KR20150073964A - 멀티 하모닉 모드를 가진 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀스 어레이 - Google Patents

멀티 하모닉 모드를 가진 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀스 어레이 Download PDF

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KR20150073964A
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아르만 하자티
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후지필름 디매틱스, 인코포레이티드
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Abstract

다중의 공진 모드를 가진 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(MUT) 어레이들과, 예를 들어, 동일한 장치에서 고주파수와 저주파수 모두를 달성하도록 하는, 그것들을 동작하는 테크닉을 설명하였다 실시 예에서, 맴버레인 전체에 걸쳐 공진 주파수를 조정하기 위하여 다양한 사이즈의 압전 맴브레인 만들어진다. 다양한 사이즈의 압전 맴브레인들은 상이한 모드 및 주파수에서 진동하는 맴브레인들 사이에 파괴적인 간섭을 완화하도록 기판의 길이 전체에 걸쳐 점진적으로 변한다.

Description

멀티 하모닉 모드를 가진 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀스 어레이{Micromachined Ultrasonic Transducer Arrays with multiple Harmonic MODES}
본 발명은 일반적으로 초음파 트랜스듀서에 관한 것이고, 보다 구체적으로 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(MUT) 어레이에 관련된 것이다.
초음파 트랜스듀서 장치는 전형적으로 노출된 외부 표면과 접촉하는 전파 매체(예를 들면, 공기, 물, 또는 신체 조직)에 고주파 압력파를 생성하기 위해 시간에 따라 변화하는(time-varying) 구동 전압에 응답하여 진동할 수 있는 멤브레인을 포함한다. 이러한 고주파 압력파는 다른 매체 안으로 전파할 수 있다. 동일한 멤브레인은 전파 매체에서 반사된 압력 파를 수신하고 수신된 압력 파를 전기 신호로 변환할 수 있다. 전기 신호는 전파 매체에서의 밀도 또는 탄성률(elastic modulus)의 변형에 대한 정보를 획득하기 위해 상기 구동 전압 신호들과 함께 처리될 수 있다.
압전기 및 용량성(capacitive) 트랜스듀서 장치들은 이미지 분야에서 유용한 것으로 입증되었다. 압전 멤브레인을 사용하는 많은 초음파 트랜스듀서 장치는 벌크 압전 재료를 기계적으로 다이싱(dicing)하거나 또는 압전 세라믹 결정이 주입된 담체(carrier) 재료를 주입하여 성형함으로써 형성되지만, 장치는 다양한 마이크로머시닝 기술(즉, 재료 증착, 리소그래픽 패터닝, 에칭에 의한 특성 형성, 등)을 사용하여 상당히 높은 치수 공차로 저가로 유리하게 제조할 수 있다. 이와 같이, 트랜스듀서 소자들의 대규모 어레이는 빔 형성 알고리즘을 통해 구동되는 어레이의 개별적인 트랜스듀서 소자들과 함께 이용될 수 있다. 그렇게 어레이된 장치는 압전 MUT(pMUT) 어레이로 알려져 있다. 용량성 트랜스듀서 또한 용량성 MUT(cMUT) 로서 유사하게 마이크로머시닝 될 수 있다.
종래 MUT 어레이의 하나의 과제는, 전송 매체로부터 가해진 실제 음향 압력의 함수인, 대역폭이 제한될 수 있다는 것이다. 태아 심장 모니터링 및 동맥 모니터링과 같은 초음파 트랜스듀서의 적용(application)은 넓은 주파수(예를 들어, 비교적 깊은 이미지 성능을 제공하는 낮은 주파수 및 얕은 이미지 성능을 제공하는 높은 주파수) 범위에 걸치기 때문에, 축 방향의 해상도(즉, 초음파 빔과 평행하는 방향에서의 해상도)는 MUT 어레이의 대역폭을 높여 펄스 길이를 짧게함으로써 유리하게 개선될 것이다.
종래 MUT 어레이의 또 다른 과제는 기판의 진동을 통한 기계적 결합과 pMUT 어레이에서 검색된 가까운 요소(elements)들 사이의 음향 결합은 트랜스듀서 소자 사이에 원하지 않는 크로스토크(crosstalk)로 이어질 수 있다는 것이다. 초음파 트랜스듀서 어플리케이션에서 신호대 잡음비는 이러한 pMUT 어레이 내에서 바람직하지 않은 형태의 크로스토크를 감소시킴으로써 개선 될 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 앞서 기술한 종래 기술의 문제점을 해결하는데 있다.
본 발명 과제의 해결 수단은 복수의 트랜스듀서 소자들을 포함하는 마이크로머시닝된 초음피 트랜스듀서(MIT) 어레이를 포함하며, 각각의 트랜스듀서 소자는 멤브레인, 단일 구동/감지 전극과 기준 전극; 및 적어도 두 모드의 진동을 가진 MUT 어레이를 동작하기 위한 구동 또는 감지 회로를 포함하되, 여기서 상기 적어도 두 모드는 제1 공진 주파수 밴드와 관련된 제1 모드와 제1 공진주파수 밴드 내의 하나 이상의 주파수보다 큰 하나 이상의 주파수를 포함하는 제2 공진 주파수 밴드와 관련된 제2 모드를 포함하는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 기판의 영역에 배열된(arrayed) 복수의 트랜스듀서 소자(elements); 소자 각각에 결합된 기준 전극; 및 어레이의 채널을 형성하기 위하여 병렬로 소자의 서브세트와 결합되는 구동/감지 전극을 포함하며, 여기서 제1 소자는 제2 소자의 멤브레인에서 진동의 제2 모드를 유도하는 전기 신호에 의하여 구동되면 진동의 제1모드로 들어가도록 치수화된(demensioned) 멤브레인을 가지며, 여기서 제1 및 제2 소자 사이의 멤브레인 치수(dimensions)는 채널 내의 임의의 두개의 인접한 소자의 멤브레인들 사이의 치수 차이보다 큰 범위에 걸쳐있는, 마이크로머시닝된 초음파 트랜스 듀서(MUT) 어레이를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 제1 공진주파수 밴드와 관련된 적어도 진동의 제1 모드를 유도하는 제1 전기 신호로 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(MUT) 어레이의 적어도 일부 트랜스듀서 소자들의 전극을 구동하는 단계; 및 제1 주파수 밴드 내의 하나 이상의 주파수보다 큰 하나 이상의 주파수를 가진 제2 공진 주파수 밴드와 관련된 진동의 제2 모드에 해당하는 적어도 하나의 성분(components)을 포함하는 전극으로부터 제2 전기 신호를 수신하는 단계를 포함하는, 매체에서 압력파를 발생하고 감지하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 하나 이상의 공칭 주파수 응답을 달성하기 위하여 복수의 pMUT 소자 패턴닝 마스크 레벨로 특징을 공칭적으로 치수화하는 단계; 어레이 영역에 걸쳐 하나 이상의 마스크 레벨로 특징의 치수화를 변화시키는 단계, 여기서 특징은 전극과 트랜스듀서 멤브레인의 압전 재료 사이의 접촉 영역을 정의하며; 변화된 치수와 관련하여 측정된 응답으로부터 감도(sensitivity) 매트릭스를 발생하는 단계; 및 복수의 공칭적으로 치수화된 pMUT 소자 패턴닝 마스크 층을 사용하는 어레이로부터 목표 응답을 달성하는데 필요한 전극과 트랜스듀서 멤브레인의 압전 재료 사이의 접촉 영역을 결정하는 단계를 포함하는, 압전 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이의 주파수 응답을 최적화하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 과제의 해결 수단에 의하여 종래 기술의 문제점을 해결하여 해상도 및 초음파 트랜스듀서 어플리케이션에서 신호대 잡음비 등을 개선하는 상승된 효과가 있다.
본 발명의 실시 예들은 제한으로서가 아니라 예로서 도시되었고, 다음의 상세한 설명을 참조하여, 도면과 관련하여 고찰하면, 더 완전하게 이해될 것이다.
