KR101087831B1

KR101087831B1 - 재구성 가능 센서 어레이를 위한 장치

Info

Publication number: KR101087831B1
Application number: KR1020050079592A
Authority: KR
Inventors: 카이 이 토메니우스; 레이예트 앤 피셔; 로버트 기데온 우드닉키; 윌리암 에드워드 2세 부르딕
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2011-11-30
Also published as: US20050094490A1; KR20060050773A; DE102005039465A1; JP2006129451A; US7257051B2; CN1767192A; JP4960615B2

Abstract

본 발명에 따르면 모자이크 센서 어레이의 하위 소자(subelements)(32)를 재구성하여 소자를 형성하는 집적된 스위치 매트릭스가 제공된다. 스위치 매트릭스의 구성은 완전히 프로그래밍 가능하다. 스위치 매트릭스는 접속 하위 소자를 버스 라인(34)에 접속하는 액세스 스위치(30) 및 접속 하위 소자를 하위 소자에 접속하는 매트릭스 스위치(36)를 포함한다. 각각의 하위 소자는 적어도 하나의 액세스 스위치, 적어도 하나의 매트릭스 스위치, 각각의 스위치의 미래 상태를 저장하는 제각기의 메모리 소자(88) 및 각각의 스위치에 대한 제각기의 제어 회로(52)를 포함하는 단위 전자 셀(unit electronics cell)(50)을 구비한다. 액세스 및 매트릭스 스위치는 스위치의 현재 스위치 상태를 나타내는 제어 데이터를 기억하는 능력을 갖는 타입이고, 이러한 제어 데이터는 제어 회로 내에 포함된 턴-온/오프 회로(turn-on/off circuit)에 대한 데이터 비트 입력을 포함한다. 센서 어레이 및 스위칭 매트릭스는 공동-집적된 구조물(co-integrated structure)의 상이한 계층(strata) 내에 형성되거나 전기적으로 접속된 별개의 웨이퍼 상에 형성될 수 있다. 센서가 육각형 그리드로 정렬되면, 단위 스위치 셀은 육각형 또는 직사각형 그리드 중 어느 하나로 정렬될 수 있다.

Description

재구성 가능 센서 어레이를 위한 장치{INTEGRATED INTERFACE ELECTRONICS FOR RECONFIGURABLE SENSOR ARRAY}

도 1은 전형적인 cMUT 셀을 도시하는 단면도.

도 2는 스위치를 방해하지 않고 서로 접속되는 상부 및 하부 전극을 각각 구비하는 7개의 육각형 MUT 셀로부터 형성되는 "데이지(daisy)" 하위 소자를 도시한 것으로서, 미국 특허 출원 일련 번호 제 10/383,990 호로부터 발췌된 도면.

도 3은 미국 특허 출원 일련 번호 제 10/383,990 호에 개시된 환상 소자(annular elements)를 포함하는 모자이크 어레이의 섹터를 도시한 것으로서, 각 소자는 소자당 대략 동일한 면적을 갖도록 구성된 "데이지" 하위 소자의 모자이크 형태로 이루어진 도면.

도 4는 공동-집적 cMUT 및 애플리케이션 지정 집적 회로(ASIC) 어레이를 도시하는 단면도.

도 5는 ASIC 스위치 매트릭스에 접속되는 cMUT 장치 기판을 도시하는 단면도.

도 6은 연관된 단위 스위치 셀의 육각형 어레이의 최상부에 있는 cMUT의 육각형 어레이를 도시하는 평면도.

도 7은 연관된 단위 스위치 셀의 사각형 어레이의 최상부에 있는 cMUT 하위 소자의 육각형 어레이를 도시하는 평면도.

도 8은 어레이에 걸친 환상 변환기의 변환을 도시하는 도면.

도 9는 각각의 변환기 하위 소자가 모든 시스템 채널에 대한 액세스를 갖도록 모든 시스템 채널이 어레이에 걸쳐 분포되어 있는 아키텍처를 도시하는 도면.

도 10은 각각의 하위 소자 내에서 스위치의 개수는 하위 소자의 행마다 하나의 버스 라인을 갖도록 제한되고, 버스 라인은 멀티플렉서를 통해 시스템 채널에 접속되는 아키텍처를 도시하는 도면.

도 11은 동일한 행 내에 있는 서로 다른 시스템 채널 상의 하위 소자를 그룹화할 수 있도록, 하위 소자의 행마다 다수의 버스 라인을 갖는 아키텍처를 도시하는 도면.

도 12는 제 1 행 내의 하위 소자의 매트릭스 스위치를 통해 제 2 행 내의 인접한 하위 소자의 액세스 스위치에 접속함으로써, 제 1 행 내의 하위 소자가 제 2 행의 하위 소자를 위한 버스 라인에 접속될 수 있게 하는 본 발명의 일실시예에 따른 아키텍처를 도시하는 도면.

도 13은 cMUT 어레이의 특정한 행 내의 특정한 행 내의 특정한 하위 소자가 다수의 시스템 채널 버스 라인 중 어느 하나에 접속될 수 있게 하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아키텍처를 도시하는 도면.

도 14는 액세스 스위치(검정색 점으로 표시됨)를 통해 하위 소자의 각각의 열에 대해 접속된 버스 라인을 갖는 하위 소자의 육각형 어레이를 도시하는 도면.

도 15는 각각의 액세스 스위치(검정색 점으로 표시됨)를 통해 수직 및 수평 버스 라인에 접속된 몇몇 하위 소자를 갖는 하위 소자의 육각형 어레이를 도시하는 도면.

도 16은 육각형 어레이의 자연축(natural axes)을 따라서 사선으로 배치된 버스 라인을 갖는 하위 소자의 육각형 어레이를 도시하고, 액세스 스위치가 검정색 점으로 표시되어 있는 도면.

도 17은 도 13에 도시된 실시예에 따라서 특정한 음향 하위 소자와 연결된 전자 장치 내의 공통 접속 포인트에 대한 접속을 도시하는 도면.

도 18은 음향 하위 소자(도시하지 않음) 아래에 형성되고 그것에 대해 전기적으로 접속된 대표적인 단위 스위치 셀의 구성 요소를 도시하는 도면.

도 19는 종래에 미국 특허 출원 일련 번호 제 10/248,968 호에 개시된 바와 같이 액세스 스위치 및 액세스 스위치의 상태를 제어하는 회로를 도시하는 도면.

도 20은 단일 하위 소자 폭이 서로 밀접하게 패킹(packed)된 링(점선으로 그려진 원호(arcs)에 의해 표시된 부분)을 이용하는 액세스 및 매트릭스 스위치의 배치를 도시하고, 액세스 스위치가 검정 점으로 표시되며, 매트릭스 스위치가 점선으로 표시되어 있는 도면.

도 21은 금속화된 비아에 의해 전자 장치층에 대해 접속된 상부 및 하부 전극을 갖는 대표적 cMUT 셀을 도시하는 도면.

도 22는 본 발명의 일실시예에 따라서 센서와 전자 장치 면 사이의 금속 라우팅이 센서 어레이보다 더 큰 전자 칩을 이용할 수 있게 하는 재라우팅을 포함하는 것을 도시하는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

4 : 기판 10, 12 : 전극

32 : cMUT 하위 소자 30 : 액세스 스위치

36 : 매트릭스 스위치 14 : 캐비티

88 : 래치

미국 정부는 미 육군에 의해 수여된 U.S. Government Contract Number DAMD17-02-1-0181에 준하여 본 발명의 소정 권리를 갖는다.

본 출원은 2003년 3월 6일자로 출원되고 "Mosaic Arrays Using Micromachined Ultrasound Transducers"라는 명칭의 미국 특허 출원 일련 번호 제 10/383,990 호의 부분 계속 출원(continuation-in-part)이며, 이것을 우선권으로서 주장한다.

본 발명은 전체적으로 재구성 가능한 센서(예: 광학, 열, 압력, 초음파 센서) 어레이에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 재구성 가능한 미세 가공 초음파 변환기(micromachined ultrasonic transducer : MUT) 어레이에 관한 것이다. MUT를 위한 특정한 적용 분야 중의 하나로는 의학 진단용 초음파 촬영 시스템이 있다. 다른 특정한 예로는 주조(castings), 단조(forgings) 또는 파이프라인(pipelines) 등과 같은 재료에 대한 비파괴 평가(non-destructive evaluation : NDE)가 있다.

종래의 초음파 촬영 시스템은 초음파 빔을 송신하고 관찰 대상으로부터의 반사되는 빔을 수신하는 데 이용되는 초음파 변환기(transducer)의 어레이를 포함한다. 이러한 스캐닝은 초점이 맞추어진 초음파가 송신되고, 시스템이 단시간의 간격 후에 수신 모드로 전환되며, 반사된 초음파가 수신되고, 빔이 형성되고, 디스플레이를 위해 처리되는 일련의 측정을 포함한다. 전형적으로, 송신 및 수신은 각 측정 동안 동일한 방향으로 초점이 맞추어져서 음향 빔 또는 스캔 라인을 따르는 일련의 포인트로부터 데이터를 수집한다. 이 수신기는 반사된 초음파가 수신됨에 따라 스캔 라인을 따라 연속적으로 다시 초점을 맞추게 된다.

초음파 촬영에 있어서, 전형적으로 어레이는 하나 이상의 행에 배열되며 전송 시에 개별 전압으로 구동되는 복수의 변환기를 갖는다. 시간 지연(또는 위상) 및 인가 전압의 크기를 선택함으로써, 주어진 행의 개별 변환기는, 원하는 벡터 방향으로 이동하며 빔을 따라서 선택된 영역에 초점이 맞추어진 실질 초음파(net ultrasonic wave)를 형성하도록 결합되는 초음파를 형성하기 위해 제어될 수 있다.

