KR20210036389A - 하이브리드 콘택트를 사용하여 초음파 트랜스듀서를 통합하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
하이브리드 콘택트를 갖는 초음파 트랜스듀서 시스템이 본 명세서에서 개시되며, 초음파 트랜스듀서 시스템은, 기판 및 멤브레인을 포함하는 초음파 트랜스듀서 요소; 전기 회로부; 및 초음파 트랜스듀서 요소 및 전기 회로부에 연결된 하나 이상의 콘택트를 포함하고, 하나 이상의 콘택트는, 규칙 세트를 사용하여 기하학적으로 설계되고; 규칙 세트나 제2 규칙 세트, 또는 둘 다에 기초하여 멤브레인에 대해 배열된다.
Description
[관련 출원에 대한 상호 참조]
본 출원은, 2018년 8월 1일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/713,272호의 이익을 청구하며, 이 미국 가특허 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 통합된다.
초음파 트랜스듀서는 일반적으로, 다이어프램(diaphragm), 다이어프램의 배킹(backing)을 형성하는 기판, 및 트랜스듀서로의 그리고 트랜스듀서로부터의 신호 통신을 가능케 하도록 다이어프램을 연결시키는 콘택트를 포함한다.
미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT, micromachined ultrasonic transducer) 어레이는 전기 에너지 도메인과 음향 에너지 도메인 사이의 트랜스듀싱에서의 효율성으로 인해 초음파 분야에서 막대한 기회를 제공한다.
회로와, 예컨대, 애플리케이션 특유 집적 회로(ASIC, application specific integrated circuit)와 통합되는 MUT 칩은, MUT 및 ASIC에 신호를 송신하고 MUT 및 ASIC으로부터 신호를 수신하도록 구성된 전기적 콘택트를 특징으로 포함한다. 또한, 전기적 콘택트는, MUT의 중요한 경계 조건(예컨대, MUT가 MUT 어레이에 부착되는 방식, MUT 어레이가 ASIC에 앵커링되는 방식, 및 MUT가 송신 매체에 연결되는 방식과 같은 기계적 경계 조건)에 영향을 미치는 기계적 스프링으로서의 역할을 하기 때문에, 전기적 콘택트는, MUT 동역학을 좌우하는 데 있어, 2차적이지만 중대한 역할을 할 수 있다. 그러므로, 전기적 콘택트만을 사용하여 ASIC과 통합된 MUT는 MUT를 불안정하게 하고 MUT의 동역학적 성능을 감소시킬 수 있다.
본 개시는, 하이브리드 콘택트를 통한 ASIC으로의 MUT 통합을 가능케 하는 시스템 및 방법을 포함한다. 본 명세서에서의 하이브리드 콘택트는 전기적 연결, 및 비전기적 연결, 예컨대, MUT 동역학을, 예를 들어, MUT의 압력 출력의 크기, 표면 속도, 및 초음파 주파수 대역폭을 향상시키기 위한 목적의 기계적 연결을 가능케 한다. 본 명세서에서의 시스템 및 방법은 MUT의 동역학적 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 그러한 시스템 및 방법은, (1) 추가적인 기계적 콘택트를 MUT에 추가하는 것, (2) (전기적 및/또는 기계적) 콘택트를 배열하는 것, 및 (3) (전기적 및/또는 기계적) 콘택트의 치수 및 형상을 수정하는 것 중 하나 이상을 이용할 수 있다.
한 양상에서, 하이브리드 콘택트를 갖는 초음파 트랜스듀서 시스템이 본 명세서에서 개시되며, 초음파 트랜스듀서 시스템은, 기판 및 멤브레인을 포함하는 초음파 트랜스듀서 요소; 전기 회로부; 및 초음파 트랜스듀서 요소 및 전기 회로부에 연결된 하나 이상의 콘택트를 포함하고, 하나 이상의 콘택트는, 규칙 세트를 사용하여 기하학적으로 설계되고; 규칙 세트나 제2 규칙 세트, 또는 둘 다에 기초하여 멤브레인에 대해 배열된다. 일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서 요소는 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT) 요소이다. 일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서 요소는 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서(pMUT, piezoelectric micromachined ultrasonic transducer) 요소이다. 일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서 시스템은, 제2 기판 및 제2 멤브레인을 포함하는 제2 초음파 트랜스듀서 요소; 제2 전기 회로부; 및 제2 초음파 트랜스듀서 요소 및 제2 전기 회로부에 연결된 하나 이상의 추가적인 콘택트를 더 포함하며, 하나 이상의 추가적인 콘택트는, 선택적으로, 규칙 세트를 사용하여 기하학적으로 설계되고, 하나 이상의 추가적인 콘택트는 규칙 세트 또는 제2 규칙 세트에 기초하여 제2 멤브레인에 대해 배열된다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 초음파 트랜스듀서 요소는 복수의 추가적인 초음파 트랜스듀서 요소와 함께 어레이를 형성한다. 일부 실시예에서, 어레이는 2차원이다. 일부 실시예에서, 어레이는 32x32, 32x64, 32x194, 12x128, 24x128, 32x128, 64x128, 64x32, 또는 64x194이다. 일부 실시예에서, 전기 회로부는 애플리케이션 특유 집적 회로(ASIC)이다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 콘택트는, 하이브리드 콘택트가 아닌 적어도 하나의 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 콘택트는 오직 전기적 콘택트이거나 오직 기계적 콘택트이다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 콘택트는 하이브리드 콘택트이다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 콘택트는 적어도 하나의 전기적 콘택트 및 하나의 기계적 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 콘택트는, 전기적이면서 기계적인 적어도 하나의 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 규칙 세트는 직경의 범위, 높이의 범위, 종횡비의 범위, 및 하나 이상의 콘택트의 하나 이상의 형상, 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예에서, 직경의 범위는 약 5μm 내지 약 100μm이다. 일부 실시예에서, 높이의 범위는 약 0μm 내지 약 300μm이다. 일부 실시예에서, 유효 직경에 대한 높이의 종횡비는 약 60:1보다 더 작다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 형상은, 원통, 고리형 형상, 정육면체 형상, 직육면체 형상, 및 세장형 형상 중 하나 이상의 형상이다. 일부 실시예에서, 제2 규칙 세트는, 멤브레인에 대한 하나 이상의 콘택트의 간격의 범위, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 전기적 콘택트의 최소 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 전기적 콘택트의 최대 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 기계적 콘택트의 최소 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 기계적 콘택트의 최대 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 하이브리드 콘택트의 최소 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 하이브리드 콘택트의 최대 수 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예에서, 간격의 범위는 약 5μm 이상이다. 일부 실시예에서, 전기적 콘택트의 최소 수는 2이다. 일부 실시예에서, 전기적 콘택트의 최대 수는 4이다. 일부 실시예에서, 기계적 콘택트의 최소 수는 2이다. 일부 실시예에서, 기계적 콘택트의 최소 수는 단일 콘택트이다. 일부 실시예에서, 기계적 콘택트의 최대 수는 10이다. 일부 실시예에서, 제2 규칙 세트는, 멤브레인의 축에 대해 대칭이도록 하나 이상의 콘택트를 배열하는 것; 및 멤브레인을 둘러싸도록 하나 이상의 콘택트를 배열하는 것, 또는 이들의 조합을 포함한다.
