KR20150005960A

KR20150005960A - 초광대역 압전 트랜스듀서 어레이

Info

Publication number: KR20150005960A
Application number: KR1020147031206A
Authority: KR
Inventors: 아르만 하자티; 매츠 오토슨
Original assignee: 후지필름 디매틱스, 인코포레이티드
Priority date: 2012-05-01
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2015-01-15
Also published as: CN104271266B; EP4086011A1; JP2015517752A; EP2844402B1; EP2844402A2; WO2013165709A3; CN104271266A; US20130293065A1; WO2013165709A2; US9061320B2; JP6208220B2; KR102042868B1

Abstract

pMUT 어레이를 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이 및 시스템을 설명하였다. 트랜스듀서 소자들의 개체군 내의 결합 강도는 광대역 전체 응답에 대해 분할된 축퇴 모드 형상을 제공하는 반면에, 인접한 소자 개체군 사이의 작은 결합 강도는 소자 개체군 사이에 충분히 낮은 크로스토크를 제공한다. 실시 예에서, 트랜스듀서 소자의 개체군 내의 상이한 멤브레인 사이즈는 광대역 전체 응답에 대하여 다른 주파수 응답을 제공하는 반면에, 인접하는 소자 개체군 사이에 상이한 멤브레인 사이즈의 구성(layout)은 소자 개체군 사이에 충분히 낮은 크로스토크를 제공한다. 실시 예에서, 타원형 압전 멤브레인은 광대역 전체 응답에 대한 다중 공진 모드 및 고효율을 제공한다.

Description

초광대역 압전 트랜스듀서 어레이{Ultra Wide Bandwidth Piezoelectric Transducer Arrays}

본 발명의 실시 예는 일반적으로 압전 트랜스듀서와 관련되고, 보다 구체적으로 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서(pMUT, piezoelectric micromachined ultrasonic transducers) 어레이에 관련된 것이다.

초음파 압전 트랜스듀서 장치는 전형적으로 트랜서듀서 소자의 노출된 외부 표면과 접촉하는 전파 매질(예를 들면, 공기, 물, 또는 신체(body) 조직)에서 고주파 압력 파(wave)를 생성하기 위해 시간에 따라 변화하는 구동 전압에 응답하여 진동할 수 있는 압전 멤브레인을 포함한다. 이 고주파 압력 파는 다른 매질로 전파할 수 있다. 동일한 압전 멤브레인은 또한 전파 매질로부터 반사된 압력 파를 수신하여, 수신된 압력 파를 전기 신호로 변환할 수 있다. 전기 신호는 구동 전압 신호들과 함께 처리되어 전파 매질의 밀도 또는 탄성률의 변화(variation)에 대한 정보를 얻을 수 있다.

압전 멤브레인을 사용하는 많은 초음파 트랜스듀서 장치는 벌크 압전 재료를 기계적으로 다이싱(dicing)하거나 또는 압전 세라믹 결정으로 주입된 담체 물질(carrier material)을 사출 성형함에 의하여 형성되지만, 장치는 편리하게도 다양한 마이크로머시닝 기술(예를 들면, 소재 증착, 리소그래픽 패터닝, 에칭에 의한 특성(feature) 형성 등)을 이용하여 매우 높은 차원의 공차(tolerance)로 저렴하게 제조할 수 있다. 보통 말하는, 트랜스듀서 소자들의 큰 어레이는 빔 형성 알고리즘을 통해 구동되는 어레이의 개별적인 트랜스듀서 소자들과 함께 사용된다. 이러한 배열의 장치는 pMUT 어레이로 알려져 있다.

종래의 pMUT 어레이의 한가지 문제점은 전송 매질로부터 가해지는 실제의 음향 압력이라는 함수가 존재하기 때문에, 대역폭이 제한 될 수 있다는 것이다. 태아 심장 모니터링 및 동맥 모니터링과 같은 초음파 트랜스듀서 응용은 넓은 범위의 주파수(예를 들어, 상대적으로 깊은 영상획득 성능을 제공하는 낮은 주파수와 얕은 영상획득 성능을 제공하는 높은 주파수)에 걸쳐 있기 때문에, 축 방향 해상도(즉, 초음파 빔에 평행하는 방향의 해상도)는 주어진 주파수에 대한 pMUT 어레이의 대역폭 강화를 통해 펄스 길이를 단축함으로써 유리하게 개선될 것이다.

종래의 pMUT 어레이의 또 다른 문제점은, 기판의 진동을 통한 기계적인 결합과 pMUT 어레이에 설치된 밀집한 요소들 사이의 음향 결합은 트랜스듀서 소자 사이에 바람직하지 않은 크로스토크(crosstalk)로 이어질 수 있다는 것이다. 초음파 트랜스듀서 응용에서 신호 대 잡음 비는 이러한 pMUT 어레이 내의 바람직하지 않은 형태의 크로스토크를 감소시킴으로써 유리하게 개선될 것이다.

본 발명이 해결하려는 과제는 축 방향 해상도(즉, 초음파 빔에 평행하는 방향의 해상도)는 주어진 주파수에 대한 pMUT 어레이의 대역폭 강화를 통해 펄스 길이를 단축하여 유리하게 개선하고, 초음파 트랜스듀서 응용에서 신호 대 잡음 비는 이러한 pMUT 어레이 내의 바람직하지 않은 형태의 크로스토크를 감소시킴으로써 유리하게 개선시키는데 있다.

본 발명 과제의 해결 수단은 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이에 있어서, 기판의 영역에 배치되고 독립적으로 전기적으로 어드레스 가능한 복수의 구동/감지 전극 레일; 및 복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군을 포함하되, 여기서 소자 개체군 내의 구동/감지 전극은 구동/감지 전극 레일 중 하나와 결합되나, 상이한 트랜스듀서 소자 개체군의 트랜스듀서 소자 사이의 전기기계적 결합은 동일한 소자 개체군의 트랜스듀서 소자 사이의 전기기계적 결합보다 작으며, 각 트랜스듀서 소자 개체군은 복수의 분리된 그러나 중첩되는(overlapping) 주파수 응답을 제공하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 매질(media)에서 압력파를 발생하고 감지하는 장치에 있어서, 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이(pMUT)와, 적어도 하나의 구동/감지 전극에 전기 구동신호를 적용하기 위하여 pMUT어레이에 결합되는 신호 발생수단과, 적어도 하나의 구동/감지 전극으로부터 전기 응답신호를 수신하기 위한 pMUT어레이와 결합되는 신호 수신수단 및 복수의 구동/감지 전극으로부터 수신된 전기 응답 신호를 처리하기 위하여 수신 수단에 결합된 신호처리 수단을 포함하는 매질에서 압력파를 발생하고 감지하는 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 매질(media)에서 압력파를 발생하고 감지하는 장치에 있어서, 장치는 청구항1의 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이(pMUT)와, 적어도 하나의 구동/감지 전극에 전기 구동신호를 적용하기 위하여 pMUT어레이에 결합되는 신호 발생수단과, 적어도 하나의 구동/감지 전극으로부터 전기 응답신호를 수신하기 위한 pMUT어레이와 결합되는 신호 수신수단 및 복수의 구동/감지 전극으로부터 수신된 전기 응답 신호를 처리하기 위하여 수신 수단에 결합된 신호처리 수단을 포함하는 매질에서 압력파를 발생하고 감지하는 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서(pMUT)어레이에 있어서, 기판의 영역에 배치되고 독립적으로 전기적으로 어드레스 가능한 복수의 구동/감지 전극 레일 및 복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군, 구동/감지 전극 레일들 중 하나와 결합된 소자 개체군 내의 모든 구동/감지 전극을 포함하되, 소자 개체군 각각에서 적어도 하나의 압전 트랜스듀서 소자는 상이한 공칭 길이의 적어도 제1 및 제2 세미-주축을 가진 타원 형상을 구비한 압전 멤브레인을 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이에 있어서, 기판의 영역에 배치되고 독립적으로 전기적으로 어드레스 가능한 복수의 구동/감지 전극 레일 및 복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군, 구동/감지 전극 레일들 중 하나와 결합된 소자 개체군 내의 모든 구동/감지 전극을 포함하되, 각 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 단계적(graduated) 멤브레인 사이즈의 복수의 압전 멤브레인을 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서(pMUT)어레이에 있어서, 기판의 영역에 배치되고 독립적으로 전기적으로 어드레스 가능한 복수의 구동/감지 전극 레일과, 복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군, 구동/감지 전극 레일 중의 하나에 결합된 소자 개체군 내의 모든 구동/감지 전극을 포함하되, 각 압전 트랜스듀서 소자 개체군 내의 트랜스듀서 소자는 밀집되게 패킹되고, 다른 전극에 결합된 인접한 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 소자 개체군 내의 것들보다 덜 밀집되게 패킹된 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이를 제공하는데 있다.

본 발명은 축 방향 해상도(즉, 초음파 빔에 평행하는 방향의 해상도)는 주어진 주파수에 대한 pMUT 어레이의 대역폭 강화를 통해 펄스 길이를 단축하여 유리하게 개선시키는 효과가 있고, 초음파 트랜스듀서 응용에서 신호 대 잡음 비는 이러한 pMUT 어레이 내의 바람직하지 않은 형태의 크로스토크를 감소시킴으로써 유리하게 개선시키는 효과가 있다.

본 발명의 실시 예들은 예시의 방법으로 도시되었고, 제한하는 방법은 아니며, 도면과 함께 고찰하면 다음의 상세한 설명에 관하여 보다 완전하게 이해할 수 있다;
도 1은 실시 예에 따른 트랜스듀서를 가진 pMUT 어레이의 평면도(plan view)다;
도 2A, 2B, 및 2C는 실시 예에 따라 도 1의 pMUT 에 사용되는 트랜스듀서 소자의 단면도이다;
도 3A는 실시 예에 따라 도 1에 도시된 pMUT 어레이 내의 트랜스듀서 사이의 상관적 전기 기계적 결합을 개략적으로 도시한 것이다;
도 3B는 실시 예에 따라 도 1에 도시된 pMUT 어레이 내의 트랜스듀서 사이의 음향 결합을 개략적으로 도시한 것이다;
도 4A 와 4B는 도 1에 도시된 pMUT 어레이 내의 트랜스듀서 소자들 사이의 제 1 결합 양에 대한 트랜스듀서 성능 매트릭스의 그래프를 도시한 것이다;
도 5는 실시 예에 따라 도 1에 도시된 pMUT 어레이 내의 트랜스듀서 소자들 사이의 제 2 결합 양 에 대한 트랜스듀서 성능 매트릭스의 그래프를 도시한 것이다;
도 6A, 6B, 및 6C는 실시 예에 따라 도 1에 도시된 pMUT 어레이 인터-트랜스듀서 범위의 단면도이다;
도 6 D, 6E 및 6F는 실시 예에 따라 도 1에 도시된 pMUT에 대하여 도시된 도6A-6C 의 인터-트랜스듀서 범위에 대한 평면도다;
도 6G는 실시 에에 따라 pMUT 어레이 형성 방법을 도시하는 흐름도이다;
도 7A는 실시 예에 따라 상이한 사이즈의 트랜스듀서 소자를 가진 pMUT 어레이의 평면도다;
도 7B 및 도 7C는 도 7A에 도시된 pMUT 어레이에 대한 성능 매트릭스의 플롯이다;
도 7D는 실시 예에 따라 상이한 사이즈의 트랜스듀서 소자를 가진 pMUT 어레이의 평면도다;
도 7E 는 실시 예에 따라 상이한 사이즈의 트랜스듀서 소자를 가진 pMUT 어레이의 평면도다;
도 8A 및 도 8B 는 실시 예에 따라 상이한 사이즈의 트랜스듀서 소자를 가진 pMUT 어레이의 평면도다;
도 9A는 실시 예에 따라 타원 형상을 가진 트랜스듀서 소자의 등측 구성도(isometric schematic)이다;
도 9B는 실시 예에 따라 타원 형상을 가진 트랜스듀서 소자의 세미-주축에 대한 다른 모드 기능을 나타내는 그래프이다;
도 9C는 실시 예에 따라 타원 형상을 가진 트랜스듀서 소자의 대역폭에 대한 그래프이다;
도10A, 10B 및 10C는 실시 예에 따라 타원 형상을 가진 트랜스듀서 소자를 가진 pMUT 어레이의 평면도다;
도11A, 11B, 및 11C는 밀집 패킹된 트랜스듀서 소자를 가진 pMUT 어레이의 평면도이며;및
도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 pMUT 어레이를 사용하는 초음파 트랜스듀서 장치에 대한 기능적 블럭다이아그램이다.

