板上に配置され、m×n+2n個のバンプのような相互接続機構によってAS
ICチップに電気的に結合されてもよい。
アレイ2100と比較して、アレイ2200は、T電極およびX電極をASICチップに接続
するためのより多くのバンプを使用することができる。一般に、ASICチップと圧電アレイ
との間のTおよびXのための接続数の増加は、接地またはDCバイアス源に並列に接続される
ときのXおよびT導体のインピーダンスを低減し、クロストークを低減しうる。クロストー
クとは、撮像素子から他の素子への信号の結合を指し、干渉を生じ、画質を低下させるこ
とがある。XおよびTラインに流れる電流に起因する何らかの電圧降下が、理想的にはその
電圧にさらされるべきでない圧電素子のまわりに現われるとき、スプリアス電気結合が生
じうる。実施形態において、圧電素子が電子制御のもとで送信も受信もしていないとき、
X、TおよびO電極は、局所的に短絡されてもよい。あるいはまた、アイドル電極が、O電極
を接地させ、X電極はアレイ内の他のX電極に接続され、T電極はアレイ内の他のT電極に接
続されたままにする。
するためのより多くのバンプを使用することができる。一般に、ASICチップと圧電アレイ
との間のTおよびXのための接続数の増加は、接地またはDCバイアス源に並列に接続される
ときのXおよびT導体のインピーダンスを低減し、クロストークを低減しうる。クロストー
クとは、撮像素子から他の素子への信号の結合を指し、干渉を生じ、画質を低下させるこ
とがある。XおよびTラインに流れる電流に起因する何らかの電圧降下が、理想的にはその
電圧にさらされるべきでない圧電素子のまわりに現われるとき、スプリアス電気結合が生
じうる。実施形態において、圧電素子が電子制御のもとで送信も受信もしていないとき、
X、TおよびO電極は、局所的に短絡されてもよい。あるいはまた、アイドル電極が、O電極
を接地させ、X電極はアレイ内の他のX電極に接続され、T電極はアレイ内の他のT電極に接
続されたままにする。
図23は、本開示の実施形態による圧電素子2302-11~2302-mnのm×nア
レイ2300の概略図を示している。図示されるように、アレイ2300は、アレイ21
00と同様であってもよく、各圧電素子が五端子圧電素子であってもよい、すなわち、各
圧電素子は、一つの下部電極(O)および四つの上部電極(二つのX電極および二つのT電
極)を含んでいてもよいという違いがある。実施形態において、各圧電素子の二つのX電
極は、列ごとに直列式に接続されてもよく、2m×n個のX電極のすべては、共通導体(X)
2306に電気的に結合されてもよい。同様に、各圧電素子の二つのT電極は、列ごとに
直列式に接続されてもよく、2m×n個のT電極のすべては、共通導体(T)2308に電気
的に結合されてもよい。実施形態において、O電極のそれぞれは、導体O11~Omnのうちの
一つを介してASICチップ内の対応する回路素子の送信ドライバに電気的に結合されてもよ
い。実施形態において、アレイ2300は、トランシーバ基板上に配置され、m×n+2個
のバンプのような相互接続機構によってASICチップに電気的に結合されてもよい。
レイ2300の概略図を示している。図示されるように、アレイ2300は、アレイ21
00と同様であってもよく、各圧電素子が五端子圧電素子であってもよい、すなわち、各
圧電素子は、一つの下部電極(O)および四つの上部電極(二つのX電極および二つのT電
極)を含んでいてもよいという違いがある。実施形態において、各圧電素子の二つのX電
極は、列ごとに直列式に接続されてもよく、2m×n個のX電極のすべては、共通導体(X)
2306に電気的に結合されてもよい。同様に、各圧電素子の二つのT電極は、列ごとに
直列式に接続されてもよく、2m×n個のT電極のすべては、共通導体(T)2308に電気
的に結合されてもよい。実施形態において、O電極のそれぞれは、導体O11~Omnのうちの
一つを介してASICチップ内の対応する回路素子の送信ドライバに電気的に結合されてもよ
い。実施形態において、アレイ2300は、トランシーバ基板上に配置され、m×n+2個
のバンプのような相互接続機構によってASICチップに電気的に結合されてもよい。
図24は、本開示の実施形態による圧電素子2402-11~2402-mnのm×nア
レイ2400の概略図を示している。図示されるように、アレイ2400は、アレイ22
00と同様であってもよいが、各圧電素子が五端子圧電素子:一つの下部電極(O)およ
び四つの上部電極(二つのX電極および二つのT電極)であってもよいという違いがある。
実施形態において、各圧電素子の二つのX電極は、導体(たとえば、2406-1)に列
ごとの方向に電気的に接続されてもよく、各圧電素子の二つのT電極は、共通導体(たと
えば、2408-1)に列ごとの方向に電気的に接続されてもよい。実施形態において、
O電極のそれぞれは、導体O11~Omnのうちの一つを介してASICチップ内の対応する回路素
子の送信ドライバに電気的に結合されてもよい。実施形態において、アレイ2400は、
トランシーバ基板上に配置され、m×n+2n個のバンプのような相互接続機構によってASIC
チップに電気的に結合されてもよい。
レイ2400の概略図を示している。図示されるように、アレイ2400は、アレイ22
00と同様であってもよいが、各圧電素子が五端子圧電素子:一つの下部電極(O)およ
び四つの上部電極(二つのX電極および二つのT電極)であってもよいという違いがある。
実施形態において、各圧電素子の二つのX電極は、導体(たとえば、2406-1)に列
ごとの方向に電気的に接続されてもよく、各圧電素子の二つのT電極は、共通導体(たと
えば、2408-1)に列ごとの方向に電気的に接続されてもよい。実施形態において、
O電極のそれぞれは、導体O11~Omnのうちの一つを介してASICチップ内の対応する回路素
子の送信ドライバに電気的に結合されてもよい。実施形態において、アレイ2400は、
トランシーバ基板上に配置され、m×n+2n個のバンプのような相互接続機構によってASIC
チップに電気的に結合されてもよい。
図25は、本開示の実施形態による圧電素子2502-11~2502-mnのm×nア
レイ2500の概略図を示している。図示されるように、アレイ2500は、各圧電素子
が一つの下部電極(O)および二つの上部電極(T)を有していてもよいという点ではアレ
イ2100と同様であってもよいが、列に沿った圧電素子(たとえば、2502-11~
2502-m1)の二つの上部電極(T)のすべてが共通の導体(たとえば、2508-
1)に電気的に接続されてもよいという違いがある。実施形態において、O電極のそれぞ
れは、導体O11~Omnのうちの一つを介してASICチップ内の対応する回路素子の送信ドライ
バに電気的に結合されてもよい。実施形態において、アレイ2500は、トランシーバ基
板上に配置され、m×n+n個のバンプのような相互接続機構によってASICチップに電気的
に結合されてもよい。
レイ2500の概略図を示している。図示されるように、アレイ2500は、各圧電素子
が一つの下部電極(O)および二つの上部電極(T)を有していてもよいという点ではアレ
イ2100と同様であってもよいが、列に沿った圧電素子(たとえば、2502-11~
2502-m1)の二つの上部電極(T)のすべてが共通の導体(たとえば、2508-
1)に電気的に接続されてもよいという違いがある。実施形態において、O電極のそれぞ
れは、導体O11~Omnのうちの一つを介してASICチップ内の対応する回路素子の送信ドライ
バに電気的に結合されてもよい。実施形態において、アレイ2500は、トランシーバ基
板上に配置され、m×n+n個のバンプのような相互接続機構によってASICチップに電気的
に結合されてもよい。
図26は、本開示の実施形態による圧電素子2602-11~2602-mnのm×nア
レイ2600の概略図を示している。図示されるように、アレイ2600は、アレイ21
00と同様の電気的接続を有していてもよく、すなわち、圧電素子内のX電極のすべては
、共通導体2606に電気的に結合されてもよく、圧電素子内のT電極のすべては、共通
導体2608に電気的に結合されてもよい。アレイ2600は、ある圧電素子(たとえば
、2602-11)の上部電極(X、T)が、別の圧電素子(たとえば、2602-21)
の上部電極(X、T)と同じまたは異なる幾何学形状を有していてもよいという点で、アレ
イ2100とは異なっていてもよい。
レイ2600の概略図を示している。図示されるように、アレイ2600は、アレイ21
00と同様の電気的接続を有していてもよく、すなわち、圧電素子内のX電極のすべては
、共通導体2606に電気的に結合されてもよく、圧電素子内のT電極のすべては、共通
導体2608に電気的に結合されてもよい。アレイ2600は、ある圧電素子(たとえば
、2602-11)の上部電極(X、T)が、別の圧電素子(たとえば、2602-21)
の上部電極(X、T)と同じまたは異なる幾何学形状を有していてもよいという点で、アレ
イ2100とは異なっていてもよい。
圧電アレイ2000~2500について、各圧電アレイの圧電素子は、互いに同じであ
ってもよく、または異なるものであってもよい。たとえば、一つの圧電素子2202-1
1の二つの上部電極の投影エリアは、別の圧電素子2202-n1の二つの上部電極の投
影エリアと同じまたは異なる形状を有しうる。
ってもよく、または異なるものであってもよい。たとえば、一つの圧電素子2202-1
1の二つの上部電極の投影エリアは、別の圧電素子2202-n1の二つの上部電極の投
影エリアと同じまたは異なる形状を有しうる。
図27は、本開示の実施形態による圧電素子2702-11~2702-mnのm×nア
レイ2700の概略図を示している。図示されるように、各圧電素子は、二つの信号電極
(O)および一つの共通電極(X)を含んでいてもよい。実施形態では、各信号電極(O)
は、ASICチップの対応する回路素子の送信ドライバに電気的に結合されてもよい。たとえ
ば、圧電素子2702-11は、ASICチップ内の二つの回路素子にそれぞれ電気的に結合
されうる二つの信号導体O111およびO112を含んでいてもよく、各信号電極は、受信モード
の間、電荷を発生してもよい。実施形態において、アレイ2700は、トランシーバ基板
上に配置され、2m×n+1個のバンプなどの相互接続機構によってASICチップに電気的に結
合されてもよい。実施形態において、アレイ2700内のすべてのT電極は、共通導体(T
)2708を介して接地またはDCバイアス電圧に電気的に結合されてもよい。
レイ2700の概略図を示している。図示されるように、各圧電素子は、二つの信号電極
(O)および一つの共通電極(X)を含んでいてもよい。実施形態では、各信号電極(O)
は、ASICチップの対応する回路素子の送信ドライバに電気的に結合されてもよい。たとえ
ば、圧電素子2702-11は、ASICチップ内の二つの回路素子にそれぞれ電気的に結合
されうる二つの信号導体O111およびO112を含んでいてもよく、各信号電極は、受信モード
の間、電荷を発生してもよい。実施形態において、アレイ2700は、トランシーバ基板
上に配置され、2m×n+1個のバンプなどの相互接続機構によってASICチップに電気的に結
合されてもよい。実施形態において、アレイ2700内のすべてのT電極は、共通導体(T
)2708を介して接地またはDCバイアス電圧に電気的に結合されてもよい。
実施形態において、図20~図27のアレイ内の信号導体(O)は、回路素子に電気的
に結合されてもよく、ここで、該回路素子は、図18Aのスイッチ1816と同様のトラ
ンジスタ・スイッチを含んでいてもよく、すなわち、該スイッチは、O電極が送信モード
の間は圧力波を発生し、受信モードの間は電荷を発生させうるよう、それぞれ送信モード
および受信モードの間に、送信ドライバと増幅器との間でトグルしてもよい。
に結合されてもよく、ここで、該回路素子は、図18Aのスイッチ1816と同様のトラ
ンジスタ・スイッチを含んでいてもよく、すなわち、該スイッチは、O電極が送信モード
の間は圧力波を発生し、受信モードの間は電荷を発生させうるよう、それぞれ送信モード
および受信モードの間に、送信ドライバと増幅器との間でトグルしてもよい。
図28は、本開示の実施形態による撮像システム2800の例示的実施形態を示してい
る。図示されるように、撮像システム2800は、圧電素子2802-11~2802-
mnのアレイおよび該アレイを制御する/該アレイと通信するための回路素子を含んでい
てもよい。実施形態において、圧電素子2802-11~2802-mnのそれぞれは、
三つの電極:第一および第二の信号(O)電極およびT電極を含んでいてもよい。(例示の
ために、各圧電素子における第一および第二のO電極は、図28における各圧電素子の左
および右のO電極を指す。)実施形態において、アレイ2800内のT電極のすべては、導
体(T)2808を介して接地またはDCバイアス電圧に電気的に結合されてもよい。実施
形態において、列内の圧電素子の第一のO電極は、共通導体(たとえば、O11)に電気的に
結合されてもよく、同じ列内の圧電素子の第二のO電極は、別の共通導体(たとえば、O12
)に電気的に結合されてもよい。実施形態において、受信モードの間、第一および第二の
信号O電極のそれぞれは、対応する回路によって処理されうる電荷を発生しうる。
る。図示されるように、撮像システム2800は、圧電素子2802-11~2802-
mnのアレイおよび該アレイを制御する/該アレイと通信するための回路素子を含んでい
てもよい。実施形態において、圧電素子2802-11~2802-mnのそれぞれは、
三つの電極:第一および第二の信号(O)電極およびT電極を含んでいてもよい。(例示の
ために、各圧電素子における第一および第二のO電極は、図28における各圧電素子の左
および右のO電極を指す。)実施形態において、アレイ2800内のT電極のすべては、導
体(T)2808を介して接地またはDCバイアス電圧に電気的に結合されてもよい。実施
形態において、列内の圧電素子の第一のO電極は、共通導体(たとえば、O11)に電気的に
結合されてもよく、同じ列内の圧電素子の第二のO電極は、別の共通導体(たとえば、O12
)に電気的に結合されてもよい。実施形態において、受信モードの間、第一および第二の
信号O電極のそれぞれは、対応する回路によって処理されうる電荷を発生しうる。
実施形態において、第一の組の導体O11、O21、…、On1はそれぞれ増幅器2810-1
~2810-nに電気的に結合されてもよく、ここで、第一のO電極の列に現われた電荷
は、O導体のうちの一つを介して対応する増幅器に伝達されてもよい。実施形態において
、第二の組の導体O12、O22、…、On2は、それぞれスイッチ2812-1~2812-n
に電気的に結合されてもよい。実施形態において、各スイッチ(たとえば、2812-1
)は、信号パルスが圧電素子(たとえば、2801-11~2802-m1)内の第二の
O電極の列に伝送され得るように、送信モード/プロセスの間、送信ドライバ(たとえば
、2816-1)に接続されてもよい。実施形態において、各スイッチ(たとえば、28
12-1)は、受信モード/プロセスの間、信号増幅器(たとえば、2814-1)に接
続されてもよく、それにより、圧電素子(たとえば、2801-11~2802-m1)
内の第二のO電極の列に現われた電荷は増幅器に伝送されうる。実施形態において、圧電
素子2802-11~2802-mnは、トランシーバ基板内に配置されてもよく、一方
、スイッチ2812-1~2812-n、送信ドライバ2816-1~2816-n、お
よび増幅器2810-1~2810-nおよび2814-1~2814-nはASICチップ
内に配置されてもよく、トランシーバ基板は、2n+1個のバンプによってASICチップに電
気的に結合されてもよい。
~2810-nに電気的に結合されてもよく、ここで、第一のO電極の列に現われた電荷
は、O導体のうちの一つを介して対応する増幅器に伝達されてもよい。実施形態において