도 1A 및 1B는 실시 예에 따른, 원형의 트랜서듀서 소자들을 가지는 멀티-모드 MUT 어레이의 평면 보기(plan view)이다;
도 1C는 멀티-모드 MUT 어레이의 실시 예에 따른, 트랜스듀서 맴브레인 사이즈의 1-차원적인(one-dimensional) 공간적 배열을 나타낸 그래프이다;
도 1D는 실시 예에 따른, 타원체의 트랜스듀서 소자들을 가지는 멀티-모드 MUT 어레이의 평면 보기(plan view)이다;
2도 2A, 2B, 및 2C는 실시 예에 따른, 도 1A, 1B, 및 1D의 멀티-모드 MUT 어레이에 사용되는 압전 트랜스듀서 소자의 횡단면도이다;
도 3A 및 3B는 실시 예에 따른, 진동의 제1 및 제2 모드의 진동을 받고 있는 트랜스듀서 소자의 횡단면도이다;
도 4A 및 4B는 실시 예에 따른, 도 3A 및 3B에 나타낸 제1 및 제2 진동 모드와 관련된 제1 및 제2 공진 주파수 밴드를 도시하는 주파수 응답 그래프이다;
도 5 는 본 발명의 실시 예에 따른, 멀티-모드 MUT 어레이를 사용하는 초음파 트랜스듀서 장치의 기능적 블록 다이애그램이다;
도 6은 실시 예에 따른, 멀티-모드 MUT 어레이의 동작모드를 나타내는 흐름도이다;
도 7A는 실시 예에 따른, MUT 어레이의 제1 및 제2 진동 모드에 해당하는 두 밴드를 나타내는 전형화된(modeled) 주파수 응답이다
도7B는 제1 진동 모드와 제2 진동 모드 사이의 해체적 위상 조정(deconstructive phasing)을 겪는 MUT 어레이에 대한 전형화된 주파수 반응이다;
도 8A는 실시 예에 따른, 초음파 트랜스듀서의 분리된 전송 및 수신 모드에 적합한PMUT 어레이의 제1 및 제2 진동 모드에 해당하는 두 밴드를 나타내는 전형화된 주파수 반응이다;
도 8B 및 8C는 조직 고조파 이미징(THI)에 대한 멀티-모드 MUT 어레이 대역폭 할당의 효과를 응답 감도에 도시한다;
도 9A는 실시 예에 따른, MUT 어레이의 제1 및 제2 진동 모드에 해당하는 두 밴드를 나타내는 전형화된 주파수 반응이다;
도 9B는 종래의 멀티-존 포커스 테크닉을 도시한다;
도9C는 멀티-채널 실시 예에 따른 멀티-존 포커스 테크닉을 도시한다;
도 10은 실시 예에 따른, 상이한 맴브레인 사이즈를 가진 맴브레인 군(population)의 주파수 반응을 최적화하는 방법을 도시하는 흐름도이다; 및
도 11은 실시 예에 따른, 다양한 윈도우 사이즈와 해당 반응 곡선을 가진 PMUT 어레이의 평면 보기이다.
실시 예에서, MUT 어레이의 트랜스듀서 소자 군(population)은 진동의 멀티 모드로 구성된다. 이러한 멀티 모드는 적어도 제1 및 제2 공진 모드를 포함하고, 또한 제3, 제4 및 더 높은 모드를 포함할 수 있다. 이러한 멀티-공진모드, 또는 멀티-하모닉 모드, MUT 어레이는 여기서 간단히 "멀티-모드" MUT 어레이로 언급한다. 실시 예에서, 하모닉스는 멤브레인 크기를 치수화하고 채널 내의 근접한 멤브레인 사이의 파괴적인 상호 작용 또는 근접한 채널들 사이의 크로스토크를 완화시키거나 피하기 위해 상이한 사이즈의 멤브레인을 배치하여 동상(in-phase)으로 만들어진다.
실시 예에서, 멀티-모드 MUT 어레이는 초광역 대역폭을 달성하기 위해 초음파 트랜스듀서의 송신 및 수신 모드 모두에서 사용되는 멀티 공진 모드와 연관된 전체 대역폭으로 동작된다. 이러한 일 실시 예에서, 송신 밴드(band, 대역)로 적합한 진동의 제 1 오더(order) 모드는 수신 밴드로 적합한 진동의 제2 오더 모드와 연관된 구동 신호에 의해 유도되고 수신 밴드로 적합한 진동의 제2 오더 모드와 연관된 주파수는 신호 수신기에 의해 여과(filtered)된다.
멤브레인 사이즈를 적절히 조절함에 의하여, 예를 들어, 조직 고조파 이미징 (tissue harmanic imaging=THI)의 기술은 저주파수 진동의 제1 밴드 및 낮은 대역폭(bandwidth) 트랜스듀서의 전형적인 이득에 제한을 받지 않고 고주파수 진동의 제2 밴드를 사용하여 수행될 수 있다.
실시 예에서, 멀티-모드 MUT 어레이는 초음파 트랜스듀서의 다른 채널들 전체에 걸쳐서 배분된 다중 공진 모드와 연관된 대역폭으로 동작된다. 진동의 하나 이상의 모드와 관련된 하나 이상의 다른 모드와 관련된 제2 주파수 밴드가 높은 샘플링 레이트를 달성하기 위해 제2 채널에서 구동되는 동안 제1 주파수 밴드는 트랜스듀서의 제1 채널에서 구동된다. 특정한 이러한 실시 예에서, 초음파 트랜스듀서는 다중 포커스 존(multiple focus zone)으로 동시에 동작하며, 동작동안 낮은 주파수(제1 모드) 채널은 높은 주파수(제2 모드) 채널보다 더 깊은 초점 거리에서 초점을 맞춘다. 실시 예에서, 멤브레인 크기의 치수화(dimensioning)와 상이한 크기의 멤브레인을 기판 위에 공간적으로 배치하는 것은 하나 또는 그 이상의 감도(sensitivity) 분석을 통해, 적어도 부분적으로 달성된다. 고조파 위상은 많은 요인(factor)에 민감하고 복잡한 함수이기 때문에, 이러한 과제는 전형화된 공칭 치수로부터 MUT 어레이의 주파수 응답을 최적화함에 의하여 적어도 부분적으로 어드레스(addressed)된다. 특정의 유리한 압전 실시 예에서, 감도 분석은 전극과 트랜스듀서 멤브레인의 압전 물질 사이의 접촉 면적을 정의하는 단일 마스크 레벨에서 수행된다. 특정한 이러한 실시 예에서, 단일 PMUT 어레이는 어레이의 다른 채널 전체에 걸쳐 수행된 감도 분석으로 제조된다. 채널 응답이 측정되고 각각의 멤브레인 크기 분류를 위한 최적 사이징을 추론하기 위하여 공칭과 비교된다. 그 다음에 최종 마스크 세트는 어레이에 사용될 각각의 상이한 멤브레인 크기에 대한 최적의 마스크 치수에 기초하여 정의된다.
아래 설명에서, 많은 세부사항이 설명되지만, 그러나, 당 분야에 통상의 기술을 지닌 자에게는 본 발명이 이러한 구체적 세부 사항 없이도 수행될 수 있음이 명백할 것이다. 일부 예에서, 공지된 방법 및 장치들은 본 발명을 불명료하게 하는 것을 피하기 위하여 상세하게 나타내기보다는 블럭 다이야그램으로 나타냈다. 본 명세서 내내 "실시 예"에 대한 참조는 본 발명의 적어도 하나의 실시 예와 관련하여 설명한 특정한 특징, 구조, 기능, 또는 특성을 포함함을 의미한다. 따라서, 본 명세서 내내 다양한 장소에서 "실시 예에서"라는 구절이 나타난다 하더라도 반드시 본 발명에 대한 동일한 실시 예를 언급하고 있지는 않다. 또한, 특정한 특징, 구조, 기능, 또는 특성은 하나 또는 그 이상의 실시 예에서 임의의 적당한 방법으로 결합될 수 있다. 예를 들면, 두 실시 예가 상호 배타적인 것으로 구체적으로 표시되지 않으면 어디서나 제1 실시 예는 제2 실시 예와 결합될 수 있다.
용어 "결합된"은 본 명세서에서 구성요소들 사이의 기능적 또는 구조적 관계를 설명하기 위하여 사용된다. "결합된"은 두 개 또는 그 이상의 요소들이 서로 직접적이거나 또는 간접적으로(그들 사이에 또는 매체를 통해 다른 중간에 개재하는 요소를 가지고) 기계적, 음향적, 광학적, 또는 전기적으로 접촉함을 가리키기 위해 사용되며, 및/또는 두 개 또는 그 이상의 요소들은 서로 협동하거나 또는 상호작용한다(예를 들어, 인과관계로).
여기서 사용된 용어 "위(over)", "아래", "사이에", 위에(on)"는 다른 구성요소들 또는 재료 층들과 관련하여 하나의 구성요소 또는 재료 층의 상대적인 위치를 말하며, 그러한 물리적 관계들은 기계적 구성요소들에게는 어셈블리의 문맥(in the context of)에서 또는 마이크로머시닝된 재료 층의 스택(stack)이라는 문맥에서 주목할만하다. 다른 층(구성요소)의 위에 또는 아래에 배치된 하나의 층(구성요소)은 직접적으로 다른 층(구성요소)과 접촉할 수 있거나 또는 하나 또는 그 이상의 중간에 개재하는 층들(구성요소들)을 가질 수 있다. 또한, 두 층들(구성요소들)사이에 배치된 하나의 층(구성요소)은 직접적으로 두 층들(구성요소들)과 접촉할 수 있고, 또는 하나 이상의 중간에 개재하는 층들(구성용소들)을 가질 수 있다. 대조적으로, 두 번째 층 "위"의 첫 번째 층(구성요소)은 그 두 번째 층(구성요소)과 직접 접촉한다.
단수형 "a", "an" 및 "the" 는 문맥이 명백히 다른 것을 가리키지 않으면 복수형도 또한 포함하도록 의도하였다. 여기서 사용된 용어 "및/또는"은 하나 이상의 연관되어 기재(listed)된 아이템의 임의의 모든 가능한 결합을 가리키거나 포함한다.
