JP7487959B2 - 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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-
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-
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Description
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62,429,833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。
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。
これは、共撮像(co imaging)も許容する。
〔態様1〕
素子のアレイを有するトランシーバであって、各素子は:
基板と;
前記基板から懸架される膜と;
前記膜上に配置される下部電極と;
前記下部電極上に配置される圧電層と;
前記圧電層上に配置される第一の電極との上に形成され、
各素子が一つまたは複数の振動モードを示す、
トランシーバ。
〔態様2〕
トランシーバであって:
基板と;
前記基板から懸架される膜と;
前記膜上に配置される下部電極と;
前記下部電極上に配置される圧電層と;
前記圧電層上に配置される第一および第二の上部電極であって、前記第一の上部電極が前記第二の上部電極から電気的に分離される、上部電極とを有し、
前記圧電層は、前記第一の上部電極の下に位置され、第一の向きにポーリングされた第一の部分と、前記第二の上部電極の下に位置され、前記第一の向きと逆の第二の向きにポーリングされた第二の部分とを含む、
トランシーバ。
〔態様3〕
立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジをもつ信号パルスを生成する回路であって、前記立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジは互いに対称であり、波形の高い部分および低い部分が実質的に等しい、回路と;
前記回路および前記下部電極に電気的に結合された導体とをさらに有しており、前記信号パルスが前記導体を通じて前記下部電極に伝送される、
態様1記載のトランシーバ。
〔態様4〕
各圧電素子の前記電極のうちの一つに接続される前記信号パルスのピークツーピーク振幅が11V未満である、態様3記載のトランシーバ。
〔態様5〕
各圧電素子の電極のうちの他の一つがDCバイアス電圧に接続される、態様4記載のトランシーバ。
〔態様6〕
前記信号パルスは、二レベルの間で遷移する単極性信号および三レベル信号のうちの少なくとも一つを含み、前記信号パルスは、前記ピクセル・アレイに接続された送信ドライバの出力である、態様5記載のトランシーバ。
〔態様7〕
前記第一の上部電極を接地またはDCバイアス電圧に結合するよう構成された第一の導体と;
前記第二の上部電極を接地またはDCバイアス電圧に結合するよう構成された第二の導体とをさらに有する、態様2記載のトランシーバ。
〔態様8〕
前記圧電層上に配置され、前記第一および第二の上部電極から空間的に分離された第三の上部電極をさらに有する、態様2記載のトランシーバ。
〔態様9〕
前記圧電層は、前記第三の上部電極の下に第三の部分を含み、前記第三の部分は、前記第一の向きおよび前記第二の向きのうちの一方にポーリングされる、態様8記載のトランシーバ。
〔態様10〕
前記圧電層は、PZT、KNN、PZT-N、PMT-Pt、AIN、Sc-AIN、ZnO、PVDFおよびLiNiO3のうちの少なくとも一つを含む、態様1記載のトランシーバ。
〔態様11〕
前記下部電極は、金属でできた信号導体に電気的に接続され、前記金属は、前記基板上に堆積されたTiO2層上に堆積される、態様1記載のトランシーバ。
〔態様12〕
前記圧電層の厚さが2μm以下である、態様1記載のトランシーバ。
〔態様13〕
トランシーバ基板と;三次元相互接続機構によって前記トランシーバ基板に電気的に結合されたASICチップとを有する撮像デバイスであって、
前記トランシーバ基板は:
基板と;
前記基板上に配置される少なくとも一つの膜と;