、第二の組の導体O12、O22、…、On2は、それぞれスイッチ2812-1~2812-n
に電気的に結合されてもよい。実施形態において、各スイッチ(たとえば、2812-1
)は、信号パルスが圧電素子(たとえば、2801-11~2802-m1)内の第二の
O電極の列に伝送され得るように、送信モード/プロセスの間、送信ドライバ(たとえば
、2816-1)に接続されてもよい。実施形態において、各スイッチ(たとえば、28
12-1)は、受信モード/プロセスの間、信号増幅器(たとえば、2814-1)に接
続されてもよく、それにより、圧電素子(たとえば、2801-11~2802-m1)
内の第二のO電極の列に現われた電荷は増幅器に伝送されうる。実施形態において、圧電
素子2802-11~2802-mnは、トランシーバ基板内に配置されてもよく、一方
、スイッチ2812-1~2812-n、送信ドライバ2816-1~2816-n、お
よび増幅器2810-1~2810-nおよび2814-1~2814-nはASICチップ
内に配置されてもよく、トランシーバ基板は、2n+1個のバンプによってASICチップに電
気的に結合されてもよい。
実施形態において、第一の電極の列は、共通導体(たとえばO11)に電気的に結合され
てもよく、第二の電極の列は、別の共通導体(たとえばO12)に電気的に結合されてもよ
い。このように、実施形態では、撮像システム2800は、ライン・イメージャとして動
作してもよく、すなわち、第一の組の導体O11~On2のそれぞれは、動作中に送信ユニット
および/または受信ユニットとして動作してもよい。上記で論じたように、受信モードの
間、導体(たとえばO11)に接続された第一のO電極の列に現われた電荷は、低雑音増幅器
であってもよい増幅器(たとえば、2810-1)に送信されてもよい。次いで、増幅器
は、該電荷信号を増幅し、電荷信号を出力電圧に変換してもよい。このように、第一のO
電極の各列が、受信ライン・イメージャとして動作することができる。実施形態において
、受信モードの間、導体(たとえばO12)に接続された第二のO電極の列に現われた電荷は
、スイッチ(たとえば、2812-1)を介して、低雑音増幅器であってもよい信号増幅
器(たとえば、2814-1)に送信されてもよい。次いで、増幅器は、該電荷信号を増
幅し、電荷信号を出力電圧に変換することができる。このように、第二のO電極の各列は
、受信ライン・イメージャとして動作することができる。実施形態において、送信モード
の間、電気信号パルスは、送信ドライバ(たとえば、2816-1)から、スイッチ(た
とえば、2812-1)を介して導体(たとえば、O12)に接続された第二のO電極の列に
送信されてもよく、その結果、第二のO電極の集合が圧力波を生成しうる。このように、
第二のO電極の各列は、送信ライン・ユニットとして動作してもよい。
てもよく、第二の電極の列は、別の共通導体(たとえばO12)に電気的に結合されてもよ
い。このように、実施形態では、撮像システム2800は、ライン・イメージャとして動
作してもよく、すなわち、第一の組の導体O11~On2のそれぞれは、動作中に送信ユニット
および/または受信ユニットとして動作してもよい。上記で論じたように、受信モードの
間、導体(たとえばO11)に接続された第一のO電極の列に現われた電荷は、低雑音増幅器
であってもよい増幅器(たとえば、2810-1)に送信されてもよい。次いで、増幅器
は、該電荷信号を増幅し、電荷信号を出力電圧に変換してもよい。このように、第一のO
電極の各列が、受信ライン・イメージャとして動作することができる。実施形態において
、受信モードの間、導体(たとえばO12)に接続された第二のO電極の列に現われた電荷は
、スイッチ(たとえば、2812-1)を介して、低雑音増幅器であってもよい信号増幅
器(たとえば、2814-1)に送信されてもよい。次いで、増幅器は、該電荷信号を増
幅し、電荷信号を出力電圧に変換することができる。このように、第二のO電極の各列は
、受信ライン・イメージャとして動作することができる。実施形態において、送信モード
の間、電気信号パルスは、送信ドライバ(たとえば、2816-1)から、スイッチ(た
とえば、2812-1)を介して導体(たとえば、O12)に接続された第二のO電極の列に
送信されてもよく、その結果、第二のO電極の集合が圧力波を生成しうる。このように、
第二のO電極の各列は、送信ライン・ユニットとして動作してもよい。
実施形態において、トランジスタ・スイッチであってもよいスイッチ2812は、受信
モードの間、中立位置に設定されてもよい(すなわち、それらのスイッチは送信ドライバ
または増幅器のいずれにも結合されない)。そのような場合、受信モードの間、第二の組
の導体O12、O22、…、On2のみが動作しうる。
モードの間、中立位置に設定されてもよい(すなわち、それらのスイッチは送信ドライバ
または増幅器のいずれにも結合されない)。そのような場合、受信モードの間、第二の組
の導体O12、O22、…、On2のみが動作しうる。
実施形態において、送信ドライバ(たとえば、2816-1)は、導体(O12)を介し
て圧電素子(たとえば、2802-11~2802-m1)の列に信号を送ってもよく、
同時に、増幅器(たとえば、2810-1)は、圧電素子(たとえば、2802-11~
2802-m1)の同じ列から電荷信号を受信してもよい。そのような場合、列内の各圧
電素子(たとえば、2802-11)は、一つの導体(たとえばO12)を通じて送信ドラ
イバ(たとえば、2816-1)から信号を受信し、同時に別の導体(たとえばO11)を
介して増幅器(たとえば、2810-1)に電荷信号を送信してもよく、すなわち、撮像
システム2800は、同時の送信および受信モードを実行してもよい。送信および受信モ
ードのこの同時動作は、パルス・ドップラー撮像と比較して、高い血流速度がイメージン
グされうる連続モード・ドップラー撮像において非常に有利でありうる。
て圧電素子(たとえば、2802-11~2802-m1)の列に信号を送ってもよく、
同時に、増幅器(たとえば、2810-1)は、圧電素子(たとえば、2802-11~
2802-m1)の同じ列から電荷信号を受信してもよい。そのような場合、列内の各圧
電素子(たとえば、2802-11)は、一つの導体(たとえばO12)を通じて送信ドラ
イバ(たとえば、2816-1)から信号を受信し、同時に別の導体(たとえばO11)を
介して増幅器(たとえば、2810-1)に電荷信号を送信してもよく、すなわち、撮像
システム2800は、同時の送信および受信モードを実行してもよい。送信および受信モ
ードのこの同時動作は、パルス・ドップラー撮像と比較して、高い血流速度がイメージン
グされうる連続モード・ドップラー撮像において非常に有利でありうる。
実施形態において、共通導体に電気的に結合されたO電極の列のことをいうライン・ユ
ニットは、送信ユニットまたは受信ユニット、またはその両方として動作することができ
る。たとえば、送信モードの間は、電気信号が導体O12、O22、…、On2に順次送信されて
、諸ライン素子が順次、圧力波を生成し、受信モードの間は、反射された圧力波が処理さ
れて、組み合わせて、目標器官の二次元画像を生成することができる。別の例では、送信
モードの間、電気駆動信号が導体O12、O22、…、On2に同時に送信されてもよく、同時に
、導体O11、O12~On1から生成された電荷を使って反射された圧力波が処理されてもよく
、超音波の送信および受信を同時に行なって二次元画像を形成してもよい。導体O12~On2
も、受信動作モードにおいて、圧電ライン素子から電荷を受け取るために使用されてもよ
い。
ニットは、送信ユニットまたは受信ユニット、またはその両方として動作することができ
る。たとえば、送信モードの間は、電気信号が導体O12、O22、…、On2に順次送信されて
、諸ライン素子が順次、圧力波を生成し、受信モードの間は、反射された圧力波が処理さ
れて、組み合わせて、目標器官の二次元画像を生成することができる。別の例では、送信
モードの間、電気駆動信号が導体O12、O22、…、On2に同時に送信されてもよく、同時に
、導体O11、O12~On1から生成された電荷を使って反射された圧力波が処理されてもよく
、超音波の送信および受信を同時に行なって二次元画像を形成してもよい。導体O12~On2
も、受信動作モードにおいて、圧電ライン素子から電荷を受け取るために使用されてもよ
い。
図29は、本開示の実施形態による撮像システム2900の例示的実施形態を示してい
る。図示されるように、撮像システム2900は、圧電素子2902-11~2902-
mnのアレイを含み、各圧電素子は、第一および第二の信号(O)電極およびT電極を含ん
でいてもよい。実施形態において、アレイ内のT電極のすべては、一つの共通導体(T)2
908に電気的に結合されてもよく、第一のO電極の各行は、導体O1~Omのうちの一つに
電気的に接続されてもよく、第二のO導体の各列は、導体O12~On2のうちの一つを介して
スイッチ2912に電気的に接続されてもよい。実施形態において、スイッチ2912-
1~2912-nのそれぞれは、送信ドライバ(たとえば、2916-1)と低雑音増幅
器であってもよい増幅器(たとえば、2914-1)との間でトグルしてもよい。実施形
態において、導体O1~Onのそれぞれは、低雑音増幅器であってもよい増幅器2910-1
~2910-mのうちの一つに接続されてもよい。
る。図示されるように、撮像システム2900は、圧電素子2902-11~2902-
mnのアレイを含み、各圧電素子は、第一および第二の信号(O)電極およびT電極を含ん
でいてもよい。実施形態において、アレイ内のT電極のすべては、一つの共通導体(T)2
908に電気的に結合されてもよく、第一のO電極の各行は、導体O1~Omのうちの一つに
電気的に接続されてもよく、第二のO導体の各列は、導体O12~On2のうちの一つを介して
スイッチ2912に電気的に接続されてもよい。実施形態において、スイッチ2912-
1~2912-nのそれぞれは、送信ドライバ(たとえば、2916-1)と低雑音増幅
器であってもよい増幅器(たとえば、2914-1)との間でトグルしてもよい。実施形
態において、導体O1~Onのそれぞれは、低雑音増幅器であってもよい増幅器2910-1
~2910-mのうちの一つに接続されてもよい。
実施形態において、送信モードの間、圧電素子の列がライン・ユニットとして圧力波を
生成することができるよう、信号は、送信ドライバ(たとえば、2916-1)から導体
(たとえばO12)を介して第二のO電極の列に送信されてもよい。送信モードの間、各スイ
ッチ(たとえば、2912-1)は、対応する送信ドライバ(たとえば、2916-1)
にトグルされてもよい。
生成することができるよう、信号は、送信ドライバ(たとえば、2916-1)から導体
(たとえばO12)を介して第二のO電極の列に送信されてもよい。送信モードの間、各スイ
ッチ(たとえば、2912-1)は、対応する送信ドライバ(たとえば、2916-1)
にトグルされてもよい。
実施形態において、撮像システム2900は、二つの異なる方法で、反射圧力波を処理
してもよい。第一の方法では、増幅器2910-1~2910-nは、第一のO電極から
電荷信号を受信してもよく、すなわち、各増幅器は、第一のO電極の行から信号を受信し
てもよい。この方法は、二平面撮像/モードを許容し、ここで、二次元画像について、二
平面画像は直交する視点を提供しうる。また、この方法は、二次元撮像機能より多くを提
供しうる。二平面撮像は、生検のような多くの応用に役立ちうる。この方法では、送信モ
ードおよび受信モードは同時に実行されてもよいことを注意しておく。第二の方法では、
各増幅器が第二のO電極の対応する列から電荷信号を受け取り、処理できるよう、スイッ
チ2912は増幅器2914にトグルされてもよい。
してもよい。第一の方法では、増幅器2910-1~2910-nは、第一のO電極から
電荷信号を受信してもよく、すなわち、各増幅器は、第一のO電極の行から信号を受信し
てもよい。この方法は、二平面撮像/モードを許容し、ここで、二次元画像について、二
平面画像は直交する視点を提供しうる。また、この方法は、二次元撮像機能より多くを提
供しうる。二平面撮像は、生検のような多くの応用に役立ちうる。この方法では、送信モ
ードおよび受信モードは同時に実行されてもよいことを注意しておく。第二の方法では、
各増幅器が第二のO電極の対応する列から電荷信号を受け取り、処理できるよう、スイッ
チ2912は増幅器2914にトグルされてもよい。
実施形態において、O導体に電気的に結合されたO電極の列(または行)のことをいうラ
イン・ユニットは、送信ユニットまたは受信ユニット、またはその両方として動作しても
よい。実施形態において、導体O1~Omは、導体O12~On2に対して直交方向に配列されるが
、これらの方向は電子的にプログラムされ、電子的に調整可能である。たとえば、増幅器
2910および2914の利得は、増幅器内に利得制御リードが実装される場合、電子的
に調整可能でありうる。実施形態において、各ライン要素の長さ(すなわち、各ライン要
素内の圧電素子の数)も電子的に調整されてもよい。実施形態において、これは、各圧電
素子のすべての信号電極をASICチップの対応するノードに接続することによって達成する
ことができる。ここで、ASICが、互いに接続されるべき素子の信号電極、送信ドライバま
たは増幅器の間の接続を適宜プログラムする。
イン・ユニットは、送信ユニットまたは受信ユニット、またはその両方として動作しても
よい。実施形態において、導体O1~Omは、導体O12~On2に対して直交方向に配列されるが
、これらの方向は電子的にプログラムされ、電子的に調整可能である。たとえば、増幅器
2910および2914の利得は、増幅器内に利得制御リードが実装される場合、電子的
に調整可能でありうる。実施形態において、各ライン要素の長さ(すなわち、各ライン要
素内の圧電素子の数)も電子的に調整されてもよい。実施形態において、これは、各圧電
素子のすべての信号電極をASICチップの対応するノードに接続することによって達成する
ことができる。ここで、ASICが、互いに接続されるべき素子の信号電極、送信ドライバま
たは増幅器の間の接続を適宜プログラムする。
図30は、本開示の実施形態による、回路素子3001に結合された圧電素子3000
の一実施形態を示している。図示されるように、圧電素子3000は、第一のサブ圧電素
子3021-1および第二のサブ圧電素子3021-2を含んでいてもよい。圧電素子3
000は、第一および第二のサブ圧電素子によって共有され、導体(X)3006に結合
される下部電極(X)3002を含んでいてもよい。実施形態では、第一のサブ圧電素子
3021-1は、導体3008を介して増幅器3010に電気的に結合される信号(O)
電極3003を含んでいてもよい。実施形態において、第二のサブ圧電素子3021-2
は、導体3012を介してスイッチ3014に電気的に結合される信号(O)電極300
4を含んでいてもよい。
の一実施形態を示している。図示されるように、圧電素子3000は、第一のサブ圧電素
子3021-1および第二のサブ圧電素子3021-2を含んでいてもよい。圧電素子3
000は、第一および第二のサブ圧電素子によって共有され、導体(X)3006に結合
される下部電極(X)3002を含んでいてもよい。実施形態では、第一のサブ圧電素子
3021-1は、導体3008を介して増幅器3010に電気的に結合される信号(O)
電極3003を含んでいてもよい。実施形態において、第二のサブ圧電素子3021-2
は、導体3012を介してスイッチ3014に電気的に結合される信号(O)電極300
4を含んでいてもよい。
実施形態において、回路素子3001は、圧電素子3000に電気的に結合されてもよ
く、低雑音増幅器などの二つの増幅器3010および3016と、送信ドライバ3018
とを含んでいてもよい。実施形態において、スイッチ3014は、導体3012を通じて