일 실시 예에서, MUT 어레이의 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 다중의 진동 모드를 위해 설정된다. 각 모드는 주어진 맴브레인의 기하학적 형상에 대한 Bessel 함수의 해법에 해당하고 적어도 제1 및 제2 공진 모드를 포함하며, 제3, 제4 및 더 높은 공진 모드의 트랜스듀서 맴브레인을 포함할 수 있다. 다른 모드로 진동하는 트랜스듀서 소자들 사이의 결합(예를 들어, 기판에 전송 매체를 통한 연결 및/또는 기계적 연결, 등)이, 일반적으로 위상에서 벗어나는 하모닉 모드의 결과인, 파괴적 상호작용을 초래할 수 있기 때문에, 하나 이상의 공진 모드는 과제를 내포한다. 본 명세서의 실시 예들에서, 특정 채널의 맴브레인들은 진동의 다중 모드가 존재할 때에는, 채널 내의 맴브레인들 사이의 이러한 파괴적 상호작용, 또는 근접 채널들 사이의 크로스토크(crosstalk)를 완화하기 위하여 치수화되고 또한 공간적으로 배열된다.
도 1A 및 1B는 원형의 트랜스듀서 소자를 가지는 멀티-모드 MUT 어레이의 평면도이다. 도 1A는 실시 예에 따른, MUT 어레이(101)의 평면도이다. 어레이(101)는 기판(101)의 제1면, x 및 제2면, y 로 정의된 영역에 걸쳐 배치된 복수의 전극 레일(110, 120, 130, 140)을 포함한다. 각각의 구동/감지 전극 레일(예를 들면, 110)은 임의의 다른 구동/감지 전극 레일(예를 들면, 120 또는 130)과 독립적으로 전기적으로 어드레스가능하고, 기능적으로, 어레이(101)의 분리된 채널들이다. 각 채널은 채널 내의 개별적인 트랜스듀서 소자들로부터의 응답의 합성 함수(composite)인 특유의 주파수 응답을 가진다. 각 채널에 대한 구동/감지 전극은 각 소자와 전기적으로 병렬로 결합된다. 예를 들어, 도 1의 트랜스듀서 소자(111A, 112A, 113A, 등)는 구동/감지 전극 레일 의해 전기적으로 구동되도록 함께 결합된다. 유사하게, 모든 트랜스듀서 소자(예를 들면,112)는 모두 구동/감지 전극 레일(120)에 병렬로 함께 결합된다. 일반적으로, 맴브레인 지름의 함수, 소자 피치 및 각 채널에 할당된 기판의 면적으로, 어떠한 갯수의 트랜스듀서 소자도 채널 내에서 함께 한 덩어리가 될 수 있다. 도 1B의 실시 예에 대해서는, 예를 들면, 각 채널은 제1 (y)면에 세 개의 인접한 소자(예를 들면, 111A1, 111A2, 및 111A3)를 포함한다. 이러한 제1면 내에서, 모든 소자들은 동일한 맴브레인 사이즈(즉, 동일한 지름)를 갖는다.
일 실시 예에서, 적어도 하나의 맴브레인 치수는 상기 장치의 동일한 채널의 소자 전체에 걸쳐 바뀐다. 도 1A와 도 1B에 도시한 바와 같이, 원형의 맴브레인 지름은 기판의 적어도 한 면(예를 들면, y-면)을 따라 변하며 그리하여 각 채널은 다양한 맴브레인 사이즈를 포함한다. 도시된 실시 예에서, 각 채널은 동일한 수의 특정 사이즈의 맴브레인과 동일한 수의 상이한 사이즈의 맴브레인을 포함한다. 공진 주파수는 맴브레인 사이즈의 함수이기 때문에(작은 맴브레인 사이즈와 연관된 높은 주파수를 가진), 주어진 전기적 구동 신호가 채널에 인가되면, 특정 주파수 응답이 유도되고, 또는 주어진 주파수 응답이 매체를 통해 반환되면, 그것은 특정한 전기적 감지 신호를 발생한다. 각 채널이 소자들의 동일한 군(population) (동일한 수와 동일한 배치) 및 동일한 공간적 레이아웃(layout)을 가지는 도 1A 및 1B 에 도시된 실시 예에 대해서는, 각 채널은 거의 동일한 주파수 응답을 가질 것으로 예상할 수 있다. 대안으로, 상이한 소자 개체군들을 가진 채널들(즉, 다른 수의 맴브레인 사이즈, 다른 수의 특정 사이즈의 맴브레인, 또는 기판에 걸친(over) 다른 공간적 배열)은 상당히 다른 주파수 응답을 가질 것으로 예상할 수 있다.
실시 예에서, 주어진 채널 내의 상이한 사이즈의 맴브레인들은 맴브레인 사이에 파괴적인 상호작용을 피하도록 기판 상에 공간적으로 배열된다. 하나 이상의 기판 면에 걸쳐(over)지속적인, 스무드한, 및/또는 점진적인 방법으로 맴브레인 사이즈를 변화시키면 철저히 다른 사이즈의 맴브레인들 사이에 위상 불일치에서 비롯되는 파괴적인 상호작용을 유리하게 감소시킬 수 있음을 알아냈다. 실시 예에서, 공진 위상은 가장 가까운 이웃 소자들이 유사한 사이즈의 맴브레인을 가지기 때문에 소자 개체군 전체에 유지되고 그리하여 주어진 거리에 걸친 맴브레인 사이즈의 변화는 특정 임계값을 초과하지 않는다(예를 들면, 가장 가까운 이웃들 사이에 원형의 맴브레인 지름에 있어서 10% 미만의 변화, 유리하게는 5% 미만 그리고 가장 유리하게는, 2% 미만). 이러한 방법은 모든 소자는 파괴적인 상호작용을 피하도록 공명기에 의해 비슷한 충분한 공진 주파수(및 그러므로 위상 스펙트럼)로 둘러싸임을 보장한다. 맴브레인 사이즈의 너무 극단적인 변화는 인접한 맴브레인들 사이에 위상 관계(phase relationship)를 초래할 수 있어서 채널의 주파수 응답에 노치(notch)를 유발한다. 예를 들면, 가해자/위반자 맴브레인의 동작은 국부적으로 피해 맴브레인(예를 들면, 가장 가까운 이웃 또는 그렇지 않으면 위반자에게 근접한) 위로 전송 미디어를 밀어내거나 또는 쌓을 수 있으며, 피해 맴브레인의 위상에 대하여 부적절한 시기에 실제 동원할 수 있는 제2의 맴브레인 집단(mass)을 증가시키고 그로 인하여 피해 소자의 성능을 댐퍼닝(dampening)하거나 방해한다. 그러한 음향 댐퍼닝이 (또는 전송 미디어 댐퍼닝이) 심각한 경우에는, 바람직하지 않은 제로크로싱(zero crossing)이 진동의 다중 모드를 유발하는 동작 조건하에서 발생할 수 있다.
도 1A에 도시한 바와 같이, 트랜스듀서 소자(111A), 제1 사이즈(예를 들면, 최소 지름의 맴브레인)는 제2 사이즈(예를 들면, 그 다음으로 큰 지름의 맴브레인) 인 소자(112A)와 인접하며, 줄곧 증가하는 맴브레인 사이즈(예를 들면, 714A, 715A, 716A)를 가진 제1 시리즈의 소자들을 통해 맴브레인 사이즈는 계단식으로 점차 증가하고 그리고 나서 계단식으로 감소하는 사이즈를 가지는 제2 시리즈는 최소 지름으로 돌아간다. 도 1B에 도시된 바와 같이. 맴브레인 지름은 유사하게, D1, D2, D3, D4, 및 D5 로부터 조금씩 증가하고 그리고 나서 반지름 D5 를 가진 맴브레인으로부터 D4 를 가진 두 번째, 등.. 조금씩 감소하여 D1을 가진 제 2 맴브레인으로 점차 감소한다. 지름 D1-D5 및 D5-D1 에 연속적으로 걸쳐있는 맴브레인 세트는 X-면에서 태널의 길이에 걸쳐 계속되는 반복 유니트(RU)를 형성한다. 도 1A 및 도 1B에 도시된 공간적 배열 둘 다 채널 군을 가진 각 소자는 동일한 사이즈의 다른 소자에 인접하거나 또는 임의의 수의 상이한 맴브레인 사이즈(예를 들면, 도1B에 도시된 세 개, 네 개 또는 다섯 개의 다른사이즈들, 등)에 대하여 다음으로 작은 또는 다음으로 큰 사이즈의 다른 소자와 인접함을 보장한다. 그러나. 오로지 최대 치수(716A)의 하나의 맴브레인 만을 가지는 도1A의 실시 예와는 달리, 도 1B의 RU(반복 유니트) 내의 모든 맴브레인 사이즈의 공간적 밀도는 유리하게 모든 사이즈 또는 "유형"의 두 맴브레인과 동일하다.