前記少なくとも一つの膜上に配置される複数の圧電素子とを含み、前記複数の圧電素子のそれぞれは:
下部電極と;
前記下部電極上に配置される圧電層と;
前記圧電層上に配置される第一および第二の上部電極であって、前記第一の上部電極が前記第二の上部電極から電気的に分離される、上部電極とを含み、
前記圧電層は、前記第一の上部電極の下に位置され、第一の向きにポーリングされた第一の部分と、前記第二の上部電極の下に位置され、前記第一の向きと逆の第二の向きにポーリングされた第二の部分とを含み、
前記ASICチップは:
前記複数の圧電素子のうちの一つまたは複数を制御するための少なくとも一つの回路と;
前記少なくとも一つの回路に電気的に結合され、前記少なくとも一つの回路を制御する制御ユニットとを含む、
撮像デバイス。
〔態様14〕
前記下部電極が信号電極であり、前記第一および第二の上部電極のそれぞれは、共通電極であり、接地およびDCバイアスのうちの一つに接続される、態様13記載の撮像デバイス。
〔態様15〕
前記少なくとも一つの回路が:
前記下部電極に送信信号を送信するための送信ドライバと;
前記下部電極から受信信号を受信し、該受信信号を増幅するための増幅器とを含む、
態様13記載の撮像デバイス。
〔態様16〕
前記少なくとも一つの回路が:
前記下部電極に電気的に結合された第一の端子と、前記送信ドライバおよび前記増幅器に結合された二つの導体の間でトグルする第二の端子とを有するスイッチを含む、
態様15記載の撮像デバイス。
〔態様17〕
前記スイッチの前記第二の端子は、受信モードの間は前記増幅器に結合された前記導体にトグルし、それにより前記下部電極上に現われる電荷が前記増幅器に転送される、態様16記載の撮像デバイス。
〔態様18〕
前記送信信号は、立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを有し、前記立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジは互いに対称であり、送信信号の高い部分および低い部分は実質的に等しい、態様15記載の撮像デバイス。
〔態様19〕
前記送信信号はパルス波変調(pulse wave modulated)(PWM)信号である、態様15記載の撮像デバイス。
〔態様20〕
前記PWM信号の幅が、送信アポダイゼーションを実装するために調整される、態様19記載の撮像デバイス。
〔態様21〕
前記送信信号が二つ以上のレベルをもち、いくつかの前記レベルは、前記アポダイゼーションのための重み付けをエンコードするために使われる、態様18記載の撮像デバイス。
〔態様22〕
トランシーバ基板と;三次元相互接続機構によって前記トランシーバ基板に電気的に結合されたASICチップとを有する撮像デバイスであって、
前記トランシーバ基板は:
基板と;
前記基板上に配置される少なくとも一つの膜と;
前記少なくとも一つの膜上に配置される複数の圧電素子とを含み、前記複数の圧電素子のそれぞれは:
下部電極と;
前記下部電極上に配置される圧電層と;
前記圧電層上に配置される第一の上部電極であって、それぞれの電極が一つまたは複数の振動モードを示す、上部電極とを含み、
前記ASICチップは:
前記複数の圧電素子のうちの一つまたは複数を制御するための少なくとも一つの回路と;
前記少なくとも一つの回路に電気的に結合され、前記少なくとも一つの回路を制御する制御ユニットとを含む、
撮像デバイス。
〔態様23〕
前記下部電極が信号電極であり、前記第一の上部電極が接地またはDCバイアスのうちの一つに接続され、前記複数の圧電素子におけるすべての上部電極が導体を使って一緒に接続されている、態様22記載の撮像デバイス。
〔態様24〕
前記少なくとも一つの回路が:
前記下部電極に送信信号を送信するための送信ドライバと;
前記下部電極から受信信号を受信し、該受信信号を増幅するための増幅器とをさらに含む、
態様22記載の撮像デバイス。
〔態様25〕
前記少なくとも一つの回路が:
前記下部電極に電気的に結合された第一の端子と、前記送信ドライバおよび前記増幅器に結合された二つの導体の間でトグルする第二の端子とを有するスイッチを含む、
態様24記載の撮像デバイス。
〔態様26〕
前記スイッチの前記第二の端子は、受信モードの間、前記増幅器に結合された前記導体にトグルし、それにより、前記下部電極に現われる電荷が前記増幅器に転送される、態様25記載の撮像デバイス。
