JP6482539B2 - 切換え動作モードを有する圧電超音波変換器アレイ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に圧電変換器に関し、より詳細には、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）切換え圧電変換器アレイに関する。

変換器アレイは、多くの用途で利用されている。例えば、インクジェット又は３Ｄプリンタ用の印刷ヘッドは、１つの普及した用途である。変換器アレイは、超音波画像化にも用途がある。変換器アレイは、容量性又は圧電性の変換器要素を使用する場合が多い。一般に、圧電変換器要素（変換器）は、経時的に変化する駆動電圧に応答してメンブレンが機械的にたわむことが可能な圧電メンブレンを含む。印刷ヘッドの場合、メンブレンは、インク又は他の流体を制御された方式でチャンバから吐出するように駆動され、超音波圧電変換器デバイスの場合、メンブレンは、閉鎖キャビティ上に配置され、変換器要素の露出した外面に接触する伝搬媒体（例えば、空気、水、又は身体組織）内に高周波数圧力波を発生させるように駆動される。この高周波数圧力波は、他の媒体内へ伝搬することができる。同じ圧電メンブレンが、伝搬媒体からの反射圧力波を受けて、受けた圧力波を電気信号に変換することもできる。その電気信号を駆動電圧信号と共に処理して、伝搬媒体における密度又は弾性率の変動の情報を得ることができる。

圧電メンブレンを用いる多くの変換器デバイスは、バルクの圧電材料を機械的にダイシングすることにより、又は、圧電セラミック結晶を注入したキャリア材料を射出成形することにより形成することができるが、デバイスは、種々の微小機械加工技術（例えば、材料の堆積、リソグラフィによるパターン形成、エッチングによる特徴部の形成、等）を用いて非常に高い寸法公差で安価に製作することができることが有利であり、通常、圧電微小機械変換器（ｐＭＴ）、より具体的には、超音波変換器用に構成された場合には圧電微小機械超音波変換器（ｐＭＵＴ）と呼ばれる。

一次元（１Ｄ）変換器アレイが一般に使用されており、この場合、ｎ個のチャネルが設けられ、ｎ個のチャネルの各々が、ｍ個の変換器を単一集団として電気的に駆動するか又は検知する。アレイの動作中、駆動又は検知モードのｎ個のチャネルのうちの所与のものが、ｍ個の変換器に対して電気的に並列に結合されたチャネル信号ラインから印加された又は検知した電圧を有している。このとき、１Ｄアレイのｎチャネルへの又はｎチャネルからの信号は、時間遅延走査などの多重化技術によってもたらすことができる。

図１Ａは、基板１０１の第１の次元ｘ及び第２の次元ｙで定められた領域にわたって配置された複数のチャネル１１０、１２０、１３０、１４０を有する、１ＤのｐＭＵＴアレイ１００を示す。チャネルの各々（例えば１１０）は、ｎチャネルの１つとして、その他のいずれの駆動／検知チャネル（例えば、１２０又は１３０）から独立に電気的にアドレス指定することができ、この駆動／検知チャネルは、要素１１０Ａ、１１０Ｂ．．．１１０Ｎの各々をアドレス指定する。また、基準（例えば接地）電極レールは、典型的には駆動／検知チャネル・ルーティングの下方の平面内にある。駆動／検知チャネル１１０、１２０は、１Ｄアレイ１００内の繰返しセルを表し、第１の駆動／検知チャネル１１０が第１のバス１２７に結合され、隣接の駆動／検知チャネル１２０が第２のバス１２８に結合されて櫛形フィンガー構造体を形成している。駆動／検知チャネル１３０、１４０は、櫛形ユニット構造体を繰り返し、付加的なセルが任意のサイズ（例えば１２８チャネル、２５６チャネル、等）の１Ｄ電極アレイを形成する。

微小機械変換器内の多くのチャネルを駆動すること及び検知することは、非常に多くのチャネルが、アレイ変換器デバイス（例えば超音波変換器ヘッド、等）と、ＣＭＯＳ内に実装されることが多い電気的制御／サンプリング回路との間に、変換器基板から離れた、多層フレックス組立体のような複雑なデバイス相互接続部を必要とするので、技術的に難しい。かかるアーキテクチャの例として、図１Ｂは、基板１０１上に配置され、基板１０１から離れて延びるフレックスケーブルによってＡＳＩＣ（ＣＭＯＳ）コントローラ１１２に結合された、１Ｄ ｐＭＵＴアレイ１００の側断面図を示す。かかるアーキテクチャでは、変換器デバイスアレイ及び／又は変換器要素相互接続部における複雑さの増大により、アレイ基板がかなりオーバーヘッドとして費やされることになるので、固定された単一動作モードが変換器アレイの物理的アーキテクチャとして設計されることになる。しかしながら、かかる固定された単一動作モードは、変換器デバイスの性能及び／又は用途を不都合なほど制限する可能性がある。

従って、デバイス相互接続部、多層フレックス組立体等の複雑性の増大は最小限にとどめながら多重モードアレイ動作を可能にする、変換器アレイ構造体、アーキテクチャ、及び技術が有利である。

切換え微小機械変換器アレイが本明細書で説明される。スイッチは、例えばパスゲートの場合のように、直列スイッチとすることができる。一実施形態において、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ又は継電器は、変換器要素と共に集積される。実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、変換器アレイと同じ基板内、又は変換器アレイの基板に接合された別個の基板内に実装されており、１又は２以上の回路トポロジ切換え機能、論理ゲート、シフトレジスタ、変換器制御、又は変換器要素アドレス指定機能といった機能の全てを、相互接続部を通じて変換器アレイ基板に結合されたＣＭＯＳ ＡＳＩＣに委ねるのではなく、むしろこれら機能を実装するようになっている。実施形態において、アレイの１又は２以上の第１の圧電変換器要素は、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチによってアレイの１又は２以上の第２の圧電変換器要素に接続されて、切換え可能なアレイの動作モードを提供する。特定の実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、変換器において使用されるのと同じ圧電材料を使用する。他の実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、容量性、静電気的又は電磁気的であり、一方、変換器は容量性又は圧電性である。

実施形態において、１又は２以上のスイッチに結合したスイッチコントローラは、所与の時刻に、スイッチのうちの１又は２以上を作動させて、１又は２以上の検知又は駆動回路を特定の電気的トポロジで相互接続された変換器要素に結合させる。実施形態において、アレイの所与のチャネル内の１つの変換器要素又は複数の要素を、１又は２以上のスイッチによって、電気的に並列の回路構成と直列の回路構成との間で切り換えることができる。かかる特定の実施形態において、変換器アレイは、チャネルの電気的に並列な変換器が検知モードの場合よりも多い、駆動モードで動作する。さらなる実施形態において、チャネル内の全ての変換器が、駆動動作モードの間、電気的に並列であり、次いで、変換器のうちの１又は２以上が、検知動作モードの間、電気的に直列に切り換えられる。さらなる実施形態において、スイッチコントローラは、変換器アレイの基板から分離した基板上にＣＭＯＳ論理によって実装される。さらなる実施形態において、単一のスイッチ制御信号ラインが、変換器アレイ内の複数の別個のチャネルにわたって変換器の相互接続を制御するＭＥＭＳスイッチに結合される。