또 다른 양상에서, 하이브리드 콘택트를 사용하여 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선시키는 방법이 본 명세서에서 개시되며, 방법은, 초음파 트랜스듀서 시스템을 획득하는 단계 - 초음파 트랜스듀서 시스템은, 기판 및 멤브레인을 포함하는 초음파 트랜스듀서 요소; 및 초음파 트랜스듀서 요소에 연결된 전기 회로부를 포함함 - ; 하나 이상의 콘택트를 획득하는 단계 - 하나 이상의 콘택트는, 선택적으로, 규칙 세트를 사용하여 기하학적으로 설계됨 - ; 초음파 트랜스듀서 요소에 하나 이상의 콘택트를 추가하는 단계 - 초음파 트랜스듀서 요소에 하나 이상의 콘택트를 추가하는 단계는, 규칙 세트 또는 제2 규칙 세트에 기초하여 멤브레인에 대해 하나 이상의 콘택트를 배열하는 단계; 및 초음파 트랜스듀서 요소 및 전기 회로부에 하나 이상의 콘택트를 연결하는 단계를 포함함 - 를 포함한다.
또 다른 양상에서, 하이브리드 콘택트를 사용하여 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선시키는 방법이 본 명세서에서 개시되며, 방법은, 초음파 트랜스듀서 시스템을 획득하는 단계 - 초음파 트랜스듀서 시스템은, 기판 및 멤브레인을 포함하는 초음파 트랜스듀서 요소; 및 초음파 트랜스듀서 요소에 연결된 전기 회로부를 포함함 - ; 하나 이상의 콘택트를 획득하는 단계 - 하나 이상의 콘택트는, 선택적으로, 규칙 세트를 사용하여 기하학적으로 설계됨 - ; 초음파 트랜스듀서 시스템에 하나 이상의 콘택트를 추가하는 단계 - 초음파 트랜스듀서 시스템에 하나 이상의 콘택트를 추가하는 단계는, 규칙 세트 또는 제2 규칙 세트에 기초하여 멤브레인에 대해 하나 이상의 콘택트를 배열하는 단계; 및 초음파 트랜스듀서 요소 및 전기 회로부에 하나 이상의 콘택트를 연결하는 단계를 포함함 - 를 포함한다. 일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서 요소는 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT) 요소이다. 일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서 요소는 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서(pMUT) 요소이다. 일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서 시스템은, 제2 기판 및 제2 멤브레인을 포함하는 제2 초음파 트랜스듀서 요소; 제2 전기 회로부; 및 제2 초음파 트랜스듀서 요소 및 제2 전기 회로부에 연결된 하나 이상의 추가적인 콘택트를 더 포함하고, 하나 이상의 추가적인 콘택트는, 선택적으로, 규칙 세트를 사용하여 기하학적으로 설계되고, 하나 이상의 추가적인 콘택트는 규칙 세트 또는 제2 규칙 세트에 기초하여 제2 멤브레인에 대해 배열된다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 초음파 트랜스듀서 요소는 복수의 추가적인 초음파 트랜스듀서 요소와 함께 어레이를 형성한다. 일부 실시예에서, 어레이는 2차원이다. 일부 실시예에서, 어레이는 32x32, 32x64, 32x194, 12x128, 24x128, 32x128, 64x128, 64x32, 또는 64x194이다. 일부 실시예에서, 전기 회로부는 ASIC이다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 콘택트는, 하이브리드 콘택트가 아닌 적어도 하나의 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 콘택트는 오직 전기적 콘택트이거나 오직 기계적 콘택트이다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 콘택트는 하이브리드 콘택트이다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 콘택트는 적어도 하나의 전기적 콘택트 및 하나의 기계적 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 콘택트는, 전기적이면서 기계적인 적어도 하나의 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 규칙 세트는 직경의 범위, 높이의 범위, 종횡비의 범위, 및 하나 이상의 콘택트의 형상, 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예에서, 직경의 범위는 약 5μm 내지 약 100μm이다. 일부 실시예에서, 높이의 범위는 약 0μm 내지 약 300μm이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 약 60:1보다 더 작다. 일부 실시예에서, 형상은, 원통, 고리형 형상, 및 세장형 형상으로부터의 선택되는 하나 이상의 형상이다. 일부 실시예에서, 제2 규칙 세트는, 멤브레인에 대한 하나 이상의 콘택트의 간격의 범위, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 전기적 콘택트의 최소 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 전기적 콘택트의 최대 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 기계적 콘택트의 최소 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 기계적 콘택트의 최대 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 하이브리드 콘택트의 최소 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 하이브리드 콘택트의 최대 수 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예에서, 간격의 범위는 약 5μm 이상이다. 일부 실시예에서, 전기적 콘택트의 최소 수는 2이다. 일부 실시예에서, 전기적 콘택트의 최대 수는 4이다. 일부 실시예에서, 기계적 콘택트의 최소 수는 2이다. 일부 실시예에서, 기계적 콘택트의 최소 수는 단일 콘택트이다. 일부 실시예에서, 기계적 콘택트의 최대 수는 10이다. 일부 실시예에서, 제2 규칙 세트는, 멤브레인의 축에 대해 대칭이도록 하나 이상의 콘택트를 배열하는 것; 멤브레인을 둘러싸도록 하나 이상의 콘택트를 배열하는 것, 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 개시의 오직 예시적인 실시예가 제시 및 설명되는 다음의 상세한 설명으로부터 본 개시의 추가적인 양상 및 장점이 당업자에게 수월하게 명백해질 것이다. 인식될 바와 같이, 본 개시는 다른 실시예 및 상이한 실시예가 가능하며, 그 여러 세부사항은 다양한 명백한 점에서 수정이 가능하고, 그 모두는 본 개시로부터 벗어나지 않는다. 따라서, 도면 및 설명은 사실상 예시적인 것으로서 간주되어야 하며, 제한하는 것으로서 간주되어서는 안 된다.
본 특허 또는 출원 파일은, 컬러로 작성된 적어도 하나의 도면을 포함한다. 요청 및 필요한 수수료의 결제 시, 컬러 도면을 갖는 본 특허 또는 특허 출원 공보의 사본이 청에 의해 제공될 것이다. 예시적인 실시예를 제시하는 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조함으로써 본 주제의 특징 및 장점의 더 나은 이해가 획득될 것이다.
도 1a 내지 도 1b는, 전기적 콘택트(102) 내에 비대칭성을 갖는 전기적 콘택트(명확성의 목적을 위해 ASIC 다이(104)는 이 도면으로부터 제거됨)를 사용하여 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 실시예의 단면도 및 배치도를 각각 도시한다.
도 2는, 대칭적인 경계 조건을 위해 추가된 콘택트를 갖는 하이브리드 콘택트를 사용하여 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 실시예의 배치도를 도시한다.
도 3은, 비대칭적인 콘택트를 갖는 도 1b의 MUT 어레이 내의 중앙 MUT 멤브레인의 예시적인 동적 응답, 및 대칭적인 하이브리드 콘택트를 갖는 도 2의 MUT 어레이 내의 중앙 MUT 멤브레인의 동적 응답을 도시한다.