〔態様27〕
前記送信信号は、パルス波変調(PWM)信号である、態様22記載の撮像デバイス。
〔態様28〕
前記複数の圧電素子はさらに、複数の列に配置され、圧電素子の異なる列を駆動するために使われる前記PWM信号の幅が、送信アポダイゼーションを実装するよう調節される、態様27に記載の撮像デバイス。
〔態様29〕
前記送信信号が二つ以上のレベルを有し、いくつかの前記レベルは、前記トランスデューサからの前記送信される超音波信号のパワーを変調するために使われる、態様22に記載の撮像デバイス。
〔態様30〕
前記送信信号は、前記トランスデューサから送信されるパワーを変調するためPWM信号幅を使用する、態様27記載の撮像デバイス。
〔態様31〕
前記複数の圧電素子のそれぞれは、前記下部電極、第一の上部電極および第二の上部電極にそれぞれ結合される三つの導体をさらに含み、前記三つの導体は、前記三次元相互接続機構によって前記少なくとも一つの回路に電気的に接続される、態様13に記載の撮像デバイス。
〔態様32〕
前記三次元相互接続機構は、Cuピラーおよびはんだバンプのうちの少なくとも一つを含む、態様13記載の撮像デバイス。
〔態様33〕
前記複数の圧電素子のそれぞれは、前記圧電層上に配置され、前記第一および第二の上部電極から空間的に分離された第三の上部電極をさらに含む、態様13記載の撮像デバイス。
〔態様34〕
当該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、態様13記載の撮像デバイス。
〔態様35〕
前記ASICチップは低雑音増幅器(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、前記温度データを使って、撮像フレームレートおよび前記LNAの信号対雑音比のうちの少なくとも一つを調整する、態様34に記載の撮像デバイス。
〔態様36〕
温度データを使って、温度を下げるために、チャネル毎にLNAをもついくつかの受信チャネルがオフにされる、態様35記載の撮像デバイス。
〔態様37〕
前記複数の圧電素子上に配置され、前記圧電素子と撮像される対象との間の界面における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、
態様13記載の撮像デバイス。
〔態様38〕
前記少なくとも一つの膜が、膜の圧力出力を増加させるようにあらかじめ構成されている、態様22記載の撮像デバイス。
〔態様39〕
前記複数の圧電素子は、二次元アレイに配置される、態様13に記載の撮像デバイス。
〔態様40〕
前記二次元アレイは、前記二次元アレイの列内の圧電素子の一部が同時に圧力波を生成し、前記二次元アレイの行内の圧電素子の一部が同時に電気信号を形成する二平面モードで動作するように構成される、態様39記載の撮像デバイス。
〔態様41〕
前記少なくとも一つの膜は、前記基板内の空洞をエッチングすることによって形成される、態様13に記載の撮像デバイス。
〔態様42〕
前記少なくとも一つの回路は、圧電素子に送達される電力を制御し、それにより、前記圧電素子によって生成される圧力波の浸透深さを制御する、態様13記載の撮像デバイス。
〔態様43〕
外部装置と通信するよう構成されたケーブルの一端を受け容れるための少なくとも一つのポートと;
FPGAと;
前記ケーブルを通じて外部装置と通信するための通信ユニットとをさらに有する、
態様15記載の撮像デバイス。
〔態様44〕
前記外部装置は、スマートフォンおよびタブレットのうちの一つである、態様43記載の撮像デバイス。
〔態様45〕
USB2、USB3、USB3.1およびUSB-Cからなる群から選択される型の少なくとも一つのポートをさらに有する、
態様43記載の撮像デバイス。
〔態様46〕
信号を外部装置と無線で通信するための通信ユニットをさらに有し、
前記ケーブルは、表示ユニットから電力を転送するために使われる、
態様45記載の撮像デバイス。
〔態様47〕
バッテリーをさらに有する、態様15記載の撮像デバイス。
〔態様48〕
圧電素子が共通の下部電極および二つの上部電極からなり、第一の導体が前記圧電アレイのすべての下部電極を接続しており、圧電素子の列が、第二の導体に接続され受信増幅器に接続される第一の上部プレートをもち、同じ列内のすべての圧電素子の第二の上部電極は、第三の導体を使って接続され、前記第三の導体は、列の前記第二の上部電極を、送信モードでは送信ドライバに、受信モードでは受信増幅器に接続するスイッチに接続され、前記撮像デバイスは一つまたは複数の列を有する、態様1記載のトランシーバ。
