KR20230119723A - 다중-트랜스듀서 칩 초음파 디바이스 - Google Patents

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KR20230119723A
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리앙 왕
유수프 하케
자누스 브리젝
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엑소 이미징, 인크.
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Abstract

다양한 유형의 이미징에 사용되는 초음파 디바이스이다. 일부 실시예에서, 초음파 디바이스는 회로부 기판 및 회로부 기판에 결합된 복수의 트랜스듀서 칩을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 트랜스듀서 칩은 서로 고밀도로 패킹된 복수의 초음파 요소를 포함할 수 있는 미세전자기계 시스템(MEMS) 컴포넌트, 상기 MEMS 컴포넌트의 복수의 초음파 요소에 동작 가능하게 결합될 수 있는 주문형 집적 회로(ASIC), 및 제어를 위해 복수의 트랜스듀서 칩의 각각의 ASIC에 전기적으로 결합될 수 있는 제어 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 트랜스듀서 칩 중 적어도 2개의 트랜스듀서 칩은 상기 적어도 2개의 트랜스듀서 칩의 MEMS 컴포넌트의 초음파 요소의 동작 파장보다 작을 수 있는 이격 거리로 회로부 기판 상에 배치될 수 있다.

Description

다중-트랜스듀서 칩 초음파 디바이스
본 개시내용은 인간 또는 동물 신체의 내부 조직, 뼈, 혈류, 또는 기관, 또는 장난감 또는 선적 패키지와 같은 다른 관심 대상을 이미징하고 이미지를 디스플레이하기 위한 비침습적 이미징 시스템 및/또는 프로브에 관한 것이다. 이러한 시스템 및/또는 프로브는 일반적으로 신호를 신체 내부로 투과시키고, 이미징되는 신체 부분에서 방출되거나 반사된 신호를 수신해야 한다. 일반적으로, 이미징 시스템에 사용되는 트랜스듀서는 트랜시버라고 지칭되며, 그 일부 트랜시버는 광음향 및/또는 초음파 효과를 기반으로 한다. 일반적으로, 트랜시버는 이미징을 위해 사용되지만, 반드시 이미징에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 트랜시버는, 몇 가지 예를 들자면, 의료 이미징, 파이프, 스피커 및 마이크로폰 어레이에서의 흐름 측정, 쇄석술(lithotripsy), 치료를 위한 국소 조직 가열, 또는 수술을 위한 고강도 집속 초음파(highly intensive focused ultrasound)(HIFU)에 사용될 수 있다.
기존의 초음파 트랜스듀서는 일반적으로 벌크 압전(PZT) 재료로 제작되며, 일반적으로 전송 신호를 생성하기 위해 일반적으로 100V 이상의 매우 높은 전압 펄스를 필요로 한다. 이러한 높은 전압은 높은 전력 손실을 초래할 수 있는데, 그 이유는 트랜스듀서의 전력 소비/손실이 구동 전압의 제곱에 비례하기 때문이다. 프로브의 표면이 얼마나 뜨거울 수 있는지에 대한 제한이 있는 경우가 많으며, 이는 프로브에서 소비될 수 있는 전력의 양을 제한하는데, 그 이유는 소비된 전력이 프로브에서 발생된 열에 비례하기 때문이다. 기존 시스템에서는 열 발생으로 인해 일부 프로브에 대한 냉각 장치가 필요했으며, 이로 인해 프로브의 제조 비용과 중량이 증가했다. 일반적으로, 기존 프로브의 중량도 문제가 되는데, 그 이유는 이러한 프로브를 사용하는 많은 초음파 기사들이 근육 손상을 겪는 것으로 알려져 있기 때문이다.
의료 이미징에 사용되는 기존의 초음파 프로브는 일반적으로 PZT 재료 또는 다른 피에조 세라믹 및 폴리머 복합물을 사용한다. 프로브는 일반적으로 이미지가 디스플레이 유닛 상에 표시되도록 하는 수단과 함께 트랜스듀서 및 일부 다른 전자장치를 수용하고 있다. 트랜스듀서를 위한 기존의 벌크 PZT 요소를 제작하려면, 두꺼운 압전 재료 슬래브를 큰 직사각형 모양의 PZT 요소로 간단히 절단할 수 있어야 한다. 이러한 직사각형 모양의 PZT 요소는 제작 비용이 매우 비싼데, 그 이유는 제조 공정에서 직사각형 모양의 두꺼운 PZT 또는 세라믹 재료를 정밀하게 절단하고, 정확한 간격으로 기판에 장착하는 단계가 포함되기 때문이다. 또한, 트랜스듀서의 임피던스는 트랜스듀서용 송수신 전자장치의 임피던스보다 훨씬 높다.
기존 시스템에서, 트랜스듀서용 송수신 전자장치는 종종 프로브에서 멀리 떨어져 있어, 트랜스듀서와 전자장치 사이에서 마이크로 동축 케이블을 필요로 한다. 일반적으로, 케이블은 지연 및 임피던스 매칭을 위해 정확한 길이를 가져야 하며, 케이블을 통해 트랜스듀서를 전자장치에 효율적으로 연결하기 위해 추가 임피던스 매칭 네트워크가 필요한 경우가 많다.
미세가공 기술의 발전을 통해, 용량성 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micromachined ultrasound transducer)(cMUT) 및 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서(piezoelectric micromachined ultrasound transducer)(pMUT)와 같은 센서 및 액추에이터를 (실리콘) 기판 상에 효율적으로 형성할 수 있다. 부피가 큰 압전 재료를 사용하는 기존 트랜스듀서에 비해, MUT는 부피가 적고 제조 비용이 저렴한 반면, 전자장치와 트랜스듀서 사이에서 보다 간단하고 고성능의 상호 연결을 가지며, 동작 주파수에서 보다 큰 유연성을 제공하고, 고품질 이미지를 생성할 수 있다.
이러한 트랜스듀서의 기본 개념이 1990년대 초에 공개되었지만 이러한 개념의 상업적 구현예는 많은 문제에 직면하게 되었다. 예를 들어, 기존의 cMUT 센서는 특히 고전압 작동 중 전하 축적으로 인해 성능이 저하되거나 드리프트되기 쉽고, 낮은 주파수에서 충분히 높은 음압을 발생시키기 어렵고, 본질적으로 비선형적이다. 기존의 pMUT는 유망한 대안이었지만 전송 및 수신 비효율과 관련된 문제가 있었고, 여전히 상대적으로 높은 동작 전압이 필요했으며, 대역폭이 제한되었다. 따라서, 낮은 전압에서 동작할 수 있고 높은 대역폭을 나타낼 수 있는, 향상된 효율을 가진 개선된 MUT가 필요하다.
본 개시내용은 어레이로 상호 연결된 다수의 트랜스듀서 칩으로 구성될 수 있는 초음파 디바이스를 제공한다. 트랜스듀서 칩은 주문형 집적 회로(Application-Specific Integrated Circuit)(ASIC)와 통신하는 미세전자기계 시스템(microelectromechanical system)(MEMS) 컴포넌트를 포함할 수 있다. ASIC 칩은 상기 MEMS 컴포넌트의 많은 초음파 요소에 결합될 수 있고, 와이어본드 어셈블리 또는 실리콘 관통 비아(through silicon via)(TSV) 패키징을 통해 제어 칩과 전기적으로 상호 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 트랜스듀서 칩은, 동작 초음파 파장보다 작을 수 있는 이격 거리로 어레이 상에 어셈블링될 수 있으며, 이는 이미징 개구의 중첩을 유발하여, 이미징 구역 및 측면 해상도 모두의 증가로 이어질 수 있다.
일 양태에서, 본 개시내용은 다양한 유형의 이미징과 함께 사용하기 위한 초음파 디바이스를 제공한다. 일부 실시예에서, 초음파 디바이스는 회로부 기판 및 회로부 기판에 결합된 복수의 트랜스듀서 칩을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 회로부 기판은 인쇄 회로 기판(PCB)과 같은 금속성 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 트랜스듀서 칩은 서로 고밀도로 패킹된 복수의 초음파 요소를 포함할 수 있는 미세전자기계 시스템(MEMS) 컴포넌트, 상기 MEMS 컴포넌트의 복수의 초음파 요소에 동작 가능하게 결합될 수 있는 주문형 집적 회로(ASIC), 및 제어를 위해 복수의 트랜스듀서 칩의 각각의 ASIC에 전기적으로 결합될 수 있는 제어 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 트랜스듀서 칩 중 적어도 2개의 트랜스듀서 칩은 상기 적어도 2개의 트랜스듀서 칩의 MEMS 컴포넌트의 초음파 요소의 동작 파장보다 작을 수 있는 이격 거리로 회로부 기판 상에 배치될 수 있다.
다른 양태에서, 초음파 디바이스는 회로부 기판, 및 회로부 기판에 결합된 복수의 트랜스듀서 칩을 포함한다. 일부 경우에, 각각의 트랜스듀서 칩은 서로 고밀도로 패킹된 복수의 초음파 요소를 포함하는 미세전자기계 시스템(MEMS) 컴포넌트, 및 상기 MEMS 컴포넌트의 복수의 초음파 요소에 동작 가능하게 결합된 주문형 집적 회로(ASIC)를 포함한다. 일부 실시예에서, 초음파 디바이스는 제어를 위해 복수의 트랜스듀서 칩의 각 ASIC에 전기적으로 결합된 제어 유닛을 포함하고, 여기서 복수의 트랜스듀서 칩 중 적어도 2개의 트랜스듀서 칩은 상기 적어도 2개의 트랜스듀서 칩의 MEMS 컴포넌트의 초음파 요소의 동작 파장보다 작은 이격 거리로 회로부 기판 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 초음파 디바이스는 표준 인쇄 회로 보드(PCB) 또는 연성 인쇄 회로 보드(플렉스 보드(Flex Board))를 포함하는 회로부 기판을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 플렉스 보드는 고정된 곡률을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 플렉스 보드는 이미징을 위해 타겟 표면에 실시간으로 적합하도록 변경되는 곡률을 갖는다.
