JP7055816B2 - 直接相互接続機能をもつ低電圧、低電力memsトランスデューサ - Google Patents
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Description
本願は、2016年12月4日に出願され、「A Configurable Ultrasonic Line imager」と題する米国仮出願第62,429,832号、2016年12月4日に出願され、「Low Voltage, Low Power MEMS Transducer with Direct Interconnect」と題する米国仮出願第62,429,833号および2016年12月13日に出願され、「Micromachined Transceiver Array」と題する米国仮出願第62,433,782号の利益を主張する。これらの出願の内容はここに参照によりその全体において組み込まれる。
本発明は、イメージング・デバイスに関し、より詳細には、構成可能な超音波ライン・イメージャを有するイメージング・デバイスに関する。
人または動物の体の内部組織、骨、血流または器官を画像化し、該画像を表示するための非侵入的イメージング・システムは、信号を身体に送信し、撮像される身体部分から反射信号を受信することを要する。典型的には、イメージング・システムにおいて使用されるトランスデューサはトランシーバと呼ばれ、トランシーバのいくつかは、光音響効果または超音波効果に基づく。一般に、トランシーバは撮像のために使われるが、必ずしも撮像に限定されない。たとえば、トランシーバは、医療撮像、管内の流れ測定、スピーカーおよびマイクロフォン・アレイ、砕石術、治療のための局在化された組織加熱または手術のための高強度集束超音波(HIFU)において使用できる。バルクの圧電(PZT)材料から構築される通常のトランスデューサは典型的には、送信信号を生成するために非常に高電圧、典型的には100V以上のパルスを必要とする。トランスデューサにおける電力消費/散逸は駆動電圧の二乗に比例するので、この高い電圧は高い電力散逸につながる。また、プローブの表面がどれだけ高温になれるかについても限界があり、消費電力はプローブによって生成される熱に比例するので、これは、どのくらいの電力がプローブにおいて消費されることができるかを制限する。通常のシステムでは、発熱は、いくつかのプローブのために冷却装置を必要とし、プローブの製造コストおよび重量を増加させている。一般に、通常のプローブの重量も問題である。なぜなら、これらのプローブを使用する多くの超音波検査技師が筋傷害を受けることが知られているからである。
これは、共撮像(co imaging)も許容する。
Claims (52)
- トランスデューサであって:
圧電素子の二次元アレイであって、各圧電素子は少なくとも一つのサブ圧電素子を含み:
圧電層;
前記圧電層の下側に配置された下部電極;
前記圧電層の上側に配置された第一の上部電極;および
前記圧電層の上面に配置された第二の上部電極を有する、圧電素子の二次元アレイと;
第一の導体であって、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の一部の前記第一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている、第一の導体と;
第二の導体であって、前記二次元アレイの前記第一の列内の圧電素子の前記一部の下部電極は、前記第二の導体に接続されている、第二の導体と;
第三の導体であって、前記二次元アレイの前記第一の列内の圧電素子の前記一部の前記第二の上部電極は前記第三の導体に接続されている、第三の導体とを有しており、
前記各圧電素子が、幅が広い周波数応答を示す複数の振動モードをもつ、
トランスデューサ。 - 前記二次元アレイの列内の前記圧電素子のそれぞれの下部電極が導体に接続され、それらの導体がさらに第一の列において一緒に接続される、請求項1記載のトランスデューサ。
- 前記圧電素子が複数の列になっており、列内のすべての圧電素子の下部電極は導体に接続され、異なる列についての下部電極に接続される導体は別個であり、すべての列のすべての圧電素子の上部電極は一緒に接続される、請求項2記載のトランスデューサ。
- 各圧電素子は第一および第二のサブ圧電素子を含み、前記第一および第二のサブ圧電素子のそれぞれは上部電極および下部電極を含み、前記第一のサブ圧電素子の下部電極は前記第二のサブ圧電素子の下部電極に電気的に結合されており、列内のすべての第一のサブ圧電素子の上部電極を導体が接続しており、同じ列内の前記第二のサブ圧電素子のすべての上部電極を別の導体が接続しており、下部電極を接続する導体は前記アレイ内のすべての圧電素子に接続されている、請求項1記載のトランスデューサ。
- 各圧電素子は第一および第二のサブ圧電素子を含み、前記第一および第二のサブ圧電素子のそれぞれは第一の上部電極および第二の上部電極および下部電極を含み、前記第一のサブ圧電素子の下部電極は前記第二のサブ圧電素子の下部電極に電気的に結合されており、前記第一のサブ圧電素子の第一の上部電極は前記第二のサブ圧電素子の第一の上部電極に電気的に結合されている、請求項1記載のトランスデューサ。