O電極3004に接続される一端と、受信モードのための増幅器3016と送信モードの
ための送信ドライバ3018との間でトグルしうる他端とを有することができる。実施形
態において、増幅器3016は、受信信号をさらに増幅し、フィルタリングし、デジタル
化するための他の電子回路に接続されてもよいが、該増幅器が該電子回路を象徴的に表わ
すために使われている。送信ドライバ3018は、多段ドライブであってもよく、信号伝
達の二つ以上のレベルをもつ出力を生成してもよい。信号伝達は単極性または双極性であ
ることができる。実施形態において、送信ドライバ3018は、ドライバの電子制御のも
とで、入力をドライバの出力に相互接続するスイッチを含んでいてもよく、これは、図3
0には明示的に示されていない。
く、低雑音増幅器などの二つの増幅器3010および3016と、送信ドライバ3018
とを含んでいてもよい。実施形態において、スイッチ3014は、導体3012を通じて
O電極3004に接続される一端と、受信モードのための増幅器3016と送信モードの
ための送信ドライバ3018との間でトグルしうる他端とを有することができる。実施形
態において、増幅器3016は、受信信号をさらに増幅し、フィルタリングし、デジタル
化するための他の電子回路に接続されてもよいが、該増幅器が該電子回路を象徴的に表わ
すために使われている。送信ドライバ3018は、多段ドライブであってもよく、信号伝
達の二つ以上のレベルをもつ出力を生成してもよい。信号伝達は単極性または双極性であ
ることができる。実施形態において、送信ドライバ3018は、ドライバの電子制御のも
とで、入力をドライバの出力に相互接続するスイッチを含んでいてもよく、これは、図3
0には明示的に示されていない。
実施形態において、送信ドライバ3018の信号は、パルス幅変調(PWM)されてもよ
く、ここで、要素毎にパルス幅を制御することにより、送信される超音波信号について重
み付け関数が作成されてもよい。これは、たとえば、送信信号が窓関数によって重み付け
される窓掛け機能を実行してもよい。実施形態において、重み付け係数は、PWM信号伝達
の間に行なわれるように、送信信号のデューティーサイクルを変化させることによって達
成されてもよい。この種の動作は、放射される信号のサイドローブが大幅に減衰され、よ
り高品質の画像を許容する送信アポダイゼーションを許容しうる。
く、ここで、要素毎にパルス幅を制御することにより、送信される超音波信号について重
み付け関数が作成されてもよい。これは、たとえば、送信信号が窓関数によって重み付け
される窓掛け機能を実行してもよい。実施形態において、重み付け係数は、PWM信号伝達
の間に行なわれるように、送信信号のデューティーサイクルを変化させることによって達
成されてもよい。この種の動作は、放射される信号のサイドローブが大幅に減衰され、よ
り高品質の画像を許容する送信アポダイゼーションを許容しうる。
実施形態において、トランシーバ・アレイは、トランシーバ基板内に配置されてもよく
、圧電素子3000のn×nアレイを含んでいてもよく、回路素子3001のn×nアレイが
、ASICチップ内に配置されてもよく、各圧電素子3000は、回路素子3001のn×nア
レイのうちの対応するものに電気的に結合されてもよい。そのような場合、トランシーバ
基板は、3n2個のバンプによってASICチップに相互接続されてもよい。実施形態において
、圧電素子アレイの各列(または行)は、図28および図29に関連して論じたように、
ライン・ユニットとして動作することができる。たとえば、圧電素子の列が同時に圧力波
を生成しうるよう、同じパルスが圧電素子の列に同時に印加されてもよい。圧電素子のn
×nアレイの各圧電素子3000が、回路素子のn×nアレイの対応する一つの回路素子3
001と結合されてもよいことを注意しておく。
、圧電素子3000のn×nアレイを含んでいてもよく、回路素子3001のn×nアレイが
、ASICチップ内に配置されてもよく、各圧電素子3000は、回路素子3001のn×nア
レイのうちの対応するものに電気的に結合されてもよい。そのような場合、トランシーバ
基板は、3n2個のバンプによってASICチップに相互接続されてもよい。実施形態において
、圧電素子アレイの各列(または行)は、図28および図29に関連して論じたように、
ライン・ユニットとして動作することができる。たとえば、圧電素子の列が同時に圧力波
を生成しうるよう、同じパルスが圧電素子の列に同時に印加されてもよい。圧電素子のn
×nアレイの各圧電素子3000が、回路素子のn×nアレイの対応する一つの回路素子3
001と結合されてもよいことを注意しておく。
実施形態において、サブ圧電素子3021-1は、動作期間全体の間、受信モードであ
ってもよく、一方、サブ圧電素子3021-2は、送信モードまたは受信モードのいずれ
かでありうる。実施形態において、送信および受信モードの同時動作は、連続モード・ド
ップラー撮像を許容しうる。
ってもよく、一方、サブ圧電素子3021-2は、送信モードまたは受信モードのいずれ
かでありうる。実施形態において、送信および受信モードの同時動作は、連続モード・ド
ップラー撮像を許容しうる。
実施形態において、送信ドライバ3018が信号を電極3004に送信するとき、サブ
圧電素子3021-2によって生成される圧力波の電力レベルは、パルス幅変調(PWM)
信号伝達を使うことによって変更されてもよい。これは、たとえば、Bモードからドップ
ラー・モード撮像に切り換えるときに重要である。人体に送信される信号パワーは長いこ
とがあり、パワー・レベルが下げられなければ、組織損傷が起こりうるのである。典型的
には、従来のシステムでは、Bモードおよびさまざまなドップラー・モード撮像のために
異なる高速整定電源が使用され、たとえばドップラー・モードにおいて過剰なパワーを生
成しないよう、それら二つの場合において送信駆動電圧が異なることを許容する。かかる
従来のシステムとは異なり、実施形態では、パワー・レベルは、従来の高速整定電源を使
用することなく、送信についてPWM信号を使うことによって変更することができる。実施
形態では、ドップラー・モードとBモードの撮像の間の迅速な切り換えが、これらのモー
ドを一緒に共撮像することが望まれる。実施形態において、圧電素子の接地電極は、互い
に分離されて、別々に接地に接続されてもよい。実施形態において、この独立した接地は
、ノイズを低減し、より速い整定時間をもたらしうる。実施形態において、送信されるパ
ワーは、電子制御のもとで送信列の高さを減少させることによって低減されてもよい。こ
れも、ドップラー・モードとBモードの両方のために同じ電源を使うことを容易にし、各
モードにおけるパワー送信(power transmission)要件を満たすことができる。
これは、共撮像(co imaging)も許容する。
圧電素子3021-2によって生成される圧力波の電力レベルは、パルス幅変調(PWM)
信号伝達を使うことによって変更されてもよい。これは、たとえば、Bモードからドップ
ラー・モード撮像に切り換えるときに重要である。人体に送信される信号パワーは長いこ
とがあり、パワー・レベルが下げられなければ、組織損傷が起こりうるのである。典型的
には、従来のシステムでは、Bモードおよびさまざまなドップラー・モード撮像のために
異なる高速整定電源が使用され、たとえばドップラー・モードにおいて過剰なパワーを生
成しないよう、それら二つの場合において送信駆動電圧が異なることを許容する。かかる
従来のシステムとは異なり、実施形態では、パワー・レベルは、従来の高速整定電源を使
用することなく、送信についてPWM信号を使うことによって変更することができる。実施
形態では、ドップラー・モードとBモードの撮像の間の迅速な切り換えが、これらのモー
ドを一緒に共撮像することが望まれる。実施形態において、圧電素子の接地電極は、互い
に分離されて、別々に接地に接続されてもよい。実施形態において、この独立した接地は
、ノイズを低減し、より速い整定時間をもたらしうる。実施形態において、送信されるパ
ワーは、電子制御のもとで送信列の高さを減少させることによって低減されてもよい。こ
れも、ドップラー・モードとBモードの両方のために同じ電源を使うことを容易にし、各
モードにおけるパワー送信(power transmission)要件を満たすことができる。
これは、共撮像(co imaging)も許容する。
図31は、本開示の実施形態による、複数の圧電素子を制御するための回路3100を
示している。実施形態において、回路3100はASICチップ内に配置されてもよく、ここ
で、トランシーバ基板内に配置される圧電素子のライン(列または行)およびASICチップ
は、バンプによってトランシーバ基板に相互接続されてもよい。図示されるように、回路
3100は、回路素子3140-1~3140-nのアレイを含んでいてもよく、ここで
、各回路素子は、対応する圧電素子のO電極およびX電極と、信号を通信してもよい。
示している。実施形態において、回路3100はASICチップ内に配置されてもよく、ここ
で、トランシーバ基板内に配置される圧電素子のライン(列または行)およびASICチップ
は、バンプによってトランシーバ基板に相互接続されてもよい。図示されるように、回路
3100は、回路素子3140-1~3140-nのアレイを含んでいてもよく、ここで
、各回路素子は、対応する圧電素子のO電極およびX電極と、信号を通信してもよい。
図31に示されるように、各回路素子(たとえば、3140-1)は、第一のスイッチ
(たとえば、3102-1)、第二のスイッチ(たとえば、3104-1)、第三のスイ
ッチ(たとえば、3106-1)、および送信ドライバ(たとえば、3108-1)を含
んでいてもよい。送信ドライバ(たとえば、3108-1)からの出力は、導体(たとえ
ば、3110-1)を介して圧電素子のO電極に送られてもよい。送信モードの間、各回
路素子は、導体3122を通じて送信ドライバ(駆動)信号3124を受信してもよい。
制御ユニット3150によって制御されてもよいトランジスタ・スイッチであってもよい
各第二のスイッチ(たとえば、3104-1)は、信号3124を送信ドライバ(たとえ
ば、3108-1)に送信するためにオンにされてもよい。(制御ユニット3150と回
路3100内の他のコンポーネントとの間の電気接続は、図31には示されていない。)
送信ドライバ(たとえば、3108-1)は、論理デコード、レベル・シフトを実行し、
入力信号をバッファリングし、導体(たとえば、3110-1)を介してO電極に送信信
号を送ってもよい。実施形態において、送信モードの間、第一のスイッチ(たとえば、3
102-1)はオフにされてもよい。
(たとえば、3102-1)、第二のスイッチ(たとえば、3104-1)、第三のスイ
ッチ(たとえば、3106-1)、および送信ドライバ(たとえば、3108-1)を含
んでいてもよい。送信ドライバ(たとえば、3108-1)からの出力は、導体(たとえ
ば、3110-1)を介して圧電素子のO電極に送られてもよい。送信モードの間、各回
路素子は、導体3122を通じて送信ドライバ(駆動)信号3124を受信してもよい。
制御ユニット3150によって制御されてもよいトランジスタ・スイッチであってもよい
各第二のスイッチ(たとえば、3104-1)は、信号3124を送信ドライバ(たとえ
ば、3108-1)に送信するためにオンにされてもよい。(制御ユニット3150と回
路3100内の他のコンポーネントとの間の電気接続は、図31には示されていない。)
送信ドライバ(たとえば、3108-1)は、論理デコード、レベル・シフトを実行し、
入力信号をバッファリングし、導体(たとえば、3110-1)を介してO電極に送信信
号を送ってもよい。実施形態において、送信モードの間、第一のスイッチ(たとえば、3
102-1)はオフにされてもよい。
実施形態において、制御ユニット3150は、送信モード中にどの圧電素子がオンにさ
れる必要があるかを決定してもよい。制御ユニット3150が第二の圧電素子をオンにし
ないことを決定する場合、第一のスイッチ(たとえば、3102-2)および第二のスイ
ッチ(たとえば、3104-2)がオフにされてもよく、一方、第三のスイッチ(たとえ
ば、3106-2)は、O電極およびX電極が同じ電位をもつよう(すなわち、圧電層に正
味ゼロ・ボルトの駆動がかかるよう)オンにされてもよい。実施形態において、第三のス
イッチ3106は、任意的であってもよい。
れる必要があるかを決定してもよい。制御ユニット3150が第二の圧電素子をオンにし
ないことを決定する場合、第一のスイッチ(たとえば、3102-2)および第二のスイ
ッチ(たとえば、3104-2)がオフにされてもよく、一方、第三のスイッチ(たとえ
ば、3106-2)は、O電極およびX電極が同じ電位をもつよう(すなわち、圧電層に正
味ゼロ・ボルトの駆動がかかるよう)オンにされてもよい。実施形態において、第三のス
イッチ3106は、任意的であってもよい。
実施形態において、受信モードの間、第一のスイッチ(たとえば、3102-1)は、
O電極に現われた電荷が導体3110-1および3120を通じて増幅器3128に伝送
されうるよう、オンにされてもよい。次いで、増幅器3128は、電荷信号(または同等
だが、センサー信号)3126を受信し、センサー信号を増幅してもよい。増幅された信
号は、画像を生成するためにさらに処理されてもよい。受信モードの間、第二のスイッチ
(たとえば、3104-1)および第三のスイッチ(たとえば、3106-1)は、受信
信号が干渉されないようにオフにされてもよい。回路素子3140-1~3140-nの
アレイ全体は、共通の増幅器3128を共有してもよく、回路3100の設計を単純化す
ることを注意しておく。実施形態において、圧電素子のX電極は、導体3112-1~3
112-nを介して接地またはDCバイアス電圧に電気的に結合されてもよく、ここで、導
体3112-1~3112-nは、共通の導体3152に電気的に結合されてもよい。
O電極に現われた電荷が導体3110-1および3120を通じて増幅器3128に伝送
されうるよう、オンにされてもよい。次いで、増幅器3128は、電荷信号(または同等
だが、センサー信号)3126を受信し、センサー信号を増幅してもよい。増幅された信
号は、画像を生成するためにさらに処理されてもよい。受信モードの間、第二のスイッチ
(たとえば、3104-1)および第三のスイッチ(たとえば、3106-1)は、受信
信号が干渉されないようにオフにされてもよい。回路素子3140-1~3140-nの
アレイ全体は、共通の増幅器3128を共有してもよく、回路3100の設計を単純化す
ることを注意しておく。実施形態において、圧電素子のX電極は、導体3112-1~3
112-nを介して接地またはDCバイアス電圧に電気的に結合されてもよく、ここで、導
体3112-1~3112-nは、共通の導体3152に電気的に結合されてもよい。
実施形態において、回路3100は、図20の圧電素子(たとえば、2002-11~
2002-n1)の列に結合されてもよい。実施形態において、回路3100と同様であ
る複数の回路が、図20のアレイ内の圧電素子の複数の列に結合されてもよく、導体31
52は、共通の導体(たとえば図20における2007)に結合されてもよい。実施形態
において、回路3100は、図20~図27の圧電素子の列を制御してもよい。
2002-n1)の列に結合されてもよい。実施形態において、回路3100と同様であ
る複数の回路が、図20のアレイ内の圧電素子の複数の列に結合されてもよく、導体31
52は、共通の導体(たとえば図20における2007)に結合されてもよい。実施形態
において、回路3100は、図20~図27の圧電素子の列を制御してもよい。
図32は、本開示の実施形態による、複数の圧電素子を制御するための回路3200を
示している。実施形態において、回路3200は、ASICチップ内に配置されてもよく、こ
こで、トランシーバ基板内に配置される圧電素子のライン(列または行)およびASICチッ