수신 모드에서 반사되는 음파를 수신하기 위해 변환기 프로브가 채택되는 경우에도 동일한 원리가 적용된다. 수신 변환기에서 발생되는 전압이 합해져서 실질 신호는 대상 물체의 단일의 초점 영역으로부터 반사되는 초음파를 나타내게 된다. 송신 모드에 있어서, 초음파 에너지의 초점이 맞추어진 수신은 개별 시간 지연(및/또는 위상 편이)과 이득을 수신 변환기로부터의 신호에 더함으로써 달성된다. 시간 지연은 복귀되는 신호의 증가하는 깊이에 따라 조절되어 수신에 대한 동적 초점 을 제공한다.

형성되는 화상의 품질 또는 해상도는 부분적으로 변환기 어레이의 송신 및 수신 개구(apertures)를 각각 구성하는 변환기 개수의 함수이다. 따라서, 고품질의 화상을 달성하기 위해, 2차원 및 3차원 화상 애플리케이션 모두에 있어서 많은 수의 변환기가 바람직하다. 전형적으로 초음파 변환기는 변환기 신호를 처리하고 초음파 화상을 발생시키는 전자 유닛에 대해 플렉서블 케이블에 의해 접속되는 휴대형 변환기 프로브 내에 위치된다. 변환기 프로브는 초음파 송신 회로와 초음파 수신 회로 모두를 소지할 수 있다.

재구성 가능한 초음파 어레이는 하위 소자 그룹이 동적으로 서로 접속되게 하여 결과적인 소자의 형태가 파두(wave front)의 형태와 일치하도록 구성될 수 있는 것이다. 이는 향상된 성능 및/또는 감소된 채널 수가 되게 할 수 있다. 스위칭 네트워크를 이용하여 재구성 가능성을 달성할 수 있다.

최근 반도체 공정은 마이크로 기계 초음파 변환기(MUT)로 알려진 종류의 초음파 변환기를 제조하는 데 이용되어 왔는데, 이는 용량성(MUT) 또는 압전성(pMUT)의 종류를 가질 수 있다. MUT는 수신된 초음파 신호의 음파 진동을 변조된 용량으로 변환하는 전극을 갖는 작은 판형(diaphragm-like) 장치이다. 송신에 있어서, 용량성 전하가 변조되어 이 장치의 판을 진동시켜서 음파를 송신한다. MUT의 장점 중의 하나는 "미세 가공(micromachining)"이라는 명칭이 부여된 그룹에 포함되는 마이크로 제조 공정과 같은 반도체 제조 공정을 이용하여 구성될 수 있다는 점이다. 이러한 미세 가공 공정으로부터 유도되는 시스템은 전형적으로 "미세 가공형 전기-기계 시스템(micromachined electro-mechanical systems : MEMES)"이라 불린다. 미세 가공은 미국 특허 출원 제 6,359,367 호에 설명된 다음의 내용과 같이 정의될 수 있다.

미세 가공은 (A) 패터닝 툴(일반적으로 투사 정렬기(projection-aligners) 또는 웨이퍼-스테퍼 등과 같은 리소그래피) 및 (B) PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), LPCVD(low-pressure chemical vapor deposition), PECVD(plasma chemical vapor deposition) 등과 같은 증착 툴 및 (C) 습식 화학 에칭(wet-chemical etching), 플라즈마 에칭(plasma-etching), 이온 밀링(ion-milling), 스퍼터 에칭(sputter-etching) 또는 레이저 에칭 등과 같은 에칭 툴의 조합 또는 서브세트를 이용하여 미세 구조물을 형성하는 것이다. 미세 가공은 전형적으로 실리콘, 유리, 사파이어 또는 세라믹으로 이루어진 기판 또는 웨이퍼 상에서 실행된다. 이러한 기판 또는 웨이퍼는 일반적으로 매우 평평하고 매끄러우며 인치 단위의 수평 크기를 갖는다. 이들은 일반적으로 처리 툴로부터 처리 툴로 이동할 때 카세트(cassettes) 단위의 그룹으로서 처리된다. 각각의 기판은 제품의 여러 카피를 포함하는 것이 유리할 것이다(그러나 필수적이지는 않음). 2가지의 일반적인 타입의 미세 가공이 존재하는데, 1) 웨이퍼 또는 기판의 두께의 대부분이 가공되는 벌크 미세 가공(bulk micromachining)과, 2) 가공이 일반적으로 표면으로 한정되고, 특히 표면 상에 증착된 박막으로 한정되는 표면 미세 가공(surface micromachining)이 존재한다. 본 명세서에서 이용된 미세 가공 정의는 실리콘, 사파이어, 모든 타입의 유리 재료, 폴리머(폴리이미드 등), 폴리실리 콘, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 알루미늄 합금, 구리 합금 및 텅스텐과 같은 박막 금속, SOG(spin-on-glasses), 주입 가능(implantable) 또는 확산된 도펀트(dopants) 및 실리콘 산화물 및 질화물 등과 같은 성장된 막을 포함하는 통상적이거나 알려진 미세 가공 재료의 이용하는 것을 포함한다.

그와 동일한 미세 가공의 정의가 본 명세서에 사용되었다.

통상적으로 cMUT는 그들을 지나 신장된 멤브레인(a membrane)을 갖는 육각형 구조물이다. 이 멤브레인은 인가된 바이어스 전압에 의해 기판 표면에 근접하여 유지된다. 발진 신호를 이미 바이어스된 cMUT에 인가함으로써, 멤브레인이 진동할 수 있게 되어 음향 에너지를 방출하게 된다. 마찬가지로, 음향 파가 멤브레인에 입사할 때, 결과적 진동은 cMUT 상의 전압이 변함에 따라 검출될 수 있다. cMUT 셀은 이들 육각형 "드럼(drum)" 구조 중 하나를 설명하기 위해 이용되는 용어이다. cMUT 셀은 매우 작은 구조물일 수 있다. 전형적 셀 치수는 육각형 상의 평평한 에지에서 평평한 에지까지가 25-50마이크론이다. 이 셀의 치수는 설계되는 음향 응답에 의해 많은 방식으로 정해진다. 주파수 응답과 원하는 감도의 관점에서 여전히 잘 실행되는 보다 큰 셀을 구성할 수 없을 수도 있다.

불행하게도, 이러한 소형 셀의 개별적 제어를 가능하게 하는 전자 소자를 제조하기는 어렵다. 전체로서 어레이의 음향 성능의 관점에서 작은 크기는 우수하며 큰 유연성을 유도하지만, 제어는 보다 큰 구조물로 제한된다. 복수의 셀을 그룹화하고 그들을 전기적으로 접속시킴으로써 보다 큰 하위 소자를 구성하게 하며, 이는 원하는 음향 응답을 유지하며 개별적인 제어를 가질 수 있다. 그래서 하위 소자는 재구성될 수 없는 전기적으로 접속되는 셀의 그룹이다. 이러한 개시 내용을 위해서, 하위 소자는 최소 독립적으로 제어되는 음향 유닛이다. 스위칭 네트워크를 이용하여 하위 소자를 함께 접속시킴으로써 링 또는 소자를 형성할 수 있다. 소자는 스위칭 네트워크의 상태를 변경시켜서 재구성될 수 있다. 그러나, 하위 소자는 전환가능하게(switchably) 접속해제될 수 없는 접속된 셀을 포함하고, 그에 따라 재구성될 수 없다. 또한 다음의 모든 분석은 또한 어레이가 PZT 또는 어떤 다른 공통 또는 향후 변환기 기술로 구성되는 경우에 유효하다.

실리콘 기반 초음파 변환기 하위 소자를 이용하는 재구성 가능성은 미국 특허 출원 일련 번호 제 10/383,990 호에 개시되어 있다. 재구성 가능성의 한 형태는 모자이크 환상 어레이(mosaic annular array)인데, 이것도 전술한 특허 출원에 개시되어 있다. 모자이크 환상 어레이 개념은 재구성 가능한 전자 스위칭 네트워크를 이용하여 하위 소자들을 함께 그룹화함으로써 환상 소자를 구성하는 것을 포함한다. 그 목표는 화질을 유지하고 슬라이스 두께를 향상시키면서 빔형성 채널의 수를 감소시키는 것이다. 시스템 채널을 감소시키기 위해, 모자이크 환상 어레이는 조종되지 않는 빔에 있어서 하부 2차원 변환기 어레이의 표면 상의 지연 윤곽(delay contours)이 원형이라는 사실을 이용한다. 다시 말해, 동일-지연(iso-delay) 곡선은 빔의 중심에 대해 고리형(annuli)이다. 지연의 원형 대칭은 공통 지연을 갖는 이들 하위 소자의 명확한 그룹화를 유도하여 환상 어레이 개념이 탄생된다. 스캔 또는 화상을 형성하기 위해 보다 큰 하부 2차원 변환기 어레이를 따라 빔을 진행시키는 데 재구성 가능성이 이용될 수 있다. 또한 재구성 가능성은 더 많은 채널을 필드 부근의 더 작은 액티브 개구에 할당함으로써, 다중 전송 애플리케이션을 위해 성능을 향상시키는 데에도 이용될 수 있다. 재구성 가능성이 유용하다는 것을 증명할 많은 다른 애플리케이션도 존재한다.

모자이크 환상 변환기 어레이 및 기타 모자이크 변환기 어레이에서, 다수의 초음파 변환기 하위 소자는 전용 스위치 매트릭스를 이용하여 함께 접속되어야 한다. 하위 소자는 초음파 신호의 송신 및 수신을 위해 이용되는 보다 많은 소자를 구성한다. 그러므로, 소자의 및 하위 소자의 구성은 데이터의 새로운 라인 또는 "뷰(view)"가 획득될 때마다 변한다. 구성이 변할 때마다, 스위칭 매트릭스 내의 스위치의 상태(온 또는 오프)가 갱신되어 소자 및 하위 소자의 새로운 상태를 구성하는 요구되는 상호접속을 생성하여야 한다.

재구성 가능 센서 어레이에서, 다수의 센서 하위 소자는 시스템 전자 장치에 의해 액세스되어야 한다. 이는 신호의 라우팅 및 제어 라인과 관련하여, 연관된 시스템 처리 전자 장치에 대해 상당한 정체(bottleneck)를 제공한다.