本発明の実施形態は、添付の図面に、限定ではなく例示の目的で示される。

複数の変換器を有する、従来の１Ｄ微小機械変換器アレイの平面図である。 図１Ａに示された１Ｄ微小機械変換器アレイを有し、フレックスケーブルによってコントローラＡＳＩＣに結合された基板の側断面図である。 実施形態による、同じ基板上にＭＥＭＳスイッチと共に集積された変換器アレイを有し、フレックスケーブルによってコントローラＡＳＩＣに結合された、基板の側断面図である。 実施形態による、変換器を有する第１の基板がＭＥＭＳスイッチを有する第２の基板に接合されて３Ｄ集積デバイスを形成し、これがフレックスケーブルによってコントローラＡＳＩＣに結合された、その側断面図である。 変換器アレイを有する第１の基板が、ＭＥＭＳスイッチを有する第２の基板に接合され、これがＣＭＯＳ基板に接合された、その側断面図である。 一実施形態による、第１の動作モードの多重モード変換器アレイ回路トポロジの略図である。 一実施形態による、第２の動作モードの多重モード変換器アレイ回路トポロジの略図である。 一実施形態による、１又は２以上のスイッチ状態に対応する送信モードと受信モードとの間で切り換わる多重モード変換器アレイを示すタイミング図である。 一実施形態による、２つの隣接する変換器の極性反転のために構成された切換え可能な変換器チャネルアレイの略図である。 一実施形態による、変換器アレイのチャネル内の２つの隣接する変換器の極性を反転するための、パスゲートを用いた四方ＭＥＭＳスイッチの例示的な実装の略図である。 一実施形態による、複数の変換器チャネルにわたってＭＥＭＳスイッチに結合したスイッチ制御ラインを示す略図である。 一実施形態による、変換器アレイを複数のモードで動作させる方法の流れ図である。 １又は２以上のＭＥＭＳスイッチを変換器アレイの駆動動作と検知動作との間で切り換える方法の流れ図である。 一実施形態による、１又は２以上のＭＥＭＳスイッチを、並列である複数の変換器を駆動するように、及び、複数のうちの少なくとも幾つかが直列である複数の変換器を検知するように切り換える方法の流れ図である。 実施形態による、ＭＥＭＳ切換え可能ｐＭＵＴアレイにおいて使用される圧電変換器要素の断面図である。 実施形態による、ＭＥＭＳ切換え可能ｐＭＵＴアレイにおいて使用される圧電変換器要素の断面図である。 実施形態による、ＭＥＭＳ切換え可能ｐＭＵＴアレイにおいて使用される圧電変換器要素の断面図である。 実施形態による、ＭＥＭＳ切換え可能ｐＭＵＴアレイにおいて使用される圧電ＭＥＭＳスイッチ要素の断面図である。 本発明の一実施形態による、微小機械圧電アレイを使用する超音波画像化システムの機能的ブロック図である。

以下の説明において、種々の詳細が記述される。しかしながら、本発明はこれらの特定の詳細がなくても実施することができることが当業者には明らかである。幾つかの例において、周知の方法及びデバイスは、本発明を不明瞭にすることを避けるために、詳細には示さずブロック図の形態で示される。本明細書全体を通じて、「一実施形態」又は「１つの実施形態において」への言及は、その実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、機能、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。それゆえ、本明細書全体を通じて種々の箇所における「一実施形態における」という語句の出現は、必ずしも本発明の同じ実施形態を指すわけではない。さらに、特定の特徴、構造、機能、又は特性は、１又は２以上の実施形態において任意の適切な方式で組み合わせることができる。例えば、第１の実施形態は、第２の実施形態と、これら２つの実施形態が互いに排他的でない限りは組み合わせることができる。

「結合された」及び「接続された」という用語は、それらの派生語と共に、構成要素間の構造的関係を説明するために本明細書において用いることができる。これらの用語は、互いに同義語であることを意図したものではないことを理解されたい。むしろ、特定の実施形態において、「接続された」は、２つ又はそれ以上の要素が互いに直接的な物理的又は電気的接触状態にあることを示すために用いられる。「結合された」は、２つ若しくはそれ以上の要素が互いに直接的な又は間接的な（それらの間に他の介在する要素を伴う）物理的又は電気的接触状態にあること、及び／又は、２つ若しくはそれ以上の要素が互いに協働する若しくは相互作用する（例えば因果関係がある）ことを示すために用いることができる。

切換え可能変換器要素を含む切換え微小機械変換器アレイが、本明細書で説明される。特定の実施形態の特徴は、本明細書においては、ＭＥＭＳスイッチを有するｐＭＴの種々の動作モードを構成することを背景として論じられる。しかしながら、かかる議論は、異なる実施形態により、多様な付加的な又は代替的なタイプのスイッチ要素のいずれかを用いてかかる動作モードを構成することに適用すべく拡張することができる。限定ではなく例示の目的で、一実施形態によるｐＭＵＴ構成（例えば再構成を含む）は、１又は２以上のＭＥＭＳ継電器、ソリッドステート継電器、小型化電気機械式継電器及び／又は同様のもののいずれかの動作を含むことができる。

実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、アレイの変換器要素（変換器）と共に集積される。１つの実施形態において、１又は２以上のＭＥＭＳスイッチは、複数の変換器を選択的に相互接続して１つより多い相互接続アーキテクチャとするために使用される。かかる特定の実施形態において、１又は２以上のＭＥＭＳスイッチは、第１のモードの間、変換器のうちの少なくとも幾つかを電気的に並列に相互接続し、次いで第２のモードの間、変換器のうちの少なくとも幾つかを電気的に直列に相互接続するために使用される。多重チャネルアレイの各チャネルに関連付けられたＭＥＭＳスイッチは、１又は２以上のスイッチ制御信号によってさらに制御することができ、それにより変換器アレイに対する相互接続ルーティングの要求が削減され、そして、アレイが駆動／検知及び／又はスイッチ制御回路の基板とは別個の基板上に作製される場合には、基板間のケーブル組立体の帯幅を、切換え可能変換器要素を持たない場合の幅と比べて最小にすることができる。図１Ｃは、実施形態による、基板１０１上にＭＥＭＳスイッチ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｎと共に集積された変換器要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｎを含む微小機械変換器アレイを有し、次にこれがフレックスケーブルによってコントローラＡＳＩＣ２１２に結合された、基板１０１の側断面図である。かかる実施形態の場合、ＡＳＩＣ２１２は、変換器要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｎの超音波駆動及び検知モードに関連付けられた信号の送信及び受信の両方を行うように、並びに、さらにＭＥＭＳスイッチ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｎの切換えを制御するように動作可能である。

実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、３Ｄ集積技術により変換器アレイと共に集積されることができる。かかる実施形態の場合、ＭＥＭＳスイッチを有する基板は、微小機械変換器アレイを有する基板にウェハレベル又はチップレベルのいずれかで物理的に接合されるか又は別の方法で固定される。図１Ｄは、実施形態による、変換器要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｎを含む変換器アレイを有する第１の基板１０１が、ＭＥＭＳスイッチ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｎを有する第２の基板１５０に接合されて３Ｄ集積デバイスを形成し、次にこれがフレックスケーブルによってコントローラＡＳＩＣ２１２に結合された、その側断面図である。かかる実施形態の場合、当該分野で知られた任意の接合技術（例えば、共晶層１５５、等）を利用することができる。

