KR20230130121A - 초음파 이미징 시스템들을 위한 매트릭스 기반 라인이미저들에 대한 등화 - Google Patents

초음파 이미징 시스템들을 위한 매트릭스 기반 라인이미저들에 대한 등화 Download PDF

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샌딥 아카라주
야누시 브리체크
안달리브 초우두리
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엑소 이미징, 인크.
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Abstract

본 명세서에 개시된 초음파 트랜스듀서 시스템들은, 복수의 pMUT 트랜스듀서 소자들을 포함하는 초음파 이미저; 및 복수의 트랜스듀서 소자들에 전자적으로 연결된 하나 이상의 회로부를 포함하며, 하나 이상의 회로부는, 초음파 트랜스듀서에 대해, 반사된 신호의 펄스 송신 및 수신을 가능하게 하도록 구성되며, 여기서 인덕터들은 더 큰 압력 출력을 획득하기 위해 임피던스를 등화하는 데 사용된다. 또한 초음파 트랜스듀서에 의해 방출되는 초음파의 압력을 변경하는 방법들이 개시된다.

Description

초음파 이미징 시스템들을 위한 매트릭스 기반 라인 이미저들에 대한 등화
[상호 참조]
본 출원은 2021년 1월 22일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제17/156,058호의 계속 출원이며, 그 내용은 본 명세서에 참조에 의해 완전히 통합된다.
초음파 이미징의 경우, 트랜스듀서(transducer)들이 이미징될 타겟을 향해 초음파 빔을 송신하는 데 사용되고 반사된 파형이 트랜스듀서에 의해 수신된다. 수신된 파형은 전기 신호로 변환되고 추가 신호 프로세싱을 이용하여 초음파 이미지가 생성된다. 종래에서와 같이, 2차원(2D) 이미징의 경우, 초음파 트랜스듀서는 초음파 빔을 방출하기 위한 1차원(1D) 트랜시버 어레이를 포함한다. 송신되는 초음파 빔에서 높은 압력 레벨들을 생성하는 것이 바람직하다.
압전 센서들은 20년보다 많은 기간 동안 의료적 이미징에 사용되어 왔다. 이들은 일반적으로 벌크 압전 필름들을 사용하여 구축된다. 이러한 필름들은 방위각 방향으로 열(column)들을 따라 배열된 압전 소자(piezoelectric element)들을 형성한다. 각 열은 송신 구동기들에 의해 구동될 수 있다. 연속된 열들에 대해 상이한 시간 지연들을 사용하는 것에 의해, 송신된 빔들을 방위각 방향으로 포커싱하는 것이 가능할 수 있다.
압전 소자들의 어레이의 고도 배치(elevation disposition)는 어레이의 빔이 고도 평면 내의 좁은 빔으로 전자적으로 포커싱되도록 허용할 수 있다. 트랜시버 어레이의 압전 소자들의 단일 행은, 2D 초음파 이미지의 고도 또는 두께 차원에서 전자 포커싱을 가능하게 하지 않는다. 기존의 2D 초음파 이미지는 고도 방향으로 일부 두께를 갖는 방위각 평면 내에 있다(즉, 빔을 얇은 이미지 슬라이스로 제한하기 위한 종래 기법은, 이 차원에서 압전 소자들의 윤곽을 그리는 것 또는 각 소자를 렌즈화는 것 중 하나를 함으로써, 이 가로지르는 또는 상승된 차원에서 빔을 기계적으로 포커싱하는 것이다). 트랜스듀서들의 2D 어레이는, 기존 시스템들에서 전통적으로 수행되는 방위각 전자 포커싱 또한 허용하면서 고도 방향에서의 소자들이 고도 방향에서 전자적 포커싱을 허용하도록 배열될 수 있다.
입력 소스로부터 또 다른 회로로 전력의 최적 송신의 경우, 소스의 출력 임피던스가 구동 중인 회로의 입력 임피던스의 복소 공액(complex conjugate)이어야 한다. 특히 최적으로, 두 임피던스들의 실수 부분들은 동일해야 하고 복소수 부분들은 서로의 복소 공액들이어야 한다. 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서(piezoelectric micromachined ultrasound transducer; pMUT) 구현들을 사용하는 트랜스듀서들은 본질적으로 정전 용량이 높다. 초음파 신호들을 조직(tissue)으로 송신하려는 송신 구동기의 경우, 구동기의 임피던스가 위에서 설명한 바와 같이 트랜스듀서의 입력 임피던스와 일치할 필요가 있다. 그러나, pMUT 기반 트랜스듀서들은 정전 용량이 높고, 이것은 트랜스듀서로 전달되는 전력을 최대화하기 위해 소스 구동기들과 직렬로 사용될 인덕터들을 필요로 한다.
하나의 양태에서, 트랜스듀서를 포함하는 초음파 이미징 시스템이 개시된다. 트랜스듀서는 적어도 하나의 트랜스듀서 소자를 포함한다. 각 트랜스듀서 소자는 두 개의 단자들을 갖는다. 적어도 하나의 트랜스듀서 소자는 송신 모드에 있다. 트랜스듀서는 또한 적어도 하나의 송신 구동기를 포함한다. 각 송신 구동기는 적어도 하나의 트랜스듀서 소자의 각 제1 단자에 연결된다. 트랜스듀서는 또한, 두 개의 단자들을 포함하는 적어도 하나의 인덕터를 포함한다. 각 인덕터의 각 제1 단자는 각 트랜스듀서 소자의 각 제2 단자에 연결된다. 각 인덕터의 각 제2 단자는 바이어스 전압에 연결된다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서는 압전 미세가공 트랜스듀서(pMUT) 디바이스이다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micromachined ultrasonic transducer; cMUT) 디바이스 또는 벌크 피에조 트랜스듀서이다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 트랜스듀서 소자는 어레이로 구조화된(organized) 복수의 트랜스듀서 소자들이다.
일부 실시예들에서, 어레이는 행들과 열들로 구조화된다. 열에 있는 복수의 트랜스듀서 소자들은 전자적으로 선택되어 트랜스듀서 소자들의 열을 정의한다.
일부 실시예들에서, 행 내의 복수의 트랜스듀서 소자들이 전자적으로 선택되어 트랜스듀서 소자들의 행을 정의한다.
일부 실시예들에서, 제1 열 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들은 제2 열 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들로부터 독립적이고, 제1 행 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들은 제2 행 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들로부터 독립적이다.
일부 실시예들에서, 열에 있는 트랜스듀서 소자들은 상이한 지연들을 갖는다.
일부 실시예들에서, 바이어스 전압은 접지, 음의 전압 및 양의 전압으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서의 대역폭은 관심 영역에서 증가된다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 인덕터의 적어도 하나의 값은 관심 주파수 범위 내에서 압력 출력 증가를 제공하도록 선택된다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 인덕터의 적어도 하나의 값은, 적어도 하나의 트랜스듀서 소자의 적어도 하나의 정전 용량에 의해 도입된 위상의 변화를 오프셋할 수 있을 만큼 충분히 크게 선택된다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서의 대역폭은 열에 있는 다수의 트랜스듀서 소자들을 선택함으로써 제어된다.
일부 실시예들에서, 선택된 트랜스듀서 소자들에 대한 압력 출력은 선택된 트랜스듀서 소자들의 복수의 송신 구동기들의 복수의 전압 구동 레벨들을 변경함으로써 조정된다.
일부 실시예들에서, 전압 구동 레벨들은 다중 레벨 송신 구동 펄스를 사용하고 원하는 디지털 구동 레벨을 선택하여 변경된다.
일부 실시예들에서, 전압 구동 레벨들은 또한, 송신 펄서 파형에 대한 펄스 폭 변조를 사용하여 제어된다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서는 열을 따라 고도 방향(elevation direction)으로 고도 포커스의 전자적 제어를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 열을 따르는 트랜스듀서 소자는 다중 레벨 펄스에 의해 구동된다.
일부 실시예들에서, 열에 있는 트랜스듀서 소자는 다중 레벨 펄스들의 시퀀스(sequence)에 의해 구동된다.
일부 실시예들에서, 다중 레벨 펄스들의 시퀀스의 다중 레벨 펄스의 펄스 크기, 폭, 모양, 펄스 주파수, 및 이들의 조합들은 전기적으로 프로그래밍 가능하다.
일부 실시예들에서, 다중 레벨 펄스의 시작(onset)의 지연은 전기적으로 프로그래밍 가능하다.
일부 실시예들에서, 행 및 열에 의해 인덱싱된 소자에 대한 지연은, 열에 대한 지연을 행에 대한 지연과 합산하여 계산된다.
일부 실시예들에서, 지연은 대략적인(coarse) 지연과 미세(fine) 지연의 합일 수 있다.
일부 실시예들에서, 펄스 시작의 지연은 X 방향으로 프로그래밍 가능하다.
일부 실시예들에서, 펄스 시작의 지연은 Y 방향으로 프로그래밍 가능하다.
일부 실시예들에서, 다중 레벨 펄스의 모양은 사인파형(sinusoidal) 및 디지털 정사각형(digital square)으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예들에서, 송신 구동기는 열을 따르는 하나 이상의 트랜스듀서 소자를 구동하도록 구성된다. 송신 구동기는 송신 채널로부터의 신호들에 의해 구동된다. 송신 채널의 신호들은 상이한 열들에 있는 다른 트랜스듀서 소자들을 구동하는 다른 송신 채널들에 적용되는 지연에 비해 전자적으로 지연된다.
일부 실시예들에서, 열을 따르는 하나 이상의 트랜스듀서 소자는 실질적으로 동일한 지연들을 갖고 동작한다.
일부 실시예들에서, 송신 채널 및 추가 송신 채널들은 인접한 열들 사이의 상대적 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성된다. 제어 회로는, 동일한 행 내의 제1 개수의 트랜스듀서 소자들이 시작 행의 제2 개수의 트랜스듀서 소자들과 실질적으로 동일한 상대적 지연들을 공유하도록, 열들에 있는 제1 개수의 트랜스듀서 소자들에 대한 상대적 지연들을 설정하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 복수의 트랜스듀서 소자들 중의 트랜스듀서 소자는 상부 섹션, 중앙 섹션 및 하부 섹션를 포함하며, 이들 각각은 반사된 초음파 신호의 펄스 송신 및 수신을 위한 다수의 행들 및 다수의 열들을 포함한다. 상부 섹션, 중앙 섹션 및 하부 섹션으로부터 반사된 초음파 신호의 펄스 송신 및 수신은, 제1 빔포머를 사용하여 반사된 초음파 신호를 방위각 방향으로 포커싱하는 데 사용된다. 고도 포커스는 제2 빔포머를 사용하여 달성된다.
일부 실시예들에서, 고도 방향에서의 초점 거리는 전자적으로 프로그래밍된다.
일부 실시예들에서, 상부 섹션과 하부 섹션의 반사된 신호의 펄스 송신 및 수신이 동시에 수행된다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서 소자들은 복수의 스캔 라인들을 개발하기 위해 병렬 빔포밍을 수행한다.
일부 실시예들에서, 하나 이상의 행 중의 행에 있는 인접한 두 개의 트랜스듀서 소자들이 함께 어드레싱되고, 복수의 트랜스듀서 소자들 중의 트랜스듀서는 상부 섹션, 중앙 섹션 및 하부 섹션을 포함하며, 이들 각각은 반사된 초음파 신호의 초음파 펄스 송신 및 수신을 위한 제1 개수의 행들 및 제2 개수의 열들을 포함한다. 섹션들로부터의 반사된 초음파 신호의 초음파 펄스 송신 및 수신은, 제1 빔포머를 사용하여 반사된 초음파 신호를 방위각 방향으로 포커싱하는 데 사용된다. 고도 포커스는 제2 빔포머를 사용하여 달성된다. B 모드를 사용하여 이미징하는 경우, 수신 채널은 동일한 행에 있는 두 개의 트랜스듀서 소자들, 상부 섹션으로부터의 두 개의 트랜스듀서 소자들 중 하나와 하부 섹션으로부터의 두 개의 소자들 중 다른 하나에 할당되고, 또 다른 채널은 중앙 섹션의 두 개의 트랜스듀서 소자들에 할당된다.
일부 실시예들에서, 2N개의 수신 채널들은 N개의 열들을 어드레싱하는 데 사용된다.
일부 실시예들에서, 전자적으로 선택된 복수의 트랜스듀서 소자들 모두는 송신 동작에서 고도 포커스로 압력을 생성하기 위해 동작된다. 수신 동작에서, 개별적으로 전자적으로 선택된 복수의 트랜스듀서 소자들 모두는 방위각 방향 및 고도 평면에 포커싱하는 이미지를 재구성하는 데 사용된다.
일부 실시예들에서, 초음파 이미징 시스템은, 선형 지연과 임의의 미세 지연의 합이 되도록 열을 따라 상대적 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성된 제어 회로를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 열의 선형 지연 및 임의의 미세 지연은 트랜스듀서의 다른 열들의 다른 선형 지연 및 임의의 미세 지연들로부터 독립적이며, 이에 의해 3차원에서 임의의 스티어링 및 포커싱을 허용한다.
일부 실시예들에서, 각 트랜스듀서 소자는 다수의 진동 모드를 나타내며, 입력 자극이 인접한 모드들의 주파수들보다 작도록 대역 제한될 때, 오직 하나의 진동 모드만 트리거된다.
일부 실시예들에서, 각 트랜스듀서 소자는 다수의 진동 모드를 나타내며, 제1 진동 모드로부터 생성된 주파수들이 제2 진동 모드로부터 생성된 주파수들과 중첩된다.
일부 실시예들에서, 각 트랜스듀서 소자는 중심 주파수들을 포함하는 광대역 주파수 입력에 의해 구동될 때 다수의 진동 모드들을 동시에 나타낸다.
하나의 양태에서, 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 이미징 시스템이 개시된다. 트랜스듀서는 바이어스 전압을 포함한다. 트랜스듀서는 또한 트랜스듀서 회로들의 열을 포함한다. 트랜스듀서 회로는, 전기 신호를 초음파로 변환하기 위한 트랜스듀서를 포함하는, 트랜스듀서 소자를 포함한다. 트랜스듀서 소자는 제1 단자와 제2 단자를 갖는다. 트랜스듀서는 또한, 트랜스듀서 소자에 전위(potential)를 공급하기 위한 입력 구동 디바이스를 포함하고, 트랜스듀서 소자의 제1 단자에 연결된 회로부(circuitry)를 포함한다. 트랜스듀서는 또한, 트랜스듀서 소자의 제2 단자에 연결된 인덕터를 포함한다. 트랜스듀서는 또한, 트랜스듀서 회로를 바이어스 전압에 연결하기 위한 스위치를 포함한다.
일부 실시예들에서, 초음파 트랜스듀서는 pMUT 디바이스이다.
일부 실시예들에서, 초음파 트랜스듀서는 cMUT 디바이스 또는 벌크 피에조 트랜스듀서이다.
일부 실시예들에서, 초음파 이미징 시스템은 인덕터를 단락시킬 목적으로 인덕터와 병렬로 연결된 스위치를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 초음파 이미징 시스템은 복수의 열들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 복수의 열들 중의 열은 트랜스듀서 소자와 직렬로 연결된 인덕터를 포함한다.
일부 실시예들에서, 초음파 이미징 시스템은 인덕터를 단락시킬 목적으로 인덕터와 병렬로 연결된 스위치를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 초음파 이미징 시스템은 트랜스듀서 회로들의 복수의 열들과 바이어스 전압 사이에 직렬로 연결된 인덕터를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서 소자는 지연을 포함하는 신호를 송신하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 열에 있는 하나 이상의 트랜스듀서 소자는 상이한 지연들을 갖고 동작한다.
일부 실시예들에서, 행 및 열에 의해 인덱싱된 소자에 대한 지연은, 열에 대한 지연을 행에 대한 지연과 합산하여 계산된다.
일부 실시예들에서, 공통 열 인덱스를 갖는 하나 이상의 트랜스듀서 소자로부터의 지연들을 포함하는 지연 프로파일은 대칭이다.
일부 실시예들에서, 지연은 대략적인 지연과 미세 지연의 합이다.
일부 실시예들에서, 대략적인 지연은 하나 이상의 인접한 트랜스듀서 소자들 간에 선형이다.
일부 실시예들에서, 열 인덱스와 행 인덱스를 갖는 트랜스듀서 소자에 대한 지연은, 열 지연, 선형의 대략적인 행 지연 및 미세 행 지연의 합이다.
하나의 양태에서, 적어도 하나의 트랜스듀서 소자를 포함하는 트랜스듀서에 의해 방출되는 초음파의 압력을 증가시키기 위한 방법. 방법은 적어도 하나의 트랜스듀서 소자에 연결된 적어도 하나의 송신 구동기를 사용하는 것, 적어도 하나의 트랜스듀서 소자를 송신 모드로 배치하는 것을 포함한다. 각 트랜스듀서 소자는 제1 단자와 제2 단자를 갖는다. 방법은 또한, 적어도 하나의 인덕터에 대해, 적어도 하나의 인덕터 각각의 제1 단자를 각 트랜스듀서 소자의 제2 단자에 연결하는 것을 포함한다. 적어도 하나의 인덕터의 제2 단자는 바이어스 전압에 연결된다. 적어도 하나의 인덕터는 트랜스듀서 소자와 통합되지 않는다. 트랜스듀서는 또한, 적어도 하나의 송신 구동기 각각을 적어도 하나의 트랜스듀서 소자 각각의 각 제1 단자에 연결하는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 트랜스듀서 소자는 어레이로 구조화된 복수의 트랜스듀서 소자들이다.
일부 실시예들에서, 어레이는 행들과 열들로 구조화된다. 방법은 열 내의 다수의 트랜스듀서 소자들을 전자적으로 선택하여 트랜스듀서 소자들의 열을 정의하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 행 내의 복수의 트랜스듀서 소자들이 전자적으로 선택되어 트랜스듀서 소자들의 행을 정의한다.
일부 실시예들에서, 제1 열 내의 트랜스듀서 소자들의 복수의 지연들은 제2 열 내의 트랜스듀서 소자들의 복수의 지연들로부터 독립적이고, 제1 행 내의 트랜스듀서 소자들의 복수의 지연들은 제2 행 내의 pMUT 트랜스듀서 소자들의 복수의 지연들로부터 독립적이다.
일부 실시예들에서, 열에 있는 트랜스듀서 소자들은 상이한 지연들을 갖는다.
일부 실시예들에서, 방법은 열에 있는 트랜스듀서 소자들에 적용되는 복수의 지연들에 의해 제어되는 고도 방향에 있는 고정된 스티어링 각도를 갖는 송신들의 세트에 대해 방위각 방향으로 복수의 지연들을 적용하고, 고도 평면에서 다른 스티어링 각도들로 시퀀스를 반복하고, 트랜스듀서로부터 수신된 에코를 사용하여 이미지를 재구성함으로써, 3D 이미징을 수행하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은 방위각을 따라 복수의 지연들을 변화시킴으로써 방위각 평면 상에 포커싱하는 것, 그리고 또한 열에 있는 트랜스듀서에 대한 복수의 지연들을 변화시킴으로써 고도 평면에 빔을 포커싱하거나 스티어링하는 것에 의해, 볼륨 이미징을 수행하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은, 접지, 음의 전압 및 양의 전압으로 구성된 그룹으로부터 바이어스 전압을 선택하는 단계를 더 포함한다.
[참조에 의한 통합]
본 명세서에 언급된 모든 공개들, 특허들 및 특허 출원들은, 각 개별 공개, 특허 또는 특허 출원이 구체적으로 그리고 개별적으로 참조에 의해 통합되는 것으로 표시된 것과 동일한 범위로 본 명세서에 참조에 의해 통합된다. Rathod, Vivek T. 2019. 압전 센서들, 액추에이터들 및 트랜스듀서들에 대한 전기적 임피던스 매칭 기법들의 검토(A Review of Electric Impedance Matching Techniques for Piezoelectric Sensors, Actuators, and Transducers). Lingvall, F., 2004. 초음파 어레이 이미징을 위한 시간 도메인 재구성 방법들: 통계적 접근(A Review of Electric Impedance Matching Techniques for Piezoelectric Sensors, Actuators, and Transducers).
본 주제의 피처들 및 이점들의 더 나은 이해는, 예시적인 실시예들 및 첨부된 도면들을 제시하는 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 획득될 것이다.
도 1은, 이미징될 타겟에 지향되는 pMUT 어레이와 함께, 초음파 빔들을 송신 및 수신하는 데 사용되는 pMUT 어레이를 갖는 트랜스듀서, pMUT 어레이를 제어하는 전자 기기들, 다른 연산, 제어 및 통신 전자 기기들, 디스플레이 유닛 및 기록 유닛을 포함하는 본 명세서 내의 초음파 시스템의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 2는 여기의 초음파 트랜스듀서의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 3a는 두 개의 도체들을 갖는 압전 미세가공 트랜스듀서(piezoelectric micro machined transducer; pMUT) 소자의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 3b는 두 개의 서브 소자들을 포함하는 pMUT 소자의 예시적인 개략도를 도시하며, 각 서브 소자들은 2개 이상의 전극들을 갖는다.
도 3c는 2개의 서브 소자들을 갖는 pMUT 소자의 예시적인 개략도를 도시하며, 각 서브 소자는 2개의 전극들을 갖고, 제1 서브 소자의 제1 전극은 제2 소자의 전극들 중 하나에 연결되고, 제1 소자의 제2 전극은 제2 서브 소자의 나머지 전극에 연결된다.
도 4는 본 명세서의 초음파 트랜스듀서 시스템의 pMUT 어레이의 예시적인 다이어그램을 도시한다.
도 5는 본 명세서의 pMUT 어레이의 압전 소자의 예시적인 단면을 도시한다.
도 6은 폴링되지 않은 상태와 폴링 동안 및 폴링 후 본 명세서의 압전 소자의 쌍극자 배향을 도시한다.
도 7은 수신 모드 동안 본 명세서의 압전 소자의 저잡음 증폭기(low noise amplifier; LNA)로의 예시적인 연결을 기호적 연결 배열로 도시한다.
도 8a는 라인들이 수직 또는 수평 방향일 수 있고 라인들의 크기(예를 들어, 라인 내의 pMUT 소자 수)가 전기적으로 프로그래밍 가능할 수 있는 전기적으로 조정 가능한 라인 트랜스듀서들을 위한 하나의 공통 접지 또는 바이어싱 전극을 갖는 pMUT들의 2D 어레이의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 8b는 바이어스 전압 및/또는 능동적으로 구동된 단자들에 대한 도시된 연결들을 갖는 pMUT들의 2D 어레이의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 9a는 송신 및 수신 구동기들 및 다른 기능들을 포함하는 ASIC에 대한 2개의 pMUT 소자들의 상호 연결의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 9b는 하나의 열의 전자 기기들이 하나의 열의 pMUT들에 직접 인터페이스하여 복합적인 더 큰 트랜스듀서 소자를 구성하는, 도 9a의 ASIC의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 10a 및 10b는 본 명세서에 개시된 고도 방향에서 포커싱하는 초음파 트랜스듀서들의 예시적인 개략도들을 도시한다.
도 11은 M개의 행들과 N개의 열들로 구조화된 트랜스듀서 소자들을 갖는 초음파 트랜스듀서의 예시적인 개략도를 도시하며, 트랜스듀서는 행들 및/또는 열들을 포함하는 세 개의 스트립들을 포함하며, 스트립들 각각은 개별적으로 구동되도록 선택될 수 있고 각 스트립 내의 열들은 송신 구동기(들)에 의해 동일한 드라이브를 공유한다.
도 12는 초음파 이미지 프레임을 구성하는 다수의 스캔 라인들의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 13은 도 12의 스캔 라인을 획득하기 위한 예시적인 개략도를 도시한다.
도 14는 상이한 스트립들에 적용된 지연들을 사용하여 고도 포커스를 획득하는 예시적인 개략도를 도시한다.
도 15a는 다수의 플립 플롭들을 갖는 본 명세서의 지연 회로의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 15b는 본 명세서의 지연 회로의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 16은 트랜스듀서 소자들과 그들의 지연들의 예시적인 개략도를 도시하며, 지연들은 전자적으로 프로그래밍 될 수 있으며 트랜스듀서 소자들의 하나 이상의 열에 대해 실질적으로 유사할 수 있다.
도 17은 중앙 소자(central element)를 중심으로 지연 대칭을 갖는 트랜스듀서 소자들의 열에 대한 지연들을 갖는 송신 구동 펄스들의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 18은 상이한 열들의 트랜스듀서 소자들에 대한 지연들을 갖는 송신 구동 펄스들의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 19는 내부 카운터 신호들을 사용하여 상이한 지연들을 생성하는 예시적인 개략도를 도시한다.
도 20은 송신 구동 펄스(들)로서 출력을 생성하는 두 개의 디지털 입력들을 갖는 펄서의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 21은 0°측방향 스티어링(왼쪽)과 45°측방향 스티어링을 갖는 시뮬레이션된 24x128 매트릭스 어레이의 고도 빔플롯(beamplot)들을 도시한다.
도 22는 24x128 2D 어레이로 송신 고도 포커싱을 허용하는 스파스 Tx 개구(aperture)를 도시한다.
도 23은 본 개시의 실시예들에 따라 2차원 및 3차원 이미징을 수행할 수 있는 압전 소자들의 어레이의 개략도를 예시한다.
도 24는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템의 개략도를 예시한다.
도 25는 본 개시의 실시예들에 따른 회로 소자에 결합된 압전 소자의 실시예를 도시한다.
도 26은 본 개시의 실시예들에 따른 다수의 압전 소자들을 제어하기 위한 회로를 도시한다.
도 27은 본 개시의 실시예들에 따른 송신 구동 신호 파형을 도시한다.
도 28은 본 개시의 실시예들에 따른 송신 구동 신호 파형을 도시한다.
도 29는 본 개시의 실시예들에 따른 송신 구동 신호 파형을 도시한다.
도 30은 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리 내의 다양한 회로들의 입력/출력 신호들을 도시한다.
도 31a는 본 개시의 실시예들에 따른 주파수 도메인에서의 송신 압력파(pressure wave)의 진폭 플롯을 도시한다.
도 31b는 본 개시의 실시예들에 따른 아포다이제이션(apodization) 프로세스를 위한 윈도우들을 도시한다.
도 32는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리의 개략도를 도시한다.