현재의 높은 채널 개수의 시스템에서, 개별 센서 소자에 대한 접속은 개별적인 플렉서블 배선을 이용하여 이루어지고, 필수적인 스캐닝 전자 장치인 외부 인쇄 회로 기판 하우징(housing)에 대해 라우팅된다. 배선 및 인쇄 회로 기판은 부피가 크고, 모자이크 변환기 어레이의 경우에서와 같이 매우 많은 개수의 변환기 하위 소자에 대해서는 현재 적용 불가능하다.

재구성 가능 초음파 어레이는 현재 이용 가능한 전자 장치로는 구현하기 어렵거나 불가능한 복잡한 스위칭 네트워크를 필요로 한다. 다른 타입의 센서(예를 들면, 광학적, 열적, 압력)의 어레이에서 뿐만 아니라 초음파 변환기 하위 소자의 어레이에 적용될 수 있는 단순한 스위칭 네트워크가 필요하다. 또한, 센서 어레이를 신속하게 재구성하기 위해 센서 어레이 아래에 배치된 집적된 스위칭 전자 장치를 포함하는 구성이 필요하다.

본 발명은 모자이크 센서 어레이의 하위 소자를 재구성하는 집적된 스위치 매트릭스에 관한 것이다. 스위치 매트릭스의 구성은 완전히 프로그래밍 가능하다. 스위치 매트릭스는 하위 소자를 버스 라인에 접속하는 액세스 스위치 및 하위 소자를 하위 소자에 대해 접속하는 매트릭스 스위치를 포함한다. 각각의 하위 소자는 그와 연관된 단위 스위치 셀을 구비한다. 일실시예에서, 각각의 단위 스위치 셀은 적어도 하나의 액세스 스위치, 적어도 하나의 매트릭스 스위치, 각 스위치의 미래의 상태를 저장하는 제각기의 래치 쌍 및 각각의 스위치에 대한 각 제어 회로를 포함한다. 액세스 및 매트릭스 스위치는 스위치의 현재 스위치 상태를 나타내는 제어 데이터를 기억할 수 있는 타입을 갖고, 이러한 제어 데이터는 제어 회로 내에 통합된 턴-온/오프 및 턴-오프 회로에 대한 하나의 데이터 비트 입력을 포함한다. 센서는 광학적, 열적 또는 압력 센서 또는 초음파 변환기일 수 있다. 센서 어레이 및 스위칭 매트릭스는 공동-집적된 구조물 내의 다른 계층에 형성되거나 전기적으로 접속된 별개의 웨이퍼 상에 형성될 수 있다. 또한, 전자 장치와 동일한 계층 내에 센서를 형성할 수도 있지만, 이는 전자 장치를 위해 이용 가능한 면적의 크기를 감소시키고, 그에 따라서 그다지 바람직하지 않다. 센서가 육각형 그리드로 정렬된다면, 단위 스위치 셀은 육각형 또는 직사각형 그리드 중 어느 하나로 정렬될 수 있다.

본 명세서에서 설명된 실시예는 대형 소자가 구성되게 하는 기반이 될 그리드로서 용량성 미세 가공 초음파 변환기(cMUT)의 2차원 어레이를 이용한다. 그러나, 본 발명은 cMUT 구조물로 한정되지 않고, 다른 통상적 또는 향후의 변환기 기법에 대해서도 동등하게 적용 가능하다.

본 발명의 일측면은 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 제 1 계층(first stratum) 내에서 제 1 세트의 실질적으로 평행한 라인을 따라 정렬된 다수의 센서와, 제 2 계층 내에서 제 2 세트의 실질적으로 평행한 라인을 따라 정렬된 다수의 단위 전자 셀(unit electronics cells)-제 1 및 제 2 세트의 라인은 서로 평행하고 서로에 대해 정렬되어 있음-과, 제각기의 상기 단위 전자 셀을 제각기의 상기 센서에 대해 각각 전기적으로 접속하는 다수의 전기적 접속부를 포함하고, 각각의 상기 단위 전자 셀은, 제각기의 상기 센서에 전기적으로 접속된 제각기의 접속 포인트를 향하는 제각기의 경로(pathways)를 닫고, 각각의 센서로부터 전환가능하게 접속해제될 수 없는 제각기의 복수의 스위치와, 상기 스위치의 스위치 상태를 제어하는 각각의 제어 회로를 포함한다.

본 발명의 다른 측면은 장치를 제공하는데, 이 장치는 제 1 기판 내부 또는 상부에 형성된 다수의 센서와, 제 1 기판에 인접하고 그에 대향하여 배치된 제 2 기판 내에 집적된 다수의 단위 전자 셀과, 제 2 기판에 의해 지지되는 다수의 버스 라인과, 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치되어 각각의 단위 전자 셀을 각각의 센서에 대해 각각 전기적으로 접속하는 다수의 전기적 접속부를 포함하고, 각각의 단위 전자 셀은 각각의 복수의 스위치 및 스위치의 스위치 상태를 제어하는 각각의 제어 회로를 포함하며, 각각의 복수의 스위치는 액세스 스위치가 턴-온될 때 연관된 센서를 버스 라인 중의 하나와 접속하는 액세스 스위치와, 단위 전자 셀의 액세스 스위치 및 매트릭스 스위치가 턴-온될 때 액세스 스위치를 이용하여 이웃하는 단위 전자 셀과 연결된 센서를 하나의 버스 라인과 접속하는 매트릭스 스위치를 포함한다.

본 발명의 다른 측면은 장치를 제공하는데, 이 장치는 제 1 계층 내에 정렬되어, 각각 서로에 대해 전기적으로 상호접속되고, 서로에 대해 전환가능하게 접속해제될 수 없는 각각의 복수의 cMUT 셀을 포함하는 다수의 초음파 변환기 하위 소자와, 제 1 계층 하부에 위치된 제 2 계층을 따라서 정렬된 다수의 단위 CMOS 전자 셀과, 다수의 버스 라인과, 각각의 단위 CMOS 전자 셀을 각각의 초음파 변환기 하위 소자에 각각 전기적으로 접속하는 다수의 전기적 접속부를 포함하고, 여기에서 각각의 단위 CMOS 전자 셀은 각각의 복수의 스위치 및 스위치의 스위치 상태를 제어하는 각각의 제어 회로를 포함하며, 각각의 복수의 스위치는 액세스 스위치가 턴-온될 때 연관된 초음파 변환기 하위 소자를 버스 라인 중의 하나와 접속하는 액세스 스위치와, 단위 CMOS 전자 셀의 액세스 스위치 및 매트릭스 스위치가 턴-온될 때, 액세스 스위치를 이용하여 이웃하는 단위 CMOS 전자 셀과 연결된 초음파 변환기 하위 소자를 하나의 버스 라인에 접속하는 매트릭스 스위치를 포함한다.

본 발명의 다른 측면은 이하에서 개시되고 청구될 것이다.

이하에서는 서로 다른 도면 내에 있는 동일한 구성 요소가 동일한 참조 부호를 보유하는 도면들을 참조할 것이다.

본 발명은 집적된 스위칭 매트릭스를 구비하는 재구성 가능 센서 어레이에 관한 것이다. 설명을 위해서, 재구성 가능 어레이는 용량성 미세 가공 초음파 변환기(cMUT)를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 명세서에 개시된 본 발명의 측면은 프로브(probes) 채용 cMUT에 대해서만 적용되는 것으로 한정되는 것이 아니라, pMUT를 채용하는 프로브 또는 각각의 다이싱된(diced) 하위 소자가 상호접속 수단에 의해 하부의 스위칭 층에 접속되는 다이싱된 압전 세라믹 어레이(diced piezoceramic arrays)에도 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한 본 발명의 동일한 측면은 광학적, 열적 또는 압력 센서의 재구성 가능 어레이에 대해서도 적용된다.

도 1을 참조하면, 전형적 cMUT 변환기 셀(2)의 단면이 도시되어 있다. 이러한 cMUT 변환기 셀 어레이는 전형적으로 강하게 도핑된(따라서 반도전성인) 실리콘 웨이퍼와 같은 기판(4) 상에서 제조된다. 각 cMUT 변환기 셀에 있어서, 질화 실리콘으로 구성될 수 있는 얇은 멤브레인(membrane) 또는 막(diaphragm)(8)이 기판(4) 위에 떠있다. 멤브레인(8)은 절연 지지부(6)에 의해 그 주변부가 지지되며, 이는 산화 실리콘 또는 질화 실리콘으로 구성될 수 있다. 멤브레인(8)과 기판(4) 사이의 캐비티(14)는 공기 또는 가스로 채워지거나 전체적 또는 부분적으로 진공 상태로 될 수 있다. 전형적으로, cMUT는 공정이 허용하는 한 최대로 완벽하게 진공 상태로 된다. 알루미늄 합금 또는 다른 적합한 도전 물질과 같은 도전 물질로 구성되는 필름 또는 층은 멤브레인(8) 상에 전극(2)을 형성하며, 도전 물질로 구성되는 또 다른 필름 또는 층은 기판(4) 상에 전극(10)을 형성한다. 이와 달리, 반도전성 기판(4)을 적합하게 도핑하여 하부 전극을 형성할 수 있다.

캐비티(14)에 의해 분리되는 2개의 전극(10,12)은 캐패시턴스를 형성한다. 충돌하는 음향 신호가 멤브레인(8)을 진동하게 하면, 캐패시턴스 내의 진동은 관련되는 전자 장치(도 1에 도시되지 않음)를 이용하여 검출될 수 있어서, 그 음향 신호를 전기 신호로 변환하게 된다. 반대로, 전극 중 하나에 인가되는 AC 신호는 전극의 전하를 변조하고, 이는 결국 전극들간의 용량성 힘(capacitive force)의 변조를 초래하며, 후자는 막을 이동하게 하여 음향 신호를 전달하게 된다.

개별 셀은 원형, 직사각형, 육각형 또는 기타 주변 형상을 가질 수 있다. 육각형 형상은 변환기 하위 소자의 cMUT 셀의 조밀한 패킹(packing)을 제공한다. cMUT 셀은 변환기 하위 소자가 서로 다른 셀 크기의 복합 특성을 가지도록 여러 치수를 가질 수 있고, 그에 따라 변환기가 광대역 특성을 갖게 된다.

