KR20210114497A - 초음파 이미징 시스템용 합성 렌즈 - Google Patents
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Abstract
복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들을 포함하는 초음파 이미저; 및 복수의 트랜스듀서 요소들에 전자적으로 연결된 하나 이상의 회로부 - 하나 이상의 회로부는: 초음파 트랜스듀서에 대한 펄스 전송 및 반사된 신호의 수신; 및 초음파 트랜스듀서의 제어 - 초음파 트랜스듀서의 제어는 초음파 빔을 고도 방향에서 집속시키는 것을 포함함 - 를 가능하게 하도록 구성됨 - 을 포함하는 초음파 트랜스듀서 시스템들이 본 명세서에서 개시된다.
Description
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2019년 1월 15일자로 출원된 미국 출원 제62/792,821호의 이익을 주장하며, 이 미국 출원은 이로써 그 전체가 참고로 포함된다.
초음파 이미징의 경우, 트랜스듀서가 이미징될 타깃을 향해 초음파 빔을 전송하는 데 사용되고 반사된 파형이 트랜스듀서에 의해 수신되며 수신된 파형은 전기 신호로 변환되고 추가의 신호 프로세싱에 의해 초음파 이미지가 생성된다. 종래에는, 2차원(2D) 이미징의 경우, 초음파 트랜스듀서는 초음파 빔을 방출하기 위한 1차원(1D) 트랜시버 어레이를 포함한다. 어레이 위에 위치한 기계식 렌즈는 초음파 파형을 고도 평면에서 집속시킨다. 일단 제작되면, 어레이와 기계식 렌즈의 구조적 특성들, 따라서 대응하는 기능적 특성들이 변경될 수 없다.
압전 센서가 20년 이상 동안 의료 이미징에 사용되어 왔다. 이들은 전형적으로 벌크 압전 필름들을 사용하여 제작된다. 이러한 필름들은 방위각 방향에서 열들을 따라 배열되는 압전 요소들을 형성한다. 각각의 열은 전송 구동기들에 의해 구동될 수 있다. 연속적인 열들에서의 상이한 시간 지연들을 사용하여, 전송된 빔들을 방위각 방향에서 집속시키는 것이 가능할 수 있다.
압전 요소 어레이의 고도 배치(elevation disposition)는 어레이의 빔이 고도 평면에서 좁은 빔으로 전자적으로 집속되는 것을 가능하게 할 수 있다. 트랜시버 어레이의 단일 압전 요소 행은 2D 초음파 이미지의 고도 또는 두께 차원에서의 전자적 집속(electronic focusing)을 가능하게 하지 않는다. 전통적인 2D 초음파 이미지는 고도 방향에서 약간의 두께를 가지면서 방위각 평면에 있다(즉, 빔을 얇은 이미지 슬라이스로 제한하기 위한 종래의 기술은, 이 차원에서 압전 요소들을 컨투어링하는 것 또는 각각의 요소를 렌즈화하는 것에 의해, 이 횡방향 또는 고도 차원에서 빔을 기계적으로 집속시키는 것이다). 보다 최근에는, 이 차원에서 요소들의 압전 특성들을 제어하는 것에 의해 고도 집속이 달성될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 음영된 분극(shaded polarization)으로 알려진 이 기술에서는, 압전 요소들이 중심에서 가장 강하게 분극되고 고도 방향에서 요소의 각각의 단부를 향해 보다 적은 정도로 분극되도록 압전 요소들의 분극을 테이퍼지게(taper) 하기 위해 강하고 그라데이션된(gradated) 전기장이 각각의 요소에 균일하게 인가된다. 이 기술은 각각의 압전 요소의 음향 투과율을 어레이의 종방향 중심선을 따라 보다 크도록 그리고 각각의 고도 측면을 향해 보다 작도록 정형할 수 있다. 이 기술의 중요한 단점은 분극 음영(polarization shading)의 크기와 구배를 정확하게 제어하기 어렵다는 것이다. 고도 초점을 달성하기 위해 어레이의 일부에 대해 보다 작은 전압 구동이 사용될 수 있지만 단점들을 갖는 다른 기존의 기술들. 예를 들어, 미국 특허 2005/0075572 A1은 고도 초점을 보조하기 위해 기계식 렌즈를 사용한다.
다른 방법들은 트랜스듀서들을 다수의 행으로 구성할 수 있다. 예를 들어, 1.5차원(1.5D), 1.75차원(1.75D) 트랜스듀서들은, 여러 번의 전송 및 수신을 사용하고, 예를 들어, 듀얼 스테이지 빔포머들을 사용하여 수신 빔 포밍을 수행하여, 고도 초점에 대한 얼마간의 제어를 가능하게 할 수 있다. 그렇지만, 이러한 방법들은 여러 번의 전송 및 수신을 필요로 하는 것으로 인해 제한된 정도의 고도 초점 및 이미지의 감소된 프레임 레이트를 가능하게 할 수 있을 뿐이다. 게다가, 추가적인 계산들이 요구될 수 있고, 따라서 전력 및 비용을 증가시킬 수 있으며 이는 일반적으로 배터리로 구동되는 저가의 휴대용 디바이스들에서 바람직하지 않다.
일 양태에서, 초음파 이미징 시스템이 본 명세서에서 개시되며, 이 시스템은: a) 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들을 포함하는 초음파 트랜스듀서 - 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 각각은 2개 이상의 단자들을 가짐 -; 및 b) 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들에 연결된 하나 이상의 회로부 - 하나 이상의 회로부는 i) 초음파 트랜스듀서로부터의 초음파 펄스 전송; ii) 반사된 초음파 신호를 초음파 트랜스듀서에서 수신하는 것; 및 iii) 초음파 펄스 또는 반사된 초음파 신호를 고도 방향에서 집속시키도록 구성된 전자적 제어를 가능하게 하도록 전자적으로 구성됨 - 을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 트랜스듀서 요소들은 트랜스듀서 요소 어레이를 포함한다. 일부 실시예들에서, 어레이는 2차원이다. 일부 실시예들에서, 어레이는 직사각형, 정사각형, 환형, 타원형, 포물선형, 나선형, 또는 임의의 형상 중에서 선택된 형상을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 트랜스듀서 요소들은 하나 이상의 행 및 하나 이상의 열로 배열된다. 일부 실시예들에서, 열에 있는 각각의 트랜스듀서 요소는 하나 이상의 회로부에 의해 생성되는 다중 레벨 펄스에 의해 구동된다. 일부 실시예들에서, 열에 있는 각각의 트랜스듀서 요소는 하나 이상의 회로부에 의해 생성되는 다중 레벨 펄스 시퀀스에 의해 구동된다. 일부 실시예들에서, 다중 레벨 펄스의 펄스 크기, 폭, 형상, 펄스 주파수, 또는 이들의 조합들은 전기적으로 프로그래밍 가능하다. 일부 실시예들에서, 펄스 개시(pulse onset)의 지연은 전기적으로 프로그래밍 가능하다. 일부 실시예들에서, 펄스 시퀀스 내의 펄스들 중 하나 이상은 전기적으로 프로그래밍 가능하다. 일부 실시예들에서, 다중 레벨 펄스의 형상은 사인파형, 디지털 정사각형(digital square) 또는 임의적이다. 일부 실시예들에서, 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소의 제1 단자는 하나 이상의 회로부에 연결되고 제2 및 선택적으로 추가적인 단자는 바이어스 전압에 연결된다. 일부 실시예들에서, 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소는 그의 상이한 부분들에서 2 개의 방향에서 폴링(poling)되며, 여기서 분극의 강도는 행에서의 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상 요소들의 위치에 따라 달라지고, 여기서 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소 각각은 적어도 3 개의 단자를 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소는 단지 하나의 방향에서 폴링되고, 여기서 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소 각각은 단지 2 개의 단자를 포함한다. 일부 실시예들에서, 폴링 강도는 중앙 열들에 대해 보다 강하고 외측 열들에 대해 보다 약하며, 이에 의해 고도 방향에서 아포다이제이션(apodization)을 생성한다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 회로부는 전송 구동기 회로, 수신 증폭기 회로, 및 제어 회로 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전송 구동기 회로는 열에 있는 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소를 구동하도록 구성되고 전송 채널로부터의 신호들에 의해 구동되며, 여기서 전송 채널의 신호들은 상이한 열들에 있는 다른 pMUT 트랜스듀서 요소들을 구동하는 다른 전송 채널들에 적용되는 지연에 상대적으로 전자적으로 지연된다. 일부 실시예들에서, 열에 있는 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소는 실질적으로 동일한 지연 또는 상이한 지연들을 두고 동작한다. 일부 실시예들에서, 제어는 실시간이다. 일부 실시예들에서, 복수의 트랜스듀서 요소들 각각은 제1 리드 및 제2 리드를 포함하고, 제1 리드는 하나 이상의 회로부에 전자적으로 연결되고 제2 리드는 복수의 트랜스듀서 요소들의 다른 트랜스듀서 요소들의 대응하는 리드들에 연결된다. 일부 실시예들에서, 초음파 이미징 시스템은 복수의 트랜스듀서 요소들 위에 위치된 외부 렌즈 - 외부 렌즈는 고도 방향에서 추가적인 초점을 제공하도록 구성됨 - 를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 제어 회로는 동일한 열에 위치한 트랜스듀서 요소들에 대한 구동 펄스들 사이의 상대 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 전송 채널 및 추가적인 전송 채널들은 인접한 열들 사이의 상대 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성되고, 여기서 제어 회로는, 동일한 행에 있는 제1 개수의 트랜스듀서 요소들이 시작 행의 제2 개수의 트랜스듀서 요소들과 실질적으로 유사한 상대 지연을 공유하도록, 열에 있는 제1 개수의 트랜스듀서 요소들에 대한 상대 지연들을 설정하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 전송 채널 및 추가적인 전송 채널들은 인접한 열들 사이의 상대 지연들을 전자적으로 제어하도록 구성되고, 여기서 제어 회로는, 동일한 행에 있는 제1 개수의 트랜스듀서 요소들이 다른 열들에 대한 동일한 행에 있는 제2 개수의 트랜스듀서 요소들과 비교하여 독립적인 지연들을 갖도록, 열에 있는 트랜스듀서 요소들에 대한 상대 지연들을 설정하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제어 회로는 열의 중앙 행에 있는 트랜스듀서 요소에 대해 대칭이도록 열의 상대 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제어 회로는 상대 지연들을 열에서 선형적으로 증가하도록 전기적으로 제어하여 이에 의해 초음파 빔을 고도 방향에서 스티어링하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제어 회로는 상대 지연들을 전기적으로 제어하여 이에 의해 고도 방향에서 슬라이스 두께를 제어하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 복수의 트랜스듀서 요소들은 상부 섹션, 중앙 섹션, 및 하부 섹션을 포함하고, 이들 각각은 펄스 전송 및 반사된 초음파 신호의 수신을 위한 다수의 행들 및 다수의 열들을 포함하고, 여기서 섹션들로부터의 펄스 전송 및 반사된 초음파 신호의 수신은 반사된 초음파 신호를 제1 빔포머를 사용하여 방위각 방향에서 집속시키기 위해 사용되며, 여기서 고도 초점은 제2 빔포머를 사용하여 달성된다. 일부 실시예들에서, 섹션들으로부터의 스캔 라인들은 후속 열들의 스캔들을 진행하기 전에 전체 열의 스캔을 완료하는 것에 의해 이미징되는 타깃에서의 이동 오차들을 최소화하도록 동기화된다. 일부 실시예들에서, 고도 방향에서의 초점 거리는 전자적으로 프로그래밍된다. 일부 실시예들에서, 상부 섹션 및 하부 섹션의 펄스 전송과 반사된 신호의 수신은 동시에 수행된다. 일부 실시예들에서, 스캔 라인들을 전개시키기 위해 병렬 빔포밍을 수행하는 것에 의해 이미징되는 타깃에서의 이동 오차들이 최소화된다. 일부 실시예들에서, 고도 초점 및 고도 아포다이제이션은 이동 오차들을 최소화하기 위해 전자적으로 수행된다. 일부 실시예들에서, 다중 레벨 펄스는 외측 행들에 대해 보다 낮은 진폭 구동들을 사용하고 중앙 행들에 대해 보다 높은 진폭 구동들을 사용하는 것에 의해 전자적으로 아포다이제이션을 구현하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, 상부 섹션, 중앙 섹션, 또는 하부 섹션은 펄스 전송 및 반사된 신호의 수신을 위한 다수의 행들 및 열들을 각각 포함하는 하나 초과의 서브섹션들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 트랜스듀서 요소들은 5 개의 섹션을 포함하며, 여기서 방위각으로 집속되는 빔들을 전송 및 수신하는 2 개의 외측 섹션 다음에 방위각으로 집속되는 빔들을 전송 및 수신하는 2 개의 내측 섹션 및 방위각으로 집속되는 빔들을 전송 및 수신하고 제1 레벨 빔포머를 사용하여 스캔 라인들을 형성하며 제2 레벨 빔포머를 사용하여 고도 초점을 달성하는 중앙 섹션이 뒤따른다. 일부 실시예들에서, 아포다이제이션은 전자적으로 고도 방향에서 구현된다. 일부 실시예들에서, 초음파 트랜스듀서는 기계식 렌즈에서의 손실에 의해 야기되는 신호 손실에 의해 실질적으로 제한되지 않는 대역폭을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 2 개의 요소가 함께 어드레싱되고, 2 개의 요소는 하나 이상의 행 중 동일한 행에서 인접하며, 여기서 복수의 트랜스듀서 요소들은 상부 섹션, 중앙 섹션 및 하부 섹션을 포함하고, 이들 각각은 초음파 펄스 전송 및 반사된 초음파 신호의 수신을 위한 제1 개수의 행들 및 제2 개수의 열들을 포함하며, 여기서 섹션들로부터의 초음파 펄스 전송 및 반사된 초음파 신호의 수신은 반사된 초음파 신호를 제1 빔포머를 사용하여 방위각 방향에서 집속시키기 위해 사용되며, 여기서 고도 초점은 제2 빔포머를 사용하여 달성되고, 여기서, B 모드를 사용하는 이미징의 경우, 수신 채널은 동일한 행에 있는 효과적으로 결합된 2 개의 트랜스듀서 요소에 할당되며, 여기서 2 개의 요소는 이제 1 개의 유효 요소로서 작용하고 이 결합된 요소들을 포함하는 상부 및 하부로부터의 행들의 일 부분은 함께 연결되고, 다른 채널은, 몇 개의 행으로 구성된, 중앙 섹션의 2개의 트랜스듀서 요소에 할당된다. 일부 실시예들에서, 2N 개의 수신 채널이 N 개의 열을 어드레싱하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, 복수의 트랜스듀서 요소들 모두는 전송 동작에서 고도 초점으로 압력을 생성하도록 작동되고, 여기서 수신 동작에서, 복수의 트랜스듀서 요소들 모두는 방위각 방향에서 고도 평면에서 집속하는 것으로 이미지를 재구성하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, 전송 아포다이제이션은 고도 평면에서 사용된다. 일부 실시예들에서, 고도 초점은 동적이며 고도 평면에서 스티어링된다. 일부 실시예들에서, 기계식 렌즈가 사용되지 않는다. 일부 실시예들에서, pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상은 동시적인 전송 및 수신 동작들을 위해 구성 가능한 다수의 서브요소들을 포함한다. 일부 실시예들에서, pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상은 다수의 서브요소들을 포함하고 여기서 다수의 서브요소들은 상이한 공진 주파수 응답들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 각각은 적어도 2 개의 단자를 갖는다. 일부 실시예들에서, 제어 회로는 열에 있는 트랜스듀서 요소들에 대한 상대 지연들을 결정하도록 구성되고, 여기서 제어 회로는 대략적인 지연(coarse delay)을 설정하도록 구성된 대략 지연 회로 및 미세한 지연(fine delay)을 설정하도록 구성된 미세 지연 회로를 포함한다. 일부 실시예들에서, 빔 스티어링은 대략 지연 회로를 사용하여 달성되고 고도 초점은 미세 지연 회로를 사용하여 달성된다. 일부 실시예들에서, 열에 대한 미세한 지연은 다른 열들에서의 미세한 지연들과 무관하다. 일부 실시예들에서, 제어 회로는 상대 지연들을 열에서 구분적으로 선형으로 증가하거나 감소하도록 전기적으로 제어하도록 구성되고, 여기서 구분적 선형 지연 세그먼트들의 개수는 2 이상의 정수이다. 일부 실시예들에서, 제어 회로는 ASIC 상에 구현된다. 일부 실시예들에서, 제어 회로는 열을 따라 상대 지연들을 선형 지연과 임의의 미세한 지연의 합이도록 전기적으로 제어하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 열의 선형 지연 및 임의의 미세한 지연들은 초음파 트랜스듀서의 다른 열들의 다른 선형 지연 및 임의의 미세한 지연들과 독립적이며, 이에 의해 3차원에서 임의의 스티어링 및 집속을 가능하게 한다. 일부 실시예들에서, 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 각각은 복수의 진동 모드들을 나타내며, 여기서 입력 자극이 하나 또는 단지 하나의 진동 모드에 인접해 있는 복수의 진동 모드들 중 다른 것들의 주파수들보다 작도록 대역 제한될 때 상기 하나 또는 단지 하나의 진동 모드가 트리거된다. 일부 실시예들에서, 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 각각은 복수의 진동 모드들을 나타내고, 여기서 복수의 진동 모드들 중 제1 진동 모드로부터 생성되는 주파수들은 제2 복수의 진동 모드들로부터의 주파수들과 중첩된다. 일부 실시예들에서, 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 각각은 복수의 진동 모드들의 중심 주파수들을 포함하는 광대역 주파수 입력에 의해 구동될 때 복수의 진동 모드들을 동시에 나타낸다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 회로부는 고도 방향에서 아포다이제이션의 전자적 제어를 가능하게 하도록 전자적으로 구성된다. 일부 실시예들에서, 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 각각은 동일한 반도체 웨이퍼 기판 상에 제조되고 그에 아주 근접한 감지, 구동 및 제어 회로부에 연결된다.
일부 실시예들에서, 하나 이상의 회로부는 하나의 동작에서 방위각 평면에서 B 모드 이미징을 전개하도록 전자적으로 구성되며 - 전송 빔포머로부터의 지연들이 방위각 방향에서 선택된 요소들에 적용됨 -, 직교 평면에서 B 모드 이미징을 전개하도록 더 구성되며, 합성 개구 조합 기술을 사용하여 2 개의 직교 축에 형성되는 바이플레인(biplane) 이미지들을 디스플레이하기 위해 후속 동작에서 전송 빔포머를 사용하여 고도 방향에서의 지연들을 조정하는 것에 의해, 직교 평면에서 B 모드 이미징을 전개하도록 더 구성된다. 일부 실시예들에서, 방위각 평면에서 이미징할 때, 고도 초점은 열에 있는 요소들에서의 추가적인 지연들을 가산하는 것 및, 고도 평면 상에 이미지들을 형성할 때, 행들에 있는 요소들에서의 방위각 축 상에서의 추가적인 지연들을 가산하여 방위각 평면에서의 추가적인 초점을 가능하게 하는 것에 의해 달성된다.
다른 양태에서, 본 명세서에서의 초음파 이미징 시스템을 사용하여 3D 이미징을 수행하는 방법들이 본 명세서에서 개시되며, 이 방법은 a) 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들에 의해 초음파 펄스를 전송하는 단계 - 이 단계는: 동일한 열에 있는 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 초과에 적용되는 제2 복수의 지연들에 의해 제어되는 고도 방향에서의 특정 스티어링 각도로 전송들의 세트에 대한 방위각 방향에서의 제1 복수의 지연들을 적용하는 단계; 및 a)의 각각의 반복에 대해 고도 방향에서의 추가적인 스티어링 각도로 미리 결정된 횟수 동안 a)를 반복하는 단계를 포함함 -; 반사된 초음파 신호를 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들에 의해 수신하는 단계; 및 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들로부터의 수신된 반사된 초음파 신호를 이용하여 이미지를 재구성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 복수의 지연들 내의 지연들은 크기가 동일하고 제2 복수의 지연들 내의 지연들은 크기가 동일하다. 일부 실시예들에서, 제1 복수의 지연들을 적용하는 단계는: a) 방위각을 따라 제1 복수의 지연들 내의 하나 이상의 지연의 크기를 변화시키는 것에 의해 방위각 평면에서 집속시키는 단계; 및 특정 열을 따라 있는 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 초과에 대한 제2 복수의 지연들 내의 하나 이상의 지연의 크기를 변화시키는 것에 의해 고도 방향에서 빔을 집속시키거나 스티어링하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 전송들의 세트는 특정 초점을 갖는다. 일부 실시예들에서, 이미지는 3차원이고 체적을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 제1 복수의 지연들 내의 지연들은 크기가 모두 동일한 것은 아니며 제2 복수의 지연들 내의 지연들은 크기가 모두 동일한 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 미리 결정된 횟수는 100 회 미만이다. 일부 실시예들에서, 미리 결정된 횟수는 1000 회 초과이다.
참조에 의한 포함
본 명세서에서 언급된 모든 간행물들, 특허들, 및 특허 출원들은 각각의 개별 간행물, 특허, 또는 특허 출원이 참조에 의해 포함되는 것으로 특정하여 그리고 개별적으로 지시된 경우와 동일한 정도로 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
예시적인 실시예들을 기재하는 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면들을 참조하여 본 주제의 특징들 및 장점들에 대한 보다 나은 이해가 얻어질 것이다.
도 1은, pMUT 어레이가 이미징될 타깃으로 지향된 상태로, 초음파 빔을 전송 및 수신하는 데 사용되는 pMUT 어레이를 가진 트랜스듀서, pMUT 어레이를 제어하는 전자 장치, 다른 계산, 제어 및 통신 전자 장치, 디스플레이 유닛 및 기록 유닛을 포함하는 본 명세서에서의 초음파 시스템의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 2는 여기에서의 초음파 트랜스듀서의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 3a는 2 개의 도체를 갖는 pMUT(piezoelectric micro machined transducer) 요소의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 3b는 2 개의 서브요소 - 각각의 서브요소는 2개 이상의 전극들을 가짐 - 를 포함하는 pMUT 요소의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 3c는 2 개의 서브요소 - 각각의 서브요소는 2 개의 전극을 가짐 - 를 갖는 pMUT 요소의 예시적인 개략도를 도시하며, 여기서 제1 서브요소의 제1 전극은 제2 요소의 전극들 중 하나에 연결되고 제1 요소의 제2 전극은 제2 서브요소의 나머지 전극에 연결된다.
도 4는 본 명세서에서의 초음파 트랜스듀서 시스템의 pMUT 어레이의 예시적인 다이어그램을 도시한다.
도 5a는 본 명세서에서의 pMUT 어레이의 압전 요소의 예시적인 단면을 도시한다.
도 5b는 도 5a의 압전 요소의 예시적인 심벌 표현을 도시한다.
도 6은 폴링되지 않은 상태에서 및 폴링 동안 및 폴링 이후의 압전 요소에서의 쌍극자 배향을 도시한다.
도 7은 심벌 연결 배열로 수신 모드 동안의 저잡음 증폭기(LNA)에 대한 본 명세서에서의 압전 요소의 예시적인 연결을 도시한다.
도 8a는 전기적으로 조정 가능한 라인 트랜스듀서들을 위한 하나의 공통 접지 또는 바이어싱 전극을 갖는 2D pMUT 어레이의 예시적인 실시예를 도시하며, 여기서 라인들은 수직 또는 수평 방향으로 있을 수 있고 라인들의 크기(예를 들면, 라인에 있는 pMUT 요소의 개수)는 전기적으로 프로그래밍 가능할 수 있다.
도 8b는 바이어스 전압 및/또는 능동적으로 구동되는 단자들에 대해 도시된 연결들을 갖는 2D pMUT 어레이의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 9는 pMUT 요소마다 차동 폴링 방향들을 가능하게 하는 다수의 접지 및 바이어싱 전극들을 나타내는 라인 트랜스듀서의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10a는 행마다 피에조 재료 제어 멤브레인들에 대한 상이한 폴링 방향들 및 상이한 폴링 강도를 사용할 수 있는, 각각의 압전 요소에 다수의 멤브레인들을 갖는 예시적인 pMUT 어레이를 도시한다.
도 10b는 도 10a의 예시적인 구현을 도시하며, 여기서 폴링 동작 이후의 바이어싱 연결들이 도시되어 있다.
도 11a는 전송 및 수신 구동기들 및 다른 기능들을 포함하는 ASIC에 대한 2 개의 pMUT 요소의 상호연결의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 11b는 도 11a의 ASIC의 예시적인 개략 다이어그램을 도시하며, 여기서 보다 큰 복합 트랜스듀서 요소를 구성하기 위해 하나의 열의 전자 장치들이 하나의 열의 pMUT들과 직접 인터페이싱한다.
도 12a 및 도 12b는 본 명세서에 개시된 고도 방향에서 집속하는 초음파 트랜스듀서들의 예시적인 개략 다이어그램들을 도시한다.
도 13a는 M 개의 행 및 N 개의 열로 구성된 트랜스듀서 요소들을 갖는 초음파 트랜스듀서의 예시적인 개략 다이어그램을 도시하며, 트랜스듀서는 행들 및/또는 열들로 구성된 3 개의 스트립으로 구성되며, 스트립들 각각은 개별적으로 구동되도록 선택될 수 있고 여기서 각각의 스트립에서의 열들은 전송 구동기(들)에 의한 동일한 구동을 공유한다.
도 13b는 행들 및 열들로 구성된 트랜스듀서 요소들을 갖는 초음파 트랜스듀서의 예시적인 개략도를 도시하며; 행에 있는 2 개의 요소는 전송 및 수신 목적을 위해 사실상 함께 결합되고, 트랜스듀서는 행들 및/또는 열들로 이루어진 트랜스듀서 요소들의 3 개의 부분을 포함하며, 트랜스듀서의 상부 및 하부 부분들은 전송 및/또는 수신 동작들을 위해 하나의 채널에 의해 구동될 수 있는 반면, 중앙 부분은 전송 및/또는 수신 동작들을 위해 상이한 채널에 의해 구동될 수 있다.
도 14는 초음파 이미지 프레임을 구성하는 다수의 스캔 라인들의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 15는 도 14의 스캔 라인을 획득하는 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 16은 상이한 스트립들에 적용되는 지연들을 사용하여 고도 초점을 획득하는 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 17a는 열에 있는 요소들에 미세한 지연(들)을 제공하는, 다수의 플립플롭들을 갖는 본 명세서에서의 지연 회로의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 17b는 열에 있는 요소들에 대략적인 지연(들)을 제공하는, 본 명세서에서의 지연 회로의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 17c는 열에 있는 요소들에 대략적인 및/또는 미세한 지연(들)을 제공하는 지연 회로의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 17d는 도 17c의 추가적인 회로부의 세부 사항들을 도시한다.
도 18a는 전송 채널들로부터 방위각 방향에서의 지연을 사용하는 방위각 방향에서의 빔 스티어링 또는 빔 집속을 갖는 다이어그램을 도시한다.
도 18b는 트랜스듀서 요소들 및 이들의 지연들의 예시적인 개략 다이어그램을 도시하며, 지연들은 전자적으로 프로그래밍될 수 있고 트랜스듀서 요소들의 하나 초과의 열에 대해 실질적으로 유사할 수 있다.
도 19는 중앙 요소를 중심으로 지연 대칭을 갖는 트랜스듀서 요소들의 열에 대한 지연들을 갖는 전송 구동 펄스들의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 20은 상이한 열들의 트랜스듀서 요소들에 대한 지연들을 갖는 전송 구동 펄스들의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 21은 내부 카운터 신호들을 사용하여 상이한 지연들을 생성하는 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 22는 전송 구동 펄스(들)로서 출력을 생성하는 2 개의 디지털 입력을 갖는 펄서(pulsar)의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 23a는 고도 방향에서의 집속이 없는 것과 비교하여 고도 방향에서의 집속을 제공하는 다수의 방법들의 차이점들을 나타내는, 0o 횡방향 스티어링(좌측 패널) 및 45o 횡방향 스티어링(우측 패널)에 대한 트랜스듀서 요소들의 시뮬레이션된 24x128 매트릭스 어레이의 예시적인 고도 빔플롯들을 도시한다.
도 23b는 24x128 2D 트랜스듀서 요소 어레이로 전송 고도 집속을 가능하게 하는 예시적인 희소 전송 방식을 도시하며, 여기서 음영 처리된 원들은 열마다의 활성 트랜스듀서 요소들일 수 있고 고도 대칭이 사용될 수 있다(고도 대칭면을 따라 집속한다고 가정함). 이 전송 방식은 24x128 능동 요소들 모두를 사용할 때보다 대략 1/3 더 적은 압력을 출력할 수 있다.
도 24a는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리의 개략 다이어그램을 도시한다.
도 24b는 기판 상에 배치된 트랜스듀서 및 다른 기판 상의 ASIC 및 상호연결 수단의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 25는 본 개시의 실시예들에 따른 2차원 및 3차원 이미징을 수행할 수 있는 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 26은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 27은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 28은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 29는 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 30은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 31은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 32는 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 33a는 열에 있는 압전 요소들에 대한 고정 배선 연결들을 갖는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 33b는 열에 있는 압전 요소들에 대한 프로그래밍 가능한 전송 및 수신 능력을 갖는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 34a는 열에 있는 고정 배선된 압전 요소들을 갖는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 34b는 열에 있는 압전 요소들의 프로그래밍 가능한 전송 및 수신 능력을 갖는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 35a는 본 개시의 실시예들에 따른 회로 요소에 결합된 압전 요소의 실시예를 도시한다.
도 35b는 본 개시의 실시예들에 따른 회로 요소에 결합된 압전 요소의 예시적인 실시예를 도시하며, 여기서 압전 요소는 프로그래밍 가능한 전송 및 수신 능력을 갖는다.
도 36은 본 개시의 실시예들에 따른 다수의 압전 요소들을 제어하기 위한 회로를 도시한다.
도 37은 본 개시의 실시예들에 따른 다수의 압전 요소들을 제어하기 위한 회로를 도시한다.
도 38은 본 개시의 실시예들에 따른 전송 구동 신호 파형을 도시한다.
도 39a는 본 개시의 실시예들에 따른 전송 구동 신호 파형을 도시한다.
도 39b는 본 개시의 실시예들에 따른 전송 구동 신호 파형을 도시하며, 여기서 TxB CLK는 전송 채널들에 대한 펄스 출력을 위해 생성되는 TxA 및 TxB 파형을 생성하는 데 사용될 수 있는 고속 클록이다.
도 40은 본 개시의 실시예들에 따른 전송 구동 신호 파형을 도시한다.
도 41은 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리 내의 다양한 회로들의 입력/출력 신호들을 도시한다.
도 42a는 본 개시의 실시예들에 따른 각도의 함수인 전송 압력파의 진폭의 플롯을 도시한다.
도 42b는 본 개시의 실시예들에 따른 아포다이제이션 프로세스에 대한 윈도들을 도시한다.
도 43은 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리의 개략 다이어그램을 도시한다.
도 44는 본 개시의 실시예들에 따른 트랜스듀서들의 특정 스티어링 각도들을 도시한다.
도 1은, pMUT 어레이가 이미징될 타깃으로 지향된 상태로, 초음파 빔을 전송 및 수신하는 데 사용되는 pMUT 어레이를 가진 트랜스듀서, pMUT 어레이를 제어하는 전자 장치, 다른 계산, 제어 및 통신 전자 장치, 디스플레이 유닛 및 기록 유닛을 포함하는 본 명세서에서의 초음파 시스템의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 2는 여기에서의 초음파 트랜스듀서의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 3a는 2 개의 도체를 갖는 pMUT(piezoelectric micro machined transducer) 요소의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 3b는 2 개의 서브요소 - 각각의 서브요소는 2개 이상의 전극들을 가짐 - 를 포함하는 pMUT 요소의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 3c는 2 개의 서브요소 - 각각의 서브요소는 2 개의 전극을 가짐 - 를 갖는 pMUT 요소의 예시적인 개략도를 도시하며, 여기서 제1 서브요소의 제1 전극은 제2 요소의 전극들 중 하나에 연결되고 제1 요소의 제2 전극은 제2 서브요소의 나머지 전극에 연결된다.
도 4는 본 명세서에서의 초음파 트랜스듀서 시스템의 pMUT 어레이의 예시적인 다이어그램을 도시한다.
도 5a는 본 명세서에서의 pMUT 어레이의 압전 요소의 예시적인 단면을 도시한다.
도 5b는 도 5a의 압전 요소의 예시적인 심벌 표현을 도시한다.
도 6은 폴링되지 않은 상태에서 및 폴링 동안 및 폴링 이후의 압전 요소에서의 쌍극자 배향을 도시한다.
도 7은 심벌 연결 배열로 수신 모드 동안의 저잡음 증폭기(LNA)에 대한 본 명세서에서의 압전 요소의 예시적인 연결을 도시한다.
도 8a는 전기적으로 조정 가능한 라인 트랜스듀서들을 위한 하나의 공통 접지 또는 바이어싱 전극을 갖는 2D pMUT 어레이의 예시적인 실시예를 도시하며, 여기서 라인들은 수직 또는 수평 방향으로 있을 수 있고 라인들의 크기(예를 들면, 라인에 있는 pMUT 요소의 개수)는 전기적으로 프로그래밍 가능할 수 있다.