プは、バンプによってトランシーバ基板に相互接続されてもよい。図示されるように、回
路3200は、回路素子3240-1~3240-nのアレイを含んでいてもよく、ここ
で、各回路素子は、対応する圧電素子のO、XおよびT電極と、信号を通信してもよい。
示している。実施形態において、回路3200は、ASICチップ内に配置されてもよく、こ
こで、トランシーバ基板内に配置される圧電素子のライン(列または行)およびASICチッ
プは、バンプによってトランシーバ基板に相互接続されてもよい。図示されるように、回
路3200は、回路素子3240-1~3240-nのアレイを含んでいてもよく、ここ
で、各回路素子は、対応する圧電素子のO、XおよびT電極と、信号を通信してもよい。
図32に示されるように、各回路素子(たとえば、3240-1)は、第一のスイッチ
(たとえば、3202-1)、第二のスイッチ(たとえば、3204-1)、第三のスイ
ッチ(たとえば、3206-1)、第四のスイッチ(たとえば、3207-1)、および
送信ドライバ(たとえば、3208-1)を含んでいてもよい。送信ドライバ(たとえば
、3208-1)からの出力は、導体(たとえば、3210-1)を介して圧電素子のO
電極に送られてもよい。送信モードの間、各回路素子は、導体3222を通じて送信ドラ
イバ(または駆動)信号3224を受信してもよい。制御ユニット3250によって制御
されうる、トランジスタ・スイッチであってもよい各第二のスイッチ(たとえば、320
4-1)は、信号3224を送信ドライバ(たとえば、3208-1)に送信するために
オンにされてもよい。(制御ユニット3250と回路3200内の他のコンポーネントと
の間の電気接続は、図32には示されていない。)送信ドライバ(たとえば、3208-
1)は、信号を論理的にデコードし、信号をレベル・シフトし、出力信号をバッファリン
グし、送信出力信号を導体(たとえば、3210-1)を介してO電極に送ってもよい。
実施形態において、送信モードの間、第一のスイッチ(たとえば、3202-1)はオフ
にされてもよい。
(たとえば、3202-1)、第二のスイッチ(たとえば、3204-1)、第三のスイ
ッチ(たとえば、3206-1)、第四のスイッチ(たとえば、3207-1)、および
送信ドライバ(たとえば、3208-1)を含んでいてもよい。送信ドライバ(たとえば
、3208-1)からの出力は、導体(たとえば、3210-1)を介して圧電素子のO
電極に送られてもよい。送信モードの間、各回路素子は、導体3222を通じて送信ドラ
イバ(または駆動)信号3224を受信してもよい。制御ユニット3250によって制御
されうる、トランジスタ・スイッチであってもよい各第二のスイッチ(たとえば、320
4-1)は、信号3224を送信ドライバ(たとえば、3208-1)に送信するために
オンにされてもよい。(制御ユニット3250と回路3200内の他のコンポーネントと
の間の電気接続は、図32には示されていない。)送信ドライバ(たとえば、3208-
1)は、信号を論理的にデコードし、信号をレベル・シフトし、出力信号をバッファリン
グし、送信出力信号を導体(たとえば、3210-1)を介してO電極に送ってもよい。
実施形態において、送信モードの間、第一のスイッチ(たとえば、3202-1)はオフ
にされてもよい。
実施形態において、制御ユニット3250は、送信モードの間、どの圧電素子がオンに
される必要があるかを決定してもよい。制御ユニット3250が第二の圧電素子をオンに
しないことを決定する場合、第一のスイッチ(たとえば、3202-2)および第二のス
イッチ(たとえば、3204-2)がオフにされてもよく、一方、第三のスイッチ(たと
えば、3206-2)および第四のスイッチ(たとえば、3207-2)が、O電極およ
びX(およびT)電極が同じ電位をもつよう(すなわち、圧電層に正味ゼロ・ボルト駆動が
かかるよう)オンにされてもよい。実施形態において、第三および第四のスイッチ(たと
えば、3206-2および3207-2)は任意的であってもよい。三レベルの信号伝達
およびそれを実行する送信ドライバが明示的に示されていないことは理解される。同様に
、X T導体および3206-2、3207-2のようなスイッチへの接続は、簡略化した
仕方で示されている。
される必要があるかを決定してもよい。制御ユニット3250が第二の圧電素子をオンに
しないことを決定する場合、第一のスイッチ(たとえば、3202-2)および第二のス
イッチ(たとえば、3204-2)がオフにされてもよく、一方、第三のスイッチ(たと
えば、3206-2)および第四のスイッチ(たとえば、3207-2)が、O電極およ
びX(およびT)電極が同じ電位をもつよう(すなわち、圧電層に正味ゼロ・ボルト駆動が
かかるよう)オンにされてもよい。実施形態において、第三および第四のスイッチ(たと
えば、3206-2および3207-2)は任意的であってもよい。三レベルの信号伝達
およびそれを実行する送信ドライバが明示的に示されていないことは理解される。同様に
、X T導体および3206-2、3207-2のようなスイッチへの接続は、簡略化した
仕方で示されている。
実施形態において、受信モードの間、第一のスイッチ(たとえば、3202-1)は、
O電極に現われた電荷が導体3210-1および3220を介して増幅器3228に伝送
されうるよう、オンにされてもよい。次いで、増幅器3228は、電荷(またはセンサー
)信号3226を増幅してもよく、増幅された信号は、画像を生成するためにさらに処理
されてもよい。受信モードの間、第二のスイッチ(たとえば、3204-1)、第三のス
イッチ(たとえば、3206-1)、および第四のスイッチ(たとえば、3207-1)
は、受信信号が干渉されないようにオフにされてもよい。
O電極に現われた電荷が導体3210-1および3220を介して増幅器3228に伝送
されうるよう、オンにされてもよい。次いで、増幅器3228は、電荷(またはセンサー
)信号3226を増幅してもよく、増幅された信号は、画像を生成するためにさらに処理
されてもよい。受信モードの間、第二のスイッチ(たとえば、3204-1)、第三のス
イッチ(たとえば、3206-1)、および第四のスイッチ(たとえば、3207-1)
は、受信信号が干渉されないようにオフにされてもよい。
回路素子3240-1~3240-nのアレイ全体は、共通の増幅器3228を共有し
てもよく、回路3200の設計を単純化することを注意しておく。実施形態において、圧
電素子のX電極は、導体3212-1~3212-nを介して接地またはDCバイアス電圧
に電気的に結合されてもよく、ここで、導体3212-1~3212-nは、共通の導体
3252に電気的に結合されてもよい。実施形態において、圧電素子のT電極は、導体3
213-1~3213-nを介して接地またはDCバイアス電圧に電気的に結合されてもよ
く、ここで、導体3213-1~3213-nは、共通の導体3254に電気的に結合さ
れてもよい。
てもよく、回路3200の設計を単純化することを注意しておく。実施形態において、圧
電素子のX電極は、導体3212-1~3212-nを介して接地またはDCバイアス電圧
に電気的に結合されてもよく、ここで、導体3212-1~3212-nは、共通の導体
3252に電気的に結合されてもよい。実施形態において、圧電素子のT電極は、導体3
213-1~3213-nを介して接地またはDCバイアス電圧に電気的に結合されてもよ
く、ここで、導体3213-1~3213-nは、共通の導体3254に電気的に結合さ
れてもよい。
実施形態において、回路3200は、図21の圧電素子(たとえば、2102-11~
2102-n1)の列に結合されてもよい。実施形態において、回路3200と同様の複
数の回路が、図21のアレイ内の圧電素子の複数の列に結合されてもよく、導体3252
は、共通の導体(たとえば図20の2106)に結合されてもよい。同様に、実施形態に
おいて、導体3254は、共通の導体(たとえば図21の2108)に結合されてもよい
。実施形態において、回路3200は、図20~図27の圧電素子の列を制御してもよい
。
2102-n1)の列に結合されてもよい。実施形態において、回路3200と同様の複
数の回路が、図21のアレイ内の圧電素子の複数の列に結合されてもよく、導体3252
は、共通の導体(たとえば図20の2106)に結合されてもよい。同様に、実施形態に
おいて、導体3254は、共通の導体(たとえば図21の2108)に結合されてもよい
。実施形態において、回路3200は、図20~図27の圧電素子の列を制御してもよい
。
図22~図32では、導体は、電極を別の電極に電気的に結合するために使用される。
たとえば、電極2006-11~2006-m1は、導体2007に電気的に結合される
。実施形態において、図22~図32の導体は、多様な方法で実装されうる。たとえば、
金属相互接続層が、圧電素子が配置される基板上またはASICのような、該基板に接続され
ている異なる基板上に堆積され、パターニングされる。
たとえば、電極2006-11~2006-m1は、導体2007に電気的に結合される
。実施形態において、図22~図32の導体は、多様な方法で実装されうる。たとえば、
金属相互接続層が、圧電素子が配置される基板上またはASICのような、該基板に接続され
ている異なる基板上に堆積され、パターニングされる。
図33および図34は、本開示の実施形態による、送信モードの間に圧電素子を駆動す
るための例示的な波形3300および3400を示している。一般に、圧電材料は、誘電
体エージングによって引き起こされる損傷に対して脆弱であることがあり、エージングは
、単極性駆動信号を使うことによって遅らされるまたは回避されうる。波形3300およ
び3400は、O電極とX電極の間および/またはO電極とT電極の間の電圧ポテンシャルを
表わす。図示されるように、これらの波形は、単極性の性質であってもよく、二レベルの
ステップ波形3300(すなわち、2812、2912、3018、3108、3208
などの送信ドライバは、単極性送信ドライバである)またはマルチレベル(三レベルなど
)ステップ波形3400でありうる。実際の電圧振幅は、典型的には、1.8Vから12.6Vま
で変わりうる。実施形態において、マルチステップ波形3400またはより多くのステッ
プをもつ波形は、圧電素子内の加熱を低減することができ、ドップラーまたは高調波撮像
などのある種の撮像モードの間に使用するための利点を有する。
るための例示的な波形3300および3400を示している。一般に、圧電材料は、誘電
体エージングによって引き起こされる損傷に対して脆弱であることがあり、エージングは
、単極性駆動信号を使うことによって遅らされるまたは回避されうる。波形3300およ
び3400は、O電極とX電極の間および/またはO電極とT電極の間の電圧ポテンシャルを
表わす。図示されるように、これらの波形は、単極性の性質であってもよく、二レベルの
ステップ波形3300(すなわち、2812、2912、3018、3108、3208
などの送信ドライバは、単極性送信ドライバである)またはマルチレベル(三レベルなど
)ステップ波形3400でありうる。実際の電圧振幅は、典型的には、1.8Vから12.6Vま
で変わりうる。実施形態において、マルチステップ波形3400またはより多くのステッ
プをもつ波形は、圧電素子内の加熱を低減することができ、ドップラーまたは高調波撮像
などのある種の撮像モードの間に使用するための利点を有する。
実施形態において、波形3300および3400におけるパルスの周波数は、必要とさ
れる信号の性質に応じて変わってもよく、pMUTの基礎となる膜が応答する周波数を含む必
要がある。実施形態において、波形はまた、線形または非線形な周波数変調されたチャー
プ信号などの複雑な信号、またはゴレイ符号を使う他の符号化された信号であってもよい
。
れる信号の性質に応じて変わってもよく、pMUTの基礎となる膜が応答する周波数を含む必
要がある。実施形態において、波形はまた、線形または非線形な周波数変調されたチャー
プ信号などの複雑な信号、またはゴレイ符号を使う他の符号化された信号であってもよい
。
実施形態において、圧電素子を駆動するための回路は、基礎になっている膜からの送信
出力の形状が対称でありうるようにさらに設計されてもよい。実施形態において、波形3
300(または3400)内の各信号パルスについて、パルスの立ち上がりエッジは、パ
ルスの中心に関して、パルスの立ち下がりエッジと実質的に対称でありうる。この対称性
は、送信信号、特に第二高調波および他の偶数次高調波信号の高調波内容を低下させる。
実施形態において、波形3300(または3400)内の信号パルスは、パルス幅変調(
PWM)信号であってもよい。
出力の形状が対称でありうるようにさらに設計されてもよい。実施形態において、波形3
300(または3400)内の各信号パルスについて、パルスの立ち上がりエッジは、パ
ルスの中心に関して、パルスの立ち下がりエッジと実質的に対称でありうる。この対称性
は、送信信号、特に第二高調波および他の偶数次高調波信号の高調波内容を低下させる。
実施形態において、波形3300(または3400)内の信号パルスは、パルス幅変調(
PWM)信号であってもよい。
図35は、本開示の実施形態による送信駆動信号波形を示している。図示されるように
、送信ドライバからの信号3500は、対称で双極性であってもよく、すなわち、ピーク
最大電圧の大きさ(H1)および幅(W1)は、ピーク最小電圧の大きさ(H2)および幅(W2
)と同じである。また、立ち上りエッジ3502の傾きは、立下りエッジ3504の傾き
と同じである。さらに、立ち上がり時間W3は、立ち下がり時間W4と同じであり、ここで、
立ち下がり時間W4は、立ち下がり開始点と基準電圧との間の時間間隔をいう。さらに、立
ち上がりエッジ3506は、立ち上がりエッジ3502と同じ傾きをもつ。
、送信ドライバからの信号3500は、対称で双極性であってもよく、すなわち、ピーク
最大電圧の大きさ(H1)および幅(W1)は、ピーク最小電圧の大きさ(H2)および幅(W2
)と同じである。また、立ち上りエッジ3502の傾きは、立下りエッジ3504の傾き
と同じである。さらに、立ち上がり時間W3は、立ち下がり時間W4と同じであり、ここで、
立ち下がり時間W4は、立ち下がり開始点と基準電圧との間の時間間隔をいう。さらに、立
ち上がりエッジ3506は、立ち上がりエッジ3502と同じ傾きをもつ。
送信動作中、送信ドライバ、たとえば図30の3018は、図33~図34に示される
ような電気波形によって駆動されてもよい。図36は、本開示の実施形態による撮像組立
体内のさまざまな回路の出力信号を示している。実施形態において、波形3602は、送
信ドライバ、たとえば3018からの出力信号であってもよく、圧電素子、たとえば30
00に送信されてもよい。実施形態において、圧電素子は固有の帯域幅を有していてもよ
いので、その共振周波数で正弦波出力3604を出力してもよい。圧電素子のO電極に接
続された送信ドライバの出力が非常にゆっくりと上昇する場合、電極を所望される最終的
な値まで帯電させることができないことがあり、よって、波形3606に示されるように
、低い出力信号を生じることがある。ここで、最終的な振幅は3602よりも小さい。他
方、送信ドライバの出力信号が非常に迅速に落ち着く場合は、送信ドライバの出力信号は
、圧電素子の帯域幅限界よりも大きな帯域幅を有し、よって、余分なエネルギーが熱で散
逸されうる。よって、実施形態では、波形3608に示されるように、圧電素子は、完全
に帯電するが、それほど迅速にではないような速度で帯電されうる。実施形態において、
時間の関数として上部電極および下部電極の間の電圧ポテンシャルを表わす波形3608
は、形状がトランスデューサの出力により近く、形状の差がより小さいため、入力信号帯
域幅と出力信号帯域幅はよりよく一致し、熱でのエネルギーの損失が少なくなる。実施形
態では、送信ドライバの駆動インピーダンスは、エネルギー損失を低減するように最適化