불행히도, 이러한 소형 셀에 대한 개별 제어를 가능하게 하는 전자 소자를 제조하기는 어렵다. 전체로서 어레이의 음향 성능 관점에서, 소형 셀 크기는 우수하며 큰 유연성을 유도하지만, 제어는 보다 큰 구조로 제한된다. 복수의 셀을 함께 그룹화하고 이들은 전기적으로 접속시킴으로써 보다 큰 하위 소자를 생성할 수 있고, 이는 원하는 음향 응답을 유지하면서 개별적으로 제어할 수 있다. 스위칭 네트워크를 이용하여 하위 소자를 함께 접속시킴으로써 링 또는 소자를 형성할 수 있다. 이 소자는 스위칭 네트워크의 상태를 변경함으로써 재구성될 수 있다. 그러나, 개별 하위 소자는 상이한 하위 소자를 형성하도록 재구성될 수 없다.

MUT 셀은 미세 가공 공정에서 함께 접속되어(즉, 방해 스위치 없이) 하위 소자를 형성한다. 이하에서 "음향 하위 소자(acoustical subelement)"라는 용어는 이러한 클러스터(cluster)를 설명하는 데 이용될 것이다. 이들 음향 하위 소자는 미세 전자 스위치(microelectronic switches)에 의해 상호접속되고, 이러한 스위치를 실리콘 층 내부 또는 변환기 어레이에 바로 인접하여 위치되는 서로 다른 기판 상부에 위치함으로써 더 큰 소자를 형성할 수 있다. 이 구성은 큰 체적에서 저비용으로 수행될 수 있는 반도체 공정에 기초한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "음향 하위 소자"라는 용어는 재구성될 수 없고, 전기적으로 접속된 단일 셀 또는 셀의 그룹으로서, 즉, 이 하위 소자는 최소의 독립적으로 제어되는 음향 유닛이다. "하위 소자"라는 용어 음향 하위 소자 및 그 연결되는 집적 전자 소자를 의미한다. "소자"는 스위칭 네트워크를 이용하여 하위 소자를 함께 접속시킴으로써 형성된다. 이 소자는 스위칭 네트워크의 상태를 변경함으로써 재구성될 수 있다. 상세히 후술할 바와 같이, 스위칭 네트워크에 포함되는 스위치 중 적어도 일부는 "연결되는 집적 전자 소자"의 일부분이다.

설명을 위해서, 도 2는 7개의 육각형 cMUT 셀(2)로 구성되는 "데이지" 변환기 하위 소자(16)를 도시하고 있는데, 중심 셀은 6개의 셀로 이루어진 링으로 둘러싸여 있고, 링의 각 셀은 링의 중심 셀 및 인접 셀의 각 측면에 접촉한다. 각 cMUT 셀(2)의 상부 전극(12)은 스위칭 가능하게 접속해제될 수 없는 접속부에 의해 서로 전기적으로 접속된다. 육각형 어레이의 경우에, 6개의 도전체는 상부 전극(12)으로부터 멀어지는 방향으로 연장되고, 인접 cMUT 셀의 상부 전극에 각각 접속된다(6개가 아닌 3개의 다른 셀에 접속되는 주변 셀의 경우는 제외함). 이와 유사하게, 각 셀(2)의 하부 전극(10)은 스위치 가능하게 접속해제할 수 없는 접속부에 의해 서로 전기적으로 접속되어, 7배 더 큰 용량성 변환기 하위 소자(16)를 형성한다.

도 2에 도시된 타입의 하위 소자는 반도전성(예: 실리콘) 기판 상에 2차원 어레이를 형성하도록 배열될 수 있다. 이들 하위 소자는 스위칭 네트워크를 이용하여 환상 링과 같은 소자를 형성하도록 재구성될 수 있다. 실리콘 기반 초음파 변환기 하위 소자를 이용하는 재구성 가능성은, 미국 특허 출원 일련 번호 제 10/383,990 호에 개시되었다. 재구성 가능성의 한 형태로는 모자이크 환상 어레이가 있는데, 이 또한 전술한 특허 출원에 개시되어 있다. 모자이크 환상 어레이 개념은 재구성 가능한 전자 스위칭 네트워크를 이용하여 하위 소자들을 함께 그룹화함으로서 환상 소자를 구성하는 것을 포함한다. 그 목적은 화질을 유지하고 슬라이스 두께를 향상시키며 빔 형성 채널의 개수를 감소시키는 것이다. 시스템 채널을 감소시키기 위해, 모자이크 환상 어레이는 조종되지 않는 빔에 있어서 하부의 2차원 변환기 어레이의 표면 상의 지연 윤곽이 원형이라는 사실을 이용한다. 다시 말해, 동일-지연(iso-delay) 곡선은 빔의 중심에 대한 고리 형상이다. 지연의 원형 대칭은 공통 지연을 갖는 이들 하위 소자의 명확한 그룹화가 되게 한다. 스캔 또는 화상을 형성하기 위해 보다 큰 하부 2차원 변환기 어레이를 따라 빔을 진행시키기 위해서 재구성 가능성을 이용할 수 있다.

MUT 셀 및 음향 하위 소자를 이용하여 변환기 어레이를 구성하는 많은 방법이 존재한다. 도 3은 모자이크 어레이를 구성하기 위한 음향 하위 소자의 모자이크 형상의 일례를 도시하고 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 각각 "데이지" 음향 하위 소자(하위 소자당 7개의 MUT 셀이 서로 접속됨)의 모자이크 형상을 포함하는 4개의 대략적인 환상 소자(각각 참조 번호(18A-D)가 할당됨)는, 소자당 대략 동일한 면적을 갖도록 구성된다. 각 경우에 모자이크 형상은 복수의 하위 소자 타입으로 구성될 수 있다. 어레이 패턴은 모자이크 세공일 필요는 없으나 음향 하위 소자 없는 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 음향 하위 소자 또는 셀의 상부 전극 접속을 어레이 아래에 위치되게 하는 비아(vias)가 존재할 수 있다.

본 발명의 구성은 빔폭(beamwidth), 측면 로브 레벨(side lobe level) 또는 초점 심도(depth of focus) 등과 같은 각종 음향 파라미터를 최적화하도록 변경될 수 있다. 이와 달리, 음향 하위 소자는 전달 동작을 위한 하나의 개구를 형성하도록 그룹화되고 즉시 수신부를 위한 다른 개구로 스위칭될 수 있다. 도 3은 대략적 환상 소자의 각 부분을 도시하고 있으며, 다른 구성도 구현될 수 있는데, 예를 들어, 불연속 링, 광학 링 또는 아크(arcs)가 있다. 패턴의 선택은 적용 분야의 요구 사항에 의존한다.

대부분의 개구는 상호접속되는 연속 그룹화된 하위 소자로 구성되어 도 3에 도시된 환상 소자와 같은 보다 큰 단일 소자를 형성할 것이다. 이 경우, 모든 하위 소자를 자신의 각 버스 라인에 직접적으로 접속시킬 필요는 없다. 주어진 그룹 내의 제한된 수의 하위 소자를 접속시키고, 나머지 하위 소자를 서로 접속시키는 것으로 충분하다. 이러한 방식으로, 전송 신호는 버스 라인을 따라 시스템으로부터 전송되어 제한된 수의 액세스 포인트를 따라 소자로 전송된다. 그곳에서부터 소자 내의 신호가 국부 접속부를 통해 확산된다.

특정한 형상으로 주어진 경우에, 재구성 가능 어레이는 음향 하위 소자를 시스템 채널에 대해 매핑(mapping)한다. 이러한 매핑은 개선된 성능을 제공하도록 설계되었다. 이러한 매핑은 스위칭 네트워크를 이용하여 이루어지고, 이는 그 위에 cMUT 셀이 구성되는 기판 상에 직접 위치되는 것이 이상적이지만, 변환기 기판에 인접하게 집적된 서로 다른 기판 내에 위치될 수도 있다. cMUT 어레이가 실리콘 기판의 상부에 직접적으로 형성되기 때문에, 스위칭 전자 장치는 기판 내에 통합될 수 있다. PZT 또는 보다 통상적인 구현에서, 스위치 네트워크는 간단하게 별개의 실리콘 기판 내에 제조되고 PZT 어레이에 부착될 수 있다.

공동 집적된 cMUT 및 ASIC 어레이의 단면도는 도 4에 도시되어 있고, 여기에서 ASIC로부터 cMUT로의 접속이 형성되는 것이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 단일 비아(56)는 각각의 cMUT 하위 소자(32)를 그의 대응부(counterpart) CMOS 하위 소자(또는 "셀")(50)에 접속한다. 신호 전극의 패드(65)를 스위치 ASIC 상에 형성된 제각기의 도전성 패드(66)에 접속시키는 비아(56)는, 음향 방지층(acoustic backing layer)(62) 또는 다른 적절한 절연 재료 내에 내장될 수 있다.

도 21은 기판(90) 내에 형성된 전자 셀의 부분(50A, 50B)을 도시하는데, 이 기판(90)은 패시베이션층(92)에 의해 cMUT 하위 소자(32)로부터 분리된다. 하위 소자(32)의 오로지 하나의 cMUT 셀(2)만이 도시되어 있으나, 각각의 하위 소자가 전환가능하게 접속해제될 수 없는 방식으로 함께 접속된 하나 이상의 cMUT 셀을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 도 21에 도시된 바와 같이, 하위 소자마다 하나 이상의 신호를 갖는 것이 바람직할 것이다. 특히, 상부 전극(12) 및 하부 전극(10)은 모두 예를 들면, 패시베이션 층(92)을 통과하는 금속화된 비아에 의해 전자 셀 아래로 진행될 수 있다. 이는 cMUT 하위 소자의 양면에 대한 독립적인 제어를 제공하는데, 이는 어레이 내를 모든 cMUT 하위 소자를 서로 다른 바이어스 전압으로 독립적으로 바이어싱하는 데 이용될 것이다. 이러한 특징은 could be used, 예를 들면, 송신 펄스의 극성을 반전시키거나, 하위 소자로부터 하위 소자로의 cMUT 민감도의 약간의 변동에 대해 조정하기 위해 이용될 수 있다.