도 8b는 바이어스 전압 및/또는 능동적으로 구동되는 단자들에 대해 도시된 연결들을 갖는 2D pMUT 어레이의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 9는 pMUT 요소마다 차동 폴링 방향들을 가능하게 하는 다수의 접지 및 바이어싱 전극들을 나타내는 라인 트랜스듀서의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10a는 행마다 피에조 재료 제어 멤브레인들에 대한 상이한 폴링 방향들 및 상이한 폴링 강도를 사용할 수 있는, 각각의 압전 요소에 다수의 멤브레인들을 갖는 예시적인 pMUT 어레이를 도시한다.
도 10b는 도 10a의 예시적인 구현을 도시하며, 여기서 폴링 동작 이후의 바이어싱 연결들이 도시되어 있다.
도 11a는 전송 및 수신 구동기들 및 다른 기능들을 포함하는 ASIC에 대한 2 개의 pMUT 요소의 상호연결의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 11b는 도 11a의 ASIC의 예시적인 개략 다이어그램을 도시하며, 여기서 보다 큰 복합 트랜스듀서 요소를 구성하기 위해 하나의 열의 전자 장치들이 하나의 열의 pMUT들과 직접 인터페이싱한다.
도 12a 및 도 12b는 본 명세서에 개시된 고도 방향에서 집속하는 초음파 트랜스듀서들의 예시적인 개략 다이어그램들을 도시한다.
도 13a는 M 개의 행 및 N 개의 열로 구성된 트랜스듀서 요소들을 갖는 초음파 트랜스듀서의 예시적인 개략 다이어그램을 도시하며, 트랜스듀서는 행들 및/또는 열들로 구성된 3 개의 스트립으로 구성되며, 스트립들 각각은 개별적으로 구동되도록 선택될 수 있고 여기서 각각의 스트립에서의 열들은 전송 구동기(들)에 의한 동일한 구동을 공유한다.
도 13b는 행들 및 열들로 구성된 트랜스듀서 요소들을 갖는 초음파 트랜스듀서의 예시적인 개략도를 도시하며; 행에 있는 2 개의 요소는 전송 및 수신 목적을 위해 사실상 함께 결합되고, 트랜스듀서는 행들 및/또는 열들로 이루어진 트랜스듀서 요소들의 3 개의 부분을 포함하며, 트랜스듀서의 상부 및 하부 부분들은 전송 및/또는 수신 동작들을 위해 하나의 채널에 의해 구동될 수 있는 반면, 중앙 부분은 전송 및/또는 수신 동작들을 위해 상이한 채널에 의해 구동될 수 있다.
도 14는 초음파 이미지 프레임을 구성하는 다수의 스캔 라인들의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 15는 도 14의 스캔 라인을 획득하는 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 16은 상이한 스트립들에 적용되는 지연들을 사용하여 고도 초점을 획득하는 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 17a는 열에 있는 요소들에 미세한 지연(들)을 제공하는, 다수의 플립플롭들을 갖는 본 명세서에서의 지연 회로의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 17b는 열에 있는 요소들에 대략적인 지연(들)을 제공하는, 본 명세서에서의 지연 회로의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 17c는 열에 있는 요소들에 대략적인 및/또는 미세한 지연(들)을 제공하는 지연 회로의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 17d는 도 17c의 추가적인 회로부의 세부 사항들을 도시한다.
도 18a는 전송 채널들로부터 방위각 방향에서의 지연을 사용하는 방위각 방향에서의 빔 스티어링 또는 빔 집속을 갖는 다이어그램을 도시한다.
도 18b는 트랜스듀서 요소들 및 이들의 지연들의 예시적인 개략 다이어그램을 도시하며, 지연들은 전자적으로 프로그래밍될 수 있고 트랜스듀서 요소들의 하나 초과의 열에 대해 실질적으로 유사할 수 있다.
도 19는 중앙 요소를 중심으로 지연 대칭을 갖는 트랜스듀서 요소들의 열에 대한 지연들을 갖는 전송 구동 펄스들의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 20은 상이한 열들의 트랜스듀서 요소들에 대한 지연들을 갖는 전송 구동 펄스들의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 21은 내부 카운터 신호들을 사용하여 상이한 지연들을 생성하는 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 22는 전송 구동 펄스(들)로서 출력을 생성하는 2 개의 디지털 입력을 갖는 펄서(pulsar)의 예시적인 개략 다이어그램을 도시한다.
도 23a는 고도 방향에서의 집속이 없는 것과 비교하여 고도 방향에서의 집속을 제공하는 다수의 방법들의 차이점들을 나타내는, 0o 횡방향 스티어링(좌측 패널) 및 45o 횡방향 스티어링(우측 패널)에 대한 트랜스듀서 요소들의 시뮬레이션된 24x128 매트릭스 어레이의 예시적인 고도 빔플롯들을 도시한다.
도 23b는 24x128 2D 트랜스듀서 요소 어레이로 전송 고도 집속을 가능하게 하는 예시적인 희소 전송 방식을 도시하며, 여기서 음영 처리된 원들은 열마다의 활성 트랜스듀서 요소들일 수 있고 고도 대칭이 사용될 수 있다(고도 대칭면을 따라 집속한다고 가정함). 이 전송 방식은 24x128 능동 요소들 모두를 사용할 때보다 대략 1/3 더 적은 압력을 출력할 수 있다.
도 24a는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리의 개략 다이어그램을 도시한다.
도 24b는 기판 상에 배치된 트랜스듀서 및 다른 기판 상의 ASIC 및 상호연결 수단의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 25는 본 개시의 실시예들에 따른 2차원 및 3차원 이미징을 수행할 수 있는 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 26은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 27은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 28은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 29는 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 30은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 31은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 32는 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소 어레이의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 33a는 열에 있는 압전 요소들에 대한 고정 배선 연결들을 갖는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 33b는 열에 있는 압전 요소들에 대한 프로그래밍 가능한 전송 및 수신 능력을 갖는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 34a는 열에 있는 고정 배선된 압전 요소들을 갖는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 34b는 열에 있는 압전 요소들의 프로그래밍 가능한 전송 및 수신 능력을 갖는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템의 개략 다이어그램을 예시한다.
도 35a는 본 개시의 실시예들에 따른 회로 요소에 결합된 압전 요소의 실시예를 도시한다.
도 35b는 본 개시의 실시예들에 따른 회로 요소에 결합된 압전 요소의 예시적인 실시예를 도시하며, 여기서 압전 요소는 프로그래밍 가능한 전송 및 수신 능력을 갖는다.
도 36은 본 개시의 실시예들에 따른 다수의 압전 요소들을 제어하기 위한 회로를 도시한다.
도 37은 본 개시의 실시예들에 따른 다수의 압전 요소들을 제어하기 위한 회로를 도시한다.
도 38은 본 개시의 실시예들에 따른 전송 구동 신호 파형을 도시한다.
도 39a는 본 개시의 실시예들에 따른 전송 구동 신호 파형을 도시한다.
도 39b는 본 개시의 실시예들에 따른 전송 구동 신호 파형을 도시하며, 여기서 TxB CLK는 전송 채널들에 대한 펄스 출력을 위해 생성되는 TxA 및 TxB 파형을 생성하는 데 사용될 수 있는 고속 클록이다.
도 40은 본 개시의 실시예들에 따른 전송 구동 신호 파형을 도시한다.
도 41은 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리 내의 다양한 회로들의 입력/출력 신호들을 도시한다.
도 42a는 본 개시의 실시예들에 따른 각도의 함수인 전송 압력파의 진폭의 플롯을 도시한다.
도 42b는 본 개시의 실시예들에 따른 아포다이제이션 프로세스에 대한 윈도들을 도시한다.
도 43은 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리의 개략 다이어그램을 도시한다.
도 44는 본 개시의 실시예들에 따른 트랜스듀서들의 특정 스티어링 각도들을 도시한다.
전통적으로, 2D 초음파 이미지는, Fredrik Lingvall. Lingvall, F., 2004. Time-domain Reconstruction Methods for Ultrasonic Array Imaging: A Statistical Approach [http://www.signal.uu.se/Publications/pdf/fredrik_thesis.pdf 참조]에 의해 기술된 것과 같은, 다양한 알고리즘들을 이용하여 생성될 수 있다. 이것의 일 예는 방위각 방향에서 압전 요소들의 열들을 따라 신호들을 구동하기 위해 상대 지연을 사용하는 것이다. 방위각 방향에서 상이한 열들에 대한 신호에 적용되는 전자적으로 프로그래밍 가능한 지연을 변경하는 것에 의해 전자적으로 방위각 방향에서 빔들이 집속될 수 있다. 그렇지만, 방위각 방향(예를 들면, 고도 방향)에 직교하는 방향에서의 초점은 전형적으로 기계식 렌즈를 사용하여 달성된다. 기계식 렌즈는 한 번에 단지 하나의 초점을 가능하게 할 수 있으며, 따라서 상이한 고도 초점들은 렌즈의 상이한 설계들을 필요로 할 수 있다. 게다가, 고정된 기계식 렌즈는 3차원 초음파 이미징에 필요한 초점을 제공하지 않는다.
3D 초음파 이미징은 기존의 휴대용 초음파 이미징 시스템들에서 구현하기에는 너무 복잡하고 비용이 많이 들며 전력 소모가 많다. 일부 실시예들에서 2D 및 3D 초음파 이미징 둘 모두를 위해 구성된 저비용, 저전력, 휴대용 고해상도 초음파 트랜스듀서들 및 초음파 이미징 시스템들을 가능하게 하도록 구성된 시스템들 및 방법들이 본 명세서에서 개시된다. 이러한 저비용 고성능 시스템들을 가능하게 하는 것은 대량 반도체 프로세스들과 유사하게 대량 및 저비용으로 반도체 웨이퍼 상에 제조될 수 있는 pMUT들을 사용하는 것에 의존할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 그러한 pMUT들은 어레이 내의 각각의 요소가 전자 회로에 연결되는 2D 어레이로 배열되고, 여기서 pMUT 어레이와 회로 어레이는 상이한 웨이퍼들 상에서 함께 정렬되고 타일을 형성하도록 함께 통합되며, 여기서 각각의 피에조 요소는 제어 회로 요소에 연결되고, 여기서 각각의 피에조 요소는 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이 2 개 이상의 단자들을 가질 수 있다. 이러한 pMUT들은 또한 고대역폭을 나타낼 수 있어, 이러한 트랜스듀서들을 종래 기술의 피에조 벌크 트랜스듀서들과 달리 광대역 이미징에 적합하도록 만들 수 있다. 레거시 트랜스듀서들은 제한된 대역폭을 가질 수 있어, 상이한 주파수 범위들에 대해 상이한 트랜스듀서들이 사용될 것을 요구할 수 있다. 따라서, 1MHz 내지 12MHz 또는 그 이상과 같은, 광범위한 주파수들을 커버하는 하나의 트랜스듀서를 갖는 것은 환자들을 검사할 때 더 높은 사용자 편의성을 제공할 수 있고, 여기서 사용자는 크게 상이한 주파수들을 필요로 하는 상이한 기관들을 검사할 때 상이한 트랜스듀서로 전환할 필요가 없을 수 있다. 이는 비용 절감을 결과할 수 있다. 본 개시에서의 pMUT들에서 적어도 2 가지 상이한 방식으로 광대역 거동이 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 트랜스듀서 요소는 2 개 이상의 서브요소들을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 서브요소는 상이한 중심 주파수에서 공진한다. 복합물로서 함께, 복합 요소는 보다 큰 대역을 커버할 수 있다(예로서 도 28 참조). 다른 실시예들에서, 멤브레인이 하나의 멤브레인에서 다수의 공진 모드들을 지원할 수 있도록 멤브레인이 설계될 수 있다. 공진은 특정 주파수에서 공진이 발생하는 1차 모드(primary mode)를 가질 수 있다. 제2 및 제3 공진과 같은 다른 공진들이 또한 멤브레인에 존재할 수 있다. 이러한 공진들은 고조파 관계에 있을 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 이러한 공진들을 중심으로 한 대역폭은 다른 공진들을 중심으로 한 대역폭과 중첩할 수 있으며, 이에 의해 전체적인 넓은 대역폭을 가능하게 한다. pMUT에 대한 입력 신호가, 예를 들면, 하나의 공진으로 대역 제한되는 경우, 다른 공진들이 발생하지 않을 수 있다. 트랜스듀서 요소는 다양한 공진들의 중심 주파수들을 포함하는 광대역 주파수 입력에 의해 구동될 때 다수의 진동 모드들을 동시에 나타낼 수 있다.
추가적으로, 고도 집속을 위해 기계식 렌즈를 활용하는 기존의 트랜스듀서들은 또한 렌즈에서의 감쇠 손실을 겪을 수 있으며, 이에 의해 이미지 품질을 감소시킬 수 있다. 본 명세서에서의 예시적인 합성 렌즈를 사용하면, 기계식 렌즈가 필요하지 않다. 때때로, 약간 굴곡진 딥 포커스 약한 렌즈(slightly curved deep focus weak lens)가 사용될 수 있거나, 또는 그 대신에, 트랜스듀서 위에 평평하고 얇은 임피던스 매칭 층이 사용될 수 있다. 이것은 감쇠 손실을 크게 개선시킬 수 있다.
고정된 기계식 렌즈들을 사용하는 대신에, 본 명세서에 개시된 이미징 시스템들은 유리하게도 고정된 초점 거리를 갖는 기계식 렌즈를 제작할 필요성을 제거하는 전자식 렌즈들을 사용한다. 게다가, 본 명세서에 개시된 전자식 렌즈들은 고도 평면에서의 초점 거리를 변경할 수 있는 큰 유연성을 가능하게 하고 깊이의 함수로서 동적 초점을 가능하게 한다. 게다가, 아포다이제이션을 사용하여, 고도 방향에서의 측엽들(side lobes)이 억제될 수 있어, 고도 슬라이스 두께를 보다 나은 제어를 가능하게 할 수 있다. 고도 제어에서의 아포다이제이션의 전자적 실시간 제어는 유리하게는 고도 방향에서의 측엽 억제를 전자적으로 가능하게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 고도 방향에서 집속하도록 구성 가능한 초음파 이미징 시스템들이 본 명세서에 개시되어 있다. 일부 실시예들에서, 열들 및/또는 행들을 따라 프로그래밍 가능한 지연을 갖는 전자적 고도 제어를 가능하게 하도록 구성 가능한 초음파 이미징 시스템들이 본 명세서에 개시되어 있다. 일부 실시예들에서, 프로그래밍 가능한 지연들이 열들에 있는 개별 요소들을 구동하는 전송 구동 회로에 삽입될 때 전자적 제어가 발생한다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 트랜스듀서 요소들(예를 들면, pMUT 요소들), 따라서 트랜스듀서 요소의 압전 요소들이 2차원으로 다수의 행들(각각의 행은 방위각 방향을 따라 있음) 및 열들(각각의 열은 고도 방향을 따라 있음)로 구성된다. 일부 실시예들에서, 행들의 중앙 섹션 주위의 하나 또는 다수의 행들을 포함하는 섹션이 방위각 방향을 따라 집속될 수 있다. 하나의 단일 전송 및 수신에서, 이 섹션으로부터 생성되는 데이터는 방위각 방향에서 집속되어, 중간 데이터를 생성할 수 있다. 추가적인 전송 및 수신에서, 다수의 섹션들로부터의 데이터는 고도 방향에서 집속될 수 있다. 이 프로세스는 고도 방향에서의 슬라이스 두께를 개선시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 그러한 프로세스는 초음파 펄스(들)의 아포다이제이션을 적용하는 것에 의해 도움을 받을 수 있다.
특정 정의들
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 용어들은 설명된 주제가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는, 문맥이 명확하게 달리 지시하지 않는 한, 복수 지시(plural reference)를 포함한다. 본 명세서에서의 "또는"에 대한 임의의 언급은, 달리 서술되지 않는 한, "및/또는"을 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "약"은 약 10%, 5% 또는 1% - 그 내에서의 증분들을 포함함 - 만큼 명시된 양에 근접한 양을 지칭한다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에서의 이미저들(여기서 상호 교환 가능하게 "트랜스듀서들"이라고 함)은 A 스캔이라고도 하는 1D 이미징, B 스캔이라고도 하는 2D 이미징, 1.5D 이미징, 1.75D 이미징, 3D 및 도플러 이미징을 수행하는 데 사용될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 또한, 본 명세서에서의 이미저는 미리 프로그래밍된 다양한 이미징 모드들로 전환될 수 있다. 또한, 본 명세서에서의 트랜스듀서들을 사용하여 바이플레인 이미징 모드가 구현될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에서의 트랜스듀서 요소들(예를 들면, pMUT 요소들)은 트랜시버 요소, 압전 요소, 및 피에조 요소와 상호 교환 가능하다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서의 트랜스듀서 요소는 기판, 기판으로부터 현수되는 멤브레인; 멤브레인 상에 배치된 하부 전극; 하부 전극 상에 배치된 압전 층; 및 압전 층 상에 배치된 하나 이상의 상부 전극들 중 하나 이상을 포함한다.
도 1은 본 명세서에 개시된 초음파 이미징 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 이미지 시스템은 휴대용 디바이스(101) - 디바이스(101)는 디스플레이 유닛(112)을 가짐 -, 네트워크(120)에 대한 통신 인터페이스에 의해 인에이블되는 연결을 갖는 데이터 기록 유닛(114) 및, 전자 건강 기록들과 같은, 외부 데이터베이스들(122)을 포함한다. 외부 데이터 소스들에 대한 그러한 연결은 의료비 청구, 데이터 교환, 문의 또는 다른 의료 관련 정보 통신을 용이하게 할 수 있다. 이 실시예에서, 시스템(100)은 초음파 이미저 어셈블리(본 명세서에서 상호 교환 가능하게 "타일 어셈블리"라고 함)(108)를 포함하는 초음파 이미저 프로브(본 명세서에서 상호 교환 가능하게 "프로브"라고 함)(126)를 포함하며, 여기서 초음파 타일은 기판 상에 제조된 pMUT 어레이들(102)을 갖는다. pMUT 어레이(들)(102)는 전자적 제어 유닛, 예를 들면, 이미저 및 다른 제어 유닛(110)에 위치한 주문형 집적 회로(ASIC)(106) 하에서 초음파 파형들을 방출 및 수신하도록 구성된다.
이 특정 실시예에서, 디스플레이 유닛(112) 및/또는 전자적 통신 제어 유닛(110)의 적어도 일부는 어셈블리(108) 상에 위치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 또는 제어 유닛(110)의 일부는 이미저 외부에 있을 수 있지만 유선 통신 인터페이스 및/또는 무선 통신 인터페이스(124)를 통해 초음파 이미저 어셈블리(108) 및 그 내부의 그의 요소들에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이(112)는 사용자 상호작용을 단순화하기 위해 입력 디바이스, 예를 들면, 터치 스크린, 사용자 친화적인 인터페이스, 예를 들면, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 가질 수 있다.
동일한 실시예에서, pMUT 어레이(102)는 다른 기판 상에 그리고 pMUT 어레이(102)에 가까이 근접하여 위치하는 주문형 집적 회로(ASIC)(106)에 결합된다. 이 어레이는 또한 pMUT 어레이 위에 배치될 수 있는 상이한 임피던스 재료 및/또는 임피던스 매칭 재료(104)에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미저(126)는 재충전 가능한 전원(127) 및/또는, 예를 들면, USB2 또는 USB3과 같은 다른 USB 표준들에서의 시그널링 프로토콜들과 호환되는 USB 전력 전달 인터페이스를 사용하는, 외부 전원에 대한 연결 인터페이스(128)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 재충전 방법은 무선이다. 일부 실시예들에서, 이미저(126)는 스캔을 ECG 펄스에 동기화시키기 위한 ECG 신호를 위한 입력 인터페이스(129)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 이미저(126)는 사용자 안내를 보조하기 위한 관성 센서(130)를 갖는다.
화살표(114)는 신체 부위(116)를 조준하고 체적 요소(118)를 이미징하는 이미저 어셈블리(108)로부터의 초음파 전송 빔을 나타낸다. 전송 빔은 이미징되는 타깃에 의해 반사되고 화살표(114)로 표시된 바와 같이 이미저 어셈블리(108)에 들어간다. ASIC(106) 외에도, 이미징 시스템(100)은 다른 전자적 제어, 통신 및 계산 회로(110)를 포함할 수 있다. 초음파 이미저(108)가 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 자기 완비적(self-contained) 유닛일 수 있거나, 또는, 전자적 제어 유닛(110)의 일부와 같이, 물리적으로 분리되지만 전기적으로 또는 무선으로 연결된 요소들을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 이것의 예가 도 2에 도시되어 있다.
도 2는 본 개시의 실시예들 따른 이미저(126)의 개략 다이어그램을 도시한다. 도 2에 묘사된 바와 같이, 이미저(126)는: 압력파들을 전송 및 수신하기 위한 트랜시버 타일(들)(210a); 압력파들의 전파 방향을 스티어링하고/하거나 압력파들을 집속시키기 위한 렌즈로서 동작하고 또한 트랜시버 어레이와 인체 사이의 임피던스 인터페이스로서 기능하는 코팅층(212a) - 렌즈(212)는 또한 트랜스듀서를 빠져나가는 신호와 또한 트랜스듀서에 들어가는 신호를 감쇠시킬 수 있으며 따라서 이것을 최소로 유지하는 것이 또한 바람직하고; 고도 제어가 전자식일 때, 이 렌즈는 필요하지 않을 수 있으며, 손실이 단지 최소인 경우, 얇은 보호 임피던스 매칭 층에 의해서만 대체될 수 있음 -; 범프들에 의해 트랜시버 타일(들)(210a)에 결합되는, 트랜시버 타일(들)(210a)을 제어하기 위한, ASIC 칩(또는 간단히 ASIC)과 같은, 제어 유닛(202a)을 포함할 수 있다. 트랜시버 어레이와 이에 연결된 ASIC의 조합은 타일이라고 불린다. 이미저(126)의 컴포넌트들을 제어하기 위한 FPGA들(Field Programmable Gate Arrays)(214a), 신호들을 프로세싱/컨디셔닝하기 위한, AFE(Analog Front End)와 같은, 회로(들)(215a); 트랜시버 타일(들)(210a)에 의해 생성되고 회로(215a)를 향해 전파하는 파동들을 흡수하기 위한 음향 흡수체 층(203) - 특정 실시예들에서, 음향 흡수체 층은 트랜스듀서와 ASIC 사이에 위치하며; 특정 실시예들에서, 이러한 음향 흡수체 층들은 필요하지 않음 -; 하나 이상의 포트들(216a)을 통해, 디바이스(101)와 같은, 외부 디바이스와 데이터를 통신하기 위한 통신 유닛(208a); 데이터를 저장하기 위한 메모리(218a); 이미저의 컴포넌트들에 전력을 제공하기 위한 배터리(206a); 및 선택적으로 타깃 장기들의 이미지들을 디스플레이하기 위한 디스플레이(217a).
동작 동안, 사용자는 인터페이스 재료(104)에 의해 덮인 pMUT들(102) 표면으로 하여금 초음파들이 이미징되는 타깃(118)을 향해 전송되는 신체 부위 영역과 접촉하게 할 수 있다. 이미저는 이미징 타깃으로부터 반사된 초음파 빔을 수신하고 이들을 프로세싱하거나 또는 이들을 이미지 프로세싱 및/또는 재구성을 위해 외부 프로세서로 그리고 이어서 이미지를 디스플레이하기 위해 휴대용 디바이스(101)로 전송한다. 다른 데이터가 또한 수집, 계산, 도출되고 디스플레이 상에서 사용자에게 디스플레이될 수 있다.
도 1은 이미지 프로브(본 명세서에서 상호 교환 가능하게 트랜스듀서라고 함)(126)를 포함하는 본 명세서에서의 휴대용 초음파 이미징 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시한다. 프로브는 전자 유닛들, 예를 들면, 도 2에서의 제어 유닛(202a)에 연결된 pMUT 이미저 어셈블리(108)를 포함할 수 있다. 프로브(102)는 통신 인터페이스 및 수단(124)을 사용하여 외부 디스플레이 유닛(204)과 통신한다.
이 통신 수단은 케이블 또는 무선 연결일 수 있다. 유선 연결의 경우, USB2, Lightning 등과 같은 데이터 교환을 위한 많은 프로토콜들이 사용될 수 있다. 유사하게, 무선 통신의 경우, 802.11 또는 다른 프로토콜들과 같은 통상적으로 사용되는 프로토콜이 사용될 수 있다. 유사하게, 데이터 기록 유닛(114)은 또한 프로브의 외부에 있을 수 있고 또한 무선 또는 유선 통신 수단을 사용하여 프로브(126)와 통신할 수 있다.
예를 들어, 인간 또는 동물의 신체 부위를 이미징하기 위해 이미저를 사용할 때, 전송된 초음파 파형은 타깃을 향해 지향된다. 신체와의 접촉은, 신체에 들어가도록 방출되는 초음파의 우수한 인터페이스를 가능하게 하고 또한 타깃으로부터 반사되는 초음파 파형이 이미저에 다시 들어갈 수 있게 하기 위해, 보통 신체 상에 젤이 도포되고 이미저가 젤 상에 놓여진 후에, 이미저를 신체에 아주 근접하게 유지하는 것에 의해 달성되며, 여기서 반사된 신호는 신체 부위의 이미지 및, 다양한 형식들로 신체 부위의 이미지들과 함께 또는 이들 없이 보여지는 그래프, 플롯, 통계를 포함한, 화면 상에 디스플레이되는 결과들을 생성하는 데 사용된다.
물리적으로 분리되고 케이블을 통해 또는 무선으로 연결되는 특정 부분들을 갖는 프로브(126)가 개발될 수 있음에 유의해야 한다. 예로서, 이 특정 실시예에서, pMUT 어셈블리, ASIC 및 일부 제어 및 통신 관련 전자 장치는 종종 프로브라고 불리는 유닛에 존재할 수 있다. 신체 부위와 접촉하는 디바이스 또는 프로브의 부분은 pMUT 어셈블리를 포함한다.
도 3a는 종래의 압전 요소(214)의 개략 다이어그램의 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 압전 요소는 2 개의 전극을 갖고, 제1 전극(216)은 신호 도체(215)에 연결되며, 제2 전극(218)은 제2 도체(217)에 연결되고 접지 또는 다른 DC 전위에 공통으로 연결될 수 있다.
압전 요소들은 수십 년 동안 초음파 의료 이미징에 사용되어 왔다. 그렇지만, 압전 요소는, 예를 들어, 약 100 μm에 근접할 정도로 두꺼울 수 있으며, 전형적으로 의료 이미징을 가능하게 하기에 충분한 강도의 초음파 압력파를 생성하기 위해 그에 걸쳐 +100V 내지 -100V 교류(AC) 구동을 필요로 할 수 있다. 이 AC 구동 신호의 주파수는 압전 구조체들의 공진 주파수 주변에 있을 수 있으며, 의료 이미징 응용들의 경우 1MHz 초과일 수 있다.
일부 실시예들에서, 압전 요소를 구동할 때 소모되는 전력은 C*V2에 비례하며, 여기서 C는 피에조 요소의 커패시턴스이고 V는 압전 층에 걸친 최대 전압이다. 전송할 때, 빔을 집속시키거나 빔을 스티어링하기 위해 다수의 압전 요소들이 얼마간 상이한 지연들을 두고 함께 구동될 수 있다. 많은 요소들의 동시적인 구동은 요소들의 표면에서의 온도를 상승시킬 수 있다. 이미징되는 피험자를 다치게 하지 않기 위해 임계 온도를 초과하지 않는 것이 매우 바람직하거나 요구된다. 따라서, 이 임계 온도는 구동될 수 있는 요소들의 개수 및 요소들이 구동될 수 있는 시간 기간을 제한한다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 압전 요소들은, 종래의 벌크 피에조 요소들의 100 μm 두께에 비해, 훨씬 더 얇으며, 대략 전형적으로 5 μm 이하의 두께이다. 그러한 큰 두께 감소는 종래의 요소들과 유사한 전계 강도를 유지하기 위해 압전 요소들에 대해 보다 낮은 전압 구동 신호들을 사용하는 것을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 압전 요소들은 약 5V 내지 40V 피크 대 피크 범위의 전압들을 구동할 수 있다.
특정 압전 재료들에 대한 두께의 감소에 의해 압전 요소의 커패시턴스가 또한 증가될 수 있다. 따라서, 예로서, x10배 더 얇은 필름을 구동할 때 구동 전압이 100V로부터 10V로 감소하면, 보다 얇은 압전 재료들에 대해 커패시턴스가 x10만큼 증가할 수 있고 전력 소실은 10배만큼 감소될 수 있다. 이러한 전력 소실 감소는 또한 이미징 프로브에서의 열 발생 및 온도 상승을 감소시킬 수 있다. 따라서, 보다 낮은 구동 전압들을 사용하여, pMUT 표면의 온도가 저하될 수 있다.
일부 실시예들에서, 주어진 온도에 대해, 저전압 pMUT들을 사용할 때, 보다 큰 영역을 조명하기 위해 보다 많은 pMUT 요소들이 구동될 수 있다. 이것은, 특히 이미지를 형성하기 위해 전체 타깃을 스캔하는 데 여러 번의 방출들이 필요한 경우, 타깃의 보다 빠른 스캔을 가능하게 할 수 있다. 종종, 타깃 영역이 상이한 스티어링 각도들을 사용하여 여러 번의 방출들로 스캔될 수 있으며, 이미지 데이터가 보다 높은 품질의 이미지를 획득하기 위해 결합될 수 있다.
높은 프레임 레이트로 이미징하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 프레임 레이트는 타깃이 분당 이미징되는 횟수를 나타낸다. 이미지 블러링 없이 움직이는 타깃들을 관찰하기 위해 조직 운동이 수반될 때는 높은 프레임 레이트로 이미징하는 것이 바람직하다. 일부 실시예들에서, 보다 많은 압전 요소들을 구동할 수 있는 능력은 방출당 트랜스듀서 개구의 보다 많은 커버리지, 전체 개구를 커버하는 데 필요한 방출 횟수를 최소화하는 것, 따라서 프레임 레이트를 증가시키는 것을 가능하게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 이미지들의 여러 프레임들을 하나의 결과적인 저잡음 프레임으로 합성하는 것에 의해 이미지 품질이 개선될 수 있다. 그렇지만, 이것은 프레임 레이트를 감소시킬 수 있다. 종래의 피에조 필름들에 비해 더 높은 프레임 레이트를 갖는 저전력 pMUT를 사용할 때, pMUT 온도의 주어진 상승에 대해, 저전압 pMUT들이 보다 낮은 전력을 갖고 따라서 본질적으로 보다 높은 시작 프레임 레이트를 가능하게 하기 때문에 이러한 평균화 기술이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 초음파 이미징의 합성 개구 방법은 이미지들의 합성을 가능하게 하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 한 번에 보다 많은 압전 요소들을 구동할 수 있는 능력은 신호대 잡음비(SNR)를 개선시키고 재구성된 이미지의 보다 나은 품질을 가능하게 한다.
게다가, 도 1에서 살펴본 바와 같이, ASIC(106)이 pMUT(102)에 결합된다. ASIC은 저잡음 증폭기들(LNA)을 포함할 수 있다. pMUT들은 스위치들을 통해 수신 모드에서 LNA에 연결된다. LNA는 pMUT에 압력을 가하는 반사된 초음파 빔에 의해 생성되는 pMUT 내의 전하를 저잡음을 갖는 증폭된 전압 신호로 변환한다. 수신된 신호의 신호대 잡음비는 재구성되는 이미지의 품질을 결정하는 핵심 인자들 중 하나일 수 있다. 따라서 LNA 자체에서의 고유한 잡음을 감소시키는 것이 바람직하다. 이것은 LNA의 입력 스테이지의 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 증가시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 입력 스테이지에서 보다 많은 전류를 사용하는 것에 의해 달성될 수 있다. 보다 많은 전류는 전력 소실과 열을 증가시킬 수 있다. 그렇지만, 저전압 pMUT들이 사용되는 경우에, ASIC이 아주 근접해 있는 경우, 저전압 pMUT들에 의해 절감된 전력은 고전압으로 작동되는 트랜스듀서들과 비교할 때 허용 가능한 주어진 총 온도 상승에 대한 LNA에서의 잡음을 저하시키는 데 활용될 수 있다.
도 3b는 본 명세서에 개시된 pMUT 요소(220)의 개략 다이어그램을 도시한다. 이 실시예에서, pMUT 요소(220)는 2 개의 서브요소(220a, 220b)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 각각의 pMUT 요소는 하나 이상의 서브요소들을 포함한다. 이 실시예에서, 각각의 서브요소는, 제1 도체(222)에 연결된 제1 전극(223), 제2 도체(227)에 연결된 제2 전극(225), 및 제3 도체(226)에 연결된 제3 전극(224)과 함께, 압전 층(221)을 가지며, 여기서 모든 서브요소들의 제1 도체들은 함께 연결되고 모든 서브요소들의 제2 도체들은 함께 연결된 커넥터들이며 모든 서브요소들의 모든 제3 도체들은 함께 연결된다.
일부 실시예들에서, pMUT 요소(220)는 2 개의 서브요소(220a, 220b)를 포함하고, 여기서 각각의 pMUT 요소는 2 개의 단자를 갖는다. 예를 들어, 220a는 제1 도체(222)에 연결된 제1 전극(223) 및 제2 단자(227)에 연결된 제2 전극(225)을 갖고, 220b는 제1 도체(222)에 연결된 제1 전극(223) 및 제2 단자(227)에 연결된 제2 전극(225)을 갖는다.