도시된 실시 예에서, 어레이의 채널 내의 트랜스듀서 소자 맴브레인 사이즈는 기판의 적어도 하나의 면(one dimension)의 주기 함수이다. 도 1C는 멀티-모드 MUT 어레이의 실시 예에 따른, 주기 함수를 따르는 트랜스듀서 맴브레인 사이즈의 일반화된 일-면(one-dimensional) 공간 배열을 나타내는 그래프이다. 주기적 사이즈 변화의 주파수는 MUT의 기계적 특성뿐만 아니라 전송 매체와의 특별한 위상 매칭에 의해 제한되며 그러므로 수행에 따라 변한다. 특정 실시 예에서, 맴브레인의 최대 및 최소 사이즈와 관련된 주기함수의 진폭은 충분히 커서 RU 내의 최대 맴브레인 사이즈와 최소 맴브레인 사이즈 사이의 거리는 두 인접한 맴브레인들 사이의 사이즈에 있어서의 차이보다 크다. 하나의 예로서, 최대 맴브레인 사이즈와 최소맴브레인 사이즈 사이의 범위는 적어도 진동의 두 모드는 RU 내에서 오로지 하나 이상의 주어진 전기적 구동 신호에 의해서만 유발됨을 보장하도록 선택할 수 있는 반면에, 인접한 밈브레인들 사이의 사이즈 증분(increment)은 모든 트랜스듀서 소자들이 3dB 대역폭을 유지하는 응답 곡선에 기여함을 보장하도록 선택할 수 있다. 해당 최대 및 최소 맴브레인 사이즈는 채널 내에 유도된 적어도1st and 2nd 차수 고조파(harmonic)(및 잠재적으로 3rd 및 적게는 더 높은 차수) 모두를 가질 것이다. 일 예로서, 20-150 ㎛ 의 범위는 도 2A-2C의 문맥에서 설명한 일반적 구조를 가진 트랜스듀서로부터 MHz 주파수 응답에 대한 전형적인 맴브레인 치수가 될 것이고, 1-10 ㎛의 증분은 전형적으로 충분한 응답 중첩을 제공할 것이다. 따라서, 도 1B에 도시된 실시 예에 대해서는, 다섯 개의 맴브레인 사이즈가 100 및 140 ㎛ 사이에서 10 ㎛씩 증분하며 주기를 이루는 지름들에 부합할 수 있을 것이다.
도 1B는 또한 기판의 제 2면(예를 들면,맴브레인111A1, 111A2, 및111A3 이 모두 동일한 지름인 y-면)에 배열된 다수의 원 사이즈(one size) 맴브레인을 도시한다. 도 1B에 도시된 실시 예는 도 1A에 도시된 실시 예보다 유리하게도 높은 충전율을 제공하며 형태와 각각의 멤브레인 사이즈의 공간 밀도가 도 1B에보다 크므로 부수적으로 높은 이득을 제공한다. 또한 도 1B에서 보는 바와 같이, 동일한 최소 공간(Smin)이 그들의 사이즈에 무관하게 동일한 사이즈의 멤브레인사이에서 유지된다. 채널(즉, 멤브레인 111A2)에서 멤브레인의 센터 열(row)은 채널 축(L)에서 직경과 하나의 최소 공간(Smin)을 합한 인접 멤브레인 열의 센터를 가진 채널 축(L) 상에 배열된 그들의 센터를 가진다.
멀티 모드 어레이 아키텍쳐는 역시 원형/회전 타원체 형상 이외의 형상의 멤브레인으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 1D는 실시 예에 따른 타원체 트랜스듀서 소자인 멀티 모드 MUT 어레이의 평면도이다. 일반적으로, 타원체 멤브레인은 세미 주축(B,C)사이의 차이의 함수로서 발진의 높은 모드에서 더 쉽게 구동된다. 단지 2-폴드(fold) 대칭성(180)까지 원형 또는 회전 타원체 멤브레인에 대한 모든 회전 각도에서 회전 대칭을 감소시킴으로써, 모드 형상은 분리된 공진 주파수를 갖는 더 많은 별개의 모드로 용이하게 분할될 수 있다. 따라서, 다른 세미-주축 치수를 갖는 압전 멤브레인은 채널의 트랜스듀서 소자의 주파수 응답을 형성하기 위한 여분의 자유도를 제공한다. 추가 실시 예에서, 적어도 제1 및 제2 세미 주축은 복수의 분리된 공진 주파수(모드)를 제공하기에 충분히 상이한 길이이다.
바람직한 실시 예에서, 타원형 멤브레인의 공간 배열은 원형 멤브레인의 맥락에서 설명된 것과 동일한 휴리스틱을 따르지만, 도 1d에 도시된 바람직한 타원형 실시 예로 멤브레인 사이즈는 채널 군 내의 x 및 y치수 모두에서 변화된다. 보는 바와 같이, 제1 세미 축(예, B)의 길이는 제2 세미 축(예, C)의 오직(only) 길이가 채널 내 기판의 제2 치수를 통해 변화시키면서 기판의 제1 치수를 통해 변화된다. 도 1D에 더 도시된 바와 같이, 각 축은 인접한 임의의 두 멤브레인사이의 사이즈 차이보다 큰 RU 내 크기의 범위를 달성하기 위해 어레이 치수의 하나를 통해서(across) 점진적으로 증가(및/또는 감소)된다. 보는 바와 같이, B축 증분은 각각 어레이의 하나의 치수를 따라(예를 들어, 기판(101)의 Y축), 소자(1010AA, 1010AE, 1010JA)에 대하여 B1으로부터 최대 B5까지 하고, 다시 B1으로 아래로 백한다(back). 1010AB-101JB를 포함하는 행 또는 열 및 1010AC-1010JC를 포함하는 행 또는 열은 1010AA-101JA 행/열에 대하여 동일한 B 축 증가(증분)를 가진다. 순서로 C축에서 어레이(예, 기판 (101)의 x 축을 따라) 의 제2 치수를 따라 각 소자에서 증분이 1010AA-1010JA를 포함하는 열(row)의 모든 소자가 C1과 동일한 축선을 갖도록 치수화된다. 마찬가지로, 1010AB-1010JB를 포함하는 열의 모든 소자는 동일한 C2 축선을 갖도록 치수화되고, 1010AC-1010JC 를 포함하는 모든 소자는 C3와 동일한 축선을 갖도록 치수화된다.
실시 예에서, 이중 모드 MUT 어레이의 각 트랜스듀서 소자는 압전 멤브레인을 포함한다. 압전 멤브레인은 돔(도 2A에 의하여 더 도시됨) 또는 오목부(도 2B에 의하여 더 도시됨)를 형성하기 위해 제3(z) 차원에서 곡률을 가진 회전 타원체 일 수 있다. 도 2C에 의하여 더 도시된 바와 같이 평면 멤브레인 역시 가능하다. 도 2A-2C의 콘텍스트에서, 개별 트랜스듀서 소자의 바람직한 마이크로 머신 측면에서 간단하게 기술되었다. 도 2A-2C에 도시된 구조물은 본 발명의 특정 측면에 대한 컨텍스트로 주로 포함되며, 상기 트랜스듀서 소자 구조와 관련하여, 본 발명의 넓은 적용 가능성을 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
도 2A에서, 볼록 트랜스듀서 소자(202)는 작동 동안에 PMUT 어레이(100)의 진동 외면의 일부를 형성하는 상부면(204)을 포함한다. 트랜스듀서 소자(202)는 기판(101)의 상부면에 부착되는 바닥면(206)을 역시 포함한다. 트랜스듀서 소자(202)는 기준 전극(212)와 구동/감지 전극(214)사이에 배치된 볼록 또는 돔 형상 압전 멤브레인(210)을 포함한다. 하나의 실시 예에서, 압전 멤브레인(210)은 예를 들어 평면 상부면에 형성된 돔을 가진 프로파일 전송 기판(즉, 포토 레지스트) 상에 균일한 층으로 압전 물질 입자를 증착(즉 스파터링)함에 의하여 형성할 수 있다. 바람직한 압전 재료는 티탄산 지르콘산 연(PZT)이고, 당업계에 임의의 공지되어 이용할 수 있는 통상적인 마이크로 머신 처리될 수 있는 것이라할지라도 불화 비닐 리덴(PVDF) 중합체 입자, BaTiO3, 단결정 PMN-PT, 질화 알루미늄(AlN)으로 국한하지 않는다. 구동/감지 전극 및 기준 전극(214, 212)은 프로파일 전송 기판 상에 증착된(즉, PVD, ALD, CVD, 등에 의해) 도체 물질의 얇은 필름 층 각각 일 수 있다. 구동 전극 층을 위한 도전성 물질은 이러한 기능에 대하여 본 기술 분야에 공지되어 있지만, 제한되지 아니하며, 금, 백금, 니켈, Ir 등 중 하나 이상, 이들의 합금(즉, AuSn, IrTiW, AuTiW, AuNi, 등)의 합금, ), 이들의 산화물 (예를 들면, IrO2, NiO2, PtO2, 등), 또는 이 IrO2, NiO2, PtO2이고, 등), 또는 2 이상의 그러한 재료의 복합 스택이다.
또한 도 2A에 도시된 바와 같이, 일부 구현에서, 변환 소자(202)는 선택적으로 제조하는 동안 지지체 및/또는 에치 정지로 서비스할 수 있는 이산화 규소와 같은 박막층(222)을 포함할 수 있다. 압전 멤브레인(224)은 기준 전극(212)으로부터 구동/감지 전극(214)를 절연하기 위하여 더 서비스를 제공할 수 있다. 수직 배향 전기 상호 접속부(226)는 구동/감지 전극 레일(110)을 통해서 구동/감지 회로에 구동/감지 전극(214)을 연결한다. 유사한 상호 접속부(232)는 기준 레일(234)에 상기 기준 전극(212)을 연결한다. 트랜스듀서 소자(202)의 센터로 정의되는 대칭축과 구멍(241)을 갖는 환형 지지체(236)는 압전 멤브레인(210)을 기판(202)에 기계적으로 결합된다. 지지체(236)는 임의의 종래 재료인, 이산화 규소, 다결정 실리콘, 다결정 게르마늄의 SiGe, 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
지지체(236)의 바람직한 두께는 10 ~ 50 ㎛ 이고 멤브레인(224)의 바람직한 두께는 2-20 ㎛ 범위이다.