또한, 별개의 기판(예를 들면, 웨이퍼) 상에 cMUT를 형성하고, 도 5에 도시된 바와 같이 이들을 별도로 ASIC 스위치 매트릭스에 접속시킬 수 있다. 여기에서 예를 들면, 전기적 도전성 범프(64) 및 전기적 도전성 패드(65, 66)는 개별적인 cMUT 하위 소자(32)를 그의 스위치 전자 대응부(50)에 접속시키는 데 이용된다. 또한, ACP(anisotropic conductive paste), ACF(anisotropic conductive film), 전기적 도전성 폴리머, 금속화된 범프, 수직 상호접속 시스템(예를 들면, z-축 인터포저), 플렉서블 인쇄 회로 또는 금속화된 비아 등과 같은 다른 상호접속 기법도 이용 가능하다.

최적 패킹 밀도(packing density)를 위해서, 도 6에 도시된 바와 같이 cMUT 하위 소자(32) 및 연결된 전자 장치를 육각형 그리드 상에 타일처럼 연결하는 것이 유리한데, 이러한 도 6은 ASIC 스위치 매트릭스의 평면도를 도시한다. 여기에서 CMOS 단위 스위치 셀(50)은 열로 배치되고, 매 제 2 열마다 셀 높이의 절반만큼 오프셋된다. 셀 크기를 적절히 선택함으로써, 도시된 바와 같이 패드(66)의 완전한 육각형 어레이를 획득할 수 있다. 그러면 비아(56)(또한 육각형 어레이로 정렬됨)는 변환기 층에 대한 접속의 기반을 형성하는 제각기의 패드(도 4에 도시되지 않음)에 대해 접속되고, 하위 소자의 육각형 어레이를 포함한다. 보다 간단한 ASIC 구현은 도 7에 도시되어 있다. 여기에서 CMOS 단위 스위치 셀(50)은 수평 행 및 수직 열로 정렬되어 직사각형 그리드를 형성하고, 그 위의 육각형 하위 소자(32)는 육각형 그리드를 형성한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 단위 스위치 셀 패드(66)는 열 및 행으로 정렬되어 직사각형 어레이를 형성하면서, 정확하게 정렬되어 단위 스위치 셀(50)이 제각기의 육각형 하위 소자(32)에 전기적으로 접속되게 하는 접속부를 형성한다. 어느 경우에나, 하위 소자의 육각형 그리드 패턴은 도 3에 도시된 바와 같은 모자이크 환형 어레이 빔 패턴을 구현할 수 있게 한다.

전형적인 동작에서, 재구성 가능 어레이는 도 3에 도시된 것과 유사한 초기 개구 패턴을 가지고 프로그래밍된다. 이러한 패턴은 빔형성기(beamformer)가 어레이의 전면에 빔을 생성할 수 있게 한다. 촬영 동안에, 개구는 도 8에 도시된 바와 같이 어레이(60)를 거쳐 스캐닝되고, 여기에서 링은 t=1에서의 링 1로부터 t=2에서의 링 2로 진행되고, 마지막으로 t=N에서의 링 N으로 진행되는데 t는 시간이고, N은 2보다 큰 양의 정수이다. 이러한 방식으로, 빔은 어레이의 전면에서 공간 내부로 방출되고, 화상의 연속적인 라인을 형성하기 위해 빔 형성 에코(beamformed echoes)가 형성된다. 재구성 가능 어레이의 용도는 촬영 동작이 도 8에 도시된 바와 같이 임의적인 복소 어레이 패턴을 전자적으로 달성할 수 있게 하는 것이다. 종래의 초음파 스캐너는 전자적 스캐닝을 달성할 수 있지만 돌출된 방향 및 고정된 기하 구조에서 센서 하위 소자의 정밀한 분포의 부재로 인하여, 개구의 복잡성이 제한되었다.

도 8에 도시된 바와 같은 완전 재구성 가능 어레이는 그 구현에 있어서 다수의 중대한 문제를 제기한다. 센서 어레이는 수만의 하위 소자로 세분된다. 빔 패턴은 한정된 개수의 시스템 송신/수신 및 빔형성 채널에 대한 접속에 있어서 하위 소자를 그룹화함으로써 형성된다.

모자이크 환형 어레이 개념을 구현하기 위해 이용될 때, 재구성 가능 어레이는 전자적으로 어레이에 걸쳐 변환될 수 있는 다수의 링을 형성할 것이다. 변환의 각각의 새로운 단계에서 있어서, 전체 링 패턴은 어레이로 재프로그래밍되어 새로운 구성을 생성할 것이다. 송신과 수신 사이 및 수신 동안의 다수의 간격에서 링 패턴을 업데이트하는 능력을 제공하여 형성된 빔의 왜곡을 감소시키고, 그에 따라 화상 품질을 개선할 수 있을 것이다.

전형적인 시스템에서, 128 이상의 빔형성 채널이 이용된다. 현재의 초음파 시스템은 128개의 시스템 채널을 고정된 개수의 변환기 소자에 대해 라우팅할 수 있는 멀티플렉싱 아키텍처를 이용한다. 이러한 멀티플렉서 네트워크에 대한 적절한 설계를 이용하면, 한정된 양의 전자 장치를 가지고 표준 스캐닝 패턴을 생성할 수 있다. 그러나, 대부분의 경우에 스캐닝 패턴은 고정되고, 네트워크의 제한에 기인하여 재구성 불가능하다. 완전 재구성 가능 어레이는 이러한 제한의 영향을 받지는 않지만, 그것을 구현하기 위해서 매우 밀집된 스위칭 매트릭스를 필요로 한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 재구성 가능 어레이의 근본적인 특성은 임의의 하위 소자가 임의의 시스템 채널에 임의적으로 접속되는 것을 필요로 한다. 예를 들면, 개구가 제 1 위치로부터 다른 위치로 스캐닝될 때, 하위 소자(S2)는 먼저 내부 링(도시되지 않음)의 일부분이어야 하고, 그 후에 링 2의 일부분이어야 한다. 이는 제 1 시스템 채널에 대한 접속 상태로부터 짧은 시간 주기 내에 다른 시스템 채널에 접속된 상태로 스위칭되어야 한다는 것을 의미한다. 이는 일반적으로 스캐닝 동작 동안에 어레이 내의 다수의 하위 소자에 있어서 그러하다.

이러한 조건을 구현하는 가장 간단한 방법은 모든 시스템 채널을 어레이에 걸쳐 분포시켜서 각각의 하위 소자가 모든 시스템 채널에 대한 액세스를 갖게 하는 것이다. 이러한 아키텍처는 도 9에 도시되어 있다. 여기에서 설명을 위해 오로지 5개의 시스템 채널만이 도시되었다. 각각의 시스템 채널은 어떤 하위 소자에 의해 어떤 시스템 채널이 채택되는지 선택하기 위해서 이용되는 국부 스위치를 갖는 모든 하위 소자를 통해 버싱(bussed)된다.

매트릭스 전자 장치가 변환기 어레이 바로 뒤에 배치되는 시스템에서, 각각의 하위 소자의 스위칭 전자 장치를 위한 공간이 하위 소자의 크기까지 감소되도록 요구된다. 전형적인 초음파 시스템에서, 이 크기는 수백 마이크론 정도의 크지이지만 이것보다 더 작을 수 있다. 스위치의 크기는 그의 온-저항(on resistance)에 역비례하므로, 더 많은 스위치는 더 높은 온-저항을 제공하고 더 작은 개수의 스위치는 더 낮은 온-저항을 제공하기 때문에 상충의 문제에 직면하게 된다. 그러나, 스위치가 가능한 한 가장 작은 개수를 갖는 극단적인 경우를 고려한다고 해도, 현재의 반도체 기술에 있어서 할당된 공간 내에서 16개 이상의 스위치는 용이하게 허용될 수 없다는 것이 명확할 것이다. 실제 어레이에 있어서 도 9의 완전 점유된 아키텍처는 더 많은 스위치를 포함할 것이지만, 이는 최신 기술 상태에 있어서도 어렵다는 것이 명확할 것이다.

미래의 기술에 의해 동일 공간 내에 더 많은 스위치를 집적하는 것이 상당히 가능해진다고 해도, 초음파 분야에서의 진보는 화상의 파장과 관련되기 때문에 할당된 셀 크기를 감소시킬 것인데, 이는 개선된 화상 품질을 감소시킬 것이다. 또한, 디지털 제어 및 송신/수신 회로 등과 같은 더 많은 구성 요소는 이 동일하게 제한된 영역 내에 포함될 것이다. 그러므로, 완전히 점유 가능한 아키텍처는 이러한 단순성을 위해서는 유용하지만 즉시 적용되거나 실행될 수 없다.

상술된 상호접속 문제에 대한 더 나은 해결책은 재구성 가능 어레이 내에서 요구되는 유연성을 제공하는 것과 동시에 각각의 하위 소자 내의 스위치의 개수를 제한하는 것이다. 이는 한정된 개수의 버스 라인을 이용하고, 도 10에 도시된 바와 같이 재구성 가능하게 하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 여기에서 멀티플렉서(70)는 오로지 하나의 버스 라인에 의해 제공되는 하위 소자(32)의 각각의 행을 가지고, 버스 라인(74) 중 어느 하나에 접속될 임의의 시스템 채널(38)(CH.1 내지 CH.N)을 임의적으로 선택하는 데 이용된다. 각각의 하위 소자의 cMUT 셀(2)(각각의 하위 소자에 대해 오로지 하나의 cMUT 셀만이 도시됨)은 제각기의 액세스 스위치(30)에 의해 버스 라인에 접속된다. 이러한 아키텍처의 주요 특징은 어레이의 외부에 많은 스위치가 위치될 수 있고, 그에 따라 변환기의 형상에 의해 제한되지 않는다는 것이다. 1차원 패턴은 하위 소자의 어떤 행이 어떤 시스템 채널에 접속될 것인지 연속적으로 선택함으로써 이러한 아키텍처를 이용하는 어레이에 걸쳐 스캐닝될 수 있다. 이러한 아키텍처에 대한 추가적인 개선은 도 11에 도시되어 있다. 여기에서 다수의 버스 라인(74, 76)은 하위 소자(32)의 각 행 아래로 라우팅된다. 각각의 하위 소자(32)의 cMUT 셀(2)은 액세스 스위치(30')을 통해 버스 라인(74)에 접속되거나 액세스 스위치(30)를 통해 버스 라인(76)에 접속될 수 있다. 이러한 아키텍처는, 동일한 행 내에 서로 다른 시스템 채널 상에서 하위 소자를 그룹화할 수 있게 되었으므로 수평 방향에서의 유연성을 제공한다.