광대역 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이와 광대역 pMUT 어레이를 포함하는 시스템을 여기에 설명한다. 실시 예에서, 압전 마이크로 머시닝 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이는 기판의 영역에 배치된 복수의 독립적으로 어드레스할 수 있는 구동/감지 전극 레일 및 복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군(populations)을 포함한다. 소자 개체군 내의 각 구동/감지 전극은 구동/감지 전극 레일 중 하나와 결합된다. 어레이 내에서, 상이한 트랜스듀서 소자 개체군들의 트랜스듀서 소자 사이의 전기기계적 결합은 동일 소자 개체군의 트랜스듀서 소자 사이의 전기기계적 결합보다 적고(less), 각각의 트랜스듀서 소자 개체군은 누적하는 광대역폭 동작에 대하여 복수의 분리된, 그러나 중첩된 주파수 응답을 제공한다.

하나의 실시 예에서, 동일한 소자 개체군의 트랜스듀서 소자 사이의 전기기계적 결합(coupling)은 하나 이상의 축퇴(degenerate,축퇴) 모드를 유도하기에 충분하며, 적어도 하나의 축퇴 모드는 소자 개체군의 대역폭을 증가시키기 위하여 소자 개체군(population)에서 개별 압전 트랜스듀서 소자의 자연 공진 주파수에서 분할된 축퇴 공진 주파수를 갖는다.

하나의 실시 예에서, pMUT 어레이의 각 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 넓은 대역폭에 걸쳐 복수의 분리된 공진 주파수를 제공하기 위하여 상이한 공칭(nominal) 멤브레인 사이즈의 복수의 압전 멤브레인을 포함한다. 실시 예에서, 소자 개체군은 서로에 대하여 다른 공진 주파수에(즉, 오프-공진, off-resonance) 가장 가까운 이웃 소자를 구비함으로써 크로스토크를 감소시키기 위해 적어도 하나의 상이한 사이즈의 중간개재(intervening) 소자에 의해 이격된 동일한 사이즈의 트랜스듀서 소자를 갖는다.

하나의 실시 예에서, 같은 구동/감지 전극 레일(즉, 동일 채널)에 결합된 소자 개체군은, 누적된 공간적 변화 및 더 나은 공진 위상 제어를 위하여, 주어진 트랜스듀서 소자와 가장 가까운 이웃과 밀접하게 매칭되지만 상이한 사이즈의 맴브레인으로 배열된 트랜스듀서를 가진다. 하나의 실시 예에서, 각 압전 트랜스듀서 소자 개체군의 압전 멤브레인은 전송 매질 댐핑(dampening)을 줄이기 위하여 소자 개체군 내의 상이한 사이즈의 가장 가까운 이웃들의 수를 줄이기 위해 비대칭 소자 구성(layout)을 가진다.

하나의 실시 예에서, 각 압전 트랜스듀서 소자 개체군의 압전 멤브레인은 pMUT 어레이의 감도를 증가시키기 위해 밀집 패킹된(close packed) 구성으로 이루어진다. 하나의 실시 예에서, 분리된 소자 개체군은 개체군 사이의 크로스토크를 줄이기 위해 개체군 내의 밀집 패킹된 간격보다 큰 간격을 제공하기 위하여 서로 가깝게 패킹되지 않는다.

하나의 실시 예에서, 각각의 소자 개체군에서 적어도 하나의 압전 트랜스듀서 소자는 광대역폭 응답을 위한 복수의 별도 공진 주파수를 제공하기 위해 상이한 공칭 길이의 적어도 제 1 및 제 2 세미-주축을 가진 비-원형 형상을 갖는 압전 멤브레인을 포함한다. 하나의 실시 예에서, 압전 트랜스듀서 소자 개체군 중 하나 내의 타원형 멤브레인용 제 1 및 제 2 세미- 주축은 평행하다. 하나의 실시 예에서, 제1 소자 개체군의 제1 및 제 2 세미- 주축은 제1 방향을 갖는 반면에, 제1 개체군에 인접한 제2 소자 개체군의 제1 및 제2 세미-주축은 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 갖는다.

아래 설명에, 수 많은 세부 사항을 설명한다, 그러나, 본 발명은 이러한 구체적인 세부 사항 없이도 실행될 수 있음은 해당 기술 분야에 숙련된 자에게는 명백할 것이다. 일부 예에는, 잘 알려진 방법과 장치가, 본 발명을 불명료하게 하는 것을 피하기 위하여, 상세하게라기 보다 블럭다이아그램의 형태로 도시된다. 본 명세서 내내 "실시 예" 대한 참조는 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함된 실시 예와 관련하여 기술된 특정한 특징, 구조, 기능 또는 특성을 나타낸다. 따라서, 본 명세서 내내 다양한 장소에서 보이는 "실시 예에 있어서"라는 구절은 반드시 동일한 실시 예를 언급하는 것은 아니다. 또한, 특정한 특징, 구조, 기능 또는 특성들은 하나 또는 그 이상의 실시 예에서 임의의 적당한 방법으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 두 실시 예가 상호 배타적인 것으로 구체적으로 표시되지 않으면 어디에서나 제 1 실시 예는 제 2 실시 예와 결합될 수 있다

"결합되다"는 용어는 여기서 두 구성요소 사이의 기능적 또는 구조적 관계를 기술하기 위하여 사용된다. "결합된다"는 두 개 또는 그 이상의 소자들이 서로 직접적 또는 간접적(그들사이의 다른 중간개재 요소와 함께 또는 매질을 통해) 기계적, 음향적, 광학적, 또는 전기적 접촉 및/또는 그 두 개 또는 그 이상의 요소들의 상호협력(co-operate) 또는 상호작용(예를 들어, 인과관계에서 처럼)을 나타내기 위하여 사용될 수 있다.

여기 사용된 "~에 걸쳐(over)" ,"아래(under)", "사이(between)" 및 "위(on)"라는 용어는 다른 구성요소 또는 성분층(material layer)에 대한 하나의 구성요소 또는 성분층의 상대적인 위치를 말하며 을 말하며, 그러한 물리적인 관계는 조립(assembly) 또는 성분층의 마이크로머시닝 스택이라는 문맥에서 기계적 구성요소들에게는 주목할만하다. 다른 층 위에 또는 아래에 배치되는 하나의 층(구성요소)은 직접적으로 다른 층(구성요소)과 접촉할 수도 있고 또는 하나 또는 그 이상의 중간개재(intervening) 층(구성요소)과 접촉할 수도 있다. 또한, 두 개의 층(구성요소) 사이에 배치된 하나의 층(구성요소)은 직접적으로 두 개의 층(구성요소) 과 접촉할 수도 있고 또는 하나 또는 그 이상의 중간개재(intervening) 층(구성요소)을 가질 수도 있다. 대조적으로, 제 2층(구성요소) "위"의 제 1 층(구성요소)은 직접적으로 제 2층(구성요소)과 접촉한다.

여기 기술한 다양한 실시 예는 pMUT의 문맥에서 제공되며, 공개된 하나 또는 실제로 훨씬 더 일반적으로 다양한 다른 MEMs 트랜스듀서, 예를 들면 잉크젯 테크놀로지에서의 그것들에, 응용할 수 있다. 따라서, pMUT 어레이는 일정한 시너지와 특성을 가장 분명하게 설명할 수 있는 실시 예의 모델로서 제공되는 반면에, 본 발명은 여기서 훨씬 더 넓게 응용된다.

도 1은 실시 예에 따른 pMUT 어레이(100)의 평면도이다. 도 2A, 2B 및 2C는 실시 예에 따라, pMUT어레이(100)에 사용할 수 있는 트랜스듀서 소자의 실시 예의 단면도이다.

어레이(100)는 기판(101)의 제 1 면(dimension) y로 정의되는 면 위에 배치되는 복수의 전극 레일(110,120,130,140)을 포함한다. 각각의 구동/감지 전극 레일(예를 들어,110)은 전기적으로 임의의 다른 구동/감지 전극 레일(예를 들어,120 또는 130)로부터 독립적으로 어드레스할 수 있다. 구동/감지 전극 레일과 참조(예를 들어, 그라운드) 전극 레일 둘 다 도 2A-2C의 단면도에 도시되어 있다. 도 1에, 구동/감지 전극 레일(110) 및 구동/감지 전극 레일(120)은 어레이에서 반복하는 셀(repeating cell)을 나타낸다. 예를 들어, 제 1 구동/감지 전극 레일(110)은 제 1 버스(127)에 그리고 인접한 구동/감지 전극 레일(120)은 제 2 버스(128)에 결합하여 깍지 낀 손가락 구조를 형성한다. 구동/감지 전극 레일(130) 및 구동/감지 전극 레일(140)은 임의의 사이즈(예를 들어, 128레일, 256레일 등)의 lD 전극 어레이를 형성하는 추가적인 셀과 깍지 낀 구조를 반복한다.

실시 예에서, pMUT 어레이는 복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군을 포함한다. 각각의 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 각 소자 개체군 내의 개별 트랜스듀서 소자들의 복합물인 주파수 응답을 가진 집중정수소자(lumped element)로서 동작한다. 하나의 실시 예에서, 주어진 소자 개체군 내에서 트랜스듀서 소자 구동/감지 전극은 전기적으로 하나의 구동/감지 전극 레일과 평행하게 결합되고 그래서 모든 소자 구동/감지 전극은 동일한 전기적 전위를 갖는다. 예를 들어, 도 1에서, 트랜스듀서 소자(110A, 110B, ... 110L)는 구동/감지 전극을 구동/감지 전극 레일(110)과 결합시킨다. 유사히게, 트랜스듀서 소자(120A-120L)는 모두 구동/감지 전극 레일(120)에 평행하게 결합된다. 일반적으로, 임의의 숫자의 압전 트랜스듀서는 제 2(y) 면에서 어레이 사이즈의 함수 및 소자 피치(pitch)로서 함께 묶을 수 있다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 각 압전 트랜스듀서 소자 개체군(예를들어, 110A-110L)은, 적어도 기판의 폭(W ₁ )보다 5배, 바람직하게는 적어도 10 배는 더 큰 기판의 길이( L ₁ )에 걸쳐 배치된다.

실시 예에서, 각각의 압전 트랜스듀서 소자는 압전 맴브레인을 포함한다. 압전 맴브레인은 종래의 당해 기술에서 일반적으로 임의의 형상일 수 있는 반면에, 전형적인 실시 예에서 압전 맴브레인은 회전 대칭을 갖는다. 예를 들어, pMUT 어레이(100)에서, 각 트랜스듀서는 원형의 형상을 갖는 압전 맴브레인을 포함한다. 압전 맴브레인은 또한 돔(도 2A로 뒤에 도시됨) 또는 딤플(뒤에 도 2B에 도시됨)을 형성하기 위하여 제3 (z) 면에 만곡(curvature)을 가진 회전 타원체일 수 있다. 뒤에 도 2C에 도시된 바와 같이, 평면(planar)의 맴브레인 또한 가능하다.

도 2A-2C의 문맥에서, 개별 트랜스듀서 소자의 전형적인 마이크로머시닝된(즉, 마이크로전기기계적인) 모양이 간략히 도시되어 있다. 도 2A-2C에 도시된 구조는 주로 본 발명의 특정한 면에 대한 문맥(context)으로 포함되었고, 또한 압전 트랜스듀서 소자에 관련하여 본 발명의 넓은 응용을 설명하기 위하여 포함되어 있다.

도 2A에서, 볼록한 트랜스듀서 소자(202)는 동작 동안 pMUT 어레이(100)의 외부 표면을 진동시키는 부분을 형성하는 상부표면(204)을 포함한다. 트랜스듀서 소자(202)는 또한 기판(101)의 상부 표면에 부착되는 하부 표면(206)을 포함한다. 트랜스듀서 소자(202)는 기준 전극(212)과 구동/감지 전극(214) 사이에 배치된 만곡 또는 돔-형상의 압전 맴브레인(210)을 포함한다. 하나의 실시 예에서, 압전 맴브레인(210)은, 예를 들어, 평면 상부 표면 위에 형성된 돔을 가진 프로파일-트랜스퍼링 기판(예를 들어, 포토레지스트)위에 균일한 층으로 압전 물질 입자를 증착(예를 들어, 스퍼트링)함으로써 형성할 수 있다. 폴리비닐리덴 다이플루오라이드(PVDF) 폴리머 입자, BaTiO₃, 싱글 결정 PMT-PT 및 알루미늄 질화물(AIN) 같은 종래의 미이크로머시닝 처리를 받을 수 있는 해당 기술 분야에 알려진 어떠한 물질도 사용할 수 있으나, 전형적인 압전 물질은 납 지르콘산염 티타산염(PZT)이며, 그러나 그에 국한되지는 않는다. 구동/감지 전극 및 기준 전극(214, 212)은 각 프로파일-트랜스퍼링 기판 위에 증착된 전도성 물질의 얇은 충(예를 들어, PVD,ALD,CVD등에 의해)일 수 있다. 구동 전극 층에 대한 전도성 물질은 그런 기능을 위해 해당 기술에 알려진 Au, Pt, Ni, Ir, 등 중에서 하나 또는 그 이상, 그것들의 합금(예를 들어, AdSn, IrTiW, AdTiW, AuNi, 등), 그것들의 산화물 (예를 들어, IrO₂, NiO₂, PtO₂, etc.) 또는 그런 물질들의 합성 스택 같은 임의의 물질일 수 있으나 그에 국한되지는 않는다.