도 33a는 피에조 소자를 포함하는 회로를 도시하며, 피에조 소자는 피에조 소자 어레이의 일부일 수 있다.
도 33b는 피에조 소자와 X 바이어스 노드 사이에 직렬로 연결된 인덕터를 갖는, 도 33a의 회로에 대한 수정을 도시한다.
도 33c는 송신 구동기와 구동 중인 트랜스듀서 사이에 인덕터를 사용하는 기법을 도시한다.
도 33d는 인덕터를 접지(또는 V 바이어스)로의 그것의 리턴 리드와 실제 접지(또는 V 바이어스) 사이에 배치하는 새로운 기법을 도시한다.
도 34는 피에조 소자들(논리적으로 선택되고 서로 병렬로 배치됨)과 X 바이어스 단자 사이에 직렬로 배치된 공통 인덕터에 연결된 도 33b에 도시된 유형의 N개의 피에조 소자 회로들의 열을 도시한다.
도 35는 피에조 소자들과 X 바이어스 단자 사이에 연결된 인덕터가 없는, 도 33a에 예시된 유형의, 다수 열들의 피에조 소자 회로들을 예시한다.
도 36a는 공통 X 바이어스 라인에 연결된 다수의 열들을 갖는 실시예를 예시한다.
도 36b는 열당 다수의 피에조 소자들이 배열된 실시예를 예시한다. 개별 피에조 소자들은 피에조 소자들과 직렬로 연결된 스위치들을 사용하여 논리적으로 선택될 수 있다. 인덕터는 원하는 경우 스위치들에 의해 바이패스될 수 있다.
도 37은 스위칭 가능하고 전자적으로 선택 가능한 인덕터들의 뱅크를 포함하는 인덕터의 구현을 도시한다.
초음파 이미징은 전통적으로 벌크 압전 필름들을 트랜스듀서로 사용해 왔다. 그러나, 이것들은 사용하기에 비싸고 또한 일반적으로 100 내지 200V 범위에 있는 동작을 위한 고전압들을 필요로 하는 경향이 있다. 최근에는, 실리콘 웨이퍼 기판 상에 디스펜싱되거나 스퍼터링되는 압전 필름들을 사용하여 실리콘 웨이퍼 상에 대량 생산될 수 있는 트랜스듀서들이 이용 가능해졌다. 이러한 트랜스듀서들은, 기존 시스템들에 비해 더 낮은 전력 요구 사항들과 비용으로 동작하면서, 더 컴팩트하거나 더 작은 폼 팩터로 시스템들을 통합하는 그들의 능력과 관련하여 상당한 이점들을 갖는다. 추가적으로, 실리콘 웨이퍼들 상에서 제조될 수 있는 (cMUT와 같은) 다른 트랜스듀서 기술들이 등장하여 상당한 제조 비용 이점을 제공한다. 그러나, 이러한 트랜스듀서들(이에 더해 기존 트랜스듀서들)은 송신 구동기에 상당한 정전용량형 부하를 나타낼 수 있다. 상당한 압력 출력을 필요로 하는 애플리케이션들의 경우, 최대 전력 전달을 위해 회로의 임피던스를 튜닝하는 것이 이용된다. 구동기의 임피던스가 부하의 복소 공액일 때 전력 전달이 최대화된다는 것은 잘 알려져 있다. 기존 기법들은 구동기와 부하 사이에 인덕터를 사용하는 것이 압력 출력들을 개선하는 데 도움이 된다는 것을 보여줬다. 그러나, 이 기법은 크기와 기생 임피던스 이슈들로 인해, 통합된 휴대용 애플리케이션이나 사용 사례에 대해서는 구현 가능하지 않다. 저비용으로 필요한 통합을 달성하고 또한 원하는 압력 출력들을 달성할 수 있는 새로운 기법이 제시될 것이다. 이 기법은 pMUT들에 적용 가능하며, 또한 기존의 벌크 피에조 및 cMUT들(정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서)과 같은 상당한 정전용량형 부하를 가진 다른 트랜스듀서들에 적용 가능하다. 또한, 목표는, ASIC들 내에 수용되거나 ASIC들과 함께 트랜스듀서들의 2D 어레이 및 연관된 회로를 이용하여 가능한 탁월한 능력들을 가능하게 하는 방식으로 이를 구현하는 것일 것이다. 이것은, 3D 이미지들의 생성 및 방위각과 고도 방향들에서의 전자적 포커싱 모두를 가능하게 할 수 있다. 이러한 능력들은, 기존 시스템들에서의 비용, 전력 및 크기 제약들로 인해 휴대용 초음파 이미징 디바이스들에서 이전에 성공적으로 구현되지 않았다.
전통적으로, 2D 초음파 이미지는 다양한 알고리즘들을 이용하여 생성될 수 있다. 이것의 한 예시는 압전 소자들의 열들을 따라 방위각 방향으로 신호들을 구동하기 위해 상대적인 지연을 사용하는 것이다. 빔들은, 방위각 방향의 상이한 열들에 대한 신호에 적용되는 전자적으로 프로그래밍 가능한 지연을 변경함으로써 전자적으로 방위각 방향으로 포커싱될 수 있다. 그러나, 방위각 방향에 직교하는 방향(예를 들어, 고도 방향)에서의 초점은, 일반적으로 기계식 렌즈를 사용하여 달성된다. 기계식 렌즈는 한 번에 오직 하나의 포커스만 허용할 수 있으므로, 상이한 고도 포커스는 상이한 렌즈 설계를 필요로 할 수 있다. 또한, 고정된 기계식 렌즈는 3D 초음파 이미징에 필요한 초점을 제공하지 않는다.
본 명세서에서, 일부 실시예들에서 개시된 것은, 저비용, 저전력, 휴대용 고해상도 초음파 트랜스듀서들 및 초음파 이미징을 위해 구성된 초음파 이미징 시스템들을 가능하게 하도록 구성된 시스템들 및 방법들이다. 이러한 저비용, 고성능 시스템들을 가능하게 하는 것은, 대량 반도체 프로세스들과 유사하게 반도체 웨이퍼 상에서 대량으로 저비용으로 제조될 수 있는 pMUT를 사용하는 것에 의존적일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 이러한 pMUT들은. 어레이 내의 각 소자가 전자 회로에 연결되는 2D 어레이로 배열되고, pMUT 어레이와 회로 어레이가 상이한 웨이퍼들 상에 함께 정렬되고 함께 통합되어 타일(tile)을 형성하고, 각 피에조 소자가 제어 회로 소자에 연결되고, 각 피에조 소자는 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 단자들을 가질 수 있다. 이러한 pMUT들은 또한 높은 대역폭을 나타낼 수 있으며, 이는 이러한 트랜스듀서들이 종래의 피에조 벌크 트랜스듀서들과 달리 광대역 이미징에 적합하게 한다. 추가적으로, 고도 포커싱을 위해 기계식 렌즈를 활용하는 기존 트랜스듀서들은 또한 렌즈에서 감쇠 손실들을 겪을 수 있으며, 이에 의해 이미지 품질이 저하된다. 본 명세서에서 예시적인 합성 렌즈들을 사용하면, 기계식 렌즈를 필요로 하지 않는다. 때때로, 약간 만곡된(curved) 딥 포커스 약한 렌즈(deep focus weak lens)가 사용될 수 있거나, 대신에 평평하고 얇은 임피던스 매칭 층이 트랜스듀서의 상부에 사용될 수 있다. 이것은 감쇠 손실들을 대단히 개선할 수 있다.
개시된 초음파 트랜스듀서는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서들(cMUT) 디바이스일 수 있다. 이러한 트랜스듀서는 cMUT 소자들의 대규모 어레이를 포함할 수 있다. cMUT 어레이는 다른 트랜스듀서 기술들에 비해 더 큰 대역폭을 제공할 수 있으며 고주파 동작을 쉽게 달성할 수 있다.
인덕터들의 사용은 고정된 기계식 렌즈들을 사용하여 개시된다. 추가적으로, 본 명세서에 개시된 이미징 시스템들은 또한, 고정된 초점 거리를 갖는 기계식 렌즈를 구축할 필요를 유리하게 제거하는 전자적 렌즈들을 사용한다. 또한, 본 명세서에 개시된 전자적 렌즈들은 고도 평면에서 초점 거리를 변경할 수 있고 깊이의 함수로서 동적 초점을 허용할 수 있는 뛰어난 유연성을 허용한다.
하나의 양태에서, 트랜스듀서를 포함하는 초음파 이미징 시스템이 개시된다. 트랜스듀서는 적어도 하나의 트랜스듀서 소자를 포함한다. 각 트랜스듀서 소자는 두 개의 단자들을 갖는다. 적어도 하나의 트랜스듀서 소자는 송신 모드에 있다. 트랜스듀서는 또한 적어도 하나의 송신 구동기를 포함한다. 각 송신 구동기는 적어도 하나의 트랜스듀서 소자의 각 제1 단자에 연결된다. 트랜스듀서는 또한, 두 개의 단자들을 포함하는 적어도 하나의 인덕터를 포함한다. 각 인덕터의 각 제1 단자는 각 트랜스듀서 소자의 각 제2 단자에 연결된다. 각 인덕터의 각 제2 단자는 바이어스 전압에 연결된다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서는 압전 미세가공 트랜스듀서(pMUT) 디바이스이다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(cMUT) 디바이스 또는 벌크 피에조 트랜스듀서이다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 트랜스듀서 소자는 어레이로 구조화된(organized) 복수의 트랜스듀서 소자들이다.
일부 실시예들에서, 어레이는 행들과 열들로 구조화된다. 열 내의 복수의 트랜스듀서 소자들은 전자적으로 선택되어 트랜스듀서 소자들의 열을 정의한다.
일부 실시예들에서, 행 내의 복수의 트랜스듀서 소자들이 전자적으로 선택되어 트랜스듀서 소자들의 행을 정의한다.
일부 실시예들에서, 제1 열 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들은 제2 열 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들로부터 독립적이고, 제1 행 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들은 제2 행 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들로부터 독립적이다.
일부 실시예들에서, 열에 있는 트랜스듀서 소자들은 상이한 지연들을 갖는다.
일부 실시예들에서, 바이어스 전압은 접지, 음의 전압 및 양의 전압으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서의 대역폭은 관심 영역에서 증가된다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 인덕터의 적어도 하나의 값은 관심 주파수 범위 내에서 압력 출력 증가를 제공하도록 선택된다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 인덕터의 적어도 하나의 값은, 적어도 하나의 트랜스듀서 소자의 적어도 하나의 커패시턴스에 의해 도입된 위상의 변화들을 오프셋할 수 있을 만큼 충분히 크게 선택된다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서의 대역폭은 열에 있는 다수의 트랜스듀서 소자들을 선택함으로써 제어된다.
일부 실시예들에서, 선택된 트랜스듀서 소자들에 대한 압력 출력은 선택된 트랜스듀서 소자들의 복수의 송신 구동기들의 복수의 전압 구동 레벨들을 변경함으로써 조정된다.
일부 실시예들에서, 전압 구동 레벨들은 다중 레벨 송신 구동 펄스를 사용하고 원하는 디지털 구동 레벨을 선택하여 변경된다.
일부 실시예들에서, 전압 구동 레벨들은 또한, 송신 펄서 파형에 대한 펄스 폭 변조를 사용하여 제어된다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서는 열을 따라 고도 방향으로 고도 포커스의 전자적 제어를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 열을 따르는 트랜스듀서 소자는 다중 레벨 펄스에 의해 구동된다.
일부 실시예들에서, 열에 있는 트랜스듀서 소자는 다중 레벨 펄스들의 시퀀스에 의해 구동된다.
일부 실시예들에서, 다중 레벨 펄스들의 시퀀스의 다중 레벨 펄스의 펄스 크기, 폭, 모양, 펄스 주파수, 및 이들의 조합들은 전기적으로 프로그래밍 가능하다.
일부 실시예들에서, 다중 레벨 펄스의 시작의 지연은 전기적으로 프로그래밍 가능하다.
일부 실시예들에서, 행 및 열에 의해 인덱싱된 소자에 대한 지연은, 열에 대한 지연을 행에 대한 지연과 합산하여 계산된다.
일부 실시예들에서, 지연은 대략적인 지연과 미세 지연의 합일 수 있다.
일부 실시예들에서, 펄스 시작의 지연은 X 방향으로 프로그래밍 가능하다.
일부 실시예들에서, 펄스 시작의 지연은 Y 방향으로 프로그래밍 가능하다.
일부 실시예들에서, 다중 레벨 펄스의 모양은 사인파형 및 디지털 정사각형으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예들에서, 송신 구동기는 열을 따르는 하나 이상의 트랜스듀서 소자를 구동하도록 구성된다. 송신 구동기는 송신 채널로부터의 신호들에 의해 구동된다. 송신 채널의 신호들은 상이한 열들에 있는 다른 트랜스듀서 소자들을 구동하는 다른 송신 채널들에 적용되는 지연에 비해 전자적으로 지연된다.
일부 실시예들에서, 열을 따르는 하나 이상의 트랜스듀서 소자는 실질적으로 동일한 지연들을 갖고 동작한다.
일부 실시예들에서, 송신 채널 및 추가 송신 채널들은 인접한 열들 사이의 상대적 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성된다. 제어 회로는, 동일한 행 내의 제1 개수의 트랜스듀서 소자들이 시작 행의 제2 개수의 트랜스듀서 소자들과 실질적으로 동일한 상대적 지연들을 공유하도록, 열들에 있는 제1 개수의 트랜스듀서 소자들에 대한 상대적 지연들을 설정하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 복수의 트랜스듀서 소자들 중의 트랜스듀서 소자는 상부 섹션, 중앙 섹션 및 하부 섹션를 포함하며, 이들 각각은 반사된 초음파 신호의 펄스 송신 및 수신을 위한 다수의 행들 및 다수의 열들을 포함한다. 상부 섹션, 중앙 섹션 및 하부 섹션으로부터 반사된 초음파 신호의 펄스 송신 및 수신은, 제1 빔포머를 사용하여 반사된 초음파 신호를 방위각 방향으로 포커싱하는 데 사용된다. 고도 포커스는 제2 빔포머를 사용하여 달성된다.
일부 실시예들에서, 고도 방향에서의 초점 거리는 전자적으로 프로그래밍된다.
일부 실시예들에서, 상부 섹션과 하부 섹션의 반사된 신호의 펄스 송신 및 수신이 동시에 수행된다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서 소자들은 복수의 스캔 라인들을 개발하기 위해 병렬 빔포밍을 수행한다.
일부 실시예들에서, 하나 이상의 행 중의 행에 있는 인접한 두 개의 트랜스듀서 소자들이 함께 어드레싱되고, 복수의 트랜스듀서 소자들 중의 트랜스듀서는 상부 섹션, 중앙 섹션 및 하부 섹션을 포함하며, 이들 각각은 반사된 초음파 신호의 초음파 펄스 송신 및 수신을 위한 제1 개수의 행들 및 제2 개수의 열들을 포함한다. 섹션들로부터 반사된 초음파 신호의 초음파 펄스 송신 및 수신은, 제1 빔포머를 사용하여 반사된 초음파 신호를 방위각 방향으로 포커싱하는 데 사용된다. 고도 포커스는 제2 빔포머를 사용하여 달성된다. B 모드를 사용하여 이미징하는 경우, 수신 채널은 동일한 행에 있는 두 개의 트랜스듀서 소자들, 상부 섹션으로부터의 두 개의 트랜스듀서 소자들 중 하나와 하부 섹션으로부터의 두 개의 소자들 중 다른 하나에 할당되고, 또 다른 채널은 중앙 섹션의 두 개의 트랜스듀서 소자들에 할당된다.
일부 실시예들에서, 2N개의 수신 채널들은 N개의 열들을 어드레싱하는 데 사용된다.
일부 실시예들에서, 전자적으로 선택된 복수의 트랜스듀서 소자들 모두는 송신 동작에서 고도 포커스로 압력을 생성하기 위해 동작된다. 수신 동작에서, 개별적으로 전자적으로 선택된 복수의 트랜스듀서 소자들 모두는 방위각 방향 및 고도 평면에 포커싱하는 이미지를 재구성하는 데 사용된다.
일부 실시예들에서, 초음파 이미징 시스템은, 선형 지연과 임의의 미세 지연의 합이 되도록 열을 따라 상대적 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성된 제어 회로를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 열의 선형 지연 및 임의의 미세 지연은 트랜스듀서의 다른 열들의 다른 선형 지연 및 임의의 미세 지연들로부터 독립적이며, 이에 의해 3차원에서 임의의 스티어링 및 포커싱을 허용한다.
일부 실시예들에서, 각 트랜스듀서 소자는 다수의 진동 모드를 나타내며, 입력 자극이 인접한 모드들의 주파수들보다 작도록 대역 제한될 때, 오직 하나의 진동 모드만 트리거된다.
일부 실시예들에서, 각 트랜스듀서 소자는 다수의 진동 모드를 나타내며, 제1 진동 모드로부터 생성된 주파수들이 제2 진동 모드로부터 생성된 주파수들과 중첩된다.
일부 실시예들에서, 각 트랜스듀서 소자는 중심 주파수들을 포함하는 광대역 주파수 입력에 의해 구동될 때 다수의 진동 모드들을 동시에 나타낸다.
하나의 양태에서, 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 이미징 시스템이 개시된다. 트랜스듀서는 바이어스 전압을 포함한다. 트랜스듀서는 또한 트랜스듀서 회로들의 열을 포함한다. 트랜스듀서 회로는, 전기 신호를 초음파로 변환하기 위한 트랜스듀서를 포함하는, 트랜스듀서 소자를 포함한다. 트랜스듀서 소자는 제1 단자와 제2 단자를 갖는다. 트랜스듀서는 또한, 트랜스듀서 소자에 전위를 공급하기 위한 입력 구동 디바이스를 포함하고, 트랜스듀서 소자의 제1 단자에 연결된 회로부를 포함한다. 트랜스듀서는 또한, 트랜스듀서 소자의 제2 단자에 연결된 인덕터를 포함한다. 트랜스듀서는 또한, 트랜스듀서 회로를 바이어스 전압에 연결하기 위한 스위치를 포함한다.
일부 실시예들에서, 초음파 트랜스듀서는 pMUT 디바이스이다.
일부 실시예들에서, 초음파 트랜스듀서는 cMUT 디바이스 또는 벌크 피에조 트랜스듀서이다.
일부 실시예들에서, 초음파 이미징 시스템은 인덕터를 단락시킬 목적으로 인덕터와 병렬로 연결된 스위치를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 초음파 이미징 시스템은 복수의 열들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 복수의 열들 중의 열은 트랜스듀서 소자와 직렬로 연결된 인덕터를 포함한다.
일부 실시예들에서, 초음파 이미징 시스템은 인덕터를 단락시킬 목적으로 인덕터와 병렬로 연결된 스위치를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 초음파 이미징 시스템은 트랜스듀서 회로들의 복수의 열들과 바이어스 전압 사이에 직렬로 연결된 인덕터를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서 소자는 지연을 포함하는 신호를 송신하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 열에 있는 하나 이상의 트랜스듀서 소자는 상이한 지연들을 갖고 동작한다.
일부 실시예들에서, 행 및 열에 의해 인덱싱된 소자에 대한 지연은, 열에 대한 지연을 행에 대한 지연과 합산하여 계산된다.
일부 실시예들에서, 공통 열 인덱스를 갖는 하나 이상의 트랜스듀서 소자로부터의 지연들을 포함하는 지연 프로파일은 대칭이다.
일부 실시예들에서, 지연은 대략적인 지연과 미세 지연의 합이다.
일부 실시예들에서, 대략적인 지연은 하나 이상의 인접한 트랜스듀서 소자들 간에 선형이다.
일부 실시예들에서, 열 인덱스와 행 인덱스를 갖는 트랜스듀서 소자에 대한 지연은, 열 지연, 선형의 대략적인 행 지연 및 미세 행 지연의 합이다.
하나의 양태에서, 적어도 하나의 트랜스듀서 소자를 포함하는 트랜스듀서에 의해 방출되는 초음파의 압력을 증가시키기 위한 방법이 개시된다. 방법은 적어도 하나의 트랜스듀서 소자에 연결된 적어도 하나의 송신 구동기를 사용하는 것, 적어도 하나의 트랜스듀서 소자를 송신 모드로 배치하는 것을 포함한다. 각 트랜스듀서 소자는 제1 단자와 제2 단자를 갖는다. 방법은 또한, 적어도 하나의 인덕터에 대해, 적어도 하나의 인덕터 각각의 제1 단자를 각 트랜스듀서 소자의 제2 단자에 연결하는 것을 포함한다. 적어도 하나의 인덕터의 제2 단자는 바이어스 전압에 연결된다. 적어도 하나의 인덕터는 트랜스듀서 소자와 통합되지 않는다. 트랜스듀서는 또한, 적어도 하나의 송신 구동기 각각을 적어도 하나의 트랜스듀서 소자 각각의 각 제1 단자에 연결하는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 트랜스듀서 소자는 어레이로 구조화된 복수의 트랜스듀서 소자들이다.
일부 실시예들에서, 어레이는 행들과 열들로 구조화된다. 방법은 열 내의 다수의 트랜스듀서 소자들을 전자적으로 선택하여 트랜스듀서 소자들의 열을 정의하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 행 내의 복수의 트랜스듀서 소자들이 전자적으로 선택되어 트랜스듀서 소자들의 행을 정의한다.
일부 실시예들에서, 제1 열 내의 트랜스듀서 소자들의 복수의 지연들은 제2 열 내의 트랜스듀서 소자들의 복수의 지연들로부터 독립적이고, 제1 행 내의 트랜스듀서 소자들의 복수의 지연들은 제2 행 내의 pMUT 트랜스듀서 소자들의 복수의 지연들로부터 독립적이다.
일부 실시예들에서, 열에 있는 트랜스듀서 소자들은 상이한 지연들을 갖는다.
일부 실시예들에서, 방법은 열에 있는 트랜스듀서 소자들에 적용되는 복수의 지연들에 의해 제어되는 고도 방향에 있는 고정된 스티어링 각도를 갖는 송신들의 세트에 대해 방위각 방향으로 복수의 지연들을 적용하고, 고도 평면에서 다른 스티어링 각도들로 시퀀스를 반복하고, 트랜스듀서로부터 수신된 에코를 사용하여 이미지를 재구성함으로써, 3D 이미징을 수행하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은 방위각을 따라 복수의 지연들을 변화시킴으로써 방위각 평면 상에 포커싱하는 것, 그리고 또한 열에 있는 트랜스듀서에 대한 복수의 지연들을 변화시킴으로써 고도 평면에 빔을 포커싱하거나 스티어링하는 것에 의해, 볼륨 이미징을 수행하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은, 접지, 음의 전압 및 양의 전압으로 구성된 그룹으로부터 바이어스 전압을 선택하는 단계를 더 포함한다.
특정 정의들
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 모든 기술 용어들은 본 주제가 속하는 기술 분야에서 통상의 기술자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수형들 “하나의(a)”, "하나의(an)" 및 "상기(the)"는 문맥에서 달리 명확하게 지시하지 않는 한 복수의 참조들을 포함한다. 본 명세서에서 "또는"에 대한 임의의 언급은 달리 명시되지 않는 한 "및/또는"을 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "약"이라는 용어는, 명시된 양에 그 증분들을 포함하는 약 10%, 5% 또는 1%만큼 가까운 양을 지칭한다.
일부 실시예들에서, 본 명세서의 이미저들(여기서는 "트랜스듀서들"과 상호 교환적임)은, A-스캔이라고도 알려진 1D 이미징, B 스캔이라고도 알려진 2D 이미징, 1.5D 이미징, 1.75D 이미징, 3D 및 도플러 이미징을 수행하기 위해 사용될 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 본 명세서의 이미저는 사전 프로그래밍된 다양한 이미징 모드들로 스위칭될 수 있다. 또한, 본 명세서의 트랜스듀서들을 사용하여 이중 평면 이미징 모드가 구현될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 명세서의 트랜스듀서 소자들(예를 들어, pMUT 소자들, cMUT 소자들)은 트랜시버 소자들과 상호 교환 가능하다. 특히, 본 명세서에서 pMUT 소자들은 압전 소자들 및 피에조 소자들과 상호 교환 가능하다. 일부 실시예들에서, 본 명세서의 트랜스듀서 소자는 기판, 기판에 매달린(suspending) 멤브레인, 멤브레인 상에 배치된 하부 전극, 하부 전극 상에 배치된 압전층, 및 압전층 상에 배치된 하나 이상의 상부 전극, 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 초음파 이미징 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 영상 시스템은 휴대용 디바이스(101)를 포함하며, 디바이스(101)는 디스플레이 유닛(112), 네트워크(120) 및 전자 건강 기록들과 같은 외부 데이터베이스들(122)에 통신 인터페이스에 의해 연결이 가능한 데이터 기록 유닛(114)을 포함한다. 외부 데이터 소스들에 대한 이러한 연결은, 의료적 청구, 데이터 교환, 문의들 또는 다른 의료 관련 정보 통신을 용이하게 할 수 있다. 본 실시예에서, 시스템(100)은 초음파 이미저(본 명세서에서 "프로브"로 상호 교환 가능함) 프로브(126)를 포함하며, 이는 초음파 이미저 어셈블리(본 명세서에서 "타일 어셈블리"로 상호 교환 가능함)(108)를 포함하며, 초음파 타일은 기판 상에 제조된 pMUT들(102)의 하나 이상의 어레이를 갖는다. pMUT들의 어레이(들)은 이미저 및 또 다른 제어 유닛(110) 상에 위치된 전자 제어 유닛, 예를 들어, 애플리케이션 특정 집적 회로(application specific integrated circuit; ASIC) 하에서 초음파 파형들을 방출 및 수신하도록 구성된다.
이 특정 실시예에서, 디스플레이 유닛(112) 및/또는 전자 통신 제어 유닛(110)의 적어도 일부가 어셈블리(108) 상에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 유닛(112) 또는 제어 유닛(110)의 일부는 이미저 외부에 있을 수 있지만, 유선 통신 인터페이스 및/또는 무선 통신 인터페이스일 수 있는 통신 인터페이스(124)를 이용하여 초음파 이미저 어셈블리(108) 및 그 안의 소자들에 연결될 수 있다. 유선 연결들의 경우, USB2, 라이트닝 및 다른 것들과 같은 데이터 교환을 위한 많은 프로토콜들이 사용될 수 있다. 유사하게, 무선 통신들의 경우, IEEE 802.11(Wi-Fi) 또는 다른 무선 통신 프로토콜들과 같이 일반적으로 사용되는 프로토콜이 사용될 수 있다. 유사하게, 데이터 기록 유닛(114)은 또한 프로브 외부에 있을 수 있으며, 또한 무선 통신 인터페이스 또는 유선 통신 인터페이스를 사용하여 프로브(126)와 통신할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이(112)는, 사용자 상호작용을 단순화하기 위해 입력 디바이스, 예를 들어, 터치 스크린, 사용자 친화적인 인터페이스, 예를 들어, 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface; GUI)를 가질 수 있다.