일부 실시예들에서, pMUT 요소(220)는 1 개의 서브요소(220a)를 포함하고 여기서 각각의 pMUT 요소는 2 개의 단자를 갖는다. 예를 들어, 220a는 제1 도체(222)에 연결된 제1 전극(223) 및 제2 단자(227)에 연결된 제2 전극(225)을 갖는다.
일부 실시예들에서, 서브요소(220a)는 다수의 서브요소들을 가질 수 있고, 각각의 서브요소는 2 개의 전극을 갖고, 모든 제1 전극들은 제1 도체에 연결되며 모든 제2 전극들은 제2 도체에 연결된다.
도 3c는 2 개의 서브요소(228a, 228b)를 갖는 pMUT 요소(228)의 개략 다이어그램이다. 일부 실시예들에서, 각각의 pMUT 요소는 하나 이상의 서브요소들을 포함한다. 이 실시예에서, 각각의 서브요소는, 제1 도체(229)에 연결된 제1 전극(230) 및 제2 도체(233)에 연결된 제2 전극(232)과 함께, 압전 층(231)을 가지며, 여기서 모든 서브요소들의 제1 도체들은 함께 연결되고 모든 서브요소들의 제2 도체들은 함께 연결된 커넥터들이다.
일부 실시예들에서, 서브요소(228a, 228b)는 다수의 서브요소들을 가질 수 있으며, 하나의 요소에 2 개의 서브요소가 있는 경우에, 각각의 서브요소는 2 개의 전극을 갖고, 제1 서브요소의 제1 전극은 도체에 의해 제2 서브요소의 다른 전극에 연결되며 제1 서브요소의 제2 전극은 제2 서브요소의 나머지 전극에 연결된다.
도 4는 복수의 pMUT(piezoelectric micro machined ultrasound transducer) 어레이 요소들(239)이 배열된 기판(238)을 도시한다. 이 실시예에서, 하나 이상의 어레이 요소들은 트랜시버 어레이(240)를 형성하고, 하나 초과의 트랜시버 어레이들은 기판(238) 상에 포함된다.
종래의 트랜스듀서 어레이들은 개별 압전 요소들을 형성하기 위해 압전 재료, 예를 들면, 벌크 PZT(lead zirconate titanate) 블록을 다이싱하는 것에 의해 형성되는 PZT를 사용한다. 이들은 비용이 많이 드는 경향이 있다. 대조적으로, 본 명세서에 개시된 pMUT 어레이들은 기판(예를 들면, 웨이퍼) 상에 배치된다. 웨이퍼는 다양한 형상들 및/또는 크기들로 되어 있을 수 있다. 예로서, 본 명세서에서의 웨이퍼는 집적 회로들을 제작하는 데 사용되는 반도체 프로세스들에서의 웨이퍼들의 크기들 및 형상들을 가질 수 있다. 그러한 웨이퍼들은 대량으로 그리고 저비용으로 생산될 수 있다. 예시적인 웨이퍼 크기들은 직경이 6, 8 및 12 인치이다.
일부 실시예들에서, 많은 pMUT 어레이들이 저비용으로 배치(batch) 제조될 수 있다. 게다가, 집적 회로들이 또한 pMUT들과 통신하는 데 필요한 연결부들이 서로 정렬되고 pMUT 어레이(도 1의 102)가 아주 근접하게, 전형적으로 일정 거리, 예를 들면, 약 25 μm 내지 100 μm만큼 어레이에 수직으로 아래 또는 그 근위에서 매칭하는 집적 회로(106)에 연결될 수 있도록 하는 치수를 갖도록 설계될 수 있다. 일부 실시예들에서, 102, 104 및 106의 조합은, 도 1에 도시된 바와 같이, 이미징 어셈블리(108) 또는 타일이라고 지칭된다. 예를 들어, 어셈블리(108)의 하나의 예시적인 실시예는, 1024 개의 압전 요소에 대한 적절한 개수의 전송 및 수신 기능들을 갖는 매칭하는 ASIC에 연결된, 1024 개의 pMUT 요소를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 어레이 크기는 1024로 제한되지 않는다. 이는 보다 작거나 보다 클 수 있다. pMUT 요소들의 보다 큰 크기들이 또한 다수의 매칭하는 ASIC들(106)과 함께 다수의 pMUT 어레이들(102)을 사용하는 것, 및 이들을 서로 인접하게 조립하고 이들을 적절한 양의 임피던스 매칭 재료(104)로 덮는 것에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 단일 어레이는 1000 개 미만 내지 10,000 개 범위의 개수의 pMUT 요소들을 갖는 직사각형 어레이들 또는 다른 형상들로 배열된 많은 수의 pMUT 요소들을 가질 수 있다. pMUT 어레이 및 복수의 pMUT 요소들은 매칭하는 ASIC들에 연결될 수 있다.
도 5a는 압전 요소(247)의 예시적인 실시예의 단면을 도시한다. 이 실시예에서, 요소(247)는 기판(252) 상에 배치된, 얇은 압전 필름(241)을 갖는다. 압전 필름은 신호 도체(246)에 연결된 제1 전극(244)을 갖는다. 이 전극은 전형적으로 SiO2가 성장되는 기판 상에 퇴적된다. TiO2 층에 이어 백금이 퇴적되고 그 상에 PZT가 스퍼터링되거나 PZT 졸겔이 도포되어 PZT의 얇은 층을 압전 필름(241)으로서 생성한다. 원하는 형상으로 에칭하는 것에 의해 이것 및 제1 금속 전극이 패터닝된다. 신호 도체(246)가 제1 전극에 연결된다. 제2 전극(240)이 박막(241) 위에 성장되어 제2 도체(250)에 연결된다. 제3 전극(242)이 또한 제2 전극에 인접하게 성장되지만 그것으로부터 전기적으로 격리된다. 제3 도체(248)가 제3 전극에 연결된다. 도시된 전극들의 실제 레이아웃은 정사각형부터 직사각형, 타원형 등의 인접한 전극들 또는 전극이 다른 전극을 둘러싸는 환형 전극들까지 다양할 수 있다. 압전 필름은 상이한 형상들을 가질 수 있으며 기판 및 캐비티 위의 특정 부분들에 존재할 수 있다.
도 5b는 도 5a의 피에조 요소의 심벌 표현이다. 일부 실시예들에서, 제1 도체(246)는 제1 전극(244)에 전기적으로 연결된다. 그러한 연결은 금속, 비아, 층간 유전체(ILD)를 사용할 수 있으며 이들은 단순함을 위해 도시되어 있지 않다. 제1 전극은 압전 층(241)과 접촉한다. 제2 도체는, 제1 전극과 관련하여, 압전 층의 반대편에 퇴적 또는 성장된다. 제2 전극(248)은 제2 도체(242)에 연결된다. 제3 전극(240)은 전극(248)에 인접하게 위치하고 제3 도체(250)는 전극(240)에 연결된다. 제1 전극(244)은 "O" 전극이라고도 지칭된다. 제2 전극은 "X" 전극이라고 지칭되고 제3 전극은 "T" 전극이라고 지칭된다. 단순함을 위해, 비아, 층간 유전체(ILD) 및 다른 금속 층의 사용과 같이 도체들을 전극들에 연결하기 위한 연결 수단이 모든 도면들에 도시되어 있는 것은 아니거나 상세하게 논의되어 있지 않음이 이해된다. 이러한 세부 사항들은 최신 기술에 정통한 사람들에게는 잘 알려져 있다. 또한, 아래에 놓인 멤브레인들을 도시하는 것과 같은 다른 세부 사항들이 도시되어 있지 않다.
PZT의 결정 구조의 비대칭성으로 인해, 전기 극성이 나타나 전기 쌍극자들을 생성한다. 거시적 결정 구조에서, 쌍극자들은 기본적으로 도 6에서 좌측에 도시된 바와 같이 랜덤하게 배향되어 있는 것으로 밝혀질 수 있다. 재료가 기계적 응력을 받을 때, 각각의 쌍극자는 그의 원래 배향으로부터 쌍극자에 저장된 전체적인 전기적 및 기계적 에너지를 최소화하는 방향을 향해 회전할 수 있다. 모든 쌍극자들이 처음에 랜덤하게 배향된 경우(즉, 순 분극(net polarization)이 0인 경우), 그들의 회전은 재료의 거시적 순 분극을 크게 변경하지 않을 수 있으며, 따라서 나타나는 압전 효과는 무시해도 될 정도일 수 있다. 따라서, 대부분의 쌍극자들이 동일한 방향으로 거의 배향될 수 있도록 재료에 초기 상태를 생성하는 것이 중요하다. 그러한 초기 상태는 재료를 폴링하는 것에 의해 재료에 부여될 수 있다. 쌍극자들이 정렬되는 방향은 폴링 방향이라고 한다. 폴링 동안 및 폴링 이후의 쌍극자들의 배향은 도 6(가운데 패널 및 우측 패널)에 도시되어 있다.
따라서 압전 박막들은 사용되기 전에 처음에 폴링될 필요가 있을 수 있다. 이것은, 전형적으로 고온(예를 들면, 175°C)에서 일정 시간(예를 들면, 1 내지 2 분 또는 그 이상) 동안, 필름에 걸쳐 고전압을 인가하는 것에 의해 행해질 수 있다. 도 3의 피에조 요소에서, 2 개의 단자를 갖는 pMUT가 제작될 수 있으며, 예를 들어, 216 및 218에 걸쳐 고전압이 인가될 수 있다. 이 고전압은 1μm 두께의 피에조 필름의 경우 약 15V일 수 있다. 그러한 전압은 폴링에 충분하다.
종래 기술의 pMUT들 또는 벌크 PZT로부터의 다른 피에조 요소들은 전형적으로 2 개의 전극을 갖는다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 압전 요소는, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 2 개(도 3에서) 이상의 전극들을 가질 수 있다. 도 5a 및 도 5b에서, 제1 도체는 폴링 동안 접지 전위에 연결될 수 있는 반면, 제2 도체는 음의 전위, 이를테면, 1μm 두께의 PZT 필름의 경우 -15V에 연결되고 제3 전극은 일정 시간 동안 고온에서 +15V에 연결된다. 이것은 제1 도체와 제2 도체 사이의 필름 대 제1 도체와 제3 도체 사이의 피에조 필름에 대해 반대인, 2 개의 폴링 방향을 PZT 필름에 걸쳐 생성할 수 있다. 폴링이 완료된 후에, 전송 또는 수신 동작 동안, 제2 및 제3 도체들은 접지 또는 바이어스 전압에 연결될 수 있는 반면, 제1 도체는 전송 동작 동안 전송 구동기에 의해 구동되는 ASIC에 연결되거나 수신 동작 동안 스위치들을 통해 LNA에 연결된다. 제2 및 제3 도체들은 또한 0이 아닌 DC 바이어스에 연결될 수 있으며, 여기서 바이어스 값들은 상이할 수 있다.
예시적인 실시예에서의 압전 요소는 멤브레인의 움직임을 생성하거나 멤브레인의 움직임을 전하로 변환하기 위해, 압전 계수인 PZT 횡방향 변형 상수(d31)를 이용하여, 횡방향 변형을 활용한다. 전송 동작에서 필름에 대해 직교 폴링 방향들을 갖는 도 5a 및 도 5b의 PZT 요소는 필름에 대해 단지 하나의 폴링 방향을 갖는 도 3a 및 도 3c에 도시된 구조와 비교하여 주어진 구동에 대한 멤브레인의 움직임을 증폭시킨다. 따라서, 전송 감도가 개선될 수 있어, 인가된 전송 구동의 볼트당 멤브레인의 보다 큰 움직임을 가능하게 할 수 있다.
수신 모드에서, 직교 폴링 방향은 LNA에 의해 감지될 보다 많은 전하를 생성할 수 있다. LNA 연결은 도 7에 심벌로 도시되어 있다. 단순함을 위해 피에조 요소를 LNA에 연결시키는 경로에 있는 모든 요소들이 도시되어 있는 것은 아니다. 특정 실시예들에서, 압전 요소(260)는 도체(262)에 의해 연결된, LNA(268)와 직렬로 있는 스위치에 연결된 제1 전극을 갖는다. 260의 제2 전극은 266이고 0 V(접지)를 포함하는 DC 바이어스에 연결될 수 있다. 270은 pMUT 요소(260)와 충돌하여 전극들(266, 274)에 걸쳐 전하를 생성하는 반사된 초음파 빔을 나타낸다. LNA가 전압 또는 전하 모드에서 동작하도록 설계될 수 있다는 점에 유의해야 한다. pMUT들은 큰 커패시턴스를 갖는 경향이 있을 수 있으며 주어진 양의 전하에 대해, 전압 감지가 사용되는 경우 훨씬 더 작은 커패시턴스를 갖는 PZT 벌크 요소들에 대해서보다 트랜스듀서에 걸쳐 더 낮은 전압을 생성할 것이며, 여기서 트랜스듀서 상의 전압이 증폭된다. LNA의 입력에서의 전압이 작기 때문에, 출력은 잡음이 더 많다. 전하 증폭은, 특히 pMUT들이 수신 모드에서 주어진 입력 압력에 대해 보다 많은 전하 출력을 생성할 때, 전압 모드 동작에 비해 pMUT 요소들의 높은 커패시턴스로 인해 LNA의 출력에서 보다 나은 신호대 잡음비를 제공할 수 있다. 이것은 도 7에 설명되어 있으며, 여기서 Ct에 의해 수신되는 임의의 전하가 훨씬 더 작은 커패시터 Cf를 통해 전송되어, LNA의 출력에 보다 큰 전압을 생성한다. 이러한 LNA들은 또한 신속하게(예를 들면, 1 μsec 미만 내에) 전원이 켜지거나 꺼지도록 설계될 수 있다.
전통적인 2D 이미징은 긴 직사각형 형상으로 설계된 요소들의 열들을 사용하여 행해진다. 대안적으로, 이것은 많은 보다 작은 요소들을 열을 이루게 배열하는 것에 의해 달성될 수 있다. 개별 어레이 요소들이 열을 구성하는 단일의 보다 큰 1D 어레이 요소로서 작용하도록 결합될 수 있다. 이것은, 하나의 신호 도체와 공통 접지 도체를 갖는 보다 큰 요소를 생성하기 위해, 이러한 개별 요소들을 고정 배선하는 것에 의해 달성된다. 전송 구동, 수신 감지 및 제어는 이러한 하나의 결합된 보다 큰 2-리드 pMUT에 대해 구현된다.
도 8a는 본 명세서에서 트랜스듀서의 초음파 이미징 어레이(300)의 예시적인 실시예의 개략 다이어그램을 도시한다. 어레이는 예시 목적으로, 3 개의 행과 3 개의 열로 또는 3 x 3으로 배열된, 9 개의 pMUT 요소로 도시되어 있다. 실제로 어레이 크기가 필요에 따라 더 크거나 더 작은 다양한 크기들일 수 있음이 이해된다. 크기들의 비제한적인 예는 32 x 32, 32 x 64, 32 x 194, 12 x 128, 24 x 128, 32 x 128, 64 x 128, 64 x 32, 64 x 194(열 x 행 또는 행 x 열)를 포함한다.
도 5b에서 사용된 바와 같은 심벌 표현이 여기에서 이 pMUT 어레이에 대해 사용된다. 각각의 압전 요소의 도체는 전극에 연결되고 Oxy로 명명되며, 여기서, 도 8b에서, x는 1 내지 3의 범위이고 y는 1 내지 3의 범위이다. 각각의 압전 요소의 제1 도체는 제1 전극에 연결되고 O11로 명명된다. 게다가, 전자적으로 구성 가능한 이미저에 대한 모든 요소들은 자신들의 O 리드들이 다른 웨이퍼 상에 위치하는 대응하는 전자 장치에 연결된다. X라고 하는 각각의 요소의 제2 전극들은 모두 도체(302)에 의해 다른 요소들에 대한 다른 X 전극들에 연결된다. 도체 O는 신호 도체인 반면, X는 접지 또는 바이어스 라인이다. 도 8b에 도시된 이 실시예에서, O 전극들은 pMUT들이 배치되어 있는 기판에 매우 근접한 ASIC에 연결된다. 32 x 32 pMUT 어레이가 있는 예시적인 경우에, 1024 개의 피에조 요소가 있다. 전형적으로 pMUT 다이 아래에 위치하는, ASIC에 대한 1024 개의 "O" 리드 연결이 있을 수 있다. 이러한 1024 개의 O 라인 각각은 전송 동작 동안에는 전송 구동기에 연결되고 수신 동작 동안에는 LNA의 입력에 연결되며, 여기서 전송 구동기는 수신 모드에서 고 임피던스 상태가 된다.
도 9는 3x3 요소들을 갖는 트랜스듀서 어레이의 예시적인 실시예를 도시하며, 여기서 각각의 요소는 3 개의 리드/노드, 즉 O, X 및 T를 갖는다. O 노드들은 Oxy로서 도시되어 있으며, 여기서 x는 1 내지 3의 범위이고 Y는 1 내지 3의 범위이다. 이러한 O 노드들은 ASIC 내의 구동 및 감지 전자 장치들에 연결될 수 있으며, 여기서 X 노드들은 바이어스 전원 또는 접지에 함께 연결될 수 있고 T 노드들은 다른 바이어스 전원 또는 접지에 함께 연결될 수 있다.
도 10a는 각각의 pMUT 요소가 3 개의 단자를 갖는 예시적인 pMUT 어레이를 도시한다. 이 실시예에서, 어레이는 24 개의 행을 가지며 여기서 각각의 행은 128 개의 요소로 구성된다. 유사하게, 동일한 실시예에서, 각각의 열은 24 개의 요소로 구성될 수 있고, 여기서 모든 요소들은 O, X 및 T로 명명된 3 개의 단자를 가질 수 있다. 예를 들어, 좌측 하부 모서리에 있는 요소에 대한 O 전극은 O0,127로 라벨링되어 있다. 이 요소는 2 개의 다른 전극, 즉 X와 T를 가질 수 있다. 행에 있는 모든 요소들이 도체 X0에 연결될 수 있고 모든 T 단자들이 T0에 연결될 수 있음에 유의한다. 폴링 동작 동안, 모든 O 단자들은 0V에 연결될 수 있고; 모든 X 단자들은 음의 전위 -V0에 연결될 수 있으며; 모든 T 단자들은 양의 전위 +V0에 연결될 수 있다. 다음 행에 대해, 행 R11에 대해 전압들 V11, -V11로 최대 전압이 인가될 때까지 행 1에 대한 전위들은 X1에 대해 보다 높은 -V1 및 T1에 대해 보다 높은 +V1일 수 있다. 상반부 행들에 대한 전압들은 하반부에 대칭일 수 있다. 이러한 바이어스 조건들 하에서, 회로는 약 175°C의 고온에서 폴링될 수 있다. 도 10b는, 이미징 용도를 위한 폴링 이후에, 모든 T 단자들에 대해서도 그러한 바와 같이, 모든 X 단자들이 함께 연결되고 바이어스 전압에 연결될 수 있음을 도시한다. X와 T에 대한 바이어스 전압들이 상이할 수 있음에 유의한다. 이 배열에서, 열을 따른 차동 폴링으로 인해, 고도 방향에서 아포다이제이션이 달성될 수 있으며, 여기서 고도 평면에서 측엽 누설이 최소화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 트랜스듀서 어레이는 또한 요소당 단지 2 개의 단자, 예를 들면, X 단자와 O 단자를 포함할 수 있으며, T 단자는 사용되지 않을 수 있다.
도 11a는 ASIC(500)에 대한 2 개의 트랜스듀서 요소의 상호연결의 개략적 표현이다. 특정 실시예들에서, 2 개의 트랜스듀서 요소(502)는, 다른 기판(512) 상의 전송 및 수신 및 다른 기능들을 포함하는 ASIC에 속하는, 하나의 기판(504) 상에 있다. LNA(516)의 입력은 스위치(514)에 의해 리드(510)에 연결되고, 리드(510)는 그 입력을 트랜스듀서의 신호 도체인 O 리드에 연결시킨다. 일부 실시예들에서, 바이어스 도체(506)는 ASIC 내로 연결되고 나중에 접지 또는 다른 바이어싱 전압들에 대한 연결을 위해 ASIC으로부터 나온다. 이들은 트랜스듀서들의 X 리드들이며 트랜스듀서 및 ASIC의 다른 X 리드들과 함께 연결될 수 있다. 전송 구동기(518)는, 520으로 표시된 바와 같이, 기판(512) 상의 ASIC 외부와의 통신에 의해 제어될 수 있다. 이는 또한 전송 모드에 있을 때의 스위치 연결을 나타내는 스위치(514)에 연결될 수 있다. LNA의 출력과 전송 구동기의 입력은 도 11a에 도시된 바와 같이 2 개의 상이한 리드를 요구할 수 있다. 514와 유사한 멀티플렉서 스위치를 사용하는 것에 의해, 하나의 리드를 사용하는 것이 가능하다. 일부 실시예들에서, LNA 출력에 대한 연결은 수신 모드에서 외부 전자 장치들에 제공될 수 있고, 전송 구동기에 대한 입력은 전송 모드에서 제공될 수 있다.
도 11b는 하나의 열의 전자 장치들에 대한 ASIC 내의 기능 중 일부에 대한 개략적 표현을 도시한다. 기능적으로, 하나의 열의 전자 장치들은 보다 큰 복합 라인 요소를 구성하기 위해 하나의 열의 pMUT들과 직접 인터페이싱할 수 있다. ASIC이 다른 열들 또는 행들에 대한 회로부를 포함할 수 있고 도시되지 않은 다른 지원 회로부를 포함할 수 있음이 이해된다. 또한 원하는 실제 기능이 최신 기술에 익숙한 사람들에게 명백한 것으로 간주되는 상이한 회로 토폴로지로 달성될 수 있음이 이해된다. 도시된 표현은 발상 자체를 예시한 것에 불과하다.
도 11b는 ASIC(600)의 하나의 열의 예시적인 개략도를 도시한다. 특정 실시예들에서, 도체(608)는 도 8a 및 도 8b의 pMUT 어레이 내의 요소에 대한 대응하는 신호 도체(O31)에 연결된다. 유사하게, 도 8a 및 도 8b의 O21은 도 11b의 628에 연결된다. 전송 구동기(606)는 도 11b에서의 도체(608)에 연결될 수 있다. 이 구동기(606)는 그의 입력에 연결된 스위치(602)를 가질 수 있고 해당 열에 있는 스위치들을 통해 해당 열에 있는 다른 전송 구동기들의 입력에 연결되는 리드(616)(라인 요소에 대한 신호 도체)에 연결된다. 스위치들은 제어 유닛(624)에 의해 제어될 수 있으며, 제어 유닛(624)은, 외부 제어기와의 통신을 통해, 어느 스위치(들)가 턴온되어야 하는지를 결정할 수 있다. 신호 도체(616)는 또한 전송 빔포머들을 구현하는 전자 장치들에 연결될 수 있다. O 도체(608)는 또한 스위치(604)에 연결될 수 있고; 스위치(604)의 다른 쪽 측면은 해당 열에 있는 유사한 스위치들(예를 들면, 622)에 연결될 수 있다. 라인(614)은 또한 저잡음 증폭기(LNA)(618)의 입력에 연결될 수 있다. 각각의 라인 요소(또는 열)에 대해 단지 하나의 LNA가 필요할 수 있다. LNA는 수신 모드에서 제어 유닛(624)에 의해 활성화될 수 있으며, 제어 유닛(624)은 또한 스위치들(예를 들면, 604)을 턴 온시키는 반면 다른 스위치들(예를 들면, 602)을 턴 오프시킨다. 이것은 pMUT들의 신호 전극을 (연결부(608)를 통해) LNA에 연결시킬 수 있고, LNA는 수신된 신호를 증폭시키고 낮은 가법 잡음(additive noise)을 갖는 전압 출력(620)으로 변환할 수 있다. 수신 모드에서, 제어기가 또한, 수신 신호를 방해하지 않기 위해, 전송 구동기들을 그들의 출력 임피던스가 매우 높아지는 디스에이블된 모드로 되게 할 수 있다는 점에 유의한다. 전송 모드에서, 피에조 요소가 전송하지 않아야 할 때, 전송 모드에 있는 동안 신호들을 전송하지 않아야 하는 요소들에 대한 pMUT 신호 및 바이어스 전극에 걸쳐 순 0 볼트 구동을 보장하기 위해 스위치들(602 및 604)이 오프인 상태에서 스위치(610)가 턴 온될 수 있다. X 라인들이 또한 ASIC에 연결된다. 도 8a 및 도 8b에서 단지 1 개의 바이어싱 전극 X가 도시되어 있음에 유의한다. 그러나 다수의 바이어싱 전극들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 도 9는 2 개의 바이어싱 전극 X 및 T를 갖는 구현을 도시한다. 원칙적으로, 전체 어레이가 T 및 X 전극에 연결하기 위해 2 개의 연결만이 필요하지만, 고품질 이미징을 달성하기 위해서는 더 많이 갖는 것이 바람직하다. ASIC과 pMUT 사이의 T 및 X에 대한 연결부들의 개수를 증가시키는 것은 접지 또는 바이어스 소스들에 병렬로 연결될 때 X 및 T 도체들에서의 임피던스를 감소시키며, 이는 크로스토크를 감소시킨다. 크로스토크는 한 이미징 요소와 다른 이미징 요소 간의 신호들의 결합이며, 간섭 및 이미지 품질 저하를 야기한다. X 및 T 라인들에 흐르는 전류로 인한 임의의 전압 강하가 이상적으로는 해당 전압에 노출되어서는 안되는 피에조 요소에 걸쳐 나타날 때 스퓨리어스 전기적 결합이 생성될 수 있다. 피에조 요소가 전자적 제어 하에 전송 또는 수신하지 않을 때, X, T 및 O 전극들은 국부적으로 단락된다.
단순함을 위해, 도 11b는 2 개의 바이어싱 도체 중 단지 하나(도 8a 및 도 8b의 X)에 대한 연결만을 도시한다. 그러나 도 9에 도시된 것과 유사한 pMUT 어레이들을 지원하기 위해 X 및 T 단자들 둘 모두를 연결시키기 위한 수단이 또한 존재한다는 것이 이해된다.
일부 실시예들에서, 도 11b에서의 도체(612)는 도 8b에서의 X(302)에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 11b에서의 도체(613)가 또한 X(302)에 연결될 수 있지만, 613에 보다 가까운 위치들 등에서 연결될 수 있다. 이러한 추가적인 상호연결부들(613 및 615)이 필수적이지는 않지만 적어도 하나의 연결부(612 또는 613 또는 615)가 필요하다는 점에 유의한다. 도 11b는 또한 도 9의 T 전극들에 연결하는 데 필요한 회로부를 도시하지 않는다. 필요한 회로부는 X 전극에 대한 연결을 위해 사용되는 것과 유사할 수 있다.
도 11b는 수신 출력(620) 및 전송 입력(616)이 2 개의 리드를 필요로 할 수 있음을 도시한다. 그러나 멀티플렉서를 사용하여, 하나의 리드가 이 목적으로도 사용될 수 있다.
본 명세서에서의 라인 이미저는 다수의 피에조 요소 열들을 포함할 수 있으며, 각각의 열은 적어도 신호 및 바이어스 리드에 의해 제어기에 연결된다. 적절한 주파수의 펄스들이 라인을 구동한다. 다른 라인들은 이 펄스의 지연된 버전들로 구동된다. 특정 라인에 대한 지연의 양은 전송되는 결과적인 빔이, 빔포밍이라고 알려진 동작들에 의해, 일정 각도로 스티어링되거나 특정 깊이에 집속될 수 있게 하는 정도이다.
도 8 및 도 9의 라인 이미저는 전자적으로 구성 가능하다. 하나의 방향으로 있는 24 개의 요소와 직교 방향(이 예에 대해 방위각 방향)으로 있는 64 개의 요소로 배열된 피에조 요소 어레이의 예를 사용하여, 각각의 라인이 최대 24 개의 요소로 구성된 64 라인 이미저가 제작될 수 있다. 그렇지만, 크기는 임의의 라인에 대해 0부터 24 개의 요소까지 전자적으로 조정될 수 있으며 방위각에서의 임의의 수의 라인들이 64 개까지 활성화될 수 있다.
2D 또는 3D 이미저에서 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이 고도 평면의 얇은 슬라이스를 이미징하는 것이 바람직하다. 이 특정 실시예에서, 고도 방향은 좌측 패널에서 ya 축에 있다. 고도 평면(1201)은 ya-za 평면 내에 있다. 동일한 실시예에서, 본 명세서에서 스캔 평면이기도 한, 방위각 평면(1202)은 고도 평면에 직교한다. 도 12b를 참조하면, 기계식 렌즈는 빔들을 고도 평면에서 집속시켜, 빔들이 이탈하여 고도 평면에서 훨씬 더 두꺼운 슬라이스를 형성하고 원하지 않는 반사들이 수신된 신호의 일부가 됨으로써 보다 두꺼운 고도 슬라이스 내의 다른 물체와 부딪쳐 신호 클러터링(signal cluttering)을 증가시키고 이미지 품질을 저하시키는 것을 방지한다.
빔이 의도된 슬라이스 두께를 훨씬 넘어 확산하는 경우, 빔이 잠재적으로 원하는 범위 밖의 타깃들과 부딪칠 수 있으며 이들로부터의 반사들이 재구성된 이미지에 클러터(clutter)를 생성할 것이다. 트랜스듀서 표면 상에 형성된 기계식 렌즈는 도 12b에서 알 수 있는 바와 같이 빔들을 고도 평면에서 고정된 고도 슬라이스 두께로 집속시킬 수 있으며, 여기서 두께는 도 12b에서 알 수 있는 바와 같이, 도 12a에서 고도 평면 초점이라고도 표기된, 고도 초점에서 최소이다. 2D 이미징을 위한 전자적 초점(electronic focus)은 시간의 함수인 동적 수신 초점 덕분에 고도 평면에서의 개선된 초점을 가능하게 할 것이다. 여기서, 빔이 타깃을 향해 아래로 진행함에 따라 고도에서의 초점 거리가 변화되어 우수한 이미지를 결과한다. 3D 이미징의 경우, 고정된 기계식 렌즈는 작동하지 않는데 그 이유는 그 특정 고도 슬라이스가 원하는 체적에 걸쳐 스티어링될 수 없거나 스위프할 수 없기 때문이다. 따라서, 전자적으로 제어되는 고도 초점이 바람직하다.
일부 실시예들에서, 이것은 트랜스듀서를 다수의 상이한 스트립들로 분할하는 것에 의해 달성된다. 도 13a를 참조하면, 특정 실시예에서, 다수의 트랜스듀서 요소들을 갖는 트랜스듀서가 N 개의 열로 구성되며, 여기서 각각의 열은 최대 M 개의 트랜시버 요소 행들을 갖는다. 요소 행들은 제1 개수의 행들을 포함하는 스트립 A - 스트립 A는 최대 N 개의 열을 가짐 -, 행들의 중앙 섹션에 있는 제2 개수의 행들을 포함하는 스트립 B - 각각의 행은 최대 N 개의 열로 되어 있음 -, 및 최대 N 개의 열로 되어 있는 행들의 하부 섹션을 포함하는 스트립 C로 분할될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스트립들 각각은 개별적으로 구동되도록 선택될 수 있고, 여기서 각각의 스트립 내의 열들은 전송 구동기(들)에 의한 동일한 구동을 공유한다. 스트립 A, 스트립 B 및 스트립 C는 인접한 스트립(들)과 중첩하지 않을 수 있다. 대안적으로, 스트립들이 다수의 행들 및 열들에 대해 그의 인접한 스트립과 중첩할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스트립들이 함께 트랜스듀서 요소의 N 개의 열 및 M 개의 행 모두를 커버한다. 일부 실시예들에서, 전기적으로 프로그래밍될 때, 스트립들 모두가 함께 트랜스듀서들의 M x N 어레이의 일부만을 커버할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상부 섹션 A는 해당 섹션 내의 모든 요소들이 요소(들)가 있는 열에 대해 의도된 전송 구동기(들)에 의해 구동되도록 구성된다. 이 실시예에서, 전송 동작에서, N 개의 복합 열(각각의 복합 열은 스트립(들) A, B 또는 C로부터의 행들로부터의 요소들을 포함할 수 있음)을 구동하는 고유 지연들을 갖는 N 개의 전송 구동기는 방위각 평면(1202)에 초음파 빔을 집속시키는 데 사용된다. 수신 동작 동안, 섹션 A에서 충돌하는 반사된 신호는, 도 14에 도시된 바와 같이, 스캔 라인 A1, A2, A3 등을 생성하도록 빔포밍된다. 도 14를 참조하면, 3 개의 PMUT 스트립은 A, B 및 C로서 라벨링되어 있다. 이러한 스트립들은, 열에 있는 요소들이 공통 전송 구동기에 의해 구동되는 경우, N 개의 열에 대한 N 개의 구동기(즉, N 개의 열 각각에 대한 상이한 구동기)를 갖는 PMUT 행들을 포함한다. 스캔 라인들 A1, A2 등은 스트립 A를 사용하는 전송 및 수신에 의해 형성될 수 있다. 스캔 라인들 B1, B2 등은 섹션 B로부터 형성되고 스캔 라인들 C1, C2 등은 섹션 C로부터 형성된다. 이제 3 개의 섹션으로부터의 스캔 데이터를 사용하여, 이번에는 고도 방향에서의 다른 초점이 이전에 열 구동기들을 따른 지연들을 사용하여 방위각 평면에서 빔들을 집속시키는 데 사용된 유사한 기술로 섹션 A, B 및 C로부터의 데이터에 대해 고유한 지연들을 사용하여 수행된다. 이 프로세스는 듀얼 스테이지 빔포머로 생각될 수 있으며, 여기서 제1 스테이지는 A, B, C로부터의 스캔 라인들을 전개하는 것으로 구성되고 제2 스테이지는 해당 데이터를 사용하여 고도 평면에서 초점을 전개한다. 고도에서의 초점은 수신기에서 지연들을 디지털적으로 적용하는 것에 의해 달성된다. 이 기술은 고도 평면에서의 초점을 가능하게 할 뿐만 아니라 초점이 동적일 수 있게 한다. 이 경우에, 초점 거리는 시간의 함수로 조정될 수 있어, 고도 초점이 초음파 빔과 함께 진행할 수 있게 한다.