상술된 아키텍처에 대한 추가적인 개선은, 대부분의 개구가 단일의 더 큰 소자를 형성하기 위해 상호접속된 연속 그룹화된 하위 소자로 이루어지게 함으로써 가능해진다. 이러한 경우에, 모든 하위 소자를 직접적으로 제각기의 버스 라인에 접속시킬 필요는 없다. 주어진 그룹 내의 한정된 개수의 하위 소자를 접속시키고, 다음에 나머지 하위 소자를 서로 접속시키는 것으로도 충분하다. 이러한 방식으로, 송신 신호는 버스 라인을 통해 시스템으로부터 한정된 개수의 액세스 포인트를 따라 소자로 전파된다. 거기에서부터 신호는 국부 접속부를 통해 소자 내부로 확산된다. 이러한 아키텍처는 도 12에 도시되어 있다. 여기에서 개별적인 하위 소자(32)는 액세스 스위치(30)를 이용하여 그의 행과 연관된 버스 라인에 접속될 수 있고, 하나의 하위 소자를 인접한 하위 소자에 접속시키는 매트릭스 스위치(36)를 이용하여 인접한 행과 연결된 버스 라인에 접속될 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같은 본 발명의 일실시예는, 앞서 언급된 모든 개선을 함께 통합한다. 단지 하나의 액세스 스위치(30)만을 이용하여 주어진 하위 소자(32)를 버스(34)의 행 버스 라인에 접속시킨다. 이러한 아키텍처는 모자이크 환형 어레이에 직접 적용 가능하다. 이러한 장치에서, 이러한 아키텍처를 이용하여 다수의 링을 형성할 수 있는데, 여기에서 각각의 링은 하나 이상의 액세스 스위치를 이용하여 단일 시스템 채널에 접속 가능하고, 그 각각의 액세스 스위치는 시스템 채널에 접속된 버스 라인에 접속된다.

액세스 스위치는 도 13에 도시된 바와 같이 갈짓자 형상(staggered)이 되어 이하에 설명되는 바와 같이 주어진 개수의 버스 라인에 대해 요구되는 개수를 감소시킨다. 액세스 스위치를 버스 라인(도시하지 않음)에 대해 임의적으로 순차화하면, 반복 패턴에 기인하여 아티팩트를 감소시킬 수 있다. 각각의 하위 소자 내의 하나 이상의 액세스 스위치를 이용하여 어레이의 유연성을 개선할 수 있다. 이러한 아키텍처에서, 유연성과 하위 소자마다의 액세스 스위치의 개수에 대한 절충이 이루어지고, 여기에서 그 개수는 여전히 버스 라인 및 시스템 채널의 개수보다 상당히 적다. 또한, 각각의 소자 내의 버스 라인마다 하나 이상의 액세스 스위치를 이용할 수 있다. 이는 여분의 액세스 스위치를 이용하여 기능하지 않는 액세스 스위치를 바이패싱(bypassed)할 수 있기 때문에 장치의 수율을 향상시킬 수 있다.

행 버스 라인은 도 13에 도시된 바와 같은 교차점 스위칭 매트릭스(cross-point switching matrix)를 이용하여 시스템 채널에 접속된다. 드문드문한 교차점 스위치도 이용 가능한데, 여기에서 더 적은 멀티플렉서 스위치가 요구된다. 이러한 아키텍처는 공간의 이용에 있어서 보다 효과적이지만, 모든 버스 라인이 적절히 접속될 수 있게 하는 스위치 구성의 적절한 선택을 필요로 할 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 행마다 다수의 버스 라인을 이용할 수 있다. 더 많은 버스 라인은 어레이 내에서 더 많은 멀티플렉서 스위치 및 더 많은 라우팅 영역을 희생하여 어레이의 유연성을 개선한다. 행을 스킵(skip)하거나 서로 다른 행에서 서로 다른 개수의 버스 라인을 이용할 수 있다. 예를 들면, 면적을 절감하기 위해서, 하위 소자의 모든 인접한 행의 쌍 사이에서 버스 라인의 그룹을 공유하는 것이 유리할 것이다.

지금까지 오로지 수평 버스라인만이 설명되었으나, 어레이 내에서 수직 및 수평으로 연장하는 버스 라인을 모두 배치할 수 있다. 버스 라인은 도 14에 도시된 바와 같이 수직으로 배치될 수 있다(버스 라인(72, 74, 76) 참조). 도 15를 참조하면, 버스 라인(82)의 하나의 세트는 수평으로 배치되고, 다른 세트(오로지 하나의 버스 라인(84)만이 도시됨)는 수직으로 배치될 수 있다. 이러한 경우에, 각각의 하위 소자 또는 하위 소자의 그룹은 하나의 액세스 스위치를 통해 수직 버스 라인에 접속될 수 있고, 다른 액세스 스위치를 통해 또한 수평 비트 라인에 접속될 수 있다. 그러나, 버스 라인이 이용 가능한 전자적 영역 면적이 점점 작아지고 더 많은 버스 라인이 필요하지만 하위 소자 내에 오로지 하나의 액세스만이 존재하기 때문에 버스 라인이 2개의 방향으로 연장되는 경우에, 각각의 하위 소자의 액세스 스위치는 수평 버스 라인 또는 수직 버스 라인에 접속될 수 있지만 그 모두에 접속될 수는 없다. 마지막으로, 버스 라인은 또한 도 16에 도시된 바와 같이 사선으로 배치될 수 있다. 이러한 라인(76, 80)은 각각 육각형 어레이의 자연축(natural axes) 중 2개를 따라서 연장되고, 그에 따라 하위 소자의 어드레싱을 보다 간단하게 한다.

액세스 스위치 및 행 버스 라인의 개수는 크기 제한 및 적용 분야에 의해 결정된다. 하나의 예시적인 비제한적 구현(도 13에 도시됨)을 설명하기 위해서, 각각의 하위 소자(32)에 대한 단일 액세스 스위치(30) 및 어레이의 각 행에 대한 4개의 행 버스 라인(34a-34d)을 가정한다. 스위치 중 두 번째 스위치는 매트릭스 스위치(36)이고, 이것은 하나의 하위 소자(도 17 참조)의 접속 포인트(42)를 이웃 하위 소자의 접속 포인트에 접속시키는 데 이용된다. 이것은 음향 하위 소자(32)가 이웃하는 음향 하위 소자와 연결된 집적 전자 장치를 통해 시스템 채널에 접속되게 한다. 이는 또한 음향 하위 소자가 액세스 스위치를 통해 직접 접속되지 않았다고 하더라도 시스템 채널에 접속될 수 있다는 것을 의미한다. 도 13은 하위 소자마다 3개의 매트릭스 스위치(36)를 도시하였으나, 영역을 절약하고 스위치가 더 작은 온-저항을 갖고 그에 따라 더 큰 면적을 가질 수 있도록 허용하기 위해서 3개미만으로 할 수 있다. 추가하여, 매트릭스 스위치를 이용하여 주어진 어레이에 있어서 알려진 불량 하위 소자 주위를 라우팅할 수 있다. 마지막으로, 육각형 하위 소자가 도시되어 있으나, 직사각형 하위 소자도 가능하며 이는 더 적은 개수의 스위치를 필요로 할 것이다.

도 17을 참조하면, 각각의 하위 소자는 음향 하위 소자(32)와 접속된 전자 장치 내에 공통 접속 포인트(42)를 포함한다. 이러한 공통 접속 포인트(42)는 각 하위 소자 내의 8개의 구성 요소를 전기적으로 접속한다. 공통 접속 포인트(42)는 접속부(46)를 통해서 음향 하위 소자 또는 변환기(32)를 해당 하위 소자를 위한 액세스 스위치(30), 해당 하위 소자와 연결된 3개의 매트릭스 스위치(36) 및 3개의 이웃하는 하위 소자와 연결된 3개의 매트릭스 스위치에 접속한다. 매트릭스 스위치를 통해 이동하는 신호는 이웃하는 하위 소자의 공통 접속 포인트에 대한 접속을 획득할 수 있다.

도 13은 스위칭 네트워크가 특정 하위 소자에 대해 작용하는 방법을 도시한다. 이는 예시적인 장치에 불과하다. 4개의 행 버스 라인(34a 내지 34d)을 포함하는 버스(34)는 하위 소자(32)의 행 아래로 연장된다. 도 13은 이 행 내에 오로지 3개의 하위 소자만을 도시하였으나, 이러한 행 내의 다른 하위 소자가 도시되지 않았다는 것을 이해할 것이다. 버스(34)의 행 버스 라인은 멀티플렉싱 스위치(40)에 의해 행의 끝단에서 시스템 채널 버스(38)의 시스템 채널 버스 라인에 대해 멀티플렉싱되는데, 이는 교차점 스위칭 매트릭스를 형성한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 각각의 행 버스 라인(34a-34d)은 적절한 멀티플렉싱 스위치(40)를 턴-온하고, 특정한 행 버스 라인을 다른 시스템 채널 버스 라인에 접속하는 멀티플렉싱 스위치를 턴-오프함으로써, 버스(38)의 시스템 채널 버스 라인 중 어느 하나에 접속될 수 있다. 이러한 멀티플렉싱 전자 장치는 측면 외부에 있을 수 있고, 그에 따라 크기에 제한을 받지 않는다. 도 13은 완전 점유된 교차점 스위치를 도시한다. 그러나, 모든 버스 라인이 모든 시스템 채널에 접속되도록 허용하는 스위치를 가져야만 하는 경우에, 오로지 작은 시스템 채널의 서브세트(subset)만이 주어진 버스 라인에 접속될 수 있는 여분의 교차점 스위치를 이용할 수 있는데, 이 경우에 도 14에 도시된 스위치(40) 중 일부만이 존재할 것이다.