동일한 실시예에서, pMUT 어레이(102)는 또 다른 기판 상에 위치되며 pMUT 어레이(102)에 아주 근접한 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)(106)에 결합된다. 어레이는 또한 임피던스 낮추기 및/또는 임피던스 매칭 재료(104)에 결합될 수 있으며, 이는 pMUT 어레이 상부에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미저(126)는 충전 가능한 전원(127) 및/또는 외부 전원, 예를 들어, USB 인터페이스에 대한 연결 인터페이스(128)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 이미저(126)는 스캔들을 ECG 펄스들에 동기화하기 위한 ECG 신호용 입력 인터페이스(129)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 이미저(126)는 사용자 안내를 지원하기 위한 관성 센서(130)를 갖는다.
종래의 트랜스듀서 어레이들은 개별 압전 소자들을 형성하기 위해 벌크 PZT의 블록을 다이싱하여 형성된 압전 재료, 예를 들어, 지르콘산 티탄산납(lead zirconate titanate; PZT)을 사용한다. 이것들은 비용이 많이 드는 경향이 있다. 대조적으로, 본 명세서에 개시된 pMUT 어레이들은 기판(예를 들어, 웨이퍼) 상에 배치된다. 웨이퍼는 다양한 형상들 및/또는 크기들일 수 있다. 예시로서, 본 명세서의 웨이퍼는 집적 회로들을 구축하는 데 사용되는 반도체 프로세스들에서 웨이퍼들의 크기들 및 형상들일 수 있다. 이러한 웨이퍼들은 대량으로 저비용으로 생산될 수 있다. 예시적인 웨이퍼 크기는 다음과 같다: 직경 6, 8 및 12인치.
일부 실시예들에서, 많은 pMUT 어레이들이 저비용으로 배치(batch) 제조될 수 있다. 또한, 집적 회로들은 또한 pMUT들과 통신하는 데 필요한 연결들이 서로 정렬되도록 치수들을 갖도록 설계될 수 있으며, pMUT 어레이(도 1의 102)는 아주 근접하게, 일반적으로 예를 들어, 대략 25㎛ 내지 100㎛의 거리로 어레이에 근접하거나 수직 아래에 있는, 매칭 집적 회로(106)에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 102, 104 및 106의 조합은 이미징 어셈블리(108) 또는 타일로 지칭된다. 예를 들어, 어셈블리(108)의 한 예시적인 실시예는 1024개의 압전 소자들에 대해 적절한 수의 송신 및 수신 기능을 갖는 매칭 ASIC에 연결된, 1024개의 pMUT 소자들을 가질 수 있다. 어레이 크기는 1024개로 제한되지 않다. 이것은 더 작거나 더 클 수 있다. 다수의 매칭 ASIC(106)과 함께, 다수의 pMUT 어레이들(102)을 사용하고, 이들을 서로 인접하여 조립하고, 이들을 적절한 양의 임피던스 매칭 재료(104)로 커버함으로써, 더 큰 크기들의 pMUT 소자들 또한 구현될 수 있다. 대안적으로, 단일 어레이는 직사각형 어레이들 또는 다른 형상들로 배열된 많은 수의 pMUT 소자들을 가질 수 있으며, pMUT의 수는 1000개 미만에서 10,000개의 범위이다. pMUT 어레이 및 복수의 pMUT 소자들은 매칭 ASIC에 연결될 수 있다.
화살표(114)는 신체 부분(116)을 조준하고 타겟(118)을 이미징하는 이미저 어셈블리(108)로부터의 초음파 송신 빔들을 보여준다. 송신 빔들은 이미징되는 타겟에 의해 반사되어 화살표(114)에 의해 표시된 바와 같이 이미저 어셈블리(108)로 들어간다. ASIC(106)에 더하여, 이미징 시스템(100)은 다른 전자 제어, 통신 및 계산 회로부(110)를 포함할 수 있다. 초음파 이미저(108)는 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 완비된(self-contained) 유닛일 수 있거나, 전자 제어 유닛(110)의 일부와 같이 물리적으로 분리되어 있지만 전기적 또는 무선적으로 연결된 소자들을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 이것의 예시가 도 2에 도시된다.
도 2는 본 개시의 실시예들에 따른 이미저(126)의 개략도를 도시한다. 도 2에 묘사된 바와 같이, 이미저(126)는 다음을 포함할 수 있다: 압력파들을 송신 및 수신하기 위한 트랜시버 어레이(210a); 압력파들의 전파 방향 및/또는 포커싱을 스티어링하기 위한 렌즈로서 동작하고 또한 트랜시버 어레이와 인체 사이의 임피던스 인터페이스로서 기능하는 코팅층(212a); 렌즈(212a)는 또한 트랜스듀서에서 나가고 또한 트랜스듀서로 들어오는 신호의 감쇠를 야기할 수 있으므로, 이를 최소로 유지하는 것이 또한 바람직하며; 고도 제어가 전자적일 때, 이 렌즈는 필요하지 않을 수 있으며 손실들이 오직 최소화되는 얇은 보호 임피던스 매칭 층으로만 교체될 수 있고; 트랜시버 어레이(210a)를 제어하고 범프들에 의해 트랜스듀서 어레이(210a)에 결합되는 ASIC 칩(또는, 간단히, ASIC)과 같은 제어 유닛(202a). 트랜시버 어레이와 이에 연결된 ASIC의 조합은 타일을 구성한다. 추가적인 컴포넌트들은 이미저(126)의 컴포넌트들을 제어하기 위한 하나 이상의 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Arrays; FPGAs)(214a), 신호들을 프로세싱/조절하기 위한 아날로그 프론트 엔드(Analog Front End; AFE)와 같은 회로(들)(215a); 및 트랜스듀서 어레이(210a)에 의해 생성되고 회로(215a)를 향해 전파되는 파장들을 흡수하기 위한 흡음기(acoustic absorber) 층(203a)을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 흡음기 층은 도 2에 묘사된 바와 같이, (트랜스듀서가 ASIC 앞에 있는 것에 비해) ASIC 뒤에 위치되며, 특정 실시예들에서, 흡음기 층은 트랜스듀서와 ASIC 사이에 위치되며, 특정 실시예들에서, 이러한 흡음기 층들은 필요하지 않다. 추가적인 컴포넌트들은 하나 이상의 포트(216a)를 통해 디바이스(101)와 같은 외부 디바이스와 데이터를 통신하기 위한 통신 유닛(208a), 데이터를 저장하기 위한 메모리(218a), 이미저의 컴포넌트들에 보다 휴대 가능한 전력원을 제공하기 위한 배터리(206a); 및 선택적으로 사용자 인터페이스 및 초음파 유래 이미지들을 디스플레이하기 위한 디스플레이(217a)를 포함할 수 있다. 동작 동안, 사용자는 인터페이스 재료(104)에 의해 커버된 pMUT들(102) 표면이, 이미징되는 타겟(118)을 향해 초음파들이 송신되는 신체 부분 영역과 접촉하도록 할 수 있다. 이미저는 이미징 타겟으로부터 반사된 초음파 빔들을 수신하여 이를 프로세싱하거나 이미지 프로세싱 및/또는 재구성을 위해 이를 외부 프로세서로 송신하고, 그 다음 이미지를 디스플레이하기 위해 휴대용 디바이스(101)로 송신한다. 다른 데이터 또한 수집, 계산, 도출되어 사용자에게 디스플레이 상에 디스플레이될 수 있다.
이미저를 사용할 때, 예를 들어 사람이나 동물의 신체 부분을 이미징하기 위해 송신된 초음파 파형은 타겟을 향해 지향된다. 신체와의 접촉은, 일반적으로 신체 상에 젤이 도포되고 이미저가 젤 상에 배치된 후 이미저를 신체에 매우 근접하게 유지함으로써 달성되어, 신체로 들어가도록 방출되는 초음파들의 우수한 인터페이스를 허용하고 또한 타겟으로부터 반사된 초음파 파형들이 이미저로 다시 들어가는 것을 허용하며, 반사된 신호는, 다양한 형식들로 된 신체 부분의 이미지들이 있거나 없는 그래프들, 플롯들, 통계들을 포함하여, 화면 상에 디스플레이되는 신체 부분의 이미지 및 결과들을 생성하는 데 사용된다.
프로브(126)는 특정 부분들이 물리적으로 분리되어 있으면서도 케이블 또는 무선 통신 연결을 통해 연결되어 구성될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예시로서, 이 특정 실시예에서, pMUT 어셈블리 및 ASIC 및 일부 제어 및 통신 관련 전자 기기들은 종종 프로브라고 지칭되는 유닛에 상주할 수 있다. 신체 부분과 접촉하는 디바이스 또는 프로브의 부분은 pMUT 어셈블리를 포함한다.
도 3a는 종래의 압전 소자(214)의 개략도의 단면을 도시한다. 이 실시예에서, 압전 소자는 2개의 전극들을 가지며, 제1 전극(216)은 신호 도체(215)에 연결되고, 제2 전극(218)은 접지 또는 다른 DC 전위에 일반적으로 연결될 수 있는 제2 도체(217)에 연결된다.
압전 소자들은 수십 년 동안 초음파 의료적 이미징에 사용되어 왔다. 그러나, 압전 소자는, 예를 들어, 대략 100μm에 가깝게 두꺼울 수 있으며, 일반적으로 의료적 이미징을 가능하게 하도록 충분한 강도의 초음파 압력파를 생성하기 위해 그것을 가로질러 +100V 내지 -100V 교류(AC) 구동을 필요로 할 수 있다. 이 AC 구동 신호의 주파수는 압전 구조물들의 공진 주파수 부근에 있을 수 있으며 의료적 이미징 애플리케이션들의 경우 1MHz보다 클 수 있다.
일부 실시예들에서, 압전 소자를 구동하는 데 소모되는 전력은 C*V2에 비례하며, 여기서 C는 압전 소자의 정전 용량이고 V는 압전층을 가로지르는 최대 전압이다. 송신할 때, 다수의 압전 소자들이, 빔을 포커싱하거나 빔을 스티어링하기 위해 다소 상이한 지연으로 함께 구동될 수 있다. 많은 소자들을 동시에 구동하는 것은, 소자들의 표면 상에서 온도가 상승하게 할 수 있다. 이미징되는 대상에 손상을 가하지 않도록 임계 온도를 초과하지 않는 것이 매우 바람직하거나 필요하다. 따라서, 이 임계 온도는 구동될 수 있는 소자들의 수와 구동될 수 있는 기간을 제한한다.
본 명세서에서 개시된 일부 실시예들에서, 압전 소자들은 종래의 벌크 피에조 소자들의 두께가 대략 100㎛인 것에 비해 두께가 대략적으로 1 내지 5㎛로 훨씬 얇다. 이러한 큰 두께 감소는 종래의 소자들과 유사한 전기장 강도를 유지하기 위해 압전 소자들에 대해 더 낮은 전압 구동 신호들을 사용하는 것을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 압전 소자들은 대략 5V 내지 20V 피크 대 피크 범위의 구동 전압들을 필요로 할 수 있다.
피에조 소자의 정전 용량은 또한 특정 압전 재료들의 경우 두께 감소에 의해 증가될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 10배 더 얇은 필름을 구동할 때 구동 전압이 100V에서 10V로 감소할 때, 더 얇은 압전 재료들의 경우 정전 용량이 10의 계수에 의해 증가하여 전력 소모가 10의 계수에 의해 감소될 수 있다. 이러한 전력 손실 감소는 또한 이미징 프로브의 열 발생과 온도 상승을 줄일 수 있다. 따라서, 더 낮은 구동 전압들을 사용하면, pMUT 표면의 온도가 낮아질 수 있다.
일부 실시예들에서, 주어진 온도에 대해, 저전압 pMUT들을 사용할 때, 더 많은 pMUT 소자들이 구동되어 더 넓은 영역을 조명할 수 있다. 이것은 특히 전체 타겟을 스캔하여 이미지를 형성하기 위해 다수의 방출들이 필요한 경우 타겟의 더 빠른 스캔을 허용할 수 있다. 종종, 더 높은 품질의 이미지를 획득하기 위해 결합된 상이한 스티어링 각도들과 이미지 데이터를 사용한 다수의 방출들을 이용하여 타겟 영역이 스캔될 수 있다.
이것은 또한 높은 프레임 속도로 이미지징하는 것이 바람직할 수 있다. 프레임 속도는 분당 타겟이 이미징되는 횟수를 측정한다. 이미지 블러 없이 움직이는 타겟들을 관찰하기 위해 조직 움직임이 수반될 때 높은 프레임 속도로 이미징하는 것이 바람직하다. 일부 실시예들에서, 더 많은 압전 소자들을 구동하는 능력은 방출당 트랜스듀서 개구의 더 많은 커버리지를 가능하게 하며, 이는 전체 개구를 커버하는 데 필요한 방출 횟수를 최소화하고, 따라서 프레임 속도들을 높일 수 있다.
일부 실시예들에서, 이미지들의 몇몇 프레임들을 하나의 결과적인 더 낮은 잡음 프레임으로 결합함으로써 이미지 품질이 개선될 수 있다. 그러나, 이것은 프레임 속도를 감소시킬 수 있다. 종래의 피에조 필름들에 비해 더 높은 프레임 속도를 갖는 저전력 pMUT를 사용할 때, 주어진 pMUT 온도 상승에 대해, 이 평균화 기법은 저전력을 갖는 저전압 pMUT들로 인해 사용될 수 있으므로, 본질적으로 더 높은 시작 프레임 속도들을 가능하게 한다. 일부 실시예들에서, 초음파 이미징의 합성 개구 방법이 이미지들의 조합(compounding)을 허용하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 한 번에 더 많은 압전 소자들을 구동할 수 있는 능력은 신호 대 잡음 비(signal to noise ratio; SNR)를 개선하고 재구성된 이미지의 더 나은 품질을 가능하게 한다.
또한, 도 1에 표시된 바와 같이, ASIC(106)이 pMUT(102)에 결합된다. ASIC은 저잡음 증폭기들(low noise amplifiers; LNA)을 포함할 수 있다. pMUT들은 스위치들을 통해 수신 모드에서 LNA에 연결된다. LNA는 pMUT에 압력을 가하는 반사된 초음파 빔에 의해 생성된 pMUT 내의 전하를, 낮은 잡음을 갖는 증폭된 전압 신호로 변환한다. 수신된 신호의 신호 대 잡음 비는 재구성되는 이미지의 품질을 결정하는 핵심 인자들 중 하나 일 수 있다. 따라서, LNA 자체에 내재된 잡음을 줄이는 것이 바람직하다. 이것은 LNA의 입력 스테이지의 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 이것은, 예를 들어 입력 스테이지에서 더 많은 전류를 사용함으로써 달성될 수 있다. 더 많은 전류는 전력 손실과 열을 증가시키는 것을 야기할 수 있다. 그러나, ASIC이 매우 근접하게 있는 저전압 pMUT들이 사용되는 경우들에서, 고전압으로 작동되는 트랜스듀서들과 비교했을 때, 허용 가능한 주어진 총 온도 상승에 대해 LNA에서의 잡음를 낮추기 위해, 저전압 pMUT들로 절약된 전력이 활용될 수 있다.
도 3b는 본 명세서에 개시된 pMUT 소자(220)의 개략도를 도시한다. 이는 2개의 서브 소자들(220a 및 220b)로 구성된다. 서브 소자(220a)는, 이 실시예에서, 압전층(221)을 가지며, 제1 전극(223)은 제1 도체(222)에 연결되고 제2 전극(224)은 제2 도체(226)에 연결된다. 서브 소자(220b)는 제1 도체(229)에 연결된 제1 전극(228)과 제2 도체(227)에 연결된 제2 전극(225)을 갖는다. 전형적으로, 두 서브 소자들의 제2 도체들은 함께 연결되어 바이어스 전압에 연결된다.
도 3c는 2개의 서브 소자들(230a, 230b)을 갖는 pMUT 소자(230)의 개략도이다. 일부 실시예들에서, 각 pMUT 소자는 하나 이상의 서브 소자를 포함한다. 각 서브 소자는, 이 실시예에서, 압전층(231)을 가지며, 제1 전극(233a)은 제1 도체(232a)에 연결되고 제2 전극(234a)은 제2 도체(235a)에 연결되며, 모든 서브 소자들의 제1 도체들은 연결(2220)에 의해 함께 연결되고 모든 서브 소자들의 제2 도체들은 연결(2260)에 의해 함께 연결되는 커넥터들이다. 제2 서브 소자(230b)는 압전층(231)을 가지며, 제1 전극(233b)은 제1 도체(232b)에 연결되고 제2 전극(234b)은 제2 도체(235b)에 연결된다.
일부 실시예들에서, 소자는 2개보다 많은 서브 소자들로 구성될 수 있으며, 여기서 모든 서브 소자들의 제1 전극은 전형적으로 구동 신호에 함께 연결되고 모든 서브 소자들의 제2 전극 또한 전형적으로 바이어스 전압에 함께 연결된다.
도 4는 복수의 압전 미세 가공 초음파 트랜스듀서(pMUT) 어레이 소자들(239)이 배열된 기판(238)을 도시한다. 이 실시예에서, 하나 이상의 어레이 소자는 트랜시버 어레이(240)를 형성하고, 하나 이상의 트랜시버 어레이가 기판(238) 상에 포함된다.
도 5는 압전 소자(247)의 예시적인 실시예의 단면을 도시한다. 이 실시예에서, 소자(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 성장된 기판 상에 퇴적된다. TiO2 층에 이어서 백금이 퇴적되고, 그 위에 PZT가 스퍼터링되거나 PZT 졸 겔(sol gel)이 적용되어 압전 필름(241)으로서 얇은 PZT 층을 발생시킨다. 이것과 제1 금속 전극은 에칭들에 의해 원하는 형상으로 패터닝된다. 신호 도체(246)가 제1 전극에 연결된다. 제2 전극(240)은 얇은 필름(241) 위에 성장되고 제2 도체(250)에 연결된다. 제3 전극(242) 또한 제2 전극에 인접하여 성장되지만 그것으로부터 전기적으로 분리된다. 제3 도체(248)가 제3 전극에 연결된다. 도시된 전극들의 실제 레이아웃은, 전극들 또는 환형 전극들에 인접한 정사각형에서 직사각형, 타원형 등에 이르기까지 다양할 수 있으며, 전극이 또 다른 전극을 둘러싼다. 압전 필름은 상이한 형상들을 가질 수 있으며 기판과 캐비티 위의 특정 부분들에 존재할 수 있다.
PZT의 결정 구조가 비대칭이기 때문에, 전기적 극성이 발생하여 전기 쌍극자들(electric dipoles)을 생성한다. 거시적 결정 구조에서, 쌍극자들은 기본적으로, 예를 들어 도 6의 왼쪽과 같이 랜덤하게 배향되어 있는 것을 알 수 있다. 재료에 기계적 응력이 가해질 때, 각 쌍극자는 그것의 원래 배향으로부터 쌍극자에 저장된 전체 전기적 및 기계적 에너지를 최소화하는 방향을 향해 회전할 수 있다. 모든 쌍극자들이 초기에 랜덤하게 배향된 경우(즉, 순 분극(net polarization)이 0), 그들의 회전은 재료의 거시적 순 분극을 크게 변화시키지 않을 수 있으므로, 나타나는 압전 효과는 무시할 수 있을 수 있다. 따라서, 대부분의 쌍극자들이 어느 정도 같은 방향으로 배향될 수 있도록 재료에 초기 상태를 생성하는 것이 중요하다. 이러한 초기 상태는 그것을 폴링(poling)함으로써 재료에 부여될 수 있다. 쌍극자들이 정렬되는 방향은 폴링 방향이라고 알려져 있다. 폴링 중 및 폴링 후 쌍극자들의 배향은 도 6(가운데 및 오른쪽 패널들)에 도시된다.
압전 얇은 필름들은, 따라서, 사용되기 전에 초기에 폴링될 필요가 있을 수 있다. 이것은 필름이 필드 하에서 스퍼터링될 때 이루어질 수 있다. 이것은 또한, 전형적으로 고온(예를 들어, 175℃)에서 일정 시간(예를 들어, 1 내지 2분 이상) 동안 필름에 걸쳐 고전압을 인가함으로써 제조 후 수행될 수 있다. 도 3의 피에조 소자에서, pMUT는 2개의 단자들로 구축될 수 있으며, 예를 들어 216과 218에 걸쳐 고전압이 인가될 수 있다. 이 고전압은 1μm 두께의 피에조 필름에 대해 대략 15V가 될 수 있다. 이러한 전압은 폴링에 충분하다.
종래 기술의 pMUT들 또는 벌크 PZT로부터의 다른 압전 소자들은 전형적으로 두 개의 전극들을 갖는다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 압전 소자는 도 5에 도시된 바와 같이 2개(도 3에서) 또는 더 많은 전극들을 가질 수 있다. 도 5에서, 폴링 중 제1 도체는 접지 전위에 연결(tie)될 수 있으며, 그 동안 제2 도체는 음의 전위, 말하자면 1μm 두께의 PZT 필름의 경우 -15V에 연결되고, 제3 전극은 고온에서 일정 시간 동안 +15V에 연결될 수 있다. 이것은, 제1 도체와 제3 도체 사이의 피에조 필름과 비교하여, 제1 도체와 제2 도체 사이의 피에조 필름에 대해 서로 반대되는, PZT 필름에 걸친 2개의 폴링 방향들을 생성할 수 있다. 폴링이 완료된 후, 송신 또는 수신 동작 중에, 제2 및 제3 도체들은 접지 또는 바이어스 전압에 연결될 수 있으며, 제1 도체는 송신 동작 중에 송신 구동기에 의해 구동되도록 ASIC에 연결되거나 수신 동작 중에 스위치들을 통해 LNA에 연결된다. 제2 및 제3 도체는 또한 0이 아닌 DC 바이어스에 연결될 수 있으며, 바이어스 값들은 상이할 수 있다.
예시적인 실시예에서의 압전 소자는 횡방향 변형(transverse strain)을 활용하고, 압전 계수인 PZT 횡방향 변형 상수 d31을 활용하여, 멤브레인의 움직임을 생성하거나 멤브레인의 움직임을 전하로 변환한다. 필름에 대해 직교 폴링 방향들을 갖는 도 5의 PZT 소자는, 송신 동작에서, 필름에 대해 오직 하나의 폴링 방향을 갖는 도 3a에 도시된 구조와 비교하여, 주어진 구동에 대해 멤브레인의 움직임을 증폭시킨다. 따라서, 송신 감도가 개선될 수 있으며, 이는 적용된 송신 구동의 볼트당 멤브레인의 더 큰 움직임을 허용한다.
수신 모드에서, 직교 폴링 방향은 LNA에 의해 감지될 더 많은 전하를 생성할 수 있다. LNA 연결들은 도 7에 기호적으로 도시된다. 단순화를 위해, 압전 소자를 LNA에 연결하는 경로에 있는 모든 소자들이 도시되지는 않는다. 특정 실시예들에서, 압전 소자(260)는 도체(262)에 의해 연결된 LNA(268)와 직렬로 스위치에 연결된 제1 전극(274)을 갖는다. 260의 제2 전극은 266이고 0V(접지)를 포함하는 DC 바이어스에 연결될 수 있다. 270은 반사된 초음파 빔이 pMUT 소자(260)에 충돌하여 전극들(266, 274)을 가로질러 전하를 생성하는 것을 나타낸다. LNA는 전압 또는 전하 모드에서 동작하도록 설계될 수 있다는 것을 유의한다. pMUT들은 큰 정전 용량을 갖는 경향이 있으며, 트랜스듀서의 전압이 증폭되는 전압 감지가 사용되는 경우, 주어진 전하량에 대해 훨씬 더 작은 정전 용량을 가진 PZT 벌크 소자에 대해서보다, 트랜스듀서를 가로질러 더 낮은 전압을 생성할 것이다. LNA의 입력에서의 전압이 작기 때문에, 출력은 잡음이 더 크다. 특히, 수신 모드에서 pMUT들이 주어진 입력 압력에 대해 더 많은 전하 출력을 생성할 때, 전압 모드 동작과 비교하여 pMUT 소자들의 높은 정전 용량으로 인해, 전하 증폭은 LNA의 출력에서 더 양호한 신호 대 잡음 비를 제공할 수 있다. 이것은 도 7에 설명되며, Ct에 의해 수신된 임의의 전하가 훨씬 작은 커패시터(Cf)를 가로질러 전달되어, LNA(272)의 출력에서 더 큰 전압을 생성한다. 이러한 LNA들은 또한 빠르게 전력을 높이거나 낮추도록 설계된다.
전통적인 2D 이미징은 직사각형 형상으로 배열된 소자들의 열들을 사용하여 수행된다. 대안적으로, 2D 이미징은 열 내에 배열된 많은 더 작은 소자들을 취함으로써 달성될 수 있다. 개별 어레이 소자들은, 열을 구성하기 위해 단일의 더 큰 1D 어레이 소자로서 작동하도록 결합될 수 있다. 이것은, 하나의 신호 도체 및 공동 접지 도체를 갖는 더 큰 소자를 생성하기 위해, 이러한 개별 소자들을 하드와이어링(hardwiring)하여 달성될 수 있다. 송신 구동, 수신 감지 및 제어는 이 하나의 결합된 더 큰 2-리드(two-lead) pMUT에 대해 구현된다.
도 8a는 본 명세서의 트랜스듀서의 초음파 이미징 어레이(300)의 예시적인 실시예의 개략도를 도시한다. 어레이는 예시의 목적을 위해 3행 및 3열 또는 3×3으로 배열된 9개의 pMUT 소자들로 도시된다. 실제로, 어레이 크기는 필요에 따라 더 크거나 더 작은 다양한 크기들일 수 있다는 것이 이해된다. 비제한적인 크기들의 예시는, 32×32, 32×64, 32×194, 12×128, 24×128, 32×128, 64×128, 64×32, 64×194(열×행 또는 행×열)를 포함한다.