일부 실시예에서, 트랜스듀서 칩은 특정 동작 파장을 갖는다. 일부 실시예에서, 임의의 인접한 트랜스듀서 칩 사이의 이격 거리는 인접한 트랜스듀서 칩의 특정 동작 파장에 대해 최적화된다. 일부 실시예에서, 상기 적어도 2개의 트랜스듀서 칩 사이의 이격 거리는 20㎛ 이하이다. 일부 실시예에서, 적어도 2개의 트랜스듀서 칩은 동일 평면 방식으로 회로부 기판 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 적어도 2개의 트랜스듀서 칩은 곡선 방식으로 회로부 기판 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 복수의 트랜스듀서 칩 중 제1 트랜스듀서 칩은 복수의 트랜스듀서 칩 중 후속하는 제2 트랜스듀서 칩의 동작 주파수와는 독립적인 하나 이상의 동작 주파수를 갖는다. 일부 실시예에서, 임의의 트랜스듀서 칩 내의 인접한 초음파 요소 사이의 이격 거리는 트랜스듀서 칩의 특정 동작 파장에 대해 최적화된다. 일부 실시예에서, 초음파 디바이스는 복수의 트랜스듀서 칩에 결합된 하나 이상의 음향 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 음향 렌즈는 제1 트랜스듀서 칩에 결합된 제1 음향 렌즈 및 제2 트랜스듀서 칩에 결합된 제2 음향 렌즈를 포함하고, 여기서 제1 음향 렌즈 및 제2 음향 렌즈는 곡률을 갖는다. 일부 실시예에서, 각각의 트랜스듀서 칩은 3차원 상호 연결 메커니즘에 의해 회로부 기판에 결합된다. 일부 실시예에서, 3차원 상호 연결 메커니즘은 와이어본드를 포함한다.
일부 실시예에서, 3차원 상호 연결 메커니즘은 상기 트랜스듀서 칩 내의 ASIC의 전체 두께를 관통하는 실리콘 관통 비아(Through-Silicon Via)(TSV)를 포함한다. 일부 실시예에서, 제어 유닛은 상기 제어 유닛을 회로부 기판에 결합시키는 3차원 상호 연결 메커니즘을 갖는다. 일부 실시예에서, 제어 유닛은 회로부 기판에 결합된다. 일부 실시예에서, 제어 유닛은 회로부 기판으로부터 분리된 PCB에 결합된다. 일부 실시예에서, 상기 제어 유닛은 복수의 트랜스듀서 칩의 독립적이고 동기화된 동작을 타이밍 제어로 조정한다. 일부 실시예에서, 상기 초음파 디바이스 어셈블리는 TSV를 사용하는 2차원 구성을 포함한다. 일부 실시예에서, 렌즈 높이는 MEMS 표면 위로 최대 200㎛이고, 이는 상기 TSV에 의해 인에이블된다. 일부 실시예에서, 상기 TSV는 10pH 미만의 인덕턴스 레벨을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 TSV는 TSV-마지막 어셈블리(TSV-last assembly)이다. 일부 실시예에서, 상기 TSV-마지막 어셈블리는 적어도 35㎛의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 TSV-마지막 어셈블리는 직경보다 적어도 20㎛ 더 큰 패드 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 TSV-마지막 어셈블리는 패드 크기보다 적어도 15㎛ 더 큰 피치를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 TSV-마지막 어셈블리는 직경에 대해 최대 3:1의 깊이 비율을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 TSV는 TSV-중간 어셈블리(TSV-mid assembly)이다. 일부 실시예에서, 상기 TSV-중간 어셈블리는 적어도 2㎛의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 TSV-중간 어셈블리는 직경보다 적어도 10㎛ 더 큰 패드 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 TSV-중간 어셈블리는 패드 크기보다 적어도 20㎛ 더 큰 피치를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 TSV-중간 어셈블리는 직경에 대해 최대 10:1의 깊이 비율을 갖는다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 MEMS 컴포넌트는 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서(pMUT)를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 MEMS 컴포넌트는 용량성 미세가공 초음파 트랜스듀서(cMUT)를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 적어도 2개의 트랜스듀서 칩의 MEMS 컴포넌트의 동작 파장은 0.1mm 내지 3mm의 범위 내에 있다.
본 개시내용의 예시적인 실시예만이 도시되고 설명되는 이하의 상세한 설명으로부터 본 개시내용의 추가적인 양태 및 이점은 본 기술 분야의 기술자에게는 쉽게 자명해질 것이다. 인식되는 바와 같이, 본 개시내용은 기타 및 서로 다른 실시예가 가능하고, 그 여러 세부사항은 명백한 다양한 양태에서 수정될 수 있고, 이들은 모두 본 개시내용에 속한다. 따라서, 도면 및 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.
참고에 의한 통합
본 명세서에 언급된 모든 공개물, 특허, 및 특허 출원은 마치 각각의 개별 공개물, 특허, 또는 특허 출원이 참고로 포함되는 것으로 구체적이고 개별적으로 표시된 것과 동일한 정도로 본원에 참고로 포함된다. 참고로 포함된 공개물 및 특허 또는 특허 출원이 본 명세서에 포함된 개시 내용과 모순되는 한, 본 명세서는 그러한 임의의 모순되는 자료를 대체 및/또는 우선하도록 의도된다.
본 개시내용의 신규한 특징은 첨부된 청구범위에 구체적으로 명시되어 있다. 본 개시내용의 특징 및 이점은 본 개시내용의 원리가 활용되는 예시적인 실시예를 설명하는 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면(또한 본원에서 "도")을 참조하면 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 이미징 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른 예시적인 초음파 이미저(ultrasonic imager)의 블록도를 도시한 것이다.
도 3a1은　본 개시내용의 실시예에 따른 곡선형 배열의 예시적인 트랜스듀서 칩의 측면도를 도시한 것이다.
도 3a2는 본 개시내용의 실시예에 따른 평면 배열의 예시적인 트랜스듀서 칩의 측면도를 도시한 것이다.
도 3b는 본 개시내용의 실시예에 따른 예시적인 MEMS의 단순화된 평면도를 도시한 것이다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른 초음파 요소의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.
도 5a는 본 개시내용의 실시예에 따라 CMOS 웨이퍼 상에 플립-칩 어셈블링된 초음파 요소 다이의 평면도를 도시한 것이다.
도 5b는 본 개시내용의 실시예에 따른 방향 5-5를 따라 취해진 도 5의 플립-칩 어셈블리의 단면도를 도시한 것이다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따라 MEMS 다이 및 CMOS 다이를 포함하는 싱귤레이티드 플립-칩 어셈블리의 단면도를 도시한 것이다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른 MEMS-CMOS 어셈블리의 단면도를 도시한 것이다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 MEMS-CMOS 어셈블리의 단면도를 도시한 것이다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 MEMS-CMOS 어셈블리의 단면도를 도시한 것이다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 MEMS-CMOS 어셈블리의 예시적인 개략도를 도시한 것이다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따라 TSV를 사용하는 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따라 와이어본딩된 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따라 분리된 인쇄 회로 보드(PCB) 상의 제어 칩과 함께 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따라 인접한 초음파 요소 사이의 가변 간격을 갖는 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.
본 개시내용의 다양한 실시예가 본원에 도시되고 설명되었지만, 이러한 실시예는 예로서만 제공된다는 것이 본 기술 분야의 기술자에게는 명백할 것이다. 본 기술 분야의 기술자는 본 발명을 벗어남이 없이 많은 변형, 변경, 및 대체를 행할 수 있다. 본원에 설명된 본 개시내용의 실시예에 대한 다양한 대안이 이용될 수 있음을 이해해야 한다.
"적어도", "보다 큰", 또는 "보다 크거나 같은"이라는 용어가 두 개 이상의 일련의 수치 값에서 첫 번째 수치 값 앞에 올 때마다, "적어도", "보다 큰", 또는 "보다 크거나 같은"이라는 용어는 해당 일련의 수치 값 내의 각 수치 값에 적용된다. 예를 들어, 1, 2, 또는 3보다 크거나 같다는 것은, 1보다 크거나 같거나, 2보다 크거나 같거나, 3보다 크거나 같은 것과 동등하다.
"보다 크지 않은", "보다 작은", 또는 "보다 작거나 같은"이라는 용어가 2개 이상의 일련의 수치 값에서 첫 번째 수치 값 앞에 올 때마다, "보다 크지 않은", "보다 작은", 또는 "보다 작거나 같은"이라는 용어는 해당 일련의 수치 값 내의 각 수치 값에 적용된다. 예를 들어, 3, 2, 또는 1보다 작거나 같다는 것은, 3보다 작거나 같거나, 2보다 작거나 같거나, 1보다 작거나 같은 것과 동등하다.
본원의 특정 발명 실시예는 수치 범위를 고려한다. 범위가 있는 경우, 해당 범위에는 범위 끝점이 포함된다. 또한, 범위 내의 모든 하위 범위 및 값은 명시적으로 작성된 것처럼 표시된다. 용어 "약" 또는 "대략"은 특정 값에 대해 허용 가능한 오차 범위 내를 의미할 수 있으며, 이는 값이 측정되거나 결정되는 방법, 예컨대, 측정 시스템의 한계에 부분적으로 의존할 것이다. 예를 들어, "약"은 해당 분야의 관례에 따라 1 이상의 표준 편차 내를 의미할 수 있다. 대안적으로, "약"은 주어진 값의 최대 20%, 최대 10%, 최대 5%, 또는 최대 1%의 범위를 의미할 수 있다. 특정 값이 출원 및 청구범위에 기술되어 있는 경우, 달리 명시되지 않는 한, 특정 값에 대해 허용 가능한 오차 범위 내를 의미하는 용어 "약"이 가정될 수 있다.
설명을 목적으로 하는 이하의 설명에서는, 본 개시내용의 이해를 제공하기 위해 특정 세부사항이 제시되고 있다. 그러나, 본 개시내용이 이들 세부사항 없이도 실시될 수 있음이 본 기술 분야의 기술자에게는 명백할 것이다. 또한, 본 기술 분야의 기술자는 후술되는 본 개시내용의 실시예들이 유형적인 컴퓨터 판독가능 매체 상에서 프로세스, 장치, 시스템, 디바이스, 또는 방법과 같은 다양한 방식으로 구현될 수 있음을 인식할 것이다.