액세스 스위치는 하위 소자에게 버스 라인에 대한 직접적인 액세스를 제공하기 때문에 그와 같은 명칭을 갖는다. 도 13에 도시된 예시적인 구현에서, 각각의 하위 소자에 대한 6개의 다른 스위치 접속부가 존재한다. 이러한 접속부는 매트릭스 스위치(36)의 형태를 취한다. 매트릭스 스위치는 하위 소자가 이웃하는 하위 소자에 접속될 수 있게 한다. 이러한 육각형 패턴 내에서 각 하위 소자의 이웃하는 하위 소자에 대한 6개의 접속부가 존재하지만, 오로지 3개의 스위치만이 각 하위 소자 내에 존재하고, 다른 3개의 접속부는 이웃하는 하위 소자 내의 스위치에 의해 제어된다. 따라서, 각 하위 소자 내에는 전체 4개의 스위치 및 연결된 디지털 어드레싱 및 제어 로직(digital addressing and control logic)(도시하지 않음)이 존재한다. 이는 단지 예시적인 구현에 불과하다. 버스 라인의 개수, 액세스 스위치의 개수 및 매트릭스 스위치의 개수 및 기하 구조는 모두 상이할 수 있지만, 그 일반 개념은 그대로이다.

도 18은 음향 하위 소자(도시하지 않음)의 아래에 형성되고 그에 대해 (접속 포인트(42)를 통해) 전기적으로 접속된 대표적인 단위 스위치 셀(unit switch cell)의 구성 요소의 일부를 도시한다. 단위 스위치 셀은 도 4에 도시된 타입의 금속 패드(66)를 통해 음향 하위 소자에 전기적으로 결합될 수 있다. 단위 스위치 셀은 접속 포인트(42)를 버스 라인(34) 및 3개의 매트릭스 스위치(36)에 접속하는 액세스 스위치(30)를 포함한다. 이러한 스위치는 현재의 스위치 상태를 저장하는 스위치 상태 메모리를 갖는 타입이다. 단위 스위치 셀은 액세스 스위치(30) 및 3개의 매트릭스 스위치(36)의 미래의 스위치 상태를 나타내는 데이터를 저장하는 래치(latches)(88)(그 중 하나만이 도시됨)를 더 포함한다. 래치는 표준 CMOS 메모리 소자이지만, EPROM, EEPROM, MRAM 또는 MEMS 등과 같은 다른 메모리 소자도 이용 가능하다. 미래의 스위치 상태 데이터는 다수의 버스 라인(오로지 하나의 버스 라인만이 도 18에 도시됨)을 포함하는 디지털 데이터 버스(45)를 통해 수신된다. 다수의 버스 라인(여기에서도 오로지 하나의 버스 라인만이 도시됨)을 포함하는 제어 버스(44)를 통해 수신된 기록 신호에 응답하여, 데이터 버스(45) 상의 미래의 스위치 상태 데이터는 래치(88) 내에 기록된다. 후속 사이클 동안에 제어 버스(44)를 통해 수신되는 판독 신호에 응답하여, 스위치 상태 데이터는 래치로부터 판독되고, (도시되지 않은 로직에 의해) 제어 신호로 변환되며, 이 제어 신호는 그에 따라 스위치의 상태를 변경시킬 것이다. 이러한 새로운 스위치 상태는 스위치의 스위치 상태 메모리 내에 저장될 것이다. 래치(88) 및 스위치(30, 36)는 전력 라인(90)을 통해 공급 전압을 수신한다.

액세스 및 매트릭스 스위치는 별도로 패키징된 구성 요소 일 수 있지만, 그 위에 MUT 어레이가 제조될 동일 반도체 기판 내에 이 스위치들을 제조할 수 있다. 액세스 및 매트릭스 스위치는 "Integrated High-Voltage Switching Circuit for Ultrasound Transducer Array"라는 명칭의 미국 특허 출원 일련 번호 제 10/248,968 호에 개시된 타입의 고전압 스위칭 회로를 포함할 수 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 각각의 스위치(예를 들면, 액세스 스위치(30))는 백-투-백(back to back)으로 접속되어(소스 노드가 함께 단락됨) 바이폴라 동작을 가능하게 하는 2개의 DMOS FET를 포함한다. 2개의 FET가 모두 턴-온될 때마다 스위치 단자를 통해 전류가 흐른다. 스위치의 상태는 제각기의 스위치 제어 회로(52)에 의해 제어된다. 스위치 제어 회로의 상태는, 원하는 스위칭 구성에 따라서 스위치 제어 회로를 프로그래밍하는 프로그래밍 회로(54)로부터의 출력에 의해 기록된다. 프로그래밍 회로는 본 출원과 동일 날짜로 출원된 "Method and Apparatus for Controlling Scanning of Mosaic Transducer Array"라는 명칭의 미국 특허 출원 일련 번호 제 10/978,012 호에 개시된 타입의 뷰 생성기(view generator) 및 어드레스와 데이터 생성기 회로를 이용하여 구현될 수 있고, 이 특허의 개시 내용은 본 명세서에 참조 문헌으로서 인용되어 있다. 또한, 스위치 제어 회로는 후자의 특허 출원에 개시된 실시예 중의 하나에 따라 구현될 수 있다. 스위치는 CMOS, DMOS, BiCMOS, BCDMOS, MEMS 또는 현재 또는 미래에 입수 가능한 임의의 다른 고도로 집적된 스위칭 기법일 수 있다.

도 19는 공통 접속 포인트(42)를 통해 액세스 스위치(30)에 접속된 음향 하위 소자(32)를 도시한다. 접속 포인트(42)에 접속된 6개의 다른 라인은 도시하지 않았다. 이 예에서, 액세스 스위치(30)는 상술된 백-투-백 DIMS FET의 쌍을 포함한다. 제어 회로(52)는 프로그래밍 회로(54)에 의해 전달된 스위치 상태 데이터 신호의 함수로서 스위치(30)를 턴-온 또는 턴-오프한다. 액세스 스위치(30)가 턴-온 되면, 음향 하위 소자(32)(예를 들면, 상호접속된 cMUT 셀의 서브 어레이)는 행 버스 라인(34a)에 접속된다. 이러한 구성에서, 각 음향 하위 소자와 연결된 전자 장치(즉, "단위 스위치 셀")는 하나의 액세스 스위치, 3개의 매트릭스 스위치, 이러한 4개의 스위치 각각을 위한 제각기의 제어 회로 및 공통 접속 포인트를 3개의 이웃하는 하위 소자(도시하지 않음)의 매트릭스 스위치에 접속하는 제각기의 도전체를 포함할 것이다. 선택적으로, 본 출원과 동일 날짜로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 제 10,978/196 호에 개시된 바와 같이, 각각의 단위 스위치 셀은 또한 해당 단위 스위치 셀 내의 스위치의 미래의 스위치 상태를 저장하는 래치를 포함한다. 래치 형태의 디지털 메모리를 추가하는 것은, 연속적인 송신 및 수신 동작 사이에서 개구 패턴의 빠른 전이에 대한 조건을 만족시키기 때문에 유용하다.

계속하여 도 19를 참조하면, 음향 하위 소자(32)로부터 행 버스 라인(34a)으로 이동하는 신호는 전기 수신 신호이다. 여기에서 수신 신호는 음향 압력 파(sound pressure wave)가 변환기와 상호 작용할 때, 음향 하위 소자(32)에 의해 생성된 전기 응답이다. 전기 펄스가 초음파 시스템에 의해 생성된 송신 신호는, 행 버스 라인(34a)으로부터 음향 하위 소자(32)로 이동한다. 주어진 채널에 있어서, 이러한 전기 여기 펄스(electrical excitation pulse)는 시스템 채널 버스 라인을 통해 행 버스 라인으로 이동한다. 신호는 행 버스 라인으로부터 다음 액세스 스위치(30)를 통해 음향 하위 소자로 이동하고, 매트릭스 스위치(도 19에 도시되지 않음)를 통해 다른 하위 소자로 이동한다.

음향 하위 소자 뒷면에 맞춰지는 스위치의 개수는 제한된다. 스위치의 크기는 스위치의 온-저항을 결정하고, 스위치가 더 작아질수록 온-저항이 더 커진다. 스위칭에 의해 유발된 지연 및 왜곡은 스위치의 온-저항이 증가함에 따라 증가한다. 이는 음향 하위 소자 뒷면의 스위치의 개수와 이러한 스위치에 의해 도입되는 지연 사이에는 상충 관계가 존재한다는 것을 의미한다. 이러한 상충 관계에 대한 하나의 해결책은 가능한 한 높은 유연성을 유지하면서, 스위치의 개수를 적은 개수로 감소시키는 것을 포함한다. 이러한 감소는 매트릭스 스위치를 이용하여 음향 하위 소자가 다른 하위 소자를 통해 시스템 채널에 부착되게 하고, 액세스 스위치의 개수를 작은 개수로 제한함으로써 이루어진다.

액세스 스위치를 시스템 채널에 접속시키는 버스 라인은 또한 전자 장치층 내에 공간을 차지하기 때문에, 버스 라인의 개수를 최소화하는 것이 또한 바람직하다. 동일 행 내의 음향 하위 소자에 직접 접속될 수 있는 고유한 채널의 개수는 버스 라인의 개수에 의해 결정된다. 그러나, 매트릭스 스위치는 하나의 행 내의 하위 소자가 다른 행 내의 하위 소자에 접속될 수 있게 하기 때문에, 하나의 행 내의 채널의 개수는 매트릭스 스위치에 의해 증가된다. 이는 여전히 더 많은 개수의 채널을 제공하면서 버스 라인의 개수가 적게 유지될 수 있게 한다. 물론, 더 많은 버스 라인을 구비하면 유연성이 증가하지만 더 많은 공간을 필요로 한다.