される。別の言い方をすると、送信ドライバのインピーダンスは、熱散逸および目標時間
内の十分な電圧整定のために必要とされる時定数に関して最適に、圧電素子を駆動するよ
う設計される。
ような電気波形によって駆動されてもよい。図36は、本開示の実施形態による撮像組立
体内のさまざまな回路の出力信号を示している。実施形態において、波形3602は、送
信ドライバ、たとえば3018からの出力信号であってもよく、圧電素子、たとえば30
00に送信されてもよい。実施形態において、圧電素子は固有の帯域幅を有していてもよ
いので、その共振周波数で正弦波出力3604を出力してもよい。圧電素子のO電極に接
続された送信ドライバの出力が非常にゆっくりと上昇する場合、電極を所望される最終的
な値まで帯電させることができないことがあり、よって、波形3606に示されるように
、低い出力信号を生じることがある。ここで、最終的な振幅は3602よりも小さい。他
方、送信ドライバの出力信号が非常に迅速に落ち着く場合は、送信ドライバの出力信号は
、圧電素子の帯域幅限界よりも大きな帯域幅を有し、よって、余分なエネルギーが熱で散
逸されうる。よって、実施形態では、波形3608に示されるように、圧電素子は、完全
に帯電するが、それほど迅速にではないような速度で帯電されうる。実施形態において、
時間の関数として上部電極および下部電極の間の電圧ポテンシャルを表わす波形3608
は、形状がトランスデューサの出力により近く、形状の差がより小さいため、入力信号帯
域幅と出力信号帯域幅はよりよく一致し、熱でのエネルギーの損失が少なくなる。実施形
態では、送信ドライバの駆動インピーダンスは、エネルギー損失を低減するように最適化
される。別の言い方をすると、送信ドライバのインピーダンスは、熱散逸および目標時間
内の十分な電圧整定のために必要とされる時定数に関して最適に、圧電素子を駆動するよ
う設計される。
実施形態において、イメージャ120は、高調波撮像技術を使ってもよく、ここで、高
調波撮像とは、膜の基本周波数で圧力波を送信し、膜の第二またはより高次の高調波周波
数で反射圧力波を受信することをいう。一般に、第二またはより高次の高調波周波数での
反射波に基づく画像は、基本周波数での反射波に基づく画像よりも高い品質を有する。送
信波形の対称性は、送信波の第二またはより高次の高調波成分を抑制でき、よって、これ
らの成分の、反射波における第二またはより高次の高調波との干渉を低減でき、高調波撮
像技術の画質を高める。実施形態において、送信波における第二またはより高次の高調波
を低減するために、波形3300は、50%のデューティーサイクルを有していてもよい。
調波撮像とは、膜の基本周波数で圧力波を送信し、膜の第二またはより高次の高調波周波
数で反射圧力波を受信することをいう。一般に、第二またはより高次の高調波周波数での
反射波に基づく画像は、基本周波数での反射波に基づく画像よりも高い品質を有する。送
信波形の対称性は、送信波の第二またはより高次の高調波成分を抑制でき、よって、これ
らの成分の、反射波における第二またはより高次の高調波との干渉を低減でき、高調波撮
像技術の画質を高める。実施形態において、送信波における第二またはより高次の高調波
を低減するために、波形3300は、50%のデューティーサイクルを有していてもよい。
図20~図29において、アレイは、複数のライン・ユニットを含んでいてもよく、各
ライン・ユニットは、互いに電気的に結合された複数の圧電素子を含む。実施形態におい
て、ライン・ユニットは、位相差(または同等だが、遅延)を有する複数のパルスで駆動
されてもよい。位相を調整することにより、結果として得られる圧力波はある角度にステ
アリングされうる。これはビームフォーミングと称される。
ライン・ユニットは、互いに電気的に結合された複数の圧電素子を含む。実施形態におい
て、ライン・ユニットは、位相差(または同等だが、遅延)を有する複数のパルスで駆動
されてもよい。位相を調整することにより、結果として得られる圧力波はある角度にステ
アリングされうる。これはビームフォーミングと称される。
図37Aは、本開示の実施形態による、トランスデューサの方位角軸に沿った空間位置
の関数として、送信圧力波の振幅のプロットを示している。アレイ内の圧電素子が二次元
に配列され、Y方向の列上の圧電素子どうしが接続され、X方向に沿って多数の列を有する
場合、X方向は方位角(azimuth)方向として知られ、Y方向は仰角(elevation)方向とし
て知られる。図37Aに示されるように、送信圧力波は、メインローブおよび複数のサイ
ドローブを含む。メインローブは、組織目標をスキャンし、高い圧力振幅をもつために使
用されうる。サイドローブは、より低い振幅をもつが、画像の品質を低下させてしまう。
よって、それらの振幅を減少させることが望ましい。
の関数として、送信圧力波の振幅のプロットを示している。アレイ内の圧電素子が二次元
に配列され、Y方向の列上の圧電素子どうしが接続され、X方向に沿って多数の列を有する
場合、X方向は方位角(azimuth)方向として知られ、Y方向は仰角(elevation)方向とし
て知られる。図37Aに示されるように、送信圧力波は、メインローブおよび複数のサイ
ドローブを含む。メインローブは、組織目標をスキャンし、高い圧力振幅をもつために使
用されうる。サイドローブは、より低い振幅をもつが、画像の品質を低下させてしまう。
よって、それらの振幅を減少させることが望ましい。
図37Bは、本開示の実施形態によるアポダイゼーション・プロセスのためのさまざま
な型の窓を示している。図37Bにおいて、x軸は、アクティブ窓の中心における圧電素
子に対する圧電素子の位置を表わし、y軸は、振幅(または圧電素子に加えられる重み)
を表わす。図示されるように、長方形窓3720については、送信線のいずれにも重み付
けは与えられない、すなわち、それらはすべて一様な振幅(すなわち、記号的に1)であ
る。他方、ハミング窓3722によって示されるような重み付け関数が実装される場合、
中央の諸線は、端の線よりも大きな重み付けを得る。たとえば、図3Bのトランスデュー
サ・タイル210にハミング窓3722を適用するために、左端の列の圧電素子(図37
Bにおいて-Nと記される)および右端の列の圧電素子(図37Bにおいて、Nと表記され
る)は、最も低い重みを有していてもよく、一方、中央の列の圧電素子は、最も高い重み
を有していてもよい。このプロセスはアポダイゼーションとして知られている。実施形態
において、図示されるハミング窓3722は単に一例であることが意図されているだけで
あるところ、さまざまな型の窓の重み付けが適用されうる。実施形態において、アポダイ
ゼーションは、デジタル‐アナログ変換器(DAC)を用いることによって、または同じ駆
動レベルを保持するがライン上のピクセル数を減らすことによって、異なるラインについ
て異なるように送信ドライバ出力駆動レベルをスケーリングするなどの、多様な手段によ
って実装されうる。正味の効果は、アポダイゼーションの使用によってサイドローブ・レ
ベルが低減できるということであり、ここで、送信ドライブの重み付けは、活性化された
送信開口内において特定のラインがどこに位置されているかに基づいて変わる。
な型の窓を示している。図37Bにおいて、x軸は、アクティブ窓の中心における圧電素
子に対する圧電素子の位置を表わし、y軸は、振幅(または圧電素子に加えられる重み)
を表わす。図示されるように、長方形窓3720については、送信線のいずれにも重み付
けは与えられない、すなわち、それらはすべて一様な振幅(すなわち、記号的に1)であ
る。他方、ハミング窓3722によって示されるような重み付け関数が実装される場合、
中央の諸線は、端の線よりも大きな重み付けを得る。たとえば、図3Bのトランスデュー
サ・タイル210にハミング窓3722を適用するために、左端の列の圧電素子(図37
Bにおいて-Nと記される)および右端の列の圧電素子(図37Bにおいて、Nと表記され
る)は、最も低い重みを有していてもよく、一方、中央の列の圧電素子は、最も高い重み
を有していてもよい。このプロセスはアポダイゼーションとして知られている。実施形態
において、図示されるハミング窓3722は単に一例であることが意図されているだけで
あるところ、さまざまな型の窓の重み付けが適用されうる。実施形態において、アポダイ
ゼーションは、デジタル‐アナログ変換器(DAC)を用いることによって、または同じ駆
動レベルを保持するがライン上のピクセル数を減らすことによって、異なるラインについ
て異なるように送信ドライバ出力駆動レベルをスケーリングするなどの、多様な手段によ
って実装されうる。正味の効果は、アポダイゼーションの使用によってサイドローブ・レ
ベルが低減できるということであり、ここで、送信ドライブの重み付けは、活性化された
送信開口内において特定のラインがどこに位置されているかに基づいて変わる。
実施形態において、パルスまたは波形の電圧の低下は、トランスデューサ表面の温度を
低下させることができる。あるいはまた、所与の最大許容トランスデューサ表面温度につ
いて、より低い電圧で動作するトランスデューサのほうが、よりよいプローブ性能をもた
らし、よりよい品質の画像をもたらしうる。たとえば、192個の圧電素子をもつプローブ
について、電力消費を低減するために、プローブの一部(すなわち、圧電素子の部分集合
)のみを使って送信圧力波が生成されてもよく、残りの素子はマルチプレクサを使って時
間的に順次走査される。よって、従来のシステムでは、温度上昇を制限するために、任意
の時点において、トランスデューサ素子の一部のみが使用されうる。対照的に、実施形態
では、より低電圧のプローブは、より多くの圧電素子を同時にアドレス指定することを可
能にし、これにより、画像のフレームレートを増加させ、画像品質を高めることができる
。受信信号がLNAを使って増幅される受信経路でもかなりの電力が消費される。イメージ
ング・システムは典型的には多数の受信チャネルを使い、受信チャネル毎に増幅器を備え
る。実施形態では、温度データを使用して、電力を節約し、温度を低下させるために、い
くつかの受信チャネルをオフにすることができる。
低下させることができる。あるいはまた、所与の最大許容トランスデューサ表面温度につ
いて、より低い電圧で動作するトランスデューサのほうが、よりよいプローブ性能をもた
らし、よりよい品質の画像をもたらしうる。たとえば、192個の圧電素子をもつプローブ
について、電力消費を低減するために、プローブの一部(すなわち、圧電素子の部分集合
)のみを使って送信圧力波が生成されてもよく、残りの素子はマルチプレクサを使って時
間的に順次走査される。よって、従来のシステムでは、温度上昇を制限するために、任意
の時点において、トランスデューサ素子の一部のみが使用されうる。対照的に、実施形態
では、より低電圧のプローブは、より多くの圧電素子を同時にアドレス指定することを可
能にし、これにより、画像のフレームレートを増加させ、画像品質を高めることができる
。受信信号がLNAを使って増幅される受信経路でもかなりの電力が消費される。イメージ
ング・システムは典型的には多数の受信チャネルを使い、受信チャネル毎に増幅器を備え
る。実施形態では、温度データを使用して、電力を節約し、温度を低下させるために、い
くつかの受信チャネルをオフにすることができる。
実施形態において、アポダイゼーションは、窓関数に従って各ライン・ユニット内の圧
電素子の数を変化させることによって達成されうる。実施形態において、そのような窓近
似は、ライン上の圧電素子の数を電子的に制御することによって、またはトランスデュー
サ・アレイを、必要な数の素子をもって結線することによって達成されてもよい。
電素子の数を変化させることによって達成されうる。実施形態において、そのような窓近
似は、ライン上の圧電素子の数を電子的に制御することによって、またはトランスデュー
サ・アレイを、必要な数の素子をもって結線することによって達成されてもよい。
一般に、プローブによって発生する熱は、送信パルス/波形のパルス持続時間の関数で
ありうる。一般に、よりよい信号対雑音比(SNR)で圧力波を目標内に深く浸透させるた
めに、圧電素子は長いパルス列を必要とすることがある。しかしながら、これはまた、軸
方向分解能を低下させ、圧電素子においてより多くの熱を発生させる。よって、従来のシ
ステムでは、発せられるパルスの数は少なく、時には1または2である。より長いパルス
は、より多くの熱エネルギーを生成しうるので、従来のシステムにおける使用は非実用的
である。対照的に、実施形態では、パルスおよび波形3300および3400は、かなり
低いピーク値をもつことができ、これは、長いパルス列、チャープまたは他の符号化信号
伝達の使用を可能にしうる。実施形態において、より長いパルス列は、軸方向(axial)
分解能を低下させない。受信器において、波形を圧縮して分解能を回復するために、整合
フィルタリングが実行されるからである。この技術は、よりよい信号対雑音比を可能にし
、信号をより深く体内に浸透させ、体内のより深い目標の高品質な撮像を許容する。
ありうる。一般に、よりよい信号対雑音比(SNR)で圧力波を目標内に深く浸透させるた
めに、圧電素子は長いパルス列を必要とすることがある。しかしながら、これはまた、軸
方向分解能を低下させ、圧電素子においてより多くの熱を発生させる。よって、従来のシ
ステムでは、発せられるパルスの数は少なく、時には1または2である。より長いパルス
は、より多くの熱エネルギーを生成しうるので、従来のシステムにおける使用は非実用的
である。対照的に、実施形態では、パルスおよび波形3300および3400は、かなり
低いピーク値をもつことができ、これは、長いパルス列、チャープまたは他の符号化信号
伝達の使用を可能にしうる。実施形態において、より長いパルス列は、軸方向(axial)
分解能を低下させない。受信器において、波形を圧縮して分解能を回復するために、整合
フィルタリングが実行されるからである。この技術は、よりよい信号対雑音比を可能にし
、信号をより深く体内に浸透させ、体内のより深い目標の高品質な撮像を許容する。
実施形態において、ポリジメチルシロキサン(PDMS)または他のインピーダンス整合材
料の層が、図4~図19のトランスデューサ素子の上にスピンされてもよい。この層は、
トランスデューサ素子と人体との間のインピーダンス整合を改善し、それにより、トラン
スデューサ素子と人体との間の界面における圧力波の反射または損失が低減されうる。
料の層が、図4~図19のトランスデューサ素子の上にスピンされてもよい。この層は、
トランスデューサ素子と人体との間のインピーダンス整合を改善し、それにより、トラン
スデューサ素子と人体との間の界面における圧力波の反射または損失が低減されうる。
図20~図29において、y方向(またはx方向)においてピクセルを接続することによ
って複数のライン・ユニットが生成されてもよく、ここで、一つのライン・ユニット(ま
たは等価だが、ライン要素)は、互いに電気的に接続されている複数の圧電素子を指す。
実施形態において、一つまたは複数のライン・ユニットは、x方向に沿って圧電素子を接
続することによっても生成されることもできる。実施形態において、ライン・ユニット内
の圧電素子は、固定結線されてもよい。
って複数のライン・ユニットが生成されてもよく、ここで、一つのライン・ユニット(ま
たは等価だが、ライン要素)は、互いに電気的に接続されている複数の圧電素子を指す。
実施形態において、一つまたは複数のライン・ユニットは、x方向に沿って圧電素子を接
続することによっても生成されることもできる。実施形態において、ライン・ユニット内
の圧電素子は、固定結線されてもよい。
図18Aとの関連で論じたように、各圧電素子1806は、回路1842に電気的に結
合されてもよく、すなわち、トランシーバ基板1802内の圧電素子の数は、ASICチップ
1804内の回路1842の数と同じである。そのような場合、各列(または行)内の圧
電素子の電気的接続は、電子的に行なわれてもよく、すなわち、列(または行)内の電極