도 13a 및 도 14에 설명된 프로세스는 세 번의 전송 및 수신을 필요로 할 수 있지만, 섹션 A 및 C로부터의 제1 및 제2 전송 및 수신은 하나의 동작으로 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 트랜스듀서의 상부 부분과 하부 부분 둘 모두로부터의 전송이 동시에 수행될 수 있으며, 여기서 열의 상부 부분과 하부 부분에서의 지연들은 동일하다. 제2 전송은 제1 및/또는 제2 전송에서 사용된 것과 상이한 지연들을 갖는 중앙 부분으로부터의 것이다.
일부 실시예들에서, 상부 섹션, 중앙 섹션, 및/또는 하부 섹션은 하나 이상의 서브섹션들로 분할될 수 있고, 그 각각은 펄스 전송 및 신호 수신을 위한 다수의 행들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 각각의 서브섹션은 본 명세서에 개시된 것과 유사하게 다수의 스캔 라인들을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서 요소 어레이는 3개 초과의 스트립, 예를 들어, 4개, 5개, 6개, 7개 등의 스트립으로 분할될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 스트립에서의 스캔 라인들은 순차적으로 또는 동시에 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 동시 전송에서, 중앙 스트립에 대해 대칭인 스트립들로부터의 스캔 라인들이 획득된다. 일부 실시예들에서, 동일한 열에 있는 요소들에 대한 지연들은 동시에 동작되는 섹션들에 대해 동일하다.
고도 초점이 또한 트랜스듀서의 나머지 부분들과 관련하여 트랜스듀서의 2개의 외측 섹션의 일부에 대해 보다 낮은 진폭의 전압을 사용하는 것에 의해 보조될 수 있다.
일부 실시예들에서, 모든 열들의 각각의 요소에 대해 고도 방향을 따른 고유한 프로그래밍 가능 지연이 구현된다. N 개의 열 모두가 서로에 대해 지연되는 구동 신호들을 수신한다고 가정한다. 열 요소들을 따라 추가의 지연을 추가하기 위해 추가적인 지연들이 생성될 수 있으며, 여기서 열을 따라 있는 각각의 요소는 동일한 열에 있는 그의 인접한 이웃(들)에 대해 상이하게 지연될 수 있다. 지연 프로파일 예는 도 18b에 도시되어 있다. 고도 방향을 따른 모든 열 요소들에 대한 지연은 유사할 수 있다. 일 실시예에서, 지연은 대칭적이며, 고도 평면에서의 초점에 대해 중심 요소에서 최대이다. 외측 요소와 중앙 요소 사이의 지연 차이의 양이 초점 거리를 결정한다.
일부 실시예들에서, 지연 프로파일이 도 18b에 도시되어 있으며, 여기서 열에 대한 에지 요소들에서의 상대 지연은 0xRD 또는 0 ns일 수 있다. 행 1 및 R22에 있는 요소에 대해, 중앙 요소를 중심으로 대칭적인 지연들이 요망되는 경우, 도 18b에 도시된 바와 같이, 행 0에서의 지연에 상대적인 지연은 알파1xRD 등일 수 있다. 지연 RD는 알파1, 알파2 등으로 프로그래밍 가능하다. 따라서, 지연 프로파일은 열을 따라 구성될 수 있으며, 여기서 지연은 열들의 에지에서의 지연에 상대적일 수 있다. 다른 열 요소들에 대한 상대 지연 프로파일이 동일할 수 있음에 유의해야 한다. 다른 실시예들에서, 지연 프로파일은 중앙 요소를 중심으로 대칭적이지 않을 수 있고 임의로 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시예들에서, 지연은 25 ns 내지 1000 ns의 범위에 있다. 일부 실시예들에서, 지연은 10 ns 내지 5000 ns의 상이한 범위들로 프로그래밍 가능하다. 일부 실시예들에서, 지연은 50 ns 내지 500 ns의 범위에 있다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에서의 시스템들 및 방법들을 사용하여 스캔 라인을 획득하는 절차가 도 15에 도시되어 있다. 일부 실시예들에서, 반사된 신호는 트랜스듀서에 의해 수신되고, 이 신호는 전압으로 변환되어 증폭되고 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의해 디지털화된다. 이러한 수신된 신호들은 RF 신호들이라고도 한다. 이러한 RF 신호들은 τn(예를 들면, τ1, τ2, τ3, τ4 ...)만큼 지연되고 합산되어 도 14에서의 스캔 라인, 예를 들면, A1, A2 등을 형성한다. 일부 실시예들에서, 신호들이 지연되고 계수들로 가중되며 이어서 합산되어 스캔 라인들을 형성한다.
일부 실시예들에서, 수신 방향에서 빔을 집속시키는 것은 RF 신호들이라고 하는 디지털화된 출력 샘플들인 방위각 방향(Y)을 따른 하나 초과의 RF 신호들, 예를 들면, S1, S2 등을 활용한다. 일부 실시예들에서, RF 샘플들은, 예를 들어, Y 방향을 따른 지연 프로파일로 지연되고, 결과적인 신호는 가중되고 합산되어 스캔 라인을 형성할 수 있다.
도 14에 예시된 바와 같이, 연속적인 전송 및 수신 이벤트들에서, 스캔 라인 A1, A2 및 추가적인 스캔 라인들은 섹션 A를 사용하여 획득될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 프레임은 이미징되는 타깃 영역의 미세한 스캔을 달성하기 위해 100개 또는 훨씬 더 많은 것과 같은 많은 스캔 라인들을 포함할 수 있다. 섹션 B 및 섹션 C를 사용하여 스캔 라인들을 획득하기 위해 유사한 절차가 사용될 수 있다. 섹션들 A, B, C로부터의 스캔 라인들은 제1 레벨 빔포머를 사용하여 전개되며, 여기서 빔포머는 알고리즘을 사용하여 스캔 라인들을 생성하고, 여기서 설명된 실시예에서 알고리즘은 이전에 설명된 신호 지연 및 합산 방법을 사용하였다. 합성 개구, 제2 레벨 빔포머는 이어서, 도 16에 도시된 바와 같이, 고도 평면에서 초점을 달성하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, 이러한 전송들은 단일 고도각(0도, 10도, 20도, 30도 등)으로 집속되고, 이에 의해 고도 평면 내에 있지 않은 평면 외 클러터(out of plane clutter)를 감소시키고 개선된 이미지를 획득한다.
도 16을 참조하면, 특정 실시예에서, 제2 스테이지 집속/빔포머는 A1, B1 및 C1; A2, B2 및 C2; A3, B3 및 C3 등으로부터의 빔 데이터(즉, 스캔 라인 데이터)를 사용하며, 이들은 고도 평면 집속을 가능하게 하기 위해 지연, 가중 및 합산되어 최종 빔 출력을 형성한다. 이 실시예에서, X는 고도 축이다.
기계식 렌즈와 달리, 합성 렌즈에 대해 본 명세서에 개시된 바와 같이, 초점 거리가 빔포머에 전자적으로 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 프로세스는 트랜스듀서의 임의의 섹션들(예를 들면, 섹션들 A, B, 및 C)로부터 스캔 라인을 형성하기 위해 여러 번의 전송 및 수신(예를 들면, 스캔 라인 A1을 형성하기 위해 N개의 라인으로부터의 1 번의 전송 및 수신)을 필요로 할 수 있다. 프레임을 형성하기 위해, 이미징될 전체 영역을 스캔하기 위해 R 스캔 라인들이 필요하다. 게다가, 이 경우에, 3개의 별도의 프레임들 A, B, C가 필요하다. 일부 실시예들에서, 이미지에서 높은 프레임 레이트를 갖는 것이 바람직하다. 프레임은 많은 스캔 라인들을 포함할 수 있다. 그렇지만, 동일한 개수의 스캔 라인들이 전개될 수 있으면서 전송 및 수신의 횟수가 감소될 수 있는 경우, 프레임 레이트가 증가될 것이다. 일부 실시예들에서, 증가된 프레임 레이트는 2 개의 섹션(예를 들면, A 및 C)으로부터의 전송과 수신을 결합하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이러한 영역들이 중앙 영역에 대해 대칭이기 때문에, 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이 필요한 지연들은 영역들 A 및 C에 대해 동일할 수 있다. 이러한 2개의 영역을 하나의 결합된 영역으로 결합하여 신호들을 전송 및 수신하는 것에 의해, 프레임 레이트가 150%만큼 증가될 수 있다. 중앙 부분 B는 영역들 A 및 C에 대한 제1 전송에서 사용된 지연들과 상이한 지연들을 요구할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스캔 라인들 A1, B1, C1 등이 방위각 평면을 따라 형성된다. 제2 빔포밍 동작은 제1 레벨 빔포머로부터의 데이터를 사용할 수 있고, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 유사한 기술들을 사용하여, 고도 평면에서 초점이 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2D 스캔은 스트립의 한쪽 측면, 예를 들면, 열 N으로부터 시작할 수 있고 다른 쪽 끝, 예를 들면, 열 1에서 완료될 수 있다. 따라서, 프레임 A는 빔 A1, A2, AN ...에 대해 순서대로 스캔하는 것에 의해 획득될 수 있다. 프레임 A에 시간상 후속하는 프레임인 프레임 B에 대해 이 시퀀스를 따르는 것에 의해, 타깃이 이동했을 수 있다. 움직임 아티팩트의 영향을 최소화하기 위해, A1, B1, C1, A2, B2, C2 등과 같은, 상이한 프레임들에 대한 스캔 라인들을 인터리빙하는 것에 의해 빔포밍이 수행될 수 있다. 전송과 수신이 함께 행해질 수 있도록 A와 C가 결합될 때, 결합된 A, C 영역은 D로 명명될 수 있고 스캔 라인들은 D1, D2 등으로 명명될 수 있다. 비제한적인 예시적인 스캔 시퀀스는 D1, B1, D2, B2 등일 수 있다. 이것은 이미징되는 타깃의 움직임들에 대한 민감도를 최소화하는 데 도움이 될 수 있다.
일부 실시예들에서, A, B, C를 형성하는 데 사용되는 행들의 개수는 프로그래밍 가능하다. 행들의 개수는 어떤 해부학적 구조가 이미징되는지에 따라 조정될 수 있으며 사용자 인터페이스에서 사전 설정을 사용하여, 예를 들어, 해부학적 구조 또는 환자 정보에 기초하여, 설정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전자식 합성 렌즈는 동적 집속 및 동적 개구를 제공한다. 예를 들어, 근거리 필드(near field)에서, A와 C에 대한 가중치들이 최소일 수 있고 깊이에 따라 점진적으로 증가하며, 따라서 개구의 변화를 결과할 수 있다.
일부 실시예들에서, 섹션들(예를 들면, A 및 C)은 전송 및 수신 동안에 아포다이즈(apodize)된다. 아포다이제이션은 전송(Tx) 구동 파형의 펄스 폭 변조(PWM)에 의해 달성될 수 있다. 아포다이즈되지 않은 펄스 구동은 공칭 펄스 폭을 갖는다. 펄스 폭이 변경될 때, 예를 들면, 감소될 때, pMUT로부터의 압력 출력이 감소될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아포다이제이션은 트랜스듀서의 중심으로부터 에지들로 감에 따라 요소들에 대한 가중치의 테이퍼링이다. 이것은 측엽들을 감소시키고 보다 높은 품질의 이미지들을 생성할 수 있다. 설명된 절차에 아포다이제이션을 적용하는 것에 의해, 고도 평면 외부로 누설되는 신호들이 감소될 수 있다. 도 10a 및 도 10b는 pMUT 어레이를 사용한 고도 방향에서의 아포다이제이션 구현의 예시적인 실시예를 도시한다. 어레이 내의 각각의 pMUT는 3 개의 단자를 갖는다. 이 실시예에서, pMUT들은 다양한 분극 강도로 프로그래밍될 수 있다. 예를 들면, 도 10a에서의 pMUT 어레이는 피에조 재료 제어 멤브레인들에 대해 상이한 폴링 방향들을 사용하여 그리고 행마다 상이한 폴링 강도를 사용하여 폴링될 수 있다. 도 10b는 폴링 동작 이후의 어레이의 예시적인 바이어싱 연결들을 도시한다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서의 동일한 원리가 단지 2 개의 단자, 예를 들면, O 단자 및 X 단자를 사용하는 pMUT들에 적용된다.
일부 실시예들에서, 아포다이제이션은 다중 레벨 전송 구동, 예를 들어, 3 개 또는 5 개 또는 7 개의 레벨을 사용하여 달성될 수 있다. 이 구동 신호의 상이한 레벨들을 선택하는 것에 의해, 트랜스듀서의 중심보다 에지에 더 가까운 요소들에 대해 진폭이 더 낮은 진폭 변화 전송 구동 신호들을 적용하는 것에 의해 아포다이제이션이 생성될 수 있다. 이 예에서, 중앙 행들에 비해 외측 행들에 있는 모든 요소들은 더 낮은 구동 전압들을 가질 수 있으며, 디지털 디코딩 및 선택에 의해, 특정 구동 레벨들이 다중 레벨 출력들을 형성하는 데 이용 가능할 수 있다. 3 레벨 디코딩 예가 도 22에 도시되어 있다.
일부 실시예들에서, 아포다이제이션은 트랜스듀서 개구의 중심에 있는 것들에 비해 에지들에서 더 작은 크기의 압전 요소들을 사용하는 것에 의해 구현된다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서 요소들은, 도 13a에 도시된 바와 같이, 상부 섹션 A, 하부 섹션 C 및 중간 섹션 B에 배열된다. 도 13b에 도시된 바와 같이, 이러한 섹션들, 즉, 섹션들 A, B 및 C 각각에서, 행에 있는 2 개의 인접한 요소는 전송 및/또는 수신 동작에서 함께 전기적으로 연결되어, 본질적으로 N 라인(본 명세서에서 열과 동등함) 트랜스듀서를 N/2 라인 트랜스듀서로 변환한다. 전송 동작 동안, 모든 라인의 상부 섹션과 하부 섹션은 하나의 채널에 연결될 수 있고 중간 섹션은 다른 채널에 연결될 수 있다. 따라서, N/2 개의 라인에 서비스하기 위해 N 개의 채널이 필요하다. 전송 동작 동안, 모든 요소들이 동작될 수 있고 트랜스듀서 내의 모든 요소들을 활용하여 최대 전송 압력을 생성할 수 있다. 방위각 방향에서 집속시키는 것은 전송 채널들이 라인들 또는 열들 사이의 상대 지연을 변경하는 것에 의해 달성될 수 있다. 수신 동작 동안, 요소들은 도 13b에 도시된 바와 같이 연결될 수 있고 방위각 방향에서 집속될 수 있다. 고도 초점은 도 13a에 대해 논의된 바와 같이 제1 레벨 빔포머의 결과들을 사용하는 빔포밍 동작을 사용하여 수행될 수 있다. 도 13b에 도시된 바와 같이 연결된 트랜스듀서 요소들을 사용하는 전송 및 수신 동작들은 최대 신호대 잡음비 및 빠른 프레임 레이트를 위해 하나의 전송 및 수신 동작이 전체 트랜스듀서를 사용하는 장점을 가질 수 있다. 신호대 잡음비는 도 13a에 도시된 바와 같은 경우보다 높을 수 있으며, 여기서 스트립들 각각은 개별적으로 구동되도록 선택될 수 있고 여기서 모든 트랜스듀서 요소들이 사용되기 때문에 각각의 스트립 내의 열들은 전송 구동기(들)에 의한 동일한 구동을 공유한다. 또한, 도 13a에 도시된 바와 같은 트랜스듀서를 사용하는 것보다 도 13b에 도시된 바와 같은 트랜스듀서를 사용하여 움직임 아티팩트가 감소될 수 있다.
일부 실시예들에서, 고도 방향을 따라 하나 이상의 열에 대해 프로그래밍 가능한 지연들이 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, N 개의 열 모두가 서로에 대해 지연된 구동 신호들을 수신하는 경우, 동일한 열을 따라 있는 요소들에 대한 추가의 지연을 추가하기 위해 추가적인 지연들이 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 열을 따라 있는 각각의 요소가 동일한 열에 있는 그의 인접한 이웃(들)에 대해 상이하게 지연될 수 있다. 지연 프로파일 예는 도 18b에 도시되어 있다. 어레이 요소 elei,j에 대한 유효 지연은 다음과 같이 그룹 열 지연 τj와 개별 행 지연 τi의 합산일 수 있고:
여기서 일부 실시예들에서, 지연 τj, τi는 다음과 같이 결정될 수 있다:
수학식 1 내지 수학식 3에서, 전송 시의 초점은 위치 (x,y,z)에 있고, 지연들은 위치 xj, yi에 있는 요소에 대해 독립적으로 계산될 수 있다. 변수 c는 전파 매체에서의 가정된 음속이다. 완벽하고 분리 가능하지 않은 집속의 경우에, 트랜스듀서 요소 elei,j에 대한 지연은 다음과 같이 계산될 수 있다:
일부 실시예들에서, 방위각 및 고도에서의 지연들의 분리 가능성(separability) 가정이 완전하지 않으며 지연 프로파일에서의 가장 큰 오차가 집속 개구의 외측 요소들에서 발생한다는 점에 유의한다. 그렇지만, 작은 스티어링 각도 및/또는 큰 f수(f/number)(여기서 f수는 개구 직경에 대한 초점 거리의 비임)를 갖는 실시예들의 경우, 이러한 분리 가능성 가정은 전자적 구현의 용이함 및 만족스러운 결과를 제공할 수 있다.
고도(예를 들면, 동일한 행)를 따른 모든 열 요소들에 대한 지연은 유사할 수 있다. 지연은 대칭적일 수 있으며, 고도 평면에서의 초점에 대해 중심에서 최대이다. 지연의 양은 초점 거리를 결정할 수 있다.
일부 실시예들에서, 모든 열들에 대해 고도 방향을 따라 프로그래밍 가능한 지연이 구현될 수 있다. N 개의 열 모두가 서로에 대해 지연되는 구동 신호들을 수신한다고 가정한다. 열 요소들을 따라 추가의 지연을 추가하기 위해 추가적인 지연들이 생성될 수 있으며, 여기서 열을 따라 있는 각각의 요소는 동일한 열에 있는 그의 인접한 이웃에 대해 상이하게 지연될 수 있다. 열에서의 중심 요소에 대한 비대칭 지연들이 또한 달성될 수 있다. 특정 실시예들에서, 고도 평면에서 빔들을 스티어링하는 것이 바람직하고, 열의 각각의 요소가 그의 이웃에 대해 고정된 지연 증분을 갖도록 열에 있는 요소들에 대한 지연들이 생성된다.
일부 실시예들에서, 고도 방향을 따라 프로그래밍 가능한 지연들이 구현될 수 있으며, 여기서 고도 지연들은 2 개의 지연, 예를 들면, 대략적인 선형 지연과 미세한 임의적 지연의 합산일 수 있다. 열을 따라 있는 요소들에 대한 대략적인 선형 지연은, 빔 스티어링에 대해서도 유용할 수 있다. 빔을 틸팅시키기 위해, 열의 하단에 있는 요소는 열의 상단에 있는 요소로부터 횡방향 지연을 가질 수 있으며, 여기서 그 사이의 요소들은 선형 보간된 지연들을 갖는다. 보다 큰 스티어링 각도들에 대해 지연들이 보다 크다. 추가적으로, 열의 요소들을 따른 미세한 지연들은 고도 방향에서 빔을 집속시키는 데 유용할 수 있다. 예를 들어, 지연들이 라인의 중앙 요소에서 보다 크고 지연들이 중앙 요소의 양측에서 대칭적으로 감소하는 경우, 빔은 집속될 수 있다. 작은 지연 값(예를 들어, 수십 ns)은 보다 큰 초점 거리를 갖는 빔을 결과하고 큰 지연 값(예를 들어, 수백 nsec 내지 μsec)은 보다 짧은 초점 거리를 갖는 빔을 결과한다. 일부 실시예들에서, N 개의 열 모두가 서로에 대해 지연된 구동 신호들을 수신하는 경우, 열 요소들을 따라 추가의 지연을 추가하기 위해 고도 지연들이 생성될 수 있으며, 여기서 열을 따라 있는 각각의 요소는 2 개의 지연, 예를 들면, 대략적인 지연 및 미세한 지연에 의해 지연될 수 있고, 여기서 대략적인 지연은 인접한 요소들 간에 선형일 수 있고 미세한 지연은 인접한 요소들 간에 임의적일 수 있다. 열 요소들을 따른 선형 지연은 열마다 상이할 수 있는 것은 물론 열 요소들을 따른 미세한 지연도 열마다 상이할 수 있다. 따라서, 어레이 요소 elei,j에 대한 유효 지연은 다음과 같이 그룹 열 지연 τj, 선형적인 대략적 행 지연 τi,coarse 및 미세한 행 지연 τi,fine의 합산일 수 있고:
여기서 τj, τi,coarse 및 τi,fine은 다음과 같이 계산될 수 있다:
수학식 5 내지 수학식 7에서, 전송 시의 초점은 위치 (x,y,z)에 있고, 지연들은 위치 xj, yi에 있는 요소에 대해 독립적으로 계산될 수 있다. 변수 c는 전파 매체에서의 가정된 음속이다. 수학식 6에서, ymin 파라미터는 초점 (x,y,z)을 2D 트랜스듀서 평면에 투영하고 투영된 초점까지의 최소 거리를 갖는 트랜스듀서 행 위치를 계산하는 것에 의해 계산될 수 있다. 미세한 지연이 완벽한 2D 지연들의 양호한 근사를 제공하는 데 사용될 수 있도록 대략적인 지연의 기울기 Δτ가 계산될 수 있다.
지연들을 계산하기 위한 상기 방법론이 이전에 언급된 X-Y 분리 가능한 지연들과 비교하여 수학식 4의 2D 초점 지연들에 대한 훨씬 더 양호한 근사를 제공할 수 있다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 개선된 지연 계산은 열마다 상이한 지연들을 구현하기 위해 대략 지연 클록, 미세 지연 클록 및 얼마간 더 많은 레지스터 비트들을 필요로 하는 것을 대가로 이루어질 수 있다. 그렇지만 이 방법은 미세한 클록 지연들과 개별 요소 라우팅을 사용하는 2차원에서의 완전히 임의적인 지연보다 집적 회로에서 구현하기가 더 쉽다.
일부 실시예들에서, 캐스케이딩된 플립플롭 시리즈는 적절한 지연을 사용하여 Tx 빔포머로부터 열에 도착하는 클록을 게이팅한다. 이어서 이 지연은 주파수가 프로그래밍 가능한 상이한 클록에 의해 열에서 전파될 수 있지만, 다양한 열 구동기들에 대해 구동기들에 대한 지연을 생성한 Tx 클록과 동기화될 수 있다. 열에서의 중심 요소를 중심으로 한 대칭적인 지연을 위해, 지연들을 생성하는 플립플롭 체인은 열의 중심 요소에서 중단되고, 여기서 지연 프로파일은 도 19에 나타낸 바와 같이 중심을 중심으로 대칭일 수 있다. 행 0의 요소가 마지막 행에 있는 요소와 동일한 지연을 갖고 제2 행에 있는 요소가 상부 측의 마지막으로부터 2 번째 요소와 유사한 지연을 가지며, 이하 마찬가지이도록 플립플롭들에 의해 생성되는 지연들이 적절한 위치들로 라우팅될 수 있다.
일부 실시예들에서, 열에서의 인접한 요소들 사이의 지연들은 선형일 수 있다. 표 1에서의 결과와 도 23a에서의 고도 빔플롯들은 포물선 프로파일과 비교하여 고도에서의 선형 지연 프로파일을 사용한 효과들을 보여준다. 표 1에서의 결과는 도 23a에서의 단방향 빔플롯들의 (-3dB 및 -10dB에서의) 빔폭을 정량화한 것이다. 도 23a에 도시된 바와 같이, 특정 실시예에서, 2D 트랜스듀서 어레이에 대해 고도 집속의 5가지 상이한 구현이 조사된다: 1) 고도 집속 없음 2) 완벽한 2D 집속, 3) 선형 지연, 4) 구분적 선형 지연 및 5) 희소 아포다이제이션. 선형 지연 경우에 대해, 열을 따라 인접한 요소들 사이의 지연들은 서로에 대해 고정될 수 있으며, 고도 지연 프로파일은 어레이의 중심을 중심으로 대칭일 수 있지만 이 조건이 필요하지는 않다. 구분적 선형 지연에 대해, 지연 프로파일은 적어도 3 개의 세그먼트로 분리될 수 있으며 여기서 주어진 세그먼트에서의 인접한 요소들은 서로에 대해 고정된 지연을 갖는다. 이 방법은 다수의 선형 지연 세그먼트들을 포함하는 것에 의해 포물선 지연 프로파일의 보다 나은 근사를 가능하게 할 수 있다. 희소 아포다이제이션 방법은 어레이가 전송 시에 1.5D 어레이와 유사하게 거동하도록 하기 위해 요소들을 턴 온 및 오프시키는 것에 의해 다른 방법들에 비해 활성 요소들의 개수를 감소시킬 수 있다. 이러한 희소 아포다이제이션 방법의 일 예가 도 23b에 도시되어 있다. 이 접근법에서 출력 압력이 완전 개구(full aperture)에 비해 감소될 수 있음에 유의한다. 트랜스듀서의 상이한 스티어링 각도들의 예는 도 44에 도시되어 있다.
표 1에서의 결과는 방위각에서의 0o 스티어링에 대한 고도 빔플롯들의 -3dB 및 -10dB 빔폭을 보여준다. 결과는 선형 지연 방법이 고도 집속을 사용하지 않는 것보다 낫고 완벽한 2D 집속 방법과 유사할 수 있음을 보여준다. 구분적 선형 지연 방법은 예상대로 선형 방법보다 훨씬 더 나은 빔폭 성능을 달성한다. 희소 아포다이제이션 방법은 달성 가능한 빔폭 면에서 고도 집속이 없는 것보다 낫지만 선형 방법만큼 양호하지는 않다. 희소 아포다이제이션 방법이 성능이 떨어지는 이유는 희소 어레이의 "행들"을 따른 피치가 다른 방법들에 비해 감소된다는 사실로 인한 것일 가능성이 가장 크다. 도 23a에서의 고도 빔플롯 결과는 선형 및 구분적 선형 지연 빔플롯들이 -15dB에 이르기까지는 2D 집속된 빔플롯과 유사하다는 것을 보여준다. 희소 아포다이제이션 방법은 행들의 횡방향 오프셋으로 인해 비대칭 빔플롯을 가지며 이 방법은 또한 조사된 모든 방법들 중에서 가장 큰 측엽을 나타낸다. 이 방법들은 또한 축을 벗어나 횡방향으로 스티어링할 때 안정성을 보여준다(도 23a의 우측 패널). 이러한 결과는 앞서 언급된 전자적 고도 지연 방법들이 저가의 배터리 작동형 초음파 시스템들에서의 위상 어레이 및 선형 어레이 이미징에 적합한 대안임을 암시한다.
| 집속 방법 | -3dB 빔폭(mm) | -10dB 빔폭(mm) |
| 고도 집속 없음 | 6.08 | 15.98 |
| 완벽한 2D 집속 | 5.35 | 9.23 |
| 선형 지연 | 5.38 | 9.25 |
| 구분적 선형 | 5.35 | 9.25 |
| 희소 아포다이제이션 | 5.50 | 9.65 |
표 1은 다양한 지연 프로파일들 또는 집속 없음을 사용한 고도 초점 영향을 보여준다. 이들 결과는 도 23a의 0o 방위각 스티어링 빔플롯들의 결과들을 정량화한 것이다. 일부 실시예들에서, 열에 있는 각각의 요소는 전용 전송 구동기를 갖는다. 일부 실시예들에서, 각각의 요소 구동은 클록, 예를 들면, TxB Clk에 의해 구동되는 디지털 지연 회로를 포함한다. 일 실시예에서 지연 회로는 도 17a에 도시된 바와 같이 다수의 플립플롭들을 포함한다. 플립플롭들(예를 들면, DFF1, DFF2, DFF3, DFF4 등)은 열의 하단, 예를 들면, 행 0으로부터 시작하는 디지털 입력을 갖는다. 일부 실시예들에서, TxA는 전송 빔포머로부터 생성된 디지털 비트이다. 전송 빔포머는 채널당 다수의 디지털 비트들을 제공하는 회로부를 포함할 수 있다. 도 17a에 도시된 바와 같이, 채널당 2비트가 사용된다. TxA는 하나의 디지털 비트일 수 있다. TxB는 다른 비트일 수 있다. 예를 들면, 도 17a에서와 같이 TxA에 부착된 것과 동일한 회로부가 TxB 또는 임의의 추가적인 비트들에 대해 사용될 수 있다. 이러한 2 비트는 도 39b에 도시된 바와 같이 전송 구동기에 대한 전압 구동 레벨들을 결정하기 위해 인코딩될 수 있다. 여기서 TxA 및 TXb는 Tx 구동기의 출력 레벨들을 결정하기 위해 디코딩될 수 있는 디지털 신호들이다. 예를 들어, TxA, TxB가 둘 모두 0이거나 출력 레벨이 Common 또는 때로는 신호 접지인 경우; TxA=1, TxB=0인 경우, 출력은 HI이다. 이것은 5V 또는 10V의 양의 전압일 수 있거나 필요에 따라 어떤 다른 값일 수 있다. TxA=0, TxB=1일 때 출력은 LO로 되거나, 예를 들어, Common이 0V일 때 -5V 또는 -10V로 된다. TxA 및 TxB는 TxB CLK라고 하는 고속 클록을 사용하여 Tx 빔포머에서 생성할 수 있다. 이것은, 바람직한 예에서, 200MHz 클록일 수 있다. Tx 펄서 출력으로부터의 지연된 출력 신호들은, 도 18a에 도시된 바와 같이, 초음파 빔들을 스티어링하거나 집속시키는 데 사용될 수 있다. 여기서, 라인 이미저는 하나의 라인에 있는 모든 요소들이 동일한 지연을 공유하는 것으로 가정된다. 각각의 라인 요소는 Tx 빔포머에 의해 송신된 2비트(예를 들면, TxA, TxB)를 가질 수 있다. 다음 라인들에 대한 비트들은 상이하며, 빔을 스티어링하거나 집속시키기 위해 필요에 따라 지연될 수 있다. Tx 빔포머에 의해 적용되는 이러한 지연들은 방위각 축을 따라 있을 수 있으며 축 방향에서 빔을 스티어링하거나 집속시킬 수 있다. 그렇지만, 고도 평면에서 빔을 스티어링하거나 집속시키기 위해 고도 방향을 따라서도 지연들이 필요할 수 있다. 이것은 열에 있는 요소들에 대해 개별적인 지연들을 필요로 할 수 있다. 도 17a는 예시적인 실시예를 도시한다. TxA, TxB 비트들은 Tx 빔포머로부터 열에 도착한다. 플립플롭들(DFF1 내지 DFFN)(단, N은 1 내지 16 또는 32이거나 필요한 만큼 큼)이 모든 행에 위치한다. DFF1의 입력 핀 1은 TXA 또는 TxB에 연결될 수 있다. 플립플롭들의 핀 1은, TxB 클록을 입력으로서 갖는 디지털 분주기에 의해 생성되는, clk_hi라고 명명된 클록에 연결될 수 있다. 분주는 M으로 이루어지고, 여기서 비제한적인 예로서 8 비트 버스로 여기에 도시된 Div Control이라고 라벨링된 디지털 입력 버스는 M의 값을 결정하는 데 사용될 수 있다. 플립 플롭들(DFF1 내지 DFFN), TxA/TxB 입력 신호들의 생성된 지연들은 도 17a에 도시된 바와 같으며, A, B, C는 TxA,TxB의 지연된 버전들이다. 이들의 출력들은 이러한 입력들 중 하나를 출력으로서 선택하는 MUX에 연결될 수 있으며, 여기서 선택은 SEL0, SEL1 등에 의해 제어되는 디코더를 사용하여 행해질 수 있으며 여기서 이들은 F 비트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 행 0의 경우, F 비트가 모두 0인 경우, 1로 라벨링된 포트 상의 입력이 MUX의 출력으로 선택된다. 이 경우에, TxA가 출력으로 선택된다. F의 값이 이진 1인 경우, 1로 라벨링된 포트가 선택될 것이고 A가 MUX의 출력에 연결될 것이다. 요소마다 이 경우에 2인 이러한 디지털 출력들이 이어서 도 22에 도시된 바와 같이 디코딩되어 펄서 출력을 구동하는 데 사용될 수 있다. 이 회로는 열에 있는 요소들에 대해 TxA,TxB 비트들의 들어오는 지연들에 대한 미세한 지연들을 제공할 수 있다. 게다가, 이러한 지연들은 열에 있는 요소들에 대해 고유할 수 있다. 도 17b는 대략적인 지연들이 또한 열에 있는 요소들에 추가될 수 있는 예시적인 실시예를 도시한다. 여기서 N으로 분주하는 다른 분주기가 포함될 수 있다. 입력 clk TxB(단, M은 N보다 작거나 같고 정수임)가 포함될 수 있다. 이 분주기의 출력인 clk_lo는 도 17b에 도시된 DFF의 clk 입력에 연결될 수 있다. 여기서, TxA 또는 (TxA의 지연된 버전인) DFF의 출력은 MUX에 연결할 수 있으며, 지연되지 않은 버전이 선택되는 경우, 이는 행 0 요소에 적용된다. 이것은 이어서 행 1에 있는 DFF의 핀 2에 연결될 수 있다. 행 1 요소가 지연을 필요로 하는 경우, 지연된 버전(DFF의 핀 3 출력)이 행 1에 있는 MUX에 의해 선택될 수 있다. 이것이 다음 요소에 대해 반복될 수 있다. 여기서 행 0에 있는 요소를 제외한 열에 있는 모든 요소들에 대한 지연이 추가될 수 있다. 열을 따라 위로 가면서 요소들에 적용되는 이러한 선형 지연은 빔을 스티어링하는 데 도움이 될 수 있다. 도 17a 및 도 17b에서의 회로들은 또한 열에 있는 모든 요소들에 미세한 지연 및 대략적인 지연을 부여하기 위해 결합될 수 있다. 예를 들어, 이것은 INT_TXA@Row0에 회로부를 추가하고 다른 행들에 유사한 노드들을 추가하는 것에 의해 행해질 수 있으며, 여기서 대략 지연 생성기에 의해 이미 지연된 이러한 출력들에 미세한 지연들을 추가하기 위해 도 17a로부터의 미세 지연 회로부가 삽입될 수 있다. 도 17c는 열에 있는 각각의 요소에 대한 대략적인 및 미세한 지연을 구현하기 위한 바람직한 실시예를 도시한다. TxA 또는 TxB 비트들은 TxA/B가 mux1의 핀 1에 연결된 것으로 도시되어 있다. 이 입력이 UP으로 표시된 컨트롤에 의해 선택되는 경우, mux1의 출력에 TxA/B가 나타난다. 이 신호는 이어서 clk _lo를 사용하여 DFF a에 의해 지연될 수 있다. 이어서 플립플롭의 출력은 mux2에 이용 가능하게 될 수 있으며, 이 입력이 (no_lin_delay 컨트롤을 사용하여) mux2에 의해 선택되는 경우, mux2의 출력은 도 17a에서의 출력과 유사하게 DFF1 내지 DFFN에 연결된다. 이 회로부는 미세한 지연을 제공할 수 있다. DFF a의 출력에 따라, mux1과 유사한, 다음 행에 대한 mux로 간다. 이 신호는 이어서 그에 연결된 DFF에 의해 지연될 수 있다. 수직으로 다른 행들로 가면서 동일한 프로세스가 반복될 수 있다. 이것은 열에 있는 요소들을 따라 위로, 예를 들면, 행 0으로부터 다른 행들로 가면서 신호들을 선형으로 지연시킬 수 있다. 각각의 행에서, DFF1 내지 DFFN은 열에 있는 모든 요소들에 원하는 대로 미세한 지연을 추가할 수 있다. mux1 및 모든 행들에 대한 유사한 mux들의 제2 입력은 상단에서의 최소 지연으로 시작하여 하단(행 0)에서의 최대 지연까지 신호들을 선형으로 지연시키는 데 사용될 수 있다. 이것에서의 TxA/B는 마지막 행에 있는 mux1과 똑같은 것(clone)의 핀 2에도 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, MUX1(및 다른 행들에 있는 그의 등가물들)에서의 UP 컨트롤을 사용하여, 지연이 하단으로부터 상단으로 또는 그 반대로 증가할 수 있다.