본 기술 분야의 기술자는: (1) 특정 제조 단계가 선택적으로 수행될 수 있다는 것; (2) 단계는 본원에 명시된 특정 순서로 제한되지 않을 수 있다는 것; (3) 특정 단계는 동시에 수행되는 것을 포함하여 상이한 순서로 수행될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
도면에 도시된 요소/컴포넌트는 본 개시내용의 예시적인 실시예를 예시하는 것이고, 본 개시내용을 모호하게 하는 것을 피하기 위한 것이다. 본 명세서에서 "하나의 실시예", "바람직한 실시예", "실시예", "실시예들"에 대한 언급은 이러한 실시예와 관련하여 기술되는 특정의 특징, 구조, 특성, 또는 기능이 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 포함되고, 하나 초과의 실시예 내에 있을 수 있다는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 곳에서 "하나의 실시예에서", "일 실시예에서", "실시예들에서"라는 문구의 표현은 모두가 반드시 동일한 실시예 또는 실시예들을 지칭하는 것은 아니다. "구비한다", "구비하는", "포함한다", 및 "포함하는"이라는 용어는 개방된 용어인 것으로 이해되어야 하며, 후속되는 임의의 나열물은 예시적인 것이고, 나열된 항목에 제한되지는 않는다. 본원에 사용된 모든 제목은 구성 목적으로만 사용되며, 설명 또는 청구항의 범위를 제한하는 데 사용되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서의 다양한 곳에서 특정 용어를 사용하는 것은 예시를 위한 것이며, 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예에서, pMUT/cMUT(초음파 요소) 및 트랜스듀서 어셈블리/패키지는 인간/동물 신체의 내부 기관을 이미징하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 초음파 빔이 치료를 위해 조직을 가열하거나 미세 수술을 위해 고출력 초음파 빔을 포커싱하는 데 사용되는 다른 치료 애플리케이션에 사용될 수 있다. 실시예에서, 초음파 요소 및 트랜스듀서 어셈블리/패키지는 초음파 단층촬영 애플리케이션에도 사용될 수 있다.
실시예에서, 초음파 요소의 제조 비용은 최신 반도체 및 웨이퍼 처리 기술을 적용함으로써 감소될 수 있다. 실시예에서, 박막 압전 층은 반도체 웨이퍼 상에 스핀 온되거나 스퍼터링될 수 있고, 나중에 각각 2개 이상의 전극을 갖는 압전 트랜스듀서를 생성하도록 패터닝될 수 있다. 실시예에서, 각각의 초음파 요소는 특정 주파수 범위에서 신호를 방출하거나 수신하는 능력을 갖도록 설계될 수 있다. 이후, 압전 요소, 초음파 요소, 압전 센서, 압전 트랜스듀서, 압전 트랜시버, 단위 픽셀 등의 용어는 상호 교환 가능하게 사용된다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 이미징 시스템(100)의 개략도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은: 전송 모드/프로세스에서 압력파(122)를 생성하고 이를 심장, 폐, 또는 신장과 같은 내부 기관(112)을 향해 전송하며, 내부 기관으로부터 반사된 압력파를 수신하는 이미징 디바이스(또는 간단히 이미저(imager))(120); 및 통신 채널(130)　및/또는 케이블(131)을 통해 이미저에 대해 신호를 전송 및 수신하는 컴퓨팅 디바이스(또는 간단히 디바이스)(102)를 포함할 수 있다. 실시예에서, 내부 기관(112)은　압력파(122)의 일부를 이미저(120)를 향해 반사시킬 수 있고,　이미저(120)는　반사된 압력파를 캡처하고, 수신 모드/프로세스에서 전기 신호를 생성할 수 있다. 이미저(120)는　디바이스(102)에 전기 신호를 전달할 수 있고, 디바이스(102)는 전기 신호를 사용하여 디스플레이/스크린(104) 상에 기관 또는 타겟의 이미지를 디스플레이할 수 있다. 일부 실시예에서, 이미저(120)는 디바이스(102)를 캡슐화할 수 있고, 이미저(120)는 디바이스(102)에 내부적으로 전기 신호를 전달할 수 있고, 디바이스(102)는 전기 신호를 사용하여 디스플레이/스크린(104) 상에 기관 또는 타겟의 이미지를 디스플레이할 수 있다.
실시예에서, 이미저(120)는　A-스캔으로도 알려진 1차원 이미징, B 스캔으로도 알려진 2차원 이미징, 때때로 C 스캔이라고도 하는 3차원 이미징, 4차원 이미징, 및 도플러 이미징을 수행하는 데 사용될 수 있다. 또한, 이미저는 프로그램 제어에 따라 다양한 이미징 모드로 전환될 수 있다. 일부 실시예에서, 이미저(120)는　핸드헬드 폼 팩터일 수 있거나 센서 패치와 같은 다른 폼 팩터를 가질 수 있다.
실시예에서, 이미저(120)는　또한 동물의 내부 기관의 이미지를 얻는 데에도 사용될 수 있다. 이미저(120)는　도플러 모드 이미징에서와 같이 동맥과 정맥의 혈류 방향과 속도를 결정하고, 조직 강직도(tissue stiffness)를 측정하는 데에도 사용될 수 있다. 실시예에서, 압력파(122)는,　인간/동물의 신체를 통과할 수 있고, 내부 기관, 조직, 또는 동맥 및 정맥에 의해 반사될 수 있는 음향파일 수 있다.
실시예에서, 이미저(120)는　휴대용 디바이스일 수 있으며, 디바이스(102)와의 통신 채널을 통해 무선(130)으로 (802.11 프로토콜과 같은 프로토콜을 사용하여) 신호를 전달할 수 있다. 실시예에서, 디바이스(102)는　셀폰 또는 iPad와 같은 모바일 디바이스, 또는 사용자에게 이미지를 디스플레이할 수 있는 고정 컴퓨팅 디바이스일 수 있다.
실시예에서, 하나 초과의 이미저는 타겟 기관의 이미지를 현상하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 이미저는 타겟 기관을 향해 압력파를 전송할 수 있지만, 제2 이미저는 타겟 기관으로부터 반사된 압력파를 수신하고, 수신된 압력파에 응답하여 전하를 발생시킬 수 있다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른 예시적인 이미저(120)의 개략도를 도시한 것이다. 실시예에서, 이미저(120)는　이미저(120)와 동일할 수 있다. 주목할 것은 이미저(120)는　도 2에 도시된 컴포넌트보다 많거나 적을 수 있다는 것이다.
일부 실시예에서, 이미저(120)는 초음파 이미저일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이미저(120)는: 압력파를 송수신하기 위한 트랜스듀서 칩(210); 압력파의 전파 방향을 설정하고/하거나 압력파를 포커싱하기 위한 렌즈로서 동작하며, 또한 트랜스듀서 칩과 인체(110) 사이의 음향 임피던스 계면으로도 기능하는 코팅 층(212); 범프에 의해 트랜스듀서 칩(210)에 결합되어, 트랜스듀서 칩(들)(210)을 제어하기 위한, ASIC 칩(또는 간단히 ASIC)과 같은　제어 유닛(202);　이미저(120)의 컴포넌트를 제어하기 위한 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array)(FPGA)(214);　신호를 처리/컨디셔닝하기 위한 아날로그 프런트 엔드(Analogue Front End)(AFE)와 같은 회로(들)(215); 트랜스듀서 칩(210)에 의해 발생되고 회로(215)를 향해 전파되는 파동을 흡수하기 위한 음향 흡수체 층(203); 하나 이상의 포트(216)를 통해 디바이스(102)와 같은 외부 디바이스와 데이터를 통신하기 위한 통신 유닛(208); 데이터를 저장하기 위한 메모리(218); 이미저의 컴포넌트에 전력을 제공하기 위한 배터리(206); 및 선택적으로 타겟 기관의 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이(217)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 모바일 디바이스는 이미저(120)에 전력을 공급할 수 있다.
실시예에서, 디바이스(102)는　디스플레이/스크린을 가질 수 있다. 이 경우, 디스플레이는 이미저(120) 내에 포함되지 않을 수 있다. 실시예에서, 이미저(120)는　포트(216) 중 하나를 통해 디바이스(102)로부터 전력을 수신할 수 있다. 그런 경우, 이미저(120)는　배터리(206)를 포함하지 않을 수 있다. 주목할 것은 이미저(120)의 하나 이상의 컴포넌트가 하나의 일체형 전기 요소로 조합될 수 있다는 것이다. 마찬가지로, 이미저(120)의 각 컴포넌트는　하나 이상의 전기 요소로 구현될 수 있다.
실시예에서, 사용자는 인체(110)가 코팅 층(212)과 직접 접촉하기 전에 인체(110)의 피부에 겔을 도포하여, 코팅 층(212)과 인체(110) 사이의 계면에서의 임피던스 매칭을 개선시킬 수 있으며, 즉, 계면에서 압력파(122)의 손실은 감소되고, 계면에서 이미저(120)를 향해 이동하는 반사파의 손실이 또한 감소된다. 실시예에서, 트랜스듀서 칩(210)은　(회로부) 기판 상에 장착될 수 있고, 음향 흡수체 층에 부착될 수 있다. 이 층은 반대 방향으로 방출되는 모든 초음파 신호를 흡수하며, 이러한 신호는 그렇지 않으면 반사되어 이미지의 품질을 방해할 수 있다.
아래에서 설명되는 바와 같이, 코팅 층(212)은　트랜스듀서에서 신체로 또는 그 반대로 음향 신호의 전송을 최대화하기 위한 단지 평탄한 매칭 층에 불과할 수 있다. 이 경우 빔 포커싱은 불필요한데, 그 이유는 빔 포커싱이 제어 유닛(202)에서 전자적으로 구현될 수 있기 때문이다. 이미저(120)는　반사된 신호를 사용하여 기관(112)의 이미지를 생성할 수 있고,　결과는 기관(112)의 이미지의 유무와 관계없이 도시된 그래프, 플롯, 및 통계와 같은 다양한 형식으로 스크린 상에 디스플레이될 수 있다.
실시예에서, ASIC과 같은 제어 유닛(202)은 트랜스듀서 칩과 함께 하나의 유닛으로 어셈블링될 수 있다. 다른 실시예에서, 제어 유닛(202)은　이미저(120) 외부에 위치할 수 있고, 케이블을 통해 트랜스듀서 칩(210)에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예에서, 이미저(120)는　컴포넌트(202 내지 215)를 둘러싸는 하우징, 및 컴포넌트에 의해 발생되는 열 에너지를 소산하기 위한 열 소산 메커니즘을 포함할 수 있다.