を接続するための固定結線導体(たとえば2007)は、電子的なスイッチによって置き
換えられる。別の言い方をすると、ライン・イメージャ/ユニット内の圧電素子は、互い
に電子的に接続されてもよい。電子制御されたライン・イメージャの場合、ライン・イメ
ージャ/ユニットは、二次元マトリクス・アレイの各圧電素子を、制御回路の二次元アレ
イのうちの対応する制御回路(たとえば1842)に接続することによって構築されても
よく、ここで、制御回路は、ピクセルに空間的に近接して位置される。ライン要素を作成
するために、ピクセルの列(または行)を制御する多数のドライバが、電子的にオンにさ
れてもよい。実施形態において、各ライン・イメージャ/ユニット内のドライバの数は、
プログラム制御のもとで電気的に修正されることができ、電子的に調整可能である、すな
わち、圧電素子を有するライン・イメージャは、電気的に構成可能である。
合されてもよく、すなわち、トランシーバ基板1802内の圧電素子の数は、ASICチップ
1804内の回路1842の数と同じである。そのような場合、各列(または行)内の圧
電素子の電気的接続は、電子的に行なわれてもよく、すなわち、列(または行)内の電極
を接続するための固定結線導体(たとえば2007)は、電子的なスイッチによって置き
換えられる。別の言い方をすると、ライン・イメージャ/ユニット内の圧電素子は、互い
に電子的に接続されてもよい。電子制御されたライン・イメージャの場合、ライン・イメ
ージャ/ユニットは、二次元マトリクス・アレイの各圧電素子を、制御回路の二次元アレ
イのうちの対応する制御回路(たとえば1842)に接続することによって構築されても
よく、ここで、制御回路は、ピクセルに空間的に近接して位置される。ライン要素を作成
するために、ピクセルの列(または行)を制御する多数のドライバが、電子的にオンにさ
れてもよい。実施形態において、各ライン・イメージャ/ユニット内のドライバの数は、
プログラム制御のもとで電気的に修正されることができ、電子的に調整可能である、すな
わち、圧電素子を有するライン・イメージャは、電気的に構成可能である。
実施形態において、各ピクセルのより小さいキャパシタンスは、ドライバとピクセルの
間の他の等化(equalizing)要素なしに、分散駆動回路によって効率的に駆動でき、非常
に大きなライン・キャパシタンスを駆動することの困難をなくす。実施形態において、ド
ライバ最適化は、立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジにおける対称性を許容し、送
信出力におけるよりよい線形性を許容し、高調波撮像を可能にする。(対称性は、図33
および図34との関連で述べた。)実施形態において、電子制御は、プログラム可能な開
口サイズ、送信アポダイゼーション、および水平または垂直ステアリング制御を許容して
もよく、これらはみな、画質を改善しうる。実施形態において、電子制御のもとで構成可
能なライン・イメージャ/ユニットは、プログラム制御のもとで電気的に修正されてもよ
い。たとえば、y方向において、より少数の接続された素子が望まれる場合、その数は、
ソフトウェア制御によって調整されてもよく、制御電子回路または圧電アレイを再スピン
する(re-spin)必要がない。
間の他の等化(equalizing)要素なしに、分散駆動回路によって効率的に駆動でき、非常
に大きなライン・キャパシタンスを駆動することの困難をなくす。実施形態において、ド
ライバ最適化は、立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジにおける対称性を許容し、送
信出力におけるよりよい線形性を許容し、高調波撮像を可能にする。(対称性は、図33
および図34との関連で述べた。)実施形態において、電子制御は、プログラム可能な開
口サイズ、送信アポダイゼーション、および水平または垂直ステアリング制御を許容して
もよく、これらはみな、画質を改善しうる。実施形態において、電子制御のもとで構成可
能なライン・イメージャ/ユニットは、プログラム制御のもとで電気的に修正されてもよ
い。たとえば、y方向において、より少数の接続された素子が望まれる場合、その数は、
ソフトウェア制御によって調整されてもよく、制御電子回路または圧電アレイを再スピン
する(re-spin)必要がない。
実施形態において、各ライン・ユニットはいくつかのサブユニットから構成され、各サ
ブユニットに対して別個の制御があるよう設計されてもよい。これらのサブユニットの利
点は、単一の外部送信ドライバを使ってライン・ユニットのための大きな容量性負荷を駆
動することの困難を軽減しうることである。たとえば、列内の圧電素子全体を含む一つの
ライン・ユニットの代わりに二つのライン・ユニットが作成される場合、二つの異なる送
信ドライバ(たとえば2816)が用いられてもよく、各送信ドライバは、フル・ライン
・ユニットの負荷の半分を制御しうる。また、一つのドライバが使用される場合であって
も、ライン・ユニットの前半部分とライン・ユニットの後半部分を別々に駆動することに
より、ライン・ユニットの両端への、より低い抵抗の接続のため、駆動状態が改善されう
る。
ブユニットに対して別個の制御があるよう設計されてもよい。これらのサブユニットの利
点は、単一の外部送信ドライバを使ってライン・ユニットのための大きな容量性負荷を駆
動することの困難を軽減しうることである。たとえば、列内の圧電素子全体を含む一つの
ライン・ユニットの代わりに二つのライン・ユニットが作成される場合、二つの異なる送
信ドライバ(たとえば2816)が用いられてもよく、各送信ドライバは、フル・ライン
・ユニットの負荷の半分を制御しうる。また、一つのドライバが使用される場合であって
も、ライン・ユニットの前半部分とライン・ユニットの後半部分を別々に駆動することに
より、ライン・ユニットの両端への、より低い抵抗の接続のため、駆動状態が改善されう
る。
実施形態において、ライン・ユニットの長さおよび配向の両方が制御されてもよい。た
とえば、図20~図29において、ライン・ユニットは、xおよびy方向の両方に配置され
てもよい。例として、図30において、列に沿ったO電極(たとえば、2003-11~
2003-n1)が一つのライン・ユニットを形成するよう電気的に結合されてもよく、
他の列のO電極は電気的に結合されて、x方向に沿って延びるn個のライン・ユニットを形
成してもよい。より具体的には、x方向に沿って延在する諸ライン・ユニットは、n個のO
電極(2003-12~2003-1n),…,(2003-n2~2003-nn)を
含む。実施形態において、直交方向に沿った諸ライン・ユニットの配置は、ASICチップ内
の電気回路を制御することによって可能でありうる。
とえば、図20~図29において、ライン・ユニットは、xおよびy方向の両方に配置され
てもよい。例として、図30において、列に沿ったO電極(たとえば、2003-11~
2003-n1)が一つのライン・ユニットを形成するよう電気的に結合されてもよく、
他の列のO電極は電気的に結合されて、x方向に沿って延びるn個のライン・ユニットを形
成してもよい。より具体的には、x方向に沿って延在する諸ライン・ユニットは、n個のO
電極(2003-12~2003-1n),…,(2003-n2~2003-nn)を
含む。実施形態において、直交方向に沿った諸ライン・ユニットの配置は、ASICチップ内
の電気回路を制御することによって可能でありうる。
図20~図30において、各圧電素子は、二つ以上の上部(XおよびT)電極を含んでい
てもよい。実施形態において、これらの上部電極の下にある圧電層は、同じ方向または反
対方向にポーリングされてもよい。多重ポーリング方向は、適切な印加された信号電場と
組み合わされるとき、トランスデューサの送信および受信感度における改善を生じ、また
、より広い帯域幅を可能にする追加的な共振を生じうる。
てもよい。実施形態において、これらの上部電極の下にある圧電層は、同じ方向または反
対方向にポーリングされてもよい。多重ポーリング方向は、適切な印加された信号電場と
組み合わされるとき、トランスデューサの送信および受信感度における改善を生じ、また
、より広い帯域幅を可能にする追加的な共振を生じうる。
図20~図30において、各アレイは、圧電素子の下に配置された一つまたは複数の膜
を有していてもよい。実施形態において、膜は、複数の振動モードを有してもよい。実施
形態において、一つの膜はある周波数での基本モードで振動してもよく、別の膜は、異な
るポーリング方向とともに膜設計および電極の相対配置によって決定される異なる周波数
で振動してもよい。実施形態において、複数の膜は、同じ電極集合によって駆動されても
よく、それぞれの膜は、異なる基本周波数を有していてもよい。実施形態において、それ
ぞれの膜は、広い範囲の周波数に応答してもよく、その帯域幅を増加させる。また、異な
るポーリング方向を有するそのようなトランスデューサは、高帯域幅トランスデューサを
可能にする一方で、送信および受信感度を増加させる助けとなりうる。
を有していてもよい。実施形態において、膜は、複数の振動モードを有してもよい。実施
形態において、一つの膜はある周波数での基本モードで振動してもよく、別の膜は、異な
るポーリング方向とともに膜設計および電極の相対配置によって決定される異なる周波数
で振動してもよい。実施形態において、複数の膜は、同じ電極集合によって駆動されても
よく、それぞれの膜は、異なる基本周波数を有していてもよい。実施形態において、それ
ぞれの膜は、広い範囲の周波数に応答してもよく、その帯域幅を増加させる。また、異な
るポーリング方向を有するそのようなトランスデューサは、高帯域幅トランスデューサを
可能にする一方で、送信および受信感度を増加させる助けとなりうる。
図22、図24、図25において、列内のX(またはT)電極は、導体に電気的に結合さ
れてもよい。実施形態において、これらの導体は、一つの共通導体に電気的に結合されて
もよい。たとえば、図22において、導体2008-1~2208-nは一つの共通導体
ラインに電気的に結合されてもよく、それにより、アレイ2200内のすべてのT電極が
接地または共通のDCバイアス電圧に接続されうる。
れてもよい。実施形態において、これらの導体は、一つの共通導体に電気的に結合されて
もよい。たとえば、図22において、導体2008-1~2208-nは一つの共通導体
ラインに電気的に結合されてもよく、それにより、アレイ2200内のすべてのT電極が
接地または共通のDCバイアス電圧に接続されうる。
図20~図29では、各アレイは、二次元アレイに配置された圧電素子を含んでいても
よく、x方向の素子数はy方向の素子数と同じであってもよい。しかしながら、x方向の素
子数がy方向の素子数と異なっていてもよいことは、当業者には明白であるはずである。
よく、x方向の素子数はy方向の素子数と同じであってもよい。しかしながら、x方向の素
子数がy方向の素子数と異なっていてもよいことは、当業者には明白であるはずである。
実施形態において、トランスデューサ基板(1802など)に結合されたASICチップ(
1804など)は、動作中に人体に対向する撮像装置120の表面温度を測定する温度セ
ンサーを含んでいてもよい。実施形態において、最高許容温度が調節されてもよく、この
調節は、温度が許容可能な上限を超えて上昇するべきでないため、撮像デバイスの機能性
を制限することある。実施形態において、この温度情報は、画質を改善するために使われ
てもよい。たとえば、温度が最大許容限界を下回る場合、改善された品質の画像のために
ノイズを低減し、システム信号対雑音比を改善するよう、増幅器においてさらなる電力が
消費されてもよい。
1804など)は、動作中に人体に対向する撮像装置120の表面温度を測定する温度セ
ンサーを含んでいてもよい。実施形態において、最高許容温度が調節されてもよく、この
調節は、温度が許容可能な上限を超えて上昇するべきでないため、撮像デバイスの機能性
を制限することある。実施形態において、この温度情報は、画質を改善するために使われ
てもよい。たとえば、温度が最大許容限界を下回る場合、改善された品質の画像のために
ノイズを低減し、システム信号対雑音比を改善するよう、増幅器においてさらなる電力が
消費されてもよい。
実施形態において、撮像装置120によって消費される電力は、同時に駆動されるライ
ン・ユニットの数が増加するにつれて増加する。撮像装置120内のすべてのライン・ユ
ニットは、開口全体からの圧力波の送信を完了するよう駆動される必要があることがある
。一度に圧力波を送信し、待機し、反射エコーを受信するために数個のライン・ユニット
しか駆動されない場合、開口全体に対して諸ライン・ユニット全体を駆動する1サイクル
を完了するのにより多くの時間がかかり、1秒あたりに画像が撮影される速度(フレーム
レート)が低下する。この速度を改善するためには、一度により多くのライン・ユニット
が駆動される必要がある。実施形態において、温度の情報は、撮像装置120がフレーム
レートを改善するためにより多くのラインを駆動することを許容しうる。
ン・ユニットの数が増加するにつれて増加する。撮像装置120内のすべてのライン・ユ
ニットは、開口全体からの圧力波の送信を完了するよう駆動される必要があることがある
。一度に圧力波を送信し、待機し、反射エコーを受信するために数個のライン・ユニット
しか駆動されない場合、開口全体に対して諸ライン・ユニット全体を駆動する1サイクル
を完了するのにより多くの時間がかかり、1秒あたりに画像が撮影される速度(フレーム
レート)が低下する。この速度を改善するためには、一度により多くのライン・ユニット
が駆動される必要がある。実施形態において、温度の情報は、撮像装置120がフレーム
レートを改善するためにより多くのラインを駆動することを許容しうる。
図20~図30において、各圧電素子は、一つの下部電極(O)および一つまたは複数
の上部電極(XおよびT)を有し、二つ以上の共振周波数を有していてもよい。たとえば、
図25の各圧電素子2502は、一つの下部電極(O)および二つの上部電極を有してい
てもよく、第一の上部電極および下部電極(O)が第一の周波数f1に応答してもよく、第
二の上部電極および下部電極(O)がf1とは異なっていてもよい第二の周波数f2に応答し
てもよい。
の上部電極(XおよびT)を有し、二つ以上の共振周波数を有していてもよい。たとえば、
図25の各圧電素子2502は、一つの下部電極(O)および二つの上部電極を有してい
てもよく、第一の上部電極および下部電極(O)が第一の周波数f1に応答してもよく、第
二の上部電極および下部電極(O)がf1とは異なっていてもよい第二の周波数f2に応答し
てもよい。
実施形態において、受信モード中に発生する電荷は、1811、2810、2814、
2910、2914、3010、3016、3128および3228などの増幅器に転送
される。次いで、増幅された信号は、さまざまな電気コンポーネントによってさらに処理
されうる。よって、増幅器1811、2810、2814、2910、2914、301
0、3016、3128、および3228のそれぞれが、電荷信号を処理する一つまたは
複数の電気コンポーネント/回路を指すこと、すなわち、各増幅器が、電荷信号を処理す
るための一つまたは複数の電気コンポーネント/回路を象徴的に表わしていることは、当
業者には明白であるはずである。
2910、2914、3010、3016、3128および3228などの増幅器に転送
される。次いで、増幅された信号は、さまざまな電気コンポーネントによってさらに処理
されうる。よって、増幅器1811、2810、2814、2910、2914、301
0、3016、3128、および3228のそれぞれが、電荷信号を処理する一つまたは
複数の電気コンポーネント/回路を指すこと、すなわち、各増幅器が、電荷信号を処理す
るための一つまたは複数の電気コンポーネント/回路を象徴的に表わしていることは、当
業者には明白であるはずである。