매트릭스 스위치의 사용은 각 하위 소자의 뒤에 잇는 액세스 스위치의 개수가 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 극단적인 경우에, 각각의 하위 소자에 대해 오로지 하나의 액세스 스위치만이 존재한다. 그러나, 만약 하나 이상의 버스 라인이 존재한다면, 어떤 버스 라인에 각각의 액세스 스위치가 접속되어야 하는지에 대한 결정이 이루어져야 한다. 이에 대한 하나의 해결책은 행 내의 N개의 반복 하위 소자마다 버스 라인이 접속되도록 접속부가 갈짓자 형상이 되게 하는 것으로서, 여기에서 N은 아래에서 논의되는 바와 같이 최소 신호 왜곡의 조건에 의해 결정된 개수이다. 도 13으로 되돌아가면, 행 내의 각각의 하위 소자(32)는 제각기의 액세스 스위치(30)를 통해 행 버스(34) 내의 행 버스 라인 중 하나에 접속된다. 이러한 갈짓자 접속부의 패턴은 4개의 하위 소자마다 반복된다. 이러한 갈짓자 형상은 더 많은 버스 라인이 더 적은 액세스 스위치를 갖게 하고, 매트릭스 스위치와 결합되게 하면서, 여전히 어떤 시스템 채널이 각각의 하위 소자에 접속될 수 있는지에 대해 높은 유연성을 허용한다. 물론 셀마다 하나 이상의 액세스 스위치를 가지면 접속부의 유연성이 증가하겠지만, 더 높은 온-저항을 갖는 더 작은 스위치가 필요하게 된다.

일반적으로, 패턴이 반복한 이후에 행의 개수 N은 적절한 신호 무결성을 유지하면서 함께 접속될 수 있는 최대 개수의 매트릭스 스위치에 의해 결정된다. 이 개수는 매트릭스 스위치 저항 및 cMUT 캐패시턴스가 함께 직렬 탭(series taps)의 개수 N에 따라 지수함수로 변동하는 지연의 시간 상수를 갖는 RC 지연 라인을 형성한다는 이해로부터 계산된 것이다. 다수의 행 버스 라인 상에서 액세스 스위치가 갈짓자 형상이 되게 하면, 지연 라인의 주어진 한계 내에서 지원될 수 있는 소자의 개수가 증가될 수 있게 한다. 도 20에 도시된 바와 같이, 단일 하위 소자 폭을 갖는 링(그 일부가 점선으로 그려진 원호로 표시됨)이 서로 밀접하게 패킹되어 있는 경우에, 설계의 최악의 케이스가 발생된다. 링의 수직 부분은 이 설계의 버스 라인(74, 76)이 수평으로 연장되기 때문에 최악의 케이스를 제공한다. 링의 수평 부분에서, 버스 라인이 링에 대해 평행하게 연장될 때 이 버스 라인이 동일할 것이므로 모든 하위 소자마다 단일 액세스 스위치만을 이용할 수 있을 것이다. 그러나, 수직 부분에서, 하위 소자(32)의 모든 행은 서로 다른 시스템 채널에 접속된 서로 다른 버스 라인과 연결된다. 그러므로, 이 영역 내에서 수직으로 이격된 하위 소자는 점선으로 표시된 오로지 매트릭스 스위치(36)를 이용해서만 지지될 수 있다. 도 20에서, 행마다 2개의 버스 라인이 존재하고, 액세스 스위치(30)의 패턴(점으로 표시됨)은 하위 소자의 4개의 행마다 반복된다. 각각의 행에서, 2개의 링은 2개의 액세스 스위치 및 매트릭스 스위치와 그룹화된 하위 소자의 연결된 스트링에 의해 지원된다. 패턴은 4개의 행 이후에 반복되기 때문에, 이러한 특정한 아키텍처는 최대 2×4=8개의 링을 지원할 것이다. 일반적으로, 각 행 위에 M개의 버스 라인을 갖고 하위 소자의 각 스트링에 대해 N개의 탭을 갖는 어레이에 있어서, 최대 K개의 시스템 채널이 지원될 수 있는데 여기에서 K=M×N이다. 물론, 링의 대부분은 완전히 수평이지도 않고 완전히 수직이지도 않다. 그러므로, 시스템 설계자의 업무는 아키텍처의 한계 하에서 개구 내의 모든 포인트에서 어레이 구성을 최적화하는 것이다. 이러한 스위칭 구성을 최적화하는 여러 방법은, 본 출원과 동일 날짜로 출원되고 "Optimized Switching Configurations for Reconfigurable Transducer Arrays"라는 명칭의 미국 특허 출원 일련 번호 제 10/978,175 호에 개시되어 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 센서와 전자 장치면 사이의 금속 라우팅은 도 22에 도시된 바와 같은 센서 어레이의 면적보다 더 큰 면적을 갖는 전자 칩(들)을 이용할 수 있게 하는 재라우팅(rerouting)을 포함한다. 도 22는 기판(94) 상에 형성된 복수의 변환기 하위 소자(32)를 도시하는데, 한 쌍의 전자 칩(90A, 90B)은 기판(94)의 바닥에 적층(laminated)되고, 각각의 칩은 제각기의 복수의 단위 스위치 셀(50)을 포함한다. 금속 라우팅(96)은 전자 칩(90A, 90B)의 면적보다 더 작은 면적으로 한정되는 센서 면에 대한 접속부에 의해 분기(diverges)된다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었으나, 당업자라면 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 여러 변경이 이루어질 수 있고, 그 구성 요소를 등가물로 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 추가하여, 본 발명의 근본적인 범주를 벗어나지 않으면서 본 발명의 개시 내용을 특정 상황에 맞춰 조정하기 위한 여러 변형이 이루어질 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 실행하기 위해 고려된 최적 모드로서 개시된 특정한 실시예로 한정되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구항의 범주 내에 속하는 모든 실시예를 포함하도록 의도되었다.

본 발명은 전체적으로 재구성 가능한 센서 어레이에 관한 것으로서, 복잡한 스위칭 네트워크를 필요하지 않으면서, 다른 타입의 센서(예를 들면, 광학적, 열적, 압력)의 어레이에서 뿐만 아니라 초음파 변환기 하위 소자의 어레이에 적용될 수 있는 단순한 스위칭 네트워크를 제공하고, 센서 어레이를 신속하게 재구성하기 위해 센서 어레이 아래에 배치된 집적된 스위칭 전자 장치를 포함하는 구성을 제공한다.

Claims

제 1 계층(first stratum)(62)에서 실질적으로 평행한 제 1 세트의 라인을 따라 정렬된 다수의 센서(32)와,

제 2 계층에서 실질적으로 평행한 제 2 세트의 라인을 따라 정렬된 다수의 단위 전자 셀(unit electronics cells)(50)과,

제각각이 각각의 상기 단위 전자 셀을 각각의 상기 센서에 전기적으로 접속시키는 다수의 전기적 접속부(56)를 포함하되,

각각의 상기 단위 전자 셀은,

각각의 센서에 전기적으로 접속된 각각의 접속 포인트로의 각각의 경로(pathways)를 닫는 각각의 복수의 스위치(30, 36)와,

상기 스위치의 스위치 상태를 제어하는 제어 회로(52)

를 포함하는

장치.
제 1 항에 있어서,

각각의 상기 전기적 접속부는, 전기적 도전성 재료, 이방성의 도전성 페이스트(anisotropic conductive paste : ACP), 이방성의 도전성 필름(anisotropic conductive film : ACF), 전기적 도전성 폴리머, 금속화된 범프(metallized bump), 예컨대 z축 인터포저(z-axis interposer)와 같은 수직 상호접속 시스템(vertical interconnect system), 플렉서블 인쇄 회로, 또는 금속화된 비아로 이루어진 각각의 범프를 포함하는

장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 계층과 상기 제 2 계층 사이에 배치된 재료층을 더 포함하고,

각각의 상기 전기적 접속부는 상기 재료층 내에 각각의 금속화된 비아를 포함하는

장치.
제 1 항에 있어서,

각각의 상기 센서는 각각의 초음파 변환기 하위 소자(untrasonic transducer subelement)를 포함하는

장치.
제 4 항에 있어서,

각각의 상기 초음파 변환기 하위 소자는, 서로 상호접속되고 서로 전환가능하게(switchably) 접속해제될 수 없는 다수의 용량성 미세 가공 초음파 변환기 셀(capacitive micromachined ultrasonic transducer cell)(2)의 각각을 포함하는

장치.
제 1 항에 있어서,

각각의 상기 단위 전자 셀은 상기 스위치의 미래의 스위치 상태를 저장하기 위한 각각의 복수의 메모리 장치(88)를 포함하는

장치.
제 1 항에 있어서,

상기 다수의 센서 및 상기 다수의 단위 전자 셀은 동일한 기판 상에 공동-집적되는(co-integrated)

장치.
제 1 항에 있어서,

상기 다수의 센서는 제 1 기판 내부 또는 상부에서 미세 가공(micromachined)되고,

상기 다수의 단위 전자 셀은 제 2 기판 상에 집적되며,

상기 제 1 및 제 2 기판은 스택을 형성하도록 배치되는

장치.
제 1 항에 있어서,

상기 센서는 육각형 그리드(hexagonal grid)로 배치되고,

각각의 상기 단위 전자 셀은 각각의 단위 전자 셀을 3개의 인접한 단위 전자 셀에 접속시키는 3개의 매트릭스 스위치(matrix switches)(36)를 포함하는

장치.
제 1 항에 있어서,

상기 센서는 육각형 그리드로 배치되고,

각각의 상기 단위 전자 셀은 각각의 패드(pad)(56)를 포함하되, 상기 각각의 패드(56)는 전기적 도전성 재료로 이루어지고, 각각의 상기 전기적 접속부에 전기적으로 접속되며, 직사각형 어레이로 배치되는

장치.