도 3aa 및 도 3ab는 본 개시내용의 실시예에 따른 3개의 트랜스듀서 칩(210)을 갖는 예시적인 트랜시버 어레이의 개략도를 도시한 것이다. 패키지는 도 3ab에 도시된 바와 같이 평면 배열 상에 있거나, 도 3aa에 도시된 바와 같이 곡선형 배열 상에 있을 수 있다. 패키지는 적어도 2개의 트랜스듀서 칩(210) 사이에서 5㎛ 내지 100㎛의 범위에 있는, 예를 들어, 5㎛, 20㎛, 또는 100㎛인 동작 초음파 파장보다 작은 간격으로 어셈블링될 수 있다. 동일 평면 어셈블리는 도 3a2에 도시된 바와 같이 평면 표면 상에서 사용될 수 있고, 곡선 표면 상의 곡선형 어셈블리는, 도 3a1에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서 칩(210) 용으로 사용될 수 있다. 동일 평면 어셈블리는 15㎛와 같은 동작 초음파 파장보다 작은 동일 평면성(인접한 트랜스듀서 칩의 표면 레벨의 수직 차이)을 요구할 수 있다. 도 3a1에 도시된 바와 같은 곡선형 어셈블리는 손목밴드 또는 패치와 같은 다수의 가능한 프로브 구조 용으로 사용될 수 있다.
도 3b는 본 개시내용의 실시예에 따른 하나 이상의 초음파 요소(302)를 포함하는 개별 트랜스듀서 칩(210)의 평면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 트랜스듀서 칩(210)은　트랜스듀서 기판(304), 및 트랜스듀서 기판(304) 상에 배열된 하나 이상의 초음파 요소(302)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 트랜스듀서 기판(304)은 실리콘과 같은 금속성 기판을 포함할 수 있다. 경우에 따라 트랜스듀서 칩(210)은, 적어도 2개의 트랜스듀서 칩(210) 상에서 에지 열 또는 행 사이의 간격이 다른 트랜스듀서 칩(210)의 각 열 또는 행 사이의 간격의 배수(예를 들어: 2)와 같아지는 방식으로 어셈블링될 수 있다. 일부 실시예에서, 이 트랜스듀서 칩(210) 구조는 단순히 이미지 재구성일 수 있다.
벌크 초음파 요소를 사용하는 기존 시스템과는 달리, 실시예에서, 초음파 요소 어레이(302)는　웨이퍼 상에 형성될 수 있고, 웨이퍼는 다수의 트랜스듀서 칩(210)을 형성하도록 다이싱될 수 있다. 이 공정은 제조 비용을 감소시킬 수 있으며, 그 이유는 트랜스듀서 칩(210)이　저렴한 비용으로 대량으로 제조될 수 있기 때문이다. 실시예에서, 웨이퍼의 직경은 6 내지 12인치(150㎜ 내지 300㎜) 범위일 수 있으며, 많은 초음파 요소 어레이가 일괄 제조될 수 있다. 초음파 요소 어레이(302)를 제어하기 위한 집적 회로는,　초음파 요소 어레이(302)가 매칭하는 집적 회로에 아주 근접하게, 예를 들어, Au-Au, Al-Al 또는 Cu-Cu와 같은 금속 웨이퍼 본딩이 구현되는 경우, 바람직하게는 1㎛ 내지 20㎛ 이내로 연결될 수 있거나, 예를 들어, 솔더 기반 본딩이 구현되는 경우, 바람직하게는 25㎛ 내지 100㎛ 이내로 연결될 수 있도록, ASIC 칩 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 트랜스듀서 칩(210)은　1024개의　초음파 요소(302)를 가질 수 있고, 1024개의　초음파 요소(302)를 구동하기 위한 적절한 수의 회로를 가진 매칭하는 ASIC 칩에 연결될 수 있다.
도 3b는 본 개시내용의 실시예에 따른 트랜스듀서 칩(210) 내에 포함된 예시적인 MEMS 다이(300)의 평면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, MEMS 다이(300)는　트랜스듀서 기판(304), 및 트랜스듀서 기판(304) 상에서　1차원 어레이 또는 2차원 어레이로 배열된 하나 이상의 초음파 요소(302)를 포함할 수 있다.
벌크 초음파 요소를 사용하는 기존 시스템과는 달리, 실시예에서, 초음파 요소(302)는　웨이퍼 상에 형성될 수 있고, 웨이퍼는 MEMS 다이(300)를 형성하도록 다이싱될 수 있다. 이 공정은 제조 비용을 감소시킬 수 있으며, 그 이유는 MEMS 다이(300)가　저렴한 비용으로 대량으로 제조될 수 있기 때문이다. 실시예에서, 웨이퍼의 직경은 6 내지 12인치 범위일 수 있고, 많은 초음파 요소 어레이가 각 웨이퍼 상에 일괄 제조될 수 있다. 또한, 실시예에서, 아래에서 설명되는 바와 같이, 초음파 요소(302)를 제어하기 위한 집적 회로는　초음파 요소(302)가　정합하는 집적 회로에 매우 근접하게, 바람직하게는 25㎛ 내지 100㎛ 이내에서 연결될 수 있도록 CMOS 웨이퍼/다이(예를 들어, ASIC 칩) 내에 형성될 수 있다. 실시예에서, 바이폴라 상보성 금속 산화물 반도체(Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)(BICMOS) 또는 임의의 다른 적합한 공정이 CMOS 웨이퍼/다이 대신에 사용될 수 있다.
실시예에서, 각 초음파 요소(302)의 돌출 구역은　정사각형, 직사각형, 원형 등과 같은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 실시예에서, 2개 이상의 초음파 요소가 연결되어 더 큰 픽셀 요소를 형성할 수 있다. 실시예에서, 초음파 요소(302)의 2차원 어레이는　직교 방향으로 배열될 수 있다. 실시예에서, 라인 요소를 생성하기 위해 N개의 초음파 요소(302)의 열이　전기적으로 병렬로 연결될 수 있다. 그 후, 이 라인 요소는 각 요소보다 약 N배 더 긴 연속 초음파 요소에 의해 달성되는 것과 유사한 초음파 신호의 전송 및 수신을 제공할 수 있다.
기존 디자인의 라인 요소를 모방하기 위해서는 주어진 폭의 초음파 요소의 형상은 그 높이가 매우 높아야 할 수 있다. 예를 들어, 기존 디자인의 라인 요소는 폭이 280㎛이고 높이가 8000㎛일 수 있지만, 그 두께는 10 내지 1000㎛일 수 있다. 그러나, MEMS 다이(300) 상에서, 복수의 동일한 초음파 요소(302)를 사용하여 라인 요소를 설계하는 것이 유리하며, 여기서, 각 요소는 고유한 중심 주파수를 가질 수 있다. 실시예에서, 복수의 초음파 요소(302)가　함께 연결되면, 복합 구조(즉, 라인 요소)는 모든 요소 픽셀의 중심 주파수를 포함하는 중심 주파수를 갖는 하나의 라인 요소로 작용할 수 있다. 최신 반도체 공정에서, 이들 중심 주파수는 서로 잘 매칭되며, 라인 요소의 중심 주파수에서 편차가 매우 적다. 경우에 따라 각 초음파 요소(302)는 중심 주파수가 다를 수 있다.
실시예에서, 초음파 요소(302)는　자신과 연관된 하나 이상의 부유 막을 가지고 있고, 중심 주파수에서 자극에 노출될 때 해당 중심 주파수에서 진동하고, 공진기처럼 동작한다. Q 인자로 알려진 이들 공진기와 연관된 선택성이 존재한다. 실시예에서, 초음파 이미저의 경우, Q는 일반적으로 낮도록(1 내지 3 또는 그 근처에 가깝도록) 설계될 수 있고 픽셀 설계와 실제 사용 시 픽셀에 적용되는 부하의 조합에 의해 달성될 수 있다. 실시예에서, 부하는 RTV/폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)(PDMS) 층 또는 다른 매칭하는 재료 층을 초음파 요소의 상면에 도포함으로써 제공될 수 있으며, 여기서 부하는 압력파를 방출하고 수신하는 트랜스듀서 표면과 이미징되는 인체 부분 사이의 보다 가까운 임피던스 매칭을 가능하게 할 수 있다. 실시예에서, 낮은 Q 및 잘 매칭된 중심 주파수는 라인 요소가 본질적으로 실질적으로 하나의 중심 주파수를 갖는 라인 이미징 요소처럼 작용하도록 허용할 수 있다.
실시예에서, 예를 들어, 각 초음파 요소는　서로로부터 중심 간에 100 내지 250㎛ 이격될 수 있다. 더 단순화하기 위해 형상은 정사각형이라고 가정한다. 이제, 이를 테면, 기존의 라인 요소를 모방하기 위해,　초음파 요소(302)의 열이　서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 열 내의 24개의 초음파 요소(302)는 대략 6㎜ 길이의 라인 요소를 생성할 수 있으며 각 요소의 너비는 0.25㎜이다. 실시예에서, 이 연결은 금속 상호 연결 층을 사용하여 웨이퍼 레벨에서 달성되거나 제어 유닛(202)의 회로를 사용하여 병렬로 연결될 수 있다.
기존 벌크 초음파 요소의 경우, 상단 전극과 하단 전극 간의 전압 전위는 100V 내지 200V의 범위이다. MUT의 경우, 상단 전극과 하단 전극 간의 전압 전위는 동일한 음압을 생성하기 위해 약 10배 더 낮을 수 있다. 실시예에서, 이 전압을 추가로 감소시키기 위해, 초음파 요소(302)는　스케일 다운된 얇은 압전층을 포함할 수 있고, 이 압전층은 1㎛ 이하의 정도의 두께를 가질 수 있다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따라 도 3b에서 방향 4-4를 따라 취해진 예시적인 초음파 요소(302)의 개략적인 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 초음파 요소(302)는 기판(430)에 의해 지지되는 멤브레인 층(434) 상에 배치될 수 있다. 실시예에서, 공동(432)은　기판(430) 내에서 멤브레인을 정의하도록 형성될 수 있고, 즉, 기판(430) 및 멤브레인(434)은 모놀리식 바디로 형성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 멤브레인 층(434)은　기판(430) 상에 SiO2를 퇴적시킴으로써 형성될 수 있다. 실시예에서, 하나 이상의 초음파 요소(302)는　멤브레인 상에 배치될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 각 초음파 요소(302)는 개별 멤브레인 상에 배치될 수 있다.