図38は、本開示の実施形態による撮像組立体3800の概略図を示している。図示さ
れるように、撮像組立体3800は、圧電素子(図38には示さず)を有するトランシー
バ基板3801;トランシーバ基板3801に電気的に結合されたASICチップ3802;
ASICチップ3802に電気的に結合された受信器マルチプレクサ3820;受信器アナロ
グフロントエンド(AFE)3830;ASICチップ3802に電気的に結合された送信器マ
ルチプレクサ3824;および第二のマルチプレクサ3824に電気的に結合された送信
ビームフォーマー3834を含んでいてもよい。実施形態において、ASICチップ3802
は、トランシーバ基板3801内の複数の圧電素子に接続され、それを駆動するように構
成された複数の回路3804を含んでいてもよい。実施形態では、各回路3804は、LN
Aのような受信器増幅器(または単に増幅器)3806と、圧電素子に信号を送信するた
めの送信ドライバ3808と、増幅器3806と送信ドライバ3808との間でトグルす
るスイッチ3810とを含んでもよい。それらの増幅器は、プログラム可能な利得と、感
知される必要がある圧電素子にそれらを接続する手段とを有していてもよい。送信ドライ
バは、それらのインピーダンスを最適化する手段と、駆動される圧電素子に接続されるた
めの手段とを有する。
れるように、撮像組立体3800は、圧電素子(図38には示さず)を有するトランシー
バ基板3801;トランシーバ基板3801に電気的に結合されたASICチップ3802;
ASICチップ3802に電気的に結合された受信器マルチプレクサ3820;受信器アナロ
グフロントエンド(AFE)3830;ASICチップ3802に電気的に結合された送信器マ
ルチプレクサ3824;および第二のマルチプレクサ3824に電気的に結合された送信
ビームフォーマー3834を含んでいてもよい。実施形態において、ASICチップ3802
は、トランシーバ基板3801内の複数の圧電素子に接続され、それを駆動するように構
成された複数の回路3804を含んでいてもよい。実施形態では、各回路3804は、LN
Aのような受信器増幅器(または単に増幅器)3806と、圧電素子に信号を送信するた
めの送信ドライバ3808と、増幅器3806と送信ドライバ3808との間でトグルす
るスイッチ3810とを含んでもよい。それらの増幅器は、プログラム可能な利得と、感
知される必要がある圧電素子にそれらを接続する手段とを有していてもよい。送信ドライ
バは、それらのインピーダンスを最適化する手段と、駆動される圧電素子に接続されるた
めの手段とを有する。
実施形態において、受信器マルチプレクサ3820は、複数のスイッチ3822を含ん
でいてもよく、受信器AFE 3830は、複数の増幅器3832を含んでいてもよい。実
施形態において、スイッチ3822のそれぞれは、回路3804を増幅器3832に/か
ら電気的に接続/切断することができる。実施形態において、送信器マルチプレクサ38
24は、複数のスイッチ3826を含んでいてもよく、送信ビームフォーマー3834は
、複数の送信ドライバ3836と、さまざまなドライバの送信ドライバ波形間の相対的遅
延を制御するための図示されていない他の回路と、各送信ドライバについての周波数およ
びパルス数を制御するための図示されていない他の回路とを含んでもよい。実施形態では
、スイッチ3826のそれぞれは、送信動作中にオンになり、回路3804に接続され、
一方、スイッチ3822はオフになり、一方、スイッチ3810が送信ドライバ3808
に接続される。同様に、受信動作中、スイッチ3826は、スイッチ3822がオンの間
にオフになり、一方、スイッチ3810は増幅器3806に接続される。
でいてもよく、受信器AFE 3830は、複数の増幅器3832を含んでいてもよい。実
施形態において、スイッチ3822のそれぞれは、回路3804を増幅器3832に/か
ら電気的に接続/切断することができる。実施形態において、送信器マルチプレクサ38
24は、複数のスイッチ3826を含んでいてもよく、送信ビームフォーマー3834は
、複数の送信ドライバ3836と、さまざまなドライバの送信ドライバ波形間の相対的遅
延を制御するための図示されていない他の回路と、各送信ドライバについての周波数およ
びパルス数を制御するための図示されていない他の回路とを含んでもよい。実施形態では
、スイッチ3826のそれぞれは、送信動作中にオンになり、回路3804に接続され、
一方、スイッチ3822はオフになり、一方、スイッチ3810が送信ドライバ3808
に接続される。同様に、受信動作中、スイッチ3826は、スイッチ3822がオンの間
にオフになり、一方、スイッチ3810は増幅器3806に接続される。
実施形態において、スイッチ3810は、送信モードの間は送信ドライバ3808にト
グルされ、受信モードの間は増幅器3806にトグルされてもよい。実施形態において、
スイッチ3822の一部は、対応する回路3804が受信モードに設定されうるよう、閉
じられてもよい。同様に、スイッチ3826の一部は、対応する回路3804が送信モー
ドに設定されうるよう、閉じられてもよい。スイッチ3822の一部とスイッチ3826
の一部とが同時に閉じられることができるので、イメージャ組立体は、送信モードと受信
モードの両方で同時に動作させることができる。また、受信器マルチプレクサ3820お
よび送信器マルチプレクサ3824は、ASICピンの数を減少させる。実施形態において、
受信器マルチプレクサ3820、受信器AFE 3830、送信器マルチプレクサ3824
、および送信機ビームフォーマー3834は、図2の回路215に含まれてもよい。
グルされ、受信モードの間は増幅器3806にトグルされてもよい。実施形態において、
スイッチ3822の一部は、対応する回路3804が受信モードに設定されうるよう、閉
じられてもよい。同様に、スイッチ3826の一部は、対応する回路3804が送信モー
ドに設定されうるよう、閉じられてもよい。スイッチ3822の一部とスイッチ3826
の一部とが同時に閉じられることができるので、イメージャ組立体は、送信モードと受信
モードの両方で同時に動作させることができる。また、受信器マルチプレクサ3820お
よび送信器マルチプレクサ3824は、ASICピンの数を減少させる。実施形態において、
受信器マルチプレクサ3820、受信器AFE 3830、送信器マルチプレクサ3824
、および送信機ビームフォーマー3834は、図2の回路215に含まれてもよい。
実施形態において、各圧電体は二つより多くの電極を有していてもよく、一方の電極は
、圧力波を発生させるために送信モードにあってもよく、同時に他方の電極は受信モード
にあって電荷を生じさせてもよい。送信および受信モードのこの同時動作は、三次元撮像
を許容しうる。
、圧力波を発生させるために送信モードにあってもよく、同時に他方の電極は受信モード
にあって電荷を生じさせてもよい。送信および受信モードのこの同時動作は、三次元撮像
を許容しうる。
本発明はさまざまな変形および代替形態が可能であるが、その具体的な例を図面に示し
、本明細書で詳細に記載してきた。しかしながら、本発明が開示された特定の形に限定さ
れるものではなく、逆に、本発明は、添付の請求項の範囲内にはいるあらゆる修正、均等
物および代替物をカバーするものであることを理解しておくべきである。
、本明細書で詳細に記載してきた。しかしながら、本発明が開示された特定の形に限定さ
れるものではなく、逆に、本発明は、添付の請求項の範囲内にはいるあらゆる修正、均等
物および代替物をカバーするものであることを理解しておくべきである。
Claims (79)
- トランスデューサであって:
圧電素子の二次元アレイであって、各圧電素子は少なくとも一つのサブ圧電素子を含み
:
圧電層;
前記圧電層の下側に配置された下部電極;および
前記圧電層の上側に配置された第一の上部電極を有する、圧電素子の二次元アレイと
;
第一の導体とを有しており、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の一部の前記第
一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている、
トランスデューサ。 - 前記圧電素子が、幅が広い周波数応答を示す複数の振動モードをもつ、請求項1に記載
のトランスデューサ。 - 前記二次元アレイの列内の前記圧電素子のそれぞれの下部電極が導体に接続され、それ
らの導体がさらに第一の列において一緒に接続される、請求項2に記載のトランスデュー
サ。 - 前記圧電素子が複数の列になっており、列内のすべての圧電素子の下部電極は導体に接
続され、異なる列についての下部電極に接続される導体は別個であり、すべての列のすべ
ての圧電素子の上部電極は一緒に接続される、請求項3に記載のトランスデューサ。 - 各圧電素子は第一および第二のサブ圧電素子を含み、前記第一および第二のサブ圧電素
子のそれぞれは上部電極および下部電極を含み、前記第一のサブ圧電素子の下部電極は前
記第二のサブ圧電素子の下部電極に電気的に結合されており、列内のすべての第一のサブ
圧電素子の上部電極を導体が接続しており、同じ列内の前記第二のサブ圧電素子のすべて
の上部電極を別の導体が接続しており、下部電極を接続する導体は前記アレイ内のすべて
の圧電素子に接続されている、請求項1に記載のトランスデューサ。 - 各圧電素子は第一および第二のサブ圧電素子を含み、前記第一および第二のサブ圧電素
子のそれぞれは上部電極および下部電極を含み、前記第一のサブ圧電素子の下部電極は前
記第二のサブ圧電素子の下部電極に電気的に結合されており、前記第一のサブ圧電素子の
上部電極は前記第二のサブ圧電素子の上部電極に電気的に結合されている、請求項1に記
載のトランスデューサ。 - 前記第一および第二のサブ圧電素子のそれぞれがさらに追加的な上部電極を含み、前記
第一のサブ圧電素子の追加的な上部電極が、前記第二のサブ圧電素子の追加的な上部電極
に電気的に結合されている、請求項6に記載のトランスデューサ。 - 第二の導体をさらに有しており、前記二次元アレイの第二の列内の圧電素子の部分の前
記第一の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合されており、
前記第一の導体は前記第二の導体に電気的に結合されている、
請求項1に記載のトランスデューサ。 - 前記二次元アレイの各圧電素子が、前記圧電層の上面に配置された第二の上部電極をさ
らに有しており、当該トランスデューサが:
第二の導体をさらに有しており、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の集合の前
記第二の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合されている、
請求項1に記載のトランスデューサ。 - 前記第一および第二の上部電極のそれぞれが環状形状をもち、前記第二の上部電極が前
記第一の上部電極を囲んでいる、請求項9に記載のトランスデューサ。 - 第三の導体をさらに有しており、前記二次元アレイの第二の列内の圧電素子の部分の前
記第二の上部電極は前記第三の導体に電気的に結合されており、
前記第三の導体は前記第一の列の前記第二の導体に電気的に結合されている、第一の列
および第二の列の第一の導体も電気的に結合されている、
請求項9に記載のトランスデューサ。 - 前記第一の上部電極の下の前記圧電層の第一の部分が第一の向きにポーリングされてお
り、前記第二の上部電極の下の前記圧電層の第二の部分が前記第一の向きとは逆の第二の
向きにポーリングされている、請求項9に記載のトランスデューサ。 - 圧電素子の前記二次元アレイの各圧電素子が、前記圧電層の上面に配置された第二の上
部電極をさらに有しており、前記二次元アレイの列内の圧電素子の部分の前記第一および
第二の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されており、下部電極は、前記アレイ内
の各圧電素子のための別個の導体に接続されている、請求項1に記載のトランスデューサ
。 - 前記第一の上部電極と下部電極からなる第一のサブ圧電素子は、第二の上部電極と下部
電極からなるサブ圧電素子と比べて異なる周波数特性をもち、複合素子についての、より
広い帯域幅を許容する、請求項13に記載のトランスデューサ。 - 列内のすべての圧電素子が、その列についての共通の導体と一緒に接続され、すべての
圧電素子のすべての上部電極が、共通の導体を使って一緒に結びつけられて、DC電圧に
接続される、請求項14に記載のトランスデューサ。 - 前記列内のすべての圧電素子の下部電極は、送信動作の間は、さらに送信ドライバに接
続されている導体に接続されており、下部電極は、受信動作モードでは受信増幅器に接続
される、請求項14に記載のトランスデューサ。 - 前記下部電極は、送信動作の間は送信ドライバに、受信動作の間は受信増幅器に接続さ
れる、請求項15に記載のトランスデューサ。 - 圧電素子の前記二次元アレイの各圧電素子はさらに、前記圧電層の上面に配置された第
二、第三および第四の上部電極を有し、前記二次元アレイの前記第一の列内の圧電素子の
前記集合の前記第二の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合され、当該トランスデュ
ーサはさらに:
第二の導体を有し、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の部分の前記第三および
第四の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合される、
請求項1に記載のトランスデューサ。 - 第三の導体であって、前記二次元アレイの第二の列内の圧電素子の部分の前記第一およ
び第二の上部電極は前記第三の導体に電気的に結合される、第三の導体と;
第四の導体であって、前記二次元アレイの第二の列内の圧電素子の部分の前記第三およ
び第四の上部電極は前記第四の導体に電気的に結合される、第四の導体とをさらに有して
おり、
前記第一の導体は前記第三の導体に電気的に結合され、前記第二の導体は前記第四の導
体に電気的に結合されている、
請求項18に記載のトランスデューサ。 - 各圧電素子は第一および第二のサブ圧電素子を含み、前記第一および第二のサブ圧電素
子のそれぞれは上部電極および下部電極を含み、前記第一のサブ圧電素子の下部電極は前
記第二のサブ圧電素子の下部電極に電気的に結合され、列内のすべての第一の圧電素子の
上部電極を導体が接続し、行内の前記第二のサブ圧電素子のすべての上部電極を別の導体
が接続し、下部電極を接続している導体は、前記アレイ内のすべての圧電素子に接続され
ている、請求項1に記載のトランスデューサ。 - 第一のサブ圧電素子からなる各列が受信器に接続され、第二のサブ圧電素子からなる別
の列が、送信モードまたは受信モードにおいて交互に動作させられる、請求項5に記載の
トランスデューサ。 - 第一のサブ圧電素子からなる各行が受信器に接続され、第二のサブ圧電素子からなる別
の列が、送信モードまたは受信モードにおいて交互に動作させられる、請求項20に記載
のトランスデューサ。 - 送信ドライバ回路のアレイを有する特定用途向け集積回路(ASIC)チップをさらに
有しており、各送信ドライバ回路は、圧電素子の前記二次元アレイの対応する圧電素子の
下部電極に電気的に結合されており、
前記特定用途向け集積回路(ASIC)チップにおける送信ドライバ回路の数は圧電素
子の前記二次元アレイにおける前記圧電素子の数と同じである、
請求項1に記載のトランスデューサ。 - 前記圧電素子の前記二次元アレイが配置される基板をさらに有しており、
前記第一の導体は前記基板および特定用途向け集積回路(ASIC)チップの少なくと
も一方に堆積された金属導体層である、
請求項23に記載のトランスデューサ。 - 前記圧電素子によって送信される圧力波の一部を吸収するよう構成された、前記特定用