또한 도 2A에 도시된 바와 같이, 일부 실시 예에서, 트랜스듀서 소자(202)는 제조 중에 지지대 및/또는 에칭 스탑(etch stop)의 역할을 할 수 있는 실리콘 다이옥 사이드 같은 얇은 필름 층(222)을 선택적으로 포함할 수 있다. 유전체 맴브레인(224) 또한 기준 전극(212)으로부터 구동/감지 전극(214)를 절연하는데 도움이 될 수 있다. 수직-방향의 전기 인터커넥터(226)는 구동/감지 전극 레일(214)을 구동/감지 전극 레일(110)을 통해 구동/감지 회로에 연결한다. 유사한 인터커넥터(232)는 기준 전극(212)을 기준 레일(234)에 연결한다. 환상(annular)의 지지대(236)는 트랜스듀서 소자(202)의 중심을 정의하는 대칭축을 가진 구멍(241)을 구비하며, 기계적으로 압전 맴브레인(210)을 기판(101)에 결합시킨다. 지지대(236)는 실리콘 다이옥사이드, 폴리크리스탈 실리콘, 폴리크리스탈 게르마늄, SiGe, 등과 같은 임의의 종래의 물질일 수 있으나 그에 국한되지는 않는다. 지지대(236)의 전형적인 두께는 10-50 ㎛ 범위이며 전형적인 맴브레인(224)의 두께는 2-20 ㎛ 범위이다.

도 2B는 트랜스듀서 소자(242)에 대한 다른 구성의 예를 보여주며, 트랜스듀서 소자(202)에서의 그것들과 기능적으로 유사한 구조들은 동일한 참조 번호로 식별된다. 트랜스듀서 소자(242)는 정지 상태에서 오목한 오목 압전 맴브레인(250)을 도시한다. 여기서, 구동/감지 전극(214)은 오목 압전 맴브레인(250)의 바닥 표면에 배치되는 반면에, 기준 전극(212)은 상부 표면 위에 배치된다. 상부 보호 패시베이션(passivation) 층(263) 또한 도시되어 있다.

도 2C는 트랜스듀서 소자(282)에 대한 다른 구성의 예를 나타내며, 트랜스듀서 소자(202)에서의 그것들과 기능적으로 유사한 구조들은 동일한 참조 번호로 식별된다. 트랜스듀서 소자(242)는 정지 상태에서 평면인 평면 압전 맴브레인(290)을 도시한다. 여기서, 구동/감지 전극(214)은 평면 압전 맴브레인(290)의 바닥 표면 아래 배치되는 반면에, 기준 전극(212)은 상부 표면 위에 배치된다. 도2A-2C의 각각에 도시된 것과 반대의 전극 구성도 또한 가능하다.

하나의 실시 예에서, pMUT 어레이 내의 상이한 트랜스듀서 소자 개체군의 트랜스듀서 소자들 사이의 전기기계적 결합은 동일한 소자 개체군의 트랜스듀서 소자 들 사이의 전기기계적 결합보다 적다. 그러한 관계는 인접한 개체군들 사이의 (예를 들어, 전형적인 1D어레이에서의 라인 사이의) 크로스토크를 줄이기 위해서이다. 도 3A는 실시 예에 따라 도1에 도시된 pMUT어레이(100) 내의 트랜스듀서 사이의 관련된 전기기계적 결합을 개략적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 제 1 소자 개체군(310)과 제 2, 인접한 또는 가장 근접하게 이웃한 소자 개체군(320) 사이의 하나의 개체군(예를 들어, 개체군(320)) 내의 개별 소자들 사이의 제 2결합 요소(C ₂ ) (예를 들어, 짧은 결합 요소) 보다 상대적으로 작은 제1 결합 요소 (C ₁ )가 있다. 다시 도 2A-2C를 참조하면, 적어도 기판(101) 및 전형적으로 또한 지지대(236)는 인접한 트랜스듀서 소자들 사이의 x 및 y 면에서 측면으로 확장하고 그리하여 인접한 트랜스듀서 소자들 사이에 전기기계적 격리를 제공한다. 이와 같이, 트랜스듀서 소자들 사이의 전기기계적 결합은 일반적으로 기판(101) 및 지지대(236)를 위하여 선택된 재료에 달려있다. 인접한 트랜스듀서들 사이의 거리(x-y 평면에서의)와 지지대(236)의 필름 두께(z-높이)와 지지대의 피쳐 폭(feature width)(x-y 평면에서의) 및 기판(101)에 대하여 유사한 특징을 포함할 수 있는 효과적인 크로스-섹셔날 커플링 영역을 포함하는 치수적인 특성들과 같은 부대적인 속성들이 영향을 미치는 것처럼, 탄성율 같은, 고유한 재료의 속성은 트랜스듀서 소자들 사이의 전기기계적 결합에 영향을 미친다.

도 3B는 도1에 도시된 pMUT 어레이 내의 트랜스듀서들 사이의 음향 결합을 개략적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 전송 매질 자체를 통한 트랜스듀서들 사이의 결합은(즉,"음향 결합")은 도 3A에 도시된 전기기계적 결합 효과가 그러한 것보다 보다 더 큰 거리에 걸쳐 여전히 상당히 남아있다. 예를 들면, 가장 가까이 이웃한 트랜스듀서들이 크로스토크의 원인을 제공할 뿐만 아니라, 피해 트랜스듀서로부터 두 개 또는 그 이상의 트랜스듀서 폭의 거리에 떨어져 배치된 트랜스듀서들에게도 그러하다. 도 3B에서, 주어진 피해 트랜스듀서(330)에 대하여, 많은 가해 트랜스듀서들 (예를 들어, 트랜스듀서 개체군 310, 320A, 및 320B의 열(row)/종렬(column)에 대한 AC_1,1; AC_1,2, AC_1,3, AC_2,1, AC_2,2, AC_2,3, ..AC_n,m )에서 음향 결합 용어("AC")는 적어도 트랜스듀서의 공간적 배열의 함수로서 매질의 속성, 각 트랜스듀서의 동작 주파수 영역 및 위상에 따라 중요할 수 있다. 현재 트랜스미션 매질 그 자체(예를 들어, 물)를 통한 제1 "피해" 맴브레인(예를 들며, (330))과 이웃한 멤브레인들(예를 들면, 인접한 맴브레인들 뿐만 아니라 제1 맴브레인에서 두 개 또는 그 이상의 맴브레인 지름에 배치된 비-인접 맴브레인)사이의 결합은 가까운 소자들이 너무 크게 변하는 지름을 가지는 맴브레인들의 효과적인 집단을 불리하게 변조할 수 있다.

pMUT 어레이(100)에 의해 광대역폭을 제공받으려는 실시 예에서, 각각의 트랜스듀서 소자 개체군은 복수의 분리된 그러나 중첩되는 주파수 응답을 제공해야 한다. 하나의 이러한 실시 예에서, 하나의 개체군 내에서 유사한 공진 주파수의 트랜스듀서 소자들 사이의 전기기계적 결합(또는 음향 결합)은 소자 개체군에서 개별 압전 트랜스듀서 소자의 자연 공진 주파수로부터 분할된 축퇴(degenerate) 공진 주파수를 가지는 적어도 하나의 축퇴 모드를 초래한다. 축퇴 공진 모드는 유사한 제 1 스프링 상수를 가진 제 1 스프링에 결합되고 또한 유사한 제 2 스프링 상수를 가진 스프링들에 의해 서로 결합된 복수의 실질적으로 동등한 집단으로서 만들 수 있다. 동일한 소자 개체군의 트랜스듀서 소자들 사이의 결합이 복수의 축퇴 모드를 유도하기에 충분하면, 축퇴 공진 주파수를 가지는 복수의 축퇴 모드는 개별 트랜스듀서 소자의 자연 공진 주파수보다 더 넓은 대역폭을 비슷하게 제공하기 위하여 서로로부터 분할된다.

도 4A 및 도4B는 모든 트랜스듀서 소자 사이의 결합이 재량껏(arbitrarily) 적고, 따라서 복수의 잘-분리된 개별 트랜스듀서 소자의 누적 주파수 응답을 나타낸다고 가정했을 때, 도 1의 pMUT 어레이(100) 내의 트랜스듀서 소자들에 대한 트랜스듀서 성능 매트릭스의 그래프이다. 도 4A에 도시된 바와 같이, 중앙의 주파수 (F _n )는75 ㎛의공칭 지름을 가지는 돔 압전 맴브레인을 가진 트랜스듀서 소자의 자연 주파수 특징에 해당하는, 5.5MHz 주위에서 최대(peak) 파워 이득을 가진다. 3dB 코너 주파수에 대한 해당 스펙트럼 대역폭은 약 1 MHz이다.

도 5는 도 4A의 그것과 같은 트랜스듀서 소자 개체군(예를 들어, 동일한 자연 공진을 가지는 동일한 수의 소자들)에 대한 스펙트럼 파워 이득이다. 그러나 소자 개체군 내의 트랜스듀서 소자들 사이의 결합 양은 실시 예에 따른 공진 모드 분할을 유도하기에 충분하다. 도시된 바와 같이, 기본적인 공진 주파수(F _n1 )외에도, 임의의 개별 스펙트럼 응답보다 더 넓은 스펙트럼 밴드에 걸쳐있는 복수의 분리된 그러나 중첩된 주파수 응답을 제공하기 위하여 기본적인 공진 모드로부터 추가적인 중앙의 주파수(F _n2 , F _n3 )등이 분할되었다. 도 5에 도시된 전형적인 응답 그래프에 7개의 중첩된 주파수 응답을 포함하는 한편, 분할 양은 적절한 어레이 설계에 의해(예를 들어, 두 개 이상의 뚜렷한 주파수 피크를 갖거나 또는 임의의 모드의 그것 보다 적어도 1.5 배인 3dB 코너 사이의 대역폭을 갖게) 통제할 수 있다.

실시 예에서, 거리, 상호연결 재료의 탄성율 또는 동일한 소자 개체군의 트랜스듀서 소자들 사이의 제 1 영역의 크로스-섹셔날 결합 영역 중에서 적어도 하나는 다른 소자 개체군들의 트랜스듀서 소자들 사이의 제 2영역의 해당하는 하나 와는 다르다. 도 3을 다시 참조하면, 하나의 실시 예에 대하여, 주어진 사이즈의 압전 맴브레인(예를 들어, 전형적인 원형의/구형의 실시 예에서 동일한 지름), 개체군(320)의 소자들 사이의 거리는 길이(L ₁ )를 따라 소자 개체군(320)의 인접한 소자들 사이의 간격 통제를 통하여 축퇴 모드 주파수 응답 분할을 달성하기 위하여 y-면 (P _y )에서 피치(pitch)에 의해 설정될 수 있다.

예를 들어, 도 5의 응답을 갖는 전형적인 실시 예에 대한 (P _y )는 도4에 도시된 응답을 갖는 실시 예에 비해 감소된다. 트랜스듀서 소자 개체군들 사이의(예를 들어, 도 3에서 개체군(310)과 (320) 사이의) 전기기계적 결합은 감소되고 바람직하게는 최소화되어, 그래서 인접한 개체군(전형적인 1D 어레이의 라인들) 사이의 크로스토크는 최소화됨을 다시 유의하면, 다른 실시 예들에서, 라인 피치(P _x )는 라인 면(P _y )을 따른 트랜스듀서 피치 보다 상당히 더 크다 (예를 들면, 두 배 또는 그 이상으로 크다).