도 21은 펄서 파형들, 즉 고도 초점에 대한 지연 및 디코딩이 완료된 후의 전송 구동기의 출력을 도시하며, 여기서 P1은 1 개의 지연 유닛을 사용한 요소 1에 대한 전송 구동기 출력을 나타내고, P2는 요소 2에 적용되는 2 개의 지연 유닛에 대한 것이며, P4는 4 개의 지연을 사용한 요소 4의 출력 전송 구동기의 출력이다. 이 경우에, 열을 따라 위로 가면서의 대략적인 지연만이 도시되고 이 다이어그램에 미세한 지연은 도시되어 있지 않다.
도 18b는 열에 있는 요소들에 대한 상대 지연을 도시한다. 일부 실시예들에서, 지연의 양은 초점 거리를 결정한다. 일부 실시예들에서, 모든 열들에 대한 시작 지연은 상이할 수 있고, 방위각 축을 따라 집속할 필요성에 의해 설정될 수 있다. 고도 축을 따른 지연은 임의적일 수 있다. 예를 들어, 지연은 트랜스듀서의 하단 행으로부터 상단 행으로 가면서 선형적으로 증가할 수 있다. 이 경우에, 빔이 고도 방향에서 스티어링될 수 있다. 지연이 중앙 요소를 중심으로 대칭인 경우, 초점은 고도 평면에 있다. 다른 다양한 지연 프로파일들이 또한 가능하며 고도 슬라이스의 초점과 스티어링을 가능하게 할 수 있다.
도 19는 트랜스듀서의 열을 따라 압전 요소들에 인가되는 전송 구동 펄스들의 비제한적인 예시적인 파형들을 도시한다. 이 실시예에서, 트랜스듀서는 열에 24 개의 압전 요소를 갖는다. P0은 행 0에서 특정 열(예를 들면, 열 1, 열 2, 열 3, 열 4, 열 5, 열 6, 열 7, 열 8, 열 9, 열 10, 열 11 등)에 있는 압전 요소이고, P1은 행 1에서 P0과 동일한 열에 있는 압전 요소이며, P11은 행 11에서 동일한 열에 있고, P22는 행 22에서 동일한 열에 있으며, P23은 행 23에서 동일한 열에 있다. 이 실시예에서, 특정 주파수의 하나의 펄스가 요소 P0에 인가된다. P0에 대해 t01만큼 지연된 동일한 펄스가 요소 P1에 인가된다. 유사하게, 지연 t01보다 긴 지연 t011을 갖는 동일한 펄스가 P11에 도착한다. 이 실시예에서, 지연들은 중심 요소 P11을 중심으로 대칭성을 갖는다. 이것은 도 19에 나타낸 바와 같이 P23과 P0에서의 펄스 타이밍이 실질적으로 동일하고, P1과 P22에서의 펄스 타이밍이 실질적으로 동일하며 이하 마찬가지임을 의미한다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서의 펄스(폭, 크기, 형상, 및/또는 주파수)는 동일한 열의 모든 요소들에 대해 동일하다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서의 펄스 상대 지연 및 주파수는 하나의 열에 대해 2 개의 행에 있는 모든 요소들에 대해 동일하거나, 또는 하나의 열에 있는 첫 번째 요소에 대한 초기 지연이 상이한 열에 있는 유사한 요소와 상이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서의 펄스는 다양한 형상들을 가지며 파형은 다수의 펄스들을 가질 수 있다. 펄스의 비제한적인 예시적인 형상들은 직사각형 펄스, 가우시안 및 사인파형 펄스 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예들에서, 지연들, 예를 들면, t01, t02, t03, ..., t011은 모든 선택된 열들에 있는 모든 요소들에 대해 전자적으로 프로그래밍되고 제어된다.
도 20은 열들 사이의 지연 관계를 도시한다. 이 특정 실시예에서, 지연들은 전송 빔포머 채널 지연들에 의해 결정된다. 예를 들어, t10은 열 0에 있는 요소 0과 열 10에 있는 요소 0 사이의 지연이다. 이러한 지연들은 전송 빔포머에서 프로그래밍되며 도 12a에서의 xa-za 평면에 도시된 바와 같이 방위각 평면에서 빔을 집속시키는 것을 돕기 위해 전기적으로 조정 가능하다. 일부 실시예들에서, 열에 있는 요소들 사이의 지연들은, 도 12a에서의 ya-za 평면에 도시된 바와 같이, 고도 평면에서 빔을 집속시키거나 빔을 틸팅하도록 개별적으로 프로그래밍된다. t01은 동일한 열에 있는 요소들(예를 들면, 열 0에 있는 요소 0과 요소 1 및 열 10에 있는 요소 0과 요소 1) 사이의 예시적인 지연이다. 일부 실시예들에서, 열에 있는 요소들의 지연들은 해당 채널에 대한 전송 빔포머에 의해 결정된 시작 지연에 대한 것이다. 일부 실시예들에서, 시작 지연은 전송 빔포머에 의해 미리 결정되거나 전송 빔포머에 의해 조정 가능할 수 있다.
도 22를 참조하면, 특정 실시예에서, 펄서 기능의 예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 2 개의 디지털 입력, 즉, IN1(예를 들어, 도 17a 내지 도 17d에서의 TxA), IN2(예를 들어, 도 17a 내지 도 17d에서의 TxB)는 펄서의 전압 출력 레벨을 제어한다. 이 2 개의 입력의 논리 레벨들에 기초하여, 3 레벨 출력 결과가 생성될 수 있으며, 여기서 HVP0은 양의 하이 전압(positive high voltage), HVM0은 음의 로우 전압(negative low voltage), XDCR은 유효 접지 레벨 또는 0V이다. 이 실시예에서, 동일한 펄스 형상의 5 개의 사이클이 출력 결과로서 생성된다. 일부 실시예들에서, IN1, IN2 패턴 및/또는 패턴의 주파수를 변경하는 것에 의해, 출력 결과의 펄스들의 패턴, 주파수, 및/또는 개수가 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서의 논리 레벨들 또는 논리 코딩들은 하나 이상의 입력들의 디지털 논리 연산들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 논리 연산들은 하나 이상의 입력들에 대해 AND, NOT, OR, NAND, XOR, NOR, XNOR 또는 임의의 다른 논리 연산들 중에서 선택된 하나 이상의 논리 연산자들을 사용하는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 캐스케이딩된 플립플롭 시리즈/체인은 적절한 미리 결정되거나 미리 프로그래밍된 지연을 두고 해당 열에 대한 전송 구동기로부터 하나 이상의 열에 도착하는 전송 클록을 게이팅한다. 일부 실시예들에서, 이 지연은 이어서 주파수가 프로그래밍 가능한 상이한 클록에 의해 열에서 전파되지만, 다양한 열 구동기들에 대해 구동기들에 대한 지연을 생성한 전송 클록에 동기화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 지연(들)을 생성하는 플립플롭 체인은 열의 중심 요소에서 중단되고, 여기서 지연 프로파일은 도 19에서와 같이 중심을 중심으로 대칭이다. 행 0의 요소가 마지막 행에 있는 요소와 동일한 지연을 갖고 제2 행에 있는 요소가 상부 측의 마지막으로부터 2 번째 요소와 유사한 지연을 가지며, 이하 마찬가지이도록, 플립플롭들에 의해 생성되는 지연들이 하나 이상의 열에 있는 적절한 위치들로 라우팅될 수 있다.
실시예들에서, 고도 초점은 다양한 지연 프로파일들을 사용하여 달성된다. 지연이 열의 하단으로부터 상단으로 단조 증가하거나 감소하도록 고도 방향에서 선형 지연 프로파일을 사용하는 것은 고도 방향에서 빔을 스티어링할 수 있다. 그 외에도, 빔에 대한 어떤 추가적인 곡률(단 열들의 단부들에서 곡률이 0임)은 빔 스티어링 외에도 초점을 가능하게 할 수 있다. 이론적인 지연들의 선형 근사들은 스티어링 및 초점을 제공하고 본 명세서에서의 실시예들에서 설명된 경제적인 구현들을 가능하게 하기에 충분히 정확할 수 있다.
도 24a는 본 명세서에서의 초음파 이미징 시스템(1800)을 도시한다. 묘사된 바와 같이, 이미징 시스템은 트랜시버 기판(1802); 및 트랜시버 기판에 전기적으로 결합된 ASIC 칩(1804)을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 트랜시버 기판(1802)은 하나 이상의 압전 요소들(1806)을 포함할 수 있고, 여기서 압전 요소들 각각은 하나 이상의 멤브레인들 상에 배치될 수 있다. 실시예들에서, 하나 초과의 압전 요소들이 하나의 멤브레인 상에 배치될 수 있다.
실시예들에서, 압전 요소들(1806a 내지 1806n) 각각은 2개 이상의 전극들을 가질 수 있고 이러한 전극들은 ASIC 칩(1804)에 수용된 구동/수신 전자 장치에 연결될 수 있다. 실시예들에서, 각각의 압전 요소(예를 들면, 1806a)는 도체(O)(예를 들면, 1814a)에 전기적으로 연결된 상부 도체와 도체들(X,T)(예를 들면, 1810a 및 1812a)에 전기적으로 연결된 2 개의 하부 전극을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 도체(1810a)는 DC 바이어스(X)(1832a) 또는 접지에 전기적으로 결합될 수 있고, 도체(T)(1812a)는 DC 바이어스(T)(1834a) 또는 접지에 결합될 수 있다.
실시예들에서, ASIC 칩(1804)은 하나 이상의 압전 요소들(1806a 내지 1806n)에 각각 전기적으로 결합된 하나 이상의 회로들(1842a 내지 1842n); 및 회로들(1842a 내지 1842n)을 제어하기 위한 하나의 제어 유닛(1840)을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 각각의 회로(예를 들면, 1842a)는 전송 구동기(1813a), 수신기 증폭기(예를 들면, 1811a), 도체(O)(1814a)에 전기적으로 결합된 1 개의 단자와 전송 구동기(1813a) 및 증폭기(1811a)에 결합된 2 개의 도체 사이를 토글하는 다른 단자를 갖는 스위치(예를 들면, 1816a)를 포함할 수 있다. 전송(Tx) 모드/프로세스 동안, 스위치(1816a)는 신호가 압전 요소(1806a)의 상부 전극으로 전송되도록 전송 구동기(1813a)를 압전 요소(1806a)에 연결시킬 수 있다. 수신(Rx) 모드/프로세스 동안, 스위치(1816a)는 신호가 압전 요소(1806a)의 상부 전극으로부터 증폭기(1811a)로 전송되도록 증폭기(1811a)를 압전 요소(1806a)에 연결시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 전송 구동기(1813a)는 다양한 전기 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 그렇지만, 간결함을 위해, 전송 구동기(1813a)는 하나의 구동기로 표현되어 있다. 그러나, 전송 구동기가 많은 기능들을 갖는 보다 복잡한 구동기를 포함할 수 있다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 수신된 신호들을 프로세싱하기 위한 전기 컴포넌트들은 증폭기(1811a)에 연결될 수 있지만, 도 24a에는 단지 하나의 증폭기(1811a)가 도시되어 있다. 실시예들에서, 증폭기(1811a)는 LNA(low noise amplifier)일 수 있다. 실시예들에서, 회로(1842n)는 회로(1842a)와 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있다.
실시예들에서, DC 바이어스들(X)(1832a 내지 1832n) 모두는 동일한 DC 바이어스 또는 접지에 연결될 수 있다, 즉, 도체들(X)(1810a 내지 1810n) 모두는 단일 DC 바이어스 또는 접지에 연결될 수 있다. 유사하게, DC 바이어스들(X)(1834a 내지 1834n) 모두는 동일한 DC 바이어스 또는 상이한 DC 바이어스에 연결될 수 있다, 즉, 도체들(T)(1812a 내지 1812n) 모두는 단일 DC 바이어스 또는 접지에 연결될 수 있다.
실시예들에서, 도체들(X, T 및 O)(1810, 1812 및 1814)은 상호연결 기술 - 예를 들어, 화살표(1880)로 표시된 바와 같이, (도 24b에서의 1882와 같은) 구리 필라 인터커넥트들 또는 범프들 - 을 사용하여 ASIC 칩(1804)에 연결될 수 있다. 실시예들에서, ASIC 칩(1804) 내의 회로부 컴포넌트들은 인터커넥트(1830)를 사용하여 ASIC 칩(1804) 외부와 통신할 수 있다. 실시예들에서, 인터커넥트(1830)는 ASIC 칩(1804) 상의 패드들로부터 ASIC 칩 외부의 다른 패드로의 본딩 와이어들을 사용하여 구현될 수 있다. 실시예들에서, 와이어 본딩된 패드들 외에도, ASIC 칩(1804) 상의 범프 패드들 또는 재배선 범프들과 같은, 다른 유형의 인터커넥트들이 사용될 수 있다.
실시예들에서, 회로들(1842)에 포함된 LNA들(1811)은, 수신 아날로그 프론트 엔드(AFE)의 일부와 같은, ASIC 칩(1804) 외부에서 구현될 수 있다. 실시예들에서, LNA는 ASIC 칩(1804)에 존재할 수 있고 다른 LNA 및 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA)는 AFE에 존재할 수 있다. 각각의 LNA(1811)의 이득은 실시간으로 프로그래밍될 수 있어, LNA가 이미저에 필요한 시간 이득 보상 기능(TGC)의 일부가 되도록 할 수 있다.
실시예들에서, LNA들(1811)은 저전압 트랜지스터 기술들을 사용하여 제작될 수 있으며, 이에 따라, 종래의 트랜스듀서들이 필요로 하는 높은 전송 전압들에 노출되면 손상될 수 있다. 따라서 종래의 시스템들에서, 높은 전송 전압들을 저전압 수신 회로부로부터 분리시키기 위해 고전압 전송/수신 스위치가 사용된다. 그러한 스위치는 크고 고가일 수 있으며, 고전압(HV) 프로세스들을 사용하고, LNA로 송신되는 신호를 열화시킬 수 있다. 이와 대조적으로, 실시예들에서는, 낮은 전압들이 사용될 수 있고, 이에 따라, 종래의 시스템의 고전압 컴포넌트들이 더 이상 필요하지 않을 수 있다. 또한, 실시예들에서, 종래의 HV 스위치를 제거하는 것에 의해, 종래의 HV 스위치에 의해 야기되는 성능 열화가 회피될 수 있다.
실시예들에서, 압전 요소들(1806)은 스위치들(1816)에 의해 수신 모드 동안 LNA들(1811)에 연결될 수 있다. LNA들(1811)은 압전 요소들에 압력을 가하는 반사된 압력파들에 의해 생성되는 압전 요소들(1806) 내의 전하를 저잡음을 갖는 증폭된 전압 신호로 변환할 수 있다. 수신된 신호의 신호대 잡음비는 재구성되는 이미지의 품질을 결정하는 핵심 인자들 중 하나일 수 있다. 따라서 LNA 자체에서의 고유한 잡음을 감소시키는 것이 바람직하다. 실시예들에서, 입력 스테이지에서 보다 많은 전류를 사용하는 것과 같이, LNA들(1811)의 입력 스테이지의 트랜스컨덕턴스를 증가시키는 것에 의해 잡음이 감소될 수 있다. 전류의 증가는 전력 소실과 열의 증가를 야기할 수 있다. 실시예들에서, pMUT들(1806)은 낮은 전압들로 동작될 수 있고 ASIC 칩(1804)에 매우 근접해 있을 수 있으며, 이에 따라, 주어진 총 온도에 대한 LNA들(1811)에서의 잡음을 높은 전압들로 동작되는 종래의 트랜스듀서들과 비교하여 허용 가능한 정도로 낮추기 위해 저전압 pMUT들(1806)에 의해 절감된 전력이 활용될 수 있다.
도 24b는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리(1850)의 개략 다이어그램을 도시한다. 실시예들에서, 트랜시버 기판(1852) 및 ASIC 칩(1854)은, 제각기, 트랜시버 기판(1802) 및 ASIC 칩(1804)과 유사할 수 있다. 종래의 시스템들에서, 압전 트랜스듀서들을 구동하기 위한 전자 장치들은 전형적으로 압전 트랜스듀서들로부터 멀리 떨어져 위치하며 동축 케이블을 사용하여 압전 트랜스듀서들에 연결된다. 일반적으로, 동축 케이블은 전자 장치에서의, 추가적인 커패시턴스와 같은, 기생 부하(parasitic loading)를 증가시키고, 추가적인 커패시턴스는, 잡음의 증가 및 신호 전력의 손실과 같은, 중요한 성능 파라미터들의 손실을 야기한다. 대조적으로, 도 24b에 묘사된 바와 같이, 전송 구동기 또는 구동기들(또는 등가적으로 회로들)(1862a 내지 1862n)은 (화살표(1880)로 표시된 바와 같은) 저 임피던스 3차원(3D) 상호연결 메커니즘, 예컨대, Cu 필라들 또는 솔더 범프들(1882), 또는 웨이퍼 본딩 또는 유사한 접근법들 또는 그러한 기술들의 조합을 사용하여 압전 요소들(또는 등가적으로 픽셀들)(1856a 내지 1856n+i)에 직접 연결될 수 있다. 실시예들에서, 트랜시버 기판(1852)을 ASIC 칩(1854)에 통합시킬 때, 회로들(1862)은 압전 요소들(1856)로부터 수직으로 100 μm 미만 (정도) 떨어져 위치할 수 있다. 실시예들에서, 구동기 회로들(1862)과 압전 요소들(1856) 사이의 임피던스 매칭을 위한 임의의 종래의 디바이스가 필요하지 않을 수 있어, 이미징 어셈블리(1800)의 설계를 더욱 단순화하고 이미징 어셈블리(1800)의 전력 효율을 증가시킬 수 있다. 회로들(1862)의 임피던스는 압전 요소들(1856)의 요구사항과 매칭하도록 설계될 수 있다.
실시예들에서, 도 24a에서, 압전 요소들(1806a 내지 1806n) 각각은 ASIC 칩(1804)에 위치한 회로들(1842a 내지 1842n) 중 대응하는 것에 전기적으로 연결될 수 있다. 전송 구동기들(1813a 내지 1813n)의 입력들에서의 신호들은, 예를 들어, 도 17a 내지 도 17d에는 도시되어 있지만 도 24a 및 도 24b에는 명시적으로 도시되어 있지 않은 회로들을 사용하여 생성될 수 있다. 실시예들에서, 이러한 배열은 이미저가 3차원 이미지들을 생성하도록 할 수 있다. 유사하게, 도 24b에서, 압전 요소들(1856a 내지 1856m) 각각은 X, T 및 O로 표현된 3 개의 리드를 가질 수 있다. 압전 요소들 각각으로부터의 리드들은 인터커넥트 수단(1882)에 의해 ASIC 칩(1854)에 위치한 회로들(1862a 내지 1862m) 중 대응하는 것에 전기적으로 연결될 수 있다. 추가적으로, 실시예들에서, 1856n 내지 1856n+i와 같은, 압전 요소들의 라인이 하나의 공통 회로(1862n)에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예들에서, 전송 구동기 회로(1862n)는 하나의 전송 구동기로 구현될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 전송 구동기 회로(1862n)는 다양한 이미징 모드들을 용이하게 하기 위해 다중 레벨 구동기들로 구현될 수 있다.
ASIC 칩(1854)이 회로(1862n)와 유사한 임의의 적합한 개수의 회로들을 가질 수 있다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 실시예들에서, 제어 유닛(1892)은 2차원 픽셀 어레이에서 수평으로 또는 수직으로 압전 요소들을 구성하고, 그들의 길이를 구성하며, 그들을 전송 또는 수신 또는 폴링 모드 또는 유휴 모드에 두는 능력을 가질 수 있다. 실시예들에서, 전송 구동기 회로(1813)는 도 22 및 도 39에 도시된 바와 같이 다중 레벨 구동으로 구현될 수 있으며, 여기서 전송 구동기 출력은 2개 초과의 출력 레벨을 가질 수 있다. 도 39a는 출력 레벨이 0V 또는 6V 또는 12V일 수 있는 실시예를 도시한다. 이러한 전압들이 상이할 수 있으며, 예를 들어, -5V, 0V 및 +5V일 수 있음이 이해된다. 전송 구동기는 또한, 도 38에 도시된 바와 같이, 구동 신호를 갖는 2 레벨 구동기일 수 있다.
실시예에서, 리드 라인들(1882a 내지 1882n)은 압전 요소들(1856)의 전극들(O)에 펄스들을 인가하는 데 사용되는 신호 도체들일 수 있다. 유사하게, 리드 라인들(1884a 내지 1884n, 1886a 내지 1886n, 및 1888a 내지 1888n)은 압전 요소들(1856a 내지 1856ni)과 신호들을 통신하는 데 사용될 수 있다. 신호들/데이터를 이미징 어셈블리(1800)와 통신하기 위해 다른 적합한 개수의 리드 라인들이 사용될 수 있음에 유의한다.
실시예들에서, 리드 라인들(X)(1886) 및 리드 라인들(T)(1888) 각각은 접지 또는 DC 바이어스 단자에 연결될 수 있다. 실시예들에서, 디지털 제어 리드(1894)는 디지털 제어 버스일 수 있고 이미징 어셈블리(1850) 내의 다양한 기능들을 제어하고 어드레싱하는 데 필요한 하나 이상의 리드들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 리드들은, SPI(Serial Peripheral Interface) 또는 다른 프로토콜들과 같은, 통신 프로토콜들을 사용하여 ASIC 칩(1854)의 프로그래밍 가능성을 가능하게 할 수 있다.
실시예들에서, 압전 요소들(1806)(또는 1856) 및 제어 전자 장치들/회로들(1842)(또는 1862)은 동일한 반도체 웨이퍼 상에 전개될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 트랜시버 기판(1802)(또는 1852)과 ASIC 칩(1804)(또는 1854)은 개별적으로 제조될 수 있고, 범프들(1882)을 사용하는 금속 상호연결 기술과 같은, 3D 상호연결 기술에 의해 서로 결합될 수 있다. 실시예들에서, 상호연결 기술은 낮은 수율 증대 효과를 제거하여, 이에 의해 제조 비용을 낮추고 컴포넌트들의 수율을 독립적으로 최대화할 수 있다.
실시예에서, 리드 라인들(1862a 내지 1862n)은 압전 요소들(1806)의 전극들(O)에 펄스들을 인가하는 데 사용되는 신호 도체들일 수 있다. 유사하게, 리드 라인들(1864a 내지 1864n, 1866a 내지 1866n, 및 1868a 내지 1868n)은 압전 요소들(1806a 내지 1806n)과 신호들을 통신하는 데 사용될 수 있다. 신호들/데이터를 이미징 어셈블리(1800)와 통신하기 위해 다른 적합한 개수의 리드 라인들이 사용될 수 있음에 유의한다.
위에서 논의된 바와 같이, LNA들(1811)은 전하 감지 모드에서 동작할 수 있고, 각각은 이득 보상을 제공하도록 실시간으로 구성될 수 있는 프로그래밍 가능한 이득을 가질 수 있다.
도 25는 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소들(2002-11 내지 2002-mn)의 m x n 어레이(2000)의 개략 다이어그램을 도시한다. 묘사된 바와 같이, 각각의 압전 요소는 (도 3a에서의 압전 요소(214)와 같은) 2 단자 압전 요소일 수 있고 도체(O)(예를 들면, 2004-11)에 전기적으로 결합된 전극(O)(예를 들면, 2003-11) 및 공통 도체(X)(2006)를 통해 접지 또는 DC 바이어스 전압에 전기적으로 연결된 전극(X)을 가질 수 있다. 실시예들에서, 각각의 신호 도체(O)는 회로 요소에 의해 독립적으로 관리될 수 있다. 실시예들에서, 각각의 도체(O)(예를 들면, 2004-mn)는 회로 요소의 전송 구동기에 전기적으로 결합될 수 있는 반면, 압전 요소 어레이의 X 전극들(2006-11 내지 2006-mn) 모두는 공통 도체(X)(2006)에 연결될 수 있다. 실시예들에서, 어레이(2000)는 트랜시버 기판 상에 배치될 수 있고, m x n + 1 개의 범프들과 같은, 상호연결 메커니즘에 의해 ASIC 칩에 전기적으로 결합될 수 있다. 보다 구체적으로, m x n 개의 도체들(O)(2004-11 내지 2004-mn)은 m x n 개의 범프들에 의해 ASIC 칩의 m x n 개의 전송 구동기들에 결합될 수 있고 공통 도체(X)(2006)는 하나의 범프에 의해 ASIC 칩에 결합될 수 있다. 실시예들에서, 여기에 설명된 바와 같은그러한 예시적인 배열은 3D 이미징을 수행하는 데 사용되며, 여기서 적어도 하나의 서브 압전 요소를 포함한 각각의 압전 요소는 어레이에서의 고유한 정보를 제공할 수 있다. 실시예들에서, 각각의 압전 요소는 하나 이상의 멤브레인들을 가질 수 있고 멤브레인들의 다수의 모드들 및 주파수들에서 진동할 수 있다. 실시예들에서, 각각의 압전 요소(2002)는 도 38 및 도 39에서의 전압 프로파일들(3300 및 3400)을 갖는 펄스들에 의해 구동될 수 있다.
실시예들에서, 각각의 열에 있는 O 전극들(예를 들면, 2003-11 내지 2003-m1)은 공통 도체에 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, ASIC 칩 내의 회로 요소들은 각각의 열에 있는 O 전극들이 서로 전기적으로 결합될 수 있도록 전자적으로 제어될 수 있다. 그러한 구성에서, 각각의 열에 있는 O 전극들은 전송 모드 동안 공통 전송 구동기를 통해 또는 동일한 전기 구동 신호들을 갖는 다수의 구동기들에 의해 동일한 전기 펄스를 수신할 수 있다. 유사하게, 각각의 열에 있는 O 전극들은 수신 모드 동안 전하를 공통 증폭기로 동시에 전송할 수 있다. 달리 말하면, 각각의 열에 있는 압전 요소는 라인 유닛(또는 등가적으로 라인 요소)으로서 동작될 수 있다.
도 26은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소들(2102-11 내지 2012-mn)의 m x n 어레이(2100)의 개략 다이어그램을 예시한다. 도시된 바와 같이, 각각의 압전 요소는 3 단자 압전 요소일 수 있고 전극들 O, X 및 T를 포함할 수 있다. 실시예들에서, X 전극들(예를 들면, X11, X21, ..., Xm1)은 열 방향으로(column wise) 직렬 방식으로 연결될 수 있고, X 전극들(X11 내지 Xmn) 모두는 공통 도체(X)(2106)에 전기적으로 결합될 수 있다. T 전극들(예를 들면, T11, T21, ..., Tm1)은 열 방향으로 직렬 방식으로 연결될 수 있고, T 전극들(T11 내지 Tmn) 모두는 공통 도체(T)(2108)에 전기적으로 결합될 수 있다. 2102-11, 2102-21 내지 2102-m1과 같은 요소들의 열은, 실시예들에 기술된 바와 같이 함께 연결될 때, 라인 요소 또는 열을 구성한다. 실시예들에서, O 전극들(2103-11 내지 2103-mn) 각각은 도체들(O11 내지 Omn) 중 하나를 통해 ASIC 칩 내의 대응하는 회로 요소의 전송 구동기에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예들에서, 어레이(2100)는 트랜시버 기판 상에 배치될 수 있고, m x n + 2 개의 범프들과 같은, 상호연결 메커니즘에 의해 ASIC 칩에 전기적으로 결합될 수 있다. ASIC에서, O 전극들에 연결된 전송 구동기들은 디코딩된 펄스들을 수신하여 도 22에 도시된 바와 같은 다중 레벨 출력을 생성할 수 있다. 이러한 펄스들은 (도 17a 내지 도 17d에 도시된 바와 같이) 열을 따라 요소들에 대해 지연될 수 있다. 또한, (예를 들어, 도 19에 예시된 바와 같이) 열들을 따라 지연들이 생성될 수 있다.
실시예들에서, 각각의 열에 있는 O 전극들(예를 들면, 2103-11 내지 2103-m1)은 공통 도체에 전기적으로 결합될 수 있다. 그러한 구성에서, 각각의 열에 있는 O 전극들은 전송 모드 동안 공통 전송 구동기를 통해 동일한 전기 펄스를 수신할 수 있다. 유사하게, 각각의 열에 있는 O 전극들은 수신 모드 동안 전하를 공통 증폭기로 동시에 전송할 수 있다. 달리 말하면, 각각의 열에 있는 압전 요소는 라인 유닛으로서 동작된다. 실시예들에서, 열에 있는 O 전극들 각각은 전용 전송 구동기에 연결될 수 있으며, 여기서 열에 있는 모든 요소들에 대한 전송 구동기들의 입력 신호는 동일하며, 따라서 전송 동작 동안 모든 압전 요소들에 나타나는 실질적으로 동일한 전송 구동 출력을 생성한다. 그러한 라인 요소는 요소별로 전자적으로 제어되는데, 그 이유는 각각의 요소가 그 자신의 전송 구동기를 갖기 때문이다. 이것은 큰 용량성 라인 요소들을 구동하는 데 이점이 있으며, 여기서 각각의 요소는 보다 작은 커패시턴스를 갖고 열에 있는 요소들에 대한 타이밍 지연들이 최소화될 수 있다. 실시예들에서, 수신 모드에서, 열에 있는 모든 요소들로부터의 전하는, 2D 이미징에 의해 행해지는 바와 같이, 요소를 LNA에 연결하는 것에 의해 감지될 수 있다. 3D 이미징의 경우, 수신 모드 동작 동안 각각의 요소의 O 전극들을 LNA에 연결하는 것에 의해 각각의 요소에 대한 전하가 감지된다.