도 4는 본 명세서의 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 원통형 전기적 및/또는 기계적 콘택트의 예시적인 기하학적 파라미터를 도시한다.
도 5는, 도 2에 도시된 바와 같은 하이브리드 콘택트 배열을 가지며, 60μm 직경 및 6μm, 16μm, 및 40μm의 3개의 상이한 높이의 콘택트를 갖는, 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 성능을 도시한다.
도 6은, 도 2에 도시된 바와 같은 하이브리드 콘택트 배열을 가지며, 6μm, 16μm, 및 40μm의 3개의 상이한 높이에서의 50μm 직경(상단) 및 40μm 직경(하단)의 콘택트를 갖는, 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 성능을 도시한다.
도 7은, 도 1b에서의 하이브리드 콘택트를 사용하며, 추가된 하이브리드 콘택트를 갖는, 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 실시예의 배치도를 도시한다.
도 8은, 도 1b에서의 하이브리드 콘택트를 사용하며, 추가된 하이브리드 콘택트를 갖는, 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 실시예의 배치도를 도시한다.
도 1a 내지 도 1b는, 전기적 콘택트(102) 내에 비대칭성을 갖는 전기적 콘택트(명확성의 목적을 위해 ASIC 다이(104)는 이 도면으로부터 제거됨)를 사용하여 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 실시예의 단면도 및 배치도를 각각 도시한다.
도 2는, 대칭적인 경계 조건을 위해 추가된 콘택트를 갖는 하이브리드 콘택트를 사용하여 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 실시예의 배치도를 도시한다.
도 3은, 비대칭적인 콘택트를 갖는 도 1b의 MUT 어레이 내의 중앙 MUT 멤브레인의 예시적인 동적 응답, 및 대칭적인 하이브리드 콘택트를 갖는 도 2의 MUT 어레이 내의 중앙 MUT 멤브레인의 동적 응답을 도시한다.
도 4는 본 명세서의 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 원통형 전기적 및/또는 기계적 콘택트의 예시적인 기하학적 파라미터를 도시한다.
도 5는, 도 2에 도시된 바와 같은 하이브리드 콘택트 배열을 가지며, 60μm 직경 및 6μm, 16μm, 및 40μm의 3개의 상이한 높이의 콘택트를 갖는, 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 성능을 도시한다.
도 6은, 도 2에 도시된 바와 같은 하이브리드 콘택트 배열을 가지며, 6μm, 16μm, 및 40μm의 3개의 상이한 높이에서의 50μm 직경(상단) 및 40μm 직경(하단)의 콘택트를 갖는, 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 성능을 도시한다.
도 7은, 도 1b에서의 하이브리드 콘택트를 사용하며, 추가된 하이브리드 콘택트를 갖는, 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 실시예의 배치도를 도시한다.
도 8은, 도 1b에서의 하이브리드 콘택트를 사용하며, 추가된 하이브리드 콘택트를 갖는, 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 예시적인 실시예의 배치도를 도시한다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 트랜스듀서는, 하나의 에너지 도메인에서의 물리적 변동을 상이한 도메인에서의 물리적 변동으로 변환하는 디바이스이다. 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT)는, 예컨대, 전기적 변동을 다이어프램의 기계적 진동으로 변환한다. 다이어프램의 이들 진동은, 다이어프램에 인접한 임의의 기체, 액체, 또는 고체 내에 압력파를 초래한다. 반대로, 인접한 매질 내의 압력파는 다이어프램의 기계적 진동을 야기할 수 있다. 이어서 다이어프램 진동은 MUT의 전극 상의 전기적 변동을 초래할 수 있으며, 이는 감지될 수 있다. 압전 MUT(pMUT)의 경우, 압전 필름에 걸친 전기장은 다이어프램 상의 스트레인(strain)을 변화시킬 것이며, 이는 다이어프램이 움직이게 하고 후속적으로 압력파를 생성하게 할 수 있다. 매질로부터 pMUT 상에 작용하는 압력파는, 이어서, 다이어프램을 진동시키고 압전 필름 내에 스트레인을 발생시킬 수 있으며, 이는 pMUT의 전극 상의 전하의 변화를 초래할 수 있다.
특정 실시예에서, 두 에너지 도메인 중 하나가 전기 에너지 도메인인 전기적 트랜스듀서가 본 명세서에서 개시된다. 일부 실시예에서, 전기적 트랜스듀서인 초음파 트랜스듀서가 본 명세서에서 개시된다. 예컨대, 전기 도메인은, pMUT(압전 MUT)가 변환하는 에너지 도메인 중 하나이므로, pMUT는 전기적 트랜스듀서이며, 다른 도메인은 기계 에너지 도메인, 예컨대, 기계적 압력이다.
본 개시는 전기적 트랜스듀서의 동역학적 거동을 변화시키는 방법을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 방법은 전기적 트랜스듀서, 초음파 트랜스듀서, MUT 트랜스듀서, pMUT 트랜스듀서, 또는 임의의 다른 유형의 트랜스듀서에 적용가능하다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 방법은, 정전용량형 트랜스듀서, 압전-저항형 트랜스듀서, 열 트랜스듀서, 광 트랜스듀서, 방사능 트랜스듀서를 포함하지만 이에 제한되지 않는, pMUT 이외의 전기적 트랜스듀서에 적용가능하다. 압전-저항형 압력 트랜스듀서는, 예컨대, 압전-저항 효과를 통해 기계적 압력 변동을 전기적 저항 변동의 변화로 변환한다. 저항 변동은 전기 도메인 내에 있으므로, 압전-저항형 압력 트랜스듀서는 전기적 트랜스듀서로서 적격하다.
특정 정의
다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 용어는, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 단수 형태는, 그 맥락이 분명히 다르게 지시하지 않는 한, 복수의 지시대상을 포함한다. 본 명세서에서의 "또는"에 대한 임의의 언급은, 다르게 진술되지 않는 한, "및/또는"을 망라하도록 의도된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "약"은, 약 10%, 5%, 또는 1% 및 그 증분량만큼, 진술된 양의 근처에 있는 양을 지칭한다.