트랜스듀서 소자들 사이의 간격 또는 거리 외에도, 하나 또는 그 이상의 재료의 차이나 또는 트랜스듀서 소자들 사이의 기계적 결합의 패턴은 소자 개체군들 사이의 크로스토크를 감소시키거나 최소화하면서, 하나의 소자 개체군 내의 축퇴 모드 결합에 영향을 미치도록 변조될 수 있다. 도 6A, 6B 및 6C는 실시 예에 따른, 도 1의 pMUT 어레이(100)의 인터-트랜스듀서 영역의 단면도이다. 도 6A는 도 1에 표시된 a-a' 라인을 따라 분리된 전극 레일(110,120) 위의 인접한 트랜스듀서 소자 (110C) 및 (120J) 사이에 피치(P _x )(즉, 라인 피치)가 걸쳐있는 단면도이다. a-a'라인을 따라 영역(680)은 인접한 트랜스듀서 개구(241)사이에 거리(W ₂ ) 가 걸쳐 있다. 영역(680) 내에 지지대(236) 및 기판(101)과 같은 하나 또는 그 이상의 재료가 있다. 도 6B 및 6C는 도 1에 표시된 b-b' 을 따라 동일한 전극 레일(110, 120)(즉, 라인 피치)에 결합된 인접한 트랜스듀서 소자(110) 과 (110C) 사이에 피치(P _y )가 걸쳐있는 단면도이다. b-b'라인을 따라, 영역(690)에는 인접한 트랜스듀서 개구들(241) 사이에 거리(L2)에 걸쳐 있다.

도 6B에 도시된 일 실시 예에서, 영역(680)에 해당하는 면에 비해, 영역(690)은 더 큰 전기기계적 결합을 갖도록 만들어졌다. 이러한 일 실시 예에서, 지지대(236)는 길이(L ₃ )를 따라 기판(101)에 고정되게 에칭되며, 그래서 하나의 지지대 구조(236)에서의 변위는 T3의 두께를 갖는 맴버레인 브릿지(634)를 가로질러 전송된다. 또 다른 실시 예에서, 기판(101)영역(690)에서 두께 (T₂) 를 줄이기 위해 에칭된다. 횡단면(cross-sectional) 결합 영역에 대한 이러한 임의의 변형은 x-y 평면에서도 또한 가능한 유사한 패턴으로 영역(680)이나 영역(690)에 선택적으로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 지지대(236)의 도시된 변형은 단지 하나의 예일 뿐이며 트랜스듀서 소자를 만들기 위해 사용되는 공정에 따라 많은 다른 형태들도 가능하다

도 6c에 도시된 실시 예에서, 영역(680)의 해당재료에 비해, 영역(690)은 더 큰 전기기계적 결합을 갖도록 다른 탄성율을 가진다. 도시된 바와 같이, 영역(690)에 사용된 재료(685)는 영역(680)에 사용된 그것과 전혀 다르다. 이러한 방식으로, 지지대 구조(236)의 일부분이나 기판(101)의 일부분의 탄성율은 하나의 소자 개체군 내의 분할 축퇴 모드 및 개체군들 사이에 감소된 또는 최소화된 크로스토크를 위해 전자석 결합을 조율하도록 구별된다.

특히, 여기에 기술된 하나 또는 그 이상의 테크닉은 결합의 양을, 동일한 개체군의 인접한 트랜스듀서 사이의 결합 양과 상이한 개체군들의 인접한 트랜스듀서 사이의 결합 양을 구별하는데 사용할 수 있다. 예를 들어, 일 실시 예에서,동일한 소자 개체군의 소자들 사이의 거리는 상호연결 재료와 횡단면 결합 영역이 영역(680)과 영역(690)에서 동일할 때 적어도 하나의 축퇴 모드를 유도하기에 충분히 작도록 만들어진다. 다른 실시 예에서, 거리, 재료 속성, 또는 횡단면 결합 영역 중 두 개 또는 그 이상이 영역(680)과(690) 사이에서 다르다.

도 6D, 6E 및 6F는 실시 예에 따라, pMUT 어레이(100)에 대해 도시된 도 6A-6C의 인터-트랜스듀서 영역을 가진 평면도이다. 전형적인 1D 어레이 실시 예를 위해, 도 6D는 하나의 실시 예를 도시하며, 여기서 영역(690)(더 큰 결합을 제공하는)은 트랜스듀서 소자 개체군(즉, 한 줄의 트랜스듀서 소자들)이 차지한 기판 길이(L ₁ )를 따라 평행으로 확장되는 기판의 길이에 걸쳐 배치되고, 하나의 소자 개체군의 각 소자(110A, 110B, 110C, 등)를 상호 연결한다. 제 2 영역(680)(더 작은 결합을 제공하는)은 영역(690)의 길이를 따라 제 1 영역(680)의 반대 면에 배치된다. 하나의 도시된 실시 예에서, 영역(680)은, 예를 들면, 소자(120A, 120B, 120C,등)들이 배치되는 영역(690)의 그것과는 다른 특징(예를 들면, 브릿지 커플러), 영역(690)의 그것과는 다른 재료로 연속의 줄무늬를 형성한다.

도 6E는 다른 전형적인 1D 실시 예를 도시하며, 여기서 영역(690)은 트랜스듀서 소자 개체군이 차지한 기판 길이(L ₁ )에 직교하여 확장하는 기판 길이에 걸쳐 배치되며, 하나 이상의 소자 개체군의 두 개의 인접한 소자들 사이에 연속된다. 영역(690)은 그래서 다시 영역(690)의 길이를 따라 영역(690)의 반대 면에 배치된다.

도 6E는 2D에 대한 전형적인 실시 예를 도시하며, 여기서 전극 레일은 본 명세서 다른 곳에 기술된 바와 같이 x 와 y 면 둘 다에 배치된다. 이 실시 예에서, 영역(680)은 영역(690)의 섬들을 분리하는 연속적인 그리드를 형성한다. 각 영역(690)은 전기기계적으로 축퇴 모드 분할을 위해 강하게 결합되어야 하는 주어진 개체군의 트랜스듀서 소자들( 110A, 111A, 및 112A)을 결합하는데 도움이 되나. 각 개체군은 영역(680)에 의해 분리된다.

도 6G는 실시 예에 따라, pMUT어레이를 형성하기 위한 방법(692)을 도시하는 흐름도이다. 일반적으로, 영역(680) 및/또는 (690)의 1D 또는 2D의 스트리핑(stripping)은 축퇴 모드 분할을 위해 강하게 결합되어야 하는 트랜스듀서 소자들의 제조에 유리할 수 있다. 예를 들어, 방법(692)은 동작(695) 중일 때, 복수의 최초 영역(680) 및 (690)은 제2의 영역(680) 및 영역(690)을 그 사이에 배치한 채 기판의 영역에 걸쳐 배열된다.

하나의 전형적인 실시 예에서, 영역(680) 및 (690)의 제 1 영역의 형성은 또한 기판(101) 또는 그 위에 배치된 필름(예를 들어, 도 (6A-6C)에 도시된 지지대(236)) 안으로 트랜치를 에칭하는 것을 포함한다. 선택적으로, 또는 이러한 트랜치를 에칭하는 것 외에, 얇은 필름 성분층이 기판(101)에 증착될 수 있고, 이어서 영역(680) 및 영역(690) 중의 하나에서부터 영역(680) 및 (690) 중의 다른 하나로까지 제거될 수도 있다. 평탄화(planarization)는 해당 기술에 알려진 바와 같이 결합이 가능한 명확한 레벨의 영역의 기판 표면에 이르도록 수행될 수 있다. 동작(697)에서, 임의의 종래의 테크닉을 사용하여, 복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군들이 형성되고, 그래서 각 개체군은 영역(690)의 하나에 걸쳐 배치된다. 동작(699)에서 복수의 구동/감지 전극 레일은 영역(690)에 의해 기계적으로 결합된 트랜스듀서 소자 개체군들 중의 하나의 구동 전극을 갖도록 결합되고, 영역(680)은 기계적으로 제 1 트랜스듀서 소자 개체군을 제2 트랜스듀서 소자 개체군에 결합시킨다.

하나의 실시 예에서, 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 복수의 분리된 공진 주파수를 제공하기 위하여 상이한 공칭 사이즈의 복수의 압전 맴브레인을 포함한다. 스펙트럼 응답은 넓은 대역폭을 제공하기 위하여 n 개의 상이한 사이즈(예를 들어, 본 명세서의 어딘가에 기술된 전형적인 원형 또는 구형 맴브레인에 대한 맴브레인 지름들)를 통합함으로써 형성할 수 있다. 벌크 PZT 트랜스듀서와 달리, pMUT 의 공진 주파수는 리소그라피를 통한 형상에 의해 쉽게 조율할 수 있다. 그렇기 때문에 상이한 사이즈의 고품질(high-Q) 맴브레인은 주어진 소자 개체군으로부터 높은 토탈 대역폭에 도달하기 위하여 상이한 주파수 응답과 통합될 수 있다. 다른 실시 예에서, 각 트랜스듀서 소자 개체군은 동일한 세트의 트랜스듀서 소자 사이즈를 포함하며, 그래서 각 개체군으로부터의 스펙트럼 응답은 대략 동일하다.

도 7A는 실시 예에 따라, 상이한 사이즈의 트랜스듀서 소자를 가진 pMUT 어레이(700)의 평면도이다. pMUT 어레이(700)는, x-면을 따라 깍지끼워지도록 (즉, 1D 어레이) 평행하지만 그러나 반대 방향으로 확장하는(예를 들어, 분리된 버스 또는 인터페이스로부터) 구동/감지 전극 레일 (110,120)을 가진, pMUT 어레이(100)와 유사한 구성(layout)을 가진다. 하나의 구동/감지 전극(예를 들면,(110))에 2-20개 또는 그 이상의 상이한 맴브레인 사이즈(예를 들면, 지름)를 가진 트랜스듀서 소자들이 결합된다. 지름의 범위는 일반적으로 맴브레인의 단단함 및 집단(mass)의 함수(function)로서 요구되는 주파수 범위에 달려있다. 연속해서 더 큰 맴브레인 사이의 증분은, 큰 사이즈 증분에 대해 주파수 중첩이 덜 발생하기 때문에, 상이한 사이즈의 맴브레인의 범위 및 수의 함수일 수 있다. 증분 사이즈는 모든 트랜스듀서 소자들이 3dB 대역폭을 유지하는 응답 곡선(response curve)에 기여함을 보장하도록 선택될 수 있다. 한 예로, 도 2A-2C의 문맥에서 기술된 일반적인 구조를 가진 트랜스듀서로부터의 MHz 주파수에 대한 응답은 20-150 ㎛ 범위가 전형적일 것이고, 1-10 ㎛ 증분은 충분한 응답 중첩을 제공할 것이다

트랜스듀서 소자(즉 ,맴브레인) 사이즈의 수가 증가할수록, 동일한 사이즈의 소자들이 감소하기 때문에 특정한 중심 주파수의 해상도는 내려갈 것으로 예상할 수 있다. 예를 들어, 각각의 압전 트랜스듀서 소자 개체군의 압전 맴브레인이 싱글 파일일 때(즉, 직선을 따라 중심이 정렬되면), 길이(L)를 따라 정렬된 동일한-사이즈의 트랜스듀서의 효과적인 피치는 개체군의 각각의 추가적인 트랜스듀서 사이즈 때문에 감소된다. 다른 예에서 그러므로, 각 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 각 공칭 맴브레인 사이즈의 압전 트랜스듀서 소자를 하나 이상 포함한다. 도 7A에 도시된 전형적인 실시 예에 대해서는, 6개의 상이한 사이즈의 맴브레인에 대하여 제1 사이즈(예를 들면, 최소 지름의 맴브레인)의 압전 트랜스듀서 소자(711A) 및 (711B), 제2 사이즈(예를 들면, 그 다음으로 작은 지름의 맴브레인)의 트랜스듀서 소자(712A) 및 (712B), 소자(713A , 713B) ,소자(714A,714B), 소자(715A,715B), 및 소자(716A,716B)가 구동/감지 전극 레일(110)에 전기적으로 결합된다. 도시된 바와 같이, 동일 사이즈(예를 들어, (711A) 및 (711B))의 맴브레인은 상이한 사이즈의 맴브레인을 가진 적어도 하나의 중간 개재 소자에 의해 이격된다. 이것은 일반적으로 가장 많은 크로스토크를 유도하는 가장 가까이 이웃한 소자들이 서로에 대해 비-공진(off resonance)할 것이기 때문에 크로스토크를 감소시키는 이점을 갖는다. 동일한 사이즈의 소자들을 동일한 간격으로 띄어두면 주파수 응답 밴드 전체에 해상도가 비슷하게 되어 유리하다.