도 2B는 구조가 유사한 참조 번호로 식별되는 트랜스듀서 소자(202)의 것과 기능적으로 유사한 구조인 트랜스듀서 소자(242)에 대한 다른 예시적인 구성을 나타낸다. 트랜스듀서 소자(242)는 휴지 상태에서 오목한 오목 압전 멤브레인(250)을 나타낸다. 여기서, 기준 전극(212)은 상부면 상에 배치되는 동안 구동/감지 전극(214)은 오목 압전 멤브레인(250)의 바닥면 아래에 배치된다. 상단 보호 패시베이션 층(263) 역시 표시된다.
도 2C는 구조가 유사한 참조 번호로 식별되는 트랜스듀서 소자(202)의 것과 기능적으로 유사한 구조인 트랜스듀서 소자(282)에 대한 다른 예시적인 구성을 나타낸다. 트랜스듀서 소자(242)는 휴지 상태에서 평면인 평면 압전 멤브레인(290)을 도시하며, 소자(202, 242)와는 달리, 밴딩 모드에서 동작하며 그래서 멤브레인(275, 전형적으로 실리콘)를 더 사용한다. 여기서, 구동/감지 전극(214)은 기준 전극(212)이 상단면 위에 배치되는 동안에 평면 압전 멤브레인(290)의 바닥면 아래 배치된다. 도 2A-2C에 도시된 것으로부터 반대편 전극 구성 또한 가능하다.
도 3A 및 3B는 실시 예에 따른 발진의 제1 및 제2 모드를 겪는 트랜스듀서 소자의 단면의 개략도이다. 도 4A 및 4B는 실시 예에 따른 도 3A 및 3B에 도시된 발진의 제1 및 제2 모드와 연관된 제1 및 제2 공진 주파수 대역을 도시한 주파수 응답 그래프이다. 동작하는 동안, 어레이 내의 멤브레인은 제1 공진 주파수를 가진 진동 또는 발진의 제1 모드를 유도한다. 역시 어레이의 동작 동안에, 어레이 내의 멤브레인은 제1 공진 주파수보다 큰 제2 공진 주파수와 관련된 진동의 제2 모드를 유도한다. 제1 및 제2 주파수 대역 모두 다른 멤브레인 사이즈의 주어진 군와 관련되어 있다. 도 3A는 지지체(236)에 의하여 지지되고 구동/감지 전극(312)가 시간에 따라 변화하는 구동 전압 신호를 수신할 때 진동의 제1 모드를 제공하기 위한 구동/감지 전극(312)을 구동하는 멤브레인(350)(휴지 상태에서 평면, 돔 또는 캐비티를 가진 압전 재료일 수 있음)의 단면도이다. 도 3B에서, 상기 멤브레인은 구동 신호의 결과로서 제2 공진으로 진동한다. 진동의 제2 모드는 높은 주파수(예를 들어, 2 배)일 경우에 기초, 또는 제1, 진동의 모드, 높은 주파수 상태는 고차 모드에서 달성될 수 있다. 여기에(즉, 도1A-1D) 기술된 실시 예에서, 다양한 사이즈의 원형(또는 타원형) 멤브레인은 다양한 모드에서 진동하며, 주파수 응답에서 두개의 넓은 대역이 형성될 수 있다(즉, 제1 대역과 제1 대역 주파수의 약 2배인 제2 대역). pMUT 소자의 압전 여기가 각도(θ)에 거의 무관하다는 점을 감안하면, 바람직한 모드 형상은 노달 직경의 수가 0인 모드(0,1), 모드(0,2), 모드(0,3)이다.
도 4A 및 4B 는 실시 예에 따른 도 3A 및 3B의 MUT 에 대한 성능 메트릭스를 도시한 것이다. 도 4A 에 언급된 바와 같이, 하나의 실시 예에서, 구동 신호 발생기는 제2 공진 모드(fn2)보다 큰 멤브레인(350)의 제1 공진 모드(fn1)를 여기시키기 위하여 제1 구동신호를 구동하는 것이다. 도 4B에서, 구동 신호 발생기는 제1 공진 모드(fn2)보다 큰 멤브레인(350)의 제2 공진 모드(fn1)를 유도 또는 여기시킨다. 제1 또는 높은 모드에서의 동작은 멤브레인 사이즈 및 형상(즉, 원형 대 타원) 따른 적어도 구동 신호 펄스 폭, 및/또는 펄스 형상에 의하여 결정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 모드MUT 어레이를 사용한 초음파 트랜스듀서 장치(500)의 기능적 블록 다이야그램을 나타낸 것이다. 바람직한 실시 예에서, 초음파 트랜스듀서 장치(500)는 물, 조직(tissue matter) 등과 같은 매체에서 압력파를 발생 및 감지하기 위한 것이다. 초음파 트랜스듀서 장치(500)는 매체 또는 다층 미디어 내의 내부 구조적인 변형의 이미지가 의학적 진단, 제품 결함 검출 등과 같은 관심으로 많은 응용분야를 가진다. 장치(500)는 기술된 트랜스듀서와 소자 군 속성 중 하나를 갖는 여기 기재된 다중 모드 MUT 어레이 소자 디자인 중 하나를 가질 수 있는 적어도 하나의 다중 모드 MUT 어레이(516)를 포함한다. 바람직한 실시 예에서, MUT 어레이(516)는 원하는 대로(즉, 이미지될 영역에 직면함) MUT 어레이(516)의 외측 면이 직면하는 방향과 위치를 변화시키기 위하여 기계에 의하여 또는 장치(500)의 사용사에 의하여 조작할 수 있는 핸들 부분(514)으로 하우즈된 MUT이다. 전기 커넥터(520)는 핸들 부분(514)의 외부의 통신 인터페이스와 MUT 어레이(516) 채널을 전기적으로 결합한다.
실시 예에서, 장치(500)는 예를 들어 전기 커넥터(520)를 경유하여 MUT 어레이(516)와 결합되는 이 기술분야에서 알려져 있을 수 있는 신호 발생 수단을 포함한다. 신호 발생 수단은 어레이(516)에서 각 채널의 구동/감지 전극에 전기 구동 신호를 제공하기 위한 것이다. 하나의 특별한 실시 예에서, 신호 발생 수단은 1MHz 및 40MHz 사이의 주파수에서 공진하는 압전 트랜스듀서 소자 군에서 발생하는 전기 구동 신호를 적용하는 것이다. 실시 예에서, 신호 발생수단은 디먹스(506)에 의하여 디멀티플렉스된 제어신호를 디-시리어라이즈시키기 위한 디시리어라이저(504)를 포함한다. 바람직한 신호 발생 수단은 디지털 제어신호를 MUT 어레이(516)에서 개별 트랜서듀서 소자 채널에 대한 구동전압 신호로 변환하기 위한 디지털 투(to) 아날로그 변환기(DAC,508)를 더 포함한다. 각각의 시간 지연은 원하는 빔 형상, 초점 및 방향 등을 생성하기 위하여 프로그램 가능한 시간 지연 제어기(510)에 의해 개별 구동 전압 신호를 빔 조향에 추가시킬 수 있다. pMUT 채널 커넥터(520)와 신호 발생 수단사이의 결합은 구동과 감지 모드사이의 MUT 어레이(516)를 스위칭하기 위한 스위칭 네트워크(512)이다.
실시 예에서, 장치(500)는 예를 들어 전기 커넥터(520)를 경유하여 MUT 어레이(516)와 결합되는 이 기술분야에서 알려져 있을 수 있는 신호 수집 수단을 포함한다. 신호 수집 수단은 MUT 어레이(516) 내의 구동/감지 전극 채널에서 전기 감지 신호를 수집하고 여과하는 것이다. 신호 수집의 하나의 바람직한 실시 예에서, 아날로그 투(to) 디지털 변환기(ADC, 514)는 어레이의 채널로부터 디지털 신호로 변환하는 전압 신호의 수신기이다. 디지털 신호는 메모리(도시되지 않았지만)에 저장하거나 신호 처리 수단으로 직접 패스할 수 있다. 바람직한 신호 처리 수단은 디지털 신호를 압축하기 위한 데이터 압축 수단을 포함한다. 멀티플랙서(528)와 시리얼라이저(502)는 수신된 신호를 메모리, 다른 저장부로 릴레이하기 전에 수신된 신호를 바탕으로 그래픽 디스플레이를 발생하기 위하여 이미지 프로세서와 같은 다운 스트림 프로세서로 수신된 신호를 더 처리할 수 있다.