〔態様49〕
前記下部電極および第一の上部電極からなるサブ圧電素子が、前記下部電極および前記第二の上部電極からなるサブ圧電素子と逆向きにポーリングされる、態様48記載のトランシーバ。
〔態様50〕
前記少なくとも一つの回路が、圧電素子の前記第二の上部電極に送信信号を送り、同時に、前記圧電素子の前記第一の上部電極から信号を受信するよう構成されている、態様48記載のトランシーバ。
〔態様51〕
前記デバイスが、連続ドップラー撮像およびBモード撮像の一方を実行するよう構成されている、態様48記載のトランシーバ。
〔態様52〕
当該撮像デバイスを囲む筐体と;
前記トランスデューサおよび筐体の温度を下げるよう、生成された熱エネルギーを放散するための機構とをさらに有する、
態様45記載の撮像デバイス。
〔態様53〕
当該撮像デバイスが超音波医療プローブである、態様22記載の撮像デバイス。
〔態様54〕
再充電可能なバッテリーをさらに有する、態様22記載の撮像デバイス。
〔態様55〕
前記複数の圧電素子がアレイに配置され、圧電素子が共通の下部電極および二つの上部電極からなり、第一の導体が前記アレイのすべての下部電極を接続しており、圧電素子の行が、第二の導体に接続され受信増幅器に接続される第一の上部プレートをもち、同じ列内のすべての圧電素子の第二の上部電極は、第三の導体を使って接続され、前記第三の導体は、列の前記第二の上部電極を、送信モードでは送信ドライバに、受信モードでは受信増幅器に接続するスイッチに接続され、当該撮像デバイスは前記アレイにおいて圧電素子の一つまたは複数の列および一つまたは複数の行を有する、態様22記載の撮像デバイス。
〔態様56〕
当該撮像デバイスが、二平面撮像を実行するために使われる、態様55記載の撮像デバイス。
〔態様57〕
前記トランスデューサおよびイメージャを囲んでいるエンクロージャーのボディにおける温度上昇を低減するために、第二のエンクロージャーがもともと第一のエンクロージャー内にあったいくらかの回路を受け容れ、それら二つのエンクロージャーがケーブルを使って接続される、態様45記載の撮像デバイス。
〔態様58〕
前記いくらかの回路がFPGAを含む、態様57記載の撮像デバイス。
〔態様59〕
前記アレイの各列に可変の重み付けが適用され、出力パワー・レベルを変調するために使われ、ドップラーおよびBモード撮像が同じ電源を共有する、態様54記載の撮像デバイス。
〔態様60〕
可変の重み付けがPWM信号伝達を使って達成される、態様59記載の撮像デバイス。
〔態様61〕
可変の重み付けが列の高さを電子的に変えることによって達成される、態様60記載の撮像デバイス。
〔態様62〕
前記撮像デバイスは、USB3プロトコルを使って表示および制御のために外部装置と通信する、態様45記載の撮像デバイス。
〔態様63〕
送信モードにおいて、より低いAC駆動電圧を使うことによって、より低電力での動作が達成され、より低い送信電圧は11V AC未満である、態様1記載のトランシーバ。
〔態様64〕
前記圧電層にかかる所与の電場について、前記上部電極と前記下部電極の間の、より低い電圧で動作するよう、前記圧電層の厚さがより薄くされ、前記圧電層の厚さは2μm以下である、態様1記載のトランシーバ。
〔態様65〕
前記トランシーバは、屈曲動作モード(flexural mode of operation)で動作し、前記素子は屈曲モード共振を受け、前記膜の屈曲張力運動(flex tensional motion)により音響信号が送信され、撮像される物体からの受信圧力信号は素子の屈曲モード共振によって電荷に変換される、態様1記載のトランシーバ。
〔態様66〕
送信ドライブ波形は符号化された信号であり、チャープおよびゴレイ符号のうちの一つを含む、態様5記載のトランシーバ。
〔態様67〕
当該トランシーバは、撮像される器官に向かって超音波信号を送信するために、符号化された信号を使用し、前記受信信号は整合フィルタを用いて処理される、態様66記載のトランシーバ。
〔態様68〕
組織内部の深いところの器官の撮像のために、当該トランシーバは、軸方向解像度を劣化させることなく、より多くのエネルギーが前記組織に結合されることを可能にする、態様67に記載のトランシーバ。
Claims (19)