본 명세서에서의 시스템 및 방법은, ASIC에/으로부터 신호를 송신/수신하기 위한 전기적 콘택트 및 MUT의 동역학적 성능 및 신뢰성을 보장하기 위한 비전기적 콘택트(예컨대, 기계적 콘택트) 둘 다를 특징으로 포함하는, ASIC과 통합된 MUT를 포함한다. 일부 실시예에서, 종래의 칩 설계에서의 콘택트 배열과는 다르게, MUT의 기계적으로 민감한 멤브레인 부분에 가깝게 콘택트가 위치될 수 있으며, 멤브레인은 약 1MHz 내지 약 10MHz의 고주파 대역에서 진동한다. 결과로서, MUT의 동역학적 성능 및 신뢰성을 보장하기 위해 콘택트 설계(예컨대, 콘택트 유형, 위치, 형상, 사이즈 등)는 매우 중요할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 시스템 및 방법은, 단순히 전기 연결성 및 열 사이클 신뢰성을 만족시키기보다는, MUT의 기계적 성능(예컨대, MUT의 멤브레인의 표면 속도, 압력 출력의 크기, 및 초음파 주파수 대역폭)을 향상시키기 위한 방식으로 콘택트를 배열하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 요소를 해당 요소가 부착되는 곳에 연결한다. 일부 실시예에서, 콘택트에 의해 제공되는 그러한 연결은 전기적이거나 비전기적이다. 일부 실시예에서, 그러한 연결은 기계적이다. 일부 실시예에서, 그러한 연결은 오직 기계적이다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 기계적 콘택트이며, 그 위치에 기초하기는 하지만, 콘택트는 동일한 레벨에서 트랜스듀서의 기계적 동작에 영향을 미칠 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 하이브리드 콘택트이며, 예컨대, 전기적이면서 비전기적인 콘택트이다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 그러한 하이브리드 콘택트는 기계적 및 전기적 접촉을 가능케 한다. 일부 실시예에서, 기계적 콘택트는 전기적 콘택트와 같이 전기적 신호를 반송하기 위해 사용될 수 있으며, 따라서 하이브리드 콘택트이다. 일부 실시예에서, 하이브리드 콘택트는, 동시에 또는 상이한 시점에 하나보다 더 많은 유형의 연결을 제공하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 기계적 및 전기적 연결을 동시에 제공하도록 콘택트가 구성될 수 있으며, 미리 결정된 문턱치 조건(예컨대, 위치 문턱치)이 충족되었을 때 전기적 연결을 제공하지만 기계적 연결을 제공하지 않도록 또 다른 콘택트가 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 하이브리드 콘택트 어레이는, 1차원, 2차원, 또는 3차원으로 배열된 하나보다 더 많은 유형의 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 하이브리드 콘택트 어레이는, 1차원, 2차원, 또는 3차원으로 배열된 하나 이상의 하이브리드 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는, 임의의 2개의 상이한 유형의 연결(예컨대, 전기적 연결 및 기계적 연결)을 제공하는 하이브리드 콘택트이다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 전기적이기만 하고(예컨대, 트랜스듀서의 기계적 동작에 기계적 영향을 미치지 않거나 최소한의 기계적 영향을 미침) 그리고/또는 기계적이기만 한 콘택트이다.
MUT와 회로의, 예컨대, MUT와 ASIC의, 종래의 통합된 시스템에서, 전기적 콘택트는 일반적으로 단순한 형상이며, 통상적으로, 정해진 직경 및 높이를 갖는 대략적인 원통 형상이다. MUT와 ASIC의 종래의 통합된 시스템에서, 다이 상의 전기적 콘택트의 위치는 통상적으로 MUT와 ASIC의 전기적 라우팅에 의해 좌우된다. 종래의 통합된 시스템에서는, 전기적 콘택트는 종종 MUT 성능에 대한 고려 없이 열 사이클 신뢰성을 달성하도록 설계되므로(예컨대, 사이즈, 형상, 및 위치 등), 단점이 존재할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 MUT는 MUT 트랜스듀서(본 명세서에서 트랜스듀서 요소로서 상호교환가능함)의 MUT 어레이이며, 각 MUT 트랜스듀서는 기판, 다이어프램(본 명세서에서는 "멤브레인"으로서 상호교환가능함), 및/또는 압전 요소를 갖는다. 일부 실시예에서, 어레이는 2차원이다. MUT 어레이 내에서, 각 MUT 트랜스듀서는 픽셀로서의 역할을 한다. 일부 실시예에서, 어레이 사이즈는 가변적일 수 있고 다양한 응용예에 대해 커스터마이징될 수 있다. 비제한적인 예시적 어레이 사이즈는 32x32, 32x64, 32x194, 12x128, 24x128, 32x128, 64x128, 64x32, 또는 64x194이다(열x행, 또는 행x열).
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 각 픽셀의 사이즈는 가변적이며 다양한 응용예에 대해 커스터마이징될 수 있다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 각 픽셀은, 약 10μm 내지 약 1000μm 또는 10μm 내지 1000μm의 범위 내에 있는 폭(x축) 및/또는 높이(z축)를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 각 픽셀은, 약 20μm 내지 약 600μm, 약 30μm 내지 약 500μm, 약 40 내지 약 400μm, 약 50 내지 약 300μm, 또는 약 50μm 내지 약 250μm의 범위 내에 있는 폭(x축)을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 각 픽셀은, 약 10μm 내지 약 1000μm, 약 20μm 내지 약 950μm, 약 30 내지 약 900μm, 약 40 내지 약 850μm, 또는 약 50μm 내지 약 800μm의 범위 내에 있는 높이를 포함한다. 일부 실시예에서, 픽셀은 x축, y축, z축, 및/또는 3D 공간 내의 임의의 다른 축에 대해 비대칭적이거나 대칭적일 수 있다. 일부 실시예에서, 픽셀은 고도 방향으로 더 높고, 방위각 방향으로 더 좁다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 전기적 콘택트, 기계적 콘택트, 및/또는 하이브리드 콘택트는 하나 이상의 멤브레인에 가까이 있다. 일부 실시예에서, 전기적 콘택트(102) 또는 하이브리드 콘택트(105/106)로부터 멤브레인(101)까지의 최대 또는 최소 거리는 0μm, 1μm, 2μm, 3μm, 4μm, 5μm, 6μm, 7μm, 8μm, 9μm, 또는 10μm보다 더 크다. 일부 실시예에서, 전기적 콘택트 또는 하이브리드 콘택트로부터 멤브레인까지의 최대 또는 최소 거리는 200μm, 180μm, 160μm, 140μm, 120μm, 100μm, 90μm, 80μm, 70μm, 60μm, 50μm, 40μm, 30μm, 20μm, 10μm, 또는 그 미만 및 그 증분량보다 더 작다. 일부 실시예에서, 전기적 콘택트 또는 하이브리드 콘택트로부터 멤브레인까지의 최대 또는 최소 거리는 약 10μm 내지 약 100μm 또는 10μm 내지 100μm의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 전기적 콘택트 또는 하이브리드 콘택트로부터 멤브레인까지의 최대 또는 최소 거리는 약 5μm 내지 약 150μm 또는 5μm 내지 150μm의 범위 내에 있다.
도 1a 내지 도 1b를 참조하면, 특정 실시예에서, MUT와 ASIC의 통합된 시스템은, 복수의 콘택트(102)를 통해 ASIC 다이(104)에 부착 또는 연결된 MUT 다이(100)를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 ASIC 다이(104)는, 인쇄 회로 기판(PCB, printed circuit board)과 같은 다른 회로 요소일 수 있다. 통합된 시스템의 (도 1b의 B-B'에서의) 단면도 및 (도 1a의 A-A'에서의) 배치도가 도 1a 및 도 1b에 각각 도시되어 있다. 이 실시예에서, MUT 다이는, 멤브레인(101) 어레이를 포함하는 트랜스듀서 어레이를 포함한다. 그러한 멤브레인 어레이의 배열(예컨대, 행당 또는 열당 멤브레인의 수, 인접한 멤브레인 사이의 갭 등)은 가변적일 수 있으며, 도 1b는 어레이의 비제한적인 예시적 배열을 도시한다. 이 실시예에서, 콘택트는 전기적 콘택트이다. 일부 실시예에서, 콘택트(102)는, 기계적 콘택트와 같은 추가적인 콘택트를 제공하도록 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 전기적 콘택트(102) 중 하나 이상은, 기계적으로 민감한 MUT 멤브레인(101)에 가까이 있다(예컨대, 약 10μm 내지 약 100μm의 범위 내의 최소 거리를 가짐). 일부 실시예에서, 하나 이상의 전기적 콘택트(102)는, MUT와 ASIC 사이의 임계 계면을 형성하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 전기적 콘택트(102), 및/또는 기계적 콘택트는, MUT 동역학 또는 성능에 대한 중요한 경계 조건으로서의 역할을 하도록 구성된다.