실시예에서, 초음파 요소(302)는　압전층(410), 및 신호 도체(O)(404)에 전기적으로 연결된 제1(또는 하단) 전극(O)(402)을 포함할 수 있다. 실시예에서, 신호 도체(O)(404)는　TiO2 및 금속 층을 멤브레인 층(434) 상에 퇴적함으로써 형성될 수 있다. 실시예에서, 압전층(410)은　스퍼터링 기술 또는 Sol Gel 공정에 의해 형성될 수 있다.
실시예에서, 제2 전극(X)(406)은　압전층(410) 위에 성장될 수 있고, 제2 도체(408)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제3 전극(T)(412)은　또한 압전층 위에도 성장될 수 있고, 제2 도체(412)에 인접하게 배치될 수 있지만 제2 도체(X)(408)로부터는 전기적으로 절연되어 있다. 실시예에서, 제2 전극(X)(406) 및 제3 전극(T)(412)(또는 동등하게, 2개의 상단 전극들)은 압전층(410) 상에 하나의 금속 층을 퇴적하고 금속 층을 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 실시예에서, 전극(402, 406 및 412)의 돌출 구역은　정사각형, 직사각형, 원형, 타원 등과 같은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다.
실시예에서, 제1 전극(O)(402)은　금속, 비아, 및 층간 유전체를 사용하여 도체(O)(404)에 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예에서, 제1 전극(O)(402)은　압전층(410)과 직접 접촉할 수 있다. 제3 도체(T)(414)는　제1 전극(O)(402)에 대하여 압전층(410)의 다른 면 상에 퇴적 또는 성장될 수 있다. 초음파 요소(302)를 제조하는 단계에 대한 추가 정보는　2017년 11월 29일에 "LOW VOLTAGE, LOW POWER MEMS TRANSDUCER WITH DIRECT INTERCONNECT CAPABILITY"라는 명칭으로 출원되어 미국 특허 제11,058,396 B2호로 등록된 특허에서 찾을 수 있으며, 이러한 특허는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
순전히 예시의 목적으로 유니모프 초음파 요소가 도 4에 도시되어 있지만, 실시예에서, 복수의 압전 서브 층 및 전극으로 구성된 다중 층 초음파 요소가 이용될 수 있다. 실시예에서, 압전층(410)은　PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AlN, Sc-AlN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
주목할 것은 MEMS 다이(300)의 초음파 요소는　다른 적합한 수의 상단 전극을 포함할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 초음파 요소는 하나의 상단 전극(예컨대, X 전극)만을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 초음파 요소는 2개보다 많은 상단 전극을 포함할 수 있다. 상단 전극의 수 및 상단 전극에 대한 전기적 연결에 대한 더 많은 정보는 미국 특허 제11,058,396 B2호에서 찾을 수 있다.
주목할 것은 도 4는 개략도이므로 초음파 요소의 상세한 구조를 도시하지 않는다는 것이다. 예를 들어, 도체(X)(408)의 일단과 전극(X)(406) 사이에는 전기 패드가 배치될 수 있다. 또한, MEMS 다이(300)는 초음파 요소(302)와 상이한 구조를 갖는 초음파 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, MEMS 다이(300)의 각 초음파 요소는 하나의 상단 전극만을 가질 수 있다. 따라서, 초음파 요소(302)는 MEMS 다이(300)에 포함될 수 있는 여러 종류의 초음파 요소 중 하나라는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게는 명백해야 한다.
도 5a는 본 개시내용의 실시예에 따른 CMOS 웨이퍼(502) 상에 장착된 다수의 MEMS 다이(또는 MEMS 웨이퍼)(504)를 포함하는 플립-칩 어셈블리(500)의 평면도를 도시한 것이다.　도 5b는 본 개시내용의 실시예에 따른 방향 5-5를 따라 취해진 플립-칩 어셈블리(500)의 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, MEMS 다이(504)는 금속 범프 또는 기둥(506)에 의해 CMOS 웨이퍼(502) 상에 장착될 수 있다. 실시예에서, CMOS 웨이퍼(502)는 MEMS 다이(504) 내의 초음파 요소를 제어하기 위한 ASIC을 포함할 수 있다. (CMOS 및 ASIC이라는 용어는 본원에서 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.) 실시예에서, 범프 또는 기둥(506) 사이의 피치는 1 내지 200㎛ 사이일 수 있으며, 이는 대규모 초음파 요소 어레이를 가진 MEMS 다이에 적용 가능한 고밀도 상호 연결을 가능하게 한다. 실시예에서, 다수의 초음파 요소를 가진 MEMS 다이(504)는　2차원 이미징, 3차원 이미징 및 4차원 이미징을 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, MEMS 웨이퍼(504)는 ASIC에 결합될 수 있다. 경우에 따라 MEMS 다이(504)는 MEMS 범핑(506)을 통해 ASIC 다이에 본딩될 수 있다. 일부 실시예에서, MEMS 다이(504)는 ASIC의 컴포넌트 상에 제조될 수 있다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따라 CMOS 다이(618) 상에 장착된 MEMS 다이(610)를 포함하는 싱귤레이티드 플립-칩 어셈블리의 단면도를 도시한 것이다. 실시예에서, MEMS 다이(610)는　MEMS 다이(504)와 유사할 수 있다. 실시예에서, 다수의 MEMS 다이를 갖는 MEMS 웨이퍼가 제조되어 단일 칩으로 다이싱될 수 있다. 유사하게, 실시예에서, 다수의 ASIC 칩을 갖는 CMOS 웨이퍼가 제조되어 단일 칩으로 다이싱될 수 있다. 그 후, 도 6에 도시된 바와 같이, MEMS 다이(610)는 다수의 범프 또는 기둥(616)에 의해 CMOS 다이(618) 상에 장착될 수 있다.
실시예에서, 단일 MEMS 다이는 CMOS 웨이퍼 상에 장착될 수 있다. 실시예에서, 플립-칩 어셈블리는 다이-온-다이(die-on-die), 다이-온-웨이퍼(die-on-wafer), 또는 웨이퍼-온-웨이퍼(wafer-on-wafer) 본딩에 의해 생성될 수 있다. 실시예에서, 웨이퍼-대-웨이퍼(wafer-to-wafer) 본딩 공정은 수율 증가 효과를 가져올 수 있고, 즉, 집적된(어셈블링된) 다이 수율은 MEMS 웨이퍼 수율에 CMOS 웨이퍼 수율을 곱한 결과일 수 있다. 실시예에서, 공지된 양호한 다이-온-다이 본딩 공정(known good die-on-die bonding process) 또는 공지된 양호한 다이 온 공지된 양호한 웨이퍼 사이트 본딩 공정(known good die on known good wafer site bonding process)은 MEMS 웨이퍼가 CMOS 웨이퍼에 결합될 때 존재할 수 있는 수율 증가 효과를 제거할 수 있다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른 MEMS-CMOS 어셈블리(700)의 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, MEMS-CMOS 어셈블리(700)는: MEMS 다이(702); 범프 또는 기둥(712)에 의해 MEMS 다이에 전기적으로 결합되는 CMOS 다이(704); 및 접착제 층(710)에 의해 CMOS 다이에 고정되는 패키지(706)를 포함할 수 있다. 실시예에서, CMOS 다이(704)는 하나 이상의 와이어(708)에 의해 패키지(706)에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예에서, 각 와이어(708)의 팁은 와이어 본딩 기술에 의해　CMOS 다이(704) 및 패키지(706)에 결합될 수 있다.
실시예에서, 도 3b의 MEMS 다이(300)와 유사할 수 있는 MEMS 다이(702)는 초음파 요소(720)의 어레이를 포함할 수 있으며, 여기서 각 초음파 요소는 도 4의 초음파 요소(400)와 유사할 수 있다. 실시예에서, 각 초음파 요소(720)는 기판(726) 상에 형성된 멤브레인(722), 및 하단 전극, 압전층, 및 하나 이상의 상단 전극을 포함하는 층 스택(728)을 포함할 수 있다. 실시예에서, 멤브레인(722)은 기판(726) 내의 공동을 에칭함으로써 형성될 수 있으며, 즉, 에칭되지 않은 부분이 기판이 되고 에칭된 부분이 멤브레인을 정의하도록 모놀리식 바디를 에칭하여 공동을 형성할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 멤브레인(722)은　기판(726)과는 다른 재료로 형성될 수 있다. 실시예에서, MEMS 다이(702)는　하나 이상의 멤브레인(722)을 포함할 수 있다.
실시예에서, MEMS 다이(702)의 부분은　범프(712)에 직접 부착되어, CMOS 다이(704)에 전기적 연결을 제공할 수 있다. 실시예에서, 적어도 하나의 금속 층은 MEMS 다이의 하단 표면 상에 퇴적되고 패터닝되어 전기적 연결(예를 들어, 와이어 및/또는 트레이스)을 형성할 수 있으며, 이들 전기적 연결 중 일부는 CMOS 다이(704)와의 전기적 통신을 위해 범프(712)와 직접 접촉할 수 있다. 예를 들어, 도체(O)(404)와 유사할 수 있는 도체는 MEMS 다이(702)의 하단 표면 상에 금속 층을 퇴적 및 패터닝함으로써 형성된 전기적 와이어(또는 트레이스)일 수 있다.
MEMS-CMOS 어셈블리(700)가　부주의로 단단한 표면 상에 떨어지면, 그 충격으로 10,000g 정도의 쇼크가 발생하여 범프 또는 기둥(712)을 절단시킬 수 있다. 실시예에서, MEMS 다이(702)와 CMOS 다이(704) 사이의 공간은 언더필 재료(730)로 충전될 수 있고, 이러한 언더필 재료(730)는 외부 응력 충격을 줄이고, 충격 응력에 민감한 범프(712)와 같은 컴포넌트를 보호할 수 있다. 또한, 언더필 재료(층)(730)는　MEMS 다이(702)를 CMOS 다이(704)에 기계적으로 고정할 수 있다. 실시예에서, 언더필 재료(730)는　언더필 재료(730)를 통과하는 압력파를 흡수하기 위한 음향 감쇠 특성을 추가로 가질 수 있다.