각 압전 소자의 도체는 전극에 연결되며 도 8b에서 x는 1에서 3까지, y는 1에서 3까지 범위인 Oxy로 명명된다. 각 압전 소자의 제1 도체는 제1 전극에 연결되며 O11로 명명된다. 또한, 전자적으로 구성 가능한 이미저의 모든 소자들은, 또 다른 웨이퍼 상에 위치된 대응하는 전자 기기들에 연결된 그들의 O 리드들을 갖는다. X라고 지칭되는 각 소자의 제2 전극은 모두 도체(302)에 의해 다른 소자들의 다른 X 전극들에 연결된다. 도체 O는 신호 도체이고, X는 접지 또는 바이어스 라인이다. 도 8b에 도시된 이 실시예에서, O 전극들은 pMUT가 배치된 기판에 매우 근접한 ASIC에 연결된다. 32x32 pMUT들의 어레이가 있는 예시적인 경우에서, 1024개의 피에조 소자들이 있다. 전형적으로 pMUT 다이 아래에 위치한 ASIC에 1024개의 "O" 리드 연결들이 있을 수 있다. 이러한 1024개의 O 라인들 각각은, 송신 동작 중에는 송신 구동기에 연결되고, 수신 동작 중에는 LNA의 입력에 연결되며, 송신 구동기는 수신 모드에서 높은 임피던스 상태가 된다.
도 9a는 2개의 트랜스듀서 소자들의 ASIC(500)에의 상호 연결의 개략적 표현이다. 특정 실시예들에서, 또 다른 기판(512)에 대한 송신 및 수신 및 다른 기능들을 포함하는 ASIC에 대해, 2개의 트랜스듀서 소자들(502)은 하나의 기판(504) 상에 있다. LNA(516)의 입력은 스위치(514)에 의해 리드(510)에 연결되고, 리드(510)는 이것을 트랜스듀서의 신호 도체인 O 리드에 연결한다. 일부 실시예들에서, 바이어스 도체(506)는 ASIC에 연결되고 나중에 접지 또는 다른 바이어스 전압들에 연결하기 위해 ASIC으로부터 나온다. 이들은 트랜스듀서들의 X 리드들이며, 트랜스듀서 및 ASIC 내의 다른 X 리드들과 함께 연결될 수 있다. 송신 구동기(518)는 520에 표시된 바와 같이 기판(512) 상의 ASIC 외부의 통신에 의해 제어될 수 있다. 또한 송신 모드에서 스위치 연결을 도시하는 스위치(514)에 연결될 수 있다. 도 9a에 도시된 바와 같이 LNA의 출력과 송신 구동기의 입력은 2개의 상이한 리드들을 필요로 할 수 있다. 514와 유사한 멀티플렉서 스위치에 의해, 하나의 리드를 사용하는 것이 가능하다. 일부 실시예들에서, 수신 모드에서 외부 전자 기기들에 LNA 출력에 대한 연결이 제공될 수 있고, 송신 모드에서 송신 구동기에 대한 입력이 제공될 수 있다.
도 9b는 전자 기기들의 하나의 열에 대한 ASIC에서의 일부 기능의 개략적 표현을 도시한다. 전자 기기들의 하나의 열은 복합적인 더 큰 라인 요소(element)를 구성하기 위해 pMUT들의 한 열에 직접적으로 인터페이스할 수 있다. ASIC은 다른 열들 또는 행들에 대한 회로부를 포함할 수 있으며 도시되지 않은 다른 지원 회로부를 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 원하는 실제 기능은 통상의 기술자에게 명백할 것으로 고려될 상이한 회로 토폴로지로 달성될 수 있다는 것 또한 이해된다. 도시된 표현은 단순히 아이디어 자체를 예시하기 위한 것이다.
도 9b는 ASIC(600)의 하나의 열의 예시적인 개략도를 도시한다. 특정 실시예들에서, 도체(608)는 도 8a 내지 8b의, pMUT 어레이 O31 내의 소자에 대한 대응하는 신호 도체에 연결된다. 유사하게, 도 8a 내지 8b의 O21은 도 9b의 628에 연결된다. 송신 구동기(606)는 도 9b의 도체(608)에 연결될 수 있다. 이 구동기(606)는 그것의 입력에 연결된 스위치(602)를 가질 수 있고, 그 열의 스위치들을 통해 그 열 내의 다른 송신 구동기들의 입력에 연결되는 리드(616)(라인 요소의 신호 도체)에 연결될 수 있다. 스위치들은 외부 컨트롤러와의 통신을 통해 켜질 스위치(들)을 결정할 수 있는 624에 의해 제어될 수 있다. 신호 도체(616)는 또한 송신 빔포머들을 구현하는 전자 기기들에 연결될 수 있다. O 도체(608)는 또한 스위치(604)에 연결될 수 있고; 스위치(604)의 다른 쪽은 그 열의 유사한 스위치들(예를 들어, 622)에 연결될 수 있다. 라인(614)은 또한 저잡음 증폭기(LNA)(618)의 입력에 연결될 수 있다. 각 라인 요소(또는 열)에 대해 오직 하나의 LNA만 필요할 수 있다. LNA는, 다른 스위치들(예를 들어, 602)을 끄는 동안 스위치들(예를 들어, 604)을 또한 켜는 제어 유닛(624)에 의해 수신 모드에서 활성화될 수 있다. 이것은, (연결(608)을 통해) pMUT들의 신호 전극을 LNA에 연결할 수 있으며, 이는 수신된 신호를 증폭하고 수신된 신호를 낮은 부가 잡음을 갖는 전압 출력(620)으로 변환할 수 있다. 수신 모드에서, 컨트롤러는 또한 송신 구동기들이 비활성화 모드로 가도록 할 수 있으며, 이들의 출력 임피던스는 수신 신호를 방해하지 않도록 매우 높아진다는 것을 유의한다. 송신 모드에서, 피에조 소자가 송신하지 않아야 할 때, 스위치(602 및 604)는 끄고, 스위치(610)는 켜서, 송신 모드 동안 신호들을 송신하지 않아야 하는 소자들에 대한 바이어스 전극 및 pMUT 신호에 걸쳐 순 제로(net zero) 볼트 구동을 보장할 수 있다. X 라인들 또한 ASIC에 연결된다. 도 8a 내지 8b에서, 오직 1개의 바이어싱 전극(X)이 도시된다는 것을 유의한다. 그러나 다수의 바이어싱 전극들이 존재할 수 있다.
단순화를 위해, 도 9b는 2개의 바이어싱 도체들 중 오직 하나(도 8의 X)에의 연결만을 도시한다.
일부 실시예들에서, 도 9b의 도체(612)는 도 8의 X, 302에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 9b의 도체(613)는 또한 X, 302에 연결될 수 있지만, 613에 더 가까운 위치들 등에 연결될 수 있다. 이러한 추가 상호연결들(613 및 615)은 필수적인 것은 아니지만, 적어도 하나의 연결(612 또는 613 또는 615 중 하나)이 필요하다는 점에 유의한다.
도 9b는 수신 출력(620)과 송신 입력(616)이 2개의 리드들을 필요로 할 수 있음을 도시한다. 그러나 멀티플렉서를 사용하면, 하나의 리드 또한 이 목적을 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에서 라인 이미저는 다수의 피에조 소자 열들을 포함할 수 있으며, 각 열은 적어도 신호 및 바이어스 리드들에 의해 컨트롤러에 연결된다. 적절한 주파수의 펄스들이 라인을 구동한다. 다른 라인들은 이 펄스의 지연된 버전들로 구동된다. 특정 라인에 대한 지연의 양은, 빔포밍으로 알려진 동작들로, 송신된 결과 빔이 각도로 스티어링되거나 특정 깊이에 포커싱되는 것을 허용하도록 구성된다.
도 8a 및 8b의 라인 이미저들은 전자적으로 구성 가능하다. 한 방향으로 24개의 소자들이 배열되고 직교 방향(이 예시에서는 방위각 방향)으로 64개의 소자들이 배열된 피에조 소자들의 어레이의 예시를 사용하면, 최대 24개의 소자들로 구성된 각 라인을 갖는, 64개의 라인 이미저가 구축될 수 있다. 그러나, 크기는 임의의 라인에 대해 0 내지 24개 소자들로 전자적으로 조정될 수 있으며 방위각에서 최대 64개의 임의의 수의 라인들이 활성화될 수 있다.
2D 또는 3D 이미저에서 도 10a 및 10b에 도시된 것처럼 고도 평면의 얇은 슬라이스를 이미징하는 것이 바람직하다. 이 특정 실시예에서, 고도 방향은 왼쪽 패널 상의 ya 축에 있다. 고도 평면(1201)은 ya-za 평면 내에 있다. 동일한 실시예에서, 본 명세서에서 스캐닝 평면이기도 한 방위각 평면(1202)은 고도 평면에 직교한다. 도 10b를 참조하면, 기계식 렌즈는 고도 평면에서 빔을 포커싱하고, 이는 고도 평면에서 훨씬 더 두꺼운 슬라이스를 형성하기 위해 빔들이 이탈하지 않게 하고, 신호 클러터링(signal cluttering)을 추가하고 이미지 품질을 저하시키는, 원치 않는 반사들이 수신된 신호의 일부가 되어 더 두꺼운 고도 슬라이스에서 다른 객체들에 부딪히지 않게 한다.
빔이 의도된 슬라이스 두께를 훨씬 초과하여 퍼지는 경우, 이는 원하는 범위를 벗어난 타겟들에 잠재적으로 부딪힐 수 있으며 이것들로부터의 반사들은 재구성된 이미지 내에 클러터를 발생시킬 것이다. 트랜스듀서 표면 상에 형성된 기계식 렌즈는, 도 10b에서 볼 수 있듯이 고도 평면 내의 빔들을 고정된 고도 슬라이스 두께에 포커싱할 수 있으며, 도 10b에서 볼 수 있듯이 그리고 도 10a에서도 고도 평면 포커스 포인트로 표시된 바와 같이 두께는 고도 포커스 포인트에서 최소이다. 2D 이미징을 위한 전자적 포커스는, 시간의 함수로서의 동적 수신 포커스 덕분에 고도 평면에서 개선된 포커스를 허용할 것이다. 여기서 빔이 타겟을 향해 아래로 이동함에 따라 고도에서의 초점 거리가 변화하여 우수한 이미지를 초래할 수 있다. 3D 이미징의 경우, 특정 고도 슬라이스가 원하는 볼륨으로 스티어링되거나 스위핑(sweep)될 수 없기 때문에, 고정된 기계식 렌즈는 작동하지 않는다. 따라서, 전자적으로 제어된 고도 포커스가 바람직하다.
일부 실시예들에서, 이것은 트랜스듀서를 다수의 상이한 스트립들로 분할함으로써 달성된다. 도 11을 참조하면, 특정 실시예에서, 트랜스듀서는 N개의 열들로 구조화되며, 각 열은 최대 M개의 행의 트랜시버 소자들을 갖는다. 소자들의 행들은, 제1 개수의 행들을 포함하는 스트립 A - 스트립 A는 최대 N개의 열들을 가짐 - , 최대 N개의 열들의 각 행을 갖는 행들의 중앙 섹션 내에 있는 제2 개수의 행들을 포함하는 스트립 B, 및 최대 N개의 열들의 행들의 하부 섹션을 포함하는 스트립 C로 분할될 수 있다. 스트립 A, B 및 C는 인접한 스트립(들)과 중첩되지 않을 수 있다. 대안적으로, 스트립들은 그것의 인접한 스트립과 다수의 행들 및 열들에 대해 중첩될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스트립들은 트랜스듀서 소자의 모든 N개의 열들과 M개의 행들을 함께 커버한다. 일부 실시예들에서, 전기적으로 프로그래밍될 때, 스트립들은 모두 함께 트랜스듀서들의 M x N 어레이의 일부만 커버할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상부 섹션 A는, 그 섹션 내의 모든 소자들이 소자(들)이 있는 열에 대해 의도된 송신 구동기(들)에 의해 구동되도록 구조화된다. 이 실시예에서, 송신 동작에서, N개의 복합 열들(각 복합 열은 스트립(들) A 또는 B 또는 C로부터의 행들로부터의 소자들을 포함할 수 있음)을 구동하는 고유한 지연들을 갖는 N개의 송신 구동기가, 방위각 평면(1202) 내에 초음파 빔을 포커싱하는 데 사용된다. 수신 동작 중에, 도 12에 도시된 바와 같이, 섹션 A에 충돌하는 반사된 신호는 스캔 라인 A1, A2, A3 등을 생성하기 위해 빔포밍된다. 도 12를 참조하면, PMUT들의 세 개의 스트립들은 A, B 및 C로 분류된다. 이러한 스트립들은, 열에 있는 소자들이 공통 송신 구동기에 의해 구동되고, N개의 열들에 대해 N개의 구동기들이 있는(즉, N개의 열들 각각에 대해 상이한 구동기가 있는) PMUT들의 행들을 포함한다. 스캔 라인들 A1, A2 등은 스트립 A를 사용하여 송신 및 수신함으로써 형성될 수 있다. 스캔 라인들 B1, B2 등은 섹션 B로부터 형성되고 스캔 라인들 C1, C2 등은 섹션 C로부터 형성된다. 이제 3개 섹션들로부터의 스캔 데이터를 사용하여, 이전에 열 구동기들을 따르는 지연들을 사용하여 방위각 평면에서 빔들을 포커싱하는 데 사용했던 유사한 기법으로, 섹션 A, B 및 C의 데이터에 고유한 지연들을 사용하여 이번에는 고도 방향으로 또 다른 포커스가 수행된다. 이 프로세스는 이중 스테이지 빔포머로 생각될 수 있으며, 제1 스테이지는 A, B, C로부터의 스캔 라인들을 발생시키는(developing) 것으로 구성되고, 제2 스테이지는 그 데이터를 사용하여 고도 평면 내에 포커스를 발생시킨다. 고도 내 포커스는 디지털 방식으로 지연들을 적용함으로써 수신기에서 달성된다. 이 기법은 고도 평면 내의 포커스를 허용할 뿐만 아니라, 포커스가 동적이도록 허용한다. 이 경우, 초점 거리는 시간의 함수로서 조정되어, 초음파 빔과 함께 고도 포커스가 이동하는 것을 허용할 수 있다.
도 13 및 도 14에 설명된 프로세스는 세 개의 송신들 및 수신들을 필요로 할 수 있지만, 섹션 A 및 C로부터의 제1 및 제2 송신 및 수신은 하나의 동작으로 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 트랜스듀서의 상부 섹션 및 하부 섹션로부터의 송신들은 동시에 수행될 수 있으며, 여기서 열의 상부 섹션 및 하부 섹션 상에서의 지연들은 동일하다. 제2 송신은 제1 및/또는 제2 송신에 사용된 지연들과는 상이한 지연들을 갖는 중앙 부분으로부터의 송신이다.
일부 실시예들에서, 상부 섹션, 중앙 섹션 및/또는 하부 섹션은 하나 이상의 서브 섹션으로 분할될 수 있으며, 이들 각각은 펄스 송신 및 신호 수신을 위한 다수의 행들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각 서브 섹션은 본 명세서에 개시된 것과 유사한 방식으로 다수의 스캔 라인들을 형성하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 트랜스듀서 소자 어레이는 3개보다 많은 스트립들, 예를 들어, 4, 5, 6, 7 등으로 분할될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각 스트립 내의 스캔 라인은 순차적으로 또는 동시에 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 동시 송신에서, 중앙 스트립에 대칭인 스트립들로부터의 스캔 라인이 획득된다. 일부 실시예들에서, 동일한 열 내의 소자들에 대한 지연들은 동시에 동작되는 섹션들에 대해 동일하다.
트랜스듀서의 나머지 부분들과 관련하여, 트랜스듀서의 두 개의 외부 섹션들 중 일부에 대해 더 낮은 진폭의 전압을 추가로 이용함으로써, 포커스가 또한 지원될 수 있다.
일부 실시예들에서, 모든 열들의 각 소자에 대해 고도 방향을 따라 고유한 프로그래밍 가능한 지연이 구현된다. 모든 N개의 열들은 서로에 대해 지연되는 구동 신호들을 수신할 수 있다. 열 소자들을 따라 추가 지연을 추가하기 위해 추가 지연들이 생성될 수 있으며, 여기서 열을 따르는 각 소자는 동일한 열에 있는 그것의 인접한 이웃(들)에 대해 상이하게 지연될 수 있다. 지연 프로파일 예시는 도 16에 도시된다. 고도 방향을 따라 모든 열 소자들에 대한 지연은 유사할 수 있다. 일 실시예에서, 지연은 대칭이며, 고도 평면 내의 포커스에 대한 중심 소자(center element)에서 최대이다. 외부 소자와 중앙 소자 사이의 지연 차이의 양은 초점 거리를 결정한다.
일부 실시예들에서, 지연 프로파일은 도 16에 도시되며, 여기서 열에 대한 에지 소자들에서의 상대적 지연은 0*RD 또는 0ns일 수 있다. 행 1 및 R22에 있는 소자의 경우, 중앙 소자를 중심으로 대칭 지연들을 원하는 경우, 행 0에서의 지연에 대한 상대적 지연은 도 16에 도시된 대로 알파1*RD 등이 될 수 있다. 지연 RD는 알파1, 알파2 등과 마찬가지로 프로그래밍할 수 있다. 따라서, 열을 따라 지연 프로파일이 구성될 수 있으며, 여기서 지연은 열들의 에지에서의 지연에 대해 상대적일 수 있다. 상대적 지연 프로파일은 다른 열 소자들에 대해 동일할 수 있다. 다른 실시예들에서, 지연 프로파일은 중앙 소자를 중심으로 대칭이 아닐 수 있으며 임의로 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시예들에서, 지연은 25ns 내지 1000ns 범위 내에 있다. 일부 실시예들에서, 지연은 10ns 내지 5000ns의 상이한 범위들로 프로그래밍 가능하다. 일부 실시예들에서, 지연은 50ns 내지 500ns 범위 내에 있다.
일부 실시예들에서, 본 명세서의 시스템들 및 방법들을 사용하여 스캔 라인을 획득하는 절차는 도 13에 도시된다. 일부 실시예들에서, 반사된 신호는 트랜스듀서에 의해 수신되고, 신호는 전압으로 변환되고, 아날로그-디지털 컨버터(analog to digital converter; ADC)에 의해 증폭 및 디지털화된다. 이러한 수신된 신호들은 RF 신호들로도 알려져 있다. 이러한 RF 신호들은 τn(예를 들어, τ1, τ2, τ3, τ4 ...)만큼 지연되고 합산되어 스캔 라인, 예를 들어, 도 12의 A1, A2 등을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서 신호들 지연되고 계수들로 가중된 다음 합산되어 스캔 라인들을 형성한다.
일부 실시예들에서, 수신 방향으로 빔을 포커싱하는 것은, 방위각 방향(Y)을 따라 하나 이상의 RF 신호, 예를 들어, S1, S2 등을 활용하며, 이는 RF 신호들로 알려진 디지털화된 출력 샘플들이다. 일부 실시예들에서, RF 샘플들은, 예를 들어, Y 방향을 따르는 지연 프로파일로 지연되고, 결과 신호는 가중되고 합산되어 스캔 라인을 형성할 수 있다.
도 12에 예시된 바와 같이, 연속적인 송신 및 수신 이벤트들에서, 스캔 라인 A1, A2 및 추가 스캔 라인들은 섹션 A를 사용하여 획득될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 프레임은 이미징되는 타겟 영역의 미세 스캔을 달성하기 위해, 예를 들어 100개 또는 심지어 그보다 많은, 많은 수의 스캔 라인들을 포함할 수 있다. 유사한 절차가 섹션 B 및 섹션 C를 사용하여 스캔 라인들을 획득하는 데 사용될 수 있다. 섹션들 A, B, C로부터의 스캔 라인들은 제1 레벨 빔포머를 사용하여 발생되며, 여기서 빔포머는 알고리즘을 사용하여 스캔 라인들을 생성하고, 설명된 실시예에서 알고리즘은 앞서 설명한 신호 지연 및 합산 방법을 사용한다. 합성 개구, 제2 레벨 빔포머가, 도 14에 도시된 바와 같이, 그 다음에 사용되어 고도 평면 내에서 포커스를 달성한다. 일부 실시예들에서, 이러한 송신들은 단일 고도 각도(0도, 10도, 20도, 30도 등)에 포커싱되어, 이에 의해 고도 평면 내에 없는 평면 외 클러터를 줄이고 개선된 이미지를 획득한다.
도 14를 참조하면, 특정 실시예에서, 제2 스테이지 포커싱/빔포머는, 지연되고, 가중되고, 합산되어 고도 평면 포커싱을 허용하기 위한 최종 빔 출력을 형성하는, A1, B1 및 C1; A2, B2 및 C2; A3, B3 및 C3 등으로부터의 빔 데이터(즉, 스캔 라인 데이터)를 사용한다. 이 실시예에서, X는 고도 축이다.
합성 렌즈들과 함께 본 명세서에 개시된 바와 같이, 기계식 렌즈와는 달리, 초점 거리는 빔포머에 전자적으로 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세스는 트랜스듀서의 임의의 섹션들, 예를 들어, (섹션 A, B 및 C)로부터의 스캔 라인을 형성하기 위해, 다수의 송신들 및 수신들(예를 들어, 스캔 라인 A1을 형성하기 위해 N개의 라인들로부터의 1개의 송신 및 수신)을 필요로 할 수 있다. 프레임을 형성하기 위해서는, 이미징될 전체 영역을 스캔하기 위해 R개의 스캔 라인들을 필요로 한다. 또한 이 경우 3개의 개별 프레임들(A, B, C)이 필요하다. 일부 실시예들에서, 이미지 내에서 높은 프레임 속도를 갖는 것이 바람직하다. 프레임은 많은 스캔 라인들을 포함할 수 있다. 그러나, 동일한 수의 스캔 라인들이 발생될 수 있는 동안 송신들 및 수신들의 수가 감소될 수 있는 경우, 프레임 속도가 증가될 것이다. 일부 실시예들에서, 증가된 프레임 속도는 두 섹션들(예를 들어, A 및 C)로부터의 송신 및 수신을 결합함으로써 달성될 수 있다. 이들 영역들은 중앙 영역에 대해 대칭이므로, 예를 들어 도 13에 도시된 바와 같이 필요한 지연들은 영역들(A 및 C)에 대해 동일할 수 있다. 이 두 영역들을 하나의 결합된 영역으로 결합하여, 신호를 송신 및 수신함으로써, 프레임 속도가 150%만큼 증가될 수 있다. 중앙 부분(B)은 영역들(A 및 C)에 대한 제1 송신에서 사용된 지연들과는 상이한 지연들을 필요로 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스캔 라인들(A1, B1, C1) 등은 방위각을 따라 형성된다. 제2 빔포밍 동작은 제1 레벨 빔포머로부터의 데이터를 사용할 수 있고, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같은 유사한 기법들을 사용하여, 고도 평면 내에 포커스가 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2D 스캔들은 스트립의 일 측, 예를 들어, 열 N에서 시작하여 다른 단부, 예를 들어, 열 1에서 완료될 수 있다. 따라서, 프레임 A는 빔 A1, A2, AN...을 순차적으로 스캔하여 획득될 수 있다. 프레임 A에 대한 시간에서의 순차적 프레임인 프레임 B에 대해 이 시퀀스를 따름으로써, 타겟이 움직였을 수 있다. 모션 아티팩트(artifact)들의 영향을 최소화하기 위해, A1, B1, C1, A2, B2, C2 등과 같이 상이한 프레임들에 대한 스캔 라인들을 인터리빙하여 빔포밍이 이루어질 수 있다. 송신과 수신이 함께 이루어질 수 있도록 A와 C가 결합될 때, 결합된 A, C 영역이 D로, 스캔 라인들이 D1, D2 등으로 명명될 수 있다. 비제한적인 예시적인 스캔 시퀀스는 D1, B1, D2, B2 등이 될 수 있다. 이것은 이미징되는 타겟에서의 움직임들에 대한 민감도를 최소화하는 데 도움이 될 수 있다.
일부 실시예들에서, A, B, C를 형성하는 데 사용되는 행들의 수는 프로그래밍 가능하다. 행들의 수는 이미징되는 해부학적 구조들(anatomies)에 따라 조정될 수 있으며, 예를 들어 사용자 인터페이스에서 해부학적 구조들 또는 환자 정보에 기반한 사전 설정들을 사용하여 설정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전자적인 합성 렌즈는 동적 포커싱 및 동적 개구를 제공한다. 예를 들어, 가까운 필드에서, A와 C의 가중치들이 최소가 되고 깊이에 따라 점차 증가할 수 있으며, 이에 따라 개구에 변화를 초래할 수 있다.
일부 실시예들에서, 섹션들(예를 들어, A 및 C)은 송신 및 수신 동안 아포다이징(apodize)된다. 아포다이제이션은 송신(Tx) 구동 파형의 펄스 폭 변조(pulse width modulation; PWM)에 의해 달성될 수 있다. 아포다이징되지 않은 펄스 구동은 공칭(nominal) 펄스 폭을 갖는다. 펄스 폭이 변경될 때, 예를 들어, 감소될 때, pMUT로부터의 압력 출력이 감소될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아포다이제이션은 트랜스듀서의 중심으로부터 에지들로 감에 따른 소자들의 가중치들의 테이퍼링이다. 이것은 사이드 로브(side lobe)들을 줄이고 더 높은 품질 이미지들을 생성할 수 있다. 설명된 절차에 아포다이제이션을 적용하는 것에 의해, 고도 평면의 외부로 누출되는 신호들이 감소될 수 있다.
일부 실시예들에서, 아포다이제이션은 다중 레벨 송신 구동, 예를 들어, 3 또는 5 또는 7레벨을 사용하여 달성될 수 있다. 이 구동 신호의 상이한 레벨들을 선택하여, 아포다이제이션은, 트랜스듀서의 중심보다 에지에 더 가까운 소자에 대해 진폭이 더 낮은, 진폭이 변화하는 송신 구동 신호들을 적용함으로써 생성될 수 있다. 이 예시에서, 중앙 행들에 비해 외측 행들에 있는 모든 소자들이 더 낮은 구동 전압들을 가질 수 있으며, 디지털 디코딩 및 선택에 의해, 특정 구동 레벨들이 다중 레벨 출력들을 형성하는 데 이용 가능할 수 있다. 세 개의 레벨 디코딩 예시가 도 20에 도시된다.