콘택트의 배열 및/또는 추가적인 콘택트의 추가
일부 실시예에서, 예컨대, 도 1a 내지 도 1b에 도시된, 종래의 콘택트 구성에 추가적인 콘택트가 추가된다. 일부 실시예에서, 추가되는 콘택트 각각은 전기적 콘택트, 기계적 콘택트, 또는 하이브리드 콘택트일 수 있다. 일부 실시예에서, 기존의 콘택트 및/또는 추가적인 콘택트(예컨대, 기계적 콘택트)의 위치는, 통합된 MUT 및 ASIC 시스템의 열 안정성, 구조적 강성, 및/또는 동역학적 성능을 향상시키도록 설계된다.
도 2를 참조하면, 특정 실시예에서, 도 1b에 도시된 기존의 비대칭 콘택트 구성에 추가적인 콘택트가 추가된다. 이 실시예에서, 종래의 전기적 콘택트(102) 배열에 기계적 콘택트(105)가 추가되고, 통합된 MUT 및 ASIC 시스템은 콘택트의 대칭적 배치를 포함하여, x-y 평면에서, 선택적으로 x축, y축, 또는 x-y 평면 내의 임의의 다른 축에 대해, 대칭적인 하이브리드 콘택트 어레이를 형성한다. 일부 실시예에서, 대칭적 어레이는 동일한 기하학적 형상의 콘택트의 대칭적 배열을 포함하지만, 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 콘택트는 상이한 유형일 수 있다. 일부 실시예에서, 대칭적 어레이는 콘택트의 대칭적 배열을 포함한다.
도 3은, 도 2의 대칭적 하이브리드 콘택트 배열과 비교한, 도 1b의 비대칭적 콘택트 배열의 표면 속도 대 주파수를 도시한다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 2에서의 대칭적 콘택트 배열은 도 1b에서의 비대칭적 콘택트 배열의 최대 표면 속도보다 훨씬 더 높은 최대 표면 속도를 가능케 한다. 일부 실시예에서, MUT의 장점은, 다른 유형의 초음파 트랜스듀서보다 더 높은 멤브레인의 최대 표면 속도를 제공하도록 구성가능하다는 것이다. 일부 실시예에서, 멤브레인의 최대 표면 속도는, MUT로 달성가능한 최대 압력 출력에 직접적으로 관련되어 있다. 따라서, MUT로 더 높은 최대 표면 속도를 제공하는 것은 이롭고 대단히 바람직하다. 도 3을 참조하면, 도 2에서의 대칭적 하이브리드 콘택트 배열/어레이는 10배보다 더 높은 멤브레인의 최대 표면 속도를 달성할 수 있다. 도 2에 도시된 동일한 실시예에서, 기계적 콘택트는, 멤브레인의 표면 속도와 같은 MUT 동역학을 향상시키는 추가적인 기계적 지지를 제공할 수 있다. 예컨대, 기계적 콘택트는 1차 주파수를 상향 또는 하향 천이시키고, 1차 주파수에 대하여 고조파 주파수를 이동시키고, 이에 의해 디바이스의 인지되는 대역폭에 영향을 미칠 수 있다. 또 다른 예로서, 콘택트는 기계적 감쇠를 증가 또는 감소시키고, 따라서 트랜스듀서의 1차 모드 형상 및 고조파 모드 형상에 대해 트랜스듀서의 대역폭에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다.
일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 가변적이며 특정 애플리케이션에 의존할 수 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 0.01m/초 내지 약 100m/초의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 0.1m/초 내지 약 10m/초의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 2mm/초 내지 약 100m/초의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 5mm/초 내지 약 80m/초의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 5mm/초 내지 약 60m/초의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 6mm/초 내지 약 50m/초의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 6mm/초 내지 약 40m/초의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 6mm/초 내지 약 30m/초의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 8mm/초 내지 약 30m/초의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 8mm/초 내지 약 20m/초의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 8mm/초 내지 약 15m/초의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 최대 표면 속도는 약 10mm/초 내지 약 10m/초의 범위 내에 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 통합된 MUT 및 ASIC 시스템은, 도 2에 도시된 것과는 상이한 대칭적 하이브리드 콘택트 어레이를 포함한다. 그러한 상이한 대칭적 하이브리드 콘택트 어레이는, 종래의 콘택트 어레이에 비하여 MUT 동역학을 개선시키도록 구성된다. 일부 실시예에서, 대칭적 하이브리드 콘택트 어레이는 x축, y축, 또는 MUT 다이(100)의 x-y 평면 내의 임의의 다른 축에 대하여 대칭이다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 대칭적 하이브리드 콘택트 어레이는, x축, y축, 또는 개별 MUT 멤브레인(101)의 x-y 평면 내의 임의의 다른 축에 대해 대칭적으로 위치된 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 대칭성은 콘택트의 사이즈, 형상, 유형, 위치, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예컨대, MUT 멤브레인에 대하여 대칭적으로 위치된 2개의 상이한 콘택트(예컨대, 하나의 하이브리드 콘택트, 하나의 전기적 콘택트)는 그러한 2개의 콘택트의 대칭적인 배열로 간주될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 시스템 및 방법은, 임의의 수의 멤브레인을 갖는 MUT 어레이를 포함한다. 일부 실시예에서, MUT 어레이 내의 멤브레인의 총 수는 1 내지 15,000의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, MUT 어레이 내의 멤브레인의 수는 250 내지 4,200의 범위 내에 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 시스템 및 방법은, 임의의 수의 콘택트 또는 하이브리드 콘택트를 갖는 MUT 어레이를 포함한다. 일부 실시예에서, MUT 어레이 내의 콘택트 또는 하이브리드 콘택트의 수는 2 내지 120,000의 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, MUT 어레이 내의 콘택트 또는 하이브리드 콘택트의 수는 250 내지 8,500의 범위 내에 있다.