実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、３Ｄ集積技術により、微小機械変換器アレイと共に、及びＣＭＯＳ論理と共に集積される。かかる実施形態の場合、ＭＥＭＳスイッチを有する基板は、変換器アレイを有する基板に物理的に固定され、さらにこれがトランジスタ２９９を含むＣＭＯＳ回路が配置された基板に固定される。図１Ｅは、変換器要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｎを含むアレイ（例えばｐＭＵＴアレイ）を有する第１の基板１０１が、ＭＥＭＳスイッチ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｎを有する第２の基板１５０に接合され、これが第３の基板１８０に接合されて３Ｄ集積デバイスを形成し、次にこれがパッケージングされる、その側断面図である。かかる高度に集積された実施形態の場合、パッケージングされたデバイスへのフレックスケーブル接続の複雑さを大いに減らすことができる。この場合にもまた、当該分野で知られた任意の３Ｄ積層技術（例えば、共晶層１５５、ビルドアップ層、等）を利用することができる。

一般に、本明細書で説明される切換え微小機械変換器アレイは、容量性原理及び圧電性原理を含むがそれらに限定されない任意の既知の変換器技術を前提とする。特定の実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、アレイ内の変換器要素の動的に再構成可能な相互接続トポロジを実装するために、変換器アレイの変換原理と同じ原理に依拠する。例えば、変換器アレイが容量性変換器要素を使用している場合、集積されるＭＥＭＳスイッチは容量制御されるスイッチング要素を使用し、圧電変換器アレイの場合、集積されるＭＥＭＳスイッチは、圧電スイッチング要素を使用する。とりわけ、ＭＥＭＳスイッチとアレイ変換器との間で同じ変換原理が共有されている場合でさえ、ＭＥＭＳスイッチの共振周波数が変換器要素の共振周波数とはかなり異なる場合がある（例えば、著しく高い又は低い）また、ＭＥＭＳスイッチとアレイ状変換器との間の共通の変換原理は、ＭＥＭＳスイッチを所与の変換器作製プロセスにほぼ直接的に組み込むという観点から有利ではあるが、ＭＥＭＳスイッチとアレイ変換器とが異なる変換原理に依拠する（例えば、圧電変換器に容量性ＭＥＭＳスイッチが集積される、等）代替的な実施形態もまた可能である。同様に、詳細な説明は、一部には競合技術に対する技術的利点（例えば、圧電変換器は現在、容量性変換器よりも高い感度を達成している）ゆえ、及び一部には説明を分かりやすくする目的で、主として圧電変換器アレイを背景として提示されているが、本明細書で説明される原理は他の既知の変換器技術（例えば、容量、電磁気、等）に容易に適用することができることが当業者には認識されるであろう。

実施形態において、微小機械変換器アレイは、交互動作モードに構成可能な微小機械変換器要素を含む。図２Ａは、一実施形態による、第１の動作モードの多重モード変換器アレイ２１０の略図である。変換器２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｍ、及び２１０Ｎの各々は、設計及び用途に応じて広い周波数帯域内のいずれかの基本共振を有するメンブレン（圧電性、容量性、等）を含む。例示的な実施形態において、メンブレンは、アレイ２１０が圧電微小機械超音波変換器となるように、超音波帯域（例えば、１００ｋＨｚ−１００ＭＨｚ、より特定すれば１ＭＨｚ−５０ＭＨｚ）内の共振を有する。アレイ２１０内で使用されている変換スキームが容量性又は圧電性のどちらであるにせよ、複数の変換器２１０Ａ−２１０Ｎは、発生器２４０によって駆動される一対の電極間に結合されたキャパシタとして電気的に表すことができる。図示したように、電極は、複数のキャパシタを電気的に並列に配置するように相互接続される（すなわち、全ての変換器が同じ上部／駆動電極を共有し、かつ、全ての変換器が同じ下部／基準電極を共有する）。かかる１つの実施形態において、これら並列に相互接続されたキャパシタは、多重チャネルアレイ内の１つのチャネルの少なくとも一部を形成する。例示的な実施形態において、多重チャネルアレイ内の所与のチャネルの全ての変換器は、そのチャネルの送信（Ｔｘ）モードの間、電気的に並列に構成される。

図２Ｂは、一実施形態による、第２の動作モードのアレイ２１０の略図である。図示したように、変換器２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｍ、及び２１０Ｎは、複数のキャパシタのうちの少なくとも幾つかを電気的に直列に配置するように相互接続された電極を有する（すなわち、１つの変換器の下部／検知電極が、別の変換器の上部／駆動電極に結合される）。かかる１つの実施形態において、多重チャネルアレイ内の１つのチャネルは、直列に相互接続されたキャパシタを含む。一般に、直列回路トポロジにおいて、第１の動作モード（例えば図２Ａに示す）の並列トポロジにおいて存在するよりも少なくとも１つ少ない、他の変換器と並列な変換器が存在する。任意の数の変換器を相互接続して任意の並列／直列構成にすることができ、特定の実施形態においては、第１のモードにおいて並列である全ての変換器が、第２のモードにおいて純粋に直列構成に相互接続される。図２Ｂに示される例示的な実施形態において、複数の変換器の第１のサブセット（例えば、変換器２１０Ａ及び２１０Ｂ）は、電気的に並列なそれぞれの電極対を有し、複数の変換器の第２のサブセット（例えば、変換器２１０Ｍ及び２１０Ｎ）も同様である。第１及び第２のサブセットは、次いで、検知回路２４１の両端間の並列−直列配置のために直列に構成される。この例示的な実施形態において、多重チャネルアレイ内の所与のチャネルの必ずしも全ての変換器が、そのチャネルの受信（Ｒｘ）モードの間、電気的に並列に構成されるわけではない。かかる特定の実施形態において、変換器の第１及び第２のサブセットの各々は、Ｔｘモードの間に電気的に並列に相互接続される変換器の総数の半分を含む（例えば、多重チャネルアレイの所与のチャネル内の変換器の半数）。もちろん、チャネル内の複数の変換器を、切換えの複雑さの増大に伴って、より多くの数のサブセットに分割することもできる。

実施形態において、変換器アレイは、変換器に電気的に相互接続された１又は２以上のスイッチによって動作モード間で切り換えられる。一般に、１又は２以上のスイッチは、少なくとも第１の状態と第２の状態との間で電気的に切換え可能である。第１の状態において、１又は２以上のスイッチは、複数のうちの少なくとも２つの変換器を電気的に並列に相互接続し、第２の状態において、１又は２以上のスイッチは、該少なくとも２つの変換器を電気的に直列に相互接続する。例えば、特定の実施形態において、１又は２以上のスイッチは、図２Ａ及び図２Ｂに示すチャネル変換器のためにＴｘモード（例えば、第１の状態のスイッチ）とＲｘモード（例えば、第２の状態のスイッチ）との間で切り換えるためのものである。

図２Ｃは、一実施形態による、１又は２以上のスイッチの状態に対応する送信モードと受信モード（例えば、図２Ａ及び図２Ｂ）間で切り換わる多重モード変換器アレイを示すタイミング図である。時刻ｔ０において、チャネル内の複数の変換器のうちの２つ又はそれ以上を相互接続する１又は２以上のスイッチＳＷｃｈは、第１の状態（例えばロジックロー）から第２の状態（例えばロジックハイ）へ切り換えられる。第２の状態のスイッチＳＷｃｈにより、以前（時刻ｔ０以前）は並列に構成されていた、対応して送信モードに有利な高いチャネルキャパシタンス（Ｃｃｈ）及び低いチャネルインピーダンス（Ｚｃｈ）を有していた変換器は、再接続されて、少なくとも一部は直列である、対応して信号受信モードに有利なより低いチャネルキャパシタンス（Ｃｃｈ）及びより高いチャネルインピーダンス（Ｚｃｈ）を有する回路トポロジになる。