- 前記第一のサブ圧電素子の前記第二の上部電極が、前記第二のサブ圧電素子の前記第二の上部電極に電気的に結合されている、請求項5記載のトランスデューサ。
- 第四の導体をさらに有しており、前記二次元アレイの第二の列内の圧電素子の部分の前記第一の上部電極は前記第四の導体に電気的に結合されている、
請求項1記載のトランスデューサ。 - 前記第一および第二の上部電極のそれぞれが環状形状をもち、前記第二の上部電極が前記第一の上部電極を囲んでいる、請求項1記載のトランスデューサ。
- 第三の導体をさらに有しており、前記二次元アレイの第二の列内の圧電素子の部分の前記第二の上部電極は前記第三の導体に電気的に結合されており、
前記第三の導体は前記第一の列の前記第二の導体に電気的に結合されている、第一の列および第二の列の第一の導体も電気的に結合されている、
請求項7記載のトランスデューサ。 - 前記第一の上部電極の下の前記圧電層の第一の部分が第一の向きにポーリングされており、前記第二の上部電極の下の前記圧電層の第二の部分が前記第一の向きとは逆の第二の向きにポーリングされている、請求項1記載のトランスデューサ。
- 前記第一の上部電極と下部電極からなる第一のサブ圧電素子は、第二の上部電極と下部電極からなるサブ圧電素子と比べて異なる周波数特性をもち、複合素子についての、より広い帯域幅を許容する、請求項1記載のトランスデューサ。
- 列内のすべての圧電素子が、その列についての共通の導体と一緒に接続され、すべての圧電素子のすべての上部電極が、共通の導体を使って一緒に結びつけられて、DC電圧に接続される、請求項11記載のトランスデューサ。
- 前記列内のすべての圧電素子の下部電極は、送信動作の間は、さらに送信ドライバに接続されている導体に接続されており、下部電極は、受信動作モードでは受信増幅器に接続される、請求項11記載のトランスデューサ。
- 前記下部電極は、送信動作の間は送信ドライバに、受信動作の間は受信増幅器に接続される、請求項12記載のトランスデューサ。
- 圧電素子の前記二次元アレイの各圧電素子はさらに、前記圧電層の上面に配置された第三および第四の上部電極を有し、前記二次元アレイの前記第一の列内の圧電素子の前記集合の前記第一および第二の上部電極は第一の導体に電気的に結合され、当該トランスデューサはさらに:
第二の導体を有し、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の部分の前記第三および第四の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合される、
請求項1記載のトランスデューサ。 - 第三の導体であって、前記二次元アレイの第二の列内の圧電素子の部分の前記第一および第二の上部電極は前記第三の導体に電気的に結合される、第三の導体と;
第四の導体であって、前記二次元アレイの第二の列内の圧電素子の部分の前記第三および第四の上部電極は前記第四の導体に電気的に結合される、第四の導体とをさらに有しており、
前記第一の導体は前記第三の導体に電気的に結合され、前記第二の導体は前記第四の導体に電気的に結合されている、
請求項15記載のトランスデューサ。 - 各圧電素子は第一および第二のサブ圧電素子を含み、前記第一および第二のサブ圧電素子のそれぞれは上部電極および下部電極を含み、前記第一のサブ圧電素子の下部電極は前記第二のサブ圧電素子の下部電極に電気的に結合され、列内のすべての第一の圧電素子の上部電極を導体が接続し、行内の前記第二のサブ圧電素子のすべての上部電極を別の導体が接続し、下部電極を接続している導体は、前記アレイ内のすべての圧電素子に接続されている、請求項1記載のトランスデューサ。
- 第一のサブ圧電素子からなる各列が受信器に接続され、第二のサブ圧電素子からなる別の列が、送信モードまたは受信モードにおいて交互に動作させられる、請求項4記載のトランスデューサ。
- 第一のサブ圧電素子からなる各行が受信器に接続され、第二のサブ圧電素子からなる別の列が、送信モードまたは受信モードにおいて交互に動作させられる、請求項17記載のトランスデューサ。
- 送信ドライバ回路のアレイを有する特定用途向け集積回路(ASIC)チップをさらに有しており、各送信ドライバ回路は、圧電素子の前記二次元アレイの対応する圧電素子の下部電極に電気的に結合されており、
前記ASICチップにおける送信ドライバ回路の数は圧電素子の前記二次元アレイにおける前記圧電素子の数と同じである、
請求項1記載のトランスデューサ。 - 前記圧電素子の前記二次元アレイが配置される基板をさらに有しており、
前記第一の導体は前記基板およびASICチップの少なくとも一方に堆積された金属導体層である、
請求項20記載のトランスデューサ。 - 前記圧電素子によって送信される圧力波の一部を吸収するよう構成された、前記ASICチップ上に配置された層をさらに有する、