하이브리드 콘택트의 설계
일부 실시예에서, 하이브리드 콘택트의 배열은 본 명세서에서의 시스템 및 방법의 유일한 파라미터가 아니다. MUT 성능을 더 최적화하도록 콘택트 자체가 설계될 수 있다. 통상적으로, 콘택트 물질은 통합 기술에 의해 설정될 수 있으며, 따라서 고정된다. 이전에 언급된 바와 같이, 콘택트가 통상적으로 원통형인 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, (z축을 따른) 콘택트 높이 및 직경(x-y 평면)은 최적화를 위한 파라미터일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 규칙 세트, 제2 규칙 세트, 또는 이들의 조합을 사용하여, 주어진 MUT 설계 및 통합 방식에 대해 MUT 성능이 개선 또는 최적화될 수 있다. 제1 규칙 세트는, 각 콘택트에 대하여, 직경의 범위, 높이의 범위, 단면적의 범위, 종횡비의 범위, 하나 이상의 콘택트의 형상, 및 하나 이상의 콘택트의 단면 형상을 포함할 수 있다. 제2 규칙 세트는, 각 콘택트에 대하여, 멤브레인에 대한 하나 이상의 콘택트의 간격의 범위, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 전기적 콘택트의 최소 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 전기적 콘택트의 최대 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 기계적 콘택트의 최소 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 기계적 콘택트의 최대 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 하이브리드 콘택트의 최소 수, 초음파 트랜스듀서 요소 내의 하이브리드 콘택트의 최대 수, 초음파 트랜스듀서 요소와의 최대 접촉 영역, 초음파 트랜스듀서 요소와의 최소 접촉 영역 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 그러한 규칙을 사용하는 것은 MUT 성능을 최적화하도록 도울 수 있다. 예컨대, 콘택트 형상은 원통형으로서 주어질 수 있고, 통합 방식은, 하이브리드 콘택트를 통한 것이도록 제공될 수 있다. 콘택트의 특징을 결정하고 따라서 MUT 성능을 최적화하기 위해 제1 및/또는 제2 규칙 세트의 다른 규칙이, 수동으로, 경험적으로, 자동으로, 또는 머신 러닝 알고리즘을 사용하여 선택될 수 있다.
도 5는, 도 2에 도시된 하이브리드 콘택트 구성의 MUT 멤브레인(101)의 동역학적 성능을 도시한다. 이 특정 실시예에서, 60μm의 동일한 콘택트 직경에 대해, 3개의 상이한 높이 중 가장 높은 높이, 즉, 40μm를 갖는 콘택트가, 6μm 및 16μm의 높이의 콘택트에 비해 가장 좋은 성능을 갖는다. 도 6(상단)에 도시된 바와 같이, 콘택트 직경이 50μm로 조정된다면, 가장 좋은 콘택트 높이는 16μm이다. 도 6(하단)에서와 같이, 40μm의 콘택트 직경에 대해, 가장 좋은 콘택트 높이는 6μm이다.
일부 실시예에서, 최적화된 MUT 성능을 달성하기 위해 본 명세서에서의 콘택트는 원통형 형상 이외의 형상일 수 있다. 3차원 콘택트 형상의 비제한적인 예는 구, 피라미드, 야구공, 스핀들 형상, 정육면체, 직육면체, 사면체, 원뿔, 육각 기둥, 삼각 기둥, 및 도넛 형상의 일부 또는 전체를 포함한다. x-y 평면을 따른 콘택트 형상의 비제한적인 예는 원, 링, 부채, 타원, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 사다리꼴, 마름모, 및 다각형의 일부 또는 전체를 포함한다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는, 가변적일 수 있고 상이한 응용예에 대해 커스터마이징될 수 있는, (z축을 따른) 높이를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 0μm 내지 300μm의 범위 내의 (z축을 따른) 높이를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 0μm 내지 250μm의 범위 내의 높이를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 0μm 내지 200μm의 범위 내의 높이를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 0μm 내지 100μm의 범위 내의 높이를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 1μm 내지 100μm의 범위 내의 높이를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 1μm 내지 80μm의 범위 내의 높이를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 2μm 내지 80μm의 범위 내의 높이를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 2μm 내지 60μm의 범위 내의 높이를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 3μm 내지 60μm의 범위 내의 높이를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 3μm 내지 50μm의 범위 내의 높이를 포함한다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는, 가변적일 수 있고 상이한 응용예에 대해 커스터마이징될 수 있는, (x-y 평면에서의) 직경을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 0μm 내지 300μm의 범위 내의 (x-y 평면에서의) 직경을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 0μm 내지 250μm의 범위 내의 직경을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 4μm 내지 120μm의 범위 내의 직경을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 5μm 내지 100μm의 범위 내의 직경을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 10μm 내지 90μm의 범위 내의 직경을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 15μm 내지 80μm의 범위 내의 직경을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 20μm 내지 80μm의 범위 내의 직경을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 25μm 내지 75μm의 범위 내의 직경을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 25μm 내지 70μm의 범위 내의 직경을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 약 30μm 내지 60μm의 범위 내의 직경을 포함한다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는, 가변적일 수 있고 상이한 응용예에 대해 커스터마이징될 수 있는 종횡비(즉, 높이:직경)를 포함한다. 종횡비의 비제한적인 예는 6:1 미만, 5:1 미만, 4:1 미만, 3:1 미만, 또는 2:1 미만을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 종횡비는 1:1 미만이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 0.9:1 미만이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 0.8:1 미만이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 0.7:1 미만이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 0.6:1 미만이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 0.5:1 미만이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 0.4:1 미만이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 0.3:1 미만이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 1.2:1 미만이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 0.2:1 미만이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 0.8:1 미만이다. 일부 실시예에서, 종횡비는 1.5:1 미만이다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서의 콘택트는 x-y 평면에서의 접촉 영역을 포함한다. 일부 실시예에서, 접촉 영역은 본 명세서에서의 트랜스듀서 요소 및/또는 회로와 접촉한다. 일부 실시예에서, 접촉 영역은, z축에 수직인 단면이다. 일부 실시예에서, 접촉 영역은 30μm 내지 60μm의 범위의 직경의 원과 등가이다.
일부 실시예에서, 접촉 영역은 10μm 내지 100μm의 범위의 직경의 원과 등가이다. 일부 실시예에서, 접촉 영역은 20μm 내지 80μm의 범위의 직경의 원과 등가이다. 일부 실시예에서, 접촉 영역은 30μm 내지 50μm의 범위의 직경의 원과 등가이다. 일부 실시예에서, 접촉 영역은 40μm 내지 60μm의 범위의 직경의 원과 등가이다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 각 픽셀은 하나 이상의 전기적, 기계적, 및/또는 하이브리드 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 각 픽셀은 1개 내지 5개, 1개 내지 4개, 1개 내지 3개, 또는 1개 내지 2개의 전기적 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 각 픽셀은 1개 내지 10개, 1개 내지 8개, 1개 내지 6개, 1개 내지 5개, 1개 내지 4개, 1개 내지 3개, 또는 1개 내지 2개의 기계적 콘택트를 포함한다. 일부 실시예에서, 각 픽셀은 1개 내지 10개, 1개 내지 8개, 1개 내지 6개, 1개 내지 5개, 1개 내지 4개, 1개 내지 3개, 또는 1개 내지 2개의 하이브리드 콘택트를 포함한다.
하이브리드 콘택트의 성형
일부 실시예에서, 하이브리드 콘택트는 균일한 배치 형상이 아닐 수 있다. 그 대신, 일부 실시예에서, 하이브리드 콘택트는, MUT 성능의 개선을 용이하게 하는 다양한 형상을 가질 수 있다. 예로서, 도 7은, (예컨대, x축을 따라서) 더 길고 (예컨대, y축을 따라서) 더 가느다란, 추가된 세장형 콘택트(106)를 도시한다. 콘택트(106)는 하이브리드 콘택트 또는 기계적 콘택트일 수 있다. 이 실시예에서, 그러한 세장형 콘택트는, 큰 고정된 경계 조건을 제공하며, 따라서 MUT 성능을 개선시킨다. 또 다른 예로서, MUT 어레이(100)의 멤브레인(101) 중 하나 이상은, 도 8에 도시된 고리형 하이브리드 콘택트(107)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 이들 실시예에서, 고리형 콘택트 및 세장형 콘택트는 하이브리드 콘택트이다. 일부 실시예에서, 고리형 콘택트 및 세장형 콘택트는 전기적 콘택트 및/또는 기계적 콘택트이다.