Ｔｘモードにおいて、変換器の並列相互接続は、比較的高い電流にて比較的小さい電圧で励振を可能にし、一方、Ｒｘモードにおける、より直列的な変換器の相互接続は、比較的低い電流出力にて比較的高い出力電圧を可能にする。例えば、あるｍ個の変換器は、時刻ｔ０において、Ｔｘモード用の互いに並列な構成から、Ｒｘモード用の互いに直列な構成に移行することができる。同じ特性を有するｍ個の変換器の理想化された例において、ｍ個の変換器にわたる総キャパシタンスＣｃｈは、Ｔｘモード用のキャパシタンス値Ｃ₁から、Ｒｘモード用の比較的小さいキャパシタンス値Ｃ₁／ｍ²へ移行することができる。対照的に、ｍ個の変換器にわたる総インピーダンスＺｃｈは、Ｔｘモード用のインピーダンス値Ｚ₁からＲｘモード用の比較的大きいインピーダンス値Ｚ₁・ｍ²へ移行することができる。対応して、ｔ０におけるＴｘモードからＲｘモードへの移行は、ｍ個の変換器を通る電流レベルを少なくとも初期には係数（１／ｍ）で低減させ、及び／又は、ｍ個の変換器にわたる電圧レベルを少なくとも初期には係数ｍで増大させることができる。

時刻ｔ１において、スイッチは、例えば別の送信サイクルのために第１の状態に戻る。低インピーダンスで低電圧の送信モードと高インピーダンスで高電圧の受信モードとの間の切換えは、より高い性能（例えば、低ノイズ検知）を可能にし、例えば信号検知増幅器回路の設計において、より高い自由度を提供する。

図３Ａは、変換器２１０Ｂの電極対を変換器２１０Ｍの電極対と並列又は直列のいずれかに相互接続するように構成することができる回路３１０を示す。変換器２１０Ｂ、２１０Ｍは、一実施形態において圧電性とすることができ、このとき極性は並列構成と直列構成との間での切り換えの要因にはならない。回路３１０は、互いに同様の切換え動作を提供するためのＳ１スイッチと、Ｓ１スイッチの切換え動作と相補的な切換え動作を提供するためのスイッチＳ２とを含むことができる。例えば、Ｓ１スイッチは、あるスイッチ信号に基づいて両方とも同時に同じ閉（又は開）状態になることができ、一方、回路３１０のスイッチＳ２は、そのスイッチ信号に基づいて相補的に開（又は閉）状態になる。かかるスイッチ信号は、例えば、図２ＣのＳＷｃｈを含むことができる。

回路３１０において、変換器２１０Ｂ、２１０Ｍのそれぞれの基準電極は、いかなるスイッチ／継電器にも依らずに互いに結合することができ、他方、変換器２１０Ｂ、２１０Ｍのそれぞれの駆動／検知電極は、Ｓ１スイッチを介して互いに結合することができる。別のＳ１スイッチは、変換器２１０Ｂ、２１０Ｍのそれぞれの基準電極と変換器２１０の駆動／検知電極との間で、Ｓ２スイッチと直列に結合することができる。Ｔｘ動作モードにおいて、回路３１０のＳ１スイッチを閉じ、Ｓ２スイッチを開くことができ、その結果、変換器２１０Ｂ、２１０Ｍは互いに並列に結合される。対照的に、Ｒｘ動作モードは、回路３１０のＳ１スイッチが開かれ、Ｓ２スイッチが閉じられることを含み、変換器２１０Ｂ、２１０Ｍを互いに直列に結合する。

当該分野で知られた任意の技術を本明細書で説明される１又は２以上のスイッチに利用することができるが、スイッチ技術は、例示的な実施形態において、変換器アレイ基板に適合し、かつ変換器の作製に使用される操作に適合するものである。１つの例示的な実施形態において、変換器アレイの動作モードを切り換えるために利用される１又は２以上のスイッチは、ＭＥＭＳスイッチである。単一のＭＥＭＳスイッチは、少なくとも切換え部材の電気機械技術に応じて、常時閉（ＮＣ）又は常時開（ＮＯ）いずれかである切換え部材、すなわちスロー（ｔｈｒｏｗ）を含むことができる。実施形態に応じて、静電気的、圧電的及び電磁気的技術のいずれかを利用して、ＭＥＭＳスイッチ内の切換え部材の横方向又は垂直方向のたわみを達成することができる。また実施形態に応じて、ＭＥＭＳスイッチの切換え周波数は、ＭＥＭＳスイッチ機能の関数として非常に広範囲に変更することができる。１つの実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、マイクロ秒又はそれより優れた作動時間を有するＲＦ又はマイクロ波ＭＥＭＳスイッチである。ＭＥＭＳスイッチは、変換器要素の帯域幅内の全ての周波数を容量結合するのに十分な小さいキャパシタンスを有する容量性スイッチとすることできる。容量性スイッチの実施形態は、オーム性ＭＥＭＳスイッチの実施形態に比べて、動作の障害許容力、製造性などに関して有利である。オーム性接触に基づくＭＥＭＳスイッチは、非ゼロＤＣ値の高電圧パルスが送信される変換器「駆動」モードには有利である。とはいえ、本明細書で使用される実施例のＭＥＭＳスイッチは、閉状態において金属間接点を作るオーム性スイッチとして実装することもできる。容量性スイッチ又はオーム性スイッチのどちらの実施形態であっても、ＭＥＭＳスイッチは、切り換えられる極（pole）間の導電路が開スイッチ状態における大きいインピーダンスから閉スイッチ状態における低インピーダンス（例えば短絡）への変化を経るようにさせるものである。実施形態において、基準電極及び駆動／検知電極のうちの少なくとも一方が、変換器部材が配置された基板と同じ基板上に実装されたＭＥＭＳスイッチの極に結合される。換言すれば、ＭＥＭＳスイッチは、変換器基板上にモノリシックに集積される。かかるＭＥＭＳスイッチは、１又は２以上の圧電的、静電気的又は電磁気的切換え部材を使用し、本明細書の別の箇所でさらに説明するように、１つの例示的な圧電変換器の実施形態の場合、ＭＥＭＳスイッチは、変換器と同じ圧電材料を使用する。

図３Ａに示す方式で変換器電極の相互接続を切り換えるように実装することができる多くのスイッチアーキテクチャが存在するが、図３Ｂは、かかる切換えを使用するための別の技術のさらなる例証を提示する。図３Ｂに示すように、回路３１１は、変換器２１０Ｂ’の電極対を変換器２１０Ｍ’の電極対と並列又は直列のいずれかで相互接続するように構成することができる。回路３１１は、互いに同様の切換え動作を提供するためのＳ１スイッチと、互いに同様ではあるがＳ１スイッチの切換え動作と相補的な切換え動作を提供するためのＳ２スイッチとを含むことができる。例えば、Ｓ１スイッチは、あるスイッチ信号に基づいて両方とも同時に同じ閉（又は開）状態になることができ、一方、回路３１１のスイッチＳ２は各々、そのスイッチ信号に基づいて相補的に開（又は閉）状態になる。