실시예에서, 초음파 요소(720)는 적절한 전기 도체(예를 들어, 404, 408 및 414)에 의해 범프 또는 기둥(712)에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예에서, 전기적 연결에는 멤브레인(722)의 하단 표면 및 층 스택(728)에 형성된 금속 트레이스(및 비아)가 포함될 수 있다.
실시예에서, CMOS 다이(704)는, 초음파 요소(720)가 전송 모드/프로세스 동안 압력파를 발생시키고, 수신 모드/프로세스 동안 전하를 발생시킬 수 있도록, 초음파 요소(720)를 감지하고 구동하기 위한 전기 회로를 포함할 수 있다. 전송 모드 동안, CMOS 다이(704)의 구동 회로는　범프(712)를 통해 초음파 요소(720)에 전기적 펄스를 전송할 수 있고, 그러한 펄스에 응답하여, 초음파 요소는 멤브레인(722)을 수직 방향으로 진동시켜 압력파(730)를 발생시킬 수 있다. 수신 모드 동안, 타겟 기관으로부터 반사된 압력파는 멤브레인(722)을 변형시킬 수 있고, 이는 차례로 초음파 요소(720)에서 전하를 발생시킨다. 전하는 추가 처리를 위해 범프(712)를 통해 CMOS 다이(704)의 전기 회로로 전송될 수 있다.
전송 모드 동안, 멤브레인(722)에 의해 생성된 압력파의 일부는　CMOS 다이(704)를 향해 전파될 수 있다. 이러한 압력파는 CMOS 다이(704) 및/또는 패키지(706)에서 반사되어 타겟 기관으로부터 반사되는 압력파와 간섭될 수 있으므로,　이러한 압력파는 이미지 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 실시예에서, 접착제 재료(730)는,　바람직하지 않은 압력파를 흡수하고 열 에너지로 소산될 수 있는 음향 감쇠 재료로 형성될 수 있다.
실시예에서, 패키지(706)는 하나 이상의 와이어(708)에 의해 CMOS 다이(704)로/로부터의 전기적 신호를 연결할 수 있다. 실시예에서, CMOS 다이(704)의 ASIC 사이트는 ASIC 사이트와 패키지(706) 사이의 와이어 본딩을 가능하게 하기 위해 MEMS 다이(704)보다 다소 클 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 패키지(706)를 향해 전파되는 압력파는　바람직하지 않을 수 있는데, 그 이유는 그 압력파가 패키지(706)로부터 반사되어 타겟 기관으로부터 반사되는 압력파와 간섭될 수 있기 때문이다. 실시예에서, 접착제 층(710)은,　접착제 층(710)을 통과하는 압력파가　흡수되어 열 에너지로 소산될 수 있도록, 음향 감쇠 재료로 형성될 수 있다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 MEMS-CMOS 어셈블리(800)의 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, MEMS-CMOS 어셈블리(800)는: MEMS 다이(802); 범프 또는 기둥(812)에 의해 MEMS 다이에 전기적으로 결합되는 CMOS 다이(804); 접착제 층(810)에 의해 CMOS 다이(804)에 고정되는 패키지(806); 및 패키지(806)를 CMOS 다이(804)에 전기적으로 연결할 수 있는 하나 이상의 와이어(808)를 포함할 수 있다. 실시예에서, MEMS 다이(802), CMOS 다이(804), 및 패키지(806)는 MEMS-CMOS 어셈블리(700)의 대응물과 구조 및 기능이 유사할 수 있다.
도 7과 관련하여 설명된 바와 같이, 멤브레인(822)은　전송 모드 동안 압력파를 생성할 수 있으며, 압력파의 일부가 CMOS 다이(804)를 향해 전파될 수 있다. 이 바람직하지 않은 압력파의 강도를 줄이거나 제거하기 위해, MEMS-CMOS 어셈블리(800)는　MEMS 다이(802)의 주변부 주위에 배치될 수 있는 밀봉 링(832)을 포함할 수 있고, 밀봉 링으로 둘러싸인 공간(830)은 진공 상태 또는 매우 낮은 압력 상태로 유지되어, 공간을 통한 압력파의 전파를 줄이거나 차단할 수 있다. 예를 들어, 공간(830)은　미리 설정된 압력 상태의, 바람직하게는 대기압보다 낮은 압력 상태의 불활성 가스 또는 공기로 충전될 수 있다.
실시예에서, 커버 층(824)은　인체와 마주하는 MEMS 다이(802)의 측면 주위에 배치될 수 있다. 커버 층(824)은　계면에서 음향 임피던스 매칭을 향상시키기 위해 MEMS 다이(802)와 인체 사이의 임피던스 매칭 층으로서 기능할 수 있고,　또한 보호 메커니즘으로서 외부 충격/쇼크에 대한 보호를 제공하고, MEMS 다이가 사람의 피부에 직접 닿는 것을 방지하여 마모 및 손상으로부터 보호를 제공한다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 MEMS-CMOS 어셈블리(900)의 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, MEMS-CMOS 어셈블리(900)는 MEMS 어셈블리(700)와 유사하며, 차이점은 CMOS 다이(904)가 실리콘 관통 비아(TSV)(914) 및 범프 또는 기둥 또는 패드(916)에 의해 패키지(906)에 전기적으로 결합될 수 있다는 것이다. 실시예에서, TSV(914)는 CMOS 다이(904) 내에서, 홀을 통해 에칭하고 홀을 전기 전도성 재료로 퇴적/충전하는 것과 같은 적절한 웨이퍼 처리 기술에 의해 형성될 수 있다. 실시예에서, TSV(914)는 TSV-마지막 또는 TSV-중간 구조일 수 있다. TSV-마지막 또는 TSV-중간 구조는 범프 또는 기둥 또는 패드(916) 아래의 TSV(914)와 함께 ASIC를 가질 수 있다. TSV-마지막 구조는 적어도 35㎛의 직경과, 적어도 TSV-마지막 직경 + 20㎛의 패드 크기를 가질 수 있다. TSV-중간 구조는 적어도 2㎛의 직경과, 적어도 TSV-중간 직경 + 10㎛의 패드 크기를 가질 수 있다. 실시예에서, TSV 피치 및 깊이는 TSV-중간 또는 TSV-마지막과 같이, 사용되는 TSV 구조에 따라 달라질 수 있다. 다중 MEMS-CMOS 어셈블리(900)의 2차원 구성은 TSV(914)에 의해 인에이블될 수 있다. 실시예에서, CMOS 다이(904) 또는 패키지(906) 상에는 CMOS 다이(904)와 패키지(906) 사이의 전기적 연결을 제공하는 추가적인 범프 또는 기둥 또는 패드(916)가 형성될 수 있다. 실시예에서, 패키지(906)는 TSV(914) 및 범프 또는 기둥 또는 패드(916)를 통해 CMOS 다이(904)에 전기적 신호를 전달할 수 있다. 주목할 것은 접착제 층(910)이　압력파가 흡수되어 열 에너지로 소산될 수 있도록 음향 감쇠 재료로 형성될 수 있다는 것이다. 일부 실시예에서, MEMS-CMOS 어셈블리(900)는 또한 TSV(914)가 CMOS 다이(904)의 일 측면 상의 전극에서 반대 측면으로 연결되게 하여 ASIC에 연결되게 할 수 있다.
주목할 것은 커버 층(824)과 유사한 커버 층이 도 8에 도시된 바와 같이, MEMS 다이(902) 주위에 배치될 수 있다는 것이다. 또한, 주목할 것은 MEMS 어셈블리(900)는　밀봉 링으로 둘러싸인 공간이 진공 상태로 유지되어 압력파가 CMOS 다이(904)를 향해 전파되는 것을 방지할 수 있도록 밀봉 링(832)과 유사한 밀봉 링을 포함할 수 있다는 것이다. 또한, 실시예에서, MEMS 다이(902)와 CMOS 다이(904) 사이의 공간은　재료(730)와 유사한 언더필 재료로 충전될 수 있다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 MEMS-CMOS 어셈블리(또는 간단히 어셈블리)(1000)의 예시적인 개략도를 도시한 것이다. 실시예에서, MEMS 다이(1002) 및 CMOS 다이(또는 ASIC 칩)(1004)는 각각 MEMS 다이(702)(802 및 902) 및 CMOS 다이(704)(804 및 904)와 유사할 수 있다. 기존의 시스템에서, 압전 트랜스듀서를 구동하기 위한 전자장치는 일반적으로 압전 트랜스듀서에서 멀리 떨어져 위치하며, 동축 케이블을 사용하여 압전 트랜스듀서에 연결된다. 일반적으로, 동축 케이블은 전자장치 상에서 추가 캐패시턴스와 같은 기생 부하를 증가시키며, 추가 캐패시턴스는 더 많은 열과 전력 손실을 유발한다. 대조적으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 전송 드라이버 또는 드라이버들(또는 등가의 회로들)(1012a 내지 1012n)(또는 집합적으로 1012)은 (범프(712, 812, 또는 912)와 유사할 수 있는) Cu 기둥 또는 솔더 범프(1032)와 같은 저 임피던스 2차원(2D) 상호 연결 메커니즘(화살표(1020)으로 표시됨), 또는 웨이퍼 본딩 또는 이와 유사한 접근법을 사용하여 초음파 요소(또는 등가의 픽셀)(1006a 내지 1006n+i)(또는 집합적으로 1006)에 직접 연결될 수 있다. 실시예에서, MEMS 다이(1002)를 CMOS 다이(1004)에 통합할 때,　회로(1012)는　초음파 요소(1006)에서 수직으로 100㎛ 미만(또는 그 정도)으로 떨어져 위치할 수 있다. 실시예에서, 드라이버 회로(1012)와 초음파 요소(1006) 사이의 임피던스 매칭을 위한 임의의 기존 디바이스는 필요하지 않을 수 있으며, 이는 어셈블리(1000)의 설계를 더욱 단순화하고, 전력 효율을 증가시킬 수 있다. 회로(1012)의 임피던스는 초음파 요소(1006)의 요구사항과 매칭하도록 설계될 수 있다.