도 27은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소들(2202-11 내지 2202-mn)의 m x n 어레이(2200)의 개략 다이어그램을 예시한다. 묘사된 바와 같이, 어레이(2200)는 어레이(2100)와 유사할 수 있지만, 차이점은 열에 있는 X 전극들(예를 들면, X12 내지 Xm2)이 공통 도체(예를 들면, 2206-1)에 연결될 수 있고 열에 있는 T 전극들(예를 들면, T12 내지 Tm2)이 공통 도체(예를 들면, 2208-1)에 연결될 수 있다는 것이다. 이에 따라, 동일한 열에 있는 X 전극들(또는 T 전극들)은 동작 동안 동일한 전압 전위를 가질 수 있다. 실시예들에서, O 전극들 각각은 도체들(O11 내지 Omn) 중 하나를 통해 ASIC 칩 내의 대응하는 회로 요소의 전송 구동기에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예들에서, 어레이(2200)는 트랜시버 기판 상에 배치될 수 있고, m x n + 2n 개의 범프들과 같은, 상호연결 메커니즘에 의해 ASIC 칩에 전기적으로 결합될 수 있다.
어레이(2100)와 비교하여, 어레이(2200)는 T 및 X 전극들을 ASIC 칩에 연결하기 위해 보다 많은 범프들을 사용할 수 있다. 일반적으로, ASIC 칩과 압전 어레이 사이의 T 및 X에 대한 연결부들의 개수의 증가는 접지 또는 DC 바이어스 소스들에 병렬로 연결될 때 X 및 T 도체들의 임피던스를 감소시키고 크로스토크를 감소시킬 수 있다. 크로스토크는 하나의 이미징 요소와 다른 이미징 요소 간의 신호들의 결합을 지칭하며, 간섭을 생성하고 이미지 품질을 저하시킬 수 있다. X 및 T 라인들에 흐르는 전류로 인한 임의의 전압 강하가 이상적으로는 해당 전압에 노출되어서는 안되는 압전 요소에 걸쳐 나타날 때 스퓨리어스 전기적 결합이 생성될 수 있다. 실시예들에서, 압전 요소가 전자적 제어 하에 전송 또는 수신하지 않을 때, X, T 및 O 전극들은 국부적으로 단락될 수 있다. 대안적으로, 유휴 전극들은 O 전극들을 접지되게 하여, X 전극들을 어레이 내의 다른 X 전극들에 연결된 채로 두고 T 전극들을 어레이 내의 다른 T 전극들에 연결된 채로 둔다.
도 28은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소들(2302-11 내지 2302-mn)의 m x n 어레이(2300)의 개략 다이어그램을 예시한다. 묘사된 바와 같이, 어레이(2300)는 어레이(2100)와 유사할 수 있지만, 차이점은 각각의 압전 요소가 5 단자 압전 요소일 수 있다, 즉, 각각의 압전 요소가 1 개의 하부 전극(O) 및 4 개의 상부 전극(2 개의 X 전극 및 2 개의 T 전극)을 포함할 수 있다는 것이다. 실시예들에서, 각각의 압전 요소의 2 개의 X 전극은 열 방향으로 직렬 방식으로 연결될 수 있고 2m x n 개의 X 전극들 모두는 공통 도체(X)(2306)에 전기적으로 결합될 수 있다. 유사하게, 각각의 압전 요소의 2 개의 T 전극은 열 방향으로 직렬 방식으로 연결될 수 있고 2m x n 개의 T 전극들 모두는 공통 도체(T)(2308)에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예들에서, O 전극들 각각은 도체들(O11 내지 Omn) 중 하나를 통해 ASIC 칩 내의 대응하는 회로 요소의 전송 구동기에 전기적으로 결합될 수 있다. ASIC은 O 노드들에 연결되는 전송 구동기들을 포함할 수 있고 전송 구동기들에 대한 입력들은 본 명세서에서, 예를 들어, 도 17a 내지 도 17d에서 논의된 기술들 및 회로들을 사용하여 지연될 수 있다. 실시예들에서, 어레이(2300)는 트랜시버 기판 상에 배치될 수 있고, m x n + 2 개의 범프들과 같은, 상호연결 메커니즘에 의해 ASIC 칩에 전기적으로 결합될 수 있다.
도 28을 참조하면, 이 예시적인 실시예에서, 2 개의 서브요소는 X 전극에 연결되고 2 개의 다른 서브요소는 T 전극에 연결된다. X 및 T 전극들은 DC 전압 소스들에 연결된 바이어스 전극들일 수 있다. X 전극에 연결된 2 개의 요소는 상이한 공진 주파수 거동을 가질 수 있다. 이 2 개의 서브요소는 함께 각각의 서브요소 자체보다 더 넓은 대역폭을 나타낼 수 있다. 1 개의 단자가 T 전극에 연결되어 있는 2 개의 서브요소는 둘 모두 X 전극에 연결된 요소들과 유사한 공진 주파수 거동을 나타낼 수 있다. 예를 들어, X 전극에 연결된 1 개의 서브요소와 T 전극에 연결된 1 개의 서브요소는 2MHz의 공진 주파수 또는 중심 주파수를 가질 수 있고 나머지 서브요소들은 4MHz의 중심 주파수를 나타낼 수 있다. 이 2 개의 서브요소를 결합하는 것에 의해, 합성 요소들의 대역폭이 보다 넓어진다. X 및 T 전극들의 사용은 또한 서브요소(들)에서 상이한 분극 방향을 가능하게 하여, 요소(들)의 감도를 증가시킬 수 있다. 그렇지만, 원칙적으로, 광대역 요소가 또한 도 30에 도시된 바와 같이 X 또는 T 전극만을 사용하여 설계될 수 있다.
도 32에 도시된 다른 예시적인 실시예에서, 요소는 여전히 2 개의 서브요소를 사용하지만, 이 경우에, 서브요소들 각각은 2 개의 "O" 단자를 가질 수 있다. 각각의 서브요소는 상이한 거동을 나타낼 수 있으며, 각각의 서브요소가 고유한 제어 가능한 구동 단자인 O 전극을 갖기 때문에, 서브요소들이 독립적으로 전자적으로 구동될 수 있다.
도 29는 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소들(2402-11 내지 2402-mn)의 m x n 어레이(2400)의 개략도를 예시한다. 묘사된 바와 같이, 어레이(2400)는 어레이(2200)와 유사할 수 있지만, 차이점은 각각의 압전 요소가 5 단자 압전 요소: 1 개의 하부 전극(O) 및 4 개의 상부 전극(2 개의 X 전극 및 2 개의 T 전극)일 수 있다는 것이다. 실시예들에서, 각각의 압전 요소의 2 개의 X 전극은 열 방향으로 도체(예를 들면, 2406-1)에 전기적으로 연결될 수 있고, 각각의 압전 요소의 2 개의 T 전극은 열 방향으로 공통 도체(예를 들면, 2408-1)에 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예들에서, O 전극들 각각은 도체들(O11 내지 Omn) 중 하나를 통해 ASIC 칩 내의 대응하는 회로 요소의 전송 구동기에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예들에서, 어레이(2400)는 트랜시버 기판 상에 배치될 수 있고, m x n + 2n 개의 범프들과 같은, 상호연결 메커니즘에 의해 ASIC 칩에 전기적으로 결합될 수 있다.
도 30은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소들(2502-11 내지 2502-mn)의 m x n 어레이(2500)의 개략 다이어그램을 예시한다. 묘사된 바와 같이, 어레이(2500)는 각각의 압전 요소가 1 개의 하부 전극(O) 및 2 개의 상부 전극(T)을 가질 수 있다는 점에서 어레이(2100)와 유사할 수 있지만, 열을 따라 있는 압전 요소들(예를 들면, 2502-11 내지 2502-m1)의 2 개의 상부 전극(T) 모두가 공통 도체(예를 들면, 2508-1)에 전기적으로 연결될 수 있다는 차이점을 갖는다. 실시예들에서, O 전극들 각각은 도체들(O11 내지 Omn) 중 하나를 통해 ASIC 칩 내의 대응하는 회로 요소의 전송 구동기에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예들에서, 어레이(2500)는 트랜시버 기판 상에 배치될 수 있고, m x n + n 개의 범프들과 같은, 상호연결 메커니즘에 의해 ASIC 칩에 전기적으로 결합될 수 있다.
도 31은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소들(2602-11 내지 2602-mn)의 m x n 어레이(2600)의 개략도를 예시한다. 묘사된 바와 같이, 어레이(2600)는 어레이(2100)와 유사한 전기적 연결들을 가질 수 있다, 즉, 압전 요소들에서의 X 전극들 모두가 공통 도체(2606)에 전기적으로 결합될 수 있고 압전 요소들에서의 T 전극들 모두가 공통 도체(2608)에 전기적으로 결합될 수 있다. 어레이(2600)는 하나의 압전 요소(예를 들면, 2602-11)의 상부 전극들(X, T)이 다른 압전 요소(예를 들면, 2602-21)의 상부 전극들(X, T)과 동일하거나 상이한 기하학적 형상들을 가질 수 있다는 점에서 어레이(2100)와 상이할 수 있다.
압전 어레이들(2000 내지 2500)의 경우, 각각의 압전 어레이 내의 압전 요소들은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 하나의 압전 요소(2202-11)의 2 개의 상부 전극의 투영 영역들은 다른 압전 요소(2202-n1)의 2 개의 상부 전극의 투영 영역들과 동일하거나 상이한 형상들을 가질 수 있다.
도 32는 본 개시의 실시예들에 따른 압전 요소들(2702-11 내지 2702-mn)의 m x n 어레이(2700)의 개략 다이어그램을 예시한다. 묘사된 바와 같이, 각각의 압전 요소는 2 개의 신호 전극(O)과 1 개의 공통 전극(X)을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 각각의 신호 전극(O)은 ASIC 칩 내의 대응하는 회로 요소의 전송 구동기에 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 압전 요소(2702-11)는 ASIC 칩 내의 2 개의 회로 요소에, 제각기, 전기적으로 결합될 수 있는 2 개의 신호 도체(O111 및 O112)를 포함할 수 있고, 여기서 각각의 신호 전극은 수신 모드 동안 전하를 발생시킬 수 있다. 실시예들에서, 어레이(2700)는 트랜시버 기판 상에 배치될 수 있고, 2m x n + 1 개의 범프들과 같은, 상호연결 메커니즘에 의해 ASIC 칩에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예들에서, 어레이(2700) 내의 T 전극들 모두는 공통 도체(T)(2708)를 통해 접지 또는 DC 바이어스 전압에 전기적으로 결합될 수 있다.
실시예들에서, 예를 들면, 도 25 내지 도 32에서와 같이, 어레이들 내의 신호 도체들(O)은 회로 요소에 전기적으로 결합될 수 있으며, 여기서 회로 요소는 도 24a에서의 스위치(1816)와 유사한 트랜지스터 스위치를 포함할 수 있다, 즉, O 전극이 전송 모드 동안 압력파를 생성하고 수신 모드 동안 전하를 발생시킬 수 있도록, 스위치는 전송 및 수신 모드들 동안, 제각기, 전송 구동기와 증폭기 사이를 토글할 수 있다.
도 33a는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템(2800)의 예시적인 실시예를 도시한다. 묘사된 바와 같이, 이미징 시스템(2800)은 압전 요소들(2802-11 내지 2802-mn)의 어레이 및 어레이를 제어/어레이와 통신하기 위한 회로 요소들을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 압전 요소들(2802-11 내지 2802-mn) 각각은 3 개의 전극: 제1 및 제2 신호(O) 전극들 및 T 전극을 포함할 수 있다. (예시를 위해, 각각의 압전 요소 내의 제1 및 제2 O 전극들은 도 33에서의 각각의 압전 요소의 좌측 및 우측 O 전극들을 지칭한다.) 실시예들에서, 어레이(2800) 내의 T 전극들 모두는 도체(T)(2808)를 통해 접지 또는 DC 바이어스 전압에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예들에서, 열에 있는 압전 요소들의 제1 O 전극들은 공통 도체(예를 들면, O11)에 전기적으로 결합될 수 있고, 동일한 열에 있는 압전 요소들의 제2 O 전극들은 다른 공통 도체(예를 들면, O12)에 전기적으로 결합될 수 있다. 이 실시예에서, 예를 들어, 2802-11 내지 2802-m1에 대한 우측 O 전극들 모두가 O12를 사용하여 함께 연결되고 이어서 하나의 Tx 구동기 또는 Rx 수신기(2816-1 및 2814-1)에 연결될 수 있기 때문에 전자적으로 고도 스티어링하는 것이 불가능할 수 있다. O12를 사용하여 열에 있는 각각의 요소에 대한 O 노드들을 함께 하드 연결(hard connect)시키는 대신에, 해당 열에 있는 각각의 O 노드가 대응하는 Tx 구동기에 연결될 수 있고, 이어서 열에 있는 요소들이 상이한 지연을 가질 수 있고, 이에 따라, 이 열에 대한 고도 축에서 전자적 초점이 달성될 수 있도록 전송 구동기로 송신되는 신호들의 지연들이 제어될 수 있다. 이것은 도 33b에 도시되어 있으며, 이 실시예에서, 여기서 스위치(2812-11)는 pMUT 요소(2802-21)에 연결되고 스위치(2812-1m)는 2802-m1의 O 단자에 연결된다. Tx 구동기들(2816)의 입력들은 도 17a 내지 도 17d에 도시된 것과 같은 요소들 사이에 원하는 지연을 생성하는 회로들에 연결된다. 전자적 초점이 요망되는 요소들에 대한 모든 O 전극에 대해 별도의 Tx 구동기, 수신 증폭기 및/또는 스위치가 필요할 수 있다. 이 예에서, 합성 고도 초점을 필요로 하는 다른 pMUT 요소들이 또한 개별적인 전송 및 수신 전자 장치들과 함께 도시되어 있다. 그들의 표현이 도 33b에 단순화된 형태로 도시되어 있지만, 신호들의 전송 및 수신을 위한 기능적 필요성을 나타내는 것으로 의도되어 있다. 이 예에서, O11 내지 On1에 있는 요소들이 전자적 초점을 필요로 하지 않은 경우, 이들은 도시된 바와 같이 고정 배선될 수 있다. 실시예들에서, 수신 모드 동안, 제1 및 제2 신호(O) 전극들 각각은 대응하는 회로에 의해 프로세싱될 수 있는 전하를 발생시킬 수 있다.
실시예들에서, 도 33a에 도시된 바와 같이, 제1 도체 세트(O11, O21, ..., On1)는, 제각기, 증폭기들(2810-1 내지 2810-n)에 전기적으로 결합될 수 있고, 여기서 제1 O 전극들의 열에 발생된 전하는 O 도체들 중 하나를 통해 대응하는 증폭기로 전달될 수 있다. 실시예들에서, 제2 도체 세트(O12, O22, ..., On2)는, 고도 축을 따른 전자적 초점이 필요하지 않다고 가정할 때, 제각기, 스위치들(2812-1 내지 2812-n)에 전기적으로 결합될 수 있다. 그렇지 않은 경우, 도 33b에 도시된 바와 같이, O11, On2에 있는 각각의 요소는 스위치를 통해 Tx 구동기 및 Rx 증폭기가 그에 연결될 수 있다. 실시예들에서, 신호 펄스가 압전 요소들에서의 제2 O 전극들의 열로 전송될 수 있도록 각각의 스위치는 전송 모드/프로세스 동안 전송 구동기에 연결될 수 있다. 실시예들에서, 압전 요소들(예를 들면, 2801-11 내지 2802-m1)에서의 제2 O 전극들의 열에 발생된 전하가 증폭기로 전송될 수 있도록, 각각의 스위치(예를 들면, 2812-1)는 수신 모드/프로세스 동안 신호 증폭기(예를 들면, 2814-1)에 연결될 수 있다. 실시예들에서, 압전 요소들(2802-11 내지 2802-mn)은 트랜시버 기판에 배치될 수 있는 반면, 스위치들(2812-1 내지 2812-n), 전송 구동기들(2816-1 내지 2816-n), 및 증폭기들(2810-1 내지 2810-n 및 2814-1 내지 2814-n)은 ASIC 칩에 배치될 수 있으며, 여기서 트랜시버 기판은 2n + 1 개의 범프들에 의해 ASIC 칩에 전기적으로 결합될 수 있다. 이전의 설명이 도 33a를 참조하지만, 각각의 O 전극이 스위치를 통해 대응하는 Tx 구동기 및 Rx 증폭기에 연결되는 확장이 도 33b에 도시된 바와 같이 전자적으로 고도 초점을 달성하는 데 사용될 수 있음이 이해된다.
실시예들에서, 전송 구동기(예를 들면, 2816-1)는 도체(O12)를 통해 압전 요소들(예를 들면, 2802-11 내지 2802-m1)의 열로 신호를 송신할 수 있고, 동시에 증폭기(예를 들면, 2810-1)는 압전 요소들(예를 들면, 2802-11 내지 2802-m1)의 동일한 열로부터 전하 신호를 수신할 수 있다. 그러한 경우에, 열에 있는 각각의 압전 요소(예를 들면, 2802-11)는 하나의 도체(예를 들면, O12)를 통해 전송 구동기(예를 들면, 2816-1)로부터 신호를 수신할 수 있고 동시에 전하 신호를 다른 도체(예를 들면, O11)를 통해 증폭기(예를 들면, 2810-1)로 전송할 수 있다, 즉, 이미징 시스템(2800)은 동시 전송 및 수신 모드들을 수행할 수 있다. 전송 및 수신 모드들의 이러한 동시 동작은, 펄스 도플러 이미징(pulsed Doppler Imaging)과 비교하여, 높은 혈류 속도가 이미징될 수 있는 연속 모드 도플러 이미징(continuous mode Doppler Imaging)에서 매우 유리할 수 있다.
실시예들에서, 공통 도체에 전기적으로 결합된 O 전극들의 열을 지칭하는 라인 유닛은 전송 유닛 또는 수신 유닛 또는 둘 모두로서 동작할 수 있다. 예를 들어, 라인 요소들이 전송 모드 동안 압력파들을 순차적으로 생성하고 반사된 압력파들이 프로세싱되고 결합되어 수신 모드에서 타깃 기관의 2차원 이미지를 생성할 수 있도록, 전기 신호들이 도체들(O12, O22, ..., On2)로 순차적으로 전송될 수 있다. 다른 예에서, 초음파를 동시에 전송 및 수신하여 2차원 이미지를 생성하기 위해, 전기 구동 신호들이 전송 모드 동안 도체들(O12, O22, ..., On2)로 동시에 전송될 수 있고 반사된 압력파들이 도체들(O11, O12 내지 On1)로부터 생성된 전하를 사용하여 동시에 프로세싱될 수 있다. 도체들(O12 내지 On2)은 또한 수신 동작 모드에서 압전 라인 요소들로부터 전하를 수신하는 데 사용될 수 있다.
도 34a는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템(2900)의 예시적인 실시예를 도시한다. 묘사된 바와 같이, 이미징 시스템(2900)은 압전 요소들(2902-11 내지 2902-mn)의 어레이를 포함하고 각각의 압전 요소는 제1 및 제2 신호(O) 전극들 및 T 전극을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 어레이 내의 T 전극들 모두는 하나의 공통 도체(T)(2908)에 전기적으로 결합될 수 있고; 제1 O 전극들의 각각의 행은 도체들(O1 내지 Om) 중 하나에 전기적으로 연결될 수 있다. 합성 렌즈를 갖지 않는 라인 이미저가 요망되는 경우, 기계식 렌즈로 충분할 수 있다. 그렇지만, 도 34a에 도시된 바와 같이, 열에 있는 모든 O 노드들을 단락시키지는 않는 것에 의해 동일한 기능이 달성될 수 있다. 그 대신에, 각각의 O 노드가 하나의 구동기에 의해 구동될 수 있으며, 열에 있는 요소들에 대한 모든 구동기 신호들이 동일한 지연을 갖는 경우, 도 34a에 도시된 바와 동일한 거동이 달성될 수 있다. 그렇지만, 도 34b에 도시된 바와 같이 이것을 구현하는 전자적 방법에 의해, 상이한 지연들이 열에 있는 요소들에 대해 생성되고 고도 평면에서 보다 나은 집속 능력을 달성하며 또한 신호가 타깃 내로 진행할 때 깊이에 따라 변하는 동적 고도 초점을 가질 수 있다. 도 34a에 도시된 실시예들에서, 스위치들(2912-1 내지 2912-n) 각각은 전송 구동기(예를 들면, 2916-1)와 저잡음 증폭기일 수 있는 증폭기(예를 들면, 2914-1) 사이를 토글할 수 있다. 실시예들에서, 도체들(O1 내지 On) 각각은 저잡음 증폭기들일 수 있는 증폭기들(2910-1 내지 2910-m) 중 하나에 연결될 수 있다.
실시예들에서, 전송 모드 동안, 압전 요소들의 열이 라인 유닛으로서 압력파들을 생성할 수 있도록, 신호가 도체(예를 들면, O12)를 통해 전송 구동기(예를 들면, 2916-1)로부터 제2 O 전극들의 열로 전송될 수 있다. 전송 모드 동안, 각각의 스위치(예를 들면, 2912-1)는 대응하는 전송 구동기(예를 들면, 2916-1)로 토글될 수 있다.
실시예들에서, 이미징 시스템(2900)은 반사된 압력파들을 두 가지 상이한 방법으로 프로세싱할 수 있다. 제1 방법에서, 증폭기들(2910-1 내지 2910-n)은 제1 O 전극들로부터 전하 신호들을 수신할 수 있다, 즉, 각각의 증폭기는 제1 O 전극들의 행으로부터 신호들을 수신할 수 있다. 이 방법은 바이플레인 이미징/모드를 가능하게 하며, 여기서 2차원 이미지의 경우, 바이플레인 이미지는 직교 투시(orthogonal perspective)를 제공할 수 있다. 또한, 이 방법은 2차원 초과의 이미징 능력을 제공할 수 있다. 바이플레인 이미징은, 생검(biopsy)과 같은, 많은 응용 분야들에 도움이 될 수 있다. 이 방법에서, 전송과 수신 모드들이 동시에 수행될 수 있음에 유의한다. 제2 방법에서, 각각의 증폭기가 제2 O 전극들의 대응하는 열로부터 전하 신호를 수신하고 프로세싱할 수 있도록, 스위치들(2912)이 증폭기들(2914)로 토글될 수 있다.
바이플레인 이미징은 열들에 있는 선택된 요소들에 지연들을 적용함으로써 방위각 축에 이미지를 먼저 생성하는 것에 의해 수행될 수 있다. 열들에 있는 요소들에 추가적인 지연들을 추가하는 것에 의해 고도 초점이 또한 달성될 수 있다. 후속 동작에서, 제2 이미지가 직교 축에 생성된다. 이번에는, 행들에 있는 선택된 요소들에 지연들을 적용하는 것에 의해 고도 평면에 이미지가 생성된다. 방위각 방향에서 슬라이스 두께 제어를 획득하기 위해 행들에 있는 요소들에 추가적인 지연들이 추가될 수 있다. 이어서 2 개의 직교 평면에 이미지들을 디스플레이하기 위해 2 개의 이미지가 합성적으로 가산된다.
실시예들에서, O 도체에 전기적으로 결합된 O 전극들의 열(또는 행)을 지칭하는 라인 유닛은 전송 유닛 또는 수신 유닛 또는 둘 모두로서 동작할 수 있다. 실시예들에서, 도체들(O1 내지 Om)이 도체들(O12 내지 On2)에 대해 직교 방향들로 배열되더라도, 방향들이 전자적으로 프로그래밍되고 전자적으로 조정 가능할 수 있다. 예를 들어, 증폭기들(2910 및 2914)의 이득이 전자적으로 조정 가능할 수 있으며, 여기서 이득 제어 리드들이 증폭기들에 구현될 수 있다. 실시예들에서, 각각의 라인 요소들의 길이(즉, 각각의 라인 요소에 있는 압전 요소들의 개수)가 또한 전자적으로 조정될 수 있다. 실시예들에서, 이것은 모든 압전 요소의 모든 신호 전극들을 ASIC 칩 내의 대응하는 노드들에 그리고, ASIC이 서로 연결될 요소들의 신호 전극들 사이의 연결을 프로그래밍하는 경우, 전송 구동기들 또는 증폭기들에 적절하게 연결시키는 것에 의해 달성될 수 있다.
도 35a는 본 개시의 실시예들에 따른 회로 요소(3001)에 결합된 압전 요소(3000)의 실시예를 도시한다. 묘사된 바와 같이, 압전 요소(3000)는 제1 서브 압전 요소(3021-1) 및 제2 서브 압전 요소(3021-2)를 포함할 수 있다. 압전 요소(3000)는 제1 및 제2 서브 압전 요소들에 의해 공유되고 도체(X)(3006)에 결합되는 하부 전극(X)(3002)을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 제1 서브 압전 요소(3021-1)는 도체(3008)를 통해 증폭기(3010)에 전기적으로 결합되는 신호(O) 전극(3003)을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 제2 서브-압전 요소(3021-2)는 도체(3012)를 통해 스위치(3014)에 전기적으로 결합되는 신호(O) 전극(3004)을 포함할 수 있다.
실시예들에서, 회로 요소(3001)는 압전 요소(3000)에 전기적으로 결합될 수 있고, 저잡음 증폭기들과 같은, 2 개의 증폭기(3010 및 3016) 및 전송 구동기(3018)를 포함할 수 있다. 실시예들에서, 스위치(3014)는 도체(3012)를 통해 O 전극(3004)에 연결된 한쪽 단부와 수신 모드를 위한 증폭기(3016)와 전송 모드를 위한 전송 구동기(3018) 사이를 토글할 수 있는 다른 쪽 단부를 가질 수 있다. 실시예들에서, 증폭기(3016)가 수신 신호를 추가로 증폭, 필터링 및 디지털화하는 다른 전자 장치들에 연결될 수 있지만, 증폭기는 전자 장치들을 상징적으로 나타내기 위해 사용된다. 전송 구동기(3018)는 멀티스테이지 구동(multistage drive)일 수 있고 둘 이상의 레벨의 시그널링으로 출력을 생성할 수 있다. 시그널링는 단극성(unipolar) 또는 양극성(bipolar)일 수 있다. 실시예들에서, 전송 구동기(3018)는, 도 35a에 명시적으로 도시되지 않은, 구동기의 전자적 제어 하에 구동기의 출력에 입력을 상호연결시키는 스위치를 포함할 수 있다. 또한 구동기(3018)에 대한 입력 신호가 도시되어 있지 않으며, 이 입력 신호는 도 17a 내지 도 17d에 도시된 바와 같이 동일한 열에 있는 다른 요소에 대한 그러한 신호들에 대해 지연될 수 있다. 유사하게, 방위각 축을 따라 전자적 초점을 가능하게 하기 위해, 고도 평면을 따라 전자적 초점을 가능하게 하기 위해 상이한 열들에 위치한 요소들에 대한 지연들이 또한 구현될 수 있다.
실시예들에서, 전송 구동기(3018)의 신호는 펄스 폭 변조된(PWM) 것일 수 있으며, 여기서, 요소별로 펄스 폭들을 제어하는 것에 의해, 전송된 초음파 신호에 대한 가중 함수가 생성될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 윈도잉 함수(windowing function)를 수행할 수 있으며, 여기서 전송 신호는 윈도 함수(window function)에 의해 가중된다. 실시예들에서, 가중 계수들은 PWM 시그널링 동안 행해지는 바와 같이 전송 신호의 듀티 사이클을 변화시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 이러한 종류의 동작은 전송 아포다이제이션을 가능하게 할 수 있으며, 여기서 방사된 신호의 측엽들이 크게 감쇠되어, 보다 높은 품질의 이미지를 가능하게 한다.
실시예들에서, 트랜시버 어레이는 트랜시버 기판에 배치될 수 있고 압전 요소(3000)의 n x n 어레이를 포함할 수 있으며, 회로 요소들(3001)의 n x n 어레이는 ASIC 칩에 배치될 수 있고, 여기서 각각의 압전 요소(3000)는 회로 요소들(3001)의 n x n 어레이 중 대응하는 회로 요소에 전기적으로 결합될 수 있다. 그러한 경우에, 트랜시버 기판은 3n2 개의 범프들에 의해 ASIC 칩에 상호연결될 수 있다. 실시예들에서, 압전 요소 어레이의 각각의 열(또는 행)은, 도 33a 및 도 33b는 물론 도 34a 및 도 34b와 관련하여 논의된 바와 같이, 라인 유닛으로서 동작될 수 있다. 예를 들어, 압전 요소들의 열이 동시에 압력파들을 생성할 수 있도록 동일한 펄스가 압전 요소들의 열에 동시에 인가될 수 있다. 압전 요소들의 n x n 어레이의 각각의 압전 요소(3000)가 회로 요소들의 n x n 어레이의 대응하는 하나의 회로 요소(3001)와 결합될 수 있다는 점에 유의한다. 대안적으로, 열에 있는 각각의 요소는 요소의 O 노드를 전용 Tx 구동기 및 또한 전용 수신 증폭기에 연결시키는 것에 의해 개별적으로 제어될 수 있다. LNA로부터의 수신된 신호 및 전송 구동기에 대한 지연들을 제어하는 것에 의해, 전송 및 수신 방향 둘 모두에서 고도 초점이 달성될 수 있다.
실시예들에서, 서브 압전 요소(3021-1)는 전체 동작 기간 동안 수신 모드에 있을 수 있는 반면, 서브 압전 요소(3021-2)는 전송 또는 수신 모드 중 어느 하나에 있을 수 있다. 실시예들에서, 전송 및 수신 모드들의 동시 동작은 연속 모드 도플러 이미징을 가능하게 할 수 있다.
실시예들에서, 전송 구동기(3018)가 신호를 전극(3004)으로 전송할 때, 서브 압전 요소(3021-2)에 의해 생성된 압력파들의 전력 레벨들은 펄스 폭 변조(PWM) 시그널링을 사용하여 변경될 수 있다. 이것이 중요하며, 예를 들어, B 모드로부터 도플러 모드 이미징으로 전환할 때, 인체 내로 전송되는 신호 전력이 길 수 있고 전력 레벨들이 감소되지 않는 경우, 조직 손상이 발생할 수 있다. 전형적으로, 종래의 시스템들에서는, 예를 들어, 도플러 모드에서 과도한 전력을 생성하지 않도록 두 가지 경우에서 전송 구동 전압들이 상이할 수 있게 하기 위해 B 모드 및 다양한 도플러 모드 이미징에 대해 상이한 고속 정착 전력 공급 장치들이 사용된다. 종래의 시스템들과 달리, 실시예들에서는, 종래의 고속 정착 전력 공급 장치들을 사용하지 않고 전송 시에 PWM 신호들을 사용하는 것에 의해 전력 레벨이 변경될 수 있다. 실시예들에서, 이러한 모드들을 함께 동시 이미징(co-image)하기 위해 도플러와 B 모드 이미징 사이의 빠른 전환이 요망된다. 실시예들에서, 압전 요소의 접지 전극들이 또한 서로 분리되어 접지에 개별적으로 연결될 수 있다. 실시예들에서, 이러한 독립적인 접지는 잡음을 감소시키고 보다 빠른 정착 시간을 결과할 수 있다. 실시예들에서, 전송되는 전력이 또한 전자적 제어 하에 전송 열들의 높이를 감소시키는 것에 의해 감소될 수 있다. 이것은 또다시 도플러 및 B 모드 둘 모두에 대해 동일한 전력 공급 장치의 사용을 용이하게 하고 각각의 모드에서의 전력 전송 요구사항들을 충족시킨다. 이것은 또한 동시 이미징을 가능하게 한다.
도 36은 본 개시의 실시예들에 따른 다수의 압전 요소들을 제어하기 위한 회로(3100)를 도시한다. 실시예들에서, 회로(3100)는 ASIC 칩에 배치될 수 있고, 여기서 트랜시버 기판에 배치되는 압전 요소들의 어레이(행과 열로 배열됨) 및 ASIC 칩은 범프들에 의해 트랜시버 기판에 상호연결될 수 있으며, 여기서 각각의 pMUT 요소는 도 35b에 도시된 바와 같이 스위치를 통해 연관된 Tx 구동기 및 수신 회로에 연결될 수 있으며, O 전극은 스위치(3014)에 연결된다. 묘사된 바와 같이, 회로(3100)는 회로 요소들(3140-1 내지 3140-n)의 어레이를 포함할 수 있고, 여기서 각각의 회로 요소는 대응하는 압전 요소의 O 및 X 전극들과 신호들을 통신할 수 있다.