回路３１１において、変換器２１０Ｂ’、２１０Ｍ’のそれぞれの基準（例えば接地）電極は、１つのＳ１スイッチを介して互いに結合することができ、変換器２１０Ｂ’、２１０Ｍ’のそれぞれの駆動／検知電極もまた、１つのＳ１スイッチを介して互いに結合することができる。１つのＳ１スイッチは、変換器２１０Ｂ’の基準電極と変換器２１０Ｍ’の基準電極との間で１つのＳ２スイッチと直列に結合することができる。別のＳ２スイッチを、変換器２１０Ｂ’の基準電極と変換器２１０Ｍ’の駆動／検知電極との間にさらに結合することができる。回路３１０の場合と同様に、Ｔｘ動作モードにおいて、回路３１１のＳ１スイッチを閉じ、Ｓ２スイッチを開くことができ、その結果、変換器２１０Ｂ’、２１０Ｍ’は互いに並列に結合される。対照的に、Ｒｘ動作モードは、回路３１１のＳ１スイッチが開かれ、Ｓ２スイッチが閉じられることを含み、変換器２１０Ｂ’、２１０Ｍ’を互いに直列に結合する。

回路３１０及び／又は回路３１１のスイッチＳ１、Ｓ２は、コントローラ（図示せず）に対するものとすることができる。一実施形態において、かかるコントローラは、例えば１又は２以上のＭＥＭＳスイッチの状態を時間の関数として変化させるのに十分な大きさ（例えば、１Ｖ−１００Ｖ）の電圧ステップを伴う１又は２以上の制御信号を与えることができる。第１の実施形態において、かかるコントローラは、例えば制御された高電圧源にさらに結合される、付加的なＭＥＭＳスイッチと共に実装される論理ゲートをさらに含む。かかる実施形態の場合、コントローラは、スイッチＳ１、Ｓ２と共に変換器基板上にモノリシックに集積することができる。第２の実施形態において、コントローラは、変換器基板の外に、例えばＣＭＯＳ ＡＳＩＣ内に実装され、このとき制御信号ラインが変換器基板へ延びている（例えば、フレックスケーブル等の一部として）。

複数の変換器が多重チャネルアレイの１つのチャネルを形成する例えば図３Ｃに示すような実施形態において、アレイの各チャネルは、各チャネル内の変換器が並列である（例えば、１つのチャネル内の全ての変換器が並列である）第１の状態と、各チャネル内の変換器の第１のサブセットと各チャネル内の変換器の第２のサブセットとが直列である（例えば、各チャネル内の変換器の半数が変換器の残りの半数と直列である）第２の状態との間で切換え可能である。各チャネルが同数の変換器を有する特定の実施形態において、各チャネルは、所与のチャネルが所与の期間にわたって動作しているモードの関数として、２つの同一の変換器回路構成（全ての変換器が並列、又は、並列−直列相互接続のために半数の変換器が第２の半数と直列）のうちの一方に切り換えられる。この方式では、各チャネル内の１又は２以上のＭＥＭＳスイッチを作動させるのに同じ制御ラインが同時に利用されるので、変換器アレイ上に配置された多数のスイッチを制御するのに必要な制御ラインをほんの少数にすることができる。図３Ｃは、一実施形態による、多重チャネルアレイ３１２を作り上げている複数の変換器チャネル１１０、１２０、１３０及び１４０にわたってＭＥＭＳスイッチに結合するスイッチ制御ラインを示す略図である。図示したように、第１の制御信号ライン「スイッチｃｎｔｒｌ １」は、チャネル１１０上で変換器を相互接続するＭＥＭＳスイッチ３７２Ａに結合され、同様に、全て対応するチャネル内の変換器を相互接続するスイッチ３７２Ｂ、３７２Ｃ、及び３７２Ｄに結合される。それゆえ、アレイ３１２の動作中に、スイッチコントローラは、「スイッチｃｎｔｒｌ １」の状態を設定して、スイッチ３７２Ａがチャネル１１０の変換器を第１の回路トポロジ（例えば、全て並列）に相互接続するようにさせ、次いで「スイッチｃｎｔｒｌ １」の状態を再設定して、スイッチ３７２Ａがチャネル１１０の変換器を第２の回路トポロジ（例えば、第１のサブセットと第２のサブセットとが直列）に相互接続するようにさせる。スイッチ３７２Ａを設定すると、スイッチ３７２Ｂ−３７２Ｄもまた同じ状態に設定される。次いでアレイ３１２の走査を全てのスイッチ３７２Ａ−３７２Ｄが同じ状態になるように進めることができ、又は代替的に、スイッチ３７２Ａ−３７２Ｄは、アレイの異なるチャネルが走査されるときに状態を切り換えることができる。スイッチの数及び／又は各チャネルによってサポートされる動作モードに応じて、１又は２以上の付加的な制御ライン（例えば、「スイッチｃｎｔｒｌ Ｎ」）を、各チャネル内の種々の変換器を相互接続する他のＭＥＭＳスイッチ（例えば、３７１Ａ−３７１Ｄ）にさらに接続することができる。

幾つかの例示的な多重モードで、切換え可能な微小機械変換器アレイがここで説明され、かかる多重モードアレイを動作させる方法がここで説明される。図４Ａは、一実施形態による、圧電変換器アレイを複数のモードで特定的に動作させる方法４０１の流れ図である。方法４０１は、動作４１０で開始し、ここで圧電変換器要素が、第１の回路トポロジを有する第１の構成で電気的に相互接続される。動作４２０において、例えば超音波帯域での変換器の共振を駆動又は検知するために、駆動又は検知信号が第１の回路トポロジを通じて印加される。動作４３０において、アレイ圧電変換器要素は、第１の回路トポロジとは異なる第２の回路トポロジを有する第２の構成へと電気的に切り換えられる。次いで、動作４４０において、例えば超音波帯域での変換器の共振を駆動又は検知するために、駆動又は検知信号が第２の回路トポロジを通じて印加される。

図４Ｂは、１又は２以上のＭＥＭＳスイッチを変換器アレイの駆動動作と検知動作との間で切り換えるための方法４０２の流れ図である。方法４０２は、例えば、変換器アレイの特定のチャネル内に存在するＭＥＭＳスイッチに適用することができ、さらに、変換器アレイの複数のチャネルにわたる複数のＭＥＭＳスイッチにわたって適用することができる。方法４０２は、動作４１１で開始し、１又は２以上のＭＥＭＳスイッチを第１の状態（例えば、開又は閉）に設定する。動作４２１において、例えば超音波帯域での変換器の共振を駆動又は検知するために、駆動又は検知信号が、第１の状態のＭＥＭＳスイッチによって変換器のチャネルに結合される。動作４３１において、動作４２１で第１の状態に設定されていた１又は２以上のＭＥＭＳスイッチが、第２の（交互の）状態に変更される。動作４４１において、例えば超音波帯域での変換器の共振を駆動又は検知するために、駆動又は検知信号が、第２の状態のＭＥＭＳスイッチによって変換器のチャネルに結合される。

図４Ｃは、一実施形態による、１又は２以上のＭＥＭＳスイッチを切り換えて、並列の複数の変換器を駆動する、及び、複数の変換器のうちの少なくとも幾つかが直列である複数の変換器を検知する方法４０３の流れ図である。方法４０３は、例えば、方法４０１及び４０２のうちの１又は２以上の実行を通じて行うことができる。図４Ｃを参照すると、方法４０３は、動作４１０で開始し、ここでアレイ内のチャネルの圧電変換器（変換器要素）が電気的に並列に相互接続される。動作４２２において、並列の圧電変換器を有するチャネルに駆動信号波形が印加される。次いで、動作４３２において、圧電変換器のうちの少なくとも幾つかが、チャネルの他の変換器と電気的に直列に相互接続される。動作４４２において、チャネル内の幾つかの圧電変換器が他の圧電変換器に対して直列になっているチャネルから、信号が検知される。方法４０３は、次いで動作４５０において、検知した信号を例えば任意の従来技術を用いて処理して画像化することで完了する。