주목할 것은 초음파 요소가 2개 초과의 상단 전극을 갖는 경우 각 초음파 요소는 3개 초과의 범프에 의해 해당 구동 회로에 결합될 수 있다는 것이다. 또한, 후술되는 바와 같이, 각 초음파 요소는 3개 미만의 범프에 의해 해당 구동 회로에 결합될 수 있다. 따라서, 도 10이 MEMS 다이와 CMOS 다이 사이의 예시적인 연결 메커니즘을 도시한다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게는 명백해야 한다.
실시예에서, 각각의 초음파 요소(1006)는　X, T, 및 O로 표시되는 3개의 리드를 가질 수 있다. 각각의 초음파 요소로부터의 리드는 범프(1032)에 의해 CMOS 다이(1004) 내에 위치하는 회로(1012) 중 해당 회로에 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예에서, 1006n+1 내지 1006n+i와 같은 초음파 요소 라인은　하나의 공통 회로(1012n)에 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예에서, 전송 드라이버 회로(1012n)는　전송 모드 동안 초음파 요소에 대한 전송 신호를 생성하는 하나의 전송 드라이버를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, MEMS 또는 ASIC 상의 연결 트레이스는 1㎛ 정도의 전형적인 금속화 대신에, 예컨대 10㎛와 같은 두꺼운 금속을 사용하여 제조될 수 있다.
CMOS 다이(1004)가　회로(1012n)와 유사한 임의의 적합한 수의 회로를 가질 수 있다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게는 명백해야 한다. 실시예에서, 제어 유닛(1042)은　초음파 요소를 2차원 픽셀 어레이에서 수평 또는 수직으로 구성하고, 그 길이를 구성하고, 초음파 요소를 전송 또는 수신 또는 폴링 모드 또는 유휴 모드로 설정하는 능력을 가질 수 있다. 실시예에서, 제어 유닛(1042)은 MEMS 다이(1002)가 범프(1032)에 의해 CMOS 다이(1004)와 결합된 후 폴링 프로세스를 수행할 수 있다. 실시예에서, 제어 유닛(1042)은 MEMS 다이(1002)가 범프(1032)에 의해 CMOS 다이(1004)와 결합된 후 타이밍 제어로 조정된 또는 독립적인 동작을 수행할 수 있다. 어셈브리(1000)에 대한 추가 정보는　2017년 11월 29일에 "CONFIGURABLE ULTRASONIC IMAGER"라는 명칭으로 출원되어 미국 특허 제10,835,209 B2호로 등록된 특허에서 찾을 수 있으며, 이러한 특허는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
실시예에서, 적어도 하나의 금속 층은 MEMS 다이(1002)의 표면 상에 퇴적되고 패터닝되어 전기적 와이어(또는, 트레이스)(1034)를 형성할 수 있으며, 여기서 전기적 와이어 중 일부는 CMOS 다이(1004)와의 전기적 통신을 위해 범프(1032)와 직접 접촉할 수 있다. 전기적 와이어(1034)는 또한 초음파 요소(1006) 사이의 신호를 통신하는 데 사용될 수 있다. 실시예에서, 적어도 하나의 금속 층은 CMOS 다이(1004)의 표면 상에 퇴적되고 패터닝되어 전기적 와이어(또는 트레이스)(1036)를 형성할 수 있으며, 여기서 전기적 와이어 중 일부는 MEMS 다이(1002)와의 전기적 통신을 위해 범프(1032)와 직접 접촉할 수 있다. 전기적 와이어(1036)는 또한 CMOS 다이(1004)의 전기적 컴포넌트 사이의 신호를 통신하는 데 사용될 수 있다. 실시예에서, 다수의 금속 층 및 비아가 퇴적되고 MEMS 다이 및/또는 CMOS 다이 상에 패터닝되어 다수의 전기적 와이어(트레이스) 층을 형성할 수 있다.
도 7 내지 도 9와 관련하여 설명된 바와 같이, 실시예에서, MEMS 다이(1002)　및 CMOS 다이(1004)는　개별적으로 제조되어, 범프(1032)를 이용한 금속 상호 연결 기술과 같은 2D 상호 연결 기술에 의해 서로 결합될 수 있다. 실시예에서, 상호 연결 기술은 웨이퍼 대 웨이퍼 통합의 낮은 수율 증가 효과를 제거하여 컴포넌트의 수율을 낮출 수 있다. 실시예에서, 도 10의 MEMS 다이는 도 7 내지 도 9의 MEMS 다이와 유사한 구조 및 기능을 가질 수 있고, 도 10의 CMOS 다이는 도 7 내지 도 9의 MEMS 다이와 유사한 구조 및 기능을 가질 수 있다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따라 TSV를 사용하는 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리(1100)의 평면도를 도시한 것이다. 실시예에서, MEMS 다이(1150) 및 ASIC 칩(또는 CMOS 다이)(1140)은 각각 MEMS 다이(702)(802 및 902) 및 CMOS 다이(704)(804 및 904)와 유사할 수 있다. 실시예에서, 트랜스듀서 칩 어셈블리(1100)는 제어 칩(1110)에 의해 조정될 수 있다. 제어 칩(1110)은 타이밍 제어(예컨대, 동기화)로 조정 또는 독립적인 동작을 위해 다수의 트랜스듀서 칩(1120)을 제어하는 데 사용될 수 있다. 실시예에서, 트랜스듀서 칩(1120)은 MEMS 다이(1150) 및 ASIC 칩(1140)으로 구성될 수 있으며, PCB(1130)와 상호 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, PCB(1130)는 강성 회로 보드일 수 있다. 경우에 따라 PCB(1130)는 곡면 이미징 구역(1130)을 가능하게 하는 연성 회로 보드일 수 있다. 실시예에서, 제어 칩(1110)은 PCB(1130)의 전면 또는 후면에 상호 연결될 수 있다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따라 와이어본딩된 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리(1200)의 평면도를 도시한 것이다. 실시예에서, MEMS 다이(1250) 및 ASIC 칩(또는 CMOS 다이)(1240)은 각각 MEMS 다이(702)(802 및 902) 및 CMOS 다이(704)(804 및 904)와 유사할 수 있다. 실시예에서, 트랜스듀서 칩 어셈블리(1200)는 제어 칩(1210)에 의해 조정될 수 있다. 제어 칩(1210)은 타이밍 제어(예컨대, 동기화)로 조정 또는 독립적인 동작을 위해 다수의 트랜스듀서 칩(1220)을 제어하는 데 사용될 수 있다. 실시예에서, 트랜스듀서 칩(1220)은 MEMS 다이(1250) 및 ASIC 칩(1240)으로 구성될 수 있으며, PCB(1230)와 상호 연결될 수 있다. 실시예에서, 제어 칩(1210)은 와이어를 통해 PCB(1230)의 전면 또는 후면에 상호 연결될 수 있다.
실시예에서, TSV를 사용하여 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리(1100)를 상호 연결하면, 다수의 트랜스듀서 칩(1110)은 임의의 2차원 어레이로 서로의 옆에 심리스하게(seamlessly) 어셈블링될 수 있다. 실시예에서, 이러한 심리스한 연결(seamless connection)은 도 12에 설명된 실시예와 비교하여, 차원을 상당히 증가시키고 개선시킬 수 있다. 도 12에 설명된 실시예는 트랜스듀서 칩의 심리스한 어셈블리를 하나의 방향으로만 형성할 수 있는 반면, 도 11에 설명된 실시예는 트랜스듀서 칩의 심리스한 어셈블리를 다수의 방향으로 형성할 수 있다. 개별 트랜스듀서 칩 어레이는 어레이를 어셈블링하기 전에 품질 제어될 수 있는 반면, 도 12의 실시예는 품질이 평가되기 전에 어레이가 어셈블링될 것을 요구할 수 있다.
실시예에서, TSV를 사용하여 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리(1100)를 상호 연결하면, 도 12에 설명된 바와 같은 실시예(여기서 와이어본드 루프 높이 및 렌즈 표면으로부터의 간극은 렌즈 높이의 최소치를 설정할 수 있음)와 비교하여, 특히 렌즈의 에지 주변에서 렌즈 높이를 더 얇게 할 수 있으며, 이는 여러 형태의 이미징에 필요할 수 있는 보다 낮은 감쇠 및 보다 연속적인 파장(CW)을 유발할 수 있다. 실시예에서, TSV를 사용하여 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리(1100)를 상호 연결하면, 도 12에 설명된 바와 같은 실시예와 비교하여, 동작 주파수를 더 높일 수 있는데, 그 이유는 와이어바인딩된 어셈블리 대신에 TSV를 사용하면 인덕턴스가 낮아지고 결과적으로 동작 효율이 증가할 수 있기 때문이다. 실시예에서, TSV를 사용하여 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리(1100)를 상호 연결하면, 도 12에 설명된 실시예와 비교하여, 트랜스듀서 칩 어레이 내에서 요구되는 간격의 양을 감소시킴으로써 동작 사용을 보다 높일 수 있다. 간격이 감소되면 이미징 개구의 중첩이 허용되어, 단일 프레임 간섭성 이미지의 총 이미징 구역이 증가되고, 측면 해상도가 증가될 수 있다(측면 해상도는 활성 개구 크기에 반비례한다). 일부 실시예에서, 이미징 구역 및 측면 해상도가 증가하면, 이미징 시스템은 원통형 프로브로서 또는 만곡된 초음파 이미징 구역을 가진 대형 패치로서 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 만곡된 초음파 이미징 구역을 갖는 대형 패치는 트랜스듀서 칩 어레이가 이미징된 표면에 실시간으로 적합하도록 고정된 또는 변화하는 곡률을 갖도록 허용할 수 있다.