도 6은 실시 예에 따른 멀티 모드 MUT 어레이를 동작 방법을 더 묘사하기 위한 흐름도이다. 일반적으로, 방법(600)에서 멀티 모드 MUT(601) 어레이는 3개의 성능(capacities) 중에서 적어도 하나에서 동작된다. 제일 먼저, 멀티 모드 MUT(601) 어레이는 초 광대역 멀티 공진 주파수 대역폭을 얻기 위하여 동시에 제1 및 높은 차수 모드를 유도하기 위한 동작(605)에서 구동된다. 멀티 모드 MUT(601) 어레이는 동작(610)에서 전체 대역폭을 통해 감지하기 위해 더 사용된다. 도 7A-7B는 동작의 이러한 제1 방법을 기술한다. 동작의 제2 방법에서, 멀티 모드 MUT(601) 어레이는 대역폭의 제2 성분이 동작(625)에서 감지되는 동안에 동작(620)에서 전송을 위한 멀티 공진 주파수 대역폭의 제1 성분을 주로 유도하도록 구동된다. 도 8A-8B는 동작의 이러한 제2 방법을 더 기술한다. 제3 방법에서, 멀티 모드 MUT(601) 어레이의 다른 채널은 동작(630, 633)에서 멀티 공진 주파수 대역폭(즉, 제1 및 제2 공진 주파수 대역)의 다른 성분을 유도하고, 동작(636, 639)에서 다른 채널로 멀티 공진 주파수 대역폭의 다른 성분을 감지하기 위하여 구동된다. 이러한 멀티 신호 또는 멀티 채널 모드는 도 9A-9C의 콘텍스트에서 더 기술된다.
초 광대역폭 실시 예에서, 적어도 제1 및 제2 공진 모드는 중첩된다. 제3 E또는 더 높은 모드가 존재한다면 역시 다음 높은 및 다음 낮은 모드의 밴드와 중첩할 수 있다. 두 개의 공진 모드의 가장 간단한 경우에서, 제1 차수 모드와 관련된 제1 공진 주파수 대역의 가장 높은 공진 주파수는 도 7A 위상과 크기 그래프에 도시된 바와 같이 제2 차수 모드와 관련된 제2 공진 주파수 밴드의 가장 낮은 공진 주파수보다 높다. 이러한 초 광대역폭 실시 예에서, 예를 들어 멤브레인 군이 도 1A-1D의 콘텍스트에서 도시된 바와 같이 멤브레인 사이즈와 레이아웃이 제어에 의하여 설계된다. 멤브레인의 유효 질량, 유효 강도는 최소로 완화, 파괴적인 단계(phasing)를 피하기 위한 노력으로 역시 제어될 수 있다.
제1 모드(작은 멤브레인 소자와 관련된)의 가장 높은 공진 주파수와 제2 모드(큰 멤브레인 소자와 관련된)의 가장 낮은 공진 주파수사이의 중첩은 스팩트럼 대역을 합할 수 있고 적어도 120%-6dB 프렉션 대역폭(즉, -6dB 대역폭/센터 주파수)에 어레이의 대역폭을 확장할 수 있다. 위상(phase)에서의 변화에 의한 공진 주파수 대역 중첩에서의 과제는 제1 및 제2 진동 모드사이에 일부 디컨스트럭시브 위상에 어려움을 겪는 MUT에 대한 모델된 주파수 응답이 도 7B에 도시되어 있다. 예를 들어 고정되고 균일한 사이즈의 멤브레인에 대하여, 위상은 도 7b에서 노치(720)와 같은 적어도 중요한 주파수 대역에서 얻어진 진동의 제 1 및 제 2 모드 사이에서 제로를 크로스한다. 그러나 공진 모드 주파수 대역은 예를 들어 도 1B에 도시된 소자 사이즈의 점진적인 변화를 사용함에 의하여 완전히 병합할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 방법으로, 동일한 채널 내에 다른 사이즈의 멤브레인 군에 적용되는 구동 신호는 하나 이상 멤브레인에서 발진의 제1 모드와 하나 이상의 다른 멤브레인에서의 발진의 제2 모드 모두 유도할 수 있다. 마찬가지로, 동일한 대역폭은 초 광대역폭 압력 트랜스듀서의 감지 사이클에 이용될 수 있다. 도 8A에 언급된 바와 같이, 멀티 모드 MUT를 동작하는 제2의 방법으로 발진의 제1 모드와 주로 관련된 제1 주파수 대역은 발진의 제2 모드와 주로 관련된 제2 주파수 대역이 감지에 의존할 수 있는 동안에 전송에 의존할 수 있다. 도 8A에 도시된 모드에서의 동작을 위하여, 멀티 모드 MUT 어레이와 결합된 구동 회로는 적어도 제1 주파수 대역(즉, 낮은 대역)에서 유도되는 제1 전기 신호로 주어진 채널의 트랜스듀서 소자의 적어도 일부를 구동하는 신호 발생기를 포함한다. 예를 들어, 상기 펄스 폭과 형상은 멀티 공진 주파수 대역의 단지 일부분을 유도하는 초 광대역폭 실시예에서 사용된 것에서 벗어날 수 있다. 반면에, 감지 회로는 적절한 밴드 패스 필터로 추출할 수 있는 제2 주파수 대역으로부터의 성분을 포함하는 적어도 트랜스듀서 소자의 일부로부터 제2 전기 신호를 수신하는 멀티 모드 MUT 어레이와 결합된 신호 수신기를 포함한다. 특히, 이 용량에서 동작 할 때, 공진 주파수 대역이 중첩하거나 또는 중첩하지 않을 수도 있다. 예를 들어 밴드가 중첩하면, 멤브레인의 치수화와 레이아웃은 도 1B의 예를 따르고 또한 초 광대역폭 동작에 적절할 수 있으며, 일부 멤브레인은 전송 주파수 대역 내의 제2 모드에서 발진할 수 있고 일부 멤브레인은 수신주파수 대역 내의 제1 모드에서 발진할 수 있으며, 그래서 송신(Tx) 및 수신(Rx) 대역은 하나의 공진 모드로 배타적이지 않다.
도 8A에 도시된 동작의 제2 모드는 조직 고조파 이미징(THI)의 테크닉에 적합하며 여기서 낮은 주파수 진동의 제1 대역과 높은 주파수 진동의 제2 대역은 낮은 대역폭 트랜스듀서의 전형인 이득에서의 제한에 대한 고생없이 사용된다. 일반적으로, 부드로운 조직에서의 신호의 침투는 전송 주파수가 감소하므로 증가하며, 이미지 해상도에서는 감소가 수반된다. 초음파가 목표 매체를 통과하여 전파되므로, 음향파의 비선형 왜곡 때문에 전송된 신호의 형상 및 주파수의 변화가 발생한다. 고조파는 매체 내에서 발생되고 깊이들어 간다. 고조파의 주파수는 악보(musical notes)의 배음과 많이 유사하며 전송된 주파수의 높은 정수 배이다. 현재의 THI 테크닉은 이미지를 위해 단지 제2 고조파(전송된 주파수의 2배)를 사용한다. 예를 들어 최대 침투를 제공할 수 있는 3.0 MHz 의 전송 주파수는 6.0 MHz 고조파 주파수로 돌아올 것이다. 리턴하는 높은 주파수 신호는 프로브에서 하나의 방향 만으로 이동한다. 높은 주파수의 이미지와 한 방향 이동 효과의 이점은 감소된 반향, 빔 수차 및 사이드 로브 뿐만 아니라 증가된 해상도와 담낭 클리닝을 포함한다.
도 8B에서와 같이, 트랜스듀서의 밴드폭은 트랜스듀서가 하나의 주파수에서의 효율적인 전송기와 제2 하모닉에서의 효율적인 수신기 모두이기 때문에 THI에 대한 제한된 팩터일 수 있다. 트랜스듀서 대역폭(즉, 약 70% - 80%-6dB 프렉션널 대역폭)은 고조파 이미지에 대한 차선(sub-optimal)이고, 고조파 수신 주파수가 센터 주파수의 4/3으로 설정되는 동안에 전송된 센터 주파수는 센터 주파수의 2/3에 설정된다. 도 8의 파선(dashed line)을 더 살펴보면, 채널의 소자사이에 파괴적인 상호작용은 대역폭을 제한할 수 있으며 그래서 이득(감도)은 감소된다. 그러나, 도 8C에 나타난 바와 같이 채널의 제1 공진 모드와 제2 공진 모드와 기본적인(f0) 및 2f0의 주파수를 모두 포함하는 멀티-공진 모드 MUT의 더 큰 대역폭은 아주 효율적인 THI 전송기 및 수신기 각각을 자연스럽게 동작할 수 있다. 따라서, THI는 다양한 멤브레인 사이즈(즉, 도 10에 도시된 바와 같이)의 조합을 가지는 멀티 모드 MUT 어레이를 구현하는 것이 유리할 수 있다.
실시 예에서, 멀티 모드 MUT 어레이는 초음파트랜스듀서의 다른 채널을 통과해서 그것을 배분함에 의하여 다중 공진 모드와 관련된 대역폭을 활용하는(leverage) 세 번째 방법으로 동작된다. 제 2 주파수 대역, 제2 또는 제 3 고조파와 주로 관련된 이러한 높은 주파수 대역은, 높은 샘플링 레이트를 달성하기 위해 제2 채널에 사용되는 동안에, 제1 주파수 대역, 예를 들어 기본적인 발진(oscillation)과 주로 관련된 낮은 주파수 대역은 트랜스 듀서의 제1 채널로 이용된다. 실시 예에서 멀티 모드 MUT 어레이의 모든 채널은 실질적으로 동일하고 다른 멤브레인 사이즈를 가진 복수의 소자를 포함하는 각 채널은 도 1B에 예시된 휴리스틱에 따른 기판 상에 공간적으로 분산되며, 제1 펄스 형상 및/또는 폭의 제1 전기 신호는 제2 펄스 형상 및/또는 폭의 제2 전기 신호가 제2 채널에 하나 이상의 멤브레인에서 높은 차수의 발진(oscillation)을 유도하는 동안에 제1 채널에 하나 이상의 멤브레인에서 기본적인 발진(oscillation)을 유도할 수 있다. 낮고 높은 주파수 대역과 관련된 기본적이고 높은 차수의 발진에 관하여, 도 9A 에 모델화된 스팩트럼이 제공된다. 감지 모드 동안에, 제1 및 제2 채널 신호는 예를 들어 제1 채널로부터 낮은 주파수 대역과 제2 채널로부터 높은 주파수 대역을 추출하여 적절히 다른 대역 통과로 필터된다.