도7A에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서 소자 서브그룹(718A)은 (718B)가 기판의 길이를 따라 소자 개체군이 배치될 때 반복된다. 각각의 트랜스듀서 소자 서브그룹(718A, 718B)은 각 공칭 맴브레인 사이즈의 압전 트랜스듀서 소자 하나를 포함한다. 이러한 전형적인 실시 예에서, 휴리스틱 레이아웃(heuristic layout)은 구동/감지 전극 레일(110)에 결합된 소자 개체군이 상이한 사이즈의 적어도 하나의 중간개재 소자에 의해 이격된 동일한 사이즈의 트랜스듀서 소자를 가지나, 하나의 소자 서브 그룹에 의해 점유된 기판의 길이만큼만 이격되게 구성된다. 이것은 신호의 균일성을 개선하는 효과를 가진다. 도 7A에 더 도시된 바와 같이, 유사한 소자 서브그룹(728A)은 다양한 소자 사이즈를 더 균일하게 퍼뜨리기 위해 소자 서브그룹(718A)에 비해 구동 센스 전극 레일(120) 길이 끝까지 이동된다. 이러한 위치적 옵셋(offset)은 동일한 사이즈의 소자들은 가장 가까운 이웃이 아님을 보증함으로써(예를 들어,(726A)는 소자(716A) 및 소자(716B)사이의 대략 중간에 있다.) 인접한 소자 개체군들 사이의 크로스토크를 감소시키는 것을 돕는다. 도시된 바와 같이, 상이한 사이즈의 트랜스듀서 소자의 반복되는 세트를 포함하는 소자 서브그룹의 위치적 옵셋은 적어도 하나의 서브그룹을 하나의 레일 또는 채널 내의 분할된 서브그룹 사이에 번갈아 교호하는(alternating) 완전한 서브그룹(예를 들며, (728A)을 가진 두 개(예를 들어, (728B₁₎ 및 (728B₂))로 분할함으로써 달성된다. 레일(110) 및 레일(120)에 대한 트랜스듀서 소자 개체군들은 레일(130)(예를 들면, 트랜스듀서(130A) 등을 가진) 및 (140)(예를 들면, 트랜스듀서 (140A-140L)을 가진)에 대하여 반복되는 셀(cell)을 포함한다. 도 7B 및 7C는 60, 63, 66, 69, 72 및 75 ㎛ 지름의 구형 압전 맴브레인을 가진, 도 7A에 도시된 pMUT 어레이에 대한 성능 매트릭스의 플롯이다. 도 7B에 도시된 바와 같이, 스펙트럼 응답은 대략 9MHz의 대역폭을 가진(3dB 코너 주파수에 대하여) 6개의 해당 센터 주파수 피크, F _p1 , F _p2 , ... F _p6 를 포함한다. N개-사이즈의 트랜스듀서 소자에 대하여 F _pn 피크가 가능하기 때문에, 사이즈 수의 제한은 몇 개의 트랜스듀서를 부족한 이득을 초래하는 부족한 수와 함께 묶이도록((lumped) 이용할 수 있는지에 대한 함수이다. 도 4A (단일 사이즈의 소자들을 가지고 축퇴 모드를 결여한 pMUT 어레이(100)에 대한) 에 도시된 대역폭과 비교할 때 pMUT 어레이(700)에 대한 대역폭이 명백히 더 넓다. 대역폭의 증가로, 그에 부합하여 적은 링 다운(ring down)을 가진 숏펄스(short pulse duration)는 단일 사이즈의 소자들을 가지고 축퇴 모드를 결여한 pMUT 어레이(100)에 대한 도 4B에 비해 pMUT 어레이(700)에 대한 도 7C처럼 여기 상태의 펄스열(pulse train)에 대한 반응을 초래한다.

다른 유리한 실시 예에서, 동일한 구동/감지 레일(즉, 동일한 채널의)에 결합된 소자 개체군들은 맴브레인 사이즈에서의 단계적인 공간적 변화에 대하여 주어진 트랜스듀서 소자의 가장 가까운 이웃들이 밀접하게 매칭되지만, 그러나, 맴브레인 사이즈는 상이하게 배열된 트랜스듀서 소자를 갖는다. 어레이(700)(도 7A)에 관련하여, 공진 위상(resonance phase)은 가장 가까이 이웃한 소자들이 유사한 사이즈의 맴브레인을 가진 소자 개체군 전반에서 가장 잘 유지될 수 있으며, 인접한 맴브레인 사이의 위상 관계는 그렇지 않으면 채널의 신호 출력/감도를 상당히 감소시키도록 작용할 수 있기 때문에, 주어진 거리(예를 들어, 두 개, 세 개 또는 그 이상의 맴브레인 지름)에 대한 맴브레인 지름에서의 변화는 특정한 기준치(threshold)를 넘지 않음이 밝혀졌다. 예를 들어, 공격/가해 맴브레인의 작용은 피해 맴브레인(예를 들어, 가장 가까운 이웃이나 또는 그렇지 않으면 가해 맴브레인에 가까운)에 대해 전송 매질을 국부적으로 밀어내거나 또는 쌍아둘 수 있기 때문에, 맴브레인의 위상과 관련하여 적절치 못한 시간에 제 2 맴브레인의 실제의 사이즈를 증가시키고 그리하여 피해 소자의 성능을 댐핑(dampening)하거나 지연시킨다. 그러한 음향 댐핑(또는 전송 매질 댐핑)이 심하면, 바람직하지 않은 제로 크로싱이 발생할 수 있다.

도 7D는 하나의 그러한 실시 예에 따른, 단계적 사이즈의 트랜스듀서 소자를 가진 pMUT 어레이(701)의 평면도이다. 도 7D에 도시된 전형적인 실시 예에 대하여, 제 1사이즈의 압전 트랜스듀서 소자(711A)(예를 들어, 최소 지름의 맴브레인)는 제 2 사이즈의(예를 들어, 그 다음으로 큰 지름의 맴브레인)의 소자(712A)와 인접하며, 맴브레인의 사이즈는 더 큰 맴브레인 사이즈의 소자(예를 들어, 714A, 715A, 716A)를 통하여 단계식으로 점차 증대한다. 소자(711A-715A) 각각은 상이한 사이즈의 소자 개체군 전반에 걸쳐 맴브레인 사이즈의 단조로운, 계단식의, 단계적인 및/또는 증분하는 증대를 위해 약간씩 더 작고 약간씩 더 큰 가장 가까운 이웃들을 갖는다. 도 7D의 어레이(701)는 그래서 가장 큰 지름의 맴브레인을 가진 소자(716A)는 바로 다음의 더 작은 맴브레인 지름(예를 들면, (715B))의 두 소자에 인접하게 트랜서듀스 소자들의 개체군을 모사한다. 맴브레인 사이즈는 그리고 나서 단계식의, 증분식으로 줄어들어, 모든 소자는 다시 사이즈(지름)에 있어서 가장 일치하는 가장 가까운 이웃을 갖는다.

분리된 소자 개체군들은 실시 예에 따라, 가장 유사한 사이즈의 맴브레인들이 가장 가깝게 또는 가장 상이한 사이즈의 맴브레인들이 가장 근접하게, 서로 관련하여 배열될 수 있다. 도 7A에 도시된 바와 같이, 동일한 사이즈)(예를 들어, (711A )및 (721A))이지만 다른 개체군들의 소자들(예를 들어, 분리된 전극 레일(110) 및 레일(120)과 연관된))은 서로 가깝다. 물론, 더 큰 맴브레인 사이즈 변화에서 비롯되는 잠재적인 댐핑(dampening) 효과를 완화시키기 위하여 가장 가까운 이웃 거리를 증가시키는 전극 레일(110) 및 (120) 을 수용하는 채널들 사이에 더 큰 공간을 가지고 서로에게 인접한 상이한 사이즈의 맴브레인을 갖기 위하여, 각 채널은 소자 개체군들을 도 7A에 도시된 실시 예와 유사하게 소자를 이동시킬 수 있다, 개체군 내의(예를 들어, 채널 내의) 트랜스듀서 소자들 전반에 걸친 위상 변화 외에도, 상이한 사이즈의 가까운 이웃들의 수가 더 클 때는 주어진 소자의 공진 주파수 또한 더 큰 전송 매질 댐핑(즉, 음향 크로스-토크)을 가진 상이한 맴브레인 사이즈의 가까운 이웃의 수에 달려있다. 실시 예에서, 비대칭 소자 구성(layout) 은 소자 개체군 내의 상이한 사이즈의 가까운 이웃들의 수를 줄이기 위해 사용된다. 도 7E는 실시 예에 따라, 상이한 사이즈의 트랜스듀서 소자를 가진 pMUT 어레이(702)의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 각 채널(예를 들어, 전극 레일(110))은 제 2 사이즈의 맴브레인 (예를 들면, 최대 맴브레인 사이즈인(714A))을 가진 소자 종렬(column) 및 제3 사이즈의 맴브레인 (712A)(예를 들면, (712A)는 최소 맴브레인 사이즈임)을 가진 소자 종렬에 인접한 제 1 사이즈의 맴브레인 (예를 들면, (713A))을 가진 소자들의 종렬을 포함한다. 도 7D의 문맥에서 기술한 바와 같이, 어레이(702)는, 예를 들면, 85 ㎛, 90 ㎛, 및 95 ㎛에서 조금씩 증가하면서, 단계적인 공간 분배를 유지한다. 전극 레일(110)에 결합된 15개의 소자를 포함하는 도시된 개체군에 대하여 (및 전극 레일(120)에 결합된 것들에 대하여도 마찬가지로), 4개의 코너 소자(A,B, C 및 D)는 2 코디네이션 넘버를, 8개의 가장자리 소자( E, F, G, H, I, J, K, 및 L) 는 3 코디네이션 넘버, 및 세 개의 F안쪽의 소자(M,N 및O)는 4 코디네이션 넘버를 갖는다. 이러한 서브세트에 대하여, 코너 및 가장자리 소자 (A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K)는 오직 하나의 상이한 사이즈(코디네이션 넘버의 50% 미만)의 가장 가까운 이웃을 갖는 반면에, 세 개의 안쪽 소자(M,N,O)는 두 개의 상이한 사이즈(코디네이션 넘버의 50% 미만)의 가장 가까운 이웃을 갖는다. 단계식 맴브레인 사이즈는 그러므로 오로지 일 면(종렬 또는 열)을 따라서 발생한다. 제2 채널(예를 들면,(120))에 대하여, 이러한 패턴은 트랜스듀서(예를 들어, (724A, 723A, 722A))에 대하여 반복된다. 그래서, 가장 자리 및 코너 소자에 의해 제공된 추가적인 비대칭은 도 7D에 도시된 단일 종렬 실시 예에 비해 감소된 전송 매질 댐핑을 표시한다.

pMUT 어레이(700, 701, 및 702)는 트랜스듀서 소자 개체군이 소자 개체군(예를 들면, ., >= 5x)에 의해 점유된 기판의 폭보다 큰 기판의 길이에 걸쳐 배치되는 전형적인 1D 어레이인 반면, 2D 어레이는 또한 주어진 소자 개체군 내에 복수의 트랜스듀서 소자를 사용할 수 있고 1D 어레이의 문맥에서 기술한 휴리스틱스(heuristics) 또한 다시 사용될 수 있다. 도 8은 실시 예에 따라, 상이한 사이즈의 트랜스듀서 소자(A,B,C,D)를 가진 2D pMUT 어레이(800)의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 기판(101)에 부설되어(tiled), 동일한 구동/감지 전극에 전기적으로 연결된 복수의 소자 개체군들(예를 들어 810A, 820A, 830A, 840A 및 850A)은 소자 개체군의 열(R ₁ )을 구성한다. 유사하게, 동일한 구동/감지 전극에 각각 전기적으로 연결된 복수의 소자 개체군들(예를 들어 810A, 810B, 810C, 810D 및 810E)은 소자 개체군의 종렬(C ₁ )을 구성한다. 열(R1-R5 및 C1-C5)은 그러므로 소자 개체군의 5 x 5 어레이를 제공한다. 1D pMUT 어레이(700)의 문맥에서 기술한 바와 같이 더 넓은 대역폭 스펙트럼 반응을 실질적으로 제공하기 위하여 각 소자 개체군 내에 복수의 트랜스듀서 소자 사이즈(예를 들면, (A, B, C 및 D))들이 있다.