일부 실시예들에서, 아포다이제이션은 트랜스듀서 개구 중앙에 있는 것에 비해 에지들에서 더 작은 크기의 압전 소자들을 이용하여 구현된다.
하나의 실시예에서, 회로는 모든 열들에 대해 고도 방향을 따라 프로그래밍 가능한 지연들을 이용한다. 모든 N개의 열들은 서로에 대해 지연되는 구동 신호들을 수신할 수 있다. 열 소자들을 따라 추가 지연들을 추가하기 위해 추가 지연들이 생성되며, 여기서 열을 따르는 각 소자는 동일한 열에 있는 그것의 인접한 이웃에 대해 상이하게 지연될 수 있다. 지연 프로파일 예시는 도 16에 도시된다. 따라서, 어레이 소자(elei,j)에 대한 유효 지연은 그룹 열 지연(τj)과 그 다음 개별 행 지연(τi)의 합이다.
(1)
하나의　실시예에서：
(2)
(3)
위의 식들에서, 송신 시 초점(focal point)은 위치 (x,y,z)에 있으며, 지연들은 위치 xj,yi에서의 소자에 대해 독립적으로 계산된다. 변수(c)는 전파 매체에서 가정된 음속이다. 완전하고 분리 불가능한 포커싱의 경우, 트랜스듀서 소자(elei,j)에 대한 지연은 다음과 같이 계산된다는 것을 유의한다:
(4)
방위각과 고도에서의 지연들에 대한 분리 가능성 가정은 완벽하지 않으며 지연 프로파일에서 가장 큰 오차들이 포커싱 개구의 외부 소자들에 대해 발생할 것이다. 그러나, 작은 스티어링 각도들과 큰 f/#의 경우, 이러한 분리 가능성 가정은 만족스러운 결과들과 전자적 구현의 용이성을 제공한다.
고도를 따르는 모든 열 소자들의 지연들은 유사하다. 지연 프로파일은 대칭일 수 있으며, 고도 평면 내의 포커스에 대해 중심에서 최대 지연을 가질 수 있다. 지연의 양은 초점 거리를 결정한다. 포커스 깊이가 얕을수록 상대적으로 긴 지연, 예를 들어, 대략 수백 나노초를 필요로 하고, 포커스 깊이가 깊을수록 더 짧은 지연들, 예를 들어, 대략 수 나노초를 필요로 한다. 또 다른 기법은 모든 열들에 대해 고도 방향을 따라 프로그래밍 가능한 지연을 이용한다. 모든 N개의 열들은 서로에 대해 지연되는 구동 신호들을 수신할 수 있다. 열 소자들을 따라 추가 지연을 추가하기 위해 추가 지연들이 생성되며, 여기서 열을 따르는 소자는 동일한 열에 있는 그것의 인접한 이웃에 대해 상이하게 지연될 수 있다. 따라서, 열에 있는 중심 소자에 대한 비대칭 지연들 또한 달성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 고도 방향을 따라 프로그래밍 가능한 지연들이 이용되며, 여기서 고도 지연들은 대략적인 선형 지연과 미세한 임의 지연의 합이다. 다시, 모든 N개의 열들은 서로에 대해 지연되는 구동 신호들을 수신한다. 열 소자들을 따라 추가의 지연을 추가하기 위해 고도 지연들이 생성되며, 여기서 열을 따르는 각 소자는 대략적인 지연과 미세 지연으로 지연에 의해 지연되는데, 여기서 대략적인 지연은 인접한 소자들 간에 선형일 수 있고 미세 지연은 인접한 소자들 간에 선형 또는 비선형일 수 있다. 열 소자들을 따르는 선형 지연과 미세 지연은 열마다 상이할 수 있다. 따라서,어레이 소자(elei,j)에 대한 유효 지연은 그룹 열 지연(τj), 선형 대략적 행 지연(τi,coarse), 및 미세 행 지연(τi,fine)의 합일 것이다.
(5)
하나의　바람직한　실시예에서,
(6)
(7)
위의 식들에서, 송신 시 초점은 위치 (x,y,z)에 있으며, 지연들은 위치 xj,yi에서의 소자에 대해 독립적으로 계산된다. 변수(c)는 전파 매체에서 가정된 음속이다. 식 (6)에서, ymin 파라미터는, 초점 (x, y, z)를 2D 트랜스듀서 평면으로 투영하고, 투영된 초점에 대한 최소 거리로 트랜스듀서 행 위치를 계산함으로써, 계산된다. 대략적인 지연의 기울기()는, 미세 지연이 완벽한 2D 지연들의 양호한 근사를 제공하는 데 사용될 수 있도록 계산될 수 있다.
통상의 기술자에게는, 지연들을 계산하기 위한 위의 방법론이 앞서 언급한 X-Y 분리형 지연들에 비해 식 (4)의 2D 초점 지연들에 대해 훨씬 더 양호한 근사를 제공한다는 것이 명확할 것이다. 개선된 지연 계산은, 열 별로 상이한 지연들을 구현하기 위해 대략적인 지연 클록, 미세 지연 클록, 및 일부 추가의 레지스터 비트들을 필요로 하는 것을 희생하면서 일어난다. 그러나, 이 방법은 미세 클록 지연들과 개별 소자 라우팅을 이용하는 2차원에서의 완전히 임의적인 지연보다 집적 회로에서 구현하기가 더 쉽다. 또 다른 실시예에서, 캐스케이드식 시리즈(cascaded series)의 플립플롭들이, 적절한 지연을 갖는 Tx 빔포머로부터 열에 도착하는 클록을 게이팅(gate)한다. 이 지연은, 그 다음, 주파수를 프로그래밍할 수 있지만 다양한 열 구동기들에 대한 구동기들에 대한 지연을 생성한 Tx 클록과 동기화된 상이한 클록에 의해 열에서 전파된다. 열에 있는 중앙 소자를 중심으로 한 대칭 지연의 경우, 지연들을 생성하는 플립플롭 체인은 열의 중앙 소자에서 정지하며, 여기서 지연 프로파일은 도 17에 표시된 대로 중앙을 중심으로 대칭이다. 플립플롭들에 의해 생성된 지연들은 적절한 위치들로 라우팅되므로, 행 0 소자는 마지막 행에 있는 소자와 동일한 지연을 가지며, 2번째 행에 있는 소자는 상부 측의 마지막으로부터 2번째 소자와 유사한 지연을 갖는 등이다. 실시예에서, 열 내의 인접한 소자들 사이의 지연들은 선형이다. 표 1에서의 결과들과 도 23에서의 고도 빔플롯들은 포물선형 프로파일과 비교하여 고도에서 선형 지연 프로파일을 사용하는 효과들을 정량화한다. 표 1에서의 결과들은 도 21에서의 단방향 빔플롯들의 빔폭들(-3dB 및 -10dB에서)을 정량화한다. 고도 포커싱의 5개의 상이한 구현들이 2D 트랜스듀서 어레이에 대해 조사되었다: 1) 고도 포커싱 없음 2) 완벽한 2D 포커싱(식 4), 3) 선형 지연들, 4) 구역별(piecewise) 선형 지연들 및 5) 스파스(sparse) 아포다이제이션. 선형 지연 케이스의 경우, 열을 따라 인접한 소자들 간의 지연들은 서로에 대해 고정되며, 고도 지연 프로파일은 어레이의 중앙을 중심으로 대칭이 될 수 있다. 구역별 선형 지연들의 경우, 지연 프로파일은 주어진 세그먼트에서의 인접한 소자들이 서로에 대해 고정된 지연들을 갖는 적어도 3개의 세그먼트들로 분리된다. 이 방법은, 다수의 선형 지연 세그먼트들을 포함함으로써 포물선형 지연 프로파일의 더 양호한 근사를 허용할 수 있다. 마지막으로, 스파스 아포다이제이션 방법은, 송신 시 어레이가 1.5D 어레이와 유사하게 거동하도록 하기 위해, 소자들을 켜고 끄는 것에 의해 다른 방법들에 비해 활성 소자들의 수를 감소시킨다. 이 스파스 아포다이제이션 방법의 한 예시가 도 21에 도시된다. 이 접근 방식에서, 출력 압력이 출력 압력 전체(full) 개구에 비해 감소될 수 있다. 표 1의 결과들은 방위각에서 0°스티어링을 갖는 고도 빔플롯들의 -3dB 및 -10dB 빔폭들을 도시한다. 결과들은, 선형 지연 방법이 고도 포커싱을 사용하지 않는 것보다 더 양호하고 완벽한 2D 포커싱 방법과 유사하다는 것을 보여준다. 구역별 선형 지연 방법은 선형 방법보다 훨씬 더 양호한 빔폭 성능을 달성한다. 스파스 아포다이제이션 방법은 달성 가능한 빔폭 측면에서 고도 포커싱이 없는 것보다 더 양호하지만 선형 방법들만큼 우수하지는 않다. 스파스 아포다이제이션 방법이 성능이 떨어지는 이유는, 스파스 어레이의 "행들"을 따르는 피치가 다른 방법들에 비해 감소되기 때문일 가능성이 높다. 도 21의 고도 빔플롯 결과들은, 선형 및 구역별 선형 지연 빔플롯들이 2D 포커싱된 빔플롯과 -15dB까지 유사하다는 것을 보여준다. 스파스 아포다이제이션 방법은 행들의 측방향 오프셋들로 인해 비대칭 빔플롯을 가지며, 이 방법은 또한 조사된 모든 방법들 중 가장 큰 사이드 로브들을 나타낸다. 방법들은 또한, 축을 벗어난 측방향으로의 스티어링일 때에도 안정성을 보여준다(도 21의 오른쪽 플롯). 이러한 결과들은, 앞서 언급한 전자적 고도 지연 방법들이 저비용 배터리 동작되는 초음파 시스템들에서 위상 어레이 및 선형 어레이 이미징에 대한 적합한 대안들이라고 제안한다.
포커싱 방법 -3dB 빔폭(mm) -10dB 빔폭(mm)
고도 포커싱 없음 6.08 15.98
완벽한 2D 포커싱 5.35 9.23
선형 지연들 5.38 9.25
구역별 선형 5.35 9.25
스파스 아포다이제이션 5.50 9.65
:다양한 지연 프로파일들을 사용하거나 포커싱을 사용하지 않은 고도 포커스 영향. 이러한 결과들은 도 21의 왼쪽에 있는 0°방위각 스티어링 빔플롯들의 결과들을 정량화한다.
도 21은 0°측방향 스티어링(왼쪽)과 45°측방향 스티어링(오른쪽)을 갖는 시뮬레이션된 24x128 매트릭스 어레이의 고도 빔플롯들을 도시한다. 이 도면은 고도 포커싱이 없는 것(청색 커브)과 비교하여 고도 차원에서 포커싱을 제공하는 조사된 방법들의 차이점들을 도시한다.
도 22는 24x128 2D 어레이로 송신 고도 포커싱을 허용하는 스파스 Tx 개구를 도시한다. 음영 처리된 원들은 열당 활성 소자들이며 고도 대칭이 사용된다(대칭의 고도 평면을 따르는 포커싱을 가정). 송신 방식은 24x128 활성 소자들을 모두 사용할 때보다 대략 1/3 적은 압력을 출력할 것이다.
일부 실시예들에서, 열에 있는 각 소자는 전용 송신 구동기를 갖는다. 일부 실시예들에서, 각 소자 구동기는 클록, 예를 들어, TxB Clk에 의해 구동되는 디지털 지연 회로를 포함한다. 일 실시예의 지연 회로는 도 15a에 도시된 바와 같이 다수의 플립플롭들을 포함한다. 플립플롭들(예를 들어, DFF1, DFF2, DFF3, DFF4 등)은 열의 하부, 예를 들어, 행 0부터 시작하는 디지털 입력을 갖는다. TxA는 송신 빔포머로부터 생성된 디지털 비트이다. 이 바람직한 실시예에서의 송신 빔포머는 채널당 다수의 디지털 비트들을 제공하는 회로부로 구성된다. 도 15a에서, 채널당 2비트를 보여준다. TxA는 이러한 비트이다. TxB는 또 다른 비트이며, TxA에 접속(attach)된 것으로 도시된 것과 동일한 회로가 TxB에도 복제된다. 이러한 2개의 비트들은 도 28에 도시된 것과 같이 송신 구동기의 전압 구동 레벨들을 결정하기 위해 인코딩된다. 여기서 TxA와 Txb는 Tx 구동기의 출력 레벨들을 결정하기 위해 디코딩되는 디지털 신호들이다. 예를 들어 TxA, TxB가 모두 0이거나, 출력 레벨이 공통이거나 또는 때때로 신호 접지인 경우가 있다. TxA=1, TxB=0인 경우, 출력은 HI이다. 이것은 5V 또는 10V의 양극 전압이거나 필요에 따라 일부 다른 값일 수 있다. TxA=0, TxB=1일 때, 예를 들어 공통이 0V일 때 출력은 LO 또는 -5V 또는 -10V가 된다. TxA 및 TxB는 TxB CLK라고 지칭되는 고속 클록을 사용하여 Tx 빔포머에서 생성된다. 이것은 바람직한 예시에서 200MHz 클록이다. Tx 펄서 출력으로부터의 지연된 출력 신호들은 도 16에 도시된 것과 같이 초음파 빔을 스티어링하거나 포커싱하는 데 사용될 수 있다. 여기서 라인 이미저는 라인 상의 모든 소자들이 동일한 지연을 공유하는 것으로 가정된다. 각 라인 요소는 Tx 빔포머에 의해 전송되는 2비트(TxA, TxB)를 갖는다. 다음 라인들의 비트들은 상이하며 빔을 포커싱하는 스티어링의 필요성에 따라 지연될 수 있다. Tx 빔포머에 의해 적용되는 이러한 지연들은 방위각 축을 따르며 빔을 축 방향으로 스티어링하거나 포커싱할 수 있다. 지연들은 그러나 고도 평면에서 빔을 스티어링하거나 포커싱하기 위해 고도 방향을 따라서도 필요하다. 이것은 열에 있는 소자들에 대해 분리된 지연들을 필요로 한다. 도 15a는 예시적인 실시예를 도시한다. TxA, TxB 비트들은 Tx 빔포머로부터 열에 도착한다. N이 1에서 16 또는 32 또는 필요한 만큼 큰 플립플롭들(DFF1-DFFN)이 모든 행에 위치된다. DFF1의 입력 핀 2는 TXA 또는 TxB에 연결된다. 플립플롭들의 핀 1은 TxB 클록을 그것의 입력으로 하는 디지털 분할기에 의해 생성되는 clk_hi라고 명명되는 클록에 연결된다. 분할은 M에 의해 이루어지며, 여기서 8비트 버스로 도시된 Div Control이라는 디지털 입력 버스가 M의 값을 결정하는 데 사용된다. 플립플롭들(DFF1-DFFN)은 도 15a에 도시된 바와 같이 tXA/TxB 입력 신호들의 지연들을 생성하며, A, B, C는 TxA, TxB의 지연된 버전들이다. 이들의 출력들은 이러한 입력들 중 하나를 그것의 출력으로서 선택하는 MUX에 연결되며, 여기서 선택은 SEL0, SEL1 등에 의해 제어되는 디코더를 사용하여 이루어지고, 이러한 것들은 F 비트들로 구성된다. 이러한 디지털 출력들, 이 케이스에서 소자당 2개는, 그 다음 도 20에 도시된 바와 같이 디코딩되어 펄서 출력을 구동하는 데 사용된다. 이 회로는 열에 있는 소자들에 대한 TxA, TxB 비트들에 대해 들어오는 지연과 관련하여 미세 지연들을 제공할 수 있다. 또한, 이러한 지연들은 열에 있는 소자들에 대해 고유할 수 있다. 도 15b는 열에 있는 소자들에 대략적인 지연들 또한 추가될 수 있는 예시적인 실시예를 도시한다. 여기서 또 다른 분할기는, 이번에는 입력 클록 TxB를 N으로 나누며, 여기서 M은 N보다 작거나 같은 정수이다. 이 분할기의 출력인 clk_lo는 도 15b에 도시된 DFF의 클록 입력에 연결된다. 여기서 TxA 또는 DFF의 출력(TxA의 지연된 버전)은 MUX에 연결되고 지연되지 않은 버전이 선택된 경우, 행 0 소자에 적용된다. 이것은 그 다음 행 1에 있는 DFF 핀 2에 연결된다. 이번에는 행 1 소자가 지연을 원하는 경우, 행1에 있는 MUX에 의해 지연된 버전(DFF의 핀 3 출력)이 선택된다. 이것은 다음 소자에 대해서도 반복될 수 있다. 여기서 행 0에 있는 소자를 제외한 열에 있는 모든 소자들에 지연을 추가했다. 열 위쪽의 소자들에 적용된 이 선형 지연은 빔을 스티어링하는 데 도움이 될 것이다. 도 15a와 15b의 회로들 또한, 열에 있는 모든 소자들에 미세 지연과 대략적인 지연을 부여하도록 결합될 수 있다. 예를 들어, 이것은 INT_TXA@행0 및 다른 행들에 있는 유사한 노드에 회로부를 추가함으로써 이루어질 수 있으며, 여기서 코스 지연 발생기에 의해 이미 지연된 이러한 출력들에 미세 지연들을 추가하기 위해 도 15a로부터의 미세 지연 회로가 삽입된다. 이러한 회로부들은 미세 지연을 제공한다. DFF의 출력에 이어서, 다음 행에 대해서가 아니라, mux 1과 유사한 mux까지 올라간다. 이 신호는 그 다음 이것에 연결된 DFF에 의해 지연된다. 동일한 프로세스가 다른 행들로 수직으로 가면서 반복된다. 이것은 열에 있는 소자들을 선형적으로 올라가면서 신호들을 지연시킨다. 각 행에서, DFF1-N은 열의 모든 소자들에 대해 원하는 대로 미세 지연을 추가한다. mux 1의 제2 입력과 모든 행들에 대한 유사한 mux들은, 상부(행 0)에서의 가장 적은 지연과 하부(행 1)에서의 가장 큰 지연으로 시작하여 신호들을 선형적으로 지연시키는 데 사용된다. 여기서 TxA/B 또한 마지막 행에 있는 mux 1의 핀 2에 연결될 것이다. 이러한 방식은 MUX1(및 다른 행들에 있는 그것의 등가물들)에 대한 UP 제어를 사용하여, 지연은 하부로부터 상부로 또는 그 반대로 증가될 수 있다. 도 19는 펄서 파형들, 즉 고도 포커스에 대한 지연 및 디코딩이 완료된 후의 송신 구동기 출력을 도시하며, 여기서 P1은 1개의 지연 유닛을 갖는 소자 1에 대한 송신 구동기 출력을 나타내고, P2는 소자 2에 적용된 2개의 지연 유닛들에 대한 것이며, P4는 4개의 지연들을 갖는 소자 4 송신 구동기의 출력이다. 이 케이스에서, 이 다이어그램에는 열 위쪽의 대략적인 지연만이 도시되고 미세 지연은 도시되지 않는다. 도 16은 열에 있는 소자들에 대한 상대적 지연을 도시한다. 일부 실시예들에서, 지연의 양은 초점 거리를 결정한다. 일부 실시예들에서, 모든 열들에 대한 시작 지연은 방위각 축을 따라 포커싱하기 위한 필요들에 의해 설정되고 상이할 수 있다. 고도 축을 따른 지연은 임의적일 수 있다. 예를 들어, 지연은 트랜스듀서의 하부 행으로부터 상부 행은로 갈수록 선형적으로 증가할 수 있다. 이 케이스에서, 빔은 고도 방향으로 스티어링될 수 있다. 지연이 중앙 소자를 중심으로 대칭인 경우, 포커스는 고도 평면 내에 있다. 다른 다양한 지연 프로파일들 또한 가능하며 고도 슬라이스의 스티어링과 포커스를 허용할 수 있다.
도 17은 트랜스듀서의 열을 따라 압전 소자들에 적용되는 송신 구동 펄스들의 비제한적인 예시 파형들을 도시한다. 이 실시예에서, 트랜스듀서는 열에 있는 24개의 압전 소자들을 갖는다. P0는 행 0에 있는 특정 열(예를 들어, 열 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 등)에 있는 압전 소자이고, P1은 P0과 같은 열에 있지만 행 1에 있는 압전 소자이고, P11은 같은 열에 있지만 행 11에 있고, P22는 행 22에 있고, P23은 행 23에 있다. 이 실시예에서, 특정 주파수에서 하나의 펄스가 소자 P0에 적용된다. 동일한 펄스가 소자 P1에 적용되지만, P0에 대해 t01만큼 지연된다. 유사하게, 동일한 펄스가 지연 t01보다 긴 지연 t011을 갖는 P11에 도달한다. 이 실시예에서, 지연들은 중앙 소자(P11)를 중심으로 대칭을 갖는다. 이것은, 도 17에 표시된 바와 같이, P23 및 P0에서의 펄스 타이밍이 실질적으로 동일하고, P1, P22에서의 펄스 티이밍이 실질적으로 동일하다는 것을 의미한다. 일부 실시예들에서, 본 명세서의 펄스(폭, 크기, 형상 및/또는 주파수)는 동일한 열의 모든 소자들에 대해 동일하다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서 펄스 상대 지연 및 주파수는 열에 대해 2개의 행들에 있는 모든 소자들에 대해 동일하며, 열에 있는 첫 번째 소자에 대한 초기 지연의 경우, 상이한 열에 있는 유사한 소자와 상이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 명세서의 펄스는 다양한 형상들을 가지며 파형은 다수의 펄스들을 가질 수 있다. 펄스의 비제한적인 예시적인 형상들은, 직사각형 펄스, 가우시안 및 사인파 펄스 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예들에서, 지연들, 예를 들어, t01, t02, t03, ... , t011은 선택된 모든 열들에 있는 모든 소자들에 대해 전자적으로 제어되고 프로그래밍된다.
도 18은 열들 사이의 지연 관계를 도시한다. 이 특정 실시예에서, 지연들은 송신 빔포머 채널 지연들에 의해 결정된다. 예를 들어, t10은 열 0에 있는 소자 0과 열 10에 있는 소자 0 사이의 지연이다. 이러한 지연들은 송신 빔포머에서 프로그래밍되며, 도 10a의 평면 xa-za에 도시된 바와 같이 방위각 평면에서 빔을 포커싱하는 것을 돕도록 전기적으로 조정 가능하다. 일부 실시예들에서, 도 10a의 평면 ya-za에 도시된 바와 같이, 열에 있는 소자들 사이의 지연들은 빔을 포커싱하거나 고도 평면에서 빔을 틸팅(tilt)하도록 개별적으로 프로그래밍된다. t01은 동일한 열에 있는 소자들(예를 들어, 열 0에 있는 소자들 0 및 1과, 열 10에 있는 소자 0 및 1) 사이의 예시적인 지연이다. 일부 실시예들에서, 열에 있는 소자들의 지연들은 그 채널에 대한 송신 빔포머에 의해 결정된 시작 지연과 관련된다. 일부 실시예들에서, 시작 지연은 송신 빔포머에 의해 사전 결정되거나 송신 빔포머에 의해 조정 가능할 수 있다.
도 20을 참조하면, 특정 실시예에서, 펄서 기능의 예시가 도시된다. 이 실시예에서, 두 개의 디지털 입력들, 즉 IN1(예를 들어, 도 17의 TxA), IN2(예를 들어, 도 15a의 TxB)는 펄서의 전압 출력 레벨을 제어한다. 이 두 입력들의 논리 레벨들에 기초하여, 세 개의 레벨 출력 결과가 생성될 수 있으며, 여기서 HVP0은 양극 고전압, HVM0은 음극 저전압, XDCR은 유효 접지 레벨 또는 0V이다. 이 실시예에서, 동일한 펄스 형상의 5개의 사이클들이 출력 결과로서 생성된다. 일부 실시예들에서, IN1, IN2 패턴 및/또는 패턴의 주파수를 변경함으로써, 출력 결과의 패턴, 주파수 및/또는 펄스 수가 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 명세서의 논리 레벨들 또는 논리 코딩들은 하나 이상의 입력의 디지털 논리 연산들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 논리 연산들은 다음으로부터 선택된 하나 이상의 입력에 대해 하나 이상의 논리 연산자를 사용하는 것을 포함할 수 있다: AND, NOT, OR, NAND, XOR, NOR, XNOR, 또는 임의의 다른 논리 연산들.
일부 실시예들에서, 케스케이드식 시리즈/플립플롭들의 체인은 적절한 사전 결정된 또는 사전 프로그래밍된 지연을 이용하여 그 열에 대한 송신 구동기로부터 하나 이상의 열에 도착하는 송신 클록을 게이팅한다. 일부 실시예들에서, 이 지연은, 그 다음, 주파수를 프로그래밍할 수 있지만 다양한 열 구동기들에 대한 구동기들에 대한 지연을 생성하는 송신 클록과 동기화된 상이한 클록에 의해 열에서 전파된다. 일부 실시예들에서, 지연(들)을 생성하는 플립플롭 체인은 열의 중앙 소자에서 정지하며, 여기서 지연 프로파일은 도 17에서와 같이 중앙을 중심으로 대칭이다. 플립플롭들에 의해 생성된 지연들은 하나 이상의 열 내의 적절한 위치들로 라우팅될 수 있으므로, 행 0 소자는 마지막 행에 있는 소자와 동일한 지연을 가지며, 2번째 행에 있는 소자는 상부 측의 마지막으로부터 2번째 소자와 유사한 지연을 갖는 등이다.
실시예들에서, 고도 포커스는 다양한 지연 프로파일을 사용하여 달성된다. 열의 하부로부터 상부로 지연이 단조롭게 증가 또는 감소하도록 고도 방향에서 선형 지연 프로파일을 사용하는 것은, 빔을 고도 방향으로 스티어링할 수 있다. 그 외에도, 열들의 단부들에서 곡률이 0인 빔에 대한 일부 추가적인 곡률은, 빔 스티어링에 더해 포커스를 허용할 수 있다. 필요한 이론적 지연들의 선형 근사들은, 스티어링 및 포커스를 제공하고 본 명세서의 실시예들에 설명된 경제적인 구현들을 허용하기에 충분히 정확할 수 있다.