일부 실시예에서, 초음파 디바이스는 제어 유닛이 분리된 PCB에 결합되게 할 수 있다. 경우에 따라, 분리된 PCB는 회로부 기판과는 분리될 수 있다. 일부 실시예에서, 분리된 PCB는 제어 칩만을 수용할 수 있거나, 다수의 트랜스듀서 칩을 수용하는 PCB로부터 분리된 다수의 제어 칩을 또한 수용할 수 있다.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따라 분리된 인쇄 회로 보드(PCB)(1340) 상의 제어 칩과 함께 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리(1300)의 평면도를 도시한 것이다. 일부 실시예에서, 제어 칩(1320)은 분리된 PCB(1340)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, MEMS(1310)와 ASIC(1330)은 별도의 회로부 기판(1350)에 결합될 수 있다. 회로부 기판(1350)은 인쇄 회로 보드(PCB)와 같은 금속성 기판을 포함할 수 있다. 경우에 따라, 분리된 PCB(1340) 및 제어 칩(1320)은 상호 연결 메커니즘(1360)을 통해 MEMS(1310), ASIC(1330), 및 회로부 기판(1350)에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 분리된 PCB(1340)는 강성 구조일 수 있다. 경우에 따라, 분리된 PCB(1340)는 연성 구조일 수 있다. 일부 실시예에서, 회로부 기판(1350)은 강성 구조일 수 있다. 경우에 따라, 회로부 기판(1350)은 연성 구조일 수 있다. 일부 실시예에서, 상호 연결 메커니즘(1360)은 케이블, 와이어, 또는 전기적 통신 가능한 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 트랜스듀서 칩은 특정 동작 파장을 가질 수 있다. 경우에 따라, 인접한 트랜스듀서 칩 간의 이격 거리는 서로 다른 값일 수 있다. 이 이격 거리 값은 이격 거리 주위의 인접한 트랜스듀서 칩의 특정 동작 파장에 대해 최적화될 수 있다. 일부 실시예에서, 2MHz 미만과 같은 낮은 주파수에서, 동작 파장은 3㎜ 초과와 같이 비교적 클 수 있다.
일부 실시예에서, 인접한 트랜스듀서 칩 사이의 이격 거리 및 하나의 트랜스듀서 칩 내의 인접한 초음파 요소 사이의 간격은 높은 주파수일 때보다 훨씬 더 클 수 있다. 경우에 따라, 이는 트랜스듀서 칩 어레이와 초음파 요소의 어셈블리의 제조를 훨씬 더 쉽게 할 수 있다.
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따라 인접한 초음파 요소(1450) 사이의 가변 간격을 갖는 트랜스듀서 칩 어레이 어셈블리(1400)의 평면도를 도시한 것이다. 일부 실시예에서, MEMS 1 (1410)은 MEMS 2 (1420) 또는 MEMS 3 (1430)과는 상이한 인접한 초음파 요소(1450) 간의 간격으로 구성될 수 있다. 경우에 따라, MEMS 1 (1410) 및 MEMS 2 (1420)는 인접한 초음파 요소(1450) 사이에서 동일한 간격으로 구성될 수 있는 반면, MEMS 3 (1430)은 초음파 요소(1450) 사이에서 상이한 간격을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, MEMS 2 (1420) 및 MEMS 3 (1430)는 인접한 초음파 요소(1450) 사이에서 동일한 간격으로 구성될 수 있는 반면, MEMS 1 (1410)은 초음파 요소(1450) 사이에서 상이한 간격을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, MEMS 1 (1410), MEMS 2 (1420), 및 MEMS 3 (1430)은 ASIC(1440)과 상호 연결될 수 있고, 회로부 기판(1460)에 결합될 수 있다. 회로부 기판(1460)은 인쇄 회로 보드(PCB)와 같은 금속성 기판을 포함할 수 있다. 경우에 따라, 회로부 기판(1460)은 강성 PCB로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 회로부 기판(1460)은 연성 PCB로 구성될 수 있다. 경우에 따라, 인접한 초음파 요소(1450) 사이의 가변 간격은 인접한 트랜스듀서 칩 어레이(1400)의 특정 동작 파장에 대한 최적화를 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 인접한 초음파 요소(1450) 사이의 이격 거리는 높은 주파수에서 보다 낮은 주파수에서 더 클 수 있다.
본 개시내용의 바람직한 실시예가 본원에 도시되고 설명되었지만, 이러한 실시예는 예로서만 제공된다는 것이 본 기술 분야의 기술자에게는 명백할 것이다. 본 기술 분야의 기술자는 본 개시내용을 벗어나지 않고 수많은 변형, 변경, 및 대체를 행할 수 있을 것이다. 본원에 설명된 본 개시내용의 실시예에 대한 다양한 대안이 본 개시내용의 발명을 실시하는 데 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 이하의 청구항은 본 발명의 범위를 정의하고 이들 청구항 및 그 균등물의 범위 내의 방법 및 구조가 이에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (36)

  1. 초음파 디바이스로서,
    (i) 회로부 기판;
    (ii) 상기 회로부 기판에 결합된 복수의 트랜스듀서 칩 ― 각 트랜스듀서 칩은:
    서로 고밀도로 패킹된 복수의 초음파 요소를 포함하는 미세전자기계 시스템(microelectromechanical system)(MEMS) 컴포넌트, 및
    상기 MEMS 컴포넌트의 복수의 초음파 요소에 동작 가능하게 결합된 주문형 집적 회로(ASIC)를 포함함 ―; 및
    (iii) 제어를 위해 상기 복수의 트랜스듀서 칩의 각 ASIC에 전기적으로 결합된 제어 유닛을 포함하고,
    상기 복수의 트랜스듀서 칩 중 적어도 2개의 트랜스듀서 칩은 상기 적어도 2개의 트랜스듀서 칩의 MEMS 컴포넌트의 초음파 요소의 동작 파장보다 작은 이격 거리로 상기 회로부 기판 상에 배치되는, 초음파 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회로부 기판은 표준 인쇄 회로 보드(PCB) 또는 연성 인쇄 회로 보드(플렉스 보드(Flex Board))를 포함하는, 초음파 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플렉스 보드는 고정된 곡률을 갖는, 초음파 디바이스.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 플렉스 보드는 이미징을 위해 타겟 표면에 실시간으로 적합하도록 변경되는 곡률을 갖는, 초음파 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 칩은 특정 동작 파장을 갖는, 초음파 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    임의의 인접한 트랜스듀서 칩 사이의 이격 거리는 상기 인접한 트랜스듀서 칩의 특정 동작 파장에 대해 최적화되는, 초음파 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 트랜스듀서 칩 사이의 이격 거리는 20㎛ 이하인, 초음파 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 트랜스듀서 칩은 동일 평면 방식으로 상기 회로부 기판 상에 배치되는, 초음파 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 트랜스듀서 칩은 곡선 방식으로 상기 회로부 기판 상에 배치되는, 초음파 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 트랜스듀서 칩 중 제1 트랜스듀서 칩은 상기 복수의 트랜스듀서 칩 중 후속하는 제2 트랜스듀서 칩의 동작 주파수와는 독립적인 하나 이상의 동작 주파수를 갖는, 초음파 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    임의의 트랜스듀서 칩 내의 인접한 초음파 요소 사이의 이격 거리는 상기 트랜스듀서 칩의 특정 동작 파장에 대해 최적화되는, 초음파 디바이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 트랜스듀서 칩에 결합된 하나 이상의 음향 렌즈를 더 포함하는, 초음파 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 음향 렌즈는 제1 트랜스듀서 칩에 결합된 제1 음향 렌즈, 및 제2 트랜스듀서 칩에 결합된 제2 음향 렌즈를 포함하고, 상기 제1 음향 렌즈 및 상기 제2 음향 렌즈는 곡률을 갖는, 초음파 디바이스.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 트랜스듀서 칩은 3차원 상호 연결 메커니즘에 의해 상기 회로부 기판에 결합되는, 초음파 디바이스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 3차원 상호 연결 메커니즘은 와이어본드를 포함하는, 초음파 디바이스.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 3차원 상호 연결 메커니즘은 상기 트랜스듀서 칩 내의 ASIC의 전체 두께를 관통하는 실리콘 관통 비아(Through-Silicon Via)(TSV)를 포함하는, 초음파 디바이스.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 제어 유닛을 상기 회로부 기판에 결합시키는 3차원 상호 연결 메커니즘을 갖는, 초음파 디바이스.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 회로부 기판에 결합되는, 초음파 디바이스.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 회로부 기판으로부터 분리된 PCB에 결합되는, 초음파 디바이스.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 복수의 트랜스듀서 칩의 독립적이고 동기화된 동작을 타이밍 제어로 조정하는, 초음파 디바이스.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스 어셈블리는 TSV를 사용하는 2차원 구성을 포함하는, 초음파 디바이스.
  22. 제21항에 있어서,
    렌즈 높이는 상기 MEMS 표면 위로 최대 200㎛이고, 이는 상기 TSV에 의해 인에이블되는, 초음파 디바이스.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 TSV는 10pH 미만의 인덕턴스 레벨을 갖는, 초음파 디바이스.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TSV는 TSV-마지막 어셈블리인, 초음파 디바이스.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 TSV-마지막 어셈블리는 적어도 35㎛의 직경을 갖는, 초음파 디바이스.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    상기 TSV-마지막 어셈블리는 직경보다 적어도 20㎛ 더 큰 패드 크기를 갖는, 초음파 디바이스.
  27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TSV-마지막 어셈블리는 패드 크기보다 적어도 15㎛ 더 큰 피치를 갖는, 초음파 디바이스.
  28. 제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TSV-마지막 어셈블리는 직경에 대해 최대 3:1의 깊이 비율을 갖는, 초음파 디바이스.
  29. 제21항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TSV는 TSV-중간 어셈블리인, 초음파 디바이스.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 TSV-중간 어셈블리는 적어도 2㎛의 직경을 갖는, 초음파 디바이스.
  31. 제29항 또는 제30항에 있어서,
    상기 TSV-중간 어셈블리는 직경보다 적어도 10㎛ 더 큰 패드 크기를 갖는, 초음파 디바이스.
  32. 제29항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TSV-중간 어셈블리는 패드 크기보다 적어도 20㎛ 더 큰 피치를 갖는, 초음파 디바이스.
  33. 제29항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TSV-중간 어셈블리는 직경에 대해 최대 10:1의 깊이 비율을 갖는, 초음파 디바이스.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MEMS 컴포넌트 중 하나 이상은 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer)(pMUT)를 포함하는, 초음파 디바이스.
  35. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MEMS 컴포넌트 중 하나 이상은 용량성 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micromachined ultrasonic transducer)(cMUT)를 포함하는, 초음파 디바이스.
  36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 트랜스듀서 칩의 상기 MEMS 컴포넌트의 동작 파장은 0.1㎜ 내지 3㎜의 범위 내에 있는, 초음파 디바이스.
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