전술한 설명에서 특정 실시예 및 예가 제공되었지만, 본 발명의 주제는, 구체적으로 개시된 실시예를 넘어, 다른 대안적인 실시예 및/또는 용도로, 그리고 그 수정예 및 등가물로 연장된다. 따라서, 본 명세서에 첨부된 청구항의 범위는, 아래에 기술되는 특정 실시예 중 임의의 실시예에 의해 제한되지 않는다. 예컨대, 본 명세서에 개시된 임의의 방법 또는 프로세스에서, 방법 또는 프로세스의 행동 또는 동작은 임의의 적합한 시퀀스로 수행될 수 있고, 임의의 특정한 개시된 시퀀스로 반드시 제한되지는 않는다. 이어서, 특정 실시예를 이해하는 데 도움이 될 수 있는 방식으로, 다양한 동작이 다수의 개별적인 동작으로서 차례차례 설명될 수 있으나; 설명의 순서는, 이들 동작이 순서에 의존적이라는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에 설명된 구조, 시스템, 및/또는 디바이스는, 통합된 컴포넌트로서 또는 분리된 컴포넌트로서 실시될 수 있다.
다양한 실시예를 비교하기 위한 목적으로, 이들 실시예의 특정한 양상 및 장점이 설명되어 있다. 임의의 특정 실시예에 의해 모든 그러한 양상 또는 장점이 반드시 달성되는 것은 아니다. 따라서, 예컨대, 본 명세서에 교시되거나 제안되어 있을 수도 있는 다른 양상 또는 장점을 반드시 달성하지는 않으면서도, 본 명세서에 교시된 바와 같은 하나의 장점 또는 장점 그룹을 달성 또는 최적화하는 방식으로 다양한 실시예가 수행될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이 A 및/또는 B는, A와 B 중 하나 이상, 및 A 및 B와 같은 이들의 조합을 망라한다. 다양한 요소, 컴포넌트, 영역, 및/또는 섹션을 기술하기 위해 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 용어가 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이들 요소, 컴포넌트, 영역, 및/또는 섹션은 이들 용어에 의해 제한되어서는 안 된다는 것이 이해될 것이다. 이들 용어는 단지, 하나의 요소, 컴포넌트, 영역, 또는 섹션을 또 다른 요소, 컴포넌트, 영역, 또는 섹션으로부터 구분하기 위해서 사용된다. 따라서, 아래에서 논의되는 제1 요소, 컴포넌트, 영역, 또는 섹션은, 본 개시의 교시로부터 벗어나지 않으면서, 제2 요소, 컴포넌트, 영역, 또는 섹션이라는 용어로 지칭될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어는, 오직 특정 실시예의 설명의 목적을 위한 것이며, 본 개시를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 단수 형태는, 그 맥락이 분명히 다르게 지시하지 않는 한, 그 복수 형태 또한 포함하도록 의도된다. "구비한다" 및/또는 "구비하는", 또는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용될 때, 진술된 특징, 영역, 완전체, 단계, 동작, 요소, 및/또는 컴포넌트의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 영역, 완전체, 단계, 동작, 요소, 컴포넌트, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 불가능하게 하지 않는다는 것이 또한 이해될 것이다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 다르게 진술되지 않는 한, "약" 및 "대략" 또는 "실질적으로"라는 용어는, 실시예에 의존하여, 수치 값의 +/-0.1%, +/-1%, +/-2%, +/-3%, +/-4%, +/-5%, +/-6%, +/-7%, +/-8%, +/-9%, +/-10%, +/-11%, +/-12%, +/-14%, +/-15%, 또는 +/-20% 및 그 증분값 이하의 변동을 지칭한다. 비제한적인 예로서, 약 100미터는, 실시예에 의존하여, 95미터 내지 105미터(100미터의 +/-5%), 90미터 내지 110미터(100미터의 +/-10%), 또는 85미터 내지 115미터(100미터의 +/-15%)의 범위를 나타낸다.
본 발명의 선호되는 실시예가 본 명세서에 제시 및 설명되었지만, 그러한 실시예는 오직 예로서 제공된다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 명세서 내에 제공된 특정한 예에 의해 본 발명이 제한되도록 의도되지 않는다. 전술한 명세를 참조하여 본 발명이 설명되었지만, 본 명세서에서의 실시예의 설명 및 예시는, 제한하는 의미로 해석되도록 의도되지 않는다. 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 다수의 변형, 변경, 및 대체가 이제 당업자에게 떠오를 것이다. 또한, 본 발명의 모든 양상은, 본 명세서에 제시된 구체적인 묘사, 구성, 또는 상대적인 비율로 제한되지 않으며 이들은 다양한 조건 및 변수에 의존한다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명을 실시하는 데 있어, 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대안이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 임의의 그러한 대안, 수정, 변형, 또는 등가물을 또한 커버해야 한다는 것이 고려된다. 다음의 청구항은 본 발명의 범위를 규정하고 이들 청구항의 범위 내의 방법 및 구조와 그 등가물은 이들 청구항에 의해 커버되도록 의도된다.