도 23은 본 개시의 실시예들에 따른 압전 소자들(2002-11 내지 2002-mn)의 m x n 어레이(2000)의 개략도를 도시한다. 묘사된 바와 같이, 각 압전 소자는 (도 3a의 압전 소자(214)와 같은) 두 단자 압전 소자일 수 있고, 도체(O)(예를 들어, 2004-11)에 전기적으로 결합된 전극(O)(예를 들어, 2003-11) 및 공통 도체(X)(2006)를 통해 접지 또는 DC 바이어스 전압에 전기적으로 연결된 전극(X)을 가질 수 있다. 실시예들에서, 각 신호 도체(O)는 회로 소자에 의해 독립적으로 관리될 수 있다. 실시예들에서, 각 도체(O)(예를 들어, 2004-mn)는 회로 소자의 송신 구동기에 전기적으로 결합될 수 있고, 압전 소자 어레이의 모든 X개의 전극들(2006-11 내지 2006-mn)은 공통 도체(X)(2006)에 연결될 수 있다. 실시예들에서, 어레이(2000)는 트랜시버 기판 상에 배치될 수 있고, m x n + 1 범프들과 같은 상호 연결 메커니즘에 의해 ASIC 칩에 전기적으로 결합될 수 있다. 보다 구체적으로, m x n 도체들(O)(2004-11 내지 2004-mn)은 m x n 범프들에 의해 ASIC 칩의 m x n 송신 구동기들에 결합될 수 있고, 공통 도체(X)(2006)는 하나의 범프에 의해 ASIC 칩에 결합될 수 있다. 실시예들에서, 여기에 설명된 바와 같은 그러한 예시적인 배열은 3D 이미징을 수행하는 데 사용되며, 여기서 적어도 하나의 서브 압전 소자를 포함하는 각 압전 소자는 어레이에서 고유한 정보를 제공할 수 있다. 실시예들에서, 각 압전 소자는 하나 이상의 멤브레인을 가질 수 있고, 멤브레인의 다수 모드들 및 주파수들에서 진동할 수 있다. 실시예들에서, 각 압전 소자(2002)는 도 27 및 도 28의 전압 프로파일들(3300 및 3400)을 갖는 펄스들에 의해 구동될 수 있다.
실시예들에서, 각 열(예를 들어, 2003-11 내지 2003-m1) 내의 O 전극들은 공통 도체에 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, ASIC 칩 내의 회로 소자들은 각 열 내의 O 전극들이 서로 전기적으로 결합될 수 있도록 전자적으로 제어될 수 있다. 이러한 구성에서, 각 열 내의 O 전극들은 공통 송신 구동기를 통해 또는 송신 모드 동안 동일한 전기 구동 신호들을 갖는 다수의 구동기들마다 동일한 전기 펄스를 수신할 수 있다. 유사하게, 각 열 내의 O 전극들은 수신 모드 동안 공통 증폭기로 전하를 동시에 송신할 수 있다. 다르게 말하면, 각 열 내의 압전 소자는 라인 유닛(또는 이에 상응하는 라인 요소)으로서 동작될 수 있다
도 24는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템(2900)의 예시적인 실시예를 도시한다. 묘사된 바와 같이, 이미징 시스템(2900)은 압전 소자들(2902-11 내지 2902-mn)의 어레이를 포함하며, 각 압전 소자는 제1 및 제2 신호(O) 전극들 및 T 전극을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 어레이 내의 모든 T 전극들은 하나의 공통 도체(T)(2908)에 전기적으로 결합될 수 있고, 제1 O 전극들의 각 행은, 합성 렌즈가 없는 라인 이미저를 원하는 경우 도체들(O1 내지 Om) 중 하나에 전기적으로 연결될 수 있다. 이 케이스에서 기계식 렌즈가 충분할 것이다. 그러나, 도 24에 도시된 바와 같이 열에 있는 모든 O 노드들을 단락시키지 않고 동일한 것이 달성될 수 있다. 대신에, 각 O 노드는 구동기에 의해 구동되며, 열에 있는 소자들에 대한 모든 구동기 신호들이 동일한 지연을 갖는 경우, 도 24에 도시된 것과 같이 동일한 거동이 본질적으로 달성되었다. 도 24에 도시된 실시예들에서, 스위치들(2912-1 내지 2912-n) 각각은, 저잡음 증폭기일 수 있는 증폭기(예를 들어, 2941-1) 및 송신 구동기(예를 들어, 2916-1) 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, 송신 모드 동안, 신호는 송신 구동기(예를 들어, 2916-1)로부터 도체(예를 들어, O12)를 통해 제2 O 전극들의 열로 송신될 수 있으며, 이에 의해 압전 소자들의 열이 라인 유닛으로서 압력파들을 발생시킬 수 있다. 송신 모드 동안, 각 스위치(예를 들어, 2912-1)는 대응하는 송신 구동기(예를 들어, 2916-1)로 토글될 수 있다.
실시예들에서, 이미징 시스템(2900)은 두 개의 상이한 방법들로 반사된 압력파들을 프로세싱할 수 있다. 첫 번째 방법에서, 증폭기들(2910-1 내지 2910-n)은 제1 O 전극들로부터 전하 신호들을 수신할 수 있으며, 즉, 각 증폭기는 제1 O 전극들의 행으로부터 신호들을 수신할 수 있다. 이 방법은, 2차원 이미지의 경우, 이중 평면 이미지에 대해 직교 관점들을 제공할 수 있는 이중 평면 이미징/모드를 허용한다. 또한, 이 방법은 2차원보다 많은 이미징 능력을 제공할 수 있다. 이중 평면 이미징은 생체 검사(biopsy)와 같은 많은 애플리케이션들에 도움이 될 수 있다. 이 방법에서는 송신 및 수신 모드들이 동시에 수행될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 두 번째 방법에서, 스위치들(2912)은 증폭기들(2914)로 토글될 수 있으며, 이에 의해 각 증폭기는 제2 O 전극들의 대응하는 열로부터 전하 신호들을 수신하고 프로세싱할 수 있다.
실시예들에서, O 도체에 전기적으로 결합된 O 전극의 열(또는 행)을 지칭하는 라인 유닛은, 송신 유닛 또는 수신 유닛 또는 둘 다로 동작할 수 있다. 실시예들에서, 도체들(O1 내지 Om)이 도체들(O12 내지 On2)에 직교하는 방향들로 배열되어 있더라도, 방향들은 전자적으로 프로그래밍되고 전자적으로 조정 가능할 수 있다. 예를 들어, 증폭기들(2910 및 2914)의 이득은 전자적으로 조정 가능할 수 있으며, 여기서 이득 제어 리드들은 증폭기들 내에 구현될 수 있다. 실시예들에서, 각 라인 요소들의 길이(즉, 각 라인 요소 내의 압전 소자들의 수) 또한 전자적으로 조정될 수 있다. 실시예들에서, 이것은 모든 압전 소자의 모든 신호 전극들을 ASIC 칩 내의 대응하는 노드들에 연결함으로써 달성될 수 있고, 여기서 ASIC은 서로 연결될 소자들의 신호 전극들, 적절하게 송신 구동기들 또는 증폭기들 사이의 연결을 프로그래밍한다.
도 25는 본 개시의 실시예들에 따른 회로 소자(3001)에 결합된 압전 소자(3000)의 실시예를 도시한다. 묘사된 바와 같이, 압전 소자(3000)는, 제1 서브 압전 소자(3021-1) 및 제2 서브 압전 소자(3021-2)를 포함할 수 있다. 압전 소자(3000)는, 제1 및 제2 서브 압전 소자들에 의해 공유되고 도체(X)(3006)에 결합되는 하부 전극(X)(3002)을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 제1 서브 압전 소자(3021-1)는 도체(3008)를 통해 증폭기(3010)에 전기적으로 결합되는 신호(O) 전극(3003)을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 제2 서브 압전 소자(3021-2)는 도체(3012)를 통해 증폭기(3014)에 전기적으로 결합되는 신호(O) 전극(3004)을 포함할 수 있다.
실시예들에서, 회로 소자(3001)는 압전 소자(3000)에 전기적으로 결합될 수 있고, 저잡음 증폭기와 같은 두 개의 증폭기들(3010 및 3016) 및 송신 구동기(3018)를 포함할 수 있다. 실시예들에서, 스위치(3014)는 도체(3012)를 통해 O 전극(3004)에 연결된 일 단부와 수신 모드를 위한 증폭기(3016)와 송신 모드를 위한 송신 구동기(3018) 사이를 토글할 수 있는 다른 단부를 가질 수 있다. 실시예들에서, 증폭기(3016)는 전자 기기들을 기호적으로 나타내기 위해 증폭기가 사용되더라도, 수신 신호를 더 증폭, 필터링 및 디지털화하기 위해 다른 전자 기기들에 연결될 수 있다. 송신 구동기(3018)는 다수 스테이지 구동일 수 있으며, 2개 이상의 레벨들의 시그널링을 갖는 출력을 생성할 수 있다. 시그널링은 유니폴라 또는 바이폴라일 수 있다. 실시예들에서, 송신 구동기(3018)는 구동기의 전자적 제어 하에 입력을 구동기의 출력에 상호 연결하는 스위치를 포함할 수 있으며, 이는 도 25에 명시적으로 도시되어 있지 않다. 또한, 구동기(3018)에 대한 입력 신호는 도시되지 않았으며, 이는 도17a 내지 17d에 도시된 바와 같이 동일한 열에 있는 또 다른 소자에 대한 그러한 신호들과 관련하여 지연될 수 있다. 유사하게, 상이한 열들에 위치된 소자들에 대한 지연들은 또한 방위각 축을 따라 전자 포커스를 허용하도록 구현되어, 고도 평면을 따라 전자적 포커스를 허용한다.
실시예들에서, 송신 구동기(3018)의 신호는 펄스 폭 변조(PWM)일 수 있으며, 소자당 펄스 폭들을 제어함으로써, 송신된 초음파 신호에 대해 가중치 함수가 생성될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 송신 신호에 윈도우 함수에 의해 가중치가 부여되는 윈도윙 함수를 수행할 수 있다. 실시예들에서, 가중치 계수들은 PWM 시그널링 동안 이루어지는 바와 같이 송신 신호의 듀티 사이클을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 종류의 동작들은, 방사된 신호의 사이드 로브들이 크게 감쇠되어, 더 높은 품질의 이미지를 허용하는 송신 아포다이제이션을 허용할 수 있다.
실시예들에서, 트랜시버 어레이는 트랜시버 기판 내에 배치될 수 있고 압전 소자(3000)의 n x n 어레이를 포함할 수 있으며, 회로 소자들(3001)의 n x n 어레이는 ASIC 칩 내에 배치될 수 있고, 여기서 각 압전 소자(3000)는 회로 소자들(3001)의 n x n 어레이 중 대응하는 하나에 전기적으로 결합될 수 있다. 이러한 케이스에서, 트랜시버 기판은 3n2 범프들에 의해 ASIC 칩에 상호 연결될 수 있다. 실시예들에서, 압전 소자 어레이의 각 열(또는 행)은 도 25와 함께 논의된 바와 같이 라인 단위로 동작될 수 있다. 예를 들어, 압전 소자들의 열에 동일한 펄스가 동시에 적용되어, 압전 소자들의 열이 동시에 압력파들을 발생시킬 수 있다. 압전 소자들의 n x n 어레이의 각 압전 소자(3000)는 회로 소자들의 n x n 어레이의 대응하는 하나의 회로 소자(3001)와 결합될 수 있음에 유의한다. 대안적으로, 열에 있는 각 소자는 소자의 O 노드를 전용 Tx 구동기 및 전용 수신 증폭기에도 연결함으로써 개별적으로 제어될 수 있다. 송신 구동기에 대한 지연들과 LNA로부터 수신된 신호를 제어함으로써, 송신 및 수신 방향 모두에서 고도 포커스가 달성될 수 있다.
실시예들에서, 서브 압전 소자(3021-1)는 전체 동작 기간 동안 수신 모드에 있을 수 있는 반면, 서브 압전 소자(3021-2)는 송신 또는 수신 모드 중 하나에 있을 수 있다. 실시예들에서, 송신 및 수신 모드들의 동시 동작은 연속 모드 도플러 이미징을 허용할 수 있다.
실시예들에서, 송신 구동기(3018)가 전극(3004)으로 신호를 송신할 때, 서브 압전 소자(3021-2)에 의해 생성된 압력파의 전력 레벨들은 펄스 폭 변조(PWM) 시그널링을 사용하여 변경될 수 있다. 이것은, 예를 들어, B 모드에서 도플러 모드 이미징으로 스위칭할 때, 인체로 송신되는 신호 전력이 길 수 있고, 전력 레벨들이 감소되지 않은 경우, 조직 손상이 발생할 수 있기 때문에 중요하다. 전형적으로, 종래 시스템들에서, 상이한 고속 정착(fast settling) 전원 공급 장치들이 B 모드와 다양한 도플러 모드 이미징에 대해 사용되어, 두 케이스들에서의 송신 구동 전압들을 달리하는 것을 허용함으로써, 예를 들어, 도플러 모드에서 과도한 전력을 생성하지 않게 한다. 종래의 시스템들과 달리, 실시예들에서, 전력 레벨은 종래의 고속 정착 전원 공급 장치들을 사용하지 않고 송신 시 PWM 신호들을 사용함으로써 변경될 수 있다. 실시예들에서, 이러한 모드들을 함께 공동 이미징(co-image)하기 위해 도플러 및 B 모드 이미징 간의 빠른 스위칭이 바람직하다. 실시예들에서, 압전 소자의 접지 전극들은 또한, 서로 분리되어 접지에 개별적으로 연결될 수 있다. 실시예들에서, 이러한 독립적인 접지는 잡음를 감소시키고 더 빠른 정착 시간들을 초래할 수 있다. 실시예들에서, 송신되는 전력은 또한, 전자적 제어 하에서 송신 열들의 높이를 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 이것은, 도플러 모드와 B 모드 모두에 대해 동일한 전원 공급 장치를 사용하고 각 모드에서 전력 송신 요구 사항들을 충족하는 것을 다시 용이하게 한다. 이것은 또한 공동 이미징을 허용한다.
도 26은 본 개시의 실시예들에 따른 다수의 압전 소자들을 제어하기 위한 회로(3100)를 도시한다. 실시예들에서, 회로(3100)는 ASIC 칩 내에 배치될 수 있고, 여기서 트랜시버 기판 내에 배치되는 압전 소자들의 어레이(행 및 열들로 배열됨)와 ASIC 칩은 범프들에 의해 트랜시버 기판에 상호 연결될 수 있으며, 여기서 각 pMUT는 스위치(3014)에 연결되는 O 전극을 갖는 도 25에 도시된 것과 같은 스위치를 통해, 연관된 Tx 구동기 및 수신 회로에 연결될 수 있다. 묘사된 바와 같이, 회로(3100)는 회로 소자들(3140-1 내지 3140-n)의 어레이를 포함할 수 있으며, 여기서 각 회로 소자는 대응하는 압전 소자의 O 및 X 전극들과 신호들을 통신할 수 있다.
도 26에 묘사된 바와 같이, 각 회로 소자(예를 들어, 3140-1)는 제1 스위치(예를 들어, 3102-1), 제2 스위치(예를 들어, 3104-1), 제3 스위치(예를 들어, 3106-1) 및 송신 구동기(예를 들어, 3108-1)를 포함할 수 있다. 송신 구동기(예를 들어, 3108-1)로부터의 출력은 도체(예를 들어, 3110-1)를 통해 압전 소자의 O 전극으로 전송될 수 있다. 송신 모드 동안, 각 회로 소자는 도체(3122)를 통해 송신 구동기 (구동) 신호(3124)를 수신할 수 있다. 트랜지스터 스위치들일 수 있고 제어 유닛(3150)에 의해 제어될 수 있는 각 제2 스위치(예를 들어, 3104-1)는, 신호(3124)를 송신 구동기(예를 들어, 3108-1)로 송신하기 위해 켜질 수 있다. (제어 유닛(3150)과 회로(3100) 내의 다른 컴포넌트들 사이의 전기적 연결들은 도 26에 도시되지 않는다). 송신 구동기(예를 들어, 3108-1)는 논리적 디코드, 레벨 시프트, 입력 신호 버퍼링을 수행할 수 있고, 도체(예를 들어, 3110-1)를 통해 중계(transit) 신호를 O 전극으로 전송할 수 있다. 실시예들에서, 송신 모드 동안, 제1 스위치(예를 들어, 3102-1)는 꺼질 수 있다.
실시예들에서, 제어 유닛(3150)은 송신 모드 동안 어느 압전 소자들을 켤 필요가 있는지를 결정할 수 있다. 제어 유닛(3150)이 제2 압전 소자를 켜지 않기로 결정하는 경우, 제1 스위치(예를 들어, 3102-2) 및 제2 스위치(예를 들어, 3104-2)는 꺼질 수 있는 반면, 제3 스위치(예를 들어, 3106-2)는 켜져서 O 및 X 전극들이 동일한 전기 전위를 갖도록(즉, 압전층을 가로질러 순 제로 볼트 구동이 존재하도록) 할 수 있다. 실시예들에서, 제3 스위치들(3106)은 선택적일 수 있다.
실시예들에서, 수신 모드 동안, 제1 스위치(예를 들어, 3102-1)가 켜져, O 전극에서 발생된 전하가 도체들(3110-1 및 3120)을 통해 증폭기(3128)로 송신될 수 있다. 그 다음, 증폭기(3128)는 전하 신호(또는, 이에 상응하는 센서 신호)(3126)를 수신하고 센서 신호를 증폭할 수 있으며, 여기서 증폭된 신호는 이미지를 생성하기 위해 추가 프로세싱될 수 있다. 수신 모드 동안, 제2 스위치(예를 들어, 3104-1) 및 제3 스위치(예를 들어, 3106-1)는 수신된 신호가 방해 받지 않도록 꺼질 수 있다. 회로 소자(3140-1 내지 3140-n)의 전체 어레이는 공통 증폭기(3128)를 공유하여, 회로(3100)의 설계를 단순화할 수 있음에 유의한다. 실시예들에서, 압전 소자들의 X 전극들은 도체들(3112-1 내지 3112-n)을 통해 접지 또는 DC 바이어스 전압에 전기적으로 결합될 수 있고, 여기서 도체들(3112-1 내지 3112-n)은 공통 도체(3152)에 전기적으로 결합될 수 있다.
실시예들에서, 회로(3100)는 도 23의 압전 소자들(예를 들어, 2002-11 내지 2002-n1)의 열에 결합될 수 있다. 실시예들에서, 회로(3100)는 도 25 내지 32의 압전 소자들의 열을 제어할 수 있다.
도 27 및 도 28은 본 개시의 실시예들에 따른 송신 모드 동안 압전 소자를 구동하기 위한 예시적인 파형들(3300 및 3400)을 도시한다. 일반적으로, 압전 재료는 유전체 노화에 의해 야기되는 손상들에 취약할 수 있으며, 유니폴라 구동 신호들을 사용함으로써 노화가 지연될 수 있거나 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 유니폴라일 수 있고, 2레벨 단계 파형(3300)(즉, 2812, 2912, 3018, 3108, 3208 등과 같은 송신 구동기는 유니폴라 송신 구동기이다) 또는 (3레벨과 같은) 다중 레벨 단계 파형(3400)일 수 있다. 실제 전압 진폭은 전형적으로 1.8V에서 12.6V로 변화할 수 있다. 실시예들에서, 다단계 파형(3400) 또는 더 많은 단계들을 갖는 파형은 압전 소자의 가열을 감소시킬 수 있고 도플러 또는 고조파 이미징과 같은 특정 이미징 모드들 동안 사용하기에 이점들을 가질 수 있다.
실시예들에서, 파형들(3300 및 3400) 내의 펄스들의 주파수는 필요한 신호의 성질(nature)에 따라 달라질 수 있고, pMUT 아래에 있는 멤브레인이 응답하는 주파수를 포함할 필요가 있을 수 있다. 실시예들에서, 파형들은 또한, 선형 또는 비선형 주파수 변조된 처프 신호들과 같은 복잡한 신호들, 또는 골레이(Golay) 코드들을 사용하는 다른 코딩된 신호들일 수 있다.
실시예들에서, 압전 소자들을 구동하기 위한 회로들은, 아래에 놓인 멤브레인으로부터의 송신 출력이 대칭적인 형상이도록 추가로 설계될 수 있다. 실시예들에서, 파형(3300)(또는 3400)의 각 신호 펄스에 대해, 펄스의 상승 에지는 펄스의 중심에 대하여 펄스의 하강 에지에 대해 실질적으로 대칭일 수 있다. 이러한 대칭은 송신 신호의 고조파 함유율(harmonic content), 특히 제2 고조파 및 다른 짝수 차수 고조파 신호를 낮춘다. 실시예들에서, 파형(3300)(또는 3400) 내의 신호 펄스는 펄스 폭 변조된(PWM) 신호일 수 있다.
도 29는 본 개시의 실시예들에 따른 송신 구동 신호 파형을 도시한다. 묘사된 바와 같이, 송신 구동기로부터의 신호(3500)는 대칭이고 바이폴라일 수 있으며, 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. 또한, 상승 시간(W3)은 하강 시간(W4)과 동일하며, 여기서 하강 시간(W4)은 하강 시작 시점과 기준 전압 사이의 시간 간격을 지칭한다. 또한, 상승 에지(3506)는 상승 에지(3502)와 동일한 기울기를 갖는다.
송신 동작 동안, 송신 구동, 예를 들어, 도 25의 3018은, 도 27 및 도 28에 도시된 바와 같은 전기 파형에 의해 구동될 수 있다. 도 30은 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리 내의 다양한 회로들의 출력 신호들을 도시한다. 실시예들에서, 파형(3602)은 송신 구동기, 예를 들어, 3018로부터의 출력 신호일 수 있고 압전 소자, 예를 들어, 3000으로 송신될 수 있다. 실시예들에서, 압전 소자는 내재하는 대역폭을 가질 수 있으므로, 그것의 공진 주파수에서 사인파 출력(3604)을 출력할 수 있다. 압전 소자의 O 전극에 연결된 송신 구동기의 출력이 매우 느리게 상승하는 경우, 전극을 원하는 최종 값으로 충전할 수 없을 수 있고, 이에 따라, 파형(3606)에 도시된 바와 같이, 낮은 출력 신호들을 야기할 수 있으며, 여기서 최종 진폭은 3602에서보다 더 작다. 다른 한편으로, 송신 구동기의 출력 신호가 매우 빠르게 정착되는 경우, 송신 구동기의 출력 신호는 압전 소자의 대역폭 한계보다 더 큰 대역폭을 가지므로, 여분의 에너지가 열로 소산될 수 있다. 따라서, 실시예들에서, 파형(3608)에 도시된 바와 같이, 압전 소자는 완전히 충전되기는 하지만 매우 빠르게 충전되지는 않는 속도로 충전될 수 있다. 실시예들에서, 상부 및 하부 전극들을 가로지르는 전압 전위를 시간의 함수로 나타내는 파형(3608)은 형상이 트랜스듀서의 출력에 더 가깝고, 형상의 차이가 더 작기 때문에, 입력 신호 대역폭과 출력 신호 대역폭이 더 잘 매칭되고, 열 에너지 손실이 덜 발생한다. 실시예들에서, 송신 구동기의 구동 임피던스는 에너지 손실을 줄이기 위해 최적화된다. 다르게 말하자면, 송신 구동기의 임피던스는 목표 시간 기간 내에 적절한 전압 정착에 필요한 열 소산 및 시간 상수들과 관련하여 압전 소자를 최적으로 구동하도록 설계된다.
실시예들에서, 이미저(126)는 고조파 이미징 기법을 사용할 수 있으며, 여기서 고조파 이미징은 멤브레인의 기본 주파수에서 압력파들을 송신하고 멤브레인의 제2 또는 더 높은 고조파 주파수들에서 반사된 압력파들을 수신하는 것을 지칭한다. 일반적으로, 제2 또는 더 높은 고조파 주파수들에서 반사된 파들에 기초한 이미지들은 기본 주파수에서 반사된 파들에 기초한 이미지들보다 더 높은 품질을 갖는다. 송신 파형에서의 대칭은 송신파들의 제2 또는 더 높은 고조파 성분들을 억제할 수 있으며, 이와 같이, 반사된 파들의 제2 또는 더 높은 고조파들을 갖는 이러한 성분들의 간섭이 감소되어, 고조파 이미징 기법의 이미지 품질을 향상시킬 수 있다. 실시예들에서, 송신파들의 제2 또는 더 높은 고조파들을 감소시키기 위해, 파형(3300)은 50% 듀티 사이클을 가질 수 있다.
도 23 내지 24에서, 어레이들은 다수의 라인 유닛들을 포함할 수 있으며, 여기서 각 라인 유닛은 서로 전기적으로 결합된 복수의 압전 소자들을 포함한다. 실시예들에서, 라인 유닛들은 위상 차이들(또는 이에 상응하는 지연들)을 갖는 다수의 펄스들로 구동될 수 있다. 위상들을 조정함으로써, 결과적인 압력파들을 비스듬히 스티어링할 수 있으며, 이것은 이를 빔포밍이라고 지칭된다.
도 31a는 본 개시의 실시예들에 따른 트랜스듀서의 방위각 축을 따르는 공간적 위치의 함수로서 송신 압력파의 진폭의 플롯을 도시한다. 어레이 내의 압전 소자들이 2차원으로 배열되고, Y 방향의 열에 있는 압전 소자들이 연결되어 있고 X 방향을 따라 많은 수의 열들을 갖는 경우, X 방향은 방위각 방향으로 알려져 있고, Y 방향은 고도 방향이라고 알려져 있다.
일부 실시예들에서, 본 명세서의 아포다이제이션은 가변 전압 구동을 사용하는 것을 포함하며, 예를 들어, 초음파 펄스들의 에지들 근처에는 더 낮은 가중치들을, 중앙 부분들 근처에서는 더 충분한(fuller) 가중치들을 부여한다. 아포다이제이션은 또한, 단독으로 또는 본 명세서에 개시된 다른 방법들과 조합하여 각 열 또는 행들을 따라 소자들의 수를 변경함으로써 구현될 수 있다.