멀티 채널 동작은 높은 샘플링 레이트로 이미징화하는 니어(near) 필드와 파(far) 필드 포커스 죤(즉, 멀티 딥스) 모두를 이용할 수 있다. 이러한 기술은 도 9B에 설명된 종래의 멀티 죤 포커스 테크닉과 대조되며, 제한된 스캔 레이트는 심장과 흐르는 혈액과 같은 빠르게 움직이는 대상물에서 왜곡된 이미지를 가져온다. 일반적으로, 스캔 레이트는 다음 펄스가 전송되기 전에 가장 먼 위치에서 리턴되는 정보를 기다릴 필요성에 의해 지배된다. 도 9B에 나타난 바와 같이, 제1 깊이에 포커스하기 위해서 지연 발생기가 복수의 트랜스듀서 채널에 걸쳐 제1 지연 특징(signature)을 구현한다. 그 다음에 제2 깊이와 관련된 다른 지연 특징을 가진 제2 펄스가 전송된다. 여기서 다섯 개의 깊이 죤이 제공되고(a-f), 다섯 개의 펄스와 다섯 개의 샘플링 주기가 필요하며, 스캔 레이트는 더 감소된다. 부가적으로, 다중 포컬 죤 테크닉은 전체 이미지 깊이를 통해 효과적인 측면 해상도(resolution)를 개선하기 위해 사용된다. 각 죤 내에서 광역 조리개/낮은 f번호 이미징은 개선된 해상도를 얻기 위해 사용되며, 및 각 죤으로부터의 이미지는 함께 스티칭된다(stitched). 이것은 여전히 프레임 레이트가 더 감소될 것이다.
본 명세서 다른 곳에서 언급 한 바와 같이, 본 명세서에 기재된 다중 모드 MUT 실시 예들을 구현하는 기술적 과제 중 하나는 동일한 채널의 멤브레인사이의 상쇄적(destructive) 간섭을 포함한다. 진동 멤브레인(평면, 돔, 덴트)의 다양한 크기를 가진 주파수 형상은 본 명세서에 기술된 동작의 특정 모드에서 MUT의 대역폭 및/또는 대역폭 맞춤(tailor)을 향상시키기 위해 수행될 수 있다. 일반적으로 설계 작업은 n 제1 차수(order) 필터를 사용하여 광대역 통과 필터를 설계하는 것과 유사하다. 주파수 형상이 주파수 응답의 형상으로 리소그래피를 이용한 형상(geometry)에 의해 조정될 수 있는 동안에 조리개(diaphragm) 직경, 유효 강성, 유효 질량, 자연 공진 주파수, 효과적인 음향 임피던스 세트의 함수이고 소자 사이의 결합은 멤브레인 직경의 모두 강한 함수(strong functions)이다. 결과적으로, 트랜스듀서의 주파수 스팩트럼은 실제로 다루기 어려움이 잠재되어 있고 복잡한 절차의 주파수 형상을 렌더링하는 멤브레인 직경의 매우 복잡한 함수이다.
따라서, 실시 예에서, MUT 어레이의 주파수 응답은 MUT 장치의 하나 이상의 마스크 레벨에서 민감성 분석을 수행함에 의하여 모델된 공칭 치수로부터 최적화된다. 바람직한 실시 예에서 감도 분석은 전극과 트랜스듀서 멤브레인의 재료사이 접촉 영역을 정의하는 단일 마스크 레벨을 사용하여 수행된다. 하나의 유리한 실시 예에서, 단일 마스크 레벨은 전극이 접촉하게 되는 멤브레인 재료 위에 치수화된 개구를 정의하는 유전체 윈도우 층이다. 예에 대한 도 2A, 2B 및 2C는 윈도우 치수가 압전 멤브레인(210)과 구동/감지 전극(212)사이에 배치된 유전체 멤브레인(224)(즉, 산화물)에서 개구를 정의하는 방법을 설명한다. 유전체 윈도우의 치수는 모드의 형상과 주파수의 상당한 변화없이 다양한 모드 형상의 진폭에 주로 영향을 주는 다른 파라메터이다. 또한, 그것은 단지 유효 질량, 유효 강성과 유효 음향 임피던스를 조금 변화하는 것으로 기대된다. 이와 같이, 실시 예에서 미세 조정된 최종주파수 응답은 산화물 윈도우 치수의 최적화를 기반으로 한다.
최적 윈도우 크기는 수치 모델을 이용하여 추정되거나, 실험적으로 발견될 수 있다. 도 10은 아마도 단지 한번의 제조 실행과 한차례의 단일 마스크 층(윈도우 마스크)을 형성하는 실험을 통해서 결정되는 유전체 윈도우 크기의 민감성 분석을 수행함에 의하여 다른 멤브레인 크기를 가진 멤브레인 군으로부터 주파수 형상을 최적화의 방법(1100)을 설명하는 흐름도이다. 방법(1100)은 원하는 공칭 주파수 응답 또는 응답들을 얻기 위하여 모델링 파라메터에 기초하여 pMUT 장치의 모든 마스크 층들을 치수화하는 동작(1150)으로 시작한다. 동작(1160)에서, 유전체 윈도우 마스크(CD)는 n 멤브레인 형태(크기)에 대한 압전 접촉 영역을 변화하기 위하여 pMUT 어레이 채널을 통과하면서 변화된다. 예를 들어, 1D 초음파 어레이는 64-256 동일한 채널을 포함하며, 각 어레이는 이 채널을 n+1그룹으로 분할함에 의하여 감도 매트릭스로 설계될 수 있다: 모델에 의하여 추정되는 하나의 제어 세트와 변화당 멤브레인의 단지 하나의 형태(type)의 산화물 윈도우에서의 제어 세트의 변화는 도 11에서 5 가지의 변화에 대하여 부가 설명된 바와 같이 미리 설정된 값(2um-20um)에 의하여 변화된다. 도시된 바와 같이, 원형 밴드(1110)은 윈도우 CD 수축(shrink)을 나타내며, 전극 레일(110)과 연관된 채널에 대해, 다른 공칭 크기의 멤브레인이 묘사된 다른 4개의 처치(treatments)에 대해 변화되는 동안 단지 가장 큰 멤브레인 소자는 설정된 량(수축)에 의하여 변조된다.
도 10으로 돌아가서, 동작(1070)에서 pMUT 장치는 마스크 세트를 사용하여 제작되었다면 실험적 윈도우 치수화가 포함된다. 그 후 채널 응답은 (도 11에 더 도시되어 있음) 동작(1180)(도 10)에서 제조된 장치로부터 각 윈도우 크기 변화에 대하여 측정되다. 그 다음에 이러한 응답은 감도 항목(terms)(x 윈도우 크기이고 y는 주파수 응답이다)을 발생하기 위한 공칭(모델화된) 치수화와 관련된 응답과 비교된다. 각 멤브레인 크기 분류에 대한 윈도우의 최적 사이징은 원하는 최종 주파수 응답에 도달하기 위해 민감성 분석을 바탕으로 치수화된다. 그 다음에 최종 마스크 세트는 동작(1190)에서 어레이에 사용되는 각 다른 멤브레인 크기에 대하여 결정하기 위하여 이러한 최적 마스크 치수를 바탕으로 정의된다. 도 10에 더 도시된 것에서, 옵션으로 감도 분석의 제2 반복이 수행될 수 있다.
상기 설명은 예시적인 것으로, 그리고 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면에서의 흐름도는 발명의 어떤 실시 예에 의하여 수행되는 동작의 특별한 순서(order)를 보여줄 때 그것은 그러한 순서가 필요하지 않을 수 있는 것으로 이해해야 한다(즉, 변형된 실시 예에서 다른 순서, 어떤 동작의 결합, 어떤 동작의 중첩, 등으로 동작을 수행할 수 있다.). 또한 많은 다른 실시 예들은 상기 설명을 읽고 이해함으로써 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 본 발명이 특별히 바람직한 실시 예를 참조로 기술되었다 할지라도 본 발명이 기술된 실시 예에 한정되지 아니한 것으로 이해되어야 한다.