실시 예에서, 휴리스틱 레이아웃은 또한 2D 콘텍스트(context)에서 각각의 가장 가까이 이웃한 트랜스듀서 소자는 상이한 사이즈를 가지며, 그에 상응하여 인접한 소자 개체군들 사이에 감소된 크로스토크에 대하여 상이한 자연 주파수를 가짐을 보장하도록 적용된다. 도 8A에 도시된 바와 같이, 복수의 트랜스듀서 소자 개체군들 각각은 개체군 내에 동일한 관련있는 공간 구성(same relative spatial layout)(즉, 서로에 대한 트랜스듀서 소자의 배열)을 갖는다. 구체적으로, 가장 작은 트랜스듀서 소자(A,B)는 제2 서브그룹(818B)를 형성하는 가장 큰 트랜스듀서 소자(C,D) 위의 서브-열에 배치된 제1 서브그룹(818A)을 형성한다. 서브그룹들이 각 소자 개체군에 대하여 안쪽 서브-열을 형성하기 때문에, 종렬(예를 들면, (C ₂ )) 내의 개체군들은 인접한 종렬(예를 들면, ., (C ₁ )및 (C ₃ )) 내의 개체군들과 관련하여 수직으로 뒤집힌다. 각 소자 개체군 내의 서브그룹 구성이 같은-사이즈의 트랜스듀서 소자들의 서브-종렬을 형성하는 교호 실시 예(alternate embodiment)에 대하여, 열(예를 들면, ( R ₂ )) 내의 개체군들은 인접한 열(예를 들면, (R ₁ ) 및 (R ₃ )) 내의 개체군에 관련하여 수직으로 (예를 들어,180°) 뒤집어진다. 도 8B에 도시된 교호 실시 예에서, 2D pMUT 어레이(801)는 각 소자 개체군에 대해 안쪽의 서브-열을 형성하는 서브그룹을 포함한다. 종렬 내의 개체군들은(예를 들어, (C ₂ ))는 인접한 종렬(예를 들어,, (C ₁ ) 및 (C ₃ )) 내의 개체군과 관련하여 수평으로 뒤집어지며, 그래서 전송 매질 댐핑 효과는 하나의 채널(예를 들면, 전극 레일(810A))의 공간에 걸쳐 맴브레인 사이즈를 단계적으로 증분함으로써 및 가장 가까운 사이즈의 맴브레인(예를 들며, 소자(D))을 가장 근접하게 배치하도록 가장 가까운 이웃 채널들(예를 들어, (810B, 820A))을 배열함으로써 감소될 수 있다

실시 예에서, pMUT 어레이는 복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군을 포함하고, 각 소자 개체군의 적어도 하나의 압전 트랜스듀서 소자는 타원 형상의 압전 맴브레인을 갖는다. 상이한 세미-주축 면을 가지는 압전 맴브레인은 트랜스듀서 소자의 주파수 응답을 형성하는 여분의 자유도(extra degree of freedom)를 제공한다. 다른 실시 예에서, 적어도 제 1 및 제 2 세미-주축은 복수의 분리된 공진 주파수를 제공하도록 충분히 상이한 공칭 길이이다. 원형의 또는 구형의 맴브레인에 대하여 회전 대칭을 모든 회전 각도로부터 오로지2-겹 대칭(180°)으로 감소시킴으로써, 모드 형상은 분리된 공진 주파수를 갖는 것보다 명확한 모드로 분할되게 만들어질 수 있다. 그러한 모드 분할은 각 트랜스듀서의 대역폭 및 그리하여 어레이의 대역폭을 증가시키도록 pMUT 어레이의 실시 예에 사용된다.

도 9A는 실시 예에 따른, 타원 형상을 가진 트랜스듀서 소자의 등측 개략도(isometric schematic)이다. 도(2A-2C)의 문맥(context)에서 기술된 평면의, 돔 및 딤플된(옴폭 들어간) 원형의 압전 맴브레인의 유사체(analogue)가 맴브레인 표면(905, 910 및 915)으로서 도( 9A)에 각각 도시되어있다. 맴브레인 표면(905, 910 및 915)은 기판(101)에 평행인 평면에서b 및 c 축을 가진 세미-주축 (a, b 및 c) 에 의해 정의된다.

도 9B는 실시 예에 따라, 타원 형상을 가진 트랜스듀서 소자의 세미-주축((b 및 c)을 따라 상이한 모드 기능을 그래프로 나타낸다. 도시한 바와 같이, b 축 상의 위치의 함수로서 a 축을 따르는 변위의 진폭은 c 축 상의 위치의 함수로서의 변위보다 상이한 주파수 및/또는 위상을 가진다.

도 9C는 실시 예에 따라, 타원 형상을 가지는 트랜스듀서 소자에 대한 대역폭 그래프이다. 도시된 바와 같이, 주파수 응답은 중심 주파수(F _n1 ) 에서 제1 공진 및 중심 주파수(F _n2 )를 가지는 제 2 공진을 포함한다. 이러한 모드 분할은 주파수 응답 대역폭을 증가시키는데 도움이 되어 두 모드 중 어느 하나의 단독 주파수 응답을 초월한다.

도 2A-2C에 도시된 바와 같이, 리소그래픽 패터닝은 원형의 압전 맴브레인을 형성하는데 사용될 수 있다. 유사하게, 리소그래픽 패터닝은 타원형 또는 타원형 압전 맴브레인을 형성하는데 사용할 수 있다. 포토리소그레픽 플레이트 또는 레티클(reticle)은 기판 위에 상이 그려지는 타원 형태를 포함하거나 또는 원형의 형상을 가지는 레티클로부터 타원형의 패턴을 그리는데 사용할 수 있다. 포토레지스트 상에 프린트된 그러한 타원형 이미지는 예를 들면, 타원체 형상을 압전 맴브레인으로 전송하는 수단으로서 환류될(reflowed) 수 있다.

일 실시 예에서, pMUT 어레이는 복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군을 포함하고, 각 소자 개체군들의 모든 압전 트랜스듀서 소자는 타원 형상의 압전 맴브레인을 가진다. 도 10A, 10B, 및 10C는 실시 예에 따라, 타원 형상의 트랜스듀서 소자를 가지는 pMUT 어레이의 평면도이다. 도 10A에 도시된 바와 같이, pMUT어레이(1000)는 기판의 영역 전반에 배치된다. 앞서 기술한 전형적인 1D 어레이 구조를 따라, 분리된(동력을 갖춘) 전극 레일(110과 120) 각각은 트랜스듀서 소자들(1010A-1010J와 1020A-1020J)의 각각의 개체군들을 일률적인(lumped) 소자 동작을 위해 동일한 구동/감지 포텐셜에 결합한다. 도시된 바람직한 실시 예에서, 압전 트랜스듀서 소자 개체군 중 하나 내의 모든 압전 멤브레인에 대한 제1 및 제2 세미-주축은 모두 평행하다.

축들의 평행한 정열은 하나의 세미-주축을 증가시킴으로써 공진 주파수를 더 높이 밀어올리는 사이에 한편으로는 표면적을 일정하게 유지하기 위해 다른 하나의 세미-주축을 줄임으로써 유리하게 감도를 유지하도록 높은 필 팩터(fill factor)를 제공한다. 다른 라인의 소자 개체군들을 가진 1D 어레이에 대해 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 세미-주축 중 짧은 축이 하나의 소자 개체군에 의하여 점유된 라인의 가장 긴 길이 또는 기판의 길이에 평행하는 방향으로 배열된다(즉, 짧은 세미-주축이 y 축으로 배열된다). 긴 축(예를 들면, c1 또는 c2)은 주어진 전극 레일 라인 피치에 대하여 가능한 많은 기판 영역을 채우도록 x-축에 평행한다.

일 실시 예에서, 타원형 압전 멤브레인의 해당 축은 인접하는 트랜스듀서 소자 개체군 사이에 상이하게 배향된다. 서로에 대하여 타원형 멤브레인의 방향을 바꿈으로써, 소자 사이의 전기기계적인 크로스토크는 감소될 수 있다. 하나의 그러한 실시 예에서, 제1 압전 트랜스듀서 소자 개체군의 멤브레인에 대한 기판의 평면에서 두 개의 세미-주축은 제 1소자 개체군에 인접한 제2 압전 트랜스듀서 소자 개체군의 멤브레인 축에 모두 실질적으로 직교한다. 예를 들어, 도 10B는 pMUT 어레이(1090)를 나타내고, 여기서 구동/ 감지 레일(110)과 결합된 제1 소자 개체군은 세미-주축을 제1 방향에서 기판의 길이 또는 y-면에 비-평행되게 한 채 맴브레인(1010A-1010E)을 가지는 반면에, 구동/감지 레일(120)과 결합된 제2 소자 개체군(즉, 1020E, 등)의 세미-주축은 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 가진다. 이러한 구성에서, 소자(1010A)의 c 1 축을 따라 공진 모드는 이웃 소자(1020E)의 c2 축을 따르는 공진 모드 때문에 축에서 벗어난다(off-axes). 소자 개체군은 기판의 폭 보다 기판의 긴 길이를 통해 확장되는 전형적인 1D 실시 예에서, 제1 및 제2 세미-주축은 소자 개체군의 길이로부터 45°벗어나(off) 배향되며, 그래서 일관된(consistent) 필 팩터(fill factor) 및 일관된 수의 소자가 소자 개체군의 고정된 피치(즉, 구동/감지 레일 피치)에 대하여 제공된다. 45°벗어난 인접한 개체군은 2D 어레이 실시 예에서 유사하게 이용될 수 있다.

일 실시 예에서, 타원 압전 멤브레인의 어레이는 어레이의 제1 면(dimension)을 따라 변한 적어도 하나의 세미-주축을 가진다. 다른 실시 예에서, 세미-주축에서의 변화는 단계적이며 그래서 축 길이는 상이한 사이즈의 소자 개체군 전반에 단조로운, 계단식의, 단계적인 및/또는 증분 방식(증가 및/또는 감소)으로 증분한다. 도 7D 및 7E 의 문맥으로 본 명세서 어딘가에 기술한 바와 같이, 소자 성능 상의 음향 결합/크로스토크 효과는 점진적으로 멤브레인 사이즈를 조금씩 바꿈으로써 개선할 수 있다. 어떤 실시 예에서는, 타원형 압전 멤브레인의 어레이는 어레이의 제1 면을 따라 변한 세미-주축들 중 단 하나만을 가진다

다른 실시 예에서, 타원형 압전 멤브레인의 2D 어레이는 어레이의 양(both) 면을 따라 변한 세미-주축을 가진다. 하나의 그러한 실시 예에서, 도 10C에 도시된 바와 같이, 타원형 압전 멤브레인의 2D 어레이는, 어레이의 양(both) 면을 따라 변화하는, 어레이의 제1 면(dimension)을 따라 변화하는 제1 축과 어레이의 제2 면을 따라 변화하는 제2 축을 가진, 세미-주축(B,C)을 가진다. 도 10C에 도시된 바와 같이, 각 축은 어레이 면 중에 하나에 걸쳐 점진적으로 증가한다(및/또는 감소한다). 도시된 바와 같이, 어레이의 하나의 면(즉, 기판(101)의 y-축)을 따라, 소자(1010AA, 1010AE, 1010JA) 각각에 대하여B축은B_1,E 에서 B_1,A 까지 증분하고, 및 그리고나서 B_1,E로 다시 내려온다. 1010AB-101JB를 포함하는 종렬(column) 또는 열(row) 및 1010AC-1010JC를 포함하는 종렬(column) 또는 열은 1010AA-101JA 종렬 또는 열에 대해서와 같은 동일한 B 축 증분을 갖는다. C축은 차례로 어레이의 제2 면(즉, 기판(101)의 x-축 따라)을 따라 각 소자와 함께 증분하고, 그래서1010AA-1010JA를 포함하는 열의 모든 소자는 C_1,A와 동일한 축을 가지도록 치수화되고(dimensioned), 1010AB-1010JB를 포함하는 열의 모든 소자는 C_1,B와 동일한 축을 가지도록 치수화되고, 및 1010AC 1010JC를 포함하는 열의 모든 소자들은 C₁ _, _C와 동일한 축을 갖도록 치수화된다. 도 10C에 추가로 도시된 바와 같이, 분리된 채널(즉, 전극 레일 110, 120)과 관련된 분리된 개체군은 멤브레인 사이즈에서 유사한 증분 변화를 가진다. 예를 들어, 전극 레일(120)에 대해, 1020AA에 대한 최대축 B길이로부터 1020AE에 대한 최소축B길이로 까지 감소하고, 그리고 다시 1020JA에 대해 최대축 B길이까지 올라가는, 열 또는 종렬 내에서 변화하는 하나의 세미-주축(B)이 있다. 기판 (101) 전반에 같은 사이즈의 멤브레인의 균일한 공간적 분포를 위해서 인접한 채널(즉, 전극 레일(110))에 대해 특정한 사이즈의 멤브레인의 위치에 이동 (shift)이 있다.