도 31b는 본 개시의 실시예들에 따른 아포다이제이션 프로세스를 위한 다양한 유형들의 윈도우들을 도시한다. 도 31b에서, x-축은 활성 윈도우의 중앙에 있는 압전 소자에 대한 압전 소자의 위치를 나타내고, y-축은 진폭(또는, 압전 소자에 가해지는 가중치)을 나타낸다. 묘사된 바와 같이, 직사각형 윈도우(3720)의 경우, 송신 라인들 중 어느 하나에 대해서도 가중치가 제공되지 않으며, 즉 그들은 모두 균일한 진폭(즉, 기호적으로 1)에 있다. 반면에, 해밍 윈도우(3722)에 묘사된 바와 같이 가중치 함수가 구현되는 경우, 중앙에 있는 라인들은 에지들에 있는 라인들보다 더 큰 가중치를 얻는다. 예를 들어, 해밍 윈도우(3722)를 트랜스듀서 타일에 적용하기 위해, 가장 왼쪽 열(도 31b에서 -N으로 표시됨)의 압전 소자들과 가장 오른쪽 열(도 31b에서 N으로 표시됨)의 압전 소자들은 가장 낮은 가중치를 가질 수 있는 반면, 중간 열의 압전 소자들은 가장 높은 가중치를 가질 수 있다. 이 프로세스는 아포다이제이션이라고 알려져 있다. 실시예들에서, 도시된 해밍 윈도우(3722)가 오직 하나의 예시를 의미할 뿐이지만, 다양한 유형들의 윈도우 가중(window weighting)이 적용될 수 있다. 실시예들에서, 아포다이제이션은, 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 이용하는 것 또는 동일한 구동 레벨을 유지하지만 라인에 대한 픽셀들의 수를 감소시키는 것에 의해, 상이한 라인들에 대해 송신 구동기 출력 구동 레벨을 상이하게 스케일링하는 것과 같은 다양한 수단에 의해 구현될 수 있다. 순 효과(net effect)는, 송신 구동의 가중이, 에너지가 가해진 송신 개구 내에서 특정 라인이 어디에 위치되는지에 기초하여 변화하는 아포다이제이션의 사용에 의해 사이드 로브 레벨이 감소될 수 있다는 것이다.
실시예들에서, 펄스들 또는 파형들의 전압에서의 감소는, 트랜스듀서 표면에서의 온도를 낮출 수 있다. 대안적으로, 주어진 최대 허용 가능한 트랜스듀서 표면 온도에 대해, 더 낮은 전압들에서 동작하는 트랜스듀서들은 더 양호한 프로브 성능을 제공할 수 있으며, 이는 더욱 양호한 품질의 이미지들을 초래한다. 예를 들어, 전력 소비를 줄이기 위해 192개의 압전 소자들을 갖는 프로브의 경우, 프로브의 일부(즉, 압전 소자들의 서브세트)만을 사용하고 멀티플렉서를 사용하여 나머지 소자들을 시간 내에 순차적으로 스캔하여, 송신 압력파들이 생성될 수 있다. 따라서, 종래의 시스템들에서는, 어느 시점에서든, 온도 상승을 제한하기 위해 트랜스듀서 소자들의 일부만이 사용될 수 있다. 이와 대조적으로, 실시예들에서, 더 낮은 전압 프로브는 더 많은 압전 소자들이 동시에 어드레싱되는 것을 허용할 수 있으며, 이는 이미지들의 증가된 프레임 속도들과 향상된 이미지 품질을 가능하게 할 수 있다. 상당한 전력이 또한, 수신 신호가 LNA들을 사용하여 증폭되는 수신 경로에서 소비된다. 이미징 시스템은 전형적으로 많은 수의 수신 채널들을 사용하며, 수신 채널당 증폭기를 갖는다. 실시예들에서, 온도 데이터를 사용하여, 많은 수의 수신 채널들이 꺼져서 전력을 절약하고 온도를 낮출 수 있다.
실시예들에서, 아포다이제이션은 윈도우 함수에 따라 각 라인 유닛 내의 압전 소자들 수를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 실시예들에서, 이러한 윈도우 근사는, 라인에 있는 압전 소자들의 수를 전자적으로 제어하거나, 요구되는 소자들의 수로 트랜스듀서 어레이를 하드와이어링함으로써 달성될 수 있다. 아포다이제이션은 또한, 고정된 수의 소자들을 사용하지만 변화하는 송신 구동 전압으로 이러한 소자들을 구동함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 고도 방향의 아포다이제이션의 경우, 열에 있는 중앙 소자들에 최대 구동이 적용되고, 열에 있는 중앙 소자를 중심으로 열 양쪽의 외부 소자들에 더 낮은 구동기 레벨이 적용된다. 아포다이제이션은 또한, 열에서의 위치에 기초하여 소자들의 폴링 강도를 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
일반적으로, 프로브에 의해 발생되는 열(heat)은 송신 펄스/파형의 펄스 지속 시간의 함수일 수 있다. 일반적으로, 압력파들이 더 양호한 신호 대 잡음 비(SNR)로 타겟 내 깊숙이 침투하도록 하기 위해, 압전 소자는 긴 펄스 트레인들을 필요로 할 수 있다. 그러나, 이것은 또한 축 방향 분해능을 저하시키고, 또한 압전 소자들에서 더 많은 열을 발생시킨다. 따라서, 종래의 시스템들에서는, 방출되는 펄스들의 수가 적고, 때때로 하나 또는 두 개이다. 더 긴 펄스들은 더 많은 열 에너지를 생성할 수 있으므로, 이것은 종래의 시스템들에서 그들의 사용을 비실용적이게 한다. 이와 대조적으로, 실시예들에서, 펄스들 및 파형들(3300 및 3400)은 상당히 더 낮은 피크 값들을 가질 수 있으며, 이는 긴 펄스 트레인들, 처프들 또는 다른 코딩된 시그널링의 사용을 가능하게 할 수 있다. 실시예들에서, 더 긴 펄스 트레인들은, 파형을 압축하여 분해능을 복원하기 위해 수신기 매칭된 필터링이 수행되기 때문에, 축 방향 분해능을 저하시키지 않는다. 이 기법은, 더 양호한 신호 대 잡음 비를 허용하고, 신호가 신체 내에 더 깊숙이 침투하는 것을 허용하며, 신체 내에 더 깊숙이 있는 타겟들의 고품질 이미징을 허용한다.
실시예들에서, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS) 또는 다른 임피던스 매칭 재료의 층이, 트랜스듀서 소자들 위에서 회전될 수 있다. 이 층은 트랜스듀서 소자들과 인체 사이의 임피던스 매칭을 개선할 수 있으며, 이에 의해 트랜스듀서 소자들과 인체 사이의 인터페이스에서 압력파들의 반사 또는 손실이 감소될 수 있다.
도 23 내지 24에서, 하나 이상의 라인 유닛은 y-방향(또는 x-방향)으로 픽셀들을 연결함으로써 생성될 수 있으며, 여기서 하나의 라인 유닛(또는 이에 상응하는 라인 요소)은 서로 전기적으로 연결된 다수의 압전 소자들을 지칭한다. 실시예들에서, 하나 이상의 라인 유닛은 또한 압전 소자들을 x-방향을 따라 연결함으로써 생성될 수 있다. 실시예들에서, 라인 유닛 내의 압전 소자들은 하드와이어링될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 각 압전 소자(260)는 송신 펄서, 스위치 및 LNA와 같은 회로에 전기적으로 결합될 수 있다. 트랜시버 기판 내의 압전 소자들의 수는 pMUT 트랜스듀서 어레이에 인터페이싱하는 ASIC 칩 내의 회로의 수와 동일할 수 있다. 소자들은 열 또는 행으로 배열될 수 있으며 전자 회로들을 포함하는 ASIC에의 연결들을 위해 전자적으로 선택될 수 있다. 전자적으로 제어된 라인 이미저의 경우, 2차원 매트릭스 어레이의 각 압전 소자를 제어 회로들의 2차원 어레이의 대응하는 제어 회로에 연결함으로써 라인 이미저/유닛이 구축될 수 있으며, 여기서 제어 회로들은, 예를 들어, 도 32에 도시된 것과 같은 ASIC 내에 포함되며 픽셀들에 공간적으로 가깝게 위치된다. 라인 요소를 생성하기 위해, 픽셀들의 열 (또는 행)을 제어하는 다수의 구동기들이 전자적으로 켜질 수 있다. 실시예들에서, 각 라인 이미저/유닛 내의 구동기들의 수는 프로그램 제어 하에 전자적으로 수정될 수 있고 전자적으로 조정 가능할 수 있다.
실시예들에서, 각 픽셀의 더 작은 정전 용량은, 구동기와 픽셀 사이에 다른 등화 요소들 없이 분산된 구동 회로부에 의해 효율적으로 구동될 수 있으며, 이는 매우 큰 라인 정전 용량을 구동해야 하는 어려움을 제거한다. 실시예들에서, 구동기 최적화는 상승 에지와 하강 에지들의 대칭을 허용할 수 있으며, 이는 송신 출력의 더 양호한 선형성을 허용하고, 이는 고조파 이미징을 가능하게 한다. (대칭은 도 27 및 도 28과 함께 설명된다.) 실시예들에서, 전자적 제어는 프로그래밍 가능한 개구 크기, 송신 아포다이제이션, 및 수평 또는 수직 스티어링 제어를 허용할 수 있으며, 이들 모두는 이미지 품질을 개선할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전자적 제어 하의 구성 가능한 라인 이미저/유닛은 프로그램 제어 하에서 전기적으로 수정될 수 있다. 예를 들어, y-방향에서 더 작은 개수의 연결된 소자들이 요구되는 경우, 개수는 소프트웨어에 의해, 그리고 제어 전자적 회로부 또는 압전 어레이를 재회전(re-spin)할 필요 없이 조정될 수 있다.
실시예들에서, 각 라인 유닛은 각 서브 유닛에 대해 별개의 제어를 갖는 몇몇 서브 유닛들로 구성되도록 설계될 수 있다. 이러한 서브 유닛들의 이점은, 하나의 단일 외부 송신 구동기를 사용하여 라인 유닛에 대해 큰 정전용량형 부하를 구동하는 어려움을 완화할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 열 내에 압전 소자들 전체를 포함하는 하나의 라인 유닛 대신에 두 개의 라인 유닛들이 생성되는 경우, 두 개의 상이한 송신 구동기들이 이용될 수 있고 각 송신 구동기가 전체 라인 유닛의 부하의 절반을 제어할 수 있다. 또한, 하나의 구동기가 사용되더라도, 라인 유닛의 제1 전반부와 라인 유닛의 제2 후반부를 개별적으로 구동하는 것은, 라인 유닛의 양단에 대한 더 낮은 저항 연결로 인해 구동 상황을 개선할 수 있다.
실시예들에서, 라인 유닛들의 길이 및 배향 모두 제어될 수 있다. 예를 들어, 라인 유닛들은 x 및 y 방향들 모두에서 배열될 수 있다. 예시로서, 도 23에서, 열(예를 들어, 2003-11 내지 2003-n1)을 따르는 O 전극들은 전기적으로 결합되어 하나의 라인 유닛을 형성할 수 있고, 다른 열들 내의 O 전극들은 전기적으로 결합되어 x-방향을 따라 연장되는 n개의 라인 유닛들을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, x-방향을 따라 연장되는 라인 유닛들은 n개의 O 전극들(2003-12 내지 2003-1n), ... , (2003-n2 내지 2003-nn)을 포함한다. 실시예들에서, 직교 방향들을 따른 라인 유닛들의 배열은 ASIC 칩 내의 전기 회로들을 제어함으로써 가능할 수 있다.
트랜스듀서들의 어레이들은 도 3b 또는 도 3c에 도시된 것과 같은 소자들로 만들어질 수 있다. 도 3c에서, 각 소자는 하나 이상의 서브 소자들을 가질 수 있으며, 여기서 각 서브 소자는 압전층 아래에 배치된 멤브레인들을 갖는다. 실시예들에서, 멤브레인들은 다수의 진동 모드들을 가질 수 있다. 실시예들에서, 하나의 멤브레인은 특정 주파수에서 기본 모드에서 진동할 수 있고, 또 다른 멤브레인은 멤브레인 설계에 의해 결정되는 상이한 주파수에서 진동할 수 있다. 이것은, 소자에 대해 넓은 주파수 범위를 가능하게 하면서, 소자에 대해 오직 2개의 단자들만을 여전히 필요로 한다. 도 3b에서와 같은 다른 실시예들에서, 서브소자들은 별개의 구동 단자들을 가질 수 있다. 상이한 주파수 구역들에서의 구동 신호 콘텐츠의 사용 덕분에, 각 서브소자에 대해 상이한 구동 신호들이 사용되어 더 넓은 대역폭을 획득할 수 있다. 이것은 또한, 각각 상이한 구동 신호들을 가진 다수의 서브소자들을 사용함으로써 출력 신호를 튜닝하는 것을 허용한다. 하나의 이러한 애플리케이션은, 이웃 소자들의 크로스토크를 상쇄하도록 설계된 구동 신호를 사용하는 것이다. 실시예들에서, 다수의 멤브레인들은 동일한 전극 세트에 의해 구동될 수 있고 각 멤브레인(서브 소자)은 상이한 기본 주파수들을 가질 수 있다. 실시예들에서, 각 멤브레인은 넓은 범위의 주파수들에 응답할 수 있으며, 이것은 그것의 대역폭을 증가시킨다.
일부 실시예들에서, 열 내의 X (또는 T) 전극들은 도체에 전기적으로 결합될 수 있다. 실시예에서, 이러한 도체들은 하나의 공통 도체에 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 도체들은 하나의 공통 도체 라인에 전기적으로 결합될 수 있고, 이에 의해 어레이 내의 모든 T 전극들이 접지 또는 공통 DC 바이어스 전압에 연결될 수 있다.
일부 실시예들에서, 각 어레이는 2차원 어레이(예를 들어, 도 23 내지 24)로 배열된 압전 소자들을 포함할 수 있으며, 여기서, x-방향의 소자들의 개수는 y 방향의 소자들의 개수와 동일할 수 있다. 그러나, 통상의 기술자에게는, x-방향에 있는 소자들의 개수가 y-방향에 있는 소자들의 개수와 상이할 수 있음이 명백할 것이다.
실시예들에서, 트랜스듀서 기판에 결합된 ASIC 칩은 동작 중에 인체를 향하는 이미징 디바이스(120)의 표면 온도들을 측정하는 온도 센서들을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 최대 허용 가능 온도가 규제될 수 있으며, 이러한 규제는 온도들이 허용 가능한 상한을 초과하여 상승해서는 안 되기 때문에 이미징 디바이스의 기능을 제한할 수 있다. 실시예들에서, 온도 정보는 이미지 품질을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 온도가 최대 허용된 한도 이하인 경우, 개선된 품질의 이미지들을 위해, 그것의 잡음을 낮추고 시스템 신호 대 잡음 비(SNR)를 개선하도록 증폭기들에서 추가 전력이 소비될 수 있다.
실시예들에서, 이미징 디바이스(126)에 의해 소비되는 전력은 동시에 구동되는 라인 유닛들의 개수가 증가함에 따라 증가한다. 전체 개구로부터 압력파들을 송신하는 것을 완료하기 위해 이미징 디바이스(126) 내의 모든 라인 유닛들이 구동될 필요가 있을 수 있다. 한 번에 몇 개의 라인 유닛들만 구동되어, 압력파들을 송신하고, 반사된 에코를 대기 및 수신하는 경우, 전체 개구에 대해 전체 라인 유닛들을 구동하는 하나의 사이클을 완료하는 데 더 많은 시간이 걸릴 것이며, 이는 초당 이미지들이 촬영될 수 있는 속도(프레임 속도)를 감소시킨다. 이 속도를 개선하기 위해, 한 번에 더 많은 라인 유닛들이 구동될 필요가 있다. 실시예들에서, 온도의 정보는 이미징 디바이스(120)가 프레임 속도를 개선하기 위해 더 많은 라인들을 구동하는 것을 허용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 각 압전 소자는 하나의 하부 전극(O)과 하나 이상의 상부 전극(X 및 T)을 가질 수 있고 하나 이상의 공진 주파수를 가질 수 있다.
실시예들에서, 수신 모드 동안 발생된 전하가, 2910, 2914, 3010, 3016, 3128 및 3806와 같은 증폭기로 전달된다. 그 다음, 증폭된 신호는 다양한 전기 컴포넌트들에 의해 추가로 프로세싱될 수 있다. 이와 같이, 증폭기들(2910, 2914, 3010, 3016, 3128, 및 3806) 각각은 전하 신호를 프로세싱하는 하나 이상의 전기 컴포넌트들/회로들을 집합적으로 지칭하며, 즉 각 증폭기는 전하 신호를 프로세싱하기 위한 하나 이상의 전기 컴포넌트들/회로들을 기호적으로 나타낸다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
도 32는 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 어셈블리(3800)의 개략도를 도시한다. 묘사된 바와 같이, 이미징 어셈블리(3800)는, 압전 소자들을 갖는 트랜시버 기판(3801)(도 32에는 도시되지 않음); 트랜시버 기판(3801)에 전기적으로 결합된 ASIC 칩(3802); ASIC 칩(3802)에 전기적으로 결합된 수신기 멀티플렉서(3820); 수신기 아날로그 프론트 엔드(analogue-front-end; AFE)(3830); ASIC 칩(3802)에 전기적으로 결합된 송신기 멀티플렉서(3824); 및 제2 멀티플렉서(3824)에 전기적으로 결합된 송신 빔포머(3834)를 포함할 수 있다. 실시예들에서, ASIC 칩(3802)은 트랜시버 기판(3801) 내의 다수의 압전 소자들을 구동하도록 연결되고 구성되는 다수의 회로들(3804)을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 각 회로(3804)는 LNA와 같은 수신기 증폭기(또는 간단히 증폭기)(3806) 및 압전 소자에 신호를 송신하기 위한 송신 구동기(3808), 및 증폭기(3806)와 송신 구동기(3808) 사이를 토글하는 스위치(3810)를 포함할 수 있다. 증폭기들은 프로그래밍 가능한 이득, 및 이들을 감지될 필요가 있는 압전 소자들에 연결하기 위한 수단을 가질 수 있다. 송신 구동기들은 그들의 임피던스를 최적화하기 위한 수단 및 구동될 압전 소자들에 연결될 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 증폭기(3832)로/증폭기(3832)로부터 회로(3804)를 전기적으로 연결/연결 해제할 수 있다. 실시예들에서, 송신기 멀티플렉서(3824)는 다수의 스위치들(3826)을 포함할 수 있고, 송신 빔포머(3834)는 다수의 송신 구동기(3836), 및 다양한 구동기들의 송신 구동기 파형 사이의 상대적 지연을 제어하기 위한 도시되지 않은 다른 회로, 및 송신 구동기들 각각에 대한 주파수 및 펄스들의 수를 제어하기 위한 도시되지 않은 다른 회로를 포함할 수 있다. 실시예들에서, 스위치들(3822)이 꺼진 동안, 스위치(3810)가 송신 구동기(3808)에 연결되는 동안에, 스위치들(3826) 각각은 송신 동작 동안 켜지고 회로(3804)에 연결된다. 유사하게, 수신 동작 동안, 스위치들(3822)이 켜진 동안, 스위치(3810)가 증폭기(3806)에 연결되는 동안, 스위치들(3826)은 꺼진다.
실시예들에서, 스위치들(3810)은 송신 모드 동안에 송신 구동기들(3808)로 토글될 수 있고, 수신 모드 동안에 증폭기들(3806)로 토글될 수 있다. 실시예들에서, 스위치들(3822)의 일부가 폐쇄되어 대응하는 회로들(3804)이 수신 모드로 설정될 수 있다. 유사하게, 스위치들(3826)의 일부가 폐쇄되어 대응하는 회로들(3804)이 송신 모드로 설정될 수 있다. 스위치들(3822)의 일부와 스위치들(3826)의 일부가 동시에 폐쇄될 수 있기 때문에, 이미저 어셈블리는 송신 및 수신 모드들 모두에서 동시에 동작될 수 있다. 또한, 수신기 멀티플렉서(3820) 및 송신기 멀티플렉서(3824)는 ASIC 핀들의 수를 감소시킨다. 실시예들에서, 수신기 멀티플렉서(3820), 수신기 AFE(3830), 송신기 멀티플렉서(3824) 및 송신기 빔포머(3834)는 회로(202a) 내에 포함될 수 있고, 일부들은 또한 도 1b 내의 215a에 상주할 수 있다.
실시예들에서, 각 압전체는 2개 이상의 전극들을 가질 수 있으며, 여기서 한 전극은 송신 모드에서 압력파들을 생성할 수 있는 반면 다른 전극은 수신 모드에서 동시에 전하를 발생시킬 수 있다. 이러한 송신 모드와 수신 모드의 동시 동작은 더 양호한 도플러 이미징을 허용한다.
이미징되는 타겟의 움직임은, 결과 이미지에 오류들을 야기할 수 있으므로 이러한 오류들을 줄이는 것이 바람직할 수 있다. 움직임의 예시는, 심장 조직이 움직이는 심장 이미징을 수행할 때이다. 움직임들의 영향을 줄이기 위해서는 높은 프레임 속도들이 바람직할 수 있다. 따라서, 전자 방위각과 고도 포커스 및 아포다이제이션을 유지하면서 프레임 속도들을 개선하는 것이 중요할 수 있다. 이것은 이미지들에서의 버링(burring)을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 깊이의 함수로서 방위각과 전자적 포커스를 전자적으로 변경함으로써 수신기에서 동적 포커스를 사용하여 더 양호한 이미지들을 허용할 수 있다. 프레임 속도 개선은, 상부와 하부 섹션을 동시에 동작시켜, 동작 횟수를 줄임으로써, 도 14에 예시된 듀얼 스테이지 빔포머에서 달성될 수 있다. 또한, A2, B2, C2를 생성하기 전에, 예를 들어 도 12의 A1, B1 및 C1의, 하나의 완전한 열의 스캔을 완료함으로써, 라인에 있는 움직임들의 영향을 최소화하는 것을 돕는다. 또한, 동작되는 섹션의 모든 행들과 열들의 송신 및 수신을 사용함으로써 하나의 스캔 라인이 생성될 수 있다. 그러나, 병렬 빔포머 기법[병렬 빔포밍을 사용한 높은 프레임 속도 초음파 이미징(High frame rate ultrasound imaging using parallel beamforming), Tore Gr
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ner Bjεstad, 트론헤임 박사 학위 논문, 2009년 1월, 노르웨이 과학 기술 대학교]을 사용하여, 다수의, 예를 들어, 4개의 빔들이 생성될 수 있다. 이것은, 프레임 속도를 더욱 높이고 움직임들의 영향을 줄이는 것을 도울 수 있다. 이러한 기법들은 또한 수차들을 생성할 수 있지만, 이를 보정하는 알려진 전자적 방식들이 있다.
이미지 품질을 개선하기 위해 (규제 한계들을 초과하지 않고) 더 큰 압력 레벨을 출력하는 것이 바람직할 수 있다. 등화의 값은 관심 주파수 영역에서 압력 출력의 증가이다. 압력 출력의 증가는 더 큰 신호 출력을 초래하고, 이는 개선된 신호 대 잡음 비와 조직 내로의 개선된 신호 침투를 초래하며, 이미징 깊이를 개선한다. PMUT들은 정전용량이 높고, 인덕턴스들을 이들에 직렬로 추가하는 것은 증가된 전력 전달을 보조하기 위해 리액턴스를 줄이고 구동기 임피던스를 더 잘 매칭시키는 것을 도울 수 있다.
도 33 내지 37은 열들 (및 행들)로 배열될 수 있고 초음파 빔을 송신 및 수신하는 데 사용될 수 있는 트랜스듀서 어레이들 및 회로들을 도시한다. 특이하게, 인덕터는 트랜스듀서를 통과하고 인덕터를 통해 가상 접지(바이어스 전압)로 흐르는 전류의 경로에 있다. 트랜스듀서와 직렬로 인덕터를 추가하는 것은, 트랜스듀서 임피던스의 정전용량형 컴포넌트를 보상하는 것을 돕고, (도 36a의 O 노드에서) 구동기의 트랜스듀서 임피던스로의 임피던스 매칭을 돕고, 트랜스듀서로의 전력 전달을 최대화하는 것을 돕는다. 송신 구동기는 트랜스듀서를 직접 구동하고 인덕터는 트랜스듀서의 접지 리턴(또는 바이어스 리턴 리드)에 있다. 본 개시에서, 인덕터의 값들(예를 들어, 약 0.5μH)은, 각 인덕터에 필요한 면적이 매우 크고 인덕터의 수 또한 많기 때문에, 저주파수 영역(예를 들어, 2MHz)에서 이러한 인덕터들이 사용되게 할 수 없다. 인덕터들이 접지 리턴 경로에 있도록 배열하는 것은, 이러한 인덕터들이 추가 핀들의 수를 최소한으로 증가시키면서(각 인덕터에 대해 하나의 추가 핀이 필요한 경우) 오프 칩이 되는 것을 허용한다. 구동기와 직렬로 인덕터를 구현하기 위해, 오프 칩 구현을 위해 인덕터당 2개의 핀들을 필요로 할 수 있다.