Claims (50)
- 하이브리드 콘택트를 갖는 초음파 트랜스듀서 시스템에 있어서,
a) 기판 및 멤브레인을 포함하는 초음파 트랜스듀서 요소;
b) 전기 회로부; 및
c) 상기 초음파 트랜스듀서 요소 및 상기 전기 회로부에 연결된 하나 이상의 콘택트 - 상기 하나 이상의 콘택트는, 규칙 세트를 사용하여 기하학적으로 설계되고; 상기 규칙 세트나 제2 규칙 세트, 또는 상기 규칙 세트와 상기 제2 규칙 세트 둘 다에 기초하여 상기 멤브레인에 대해 배열됨 -
를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 초음파 트랜스듀서 요소는 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT, micromachined ultrasonic transducer) 요소인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 초음파 트랜스듀서 요소는 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서(pMUT, piezoelectric micromachined ultrasonic transducer) 요소인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제1항에 있어서,
a) 제2 기판 및 제2 멤브레인을 포함하는 제2 초음파 트랜스듀서 요소;
b) 제2 전기 회로부; 및
c) 상기 제2 초음파 트랜스듀서 요소 및 상기 제2 전기 회로부에 연결된 하나 이상의 추가적인 콘택트 - 상기 하나 이상의 추가적인 콘택트는, 선택적으로, 상기 규칙 세트를 사용하여 기하학적으로 설계되고, 상기 하나 이상의 추가적인 콘택트는 상기 규칙 세트 또는 상기 제2 규칙 세트에 기초하여 상기 제2 멤브레인에 대해 배열됨 -
를 더 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템. - 제4항에 있어서, 제1 초음파 트랜스듀서 요소 및 상기 제2 초음파 트랜스듀서 요소는 복수의 추가적인 초음파 트랜스듀서 요소와 함께 어레이를 형성하는, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 어레이는 2차원인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 어레이는 32x32, 32x64, 32x194, 12x128, 24x128, 32x128, 64x128, 64x32, 또는 64x194인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 전기 회로부는 애플리케이션 특유 집적 회로(ASIC, application specific integrated circuit)인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 콘택트는, 하이브리드 콘택트가 아닌 적어도 하나의 콘택트를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 콘택트는 오직 전기적 콘택트이거나 오직 기계적 콘택트인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 콘택트는 하이브리드 콘택트인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 하나 이상의 콘택트는 적어도 하나의 전기적 콘택트 및 하나의 기계적 콘택트를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 하나 이상의 콘택트는, 전기적이면서 기계적인 적어도 하나의 콘택트를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 규칙 세트는 직경의 범위, 높이의 범위, 종횡비의 범위, 및 상기 하나 이상의 콘택트의 하나 이상의 형상, 중 하나 이상을 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제14항에 있어서, 상기 직경의 범위는 약 5μm 내지 약 100μm인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제14항에 있어서, 상기 높이의 범위는 약 0μm 내지 약 300μm인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제14항에 있어서, 유효 직경에 대한 높이의 상기 종횡비는 약 60:1보다 더 작은, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 형상은, 원통, 고리형 형상, 정육면체 형상, 직육면체 형상, 및 세장형 형상 중 하나 이상의 형상인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 규칙 세트는, 상기 멤브레인에 대한 상기 하나 이상의 콘택트의 간격의 범위, 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 전기적 콘택트의 최소 수, 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 전기적 콘택트의 최대 수, 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 기계적 콘택트의 최소 수, 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 기계적 콘택트의 최대 수, 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 하이브리드 콘택트의 최소 수, 및 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 하이브리드 콘택트의 최대 수 중 하나 이상을 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 간격의 범위는 약 5μm 이상인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 전기적 콘택트의 최소 수는 2인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 전기적 콘택트의 최대 수는 4인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 기계적 콘택트의 최소 수는 2인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 기계적 콘택트의 최대 수는 10인, 초음파 트랜스듀서 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 제2 규칙 세트는,
a) 상기 멤브레인의 축에 대해 대칭이도록 상기 하나 이상의 콘택트를 배열하는 것; 및
b) 상기 멤브레인을 둘러싸도록 상기 하나 이상의 콘택트를 배열하는 것,
또는 이들의 조합을 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템. - 하이브리드 콘택트를 사용하여 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법에 있어서,
a) 초음파 트랜스듀서 시스템을 획득하는 단계 - 상기 초음파 트랜스듀서 시스템은,
기판 및 멤브레인을 포함하는 초음파 트랜스듀서 요소; 및
상기 초음파 트랜스듀서 요소에 연결된 전기 회로부
를 포함함 - ;
b) 하나 이상의 콘택트를 획득하는 단계 - 상기 하나 이상의 콘택트는, 선택적으로, 규칙 세트를 사용하여 기하학적으로 설계됨 - ; 및
c) 상기 초음파 트랜스듀서 시스템에 상기 하나 이상의 콘택트를 추가하는 단계 - 상기 초음파 트랜스듀서 시스템에 상기 하나 이상의 콘택트를 추가하는 단계는,
상기 규칙 세트 또는 제2 규칙 세트에 기초하여 상기 멤브레인에 대해 상기 하나 이상의 콘택트를 배열하는 단계; 및
상기 초음파 트랜스듀서 요소 및 상기 전기 회로부에 상기 하나 이상의 콘택트를 연결하는 단계
를 포함함 - ;
를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법. - 제26항에 있어서, 상기 초음파 트랜스듀서 요소는 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT) 요소인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 초음파 트랜스듀서 요소는 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서(pMUT) 요소인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 초음파 트랜스듀서 시스템은, 제2 기판 및 제2 멤브레인을 포함하는 제2 초음파 트랜스듀서 요소; 제2 전기 회로부; 및 상기 제2 초음파 트랜스듀서 요소 및 상기 제2 전기 회로부에 연결된 하나 이상의 추가적인 콘택트를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 추가적인 콘택트는, 선택적으로, 상기 규칙 세트를 사용하여 기하학적으로 설계되고, 상기 하나 이상의 추가적인 콘택트는 상기 규칙 세트 또는 상기 제2 규칙 세트에 기초하여 상기 제2 멤브레인에 대해 배열되는, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제29항에 있어서, 제1 초음파 트랜스듀서 요소 및 상기 제2 초음파 트랜스듀서 요소는 복수의 추가적인 초음파 트랜스듀서 요소와 함께 어레이를 형성하는, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 어레이는 2차원인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 어레이는 32x32, 32x64, 32x194, 12x128, 24x128, 32x128, 64x128, 64x32, 또는 64x194인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 전기 회로부는 ASIC인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 하나 이상의 콘택트는, 하이브리드 콘택트가 아닌 적어도 하나의 콘택트를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제34항에 있어서, 상기 하나 이상의 콘택트는 오직 전기적 콘택트이거나 오직 기계적 콘택트인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 하나 이상의 콘택트는 하이브리드 콘택트인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제36항에 있어서, 상기 하나 이상의 콘택트는 적어도 하나의 전기적 콘택트 및 하나의 기계적 콘택트를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제36항에 있어서, 상기 하나 이상의 콘택트는, 전기적이면서 기계적인 적어도 하나의 콘택트를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 규칙 세트는 직경의 범위, 높이의 범위, 종횡비의 범위, 및 상기 하나 이상의 콘택트의 형상, 중 하나 이상을 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제39항에 있어서, 상기 직경의 범위는 약 5μm 내지 약 100μm인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제39항에 있어서, 상기 높이의 범위는 약 0μm 내지 약 300μm인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제39항에 있어서, 유효 직경에 대한 높이의 상기 종횡비는 약 60:1보다 더 작은, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제39항에 있어서, 상기 형상은, 원통, 고리형 형상, 및 세장형 형상으로부터의 선택되는 하나 이상의 형상인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 제2 규칙 세트는, 상기 멤브레인에 대한 상기 하나 이상의 콘택트의 간격의 범위, 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 전기적 콘택트의 최소 수, 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 전기적 콘택트의 최대 수, 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 기계적 콘택트의 최소 수, 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 기계적 콘택트의 최대 수, 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 하이브리드 콘택트의 최소 수, 및 상기 초음파 트랜스듀서 요소 내의 하이브리드 콘택트의 최대 수 중 하나 이상을 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제44항에 있어서, 상기 간격의 범위는 약 5μm 이상인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제44항에 있어서, 상기 전기적 콘택트의 최소 수는 2인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제44항에 있어서, 상기 전기적 콘택트의 최대 수는 4인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제44항에 있어서, 상기 기계적 콘택트의 최소 수는 2인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제44항에 있어서, 상기 기계적 콘택트의 최대 수는 10인, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
- 제44항에 있어서, 상기 제2 규칙 세트는,
a) 상기 멤브레인의 축에 대해 대칭이도록 상기 하나 이상의 콘택트를 배열하는 것; 및
b) 상기 멤브레인을 둘러싸도록 상기 하나 이상의 콘택트를 배열하는 것,
또는 이들의 조합을 포함하는, 초음파 트랜스듀서 시스템의 성능을 개선하는 방법.
Applications Claiming Priority (3)
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