請求項20記載のトランスデューサ。 - 各送信ドライバ回路が、単極性信号、マルチレベル信号およびチャープ信号のうちの少なくとも一つを送信するよう構成されている、請求項20記載のトランスデューサ。
- 前記ASICチップが、圧電素子に信号を送信すること、圧電素子から信号を受信すること、圧電素子から受信された信号を増幅すること、圧電素子をポーリングすることおよび外部の電子システムと通信することのうちの少なくとも一つを実行する、請求項20記載のトランスデューサ。
- 前記ASICチップが、一つまたは複数の相互接続バンプによって圧電素子の前記二次元アレイと統合されている、請求項20記載のトランスデューサ。
- 前記ASICチップが、電荷感知モードで動作する低雑音増幅器(LNA)を含む、請求項20記載のトランスデューサ。
- 前記LNAがプログラム可能な利得をもつ、請求項26記載のトランスデューサ。
- 前記利得が、時間利得補償を提供するようリアルタイムで構成設定可能である、請求項27記載のトランスデューサ。
- 前記ASICチップが通信のためにシリアル周辺インターフェース(SPI)モードを利用する、請求項20記載のトランスデューサ。
- 前記ASICチップが少なくとも一つの送信信号線および少なくとも一つの受信信号線を含み、前記少なくとも一つの送信信号線および前記少なくとも一つの受信信号線が外部の電子装置との通信のための一本のワイヤ上で多重化される、請求項28記載のトランスデューサ。
- 前記撮像デバイスの温度を測定するための少なくとも一つの温度センサーをさらに有する、
請求項28記載のトランスデューサ。 - 前記ASICが低雑音増幅器(LNA)を含み、前記少なくとも一つの温度センサーから温度データを受信し、該温度データを使って、温度を下げるよう送信および受信動作を調整する、請求項22記載のトランスデューサ。
- 一フレームにおいて送信される列の数が減らされる、請求項29記載のトランスデューサ。
- LNAおよびチャネル毎の他の受信回路からなる受信チャネルの数が、温度を下げるために電源を切ることによって減らされる、請求項32記載のトランスデューサ。
- 温度を下げるためにフレームレートが減らされる、請求項23記載のトランスデューサ。
- 前記送信ドライバ回路の一つが単極性である、請求項20記載のトランスデューサ。
- 前記送信ドライバ回路の一つが、等しいオンおよびオフ時間と、対称的な立ち上がりおよび立ち下がり時間とをもつ信号を生成するよう構成されている、請求項20記載のトランスデューサ。
- 前記送信ドライバの一つがプログラム可能であり、過剰な加熱なしにトランスデューサからの音響パワーを最大化するよう設計される、請求項20記載のトランスデューサ。
- 前記圧電素子のうちの一つの圧電素子の形状が、前記圧電素子のうちの別の圧電素子の形状と異なる、請求項1記載のトランスデューサ。
- 前記圧電素子のうちの一つの圧電素子のサイズが、前記圧電素子のうちの別の圧電素子のサイズと異なる、請求項1記載のトランスデューサ。
- 前記圧電素子のそれぞれが、横モードで振動するpMUTである、請求項1記載のトランスデューサ。
- 撮像される対象に面する前記圧電アレイ上に配置され、前記圧電素子と撮像される物体との間のインピーダンス不整合を軽減するよう構成された層をさらに有する、
請求項1記載のトランスデューサ。 - 前記層が室温加硫(RTV)材料でできている、請求項42記載のトランスデューサ。
- 前記層の厚さが前記圧電素子によって生成される圧力波の波長の四分の一である、請求項42記載のトランスデューサ。
- 前記第一の導体が、動作中、DCバイアス電圧に電気的に結合される、請求項1記載のトランスデューサ。
- 前記下部電極が信号導体であり、送信回路および受信回路の一方に接続され、前記上部電極が接地を含むDCバイアス源に接続される、請求項1記載のトランスデューサ。
- 前記送信回路および受信回路のそれぞれが集積回路である、請求項26記載のトランスデューサ。
- 前記圧電素子が、各圧電素子の振動の複数の周波数を含む帯域幅をもつ少なくとも一つの超音波波形を送信および受信するよう構成され、圧電素子からの圧力波の送信は、前記上部電極と下部電極の間での適切な時間期間の電圧パルスの印加によって達成される、請求項1記載のトランスデューサ。
- 前記圧電素子が、各圧電素子の振動の複数の周波数を含む帯域幅をもつ少なくとも一つの超音波波形を送信および受信するよう構成され、圧電素子からの圧力波の送信は、前記上部電極と下部電極の間での適切な時間期間の電圧パルスの印加によって達成される、請求項1記載のトランスデューサ。
- 当該トランスデューサが送信のみの機能をもつ、請求項49記載のトランスデューサ。
- AC駆動電圧の最大正振幅が正の5Vであり、最大負電圧が-5Vであり、両電圧は5%以内の公差をもつ公称値である、請求項49記載のトランスデューサ。
- 追加的な列を備え、送信ドライバの振幅が該追加的な列については変わる、請求項49記載のトランスデューサ。
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