도 33c는 송신 구동기에 인덕터를 직렬로 추가하는 기존 기법을 사용하여 인덕터 기반 등화를 사용하는 예시를 도시한다. 여기서 D0는 송신 구동기이다. 구동기의 출력은 오프 칩으로 핀(P0A)에 연결된다. 외부 인덕터(L0)가 연결되고 인덕터의 다른 단자가 핀(P0B)에 연결되어 트랜스듀서(CO)를 구동하기 위한 회로로 다시 튜닝되며, C0의 다른 단자는 바이어스 전압에 연결되도록 핀(X0)으로 간다. 이 기법의 이슈는, 인덕터당 추가 핀들(P0A, P0B)에 대한 요구사항이다. 또한 상호 연결 배선이 중요하다. 추가적으로, 구동기 출력은 핀에서 나오고 구동기의 성능을 저하시키는 기생 부하에 노출된다. 128개의 인덕터들을 필요로 하는 128 채널 이미저의 경우, 256개의 추가 핀들이 필요할 것이므로, 이는 큰 부담이 되거나 비실용적이게 된다. 또한, 상호연결의 양은 본 명세서에 설명된 주제에 비해 크게 증가할 것이다. 이것은, 전류 레벨들이 높기 때문에, 임피던스를 유사하게 유지하기 위해 상호접속의 치수들을 증가시키는 것을 필요로 하기 때문에 특히 중요하다. 두 개의 별개의 배선들이 필요하기 때문에, 상호연결의 길이가 두 배가 된다. 따라서, 이 기존 기법을 사용하여 등화 기법을 통합하는 것은 실용적이지 않다. 상이한 기법이 도 33d에 개시되어 있으며, 이에 의해 (트랜스듀서와 바이어스 전압 사이에 직렬로) 트랜스듀서의 다른 쪽에서 인덕터를 이동시켜, 하나의 추가 핀과 하나의 추가 상호연결 배선만 필요하므로, 등화 기법을 통합하는 것을 가능하게 한다. 실제로, 많은 케이스들에서, 핀들(X0,X1)이 tp 핀들로 결국 나오므로, 인덕터 기반 등화가 없는 상황에 비해, 등화를 위해 인덕터들을 추가하는 데 따른 불이익이 거의 없다. 트랜스듀서의 반대편에 있는 인덕터들의 교차(transposition)는 설명된 이점들을 가질 뿐만 아니라, 추가적으로 등화를 수행하는 회로의 능력을 유지한다. 특히, 이 회로는 또한 방위각 및 고도 방향들로 포커싱하는 능력을 보유하며, 포커스 제어는 본 명세서에 개시된 바와 같이 동적이다. 피에조 소자 회로들은 인덕터들을 포함하며, 이는 회로들이 초음파 빔에서 최대 전력량을 전달하도록 구성되는 것을 허용한다. 회로들 내에서 인덕터들을 사용하는 수단은, 이들이 너무 많은 공간을 차지하지 않고 회로들을 구축하고 사용하기에 실용적이게 하는 방식으로 통합된다.
도 33a는 피에조 소자를 포함하는 회로를 도시하며, 이는 피에조 소자 어레이의 일부일 수 있다. 압전 소자 어레이는, 예를 들어, 128열 및 32행의 격자로 배열된, 4096개의 압전 소자들을 포함할 수 있고, 동적 포커스를 갖는 특정한 송신된 초음파 빔을 형성하기 위한 목적을 위한 것일 수 있다. 피에조 소자들의 어레이의 개별 요소들은, 송신된 초음파 빔의 포커스를 변경하기 위해 시간이 지연된 신호들을 수신할 수 있다. "피에조 소자" 및 "pMUT 트랜스듀서 소자"라는 용어들은 본 명세서에서 상호교환적으로 사용된다. 또한, "피에조 소자 회로"와 "pMUT 트랜스듀서 회로"라는 용어들 또한 상호교환적이다.
도 33a의 회로는 피에조 소자뿐만 아니라 그것의 O 노드 및 X 노드, 디지털 입력 드라이브를 도시한다. O 노드는 디지털 입력 드라이브로부터 피에조 소자로 구동 신호를 송신하기 위한 입력 단자를 지정할 수 있다. X 노드는 바이어스 또는 접지 노드일 수 있다. 도 33a의 실시예에서, X 노드는 -18V에서 바이어스되지만, 또한 다른 전압들에서 바이어스되어, O 노드에서 가장 음의 구동 전압보다 더 음의 전압이 될 수 있다.
도 33a의 실시예에서, 피에조 소자는, 회로 소자로서의 그것의 거동을 적절히 식별하기 위한 목적으로, 높은 정전용량일 수 있고 커패시터로 표현될 수 있다. 디지털 입력 드라이브에 의해 제공되는 구동 신호는, 예를 들어, 구형파(square wave), 계단파, 사인파, 삼각파, 또는 또 다른 유형의 교류 전압 신호일 수 있다. 특정한 피에조 소자에 대해, 디지털 입력 드라이브는 피에조 소자에 제공되는 특정한 신호를 지연시킬 수 있다. 시간 지연의 양은 어레이 내에서 피에조 소자의 배치에 의해 결정될 수 있으며, 피에조 소자의 번호가 매겨진 행 또는 열 인덱스 레이블과 관련될 수 있다.
도 33b는 피에조 소자와 X 바이어스 노드 사이에 직렬로 연결된 인덕터를 갖는, 도 33a의 회로에 대한 수정을 도시한다. 인덕터는 정전용량형 피에조 소자의 복합 임피던스에 의해 도입되는 위상 편이를 보정하기 위해 연결될 수 있다. 인덕터를 연결하여 위상 편이를 상쇄하는 것은, 임피던스 매칭을 수행함으로써 전력 전달을 증가시키도록 수행된다. 인덕터를 다른 회로부와 함께 칩 상에 통합하는 것은, (예를 들어, 1 내지 10MHz 영역에서와 같은) 더 낮은 이미징 주파수들에 대해 실용적이지 않다. 이것은 인덕터의 크기와 칩에 대해 필요한 인덕터들의 수 때문이다. 주파수들이 증가할 때(예를 들어, 50MHz 내지 100MHz 범위), 인덕터의 크기가 작아진다. 따라서, 인덕터는 칩에 통합하기에 더 실용적이 된다. 오늘날 상업 의료 이미징 애플리케이션들의 대부분은 10MHz 미만의 주파수들에 있다. 실제로, 이러한 애플리케이션을 위해 인덕터를 통합하는 것이 어려울 수 있으므로, 일 실시예에서, 외부 인덕터들은 트랜스듀서들의 매트릭스 어레이에 연결된 송신 및 수신 회로부의 매트릭스 어레이와 집적 회로를 연결하는 데 사용된다. 도 33a는 바이어스 전압(접지 기준과 유사)에 연결된 트랜스듀서의 한 단자를 도시한다. 외부 인덕터는 트랜스듀서와 바이어스 단자 사이에 연결된다. 이것은, 다른 단자(X바이어스)는 공통 핀이며 이미 이용 가능하기 때문에, 인덕터 당 오직 하나의 핀의 추가를 필요로 한다. 이러한 배열은 인덕터 기반 등화를 허용한다. 예를 들어 128열 32행으로 배열된 매트릭스 어레이의 경우, 128개의 인덕터들이 충분할 것이며, 여기서 열에 있는 소자들이 원하는 대로 선택된다(도 34에 도시된 바와 같이, 프로그램 제어 하의 스위치들의 사용을 통해).
도 34는 피에조 소자들(서로 병렬로 배치됨)과 X 바이어스 단자 사이에 직렬로 배치된 공통 인덕터에 연결된 도 33b에 도시된 유형의 N개의 피에조 소자 회로들의 열을 도시한다. 이 실시예에서, N개의 피에조 소자들은 N개의 대응하는 디지털 입력 드라이브들을 갖는다. 다른 실시예들에서, 예를 들어, 피에조 소자들이 동일한 지연들로 신호들을 송신하도록 구성된 경우, 하나의 입력 드라이브에 상응하는 것이 다수의 피에조 소자들을 구동하는 데 사용될 수 있다. 또 다른 예시에서, 도 15 내지 19에 설명된 바와 같이, 트랜스듀서 구동 신호는 고도 방향으로 전자적 포커싱을 가능하게 하기 위해 서로에 대해 상대적으로 지연될 수 있다. 다수의 피에조 소자들은 그룹으로부터 한 번에 선택될 수 있으며, 피에조 소자들은 이들을 인덕터 및 X 바이어스 단자에 연결하는 스위치들을 연결 해제함으로써 선택 해제되거나 연결 해제될 수 있다. 인덕터의 값은 피에조 소자들의 정전 용량들에 의해 도입되는 위상 변화들을 오프셋할 수 있을 만큼 충분히 크도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 32개의 피에조 소자들이 전자적으로 선택되는 경우, 열 정전 용량은 1000pF이고 인덕터들은 0.5μH의 인덕턴스를 가질 수 있다. 이러한 인덕턴스를 사용하여 정전 용량을 보상하는 것은, 특정 주파수들에서 시스템 대역폭이 선택적으로 개선되는 것을 허용한다. 예를 들어, 압력 출력은 특정 대역폭(예를 들어, 1MHz 내지 6MHz)에 걸쳐 개선될 수 있고, 더 높은 주파수들, 말하자면, 10MHz보다 높은 주파수에서의 압력은 감소될 수 있다.
도 35는 피에조 소자들과 X 바이어스 단자 사이에 연결된 인덕터가 없는, 도 33a에 예시된 유형의, 다수 열들의 피에조 소자 회로들을 예시한다. 도 35의 실시예에서는 두 개의 열들을 도시하지만, 4096개의 피에조 소자 어레이 내에는, 각각 열당 32개의 피에조 소자들이 있는 128개의 열들이 있을 수 있다. 여전히 본 개시의 범위 내에 있으면서, 애플리케이션 요구사항들에 의해 결정되는 바와 같이, 더 큰 열 및 행 크기들 또한 가능하거나 실용적일 수 있다. 도시된 두 열들은 방위각 방향으로 전자적 포커싱을 허용하기 위해 서로에 대해 지연된 송신 드라이브를 갖는다. 도 34에 도시된 것과 유사한 추가 인덕터들은, 유사한 포커싱 기능을 허용하며 도 36b에 도시된다. 인덕터의 값을 변경할 필요가 없는 일부 애플리케이션에서는 단락 스위치가 필요하지 않을 수 있다는 것을 유의한다.
도 36a는 공통 X 바이어스 라인에 연결된 다수의 열들을 갖는 실시예를 예시한다. 도 36a의 실시예에서, 다수의 인덕터들을 갖는 다수의 열들이 있다. 인덕터들은 단락 스위치를 사용하여 단락될 수 있다. 이것은, 구동 신호들의 높은 주파수에서, 인덕터들이 이미저를 대역 제한하여, 트랜스듀서로부터 출력되는 초음파 압력을 감소시키고, 단락 캡과 병행하여 어쩌면 이미지 품질을 저하시킬 수 있기 때문이다. 또 다른 실시예에서, 스위칭 배열을 사용하여 다른 회로부와 함께 ASIC에 인덕터들을 통합하는 것이 실현 가능할 때, 원하는 인덕터의 값을 선택하는 것이 실현 가능할 수 있다. 이러한 스위칭 배열은, 예를 들어, 도 34에 도시된 각 인덕터를 대체하는 N개의 인덕터들을 가질 것이다. N개의 인덕터들은 공통 단자를 가질 수 있는 반면, 다른 단자는 도 36b에 도시된 바와 같이 스위치의 다른 단부와 직렬로 함께 연결된 스위치를 가질 수 있다. 다이오드는 스위치가 열릴 때 인덕터에 흐르는 전류에 분로를 만든다(shunt). 이 배열은, 인덕터의 값이 프로그래밍되고 원하는 임피던스와 매칭되도록 전자적으로 튜닝되는 것을 허용할 수 있다. 도 37은 인덕터의 값을 변경하기 위해 전자적으로 스위칭될 수 있는 인덕터들의 배열을 도시한다. 회로는 단자들(T0 및 T1) 사이에 병렬로 연결된 두 개의 인덕터들(L0 및 L1)을 갖는다. 각 인덕터는 SA0 및 SB0으로 표시되는 것과 같은 스위칭 배열을 갖는다. 인덕터가 회로에 남아 있어야 할 때, SA0이 켜져 있고 SB0이 꺼져 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이러한 스위치들은 논리적으로 동기화되어 상호 보완적이다. 이러한 복합 인덕터는, 예를 들어, 도 36b에 도시된 각 인덕터를 대체할 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 명세서의 도면들에 도시된 개별 소자들 사이의 전자적 또는 전기적 연결들은 하드와이어링되거나 물리적 연결들이지만, 프로그래밍 가능하고 보다 유연한 디지털 통신들을 가능하게 하기 위해 상이한 디지털 연결들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 디지털 연결들은 스위치들, 플러그들, 게이트들, 커넥터들 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
전술한 설명에서 특정 실시예들 및 예시들이 제공되었지만, 본 주제는 구체적으로 개시된 실시예들을 넘어 다른 대안적 실시예들 및/또는 용도들, 및 그의 수정들 및 균등물들로 확장된다. 따라서, 여기에 첨부된 청구항들의 범위는 설명된 임의의 특정 실시예들에 의해 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 임의의 방법 또는 프로세스에서, 방법 또는 프로세스의 행위들 또는 동작들은 임의의 적절한 시퀀스로 수행될 수 있으며, 반드시 개시된 임의의 특정 시퀀스로 제한되는 것은 아니다. 다양한 동작들은 특정 실시예들을 이해하는 데 도움이 될 수 있는 방식으로 다수의 개별 동작들로 차례로 설명될 수 있지만, 설명의 순서가 이러한 동작들이 순서에 의존적이라는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 추가적으로, 본 명세서에 설명된 구조들, 시스템들, 및/또는 디바이스들은 통합된 컴포넌트들 또는 개별 컴포넌트들로서 구현될 수 있다.
다양한 실시예들을 비교하기 위한 목적들을 위해, 이들 실시예들의 특정 양태들 및 이점들이 설명된다. 그러한 모든 양태들 또는 이점들이 반드시 임의의 특정한 실시예에 의해 달성되는 것은 아니다. 따라서, 예를 들어, 다양한 실시예들은, 본 명세서에 교시되거나 제안된 바와 같은 다른 양태들 또는 이점들을 반드시 달성할 필요 없이도, 본 명세서에 교시된 바와 같은 하나의 이점 또는 이점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 수행될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, A 및/또는 B는, A 또는 B 중 하나 이상을 포함하며, A 및 B와 같은 이들의 조합들을 포함한다. 본 명세서에서 "제1", "제2", "제3" 등의 용어들이 다양한 소자들, 컴포넌트들, 영역들 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 소자들, 컴포넌트들, 영역들 및/또는 섹션들이 이러한 용어들에 의해 제한되어서는 안 된다는 점이 이해될 것이다. 이러한 용어들은 단지 하나의 소자, 컴포넌트, 영역 또는 섹션을 또 다른 소자, 컴포넌트, 영역 또는 섹션과 구별하기 위해 사용된다. 따라서, 아래에서 논의되는 제1 소자, 컴포넌트, 영역 또는 섹션은 본 개시의 교시들로부터 벗어나지 않고 제2 소자, 컴포넌트, 영역 또는 섹션으로 칭해질 수 있다.
본 명세서에 사용된 전문 용어(terminology)는 특정 실시예들을 설명하는 목적만을 위한 것이며, 본 개시를 제한하도록 의도되는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수형들 “하나의(a)”, "하나의(an)" 및 "상기(the)"는 문맥에서 달리 명확하게 나타내지 않는 한 복수형들 또한 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)", 또는 "포함한다(includes)" 및/또는 "포함한다(including)"는 용어들은, 명시된 피처들, 영역들, 정수들, 단계들, 동작들, 소자들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 피처, 영역, 정수, 단계, 동작, 소자, 컴포넌트 및/또는 그들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다는 것 또한 이해될 것이다.
본 명세서 및 청구항들에 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, "약" 및 "대략" 또는 "실질적으로"라는 용어는, 실시예에 따라 수치 값의 +/- 0.1%, +/- 1%, +/- 2%, +/- 3%, +/- 4%, +/- 5%, +/- 6%, +/- 7%, +/- 8%, +/- 9%, +/- 10%, +/- 11%, +/- 12%, +/- 14%, +/- 15%, 또는 +/- 20% 이하의 변동들을 지칭한다. 비제한적인 예시로서, 약 100미터는 실시예들에 따라 95미터 내지 105미터(100미터의 +/- 5%), 90미터 내지 110미터(100미터의 +/- 10%) 또는 85미터 내지 115미터(100미터의 +/- 15%)의 범위를 나타낸다.
바람직한 실시예들이 본 명세서에 도시되고 설명되었지만, 그러한 실시예들이 예시로서만 제공된다는 것은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 통상의 기술자에게는 개시의 범위를 벗어나지 않고 수많은 변형들, 변경들 및 치환들이 이제 발생할 것이다. 본 명세서에 설명된 실시예들에 대한 다양한 대안들이 실제로 이용될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 명세서에 설명된 실시예들의 다양한 상이한 조합들이 가능하며, 그러한 조합들은 본 개시의 부분으로 고려된다. 또한, 본 명세서의 임의의 하나의 실시예와 관련하여 논의된 모든 피처들은 본 명세서의 다른 실시예들에서 사용하기 위해 쉽게 조정될 수 있다. 다음의 청구항들은 개시의 범위를 정의하고, 이러한 청구항들의 범위 내의 방법들 및 구조들과 그들의 균등물들이 이에 의해 커버되는 것이 의도된다.

Claims (28)

  1. 트랜스듀서(transducer)를 포함하는 초음파 이미징 시스템에 있어서,
    a) 적어도 하나의 트랜스듀서 소자(element) - 각 트랜스듀서 소자는 두 개의 단자들을 가지며, 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 소자는 송신 모드에 있음 -;
    b) 적어도 하나의 송신 구동기 - 각 송신 구동기는 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 소자의 각 제1 단자에 연결됨 -; 및
    c) 두 개의 단자들을 포함하는 적어도 하나의 인덕터 - 각 인덕터의 각 제1 단자는 각 트랜스듀서 소자의 각 제2 단자에 연결되고, 각 인덕터의 각 제2 단자는 바이어스 전압에 연결됨 -
    를 포함하는, 초음파 이미징 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 트랜스듀서는, 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서(piezoelectric micro machined transducer; pMUT) 디바이스, 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micromachined ultrasonic transducer; cMUT) 디바이스, 또는 벌크 피에조(bulk piezo) 트랜스듀서인 것인, 초음파 이미징 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 소자는 어레이로 구조화된 복수의 트랜스듀서 소자들이고, 상기 어레이는 행(row)들 및 열(column)들로 구조화되고, 열 내의 복수의 트랜스듀서 소자들은 트랜스듀서 소자들의 열을 정의하도록 전자적으로 선택되고, 행 내의 복수의 트랜스듀서 소자들은 트랜스듀서 소자들의 행을 정의하도록 전자적으로 선택되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 제1 열 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들은 제2 열 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들로부터 독립적이고, 제1 행 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들은 제2 행 내의 트랜스듀서 소자들의 지연들로부터 독립적인 것인, 초음파 이미징 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 열에 있는 트랜스듀서 소자들은 상이한 지연들을 갖는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 트랜스듀서의 대역폭은 관심 영역에서 증가되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 인덕터의 적어도 하나의 값은 관심 주파수 범위 내에서 압력 출력 조정을 제공하도록 선택되고, 상기 압력 출력 조정은 상기 선택된 트랜스듀서 소자들의 복수의 송신 구동기들의 복수의 전압 구동 레벨들을 변경함으로써 생성되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  8. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 인덕터의 적어도 하나의 값은, 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 소자의 적어도 하나의 정전 용량(capacitance)에 의해 도입된 위상의 변화를 오프셋할 수 있을 만큼 충분히 크게 선택되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 전압 구동 레벨들은, 다중 레벨 송신 구동 펄스를 사용하고 원하는 디지털 구동 레벨을 선택하여 변경되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전압 구동 레벨들은 또한, 송신 펄서(pulsar) 파형에 대한 펄스 폭 변조를 사용하여 제어되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  11. 제5항에 있어서, 상기 트랜스듀서는 상기 열을 따라 고도 방향(elevation direction)으로 고도 포커스의 전자적 제어를 제공하도록 구성되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 열을 따르는 트랜스듀서 소자는 다중 레벨 펄스에 의해 구동되고, 상기 다중 레벨 펄스의 시작(onset)의 지연이 전기적으로 프로그래밍 가능한 것인, 초음파 이미징 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 열에 있는 트랜스듀서 소자는 다중 레벨 펄스들의 시퀀스에 의해 구동되고, 상기 다중 레벨 펄스들의 시퀀스의 다중 레벨 펄스의, 펄스 크기, 폭, 형상, 펄스 주파수, 및 이들의 조합은 전기적으로 프로그래밍 가능한 것인, 초음파 이미징 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 행 및 열에 의해 인덱싱된 소자에 대한 지연은, 상기 열에 대한 지연을 상기 행에 대한 지연과 합산하여 계산되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 지연은 대략적인 지연(coarse delay)과 미세 지연(fine delay)의 합일 수 있는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 펄스 시작의 지연은 X 방향 및 Y 방향으로 프로그래밍 가능한 것인, 초음파 이미징 시스템.
  17. 제3항에 있어서, 상기 송신 구동기는 열을 따라 상기 하나 이상의 트랜스듀서 소자를 구동하도록 구성되고, 상기 송신 구동기는 송신 채널로부터의 신호들에 의해 구동되며, 상기 송신 채널의 신호들은 상이한 열들에 있는 다른 트랜스듀서 소자들을 구동하는 다른 송신 채널들에 적용되는 지연에 비해 전자적으로 지연되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 열을 따르는 상기 하나 이상의 트랜스듀서 소자는 실질적으로 동일한 지연들로 동작하는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 상기 송신 채널 및 추가 송신 채널들은 인접한 열들 사이의 상대적 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성되고, 상기 제어 회로는, 동일한 행 내의 제1 개수의 트랜스듀서 소자들이 시작 행의 제2 개수의 트랜스듀서 소자들과 실질적으로 동일한 상대적 지연들을 공유하도록, 상기 열들에 있는 상기 제1 개수의 트랜스듀서 소자들에 대한 상대적 지연들을 설정하도록 구성되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  20. 제3항에 있어서, 상기 복수의 트랜스듀서 소자들 중의 트랜스듀서 소자는, 상부 섹션, 중앙 섹션 및 하부 섹션을 포함하며, 이들 각각은 반사된 초음파 신호의 펄스 송신 및 수신을 위한 다수의 행들과 다수의 열들을 포함하고, 상기 상부 섹션, 중앙 섹션 및 하부 섹션으로부터의 상기 반사된 초음파 신호의 펄스 송신 및 수신은, 제1 빔포머(beamformer)를 사용하여 상기 반사된 초음파 신호를 방위각 방향으로 포커싱하는 데 사용되며, 고도 포커스는 제2 빔포머를 사용하여 달성되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 고도 방향에서의 초점 거리가 전자적으로 프로그래밍되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  22. 제20항에 있어서, 상기 상부 섹션과 상기 하부 섹션의 상기 반사된 신호의 펄스 송신 및 수신이 동시에 수행되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  23. 제6항에 있어서, 상기 하나 이상의 행 중의 행에 있는 인접한 두 개의 트랜스듀서 소자들이 함께 어드레싱(address)되고, 상기 복수의 트랜스듀서 소자들 중의 트랜스듀서가 상부 섹션, 중앙 섹션 및 하부 섹션을 포함하며, 이들 각각은 반사된 초음파 신호의 초음파 펄스 송신 및 수신을 위한 제1 개수의 행들 및 제2 개수의 열들을 포함하고, 상기 섹션들로부터의 상기 반사된 초음파 신호의 초음파 펄스 송신 및 수신은 제1 빔포머를 사용하여 상기 반사된 초음파 신호를 방위각 방향으로 포커싱하는 데 사용되며, 고도 포커스는 제2 빔포머를 사용하여 달성되고, B 모드를 사용하는 이미징을 위해, 수신 채널은 동일한 행에 있는 두 개의 트랜스듀서 소자들, 상기 상부 섹션으로부터의 상기 두 개의 트랜스듀서 소자들 중 하나, 및 상기 하부 섹션으로부터의 상기 두 개의 소자들 중 다른 하나에 할당되고, 또 다른 채널은 상기 중앙 섹션의 두 개의 트랜스듀서 소자들에 할당되며, 2N개의 수신 채널들이 N개의 열들을 어드레싱하는 데 사용되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 전자적으로 선택된 상기 복수의 트랜스듀서 소자들 모두는 송신 동작에서 고도 포커스로 압력을 발생시키기 위해 동작되고, 수신 동작에서, 개별적으로 전자적으로 선택된 상기 복수의 트랜스듀서 소자들 모두는 상기 방위각 방향 및 고도 평면에 포커싱하는 이미지를 재구성하는 데 사용되는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  25. 제5항에 있어서, 선형 지연 및 임의의 미세 지연의 합이 되도록 열을 따라 상대적 지연들을 전기적으로 제어하도록 구성된 제어 회로를 더 포함하며, 상기 열의 선형 지연 및 임의의 미세 지연들은 상기 트랜스듀서의 다른 열들의 다른 선형 지연 및 임의의 미세 지연들로부터 독립적이고, 이에 의해 3차원에서 임의의 스티어링 및 포커싱을 허용하는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  26. 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 이미징 시스템에 있어서,
    a) 바이어스 전압; 및
    b) 트랜스듀서 회로들의 열
    을 포함하고, 트랜스듀서 회로는,
    i) 전기 신호를 초음파로 변환하기 위한 트랜스듀서를 포함하는 트랜스듀서 소자 - 상기 트랜스듀서 소자는 제1 단자 및 제2 단자를 가짐 -;
    ii) 상기 트랜스듀서 소자에 전위(potential)를 공급하기 위한 입력 구동 디바이스를 포함하고, 상기 트랜스듀서 소자의 상기 제1 단자에 연결된 회로부(circuitry);
    iii) 상기 트랜스듀서 소자의 상기 제2 단자에 연결된 인덕터; 및
    iv) 상기 트랜스듀서 회로를 상기 바이어스 전압에 연결하기 위한 스위치
    를 포함하는 것인, 초음파 이미징 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 상기 초음파 트랜스듀서는 복수의 열들을 포함하고, 상기 복수의 열들 중의 열은 상기 트랜스듀서 소자와 직렬로 연결된 인덕터를 포함하며, 상기 복수의 열들의 트랜스듀서 회로들과 상기 바이어스 전압 사이에 직렬로 연결된 인덕터를 더 포함하는, 초음파 이미징 시스템.
  28. 적어도 하나의 트랜스듀서 소자를 포함하는 트랜스듀서에 의해 방출되는 초음파의 압력을 증가시키기 위한 방법에 있어서,
    a) 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 소자에 연결된 적어도 하나의 송신 구동기를 사용하여, 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 소자를 송신 모드로 배치하는 단계 - 각 트랜스듀서 소자는 제1 단자 및 제2 단자를 가짐 -;
    b) 적어도 하나의 인덕터에 대해, 상기 적어도 하나의 인덕터 각각의 제1 단자를 각 트랜스듀서 소자의 상기 제2 단자에 연결하는 단계 - 상기 적어도 하나의 인덕터의 제2 단자는 바이어스 전압에 연결되고, 상기 적어도 하나의 인덕터는 상기 트랜스듀서 소자와 통합되지 않음 -; 및
    c) 적어도 하나의 송신 구동기 각각을 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 소자 각각의 각 제1 단자에 연결하는 단계
    를 포함하는, 초음파의 압력을 증가시키기 위한 방법.
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