도 36에 묘사된 바와 같이, 각각의 회로 요소(예를 들면, 3140-1)는 제1 스위치(예를 들면, 3102-1), 제2 스위치(예를 들면, 3104-1), 제3 스위치(예를 들면, 3106-1) 및 전송 구동기(예를 들면, 3108-1)를 포함할 수 있다. 전송 구동기(예를 들면, 3108-1)로부터의 출력은 도체(예를 들면, 3110-1)를 통해 압전 요소의 O 전극으로 송신될 수 있다. 전송 모드 동안, 각각의 회로 요소는 도체(3122)를 통해 전송 구동기(구동) 신호(3124)를 수신할 수 있다. 트랜지스터 스위치일 수 있고 제어 유닛(3150)에 의해 제어될 수 있는 각각의 제2 스위치(예를 들면, 3104-1)는 신호(3124)를 전송 구동기(예를 들면, 3108-1)로 전송하기 위해 턴 온될 수 있다. (제어 유닛(3150)과 회로(3100) 내의 다른 컴포넌트들 사이의 전기적 연결은 도 36에 도시되어 있지 않다.) 전송 구동기(예를 들면, 3108-1)는 논리 디코딩, 레벨 시프트를 수행하고, 입력 신호를 버퍼링하며, 전송 신호를 도체(예를 들면, 3110-1)를 통해 O 전극으로 송신할 수 있다. 실시예들에서, 전송 모드 동안, 제1 스위치(예를 들면, 3102-1)는 턴 오프될 수 있다.
실시예들에서, 제어 유닛(3150)은 전송 모드 동안 어느 압전 요소들이 턴 온될 필요가 있는지를 결정할 수 있다. 제어 유닛(3150)이 제2 압전 요소를 턴 온시키지 않기로 결정하는 경우, 제1 스위치(예를 들면, 3102-2) 및 제2 스위치(예를 들면, 3104-2)는 턴 오프되는 반면, O 및 X 전극들이 동일한 전위를 갖도록 제3 스위치(예를 들면, 3106-2)는 턴 온될 수 있다(즉, 압전 층에 걸쳐 순 0 볼트 구동(net zero volt drive)이 있다). 실시예들에서, 제3 스위치들(3106)은 선택적일 수 있다.
실시예들에서, 수신 모드 동안, O 전극에 발생된 전하가 도체들(3110-1 및 3120)을 통해 증폭기(3128)로 전송될 수 있도록 제1 스위치(예를 들면, 3102-1)가 턴 온될 수 있다. 이어서, 증폭기(3128)는 전하 신호(또는 등가적으로, 센서 신호)(3126)를 수신하여 센서 신호를 증폭시킬 수 있으며, 여기서 증폭된 신호는 이미지를 생성하기 위해 추가로 프로세싱될 수 있다. 수신 모드 동안, 수신된 신호가 방해받지 않을 수 있도록 제2 스위치(예를 들면, 3104-1) 및 제3 스위치(예를 들면, 3106-1)는 턴 오프될 수 있다. 회로 요소(3140-1 내지 3140-n)의 전체 어레이가 공통 증폭기(3128)를 공유할 수 있어, 회로(3100)의 설계를 단순화할 수 있다는 점에 유의한다. 실시예들에서, 압전 요소들의 X 전극들은 도체들(3112-1 내지 3112-n)을 통해 접지 또는 DC 바이어스 전압에 전기적으로 결합될 수 있으며, 여기서 도체들(3112-1 내지 3112-n)은 공통 도체(3152)에 전기적으로 결합될 수 있다.
실시예들에서, 회로(3100)는 도 25에서의 압전 요소들(예를 들면, 2002-11 내지 2002-n1)의 열에 결합될 수 있다. 실시예들에서, 회로(3100)와 유사한 복수의 회로들이 도 30에서의 어레이 내의 압전 요소들의 다수의 열들과 결합될 수 있고, 도체들(3152)은 (도 25에서의 2006과 같은) 공통 도체에 결합될 수 있다. 실시예들에서, 회로(3100)는 도 25 내지 도 32에서의 압전 요소들의 열을 제어할 수 있다.
도 37은 본 개시의 실시예들에 따른 다수의 압전 요소들을 제어하기 위한 회로(3200)를 도시한다. 실시예들에서, 회로(3200)는 ASIC 칩에 배치될 수 있고, 여기서 트랜시버 기판에 배치된 압전 요소들의 라인(열 또는 행 중 어느 하나)과 ASIC 칩은 범프들에 의해 트랜시버 기판에 상호연결될 수 있다. 묘사된 바와 같이, 회로(3200)는 회로 요소들(3240-1 내지 3240-n)의 어레이를 포함할 수 있고, 여기서 각각의 회로 요소는 대응하는 압전 요소의 O, X 및 T 전극들과 신호들을 통신할 수 있다.
도 37에 묘사된 바와 같이, 각각의 회로 요소(예를 들면, 3240-1)는 제1 스위치(예를 들면, 3202-1), 제2 스위치(예를 들면, 3204-1), 제3 스위치(예를 들면, 3206-1), 제4 스위치(예를 들면, 3207-1) 및 전송 구동기(예를 들면, 3208-1)를 포함할 수 있다. 전송 구동기(예를 들면, 3208-1)로부터의 출력은 도체(예를 들면, 3210-1)를 통해 압전 요소의 O 전극으로 송신될 수 있다. 전송 모드 동안, 각각의 회로 요소는 도체(3222)를 통해 전송 구동기(또는 구동) 신호(3224)를 수신할 수 있다. 트랜지스터 스위치일 수 있고 제어 유닛(3250)에 의해 제어될 수 있는 각각의 제2 스위치(예를 들면, 3204-1)는 신호(3224)를 전송 구동기(예를 들면, 3208-1)로 전송하기 위해 턴 온될 수 있다. (제어 유닛(3250)과 회로(3200) 내의 다른 컴포넌트들 사이의 전기적 연결은 도 37에 도시되어 있지 않다.) 전송 구동기(예를 들면, 3208-1)는 신호를 논리적으로 디코딩하고, 이를 레벨 시프트하며, 출력 신호를 버퍼링하고, 전송 출력 신호를 도체(예를 들면, 3210-1)를 통해 O 전극으로 송신할 수 있다. 실시예들에서, 전송 모드 동안, 제1 스위치(예를 들면, 3202-1)는 턴 오프될 수 있다.
실시예들에서, 제어 유닛(3250)은 전송 모드 동안 어느 압전 요소들이 턴 온될 필요가 있는지를 결정할 수 있다. 제어 유닛(3250)이 제2 압전 요소를 턴 온시키지 않기로 결정하는 경우, 제1 스위치(예를 들면, 3202-2) 및 제2 스위치(예를 들면, 3204-2)는 턴 오프되는 반면, O 및 X(및 T) 전극들이 동일한 전위를 갖도록 제3 스위치(예를 들면, 3206-2) 및 제4 스위치(예를 들면, 3207-2)는 턴 온될 수 있다(즉, 압전 층에 걸쳐 순 0 볼트 구동이 있다). 실시예들에서, 제3 및 제4 스위치들(예를 들면, 3206-2 및 3207-2)은 선택적일 수 있다. 3 레벨 시그널링 및 이를 수행하는 전송 구동기가 명시적으로 도시되어 있지 않음이 이해된다. 유사하게, 3206-2, 3207-2와 같은 X T 도체들 및 스위치들에 대한 연결들이 단순화된 방식으로 도시되어 있다.
실시예들에서, 수신 모드 동안, O 전극에 발생된 전하가 도체들(3210-1 및 3220)을 통해 증폭기(3228)로 전송될 수 있도록 제1 스위치(예를 들면, 3202-1)가 턴 온될 수 있다. 이어서, 증폭기(3228)는 전하(또는 센서) 신호(3226)를 증폭시킬 수 있고, 여기서 증폭된 신호는 이미지를 생성하기 위해 추가로 프로세싱될 수 있다. 수신 모드 동안, 수신된 신호가 방해받지 않을 수 있도록 제2 스위치(예를 들면, 3204-1), 제3 스위치(예를 들면, 3206-1) 및 제4 스위치(예를 들면, 3207-1)는 턴 오프될 수 있다.
회로 요소(3240-1 내지 3240-n)의 전체 어레이가 공통 증폭기(3228)를 공유할 수 있어, 회로(3200)의 설계를 단순화할 수 있다는 점에 유의한다. 실시예들에서, 압전 요소들의 X 전극들은 도체들(3212-1 내지 3212-n)을 통해 접지 또는 DC 바이어스 전압에 전기적으로 결합될 수 있으며, 여기서 도체들(3212-1 내지 3212-n)은 공통 도체(3252)에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예들에서, 압전 요소들의 T 전극들은 도체들(3213-1 내지 3213-n)을 통해 접지 또는 DC 바이어스 전압에 전기적으로 결합될 수 있으며, 여기서 도체들(3213-1 내지 3213-n)은 공통 도체(3254)에 전기적으로 결합될 수 있다.
실시예들에서, 회로(3200)는 도 26에서의 압전 요소들(예를 들면, 2102-11 내지 2102-n1)의 열에 결합될 수 있다. 실시예들에서, 회로(3200)와 유사한 복수의 회로들이 도 26에서의 어레이 내의 압전 요소들의 다수의 열들과 결합될 수 있고, 도체들(3252)은 (도 26에서의 2106과 같은) 공통 도체에 결합될 수 있다. 유사하게, 실시예들에서, 도체들(3254)은 (도 26에서의 2108과 같은) 공통 도체에 결합될 수 있다. 실시예들에서, 회로(3200)는 도 25 내지 도 32에서의 압전 요소들의 열을 제어할 수 있다.
도 27 내지 도 37에서, 도체들은 하나의 전극을 다른 전극에 전기적으로 결합시키는 데 사용된다. 예를 들어, 전극들(2006-11 내지 2006-m1)은 도체(2006)에 전기적으로 결합된다. 실시예들에서, 도 27 내지 도 37에서의 도체들은, 압전 요소들이 배치되는 기판 상에 또는 기판에 연결되는, ASIC과 같은, 상이한 기판 상에 퇴적되고 패터닝되는 금속 인터커넥트 층들과 같은, 다양한 방법들로 구현될 수 있다.
도 38 및 도 39는 본 개시의 실시예들에 따른 전송 모드 동안 압전 요소를 구동하기 위한 예시적인 파형들(3300 및 3400)을 도시한다. 일반적으로, 압전 재료는 유전체 노후화에 의해 야기되는 손상에 취약할 수 있으며, 노후화는 단극성 구동 신호들을 사용하는 것에 의해 지연되거나 회피될 수 있다. 파형들(3300 및 3400)은 O 전극과 X 전극 사이 및/또는 O 전극과 T 전극 사이의 전압 전위를 나타낸다. 묘사된 바와 같이, 파형들은 본질적으로 단극성일 수 있고 2 레벨 계단 파형(3300)(즉, 2812, 2912, 3018, 3108, 3208 등과 같은 전송 구동기는 단극성 전송 구동기임) 또는 다중 레벨(예컨대, 3 레벨) 계단 파형(3400)일 수 있다. 실제 전압 진폭은 전형적으로 1.8 V부터 12.6 V까지 변화할 수 있다. 실시예들에서, 다중 계단 파형(multistep waveform)(3400) 또는 보다 많은 계단들을 갖는 파형은 압전 요소에서의 발열을 감소시킬 수 있고, 도플러 또는 고조파 이미징과 같은, 특정 이미징 모드들 동안 사용하기 위한 장점들을 가질 수 있다.
실시예들에서, 파형들(3300 및 3400)에서의 펄스들의 주파수는 필요한 신호의 특성에 따라 달라질 수 있으며 pMUT 아래에 놓인 멤브레인이 반응하는 주파수를 포함할 필요가 있다. 실시예들에서, 파형들은 또한, 선형 또는 비선형 주파수 변조된 처프 신호들 또는 골레이(Golay) 코드들을 사용하는 다른 코딩된 신호들과 같은, 복잡한 신호들일 수 있다.
실시예들에서, 압전 요소들을 구동하기 위한 회로들은 아래에 놓인 멤브레인으로부터의 전송 출력이 형상이 대칭일 수 있도록 추가로 설계될 수 있다. 실시예들에서, 파형(3300)(또는 3400)에서의 각각의 신호 펄스에 대해, 펄스의 상승 에지는 펄스의 중심에 대해 펄스의 하강 에지와 실질적으로 대칭일 수 있다. 이러한 대칭성은 전송 신호, 특히 2차 고조파 및 다른 짝수차 고조파 신호의 고조파 함유량(harmonic content)을 낮춘다. 실시예들에서, 파형(3300)(또는 3400)에서의 신호 펄스는 펄스 폭 변조된(PWM) 신호일 수 있다.
도 40은 본 개시의 실시예들에 따른 전송 구동 신호 파형을 도시한다. 묘사된 바와 같이, 전송 구동기로부터의 신호(3500)는 대칭이고 양극성일 수 있다, 즉, 피크 최대 전압의 크기(H1) 및 폭(W1)은 피크 최소 전압의 크기(H2) 및 폭(W2)과 동일하다. 또한, 상승 에지(3502)의 기울기는 하강 에지(3504)의 기울기와 동일하다. 추가적으로, 상승 시간(W3)은 하강 시간(W4)과 동일하며, 여기서 하강 시간(W4)은 하강의 시작점과 기준 전압 사이의 시간 간격을 지칭한다. 게다가, 상승 에지(3506)는 상승 에지(3502)와 동일한 기울기를 갖는다.
전송 동작 동안, 전송 구동, 예를 들면, 도 35에서의 3018은 도 38 및 도 39에 도시된 것과 같은 전기 파형에 의해 구동될 수 있다. 도 41은 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리 내의 다양한 회로들의 출력 신호들을 도시한다. 실시예들에서, 파형(3602)은 전송 구동기(예를 들면, 3018)로부터의 출력 신호일 수 있고 압전 요소(예를 들면, 3000)로 전송될 수 있다. 실시예들에서, 압전 요소가 고유한 대역폭을 가질 수 있으므로, 압전 요소는 그의 공진 주파수에서 사인파형 출력(3604)을 출력할 수 있다. 압전 요소의 O 전극에 연결된 전송 구동기의 출력이 매우 느리게 상승하는 경우, 이는 전극을 원하는 최종 값으로 충전하지 못할 수 있고 따라서 파형(3606)에 도시된 바와 같이, 낮은 출력 신호들을 야기할 수 있으며, 여기서 최종 진폭은 3602에서보다 작다. 다른 한편으로, 전송 구동기의 출력 신호가 매우 빠르게 정착하는 경우, 전송 구동기의 출력 신호는 압전 요소의 대역폭 한계보다 큰 대역폭을 가지며 따라서 여분의 에너지가 열로 소산될 수 있다. 따라서, 실시예들에서, 파형(3608)에 도시된 바와 같이, 압전 요소는 완전히 충전되지만 매우 빠르게 충전되지는 않는 속도로 충전될 수 있다. 실시예들에서, 상부 및 하부 전극들에 걸친 전압 전위를 시간의 함수로서 나타내는 파형(3608)은 형상이 트랜스듀서의 출력에 보다 가까우며, 형상의 차이가 보다 작기 때문에, 입력 신호 대역폭과 출력 신호 대역폭이 보다 양호하게 매칭하고, 보다 적은 열로의 에너지 손실이 발생한다. 실시예들에서, 에너지 손실을 감소시키기 위해 전송 구동기의 구동 임피던스가 최적화된다. 달리 말하면, 전송 구동기의 임피던스가 목표 시간 기간 내에 적절한 전압 정착에 필요한 시상수 및 열 소산과 관련하여 압전 요소를 최적으로 구동하도록 설계되어 있다.
실시예들에서, 이미저(126)는 고조파 이미징 기술을 사용할 수 있으며, 여기서 고조파 이미징은 멤브레인의 기본 주파수에서 압력파들을 전송하고 멤브레인의 2차 이상의 고조파 주파수들에서 반사된 압력파들을 수신하는 것을 지칭한다. 일반적으로, 2차 이상의 고조파 주파수들에서의 반사파에 기초한 이미지들은 기본 주파수에서의 반사파에 기초한 이미지들보다 높은 품질을 갖는다. 전송 파형의 대칭성은 전송파의 2차 이상의 고조파 성분들을 억제할 수 있으며, 이에 따라, 이러한 성분들과 반사파에서의 2차 이상의 고조파들의 간섭이 감소될 수 있어, 고조파 이미징 기술의 이미지 품질을 향상시킬 수 있다. 실시예들에서, 전송파에서의 2차 이상의 고조파들을 감소시키기 위해, 파형(3300)은 50% 듀티 사이클을 가질 수 있다.
도 25 내지 도 34에서, 어레이들은 다수의 라인 유닛들을 포함할 수 있고, 여기서 각각의 라인 유닛은 서로 전기적으로 결합되는 복수의 압전 요소들을 포함한다. 실시예들에서, 라인 유닛들이 위상차(또는 등가적으로 지연)를 갖는 다수의 펄스들로 구동될 수 있다. 위상을 조정하는 것에 의해, 결과적인 압력파들이 일정 각도로 스티어링될 수 있으며, 이는 빔포밍이라고 지칭된다.
도 42a는 본 개시의 실시예들에 따른 트랜스듀서의 방위각 축을 따른 공간 위치의 함수로서 전송 압력파의 진폭의 플롯을 도시한다. 어레이 내의 압전 요소들이 2차원으로 배열되고 Y 방향에서의 열에 있는 압전 요소들이 연결되어 X 방향을 따라 많은 열들을 갖는 경우, X 방향은 방위각 방향이라고 하고, Y 방향은 고도 방향이라고 한다. 도 37a에 묘사된 바와 같이, 전송 압력파는 주엽(main lobe) 및 다수의 측엽들을 포함한다. 주엽은 조직 타깃들을 스캔하는 데 사용될 수 있고 높은 압력 진폭을 가질 수 있다. 측엽들은 보다 낮은 진폭을 갖지만 이미지들의 품질을 저하시키며 따라서 그들의 진폭을 감소시키는 것이 바람직하다.
일부 실시예들에서, 본 명세서의 아포다이제이션은, 예를 들어, 초음파 펄스들의 중앙 부분들 근처에서 보다 높은 가중치들을 갖고 에지들 근처에서 보다 낮은 가중치들을 갖는 가변 전압 구동을 사용하는 것을 포함한다. 아포다이제이션은 또한, 단독으로 또는 본 명세서에 개시된 다른 방법들과 조합하여, 각각의 열 또는 행을 따라 있는 요소들의 개수를 변경하는 것에 의해 구현될 수 있다.
도 42b는 본 개시의 실시예들에 따른 아포다이제이션 프로세스를 위한 다양한 유형의 윈도들을 도시한다. 도 42b에서, x 축은 활성 윈도의 중앙에 있는 압전 요소에 상대적인 압전 요소의 위치를 나타내고, y 축은 진폭(또는 압전 요소에 적용되는 가중치)을 나타낸다. 묘사된 바와 같이, 직사각형 윈도(3720)의 경우, 전송 라인들 중 어느 것에 대해서도 가중이 제공되지 않는다, 즉, 그들 모두가 균일한 진폭(즉, 상징적으로 1)에 있다. 다른 한편으로, 가중 함수가 구현되는 경우, 해밍 윈도(3722)에 의해 묘사된 바와 같이, 중앙에 있는 라인들은 에지들에 있는 라인들보다 큰 가중을 받는다. 예를 들어, 해밍 윈도(3722)를 트랜스듀서 타일에 적용하기 위해, (도 42b에서 -N로 표기되는) 최좌측 열에 있는 압전 요소들과 (도 42b에서 N으로 표기되는) 최우측 열에 있는 압전 요소들은 가장 낮은 가중치를 가질 수 있는 반면, 중간 열에 있는 압전 요소들은 가장 높은 가중치를 가질 수 있다. 이 프로세스는 아포다이제이션이라고 한다. 실시예들에서, 도시된 해밍 윈도(3722)가 단지 하나의 예로 의도되어 있지만, 다양한 유형의 윈도 가중이 적용될 수 있다. 실시예들에서, 아포다이제이션은 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 사용하는 것에 의해 또는 동일한 구동 레벨을 유지하지만 라인에 있는 픽셀들의 개수를 감소시키는 것에 의해 상이한 라인들에 대해 상이하게 전송 구동기 출력 구동 레벨을 스케일링하는 것과 같은 다양한 수단들에 의해 구현될 수 있다. 순 효과는 아포다이제이션의 사용에 의해 측엽 레벨이 감소될 수 있다는 것이며, 여기서 전송 구동의 가중은 특정 라인이 활성화된 전송 개구 내에서 어디에 위치하는지에 기초하여 달라진다.
실시예들에서, 펄스들 또는 파형들의 전압의 감소는 트랜스듀서 표면에서의 온도를 낮출 수 있다. 대안적으로, 주어진 최대 허용 트랜스듀서 표면 온도에 대해, 보다 낮은 전압들에서 동작하는 트랜스듀서들이 보다 나은 프로브 성능을 제공할 수 있어, 보다 나은 품질의 이미지들을 결과할 수 있다. 예를 들어, 192 개의 압전 요소를 갖는 프로브가 전력 소모를 줄이기 위해, 프로브의 일 부분(즉, 압전 요소들의 서브세트)만을 사용하고 나머지 요소들을 멀티플렉서를 사용하여 시간상 순차적으로 스캔하는 것에 의해 전송 압력파들이 생성될 수 있다. 따라서, 임의의 시점에서, 종래의 시스템들에서는, 온도 상승을 제한하기 위해 트랜스듀서 요소들의 일 부분만이 사용될 수 있다. 이와 대조적으로, 실시예들에서, 보다 낮은 전압의 프로브는 보다 많은 압전 요소들이 동시에 어드레싱되도록 할 수 있으며, 이는 이미지의 증가된 프레임 레이트 및 향상된 이미지 품질을 가능하게 할 수 있다. 수신 신호가 LNA들을 사용하여 증폭되는 수신 경로에서도 상당한 전력이 소모된다. 이미징 시스템은 전형적으로 다수의 수신 채널들을 사용하며, 수신기 채널당 하나의 증폭기를 갖는다. 실시예들에서, 온도 데이터를 사용하여, 전력을 절감하고 온도를 감소시키기 위해 다수의 수신기 채널들이 턴 오프될 수 있다.
실시예들에서, 아포다이제이션은 윈도 함수에 따라 각각의 라인 유닛에 있는 압전 요소들의 개수를 변화시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 실시예들에서, 그러한 윈도 근사는 라인에 있는 압전 요소들의 개수를 전자적으로 제어하는 것에 의해 또는 필요한 개수의 요소들로 트랜스듀서 어레이를 고정 배선하는 것에 의해 달성될 수 있다. 고정된 개수의 요소들을 사용하지만 이러한 요소들을 다양한 전송 구동 전압으로 구동하는 것에 의해 아포다이제이션이 또한 생성될 수 있다. 예를 들어, 고도 방향에서의 아포다이제이션의 경우, 열에 있는 중앙 요소들에 최대 구동이 적용되고, 열에 있는 중앙 요소를 중심으로 열의 양측에 있는 외측 요소들에 보다 낮은 구동기 레벨들이 적용된다. 아포다이제이션은 또한 열에서의 위치에 기초하여 요소들의 폴링 강도를 변화시키는 것에 의해 달성될 수 있다.
일반적으로, 프로브에 의해 발생되는 열은 전송 펄스/파형에서의 펄스 지속기간의 함수일 수 있다. 일반적으로, 보다 나은 신호대 잡음비(SNR)로 압력파들이 타깃에 깊숙이 침투하도록 하기 위해, 압전 요소는 긴 펄스 트레인을 필요로 할 수 있다. 그렇지만, 이것은 또한 축방향 분해능을 저하시키고 압전 요소들에 보다 많은 열을 생성한다. 따라서, 종래의 시스템들에서는, 방출되는 펄스들의 개수가 적고, 때로는 하나 또는 2 개이다. 보다 긴 펄스가 보다 많은 열 에너지를 생성할 수 있으므로, 종래의 시스템들에서 그를 사용하는 것은 비실용적이다. 이와 대조적으로, 실시예들에서, 펄스들 및 파형들(3300 및 3400)은 상당히 더 낮은 피크 값을 가질 수 있으며, 이는 긴 펄스 트레인, 처프 또는 다른 코딩된 시그널링의 사용을 가능하게 할 수 있다. 실시예들에서, 수신기에서 파형을 압축하여 분해능을 복원하기 위해 정합 필터링(matched filtering)이 수행되기 때문에, 보다 긴 펄스 트레인이 축방향 분해능을 저하시키지 않는다. 이 기술은 보다 나은 신호대 잡음비를 가능하게 하고 신호들이 신체 내로 보다 깊숙이 침투할 수 있게 하며 신체 내의 보다 깊숙한 곳에 있는 타깃들의 고품질 이미징을 가능하게 한다.
실시예들에서, PDMS(Polydimethylsiloxane) 또는 다른 임피던스 매칭 재료의 층이 트랜스듀서 요소들 위에 스피닝될 수 있다. 트랜스듀서 요소들과 인체 사이의 계면에서의 압력파들의 반사 또는 손실이 감소될 수 있도록, 이 층은 트랜스듀서 요소들과 인체 사이의 임피던스 매칭을 개선시킬 수 있다.
도 25 내지 도 34에서, y 방향(또는 x 방향)으로 픽셀들을 연결하는 것에 의해 하나 초과의 라인 유닛들이 생성될 수 있으며, 여기서 하나의 라인 유닛(또는 등가적으로 라인 요소)은 서로 전기적으로 연결되는 다수의 압전 요소들을 지칭한다. 실시예들에서, x 방향을 따라 압전 요소들을 연결시키는 것에 의해 하나 이상의 라인 유닛들이 또한 생성될 수 있다. 실시예들에서, 라인 유닛에 있는 압전 요소들은 고정 배선될 수 있다.
도 24a와 관련하여 논의된 바와 같이, 각각의 압전 요소(1806)는 회로(1842)에 전기적으로 결합될 수 있다, 즉, 트랜시버 기판(1802)에 있는 압전 요소들의 개수는 ASIC 칩(1804)에 있는 회로들(1842)의 개수와 동일하다. 그러한 경우에, 각각의 열(또는 행)에 있는 압전 요소들의 전기적 연결이 전자적으로 수행될 수 있다, 즉, 열(또는 행)에 있는 전극들을 연결시키기 위한 고정 배선 도체들(예를 들면, 2006)이 전자 스위치들로 대체된다. 달리 말하면, 라인 이미저/유닛에 있는 압전 요소들이 서로 전자적으로 연결될 수 있다. 전자적으로 제어되는 라인 이미저의 경우, 2차원 매트릭스 어레이의 각각의 압전 요소를 제어 회로들의 2차원 어레이의 대응하는 제어 회로(예컨대, 1842)에 연결시키는 것에 의해 라인 이미저/유닛이 제작될 수 있으며, 여기서 제어 회로들은 픽셀들에 공간적으로 가깝게 위치한다. 라인 요소를 생성하기 위해, 픽셀들의 열(또는 행)을 제어하는 다수의 구동기들이 전자적으로 턴 온될 수 있다. 실시예들에서, 각각의 라인 이미저/유닛에 있는 구동기들의 개수는 프로그램 제어 하에 전기적으로 수정되고 전자적으로 조정 가능할 수 있다.
실시예들에서, 각각의 픽셀의 보다 작은 커패시턴스는 구동기와 픽셀 사이에 다른 등화 요소들을 갖지 않고 분산 구동 회로부에 의해 효율적으로 구동될 수 있어, 매우 큰 라인 커패시턴스를 구동하는 어려움을 제거한다. 실시예들에서, 구동기 최적화는 상승 에지와 하강 에지의 대칭을 가능하게 하여, 전송 출력에서 보다 나은 선형성을 가능하게 하고 고조파 이미징을 가능하게 할 수 있다. (대칭성은 도 38 및 도 39와 관련하여 기술된다.) 실시예들에서, 전자적 제어는 프로그래밍 가능한 개구 크기, 전송 아포다이제이션, 및 수평 또는 수직 스티어링 제어를 가능하게 할 수 있으며, 이들 모두는 이미지 품질을 개선시킬 수 있다. 실시예들에서, 전자적 제어 하의 구성 가능한 라인 이미저/유닛은 프로그램 제어 하에 전기적으로 수정될 수 있다. 예를 들어, y 방향에서 보다 적은 개수의 연결된 요소들이 요망되는 경우, 제어 전자 회로부 또는 압전 어레이를 재스피닝(re-spin)할 필요 없이 소프트웨어 제어에 의해 개수가 조정될 수 있다.
실시예들에서, 각각의 라인 유닛은 각각의 서브 유닛에 대한 개별 제어를 갖는 여러 서브 유닛들로 구성되도록 설계될 수 있다. 이러한 서브 유닛들의 장점은 하나의 단일 외부 전송 구동기를 사용하여 라인 유닛에 대한 큰 용량성 부하를 구동하는 어려움을 완화시킬 수 있다는 것이다. 예를 들어, 하나의 열에 전체 압전 요소들을 포함하는 하나의 라인 유닛 대신에 2 개의 라인 유닛이 생성되는 경우, 2 개의 상이한 전송 구동기(예컨대, 2816)가 이용될 수 있으며 각각의 전송 구동기가 전체 라인 유닛의 부하의 절반을 제어할 수 있다. 또한, 하나의 구동기가 사용되더라도, 라인 유닛의 전반부와 라인 유닛의 후반부를 개별적으로 구동하는 것은 라인 유닛의 양쪽 단부에 대한 보다 낮은 저항의 연결로 인해 구동 상황을 개선시킬 수 있다.
실시예들에서, 라인 유닛들의 길이와 배향 둘 모두가 제어될 수 있다. 예를 들어, 도 25 내지 도 34에서, 라인 유닛들은 x 방향 및 y 방향 둘 모두로 배열될 수 있다. 예로서, 도 35에서, 열을 따라 있는 O 전극들(예를 들면, 2003-11 내지 2003-n1)은 전기적으로 결합되어 하나의 라인 유닛을 형성할 수 있고, 다른 열들에 있는 O 전극들은 전기적으로 결합되어 x 방향을 따라 연장되는 n 개의 라인 유닛들을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, x 방향을 따라 연장되는 라인 유닛들은 n 개의 O 전극들(2003-12 내지 2003-1n), ..., (2003-n2 내지 2003-nn)을 포함한다. 실시예들에서, ASIC 칩에 있는 전기 회로들을 제어하는 것에 의해 직교 방향들을 따른 라인 유닛들의 배열이 가능할 수 있다.
도 25 내지 도 35에서, 각각의 압전 요소는 2개 이상의 상부(X 및 T) 전극들을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 이러한 상부 전극들 아래의 압전 층은 동일한 방향 또는 반대 방향으로 폴링될 수 있다. 다중 폴링 방향은 적절한 인가된 신호 전기장과 결합될 때 트랜스듀서 전송 및 수신 감도의 개선을 생성할 수 있으며 또한 보다 넓은 대역폭을 가능하게 하는 추가적인 공진들을 생성할 수 있다.
도 25 내지 도 35에서, 각각의 어레이는 압전 요소들 아래에 배치된 하나 이상의 멤브레인들을 가질 수 있다. 실시예들에서, 멤브레인들은 다수의 진동 모드들을 가질 수 있다. 실시예들에서, 하나의 멤브레인은 특정 주파수에서 기본 모드로 진동할 수 있는 반면, 다른 멤브레인은 멤브레인 설계 및 상이한 폴링 방향들을 갖는 전극들의 상대적 배열들에 의해 결정되는 상이한 주파수에서 진동할 수 있다. 실시예들에서, 다수의 멤브레인들이 동일한 전극 세트에 의해 구동될 수 있고 각각의 멤브레인은 상이한 기본 주파수들을 가질 수 있다. 실시예들에서, 각각의 멤브레인은 넓은 범위의 주파수들에 반응할 수 있어, 그의 대역폭을 증가시킬 수 있다. 또한, 상이한 폴링 방향들을 갖는 그러한 트랜스듀서는 전송 및 수신 감도를 증가시키면서 또한 고대역폭 트랜스듀서를 인에이블시키는 데 도움이 될 수 있다.
일부 실시예들에서, 열에 있는 X(또는 T) 전극들은 도체에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예들에서, 이러한 도체들은 하나의 공통 도체에 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 어레이 내의 T 전극들 모두가 접지 또는 공통 DC 바이어스 전압에 연결될 수 있도록 도체들이 하나의 공통 도체 라인에 전기적으로 결합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 각각의 어레이는 2차원 어레이로 배열된 압전 요소들을 포함할 수 있으며(예를 들면, 도 25 내지 도 34), 여기서 x 방향에서의 요소들의 개수는 y 방향에서의 요소들의 개수와 동일할 수 있다. 그렇지만, x 방향에서의 요소들의 개수가 y 방향에서의 요소들의 개수와 상이할 수 있음이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게는 명백할 것이다.
실시예들에서, 트랜스듀서 기판(예컨대, 1802)에 결합된 ASIC 칩(예컨대, 1804)은 동작 동안 인체를 향하는 이미징 디바이스(120)의 표면 온도를 측정하는 온도 센서들을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 최대 허용 온도가 조절될 수 있으며, 이러한 조절은 이미징 디바이스의 기능을 제한할 수 있는데 그 이유는 온도가 허용 가능한 상한을 넘어 상승하지 않아야 하기 때문이다. 실시예들에서, 이 온도 정보는 이미지 품질을 개선시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 온도가 최대 허용 한계 미만인 경우, 증폭기들에서 그의 잡음을 저하시키고 개선된 품질의 이미지들을 위해 시스템 신호대 잡음비(SNR)를 개선시키기 위해 추가적인 전력이 소비될 수 있다.