실시 예에서, 기판의 영역에 배치된 독립적으로 어드레스 가능한 복수의 구동/감지 전극 레일들을 갖는 pMUT 어레이는 밀집하게 패킹된 트랜스듀서 소자를 가진 각각의 구동/감지 전극 레일 중의 하나에 결합된 소자 개체군을 가진다. 전형적인 실시 예에서, 인접하는 소자 개체군의 패킹은 개체군 내의 것보다 덜 밀집한다. pMUT 어레이의 감도는 전형적인 1D 어레이에 대하여 라인 당 활성 압전 영역의 면적에 비례한다. 본 명세서에 기술한 대역폭을 개선하는 많은 기술들처럼, 일부 감도의 손실이 초래될 수 있으며, 그러므로 더 큰 압전 맴브레인 패킹은, 트랜스듀서 소자(즉, 도 1에서와 같이)의 전형적인 단일 파일 라인에 대한 큰 대역폭에 대하여 손실된 감도를 완전히 회복할 수는 없다 하더라도, 개선할 수는 있다. 특히, 전체 pMUT 어레이는 불균일하게 밀집된 트랜스듀서 소자인 반면에, 이러한 배열은 소자 개체군 사이에 높은 레벨의 크로스토크를 겪는다. 소자 개체군 사이의 비-밀집 패킹된 트랜스듀서 형성을 제외한 각 소자 개체군 내의 밀집 패킹된 트랜스듀서 형성을 제공하면 소자 개체군 사이에 좋은 감도 및 낮은 레벨의 크로스토크(cross-talk) 모두를 제공할 수 있다.

도 11A, 11B, 및 11C는 밀집 패킹된 트랜스듀서 소자를 가진 pMUT의 평면도이다. 도 11A에서, 전형적인 1D 어레이(1100)는 도 1 등의 문맥에서 본 명세서에 앞서 기술한 다양한 특성(attributes)을 가진다. 구동/감지 전극 레일(110과 120)은 기판(101)의 제1 면(즉, x-면)을 따라 구동/감지 전극 레일의 일-면 어레이(one-dimensional array)를 형성한다. 제2 (즉, y-면)면을 따라 기판(101)의 길이(L1)에 걸쳐 배치된 트랜스듀서 소자(110A, 110B,110D, 110L, 등)는 레일(110)에 결합된다. 일반적으로, 길이(L1)는 소자 개체군에 의하여 점유된 기판의 폭보다 적어도 5 배 이상 크지만, 1D 실시 예에 대하여 10배 더 큰 사이즈일 수 있다. 즉, 각 소자 개체군은 1D 어레이에서 종(column)을 형성한다. 그러나 오히려 단일 파일 트랜스듀서 배열보다, 적어도 두 개의 인접한 압전 멤브레인은 기판(L1)의 길이를 따라 중첩되고 및 기판(W1)의 폭을 따라 단일 파일로부터 옵셋된다. pMUT 어레이 (1100)는 최소 수의 인접한 압전 멤브레인에 대응하지만, 세 개 이상은 도 11B에 도시된 pMUT 어레이(1150)에서와 같이, 면(dimension)에 따라 인접하게 만들어질 수 있다. 일반적으로, 전형적인 밀집 패킹은 각 개체군 내에서 육각형이다. 전형적인 실시 예에서, 밀접 패킹(예를 들면, 육각형 A및 B)은 인접한 소자 개체군 사이에 제공된 분리(1107)로 적어도 크로스토크 저감 목적을 위한 회전 패킹 대칭(즉, 육각 C)을 상실하기 때문에 개체군 사이에 유지되지 않는다.

일반적으로, 밀접 패킹(close packing) 기술은 2D 어레이, 축퇴 모드 커플링 어레이 등을 포함하여 본 명세서에 설명된 임의의 다양한 트랜스듀서 소자의 구성에 적용될 수 있다. 유리한 일 실시 예에서 각 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 복수의 상이한 공칭의 멤브레인 사이즈(에를 들면, 복수의 분리된 공진 주파수를 제공하기 위해)를 포함하며, 감도는 도 7A에 도시된 단일 파일 실시 예에서 보다 상당히 개선될 수 있다. 도 11C는 멀티-지름의 밀집 패킹된 트랜스듀서 개체군을 가진 pMUT 어레이(1180)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 동일한 사이즈의 트랜스듀서(즉, 1111A 및 1111B)는 본 명세서 어딘가에서 앞서 설명한 바와 같이, 크로스-토크 감소를 위해 분리되는 반면에, 서브 그룹 내에서 맴브레인 전반에 걸친 사이즈 변화는 패킹 밀도를 증가하기 위해 이용된다. 다른 실시 예에서, 가장 가까운 이웃 사이의 사이즈에서의 증분된 변화는 또한 패킹 밀도를 개선하는 방법으로 실시 될 수 있다. 예를 들어, 소자(1111A, 1112A, 1113A, 1114A)는 소자(1111B-1114B)에서 처럼) 점진적으로 증가하나, 그러나 두 서브 그룹은 레일(110)의 영역 내에 밀집되게 패킹하기 위해 서로에 대하여 대칭으로 배치되어 있다. 밀집되게 패킹된 서브 그룹 쌍은 레일(110) 내에서 반복된다(예를 들면, 소자(1111C-1114C 및 1111D-1114D)와 함께). 레일(110) 내에 밀집되게 패킹된 배열은 모든 채널에 대하여 반복된다(예를 들면, 소자(1124A-1124D, 등을 가진 레일(120)).

도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 pMUT 어레이를 채용한 초음파 트랜스듀서 장치(1200)의 기능적 블럭 다이아그램이다. 일 실시 예에서, 초음파 트랜스듀서 장치(1200)는 물, 조직 물질(tissue matter)등과 같은 매질에서 압력 파를 발생시키고 감지하기 위한 것이다. 초음파 트랜스듀서 장치(1200)는 의료 진단, 제품의 결함 검출 등과 같이, 하나의 매질 또는 다수의 매질 내의 내부 구조적 변형의 이미지가 관심인 많은 응용을 가진다. 장치(1200)는 적어도 하나의 pMUT 어레이를 포함할 수 있으며, 그것은 본 명세서에 설명된 트랜스듀서 소자와 소자 개체군의 임의의 특성을 가진 임의의 pMUT어레이 일 수 있다. 하나의 실시 예에서, pMUT 어레이(1216)는 원하는 대로 pMUT 어레이(1216)의 외측 표면의 대향 방향 및 위치를 변경하도록(예를 들면, 이미지화되는 영역으로 대향함) 기계에 의해 또는 장치(1200)의 사용자에 의해 조작될 수 있는 손잡이 부분(1214) 내에 수납된다(housed). 전기 커넥터(1220)는 pMUT 어레이(1216)의 채널을 손잡이 부분(1214) 외측에 통신 인터페이스에 전기적으로 결합한다.

일 실시 예에서, 장치(1200)는 당해 기술분야에 알려진, 예를 들면, 전기 커넥터(1220)에 의하여 pMUT 어레이(1216)에 결합된 신호발생수단을 포함한다. 신호발생 수단은 다양한 구동/감지 전극에 전기 구동신호를 공급하는 것이다. 하나의 특정 실시 예에서, 신호 발생 수단은 압전 트랜스듀서 소자 개체군이 1MHz와40MHz사이 주파수에서 공진하도록 전기 구동신호를 적용하는 것이다. 일 실시 예에서, 신호 발생 수단은 역다중화기(1206, demux(디먹스))에 의하여 디-멀티프랙서된 제어 신호를 역-직렬화하기 위한 역직렬화기(1204, deserialize)를 포함한다. 전형적인 신호 발생 수단은 pMUT 어레이(1216)에서 개별 트랜스듀서 소자 채널에 대하여 디지털 제어 신호를 구동 전압 신호로 변환하기 위한 디지털-대-아날로그 컨버터(DAC)를 더 포함한다. 각각의 시간 지연은 빔 스티어(steer)에 프로그램 가능한 시간-지연 콘트롤러(1210)에 의하여 개별 구동 전압을 추가할 수 있으며, 원하는 빔 형상, 초점 및 방향 등을 생성한다. pMUT 채널 커넥터(1220)와 신호 발생 수단 사이에는 pMUT 어레이(1216)를 구동과 감지 모드 사이에 스위칭 하기 위한 스위치 네트워크(1212)가 결합되어 있다.

실시 예에서, 장치(1200)는 예를 들면, 전기 커넥터(1220)에 의해 pMUT 어레이(1216)에 결합된, 당해 기술분야에서 알려진, 신호 수집 수단을 포함한다. 신호 수집 수단은 pMUT 어레이(1216)에서 구동/감지 전극 채널로부터 전기 감지 신호를 수집하는 것이다. 신호 수집 수단의 하나의 전형적인 실시 예에서, 아날로그를 디지털로 변환하는 컨버터(ADC, 1214)는 전압신호를 수신하여 그것을 디지털 신호로 변환한다. 디지털 신호는 그런 다음 메모리에 저장될 수 있고(미도시) 또는 신호 처리 수단으로 먼저 넘겨진다. 전형적인 신호 처리 수단은 디지털 신호를 압축하기 위한 데이터 압축 유니트(1226)를 포함한다. 멀티플랙서(1228)와 직렬화기(1202,derializer)는 수신된 신호를 메모리, 다른 저장소 또는 수신된 신호를 바탕으로 그래픽 디스플레이를 발생하는 이미지 프로세서와 같은 다운스트림 프로세서로 중계(relay)하기 전에 더 처리할 수 있다.

상기 설명은 예시된 것이며 제한되지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면의 흐름도는 본 발명의 어떤 실시 예에 의해 수행되는 동작의 특정 순서를 나타내는 반면에, 그러한 순서를 요하지 않을 수도 있는 것으로 이해되어야 한다(예를 들어, 선택적인 실시 예는 다른 순서, 어떤 동작의 조합, 어떤 동작의 중첩으로 수행할 수 있다). 또한, 많은 다른 실시 예는 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 앞서 기술한 것을 읽고 이해하는 즉시 명백할 것이다. 본 발명이 특정 전형적인 실시 예에 기초하여 기술되었으나, 본 발명이 기술된 실시 예에 한정되지는 않으며, 첨부된 청구항들의 사상 및 범위 내에서 수정 및 변형 실시될 수 있는 것으로 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는, 그러므로, 첨부된 청구항과 관련하여,그러한 권리가 부여되는 동등물에 대한 전체 범위도 함께 결정되어야 한다.