図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、実施形態による、圧電変換器要素の断面図であり、これらの１又は２以上がＭＥＭＳ切換え可能変換器アレイに使用される。図５Ａ−図５Ｃの関連で、個別の変換器要素の例示的な構造的態様をここで簡単に説明する。図５Ａ−図５Ｃに示す構造体は、主として本発明の特定の態様の背景として、及び、本発明の広範な応用可能性を圧電変換器要素構造体の観点でさらに例証するために含められるものであることを認識されたい。図６は、本発明によるＭＥＭＳ切換え可能変換器アレイに使用することができる圧電スイッチ要素の断面図であり、さらに圧電変換器基板への圧電ＭＥＭＳスイッチのモノリシックな集積を例証する。

図５Ａにおいて、凸形変換器要素５０２は、例えばＭＥＭＳスイッチｐＭＵＴアレイの振動する外面の部分を動作中に形成する上面５０４を含む。変換器要素５０２はまた、変換器基板５０１の上面に対して取り付けられた下面５０６も含む。変換器要素５０２は、基準電極５１２と駆動／検知電極５１４との間に配置された凸形又はドーム形の圧電メンブレン５１０を含む。１つの実施形態において、圧電メンブレン５１０は、例えば、平坦な上面上に形成されたドームを有する輪郭転写（ｐｒｏｆｉｌｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ）基板（例えばシリコン）上に、圧電材料粒子を均一層として堆積（例えばスパッタリング）することによって形成することができる。例示的な圧電材料は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）であるが、従来の微小機械加工に適合できる当該分野で既知の任意のもの、例えば、限定はしないが、ドープされたポリメチルメタクリレート（ＰＭＭ）ポリマー粒子、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、単結晶ＰＭＮ−ＰＴ、ＢａＴｉＯ３及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを用いることができる。駆動／検知電極及び基準電極５１４、５１２は、各々、輪郭転写基板上に（例えばＰＶＤ、ＡＬＤ、ＣＶＤ等により）堆積された導電性材料の薄膜層とすることができる。駆動電極層のための導電性材料は、かかる機能に関して当該分野で知られた任意のもの、例えば、限定はしないが、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｉｒ等のうちの１つ若しくはそれ以上、それらの合金（例えば、ＡｄＳｎ、ＩｒＴｉＷ、ＡｄＴｉＷ、ＡｕＮｉ、等）、それらの酸化物（例えば、ＩｒＯ２、ＮｉＯ２、ＰｔＯ２、等）、又は２つ若しくはそれ以上のかかる材料の複合積層体とすることができる。

図５Ａにさらに示すように、幾つかの実装において、変換器要素５０２は、随意に、製造中に支持体及び／又はエッチング停止層として機能することができる二酸化シリコンなどの薄膜層５２２を含むことができる。誘電体メンブレン５２４は、さらに、圧電メンブレン５１０の外部領域において駆動／検知電極５１４を基準電極５１２から絶縁する役割を果たすことができる。垂直に配向された電気的相互接続５２６は、駆動／検知電極５１４を、駆動／検知電極レール５１７を介して、駆動／検知チャネル及び／又はＭＥＭＳスイッチに接続する。同様の相互接続５３２は、基準電極５１２を基準レール５３４に接続する。変換器要素５０２の中心を定める対称軸を持つ穴５４１を有する環状支持体５３６は、圧電メンブレン５１０を変換器基板５０１に機械的に結合する。支持体５３６は、例えば限定はしないが二酸化シリコン、多結晶シリコン、多結晶ゲルマニウム、ＳｉＧｅなどのような任意の従来の材料とすることができる。支持体５３６の例示的な厚さは、１０−１００μｍの範囲にあり、メンブレン５２４の例示的な厚さは１−１５μｍの範囲にあり、基本共振が超音波帯域にある、例えば１〜５０ＭＨｚの実施形態の場合、メンブレン５１０の例示的な直径は１０−２００μｍの範囲にある。

図５Ｂは、変換器要素５４２のための別の例示的な構成を示し、ここで変換器要素５０２の構造体と機能的に類似の構造体は同様の参照符号で識別される。変換器要素５４２は、静止状態で凹形の凹形圧電メンブレン５５０を示す。駆動／検知電極２１４は、凹形圧電メンブレン５５０の下面の下方に配置され、一方、基準電極５１２は、上面の上方に配置され、基準電極レール５１７に結合される。

図５Ｃは、変換器要素５８２のための別の例示的な構成を示し、ここで変換器要素５０２の構造体と機能的に類似の構造体は同様の参照符号で識別される。変換器要素５８２は、静止状態で平面である、要素５０２とは異なり、曲げモードで動作する、平面圧電メンブレン５９０を示し、従ってメンブレン５７５（典型的にはシリコン）をさらに使用する。この場合にも、駆動／検知電極５１４は、平面圧電メンブレン５９０の下面の下方に配置され、一方、基準電極５１２は、上面の上方に配置される。図２Ａ−図２Ｃの各々に描かれているものと反対の電極構成ももちろん可能である。

図６は、一実施形態による、ＭＥＭＳ切換え可能変換器アレイに使用される圧電ＭＥＭＳスイッチ要素６０１の断面図である。ＭＥＭＳスイッチ要素６０１と変換器要素５０２、５２４、５２６のモノリシックな性質を強調するために、図６の中の構造体で図５Ａ−図５Ｃの変換器要素の中の構造体と互換するものは、同様の参照符号で識別される。図示したように、ＭＥＭＳスイッチ要素６０１は、固定されたビーム延伸部材を含むが、代替的な実施形態において、カンチレバービーム等を使用することができる。スイッチ要素は、曲げモード動作に適したメンブレン５８５（例えば、金属製又は高密度にドープされたシリコン製）の上に配置された平面圧電メンブレン５９０を含む。代替的に又は付加的に、凹んだ支持体６３７の上に配置されたコンタクト６８０を、メンブレン５８５、５９０の一方又は両方の十分なたわみが存在するときに、短絡させるために、金属ストリップ５７０をメンブレン５８５及び／又はメンブレン５９０の下側に配置することができる。スイッチ駆動電極６１４が平面圧電メンブレン５９０の下面の下方に配置され、一方、基準電極６１２が圧電メンブレン５９０の上面の上方に配置される。電極の順序を逆にすることもできる（すなわち、上の電極を駆動用に用い、下の電極を基準用に用いることができる）。二酸化シリコン誘電体層などの薄膜層５２２は、スイッチ作動中に駆動信号が下方の電極６８０に短絡することを阻止するさらなる機能で役立つ。圧電メンブレン５９０が駆動（スイッチ制御）信号に応答してたわんだときに、高周波数変換器信号がアレイ内の連続した変換器の電極間を通って行くことができる。駆動信号が存在せず、圧電メンブレン５９０が十分にたわんでいないとき、容量結合は、高周波数の変換器駆動／検知信号を通すには十分ではないので、それにより所与の変換器要素が選択的に絶縁され又は結合される。多くの代替的なスイッチアーキテクチャが当該分野で知られているので、興味のある読者は、本明細書で説明するようにアレイの変換器要素を選択的に構成して交互の回路トポロジにするのに適した圧電ＭＥＭＳスイッチのさらなる説明について、文献を参照されたい。