- トランシーバ基板と、三次元相互接続機構によって前記トランシーバ基板に電気的に結合されたASICチップとを有する撮像デバイスであって、
前記トランシーバ基板は、
基板と、
前記基板上に配置される少なくとも一つの膜と、
前記少なくとも一つの膜上にアレイに配置される複数の圧電素子とを含み、前記複数の圧電素子のそれぞれは、
共通の下部電極と、
前記下部電極上に配置される圧電層と、
前記圧電層上に配置される第一の上部電極と第二の上部電極を含み、
第一の導体が前記アレイのすべての下部電極を接続しており、
前記圧電素子の行が、第二の導体に接続され受信増幅器に接続される第一の上部電極をもち、同じ列内のすべての圧電素子の第二の上部電極は、第三の導体を使って接続され、
各圧電素子が一つまたは複数の振動モードを示し、
前記ASICチップは、
前記複数の圧電素子のうちの一つまたは複数を制御するための少なくとも一つの回路と、
前記少なくとも一つの回路に電気的に結合され、前記少なくとも一つの回路を制御する制御ユニットとを含む、
撮像デバイス。
- 前記下部電極が信号電極であり、第一の上部電極が、接地およびDCバイアスのうちの一つに接続され、前記複数の圧電素子におけるすべての上部電極が導体を使って接続されている、請求項1記載の撮像デバイス。
- 前記少なくとも一つの回路が、
前記下部電極に送信信号を送信するための送信ドライバと、
前記下部電極から受信信号を受信し、該受信信号を増幅するための増幅器とを含む、
請求項1記載の撮像デバイス。 - 前記少なくとも一つの回路がさらに、
前記下部電極に電気的に結合された第一の端子と、前記送信ドライバおよび前記増幅器に結合された二つの導体の間でトグルする第二の端子とを有するスイッチを含む、
請求項3記載の撮像デバイス。 - 前記スイッチの前記第二の端子は、受信モードの間は前記増幅器に結合された前記導体にトグルし、それにより前記下部電極上に現われる電荷が前記増幅器に転送される、請求項4記載の撮像デバイス。
- 前記送信信号はパルス波変調(pulse wave modulated)(PWM)信号である、請求項3記載の撮像デバイス。
- 前記複数の圧電素子はさらに、複数の列に配置され、圧電素子の異なる列を駆動するために使われる前記PWM信号の幅が、送信アポダイゼーションを実装するよう調節される、請求項6に記載の撮像デバイス。
- 前記送信信号が二つ以上のレベルを有し、いくつかの前記レベルは、前記トランシーバからの前記送信される信号のパワーを変調するために使われる、請求項6に記載の撮像デバイス。
- 前記送信信号は、前記トランシーバから送信されるパワーを変調するためPWM信号幅を使用する、請求項6記載の撮像デバイス。
- 当該撮像デバイスが超音波医療プローブである、請求項1記載の撮像デバイス。
- 再充電可能なバッテリーをさらに有する、請求項1記載の撮像デバイス。
- 前記第三の導体は、列の前記第二の上部電極を、送信モードでは送信ドライバに、受信モードでは受信増幅器に接続するスイッチに接続され、当該撮像デバイスは前記アレイにおいて圧電素子の一つまたは複数の列および一つまたは複数の行を有する、請求項1記載の撮像デバイス。
- 当該撮像デバイスが、二平面撮像を実行するために使われる、請求項12記載の撮像デバイス。
- 前記トランシーバのボディにおける温度上昇を低減するために、第一のエンクロージャーが前記トランシーバを囲い、第二のエンクロージャーがもともと第一のエンクロージャー内にあったいくらかの回路を受け容れ、それら二つのエンクロージャーがケーブルを使って接続される、請求項12記載の撮像デバイス。
- 前記いくらかの回路がFPGAを含む、請求項1記載の撮像デバイス。
- 前記アレイの各列に可変の重み付けが適用され、出力パワー・レベルを変調するために使われ、ドップラーおよびBモード撮像が同じ電源を共有する、請求項12記載の撮像デバイス。
- 可変の重み付けがPWM信号伝達を使って達成される、請求項16記載の撮像デバイス。
- 可変の重み付けが列の高さを電子的に変えることによって達成される、請求項16記載の撮像デバイス。
- 前記撮像デバイスは、USB3プロトコルを使って表示および制御のために外部装置と通信する、請求項1記載の撮像デバイス。
Priority Applications (1)
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