Claims

압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이에 있어서,
기판의 영역에 배치되고 독립적으로 전기적으로 어드레스 가능한 복수의 구동/감지 전극 레일; 및
복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군을 포함하되, 여기서 소자 개체군 내의 구동/감지 전극은 구동/감지 전극 레일 중 하나와 결합되나, 상이한 트랜스듀서 소자 개체군의 트랜스듀서 소자 사이의 전기기계적 결합은 동일한 소자 개체군의 트랜스듀서 소자 사이의 전기기계적 결합보다 작으며(less than), 각 트랜스듀서 소자 개체군은 복수의 분리된 그러나 중첩되는(overlapping) 주파수 응답을 제공하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 1에 있어서,
복수의 주파수 응답은 두 개 이상의 별개의(distinct) 주파수 피크를 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 1에 있어서,
동일한 소자 개체군의 트랜스듀서 소자 사이의 전기기계적 결합은 적어도 하나의 축퇴(degenerate) 모드를 유도하기에 충분하고, 상기 적어도 하나의 축퇴 모드는 소자 개체군에서 개별 압전 트랜스듀서 소자의 자연 공진 주파수로부터 분할된 축퇴 공진 주파수를 가짐을 특징으로 하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 3에 있어서,
동일한 소자 개체군의 트랜스듀서 소자 사이의 전기기계적 결합은 복수의 축퇴 모드를 유도하기에 충분하고, 상기 복수의 축퇴 모드는 서로로부터 분할된 축퇴 공진 주파수를 가지는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 3에 있어서,
거리, 재료의 탄성율 또는 동일한 소자 개체군의 트랜스듀서 소자 사이의 제1 영역(region)의 횡단면 연결 영역(cross-sectional coupling area) 중의 적어도 하나는 상이한 소자 개체군의 트랜스듀서 소자 사이의 제2 영역의 대응하는 하나와 상이한 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 5에 있어서,
거리, 탄성 계수, 횡단면 연결 영역(cross-sectional coupling area) 중 두 개 또는 그 이상이 제1 및 제2 영역 사이에 상이함을 가진 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 5에 있어서,
동일한 소자 개체군의 소자 사이의 거리는 상호 연결 물질과 횡단면 결합 영역이 제1 및 제2 영역에서 동일할 때 적어도 하나의 축퇴 모드를 유도하기에 충분히 작은 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 1에 있어서,
각각의 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 중심이 직선을 따라 정렬된 채 단일 파일(file)로 배열된 압전 맴브레인을 가진 소자 개체군에 의해 점유된 기판의 폭보다 적어도 5배 큰 기판의 길이에 걸쳐 배치되는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 1에 있어서,
각각의 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 적어도 두 개의 인접한 압전 멤브레인이 기판의 길이를 따라 중첩(dverlap)되고 기판의 폭을 따라 단일 파일로부터 오프셋(offset)된 밀집 패킹된 구성으로 정렬된 복수의 압전 트랜스듀서 소자를 가진 소자 개체군에 의하여 점유된 기판의 폭보다 적어도 5 배 큰 기판의 길이에 걸쳐 배치되는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 1에 있어서,
각 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 복수의 분리된 공진 주파수를 제공하기 위한 상이한 멤브레인 사이즈의 복수의 압전 멤브레인을 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 10에 있어서,
각각의 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 각 멤브레인 사이즈의 하나 이상의 압전 트랜스듀서 소자를 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 11에 있어서,
각 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 개체군에 의하여 점유된 기판의 폭보다 적어도 5 배 큰 기판의 길이에 걸쳐 배치되고; 및
여기서 각 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 복수의 트랜스듀서 소자 서브그룹을 포함하고, 각 서브그룹은 각 공칭(nominal) 멤브레인 사이즈의 하나의 압전 트랜스듀서 소자를 포함하며; 및
여기서 소자 개체군은 상이한 사이즈의 적어도 하나의 중간개재 소자 및 하나의 소자 서브그룹에 의하여 점유된 기판의 길이에 의해서만 이격된 동일한 사이즈의 트랜스듀서 소자를 가지는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 10에 있어서,
각각의 압전 트랜스듀서 소자 개체군의 압전 멤브레인은 제 2면(dimension)을 따르는 단일 파일로 구성된 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 10에 있어서,
각각의 압전 트랜스듀서 소자 개체군의 압전 멤브레인은 기판의 길이를 따라 중첩되고 기판의 폭을 따라 단일한 파일로부터 오프셋되는 적어도 두 개의 인접한 압전 맴브레인을 가지는 밀집 패킹된 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 10에 있어서,
복수의 구동/감지 전극 레일은 기판의 제1 및 제2 면(dimension)을 따라 구동/감지 전극 레일의 2면-어레이(two-dimensional array)로 형성되고;
복수의 트랜스듀스 소자 개체군 각각은 동일한 수의 트랜스듀서 소자를 포함하고, 하나의 개체군 내의 트랜스듀서 소자 각각은 동일한 공간적인 서브그룹핑을 가지며, 및
제1 구동/감지 전극 레일과 결합된 제1 트랜스듀서 소자 개체군은 제1 방향에서 공간적으로 서브그룹핑된 트랜스듀서를 가지고, 제2 구동/감지 전극 레일과 결합된 제2 트랜스듀서 소자 개체군은 제2 방향에서 공간적으로 서브그룹핑된 트랜스듀서를 가지는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 1에 있어서,
각각의 트랜스듀서 소자 개체군 내의 트랜스듀서 소자는 밀집되게 패킹(closely packed)되고, 인접한 트랜스듀서 소자 개체군은 소자 개체군 내의 그것보다 덜 밀집되게 패킹되는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 1에 있어서,
소자 개체군의 각각에서 적어도 하나의 압전 트랜스듀서 소자는 복수의 분리된 공진 주파수를 제공하기 위하여 다른 길이의 적어도 제1 및 제2 세미-주축을 가진 타원 형상의 압전 멤브레인을 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 17에 있어서,
상기 타원 형상은 제1, 제2 및 제3 세미-주축을 가진 타원체를 포함하되, 제1 및 제2 세미-주축은 기판의 평면에 있는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항17에 있어서,
압전 트랜스듀서 소자 개체군들 중의 하나 내의 맴브레인에 대해 제1 및 제2 세미-주축은 평행인 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 19에 있어서,
제 1 및 제 2 세미- 주축 중 더 짧은 축은 소자 개체군의 하나에 의해 점유된 기판의 가장 긴 길이에 평행한 방향으로 정렬된 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 19에 있어서,
제1 소자 개체군의 제1 및 제2 세미-주축은 제1 방향을 가지며, 제 1 개체군에 인접한 제2 소자 개체군의 제1 및 제2 세미-주축은 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 가지는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 21에 있어서,
제1 및 제2 세미-주축은 소자 개체군들 중 하나에 의하여 점유된 기판의 가장 긴 길이에 대하여 45°방향인 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
매질(media)에서 압력파를 발생하고 감지하는 장치에 있어서,
장치는:
청구항 1의 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이(pMUT);
적어도 하나의 구동/감지 전극에 전기 구동신호를 적용하기 위하여 pMUT어레이에 결합되는 신호 발생수단;
적어도 하나의 구동/감지 전극으로부터 전기 응답신호를 수신하기 위한 pMUT어레이와 결합되는 신호 수신수단; 및
복수의 구동/감지 전극으로부터 수신된 전기 응답 신호를 처리하기 위하여 수신 수단에 결합된 신호처리 수단을 포함하는 매질에서 압력파를 발생하고 감지하는 장치.
청구항 23에 있어서,
신호 발생수단은 하나의 압전 트랜스듀서 소자 개체군들 중 적어도 하나가1MHz 와 15MHz사이의 주파수에서 공진하도록 전기 구동 신호를 적용하는 매질에서 압력파를 발생하고 감지하는 장치.
압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서(pMUT)어레이에 있어서,
기판의 영역에 배치되고 독립적으로 전기적으로 어드레스 가능한 복수의 구동/감지 전극 레일; 및
복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군, 구동/감지 전극 레일들 중 하나와 결합된 소자 개체군 내의 모든 구동/감지 전극을 포함하되, 소자 개체군 각각에서 적어도 하나의 압전 트랜스듀서 소자는 상이한 공칭 길이의 적어도 제1 및 제2 세미-주축을 가진 타원 형상을 구비한 압전 멤브레인을 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 25에 있어서,
상기 타원 형상은 제1, 제2 및 제3 세미-주축을 가진 타원체를 포함하되, 제1 및 제2 세미-주축은 기판의 평면에 있는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 25에 있어서,
압전 트랜스듀서 소자 개체군들 중 하나 내의 모든 맴브레인에 대해 제1 및 제2 세미-주축은 평행하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 27에 있어서,
복수의 구동/감지 전극 레일은 기판의 제1면을 따라 구동/감지 전극 레일의 1-면 어레이(one-dimensional array)를 형성하고;
각 압전 트랜스듀스 소자 개체군은 제1 면에 직교하는 기판의 제2 면을 따라 기판의 길이에 걸쳐 배치되고, 길이는 기판 폭보다 적어도 5 배 크며; 및
기판 평면에서 세미-주축들 중 짧은 주?이 기판의 제2 면과 평행되게 배치된 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항28에 있어서,
복수의 구동/감지 전극 레일은 기판의 제1면을 따라 구동/감지 전극 레일의 1-면 어레이(one-dimensional array)를 형성하고;
각각의 압전 트랜스듀스 소자 개체군은 제1 면에 직교하는 기판의 제2 면을 따라 기판의 길이에 걸쳐 배치되고, 길이는 기판의 폭보다 적어도 5 배 크며; 및
기판의 평면에서 세미-주축들은 기판의 제2 면과 모두 비-평행인 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 29에 있어서,
제1 압전 트랜스듀스 소자 개체군의 맴브레인에 대한 기판의 평면에서 두 개의 세미-주축은 제1 소자 개체군과 인접한 제2 압전 트랜스듀스 소자 개체군의 맴브레인 축과 모두 실질적으로 직교하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이에 있어서,
기판의 영역에 배치되고 독립적으로 전기적으로 어드레스 가능한 복수의 구동/감지 전극 레일; 및
복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군, 구동/감지 전극 레일들 중 하나와 결합된 소자 개체군 내의 모든 구동/감지 전극을 포함하되, 각 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 단계적(graduated) 멤브레인 사이즈의 복수의 압전 멤브레인을 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 31에 있어서,
각각의 압전 트랜스듀서 소자 개체군의 맴브레인은 오직 2 개의 상이한 멤브레인 사이즈의 가장 가까운 이웃만을 가지는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 32에 있어서,
소자 개체군은 하나 이상의 멤브레인의 열(row) 및 하나 이상의 멤브레인의 행(column)을 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항31에 있어서,
다른 전극과 결합된 인접한 트랜스듀서 소자 개체군의 가장 가까이 이웃한 멤브레인은 상이한 사이즈인 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 33에 있어서,
복수의 구동/감지 전극 레일은 기판의 제1 면을 따라 구동/감지 전극 레일의 1-면 어레이(one-dimensional array)를 형성하되, 여기서 각각의 압전 트랜스듀스 소자 개체군은 제1 면에 직교하는 기판의 제2면을 따라 기판의 길이에 걸쳐 배치되고, 길이는 기판 폭보다 적어도 5 배 크며;
각각의 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 복수의 트랜스듀서 소자 서브그룹을 포함하며, 각 서브그룹은 각 공칭 멤브레인 사이즈의 하나의 압전 트랜스듀서 소자를 포함하며; 및
소자 서브그룹은 상이한 사이즈의 적어도 하나의 중간개재 맴브레인에 의하여, 그러나 하나의 소자 서브그룹에 의해 점유된 기판의 길이에 의해서만 이격된 동일한 사이즈의 트랜스듀스 소자를 가지기 위하여 소자 개체군에 의하여 점유된 기판의 전체 길이를 따라 반복되는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 35에 있어서,
복수의 구동/감지 전극 레일은 기판의 제1 및 제2면을 따라 구동/감지 전극 레일의 2차원 -어레이를 형성하되; 여기서 복수의 압전 트랜스듀스 소자 개체군 각각은 동일한 수의 트랜스듀서 소자를 포함하고, 하나의 개체군 내의 트랜스듀서 소자 각각은 동일한 공간의 서브그룹을 가지며; 및
제1 구동/감지 전극 레일에 결합되는 제1 트랜스듀서 소자 개체군은 제1 방향에서 공간적으로 서브그룹된 트랜스듀서를 가지고, 제2 구동/감지 전극 레일에 결합된 제2 트랜스듀서 소자 개체군은 제2 방향에서 공간적으로 서브그룹된 트랜스듀서를 가지는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서(pMUT)어레이에 있어서,
기판의 영역에 배치되고 독립적으로 전기적으로 어드레스 가능한 복수의 구동/감지 전극 레일;
복수의 압전 트랜스듀서 소자 개체군, 구동/감지 전극 레일 중의 하나에 결합된 소자 개체군 내의 모든 구동/감지 전극을 포함하되, 각 압전 트랜스듀서 소자 개체군 내의 트랜스듀서 소자는 밀집되게 패킹되고, 다른 전극에 결합된 인접한 압전 트랜스듀서 소자 개체군은 소자 개체군 내의 것들보다 덜 밀집되게 패킹된 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 37에 있어서,
복수의 구동/감지 전극 레일은 기판의 제1 면을 따라 구동/감지 전극 레일의 1-면 어레이(one-dimensional array)를 형성하되, 여기서 각각의 압전 트랜스듀스 소자 개체군은 제1 면에 직교하는 기판의 제2 면을 따라 기판의 길이에 걸쳐 배치되며, 기판의 길이는 기판의 폭보다 적어도 5배 크며;
각각의 압전 트랜스듀스 소자 개체군의 압전 멤브레인은 기판의 길이를 따라 중첩하고(overlapping) 기판의 폭을 따라 단일 파일로부터 옵셋(offset)되는 적어도 두 개의 인접한 압전 멤브레인을 가지는 밀집되게 패캥된 구성인 압전마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 37에 있어서,
각각의 압전 트랜스듀스 소자 개체군은 복수의 분리된 공진 주파수를 공급하기 위한 상이한 공칭 멤브레인 사이즈의 복수의 압전 멤브레인을 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.
청구항 39에 있어서,
각각의 압전 트랜스듀스 소자 개체군은 각 공칭 멤브레인 사이즈의 하나 이상의 압전 트랜스듀서 소자를 포함하는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서 어레이.