Claims (26)

  1. 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치에 있어서,
    장치는:
    복수의 트랜스듀서 소자들을 포함하는 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(MIT) 어레이를 포함하며, 각각의 트랜스듀서 소자는 멤브레인, 단일 구동/감지 전극과 기준 전극; 및
    적어도 두 모드의 진동을 가진 MUT 어레이를 동작하기 위한 구동 또는 감지 회로를 포함하되, 여기서 상기 적어도 두 모드는 제1 공진 주파수 밴드와 관련된 제1 모드와 제1 공진주파수 밴드 내의 하나 이상의 주파수보다 큰 하나 이상의 주파수를 포함하는 제2 공진 주파수 밴드와 관련된 제2 모드를 포함하는, 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제2 공진 주파수 밴드의 센터는 대략 제1 공진 주파수 밴드 센터의 두 배이고, 여기서 하나 이상의 제1 및 제2 공진 주파수 밴드는 제3 또는 더 높은 진동 모드를 포함하는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제1 공진 주파수 밴드의 가장 높은 공진 주파수는 제2 공진 주파수 밴드의 가장 낮은 공진 주파수 보다 높은 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제1 주파수 밴드와 제2 주파수 밴드의 전체 대역폭은 적어도 120%-6dB 분파 대역폭인 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    MUT 어레이는 어레이의 트랜스듀서 소자들이 다양한 압전 멤브레인 사이즈를 가진 압전 MUT(pMUT)이며, 여기서 제1 공진 주파수 밴드는 멤브레인 사이즈 범위에 대한 함수인 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    구동 회로는 적어도 제1 주파수 밴드를 포함하는 제1 전기 신호로 적어도 트랜스듀서 소자들의 일부를 구동하도록 MUT 어레이와 결합된 신호 발생기를 포함하며; 및
    여기서 감지회로는 제2 주파수 밴드에서의 성분(component)을 포함하는 트랜스듀서 소자들의 적어도 일부로부터 제2 전기 신호를 수신하도록 MUT 어레이와 결합된 신호 수신기를 포함하는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제1 전기 신호는 제1 주파수 밴드와 제2 주파수 밴드 모두를 포함하며; 및 여기서 제2 전기 신호는 제1 및 제2 주파수 밴드 모두에서의 성분(component)을 포함하는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제1 주파수 밴드는 어레이의 제1 채널에서 유도되고 제2 주파수 밴드는 어레이의 제2 채널에서 유도되며; 및
    여기서 제1 주파수 밴드에서의 성분(component)은 제1 채널로부터 수집되고 제2 주파수 밴드에서의 성분(component)은 제2 채널로부터 수집되는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    제 1 전기 신호는 제1 밴드를 제 2 밴드에 우선하여 유도하는 펄스 폭과 형상을 가지며; 및
    여기서 신호 수신기는 제 1 밴드와 관련된 전기 신호의 성분(component)으로부터 제2 밴드와 관련된 제2 전기 신호의 성분(component)을 여과(filter)해야 하는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상이한 크기의 멤브레인들이 동일한 채널에서 멤브레인들 사이의 파괴적인 상호작용을 피하고 이웃한 채널의 멤브레인들 사이의 크로스-토크를 피하기 위하여 기판 상에 공간적으로 배열되는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    적어도 멤브레인의 하나의 치수(one dimension)는 임의의 인접한 두 멤브레인 사이의 치수(dimension) 차이보다 더 큰 범위에 걸쳐 최소값과 최대값 사이에서 변화하는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    멤브레인의 사이즈는 제1 시리즈의 적어도 3개의 인접 멤브레인에 걸쳐서 점진적으로 증가하고 제2 시리즈의 적어도 3개의 인접 멤브레인에 걸쳐서는 점진적으로 감소하며, 및 여기서 제1 및 제2 시리즈는 모두 최대 치수의 멤브레인 하나와 최소 치수의 멤브레인 하나를 포함하는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    소자의 크기 변화는 채널 군(population)의 반복 유니트 내에서 n개의 상이한 멤브레인 형태 중 두 가지를 제공하는 상기 어레이의 적어도 하나의 치수의 주기 함수(cyclic function)인 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    타원형 멤브레인의 제1 세미-축 길이는 오직 기판의 제1 치수를 통해 변경되고, 타원형 멤브레인 제2 세미-축 길이는 오직 채널 내에서 기판의 제 2 치수를 통해 변경되는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하기 위한 장치.
  15. 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(MUT) 어레이는:
    기판의 영역에 배열된(arrayed) 복수의 트랜스듀서 소자(elements);
    소자 각각에 결합된 기준 전극; 및
    어레이의 채널을 형성하기 위하여 병렬로 소자의 서브세트와 결합되는 구동/감지 전극을 포함하며, 여기서 제1 소자는 제2 소자의 멤브레인에서 진동의 제2 모드를 유도하는 전기 신호에 의하여 구동되면 진동의 제1모드로 들어가도록 치수화된(demensioned) 멤브레인을 가지며, 여기서 제1 및 제2 소자 사이의 멤브레인 치수(dimensions)는 채널 내의 임의의 두개의 인접한 소자의 멤브레인들 사이의 치수 차이보다 큰 범위에 걸쳐있는 마이크로머시닝된 초음파 트랜스 듀서(MUT) 어레이.
  16. 청구항 15에 있어서,
    채널 내의 소자의 사이즈는 동일한 사이즈 또는 다음으로 작은 또는 다음으로 큰 사이즈인 기판의 제2 치수에서 다른 소자에 인접하여 주어진 크기의 각 트랜스듀서와 함께 제1 치수를 통해 주기적으로 변화하는 마이크로머시닝된 초음파 트랜스 듀서(MUT) 어레이.
  17. 청구항 16에 있어서,
    소자 크기 변화는 각 사이즈의 2개의 멤브레인을 포함하는 채널 군의 반복하는 유니트 내에서 n개의 상이한 멤브레인 형태 중 두 개를 제공하는 상기 어레이의 적어도 하나의 치수의 주기 함수(cyclic function)이며, 및 여기서 멤브레인의 사이즈는 각 반복하는 유니트 내에 적어도 3개의 인접한 멤브레인의 제1 시리즈에 걸쳐 점진적으로 증가하고 각 반복하는 유니트 내에 적어도 3개의 인접한 멤브레인의 제2 시리즈에 걸쳐서는 점진적으로 감소하는 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(MUT) 어레이.
  18. 매체에서 압력파를 발생하고 감지하는 방법에 있어서,
    제1 공진주파수 밴드와 관련된 적어도 진동의 제1 모드를 유도하는 제1 전기 신호로 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(MUT) 어레이의 적어도 일부 트랜스듀서 소자들의 전극을 구동하는 단계; 및
    제1 주파수 밴드 내의 하나 이상의 주파수보다 큰 하나 이상의 주파수를 가진 제2 공진 주파수 밴드와 관련된 진동의 제2 모드에 해당하는 적어도 하나의 성분(components)을 포함하는 전극으로부터 제2 전기 신호를 수신하는 단계를 포함하는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하는 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    구동은 제1 주파수 밴드와 제2 주파수 밴드를 유도하며; 및
    여기서 제2 전기 신호는 제1 및 제2 주파수 밴드 모두로부터의 성분을 포함하는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하는 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    제1 주파수 밴드는 어레이의 제1 채널에서 유도되고, 제2 주파수 밴드는 어레이의 제2 채널에서 유도되며; 및 여기서 제1 주파수 밴드로부터의 성분은 제1 채널로부터 수집되고 제2 주파수 밴드로부터의 성분은 제2채널로부터 수집되는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하는 방법.
  21. 청구항 18에 있어서,
    제 1 전기 신호는 제2 밴드 보다 큰 제1 밴드를 우선적으로 유도하는 펄스 폭과 형상을 가지며; 및 여기서 신호 수신기는 제 1 밴드와 관련된 전기 신호로부터 제2 밴드와 관련된 제2 전기 신호의 성분을 여과(filter)해야 하는 매체에서 압력파를 발생하고 감지하는 방법.
  22. 압전 마이크로 머시닝된 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이의 주파수 응답을 최적화하는 방법에 있어서,
    하나 이상의 공칭 주파수 응답을 달성하기 위하여 복수의 pMUT 소자 패턴닝 마스크 레벨로 특징을 공칭적으로 치수화하는 단계;
    어레이 영역에 걸쳐 하나 이상의 마스크 레벨로 특징의 치수화를 변화시키는 단계, 여기서 특징은 전극과 트랜스듀서 멤브레인의 압전 재료사이의 접촉 영역을 정의하며;
    변화된 치수와 관련하여 측정된 응답으로부터 감도(sensitivity) 매트릭스를 발생하는 단계; 및
    복수의 공칭적으로 치수화된 pMUT 소자 패턴닝 마스크 층을 사용하는 어레이로부터 목표 응답을 달성하는데 필요한 전극과 트랜스듀서 멤브레인의 압전 재료 사이의 접촉 영역을 결정하는 단계를 포함하는 압전 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이의 주파수 응답을 최적화하는 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 특징은 압전 재료와 전극 사이에 배치된 유전체 층으로 윈도우(window)이며, 및 여기서 하나 이상의 마스크 레벨은 상기 윈도우의 임계 치수(critical dimension, CD)를 정의하는 단일 마스크 레벨인 압전 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이의 주파수 응답을 최적화하는 방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 윈도우 CD는 pMUT 어레이의 다른 채널 전체에 걸쳐 변화되는 압전 마이크로머시닝 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이의 주파수 응답을 최적화 방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    각 채널은 복수의 공칭 멤브레인 채널을 포함하며, 여기서 오직 하나의 공칭 멤브레인 크기의 상기 윈도우 CD만이 채널 내에서 변화되는 압전 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이의 주파수 응답을 최적화하는 방법.
  26. 청구항 22에 있어서,
    복수의 공칭적으로 치수화된 pMUT 소자 패터닝 마스크 레벨과 복수의 윈도우 크기를 정의하는 단일 마스크 레벨을 가진 제1 pMUT 어레이를 제조하는 단계를 더 포함하는 압전 마이크로머시닝된 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이의 주파수 응답을 최적화하는 방법.
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