図７は、本発明の一実施形態による、ｐＭＵＴアレイを使用する超音波変換器装置７００の機能的ブロック図である。例示的な実施形態において、超音波変換器装置７００は、水、組織物質などのような媒体中で圧力波を発生させる及び検知するためのものである。超音波変換器装置７００は、１つ又は複数の媒体内の内部構造の変動の画像化が関心事である、医療診断、製品欠陥検出などの多くの用途を有する。装置７００は、少なくとも１つのＭＥＭＳ切換え可能アレイ７１６を含み、これは、任意のＭＥＭＳアドレス指定可能変換器要素を有する、本明細書のいずれかで説明された任意のＭＥＭＳ切換え可能アレイを含むことができる。例示的な実施形態において、ＭＥＭＳ切換え可能アレイ７１６は、ハンドル部分７１４の中に格納された２Ｄ変換器アレイであり、このハンドル部分を機械又は装置７００のユーザが操作して、所望によりＭＥＭＳ切換え可能アレイ７１６の外面が面する方向及び位置を変化させる（例えば画像化すべき領域に向ける）。電気コネクタ７２０は、アレイ７１６の駆動／検知チャネルを、変換器基板の通信インタフェース及びハンドル部分７１４の外部に電気的に結合する。

実施形態において、装置７００は、例えば電気コネクタ７２０によりＭＥＭＳ切換え可能アレイ７１６に結合された信号発生器を含み、これは当該分野で知られた任意のものとすることができる。信号発生器は、電気駆動信号を種々の駆動／検知チャネルに与えるものである。１つの具体的な実施形態において、信号発生器は、アドレス指定された圧電変換器要素を１ＭＨｚと５０ＭＨｚとの間の周波数で共振させる電気駆動信号を印加するものである。特定の実施形態において、信号発生器は、当該分野で知られた任意の高電圧パルス発生器である。伝送ビーム形成が利用される他の実施形態において、信号発生器は、制御信号を非直列化するデシリアライザ７０４を含み、この制御信号は次にデマルチプレクサ７０６によって多重分離される。次いでデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）７０８が、このデジタル制御信号を、ＭＥＭＳ切換え可能ｐＭＵＴアレイ７１６内の個別の変換器要素チャネルのための駆動電圧信号に変換する。個別の駆動電圧信号に、プログラム可能時間遅延コントローラ７１０によってそれぞれの時間遅延を加えて、ビームステアリングを行い、所望のビーム形状、焦点、及び方向などを、アレイのチャネルにわたって及び／又は所与のチャネルの変換器要素にわたって作り出すことができる。チャネルコネクタ７０２と信号発生器との間に、ＭＥＭＳスイッチ制御信号をコネクタ７０２の制御チャネルを経てＭＥＭＳ切換え可能アレイ７１６のＭＥＭＳスイッチへ送信する責務を負うコントローラ７１２が結合される。コントローラ７１２は、ＭＥＭＳスイッチの状態と調和した方式で駆動モードと検知モードとの間で切り換えるためのスイッチネットワークをさらに含むことができる。このようにして、１又は２以上の信号発生器が、並列に接続された変換器に１又は２以上のＭＥＭＳスイッチによって電気駆動信号を印加する。

実施形態において、装置７００は、例えば電気コネクタ７２０によりＭＥＭＳ切換え可能アレイ７１６に結合された信号受信器を含み、これは当該分野で知られた任意のものとすることができる。信号受信器は、１又は２以上のＭＥＭＳスイッチによって直列に接続された２つ又はそれ以上の変換器を有するＭＥＭＳ切換え可能アレイ７１６内の駆動／検知電極チャネルから電気検知信号を収集するためのものである。信号受信器の１つの例示的な実施形態において、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）７１４は、電圧信号を受信して、これをデジタル信号に変換するためのものである。デジタル信号は次いで、メモリ（図示せず）へ格納されるか、又は最初に信号プロセッサに渡される。例示的な信号プロセッサは、デジタル信号を圧縮するためのデータ圧縮ユニット７２６を含む。マルチプレクサ７１８及びシリアライザ７２８は、受信した信号を、メモリ、他のストレージ、又は下流プロセッサ、例えば受信信号に基づいて図形表示を生成するための画像プロセッサ、等に中継する前に、さらに処理することができる。

上記説明は例証を意図したものであり、限定を意図したものではないことを理解されたい。例えば、図中の流れ図は、本発明の特定の実施形態で実行される動作の特定の順序を示したものであり、かかる順序は、１つの動作の入力が本来的に別の動作の出力に依拠するものでない限り、必ずしも要求されない（例えば、代替的な実施形態は、これら動作を異なる順序で行うことができる、特定の動作を組み合わせることができる、特定の動作を重複させることができる、等）。さらに、上記説明を読んで理解すれば、当業者には、他の多くの実施形態が明らかになるであろう。例えば、超音波画像化装置が明示的に説明されているが、当業者が、ＭＥＭＳ切換え可能圧電アレイをその他の装置、例えば限定はしないが圧電印刷ヘッドに対して適用するのに十分な詳細が提供されている。従って、本発明を特定の例示的な実施形態を参照して説明してきたが、本発明は説明された実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内の修正及び変更を伴って実施することができることが認識されるであろう。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲をかかる特許請求の範囲が権利を与える均等の全範囲と共に参照することによって定められる。

１００：１Ｄ ｐＭＵＴアレイ
１０１、５０１：基板
１１０、１２０、１３０、１４０：チャネル
１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｎ、２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｂ’、２１０Ｍ、２１０Ｍ’、２１０Ｎ：変換器
２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｎ、３７２Ａ−３７２Ｄ、３７１Ａ−３７１Ｄ：ＭＥＭＳスイッチ
２１０：マルチモード変換器アレイ
２４０：発生器
２４１：検知回路
２９９：トランジスタ
３１０、３１１：回路
３１２：多重チャネルアレイ
５０２、５４２、５８２：変換器要素
５１０、５５０、５９０：圧電メンブレン
５１２、６１２：参照電極
５１４：駆動／検知電極
５１７：駆動／検知電極レール
５２２：薄膜層
５２４：誘電体メンブレン
５２６、５３２：電気的相互接続
５３４：参照レール
５３６：環状支持体
５８５：メンブレン
６０１：ＭＥＭＳスイッチ要素
６１４：スイッチ駆動電極
６８０：コンタクト
７００：超音波変換装置
７０４：デシリアライザ
７０６：デマルチプレクサ
７０８：デジタル・アナログ変換器
７１０：プログラム可能時間遅延コントローラ
７１２：コントローラ
７１６：ＭＥＭＳ切換え可能アレイ
７２０：電気コネクタ
７２６：データ圧縮ユニット

Claims (19)