途向け集積回路(ASIC)チップ上に配置された層をさらに有する、
請求項23に記載のトランスデューサ。 - 各送信ドライバ回路が、単極性信号、マルチレベル信号およびチャープ信号のうちの少
なくとも一つを送信するよう構成されている、請求項23に記載のトランスデューサ。 - 前記特定用途向け集積回路(ASIC)チップが、圧電素子に信号を送信すること、圧
電素子から信号を受信すること、圧電素子から受信された信号を増幅すること、圧電素子
をポーリングすることおよび外部の電子システムと通信することのうちの少なくとも一つ
を実行する、請求項23に記載のトランスデューサ。 - 前記特定用途向け集積回路(ASIC)チップが、一つまたは複数の相互接続バンプに
よって圧電素子の前記二次元アレイと統合されている、請求項23に記載のトランスデュ
ーサ。 - 前記特定用途向け集積回路(ASIC)チップが、電荷感知モードで動作する低雑音増
幅器(LNA)を含む、請求項23に記載のトランスデューサ。 - 前記低雑音増幅器(LNA)がプログラム可能な利得をもつ、請求項29に記載のトラ
ンスデューサ。 - 前記利得が、時間利得補償を提供するようリアルタイムで構成設定可能である、請求項
30に記載のトランスデューサ。 - 前記特定用途向け集積回路(ASIC)チップが通信のためにシリアル周辺インターフ
ェース(SPI)モードを利用する、請求項23に記載のトランスデューサ。 - 前記特定用途向け集積回路(ASIC)チップが少なくとも一つの送信信号線および少
なくとも一つの受信信号線を含み、前記少なくとも一つの送信信号線および前記少なくと
も一つの受信信号線が外部の電子装置との通信のための一本のワイヤ上で多重化される、
請求項31に記載のトランスデューサ。 - 前記撮像デバイスの温度を測定するための少なくとも一つの温度センサーをさらに有す
る、
請求項31に記載のトランスデューサ。 - 前記特定用途向け集積回路(ASIC)チップが低雑音増幅器(LNA)を含み、前記
少なくとも一つの温度センサーから温度データを受信し、該温度データを使って、温度を
下げるよう送信および受信動作を調整する、請求項25に記載のトランスデューサ。 - 一フレームにおいて送信される列の数が減らされる、請求項32に記載のトランスデュ
ーサ。 - 低雑音増幅器(LNA)およびチャネル毎の他の受信回路からなる受信チャネルの数が
、温度を下げるために電源を切ることによって減らされる、請求項35に記載のトランス
デューサ。 - 温度を下げるためにフレームレートが減らされる、請求項26に記載のトランスデュー
サ。 - 前記送信ドライバ回路の一つが単極性である、請求項23に記載のトランスデューサ。
- 前記送信ドライバ回路の一つが、等しいオンおよびオフ時間と、対称的な立ち上がりお
よび立ち下がり時間とをもつ信号を生成するよう構成されている、請求項23に記載のト
ランスデューサ。 - 前記送信ドライバの一つがプログラム可能であり、過剰な加熱なしにトランスデューサ
からの音響パワーを最大化するよう設計される、請求項23に記載のトランスデューサ。 - 前記圧電素子のうちの一つの圧電素子の形状が、前記圧電素子のうちの別の圧電素子の
形状と異なる、請求項1に記載のトランスデューサ。 - 前記圧電素子のうちの一つの圧電素子のサイズが、前記圧電素子のうちの別の圧電素子
のサイズと異なる、請求項1に記載のトランスデューサ。 - 前記圧電素子のそれぞれが、横モードで振動する圧電ミクロ機械加工超音波トランスデ
ューサ(pMUT)である、請求項1に記載のトランスデューサ。 - 撮像される対象に面する前記圧電アレイ上に配置され、前記圧電素子と撮像される物体
との間のインピーダンス不整合を軽減するよう構成された層をさらに有する、
請求項1に記載のトランスデューサ。 - 前記層が室温加硫(RTV)材料でできている、請求項45に記載のトランスデューサ
。 - 前記層の厚さが前記圧電素子によって生成される圧力波の波長の四分の一である、請求
項45に記載のトランスデューサ。 - 前記第一の導体が、動作中、DCバイアス電圧に電気的に結合される、請求項1に記載
のトランスデューサ。 - 前記下部電極が信号導体であり、送信回路および受信回路の一方に接続され、前記上部
電極が接地を含むDCバイアス源に接続される、請求項1に記載のトランスデューサ。 - 前記送信回路および受信回路のそれぞれが集積回路である、請求項29に記載のトラン
スデューサ。 - 撮像デバイスであって:
圧電素子の二次元アレイであって、圧電素子の前記二次元アレイの各圧電素子は少なく
とも一つのサブ圧電素子を含み、
圧電層;
前記圧電層の下側に配置された下部電極;および
前記圧電層の上側に配置された第一および第二の上部電極を有する、二次元アレイと
;
第一の導体であって、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の一部の前記第一の上
部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている、第一の導体と;
前記第一の導体に電気的に結合され、前記第一の導体を通じて受信された信号を処理す
るよう構成された第一の電気回路と;
第二の導体であって、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の一部の前記第二の上
部電極は前記第二の導体に電気的に結合されている、第二の導体と;
第一の端部および第二の端部をもつスイッチであって、前記第一の端部は前記第二の導
体に電気的に結合されている、スイッチと;
信号を処理するための第二の電気回路と;
前記第二の導体に信号を送るための送信ドライバとを有しており、前記スイッチの前記
第二の端部は、前記第二の電気回路および前記送信ドライバの一方に選択的に結合される
、
撮像デバイス。 - 前記第一および第二の電気回路が低雑音増幅器を含む、請求項51に記載の撮像デバイ
ス。 - 撮像デバイスであって:
圧電素子の二次元アレイであって、圧電素子の前記二次元アレイの各圧電素子は少なく
とも一つのサブ圧電素子を含み、圧電層;前記圧電層の下側に配置された下部電極;およ
び前記圧電層の上側に配置された第一および第二の上部電極を有する、二次元アレイと;
第一の導体であって、前記二次元アレイの第一の行内の圧電素子の一部の前記第一の上
部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている、第一の導体と;
前記第一の導体に電気的に結合され、前記第一の導体を通じて受信された信号を処理す
るよう構成された第一の電気回路と;
第二の導体であって、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の一部の前記第二の上
部電極は前記第二の導体に電気的に結合されている、第二の導体と;
第一の端部および第二の端部をもつスイッチであって、前記第一の端部は前記第二の導
体に電気的に結合されている、スイッチと;
信号を処理するための第二の電気回路と;
前記第二の導体に信号を送るための送信ドライバとを有しており、前記スイッチの前記
第二の端部は、前記第二の電気回路および前記送信ドライバの一方に選択的に結合される
、
撮像デバイス。 - 前記第一および第二の電気回路が低雑音増幅器を含む、請求項53に記載の撮像デバイ
ス。 - 第一の基板および第二の基板を有する撮像デバイスであって、
前記第一の基板は:
圧電素子の二次元アレイを有し、圧電素子の前記二次元アレイの各圧電素子は:
圧電層と;
前記圧電層の下側に配置された下部電極と;
前記圧電層の上側に配置された第一および第二の上部電極と;
それぞれ前記第一および第二の上部電極に電気的に結合された第一および第二の導
体とを有しており;
前記第二の基板は:
回路素子の二次元アレイを有し、回路素子の前記二次元アレイの各回路素子は:
圧電素子の前記第一の導体に電気的に結合され、前記第一の導体を通じて受領され
る信号を処理するよう構成された第一の電気回路と;
第一の端部および第二の端部をもつスイッチであって、前記第一の端部は圧電素子
の前記第二の導体に電気的に結合されている、スイッチと;
信号を処理するための第二の電気回路と;
前記第二の導体に信号を送るための送信ドライバとを有しており、前記スイッチの
前記第二の端部は、前記第二の電気回路および前記送信ドライバの一方に選択的に結合さ
れる、
撮像デバイス。 - 複数の圧電素子を制御するための回路であって:
複数の圧電素子のうちの一つまたは複数に駆動信号を伝送するための第一の導体と;
前記複数の圧電素子のうちの一つまたは複数からセンサー信号を伝送するための第二の
導体とを有しており、
前記複数の回路素子の各回路素子は:
前記第二の導体および圧電素子の第一の電極に電気的に結合された第一の端部をもつ
第一のスイッチと;
第一の端部および第二の端部をもつ第二のスイッチであって、前記第二のスイッチの
前記第一の端部は前記第一の導体に電気的に結合されている、第二のスイッチと;
前記第二のスイッチの前記第二の端部に電気的に結合され、前記第二のスイッチの前
記第二の端部を通じて前記駆動信号を受信すると圧電素子の第一の電極に信号を送信する
よう構成された送信ドライバと;
第一および第二の端部をもつ第三のスイッチであって、前記第三のスイッチの前記第
一の端部は前記第二のスイッチの前記第二の端部に電気的に結合され、前記第三のスイッ
チの前記第二の端部は圧電素子の電極に電気的に結合される、
回路。 - 前記第二の導体が、前記複数の圧電素子の動作中、DCバイアス電圧に電気的に結合さ
れる、請求項56に記載の回路。 - 第三の導体をさらに有しており、
前記複数の回路素子の各回路素子がさらに、第一の端部および第二の端部をもつ第四の
スイッチを有しており、前記第四のスイッチの前記第一の端部は前記第三の導体に電気的
に結合され、前記第四のスイッチの前記第二の端部は圧電素子の第三の電極に電気的に結
合される、
請求項56に記載の回路。 - 前記第三の導体が、前記複数の圧電素子の動作中、DCバイアス電圧に電気的に結合さ
れる、請求項58に記載の回路。 - 前記第二の導体に電気的に結合され、前記第二の導体を通じて受領される信号を処理す
るよう構成された電気回路をさらに有する、
請求項56に記載の回路。 - 特定用途向け集積回路(ASIC)チップに電気的に結合されている圧電素子をポーリ
ングする方法であって、前記圧電素子は、下部電極と、前記下部電極上に配置された圧電
層と、前記圧電層上に配置された第一および第二の上部電極とを含み、当該方法は:
前記下部電極を接地に電気的に接続する段階と;
前記第一の上部電極に正電圧を印加する段階と;
前記第二の上部電極に負電圧を印加する段階と;
前記圧電素子を長時間にわたってある温度にさらし、それにより前記第一の上部電極の
下にある前記圧電層の第一の部分が第一の向きにポーリングされ、前記第二の上部電極の
下にある前記圧電層の第二の部分が前記第一の向きとは逆の第二の向きにポーリングされ
る、段階とを含む、
方法。 - 撮像デバイスであって:
圧電素子の二次元アレイであって、各圧電素子は、少なくとも一つのサブ圧電素子を含
み、
圧電層;
前記圧電層の下側に配置された下部電極;および
前記圧電層の上側に配置された第一の上部電極を有する、二次元アレイと;
圧電素子の前記二次元アレイを駆動するための回路のアレイを有する特定用途向け集積
回路(ASIC)チップとを有しており、前記回路のそれぞれは対応する圧電素子に電気
的に結合されており、
前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の一部を含む当該撮像デバイスの第一の列ま
たはラインが、前記二次元アレイの前記第一の列内の圧電素子の前記一部を制御する前記
回路の部分を同時にオンにすることによって形成される、
撮像デバイス。 - 前記特定用途向け集積回路(ASIC)チップにおける前記送信ドライバ回路の数が、
圧電素子の前記二次元アレイにおける圧電素子の数以下である、請求項62に記載の撮像
デバイス。 - 前記二次元アレイの第二の列内の圧電素子の一部を含む第二のラインが、前記二次元ア
レイの前記第二の列内の圧電素子の前記一部を制御する前記回路の部分をオンにすること
によって形成され、前記第一のラインにおける圧電素子の数は前記第二のラインにおける
圧電素子の数とは異なる、請求項62に記載の撮像デバイス。 - 当該イメージャの前記第一の列またはラインが、前記第一のラインにおける圧電素子が
圧力波を発するよう前記第一のラインに電気信号を加える送信ドライバに結合される、請
求項62に記載の撮像デバイス。 - 当該イメージャの前記第一の列またはラインが、前記第一のラインから電気信号を受領
して該電気信号を処理する受信増幅器に結合される、請求項62に記載の撮像デバイス。 - 前記回路のそれぞれが受信増幅器を含み、
受信モードの間、前記回路の前記受信増幅器に電気的に結合され、前記受信増幅器から
の信号を多重化するよう構成されたマルチプレクサをさらに有する、
請求項62に記載の撮像デバイス。 - 前記マルチプレクサに電気的に結合された受信器アナログフロントエンド(AFE)を
さらに有する、
請求項67に記載の撮像デバイス。 - 前記回路のそれぞれが送信ドライバを含み、
送信モードの間、前記回路の前記送信ドライバに結合され、前記送信ドライバに送られ
るべき信号を多重化するよう構成されたマルチプレクサをさらに有する、
請求項62に記載の撮像デバイス。 - 前記マルチプレクサに電気的に結合された送信ビームフォーマーをさらに有する、
請求項69に記載の撮像デバイス。 - 前記送信ドライバのインピーダンスがプログラム可能であり、過剰な加熱なしにトラン
スデューサからの音響パワーを最大化するよう設計される、請求項69に記載の撮像デバ
イス。 - 第一の期間の間、当該イメージャのすべての列が送信ドライバによって駆動され、前記
送信ドライバは、電子制御のもとにあるスイッチによって接続される一つまたは複数の集
積回路上のいくつかの回路からなり、当該イメージャの各列は受信増幅器に接続され、前
記増幅器はプログラム制御のもとにあるスイッチによって接続されるいくつかの回路から
なる、請求項62に記載の撮像デバイス。 - 前記送信ドライバの諸部分がフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)ベー
スの送信ビームフォーマーにおいて実装される、請求項62に記載の撮像デバイス。 - 受信増幅器の諸部分が、時間利得増幅器、低域通過フィルタ、アナログ‐デジタル変換
器、デジタル・デシメータおよびフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)に
インターフェースされる結果的なデジタル出力を含むアナログフロントエンドにおいて実
装される、請求項62に記載の撮像デバイス。 - 前記圧電素子が、各圧電素子の振動の複数の周波数を含む帯域幅をもつ少なくとも一つ
の超音波波形を送信および受信するよう構成され、圧電素子からの圧力波の送信は、前記
上部電極と下部電極の間での適切な時間期間の電圧パルスの印加によって達成される、請
求項1に記載のトランスデューサ。 - 前記圧電素子が、各圧電素子の振動の複数の周波数を含む帯域幅をもつ少なくとも一つ
の超音波波形を送信および受信するよう構成され、圧電素子からの圧力波の送信は、前記
上部電極と下部電極の間での適切な時間期間の電圧パルスの印加によって達成される、請
求項2に記載のトランスデューサ。 - 当該トランスデューサが送信のみの機能をもつ、請求項76に記載のトランスデューサ
。 - AC駆動電圧の最大正振幅が正の5Vであり、最大負電圧が-5Vであり、両電圧は5
%以内の公差をもつ公称値である、請求項76に記載のトランスデューサ。 - 追加的な列を備え、送信ドライバの振幅が該追加的な列については変わる、請求項76
に記載のトランスデューサ。
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