실시예들에서, 동시에 구동되는 라인 유닛들의 개수가 증가함에 따라 이미징 디바이스(126)에 의해 소비되는 전력이 증가한다. 전체 개구로부터 압력파들을 전송하는 것을 완료하기 위해 이미징 디바이스(126) 내의 모든 라인 유닛들이 구동될 필요가 있을 수 있다. 단지 몇 개의 라인 유닛들이 압력파들을 전송하기 위해 구동되고, 대기하다가 반사된 에코를 한 번에 수신하는 경우, 전체 개구에 대한 전체 라인 유닛들을 구동하는 하나의 사이클을 완료하는 데 보다 많은 시간이 걸리게 되어, 이미지들이 초당 촬영될 수 있는 레이트(프레임 레이트)를 감소시킬 것이다. 이 레이트를 개선시키기 위해, 한 번에 보다 많은 라인 유닛들이 구동될 필요가 있다. 실시예들에서, 온도에 대한 정보는 이미징 디바이스(120)가 프레임 레이트를 개선시키기 위해 보다 많은 라인들을 구동할 수 있도록 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 각각의 압전 요소는 하나의 하부 전극(O) 및 하나 이상의 상부 전극들(X 및 T)을 가질 수 있고 하나 초과의 공진 주파수들을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 30에서의 각각의 압전 요소(2502)는 하나의 하부 전극(O)과 2 개의 상부 전극을 가질 수 있으며, 여기서 제1 상부 전극과 하부 전극(O)은 제1 주파수 f1에 반응할 수 있는 반면, 제2 상부 전극과 하부 전극(O)은 f1과 상이할 수 있는 제2 주파수 f2에 반응할 수 있다.
실시예들에서, 수신 모드 동안 발생된 전하는, 1811, 2810, 2814, 2910, 2914, 3010, 3016, 3128 및 3228과 같은, 증폭기로 전달된다. 이어서, 증폭된 신호는 다양한 전기 컴포넌트들에 의해 더 프로세싱될 수 있다. 이에 따라, 증폭기들(1811, 2810, 2814, 2910, 2914, 3010, 3016, 3128, 및 3228) 각각이 집합적으로 전하 신호를 프로세싱하는 하나 이상의 전기 컴포넌트들/회로들을 지칭한다는 것, 즉, 각각의 증폭기가 전하 신호를 프로세싱하기 위한 하나 이상의 전기 컴포넌트들/회로들을 상징적으로 나타낸다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게는 명백할 것이다.
도 43은 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리(3800)의 개략 다이어그램을 도시한다. 묘사된 바와 같이, 이미징 어셈블리(3800)는 압전 요소들(도 38에 도시되지 않음)을 갖는 트랜시버 기판(3801); 트랜시버 기판(3801)에 전기적으로 결합된 ASIC 칩(3802); ASIC 칩(3802)에 전기적으로 결합된 수신기 멀티플렉서(3820); 수신기 아날로그 프런트 엔드(AFE)(3830); ASIC 칩(3802)에 전기적으로 결합된 송신기 멀티플렉서(3824); 및 제2 멀티플렉서(3824)에 전기적으로 결합된 전송 빔포머(3834)를 포함할 수 있다. 실시예들에서, ASIC 칩(3802)은 트랜시버 기판(3801)에 있는 다수의 압전 요소들에 연결되고 이들을 구동하도록 구성된 다수의 회로들(3804)을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 각각의 회로(3804)는 LNA와 같은 수신기 증폭기(또는 간단히 증폭기)(3806), 및 압전 요소로 신호를 전송하기 위한 전송 구동기(3808), 및 증폭기(3806)와 전송 구동기(3808) 사이를 토글하는 스위치(3810)를 포함할 수 있다. 증폭기들은 프로그래밍 가능한 이득 및 증폭기들을 감지될 필요가 있는 압전 요소들에 연결시키는 수단을 가질 수 있다. 전송 구동기들은 그들의 임피던스를 최적화하는 수단 및 구동될 압전 요소들에 연결되는 수단을 갖는다.
실시예들에서, 수신기 멀티플렉서(3820)는 다수의 스위치들(3822)을 포함할 수 있고 수신기 AFE(3830)는 다수의 증폭기들(3832)을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 스위치들(3822) 각각은 회로(3804)를 증폭기(3832)에/로부터 전기적으로 연결/분리시킬 수 있다. 실시예들에서, 송신기 멀티플렉서(3824)는 다수의 스위치들(3826)을 포함할 수 있고, 전송 빔포머(3834)는 다수의 전송 구동기들(3836) 및 다양한 구동기들의 전송 구동기 파형 간의 상대 지연을 제어하기 위한 도시되지 않은 다른 회로부, 및 전송 구동기들 각각에 대한 주파수 및 펄스들의 개수를 제어하기 위한 도시되지 않은 다른 회로부를 포함할 수 있다. 실시예들에서, 스위치들(3826) 각각은 전송 동작 동안 턴온되고 회로(3804)에 연결되는 반면, 스위치들(3822)은 턴 오프되고, 스위치(3810)는 전송 구동기(3808)에 연결된다. 유사하게, 수신 동작 동안, 스위치들(3826)은 턴 오프되는 반면 스위치들(3822)은 턴 온되고, 스위치(3810)는 증폭기(3806)에 연결된다.
실시예들에서, 스위치들(3810)은 전송 모드 동안 전송 구동기들(3808)로 토글될 수 있고 수신 모드 동안 증폭기들(3806)로 토글될 수 있다. 실시예들에서, 대응하는 회로들(3804)이 수신 모드로 설정될 수 있도록, 스위치들(3822)의 일 부분은 폐쇄될 수 있다. 유사하게, 대응하는 회로들(3804)이 전송 모드로 설정될 수 있도록, 스위치들(3826)의 일 부분은 폐쇄될 수 있다. 스위치들(3822)의 일 부분과 스위치들(3826)의 일 부분이 동시에 폐쇄될 수 있기 때문에, 이미저 어셈블리는 전송 및 수신 모드들 둘 모두에서 동시에 동작될 수 있다. 또한, 수신기 멀티플렉서(3820) 및 송신기 멀티플렉서(3824)는 ASIC 핀들의 개수를 감소시킨다. 실시예들에서, 수신기 멀티플렉서(3820), 수신기 AFE(3830), 송신기 멀티플렉서(3824), 및 송신기 빔포머(3834)는 회로들(202a)에 포함될 수 있거나 또는 부분들이 또한 도 1b에서의 215a에 존재할 수 있다.
실시예들에서, 각각의 압전 요소는 2 개 초과의 전극들을 가질 수 있으며, 여기서 하나의 전극은 압력파들을 생성하기 위해 전송 모드에 있을 수 있는 반면, 다른 전극은 전하를 발생시키기 위해 동시에 수신 모드에 있을 수 있다. 전송 및 수신 모드들의 이러한 동시 동작은 보다 나은 도플러 이미징을 가능하게 한다.
이미징되는 타깃에서의 움직임은 결과적인 이미지에 오차들을 야기할 수 있고 이러한 오차들을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 움직임의 예는 심장 조직이 움직이는 곳에서 심장 이미징을 수행할 때이다. 움직임의 영향을 줄이기 위해 높은 프레임 레이트가 바람직할 수 있다. 따라서, 전자적 방위각 및 고도 초점 및 아포다이제이션을 유지하면서 프레임 레이트를 개선시키는 것이 중요할 수 있다. 이것은 이미지의 블러링을 감소시킬 뿐만 아니라 깊이의 함수로서 방위각 및 전자적 초점을 전자적으로 변경하는 것에 의해 수신기에서 동적 초점을 사용하여 보다 나은 이미지를 가능하게 할 수 있다. 도 16에 예시된 듀얼 스테이지 빔포머에서, 상부 섹션과 하부 섹션을 동시에 동작시켜 동작 횟수를 감소시키는 것에 의해, 프레임 레이트 개선이 달성될 수 있다. 게다가, A2, B2, C2를 생성하기 전에 하나의 완전한 열, 예를 들어, 도 14의 A1, B1 및 C1의 스캔을 완료하는 것에 의해, 라인에 대한 움직임의 영향을 최소화하는 데 도움이 된다. 게다가, 동작되는 섹션에 있는 모든 행들과 열들의 전송 및 수신을 사용하는 것에 의해 하나의 스캔 라인이 생성될 수 있다. 그렇지만, 병렬 빔포머 기술[High frame rate ultrasound imaging using parallel beamforming, Tore Gr
ner Bjεstad, Thesis for the degree of Philosophiae Doctor Trondheim, January 2009 Norwegian University of Science and Technology]을 사용하여, 다수의 빔, 예를 들어, 4 개의 빔이 생성될 수 있다. 이것은 프레임 레이트를 더욱 증가시키고 움직임의 영향을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 기술들은 또한 수차를 생성할 수 있지만, 수차를 정정하는 전자적 방식들이 알려져 있다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에서의 도면들에 도시된 개별 요소들 사이의 전자적 또는 전기적 연결은 고정 배선 또는 물리적 연결이지만, 따라서 프로그래밍 가능하고 보다 유연한 디지털 통신을 가능하게 하기 위해 상이한 디지털 연결들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 그러한 디지털 연결들은 스위치, 플러그, 게이트, 커넥터 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
일부 실시예들에서, 3D 이미징은 본 명세서에 개시된 바와 같은 트랜스듀서 요소들의 2D 어레이를 사용하여 수행될 수 있다. 방위각 평면은 열 요소들의 지연들을 제어하는 것에 의해 어드레싱될 수 있다. 이러한 지연 제어는 B 모드 이미징에서 사용되는 것과 유사할 수 있다. 3D 이미징은 3D 공간에 체적들을 생성할 수 있으며, 따라서 고도 평면이 어드레싱될 필요가 있을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전체 트랜스듀서 어레이로부터의 전송을 위해 고도 평면에서 초음파 빔들이 스티어링될 수 있다. 이 경우에, 방위각 방향에서 지연들을 제어하는 것에 의해 방위각 평면에서 빔이 집속된다. 고도 제어는 고도 평면에서 빔을 스티어링하는 것에 따라 열에 있는 요소들, 예를 들어, 모든 열들에 대한 모든 열 요소들에 대한 지연을 제어하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 방위각 평면에서의 하나의 스캔 라인은 다수의 열들, 예를 들면, 128 개의 열로부터 전송하는 것에 의해 획득되며, 각각의 열 요소의 하부 요소는 방위각 평면에서 빔을 집속하기 위해 필요에 따라 다른 유사한 열에 대해 달라진다. 동일한 실시예에서, 열에 있는 요소는 고도 평면에서 빔을 스티어링하는 것에 따라, 행 0에 있는 요소로부터 시작하여 일정한 지연 증가를 가질 수 있다. 이어서 이러한 단계들이, 방위각 평면에서 빔을 집속할 상이한 영역을 선택하지만 동일한 고도 지연들을 유지하여 고도 방향에서 동일한 빔 스티어링을 유지하면서, 여러 번, 예를 들어, 100 회 반복될 수 있다. 그러면 이것은 하나의 고도각에서 100 개의 스캔 라인을 생성할 수 있다. 이에 이어서 이전과 유사한 방위각 초점을 가진 다른 100 개의 전송 이벤트가 뒤따를 수 있지만, 고도 스티어링은 열에 있는 요소들에 대해 상이한 지연들을 사용하여 행해져, 상이한 스티어링 각도를 결과한다. 체적을 스캔하기 위해 많은 상이한 스티어링 각도들이 수행될 수 있다. 상이한 스티어링 각도들은 도 44에 도시되어 있다. 결과적인 에코 신호가 트랜스듀서에서 수신될 수 있고 이미지가 재구성될 수 있다. 초당 프레임 속도를 높이기 위해, 병렬 빔 형성이 수행될 수 있고, 고품질 이미지를 위해 위상 수차가 보정될 수 있다. 특정 실시예들 및 예들이 전술한 설명에서 제공되었지만, 본 발명의 주제는 구체적으로 개시된 실시예들을 넘어 다른 대안적인 실시예들 및/또는 용도들로, 그리고 이들의 수정들 및 등가물들로 확장된다. 따라서, 여기에 첨부된 청구항들의 범위는 아래에서 기술되는 특정 실시예들 중 어느 것에 의해서도 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 임의의 방법 또는 프로세스에서, 방법/프로세스의 행위들 또는 동작들은 임의의 적합한 시퀀스로 수행될 수 있고, 임의의 특정의 개시된 시퀀스로 반드시 제한되지는 않는다. 다양한 동작들이, 특정 실시예들을 이해하는 데 도움이 될 수 있는 방식으로, 다수의 개별 동작들로서 차례로 설명될 수 있지만, 설명의 순서가 이러한 동작들이 순서 의존적임을 암시하는 것으로 해석되어서는 안된다. 추가적으로, 본 명세서에 기술된 구조들, 시스템들 및/또는 디바이스들은 통합된 컴포넌트들로서 또는 별개의 컴포넌트들로서 구체화될 수 있다.
다양한 실시예들을 비교하기 위해, 이러한 실시예들의 특정 측면들 및 장점들이 설명된다. 모든 그러한 측면들 또는 장점들이 임의의 특정 실시예에 의해 반드시 달성되는 것은 아니다. 따라서, 예를 들어, 다양한 실시예들이, 본 명세서에서 또한 교시되거나 암시될 수 있는 다른 측면들 또는 장점들을 반드시 달성할 필요 없이, 본 명세서에서 교시된 바와 같은 하나의 장점 또는 일군의 장점들을 달성하거나 최적화하는 방식으로 수행될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, A 및/또는 B는 A 또는 B 중 하나 이상, 및 A 및 B와 같은 이들의 조합들을 포함한다. 용어 "제1", "제2", "제3" 등이 다양한 요소들, 컴포넌트들, 영역들 및/또는 섹션들을 기술하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 컴포넌트들, 영역들 및/또는 섹션들이 이러한 용어들에 의해 제한되지 않아야 한다는 것이 이해될 것이다. 이러한 용어들은 하나의 요소, 컴포넌트, 영역 또는 섹션을 다른 요소, 컴포넌트, 영역 또는 섹션과 구별하는 데만 사용된다. 따라서, 아래에서 논의되는 제1 요소, 컴포넌트, 영역 또는 섹션은 본 개시의 교시에서 벗어나지 않으면서 제2 요소, 컴포넌트, 영역 또는 섹션으로 지칭될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 특정 실시예들을 기술하기 위한 것에 불과하고 본 개시를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the)"는, 문맥이 명확하게 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 게다가, 용어 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)" 또는 "포함한다(includes)" 및/또는 "포함하는(including)"이, 본 명세서에서 사용될 때, 언급된 특징들, 영역들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 및/또는 컴포넌트들의 존재를 명시하고 하나 이상의 다른 특징들, 영역들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 컴포넌트들, 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 이해할 것이다.
본 명세서 및 청구 범위에서 사용되는 바와 같이, 달리 언급되지 않는 한, 용어 "약" 및 "대략" 또는 "실질적으로"는 실시예에 따라 수치 값의 +/- 0.1%, +/- 1%, +/- 2%, +/- 3%, +/- 4%, +/- 5%, +/- 6%, +/- 7%, +/- 8%, +/- 9%, +/- 10%, +/- 11%, +/- 12%, +/- 14%, +/- 15%, 또는 +/- 20% 이하의 변동을 지칭한다. 비제한적인 예로서, 약 100 미터는 실시예들에 따라 (100 미터의 +/- 5%인) 95 미터 내지 105미터, (100 미터의 +/- 10%인) 90 미터 내지 110 미터, 또는 (100 미터의 +/- 15%인) 85 미터 내지 115 미터의 범위를 나타낸다.
바람직한 실시예들이 본 명세서에 도시되고 설명되었지만, 그러한 실시예들이 단지 예로서 제공된다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형들, 변경들, 및 대체들이 이제 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 안출될 것이다. 본 명세서에서 설명된 실시예들에 대한 다양한 대안들이 실제로 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서에 설명된 실시예들의 수많은 상이한 조합들이 가능하고, 그러한 조합들은 본 개시의 일부로 간주된다. 추가적으로, 본 명세서에서의 임의의 일 실시예와 관련하여 논의된 모든 특징들은 본 명세서에서의 다른 실시예들에서 사용하기 위해 용이하게 적응될 수 있다. 이하의 청구항들이 본 개시의 범위를 한정하고, 이러한 청구항들의 범위 내의 방법들 및 구조들 및 그 등가물들이 그에 의해 커버되는 것으로 의도된다.
Claims (69)
- 초음파 이미징 시스템으로서,
a) 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들을 포함하는 초음파 트랜스듀서 - 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 각각은 2개 이상의 단자들을 가짐 -; 및
b) 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들에 연결된 하나 이상의 회로부 - 상기 하나 이상의 회로부는
i) 상기 초음파 트랜스듀서로부터의 초음파 펄스 전송;
ii) 반사된 초음파 신호를 상기 초음파 트랜스듀서에서 수신하는 것; 및
iii) 상기 초음파 펄스 또는 상기 반사된 초음파 신호를 고도 방향에서 집속시키도록 구성된 전자적 제어
를 가능하게 하도록 전자적으로 구성됨 -
을 포함하는, 초음파 이미징 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 복수의 트랜스듀서 요소들은 트랜스듀서 요소 어레이를 포함하는, 초음파 이미징 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 어레이는 2차원인, 초음파 이미징 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 어레이는 직사각형, 정사각형, 환형, 타원형, 포물선형, 나선형, 또는 임의의 형상 중에서 선택된 형상을 포함하는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 트랜스듀서 요소들은 하나 이상의 행 및 하나 이상의 열로 배열되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제6항에 있어서, 열에 있는 각각의 트랜스듀서 요소는 상기 하나 이상의 회로부에 의해 생성되는 다중 레벨 펄스에 의해 구동되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제6항에 있어서, 열에 있는 각각의 트랜스듀서 요소는 상기 하나 이상의 회로부에 의해 생성되는 다중 레벨 펄스 시퀀스에 의해 구동되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 다중 레벨 펄스의 펄스 크기, 폭, 형상, 펄스 주파수, 또는 이들의 조합들은 전기적으로 프로그래밍 가능한, 초음파 이미징 시스템.
- 제6항 또는 제7항에 있어서, 펄스 개시(pulse onset)의 지연은 전기적으로 프로그래밍 가능한, 초음파 이미징 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 시퀀스 내의 펄스들의 개수는 전기적으로 프로그래밍 가능한, 초음파 이미징 시스템.
- 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 다중 레벨 펄스의 형상은 사인파형, 디지털 정사각형(digital square) 또는 임의적인, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소의 제1 단자는 상기 하나 이상의 회로부에 연결되고 제2 및 선택적으로 추가적인 단자는 바이어스 전압에 연결되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소는 그의 상이한 부분들에서 2 개의 방향에서 폴링(poling)되며, 분극의 강도는 행에서의 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상 요소들의 위치에 따라 달라지고, 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소 각각은 적어도 3 개의 단자를 포함하는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소는 단지 하나의 방향에서 폴링되고, 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 상기 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소 각각은 단지 2 개의 단자를 포함하는, 초음파 이미징 시스템.
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 폴링 강도는 중앙 열들에 대해 보다 강하고 외측 열들에 대해 보다 약하며, 이에 의해 상기 고도 방향에서 아포다이제이션(apodization)을 생성하는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 회로부는 전송 구동기 회로, 수신 증폭기 회로, 및 제어 회로 중 하나 이상을 포함하는, 초음파 이미징 시스템.
- 제16항에 있어서, 상기 전송 구동기 회로는 열에 있는 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소를 구동하도록 구성되고 전송 채널로부터의 신호들에 의해 구동되며, 상기 전송 채널의 상기 신호들은 상이한 열들에 있는 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 다른 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소를 구동하는 다른 전송 채널들에 적용되는 지연에 상대적으로 전자적으로 지연되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제17항에 있어서, 상기 열에 있는 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 상기 하나 이상의 pMUT 트랜스듀서 요소는 실질적으로 동일한 지연 또는 상이한 지연들로 동작하는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어는 실시간인, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 트랜스듀서 요소들 각각은 제1 리드 및 제2 리드를 포함하고, 상기 제1 리드는 상기 하나 이상의 회로부에 전자적으로 연결되고 상기 제2 리드는 상기 복수의 트랜스듀서 요소들의 다른 트랜스듀서 요소들의 대응하는 리드들에 연결되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 트랜스듀서 요소들 위에 위치된 외부 렌즈 - 상기 외부 렌즈는 상기 고도 방향에서 추가적인 초점을 제공하도록 구성됨 -
를 더 포함하는, 초음파 이미징 시스템. - 제16항에 있어서, 상기 제어 회로는 동일한 열에 위치한 트랜스듀서 요소들에 대한 구동 펄스들 사이의 상대 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제17항에 있어서, 상기 전송 채널 및 추가적인 전송 채널들은 인접한 열들 사이의 상대 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성되고, 상기 제어 회로는, 동일한 행에 있는 제1 개수의 트랜스듀서 요소들이 시작 행의 제2 개수의 트랜스듀서 요소들과 실질적으로 유사한 상대 지연을 공유하도록, 상기 열에 있는 제1 개수의 트랜스듀서 요소들에 대한 상대 지연들을 설정하도록 구성되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제17항에 있어서, 상기 전송 채널 및 추가적인 전송 채널들은 인접한 열들 사이의 상대 지연들을 전자적으로 제어하도록 구성되고, 상기 제어 회로는, 동일한 행에 있는 제1 개수의 트랜스듀서 요소들이 다른 열들에 대한 상기 동일한 행에 있는 제2 개수의 트랜스듀서 요소들과 비교하여 독립적인 지연들을 갖도록, 상기 열에 있는 트랜스듀서 요소들에 대한 상대 지연들을 설정하도록 구성되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제23항에 있어서, 상기 제어 회로는 열의 중앙 행에 있는 트랜스듀서 요소에 대해 대칭이도록 상기 열의 상대 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제16항에 있어서, 상기 제어 회로는 상대 지연들을 열에서 선형적으로 증가하도록 전기적으로 제어하여 이에 의해 초음파 빔을 상기 고도 방향에서 스티어링하도록 구성되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제16항에 있어서, 상기 제어 회로는 상대 지연들을 전기적으로 제어하여 이에 의해 상기 고도 방향에서 슬라이스 두께를 제어하도록 구성되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 복수의 트랜스듀서 요소들은 상부 섹션, 중앙 섹션, 및 하부 섹션을 포함하고, 이들 각각은 상기 펄스 전송 및 상기 반사된 초음파 신호의 상기 수신을 위한 다수의 행들 및 다수의 열들을 포함하며, 상기 섹션들로부터의 상기 펄스 전송 및 상기 반사된 초음파 신호의 상기 수신은 상기 반사된 초음파 신호를 제1 빔포머를 사용하여 방위각 방향에서 집속시키기 위해 사용되며, 고도 초점은 제2 빔포머를 사용하여 달성되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제28항에 있어서, 상기 섹션들으로부터의 스캔 라인들은 후속 열들의 스캔들을 진행하기 전에 전체 열의 스캔을 완료하는 것에 의해 이미징되는 타깃에서의 이동 오차들을 최소화하도록 동기화되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제28항에 있어서, 상기 고도 방향에서의 초점 거리는 전자적으로 프로그래밍되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제27항에 있어서, 상기 상부 섹션 및 상기 하부 섹션의 상기 펄스 전송과 상기 반사된 신호의 상기 수신은 동시에 수행되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제29항에 있어서, 스캔 라인들을 전개시키기 위해 병렬 빔포밍을 수행하는 것에 의해 이미징되는 상기 타깃에서의 이동 오차들이 최소화되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항 또는 제31항에 있어서, 상기 고도 초점 및 고도 아포다이제이션은 이동 오차들을 최소화하기 위해 전자적으로 수행되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 다중 레벨 펄스는 외측 행들에 대해 보다 낮은 진폭 구동들을 사용하고 중앙 행들에 대해 보다 높은 진폭 구동들을 사용하는 것에 의해 전자적으로 아포다이제이션을 구현하는 데 사용되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제28항에 있어서, 상기 상부 섹션, 상기 중앙 섹션, 또는 상기 하부 섹션은 펄스 전송 및 반사된 신호의 수신을 위한 다수의 행들 및 열들을 각각 포함하는 하나 초과의 서브섹션들을 포함하는, 초음파 이미징 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 복수의 트랜스듀서 요소들은 5 개의 섹션을 포함하며, 방위각으로 집속되는 빔들을 전송 및 수신하는 2 개의 외측 섹션 다음에 상기 방위각으로 집속되는 빔들을 전송 및 수신하는 2 개의 내측 섹션 및 상기 방위각으로 집속되는 빔들을 전송 및 수신하고 제1 레벨 빔포머를 사용하여 스캔 라인들을 형성하며 제2 레벨 빔포머를 사용하여 고도 초점을 달성하는 중앙 섹션이 뒤따르는, 초음파 이미징 시스템.
- 제33항에 있어서, 상기 고도 아포다이제이션은 전자적으로 상기 고도 방향에서 구현되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 초음파 트랜스듀서는 기계식 렌즈에서의 손실에 의해 야기되는 신호 손실에 의해 실질적으로 제한되지 않는 대역폭을 나타내는, 초음파 이미징 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 2 개의 요소가 함께 어드레싱되고, 상기 2 개의 요소는 상기 하나 이상의 행 중 한 행에서 인접하며, 상기 복수의 트랜스듀서 요소들은 상부 섹션, 중앙 섹션 및 하부 섹션을 포함하고, 이들 각각은 상기 초음파 펄스 전송 및 상기 반사된 초음파 신호의 상기 수신을 위한 제1 개수의 행들 및 제2 개수의 열들을 포함하며, 상기 섹션들로부터의 상기 초음파 펄스 전송 및 상기 반사된 초음파 신호의 상기 수신은 상기 반사된 초음파 신호를 제1 빔포머를 사용하여 방위각 방향에서 집속시키기 위해 사용되며, 상기 고도 초점은 제2 빔포머를 사용하여 달성되고, B 모드를 사용하는 이미징의 경우, 수신 채널은 한 행에 있는 2 개의 트랜스듀서 요소 - 상기 2 개의 요소 중 하나는 상기 상부 섹션으로부터의 것이고 상기 2개의 요소 중 다른 하나는 상기 하부 섹션으로부터의 것임 - 에 할당되며, 다른 채널은 상기 중앙 섹션의 2개의 트랜스듀서 요소에 할당되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제39항에 있어서, 2N 개의 수신 채널이 N 개의 열을 어드레싱하는 데 사용되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제39항에 있어서, 상기 복수의 트랜스듀서 요소들 모두는 전송 동작에서 고도 초점으로 압력을 생성하도록 동작되고, 수신 동작에서, 상기 복수의 트랜스듀서 요소들 모두는 상기 방위각 방향에서 고도 평면에서 집속하는 것으로 이미지를 재구성하는 데 사용되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제39항에 있어서, 전송 아포다이제이션은 상기 고도 평면에서 사용되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제39항에 있어서, 상기 고도 초점은 동적이며 상기 고도 평면에서 스티어링되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제39항에 있어서, 기계식 렌즈가 사용되지 않는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상은 동시적인 전송 및 수신 동작들을 위해 구성 가능한 다수의 서브요소들을 포함하는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상은 다수의 서브요소들을 포함하고 상기 다수의 서브요소들은 상이한 공진 주파수 응답들을 갖는, 초음파 이미징 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 각각은 적어도 2 개의 단자를 갖는, 초음파 이미징 시스템.
- 제18항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 열에 있는 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 상기 하나 이상에 대한 상대 지연들을 결정하도록 구성되고, 상기 제어 회로는 상기 상대 지연들에 대한 대략적인 지연(coarse delay)을 설정하도록 구성된 대략 지연 회로 및 상기 상대 지연들에 대한 미세한 지연(fine delay)을 설정하도록 구성된 미세 지연 회로를 포함하는, 초음파 이미징 시스템.
- 제48항에 있어서, 빔 스티어링은 상기 대략 지연 회로를 사용하여 달성되고 고도 초점은 상기 미세 지연 회로를 사용하여 달성되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제49항에 있어서, 상기 열에 대한 상기 미세한 지연은 다른 열들에서의 미세한 지연들과 무관한, 초음파 이미징 시스템.
- 제16항에 있어서, 상기 제어 회로는 상대 지연들을 열에서 구분적으로 선형으로 증가하거나 감소하도록 전기적으로 제어하도록 구성되고, 구분적 선형 지연 세그먼트들의 개수는 2 이상의 정수인, 초음파 이미징 시스템.
- 제16항에 있어서, 상기 제어 회로는 ASIC 상에 구현되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제16항에 있어서, 상기 제어 회로는 열을 따라 상대 지연들을 선형 지연과 임의의 미세한 지연의 합이도록 전기적으로 제어하도록 구성되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제53항에 있어서, 상기 열의 상기 선형 지연 및 임의의 미세한 지연들은 상기 초음파 트랜스듀서의 다른 열들의 다른 선형 지연 및 임의의 미세한 지연들과 독립적이며, 이에 의해 3차원에서 임의의 스티어링 및 집속을 가능하게 하는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 적어도 하나는 복수의 진동 모드들을 나타내며, 입력 자극이 하나 또는 단지 하나의 진동 모드에 인접해 있는 상기 복수의 진동 모드들 중 다른 것들의 주파수들보다 작도록 대역 제한될 때 상기 하나 또는 단지 하나의 진동 모드가 트리거되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 각각은 복수의 진동 모드들을 나타내고, 상기 복수의 진동 모드들 중 제1 진동 모드로부터 생성되는 주파수들은 제2 복수의 진동 모드들로부터의 주파수들과 중첩되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 각각은 복수의 진동 모드들의 중심 주파수들을 포함하는 광대역 주파수 입력에 의해 구동될 때 상기 복수의 진동 모드들을 동시에 나타내는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 회로부는 상기 고도 방향에서 아포다이제이션의 전자적 제어를 가능하게 하도록 전자적으로 구성되는, 초음파 이미징 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 이상은 동일한 반도체 웨이퍼 기판 상에 제조되고 그에 아주 근접한 감지, 구동 및 제어 회로부에 연결되는, 초음파 이미징 시스템.
- 초음파 이미징 시스템을 사용하여 3D 이미징을 수행하는 방법으로서,
a) 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들에 의해 초음파 펄스를 전송하는 단계 - 상기 단계는:
i) 동일한 열에 있는 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 초과에 적용되는 제2 복수의 지연들에 의해 제어되는 고도 방향에서의 특정 스티어링 각도로 전송들의 세트에 대한 방위각 방향에서의 제1 복수의 지연들을 적용하는 단계; 및
ii) a)의 각각의 반복에 대해 상기 고도 방향에서의 추가적인 스티어링 각도로 미리 결정된 횟수 동안 a)를 반복하는 단계를 포함함 -;
b) 반사된 초음파 신호를 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들에 의해 수신하는 단계; 및
c) 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들로부터의 상기 수신된 반사된 초음파 신호를 이용하여 이미지를 재구성하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제60항에 있어서, 상기 제1 복수의 지연들 내의 지연들은 크기가 동일하고 상기 제2 복수의 지연들 내의 지연들은 크기가 동일한, 방법.
- 제60항에 있어서, 방위각 방향에서의 상기 제1 복수의 지연들을 적용하는 단계는:
a) 상기 방위각을 따라 상기 제1 복수의 지연들 내의 하나 이상의 지연의 크기를 변화시키는 것에 의해 방위각 평면에서 집속시키는 단계; 및
b) 특정 열을 따라 있는 상기 복수의 pMUT 트랜스듀서 요소들 중 하나 초과에 대한 상기 제2 복수의 지연들 내의 하나 이상의 지연의 크기를 변화시키는 것에 의해 상기 고도 방향에서 빔을 집속시키거나 스티어링하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제60항에 있어서,
a) 하나의 동작에서 상기 방위각 평면에서 B 모드 이미징을 전개하는 단계 - 전송 빔포머로부터의 지연들은 방위각 방향에서 선택된 요소들에 적용됨 -;
b) 후속 동작에서 상기 고도 평면에서 B 모드 이미징을 전개하는 단계 - 상기 전송 빔포머로부터의 지연들은 고도 방향에서 요소들에 적용됨 -; 및
c) 수신 개구 기술을 사용하여 2개의 직교 축에 형성된 바이플레인 이미지들을 디스플레이하는 단계
를 더 포함하는, 방법. - 제63항에 있어서, 상기 방위각 평면에서 이미징할 때, 열에 있는 요소들에 추가적인 지연들을 추가하여 고도 초점을 수행하고, 상기 고도 평면 상에 이미지들을 형성할 때, 상기 방법은 상기 방위각 평면에서 추가적인 초점을 가능하게 하기 위해 행들에 있는 요소들에 상기 방위각 축에서 추가적인 지연들을 추가하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제60항에 있어서, 상기 전송들의 세트는 특정 초점을 갖는, 방법.
- 제60항에 있어서, 상기 이미지는 3차원이고 체적을 나타내는, 방법.
- 제60항에 있어서, 상기 제1 복수의 지연들 내의 지연들은 크기가 모두 동일한 것은 아니며 상기 제2 복수의 지연들 내의 지연들은 크기가 모두 동일한 것은 아닌, 방법.
- 제60항에 있어서, 상기 미리 결정된 횟수는 100 회 미만인, 방법.
- 제60항에 있어서, 상기 미리 결정된 횟수는 1000 회 초과인, 방법.
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