1. 微小機械変換器アレイであって、
   変換器基板と、
   前記変換器基板上に配置された複数の変換器と、
   前記変換器基板上に配置された１又は２以上のスイッチと、
   を備え、前記１又は２以上のスイッチは、第１の状態と第２の状態との間で電気的に切換え可能であり、前記第１の状態は、前記複数の変換器のうちの少なくとも２つの変換器を互いに電気的に並列に相互接続し、前記第２の状態は、前記少なくとも２つの変換器を互いに電気的に直列に相互接続し、
   前記第１の状態は、前記複数の全ての変換器を互いに並列に配置し、前記第２の状態は、前記複数の変換器の第１のサブセットを前記複数の変換器の第２のサブセットと直列に配置することを特徴とする、変換器アレイ。
2. 前記１又は２以上のスイッチは、１又は２以上のＭＥＭＳスイッチを含むことを特徴とする、請求項１に記載の変換器アレイ。
3. 前記第１のサブセットは、電気的に並列に接続された複数の変換器を含み、前記第２のサブセットは、電気的に並列に接続された複数の変換器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の変換器アレイ。
4. 前記複数の変換器は、アレイの各チャネルが同数の変換器を含む多重チャネルアレイの１つのチャネルを含み、前記アレイの各チャネルは、各チャネルの全ての変換器が並列である前記第１の状態と、各チャネルの前記第１のサブセットが各チャネルの前記第２のサブセットと直列である前記第２の状態との間で切換え可能であることを特徴とする、請求項１に記載の変換器アレイ。
5. 前記１又は２以上のスイッチは、各々が前記アレイのそれぞれのチャネルに関連付けられたＭＥＭＳスイッチを含み、第１のＭＥＭＳスイッチの全てが、前記アレイの全てのチャネルを同時に前記第１の状態又は前記第２の状態に設定するための単一の制御信号ラインに結合されていることを特徴とする、請求項４に記載の変換器アレイ。
6. 前記ＭＥＭＳスイッチは、圧電、静電気、又は電磁気スイッチ部材を含み、前記複数の変換器は、超音波周波数帯域内で共振することを特徴とする、請求項５に記載の変換器アレイ。
7. 前記複数の変換器の各々が圧電材料を含み、前記１又は２以上のＭＥＭＳスイッチは、前記複数の変換器と同じ圧電材料を使用した圧電部材を含むことを特徴とする、請求項６に記載の変換器アレイ。
8. 前記ＭＥＭＳスイッチは、前記圧電材料をさらに含むカンチレバー又は固定ビームを含む容量性スイッチを含むことを特徴とする、請求項７に記載の変換器アレイ。
9. 前記ＭＥＭＳスイッチは、
   第１の変換器の接地電極と第２の変換器の駆動電極との間に直列に接続された第１のＭＥＭＳスイッチと、
   前記第１の変換器の駆動電極と前記第２の変換器の前記駆動電極との間に接続された第２のＭＥＭＳスイッチと、
   前記第１の変換器の前記接地電極と前記第２の変換器の接地電極との間に接続された第３のＭＥＭＳスイッチと、
   前記第１の変換器の前記接地電極と前記第２の変換器の前記接地電極との間に互いに直列に接続された第４のＭＥＭＳスイッチ及び第５のＭＥＭＳスイッチと、
   を含み、前記第１及び第５のＭＥＭＳスイッチは、１又は２以上のスイッチコントローラに結合されて同じ開状態又は閉状態に作動し、前記第２、第３及び第４のＭＥＭＳスイッチは、前記１又は２以上のスイッチコントローラに結合されて、前記第１及び第５のＭＥＭＳスイッチと共に、但し前記第１及び第５のＭＥＭＳスイッチとは相補的な開状態又は閉状態に作動することを特徴とする、請求項５に記載の変換器アレイ。
10. 前記ＭＥＭＳスイッチは、
    第１の変換器の駆動電極と第２の変換器の駆動電極との間に接続された第１のＭＥＭＳスイッチと、
    前記第２の変換器の前記駆動電極と前記第１及び第２の変換器のそれぞれの接地電極を結合するノードとの間に互いに直列に接続された、第２のＭＥＭＳスイッチ及び第３のＭＥＭＳスイッチと、
    を含み、前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチは、１又は２以上のスイッチコントローラに結合されて同じ開又は閉状態に作動し、前記第３のＭＥＭＳスイッチは、前記１又は２以上のスイッチコントローラに結合されて、前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチと共に、但し前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチとは相補的な開状態又は閉状態に作動することを特徴とする、請求項５に記載の変換器アレイ。
11. 前記１又は２以上のスイッチコントローラは、前記変換器基板上に配置された付加的なＭＥＭＳスイッチ又はＣＭＯＳ基板上に配置されたＣＭＯＳトランジスタを含むことを特徴とする、請求項９に記載の変換器アレイ。
12. 媒体内で圧力波を発生させる又は検知するための装置であって、
    請求項１の変換器アレイと、
    前記変換器アレイに結合されて電気的駆動信号を第１の駆動／検知チャネルに印加する１又は２以上の信号発生器と、
    前記変換器アレイに結合されて前記第１の駆動／検知チャネルからの電気応答信号を受信する１又は２以上の受信器と、
    異なる圧電変換器同士を経時的に直列又は並列構成に結合するように、少なくとも第１のＭＥＭＳスイッチに接続された１又は２以上のスイッチコントローラと、
    前記駆動／検知チャネルから受信した複数の電気応答信号を処理して画像にするように、前記受信器に結合された少なくとも１つの信号プロセッサと、
    を含むことを特徴とする、装置。
13. 前記１又は２以上の信号発生器が、前記１又は２以上のＭＥＭＳスイッチによって並列に接続された変換器へ電気駆動信号を印加することを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
14. 前記１又は２以上の受信器が、前記１又は２以上のＭＥＭＳスイッチによって直列に接続された変換器から電気的検知信号を収集するように結合されたものであることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
15. 前記変換器は、前記１又は２以上の発生器によって駆動されて１ＭＨｚと５０ＭＨｚとの間の周波数で共振し、前記直列に接続された変換器は、前記複数の変換器の第１のサブセットとそれに直列な前記複数の変換器の第２のサブセットとをさらに含み、前記第１のサブセット内の変換器は電気的に並列に接続されており、かつ、前記第２のサブセット内の変換器は電気的に並列に接続されていることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
16. 媒体内で圧力波を発生する又は検知する方法であって、
    第１の期間中に、第１の状態に設定された１又は２以上のスイッチによって、変換器基板上に配置された変換器アレイの複数の微小機械変換器を互いに電気的に並列に接続するステップと、
    前記第１の期間中に、前記複数の変換器を電気信号で駆動するステップと、
    第２の期間中に、前記１又は２以上のスイッチを第２の状態に設定することによって、前記変換器の少なくとも幾つかを互いに電気的に直列に再接続するステップと、
    前記第２の期間中に、前記複数の変換器から電気応答信号を受信するステップと、
    を含み、
    前記第１の状態は、前記複数の全ての変換器を互いに並列に配置し、前記第２の状態は、前記複数の変換器の第１のサブセットを前記複数の変換器の第２のサブセットと直列に配置することを特徴とする、方法。
17. 前記接続するステップは、１又は２以上の第１の制御信号を前記１又は２以上のスイッチに送信して前記第１の状態に設定するステップをさらに含み、前記再接続するステップが、１又は２以上の第２の制御信号を前記１又は２以上のスイッチに送信して前記第２の状態に設定するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記変換器アレイは、各チャネルが複数の変換器を含む複数のチャネルを含み、前記１又は２以上の第１及び第２の制御信号を送信するステップは、同じ第１及び第２の制御信号を前記複数のチャネルの各々の中のＭＥＭＳスイッチに同時に送信するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 前記変換器は、圧電材料を含み、前記１又は２以上の第１の制御信号を送信するステップは、第１のＭＥＭＳスイッチの圧電部材に結合された電極に、前記第１のＭＥＭＳスイッチの極を短絡する又は容量結合するのに十分な電圧を印加するステップを含み、ここで前記第１のＭＥＭＳスイッチは、２つの変換器のそれぞれの電極間に結合されていることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。

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