チャネル数を低減するための再構成可能なリニアセンサアレイ

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【発明の名称】	チャネル数を低減するための再構成可能なリニアセンサアレイ
【発明者】	【氏名】カイ・エリック・トメニウス【氏名】レイエット・アン・フィッシャー【氏名】ロバート・ギデオン・ウッドニッキ【氏名】クリストファー・ロバート・ハザード【氏名】ローウェル・スコット・スミス【氏名】ブルーノ・ハンス・ハイダー【氏名】ケネス・ウェイン・リグビー
【要約】	【課題】チャネル数を低減するための再構成可能なリニアセンサアレイを提供すること。【解決手段】マイクロマシニング加工が施されたセンサ（たとえば、光センサ、温度センサ、圧力センサ、超音波センサ）の再構成可能なリニアアレイ。この再構成可能性により、センサエレメント（３２）のサイズおよび間隔を、ビーム中心からの距離の関数にすることが可能になる。この特徴により、チャネル数が限定された撮像システムの性能が向上する。この性能の向上は、複数の送信焦点ゾーンが用いられる用途では、特定の深度に対してアパーチャを調整できることによってもたらされる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
列を形成する線に沿って隣り合って配置された多数のセンササブエレメント（３２）であって、前記各センササブエレメントがそれぞれ、ほぼ長方形の領域を占める、マイクロマシニング加工が施された電気機械デバイスを多数含み、マイクロマシニング加工が施された前記各電気機械デバイスが、それぞれの第１の電極を含み、任意の特定のセンササブエレメントを構成する、マイクロマシニング加工が施された電気機械デバイスの前記第１の電極が、電気的に相互接続されていて、スイッチングによる接続解除ができない、多数のセンササブエレメント（３２）と、
多数の導電性アクセス線（３４）と、
多数のアクセススイッチ（３０）であって、前記各アクセススイッチが、オンにされたときに、それぞれの、前記センササブエレメントの１つと、前記アクセス線の１つとを電気的に接続する、多数のアクセススイッチ（３０）と、
多数のマトリックススイッチ（３６）であって、前記各マトリックススイッチが、オンにされたときに、それぞれの、前記センササブエレメントの１つと、それぞれの隣接する、前記センササブエレメントの１つとを電気的に接続する、多数のマトリックススイッチ（３６）と、
多数のスイッチ状態制御回路（５２）であって、前記各スイッチ状態制御回路が、それぞれの、前記アクセススイッチの１つの状態と、それぞれの、前記マトリックススイッチの１つの状態とを制御する、多数のスイッチ状態制御回路（５２）と
それぞれのアパーチャに対応する、選択されたスイッチ構成に従って前記スイッチ状態制御回路をプログラミングするために電気的に接続されたプログラミング回路（５４）とを備える装置。
【請求項２】
マイクロマシニング加工が施された前記各電気機械デバイスがさらに、それぞれのキャビティの上に重なるそれぞれのメンブレンを含み、前記それぞれの第１の電極が前記それぞれのメンブレンによって支持される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
マイクロマシニング加工が施された前記各電気機械デバイスがそれぞれのｃＭＵＴセルを含む、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記各ｃＭＵＴセルが六角形である、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記各スイッチ状態制御回路（５２）が、前記プログラミング回路から受け取った、複数のスイッチ構成に対応するスイッチ状態制御データを格納するローカルバッファリング回路を含む、請求項１記載の装置。
【請求項６】
それぞれがほぼ長方形のアクティブ領域を有する超音波トランスデューササブエレメント（３２）のリニアアレイと、
選択的にオンにされたときに、超音波トランスデューササブエレメント同士を選択的に電気的に結合して超音波トランスデューサエレメントを形成するように配置された、多数のマトリックススイッチ（３６）と、
実質的に前記リニアアレイと平行に伸びている、多数の導電性アクセス線（３４）と、
選択的にオンにされたときに、超音波トランスデューササブエレメントとアクセス線とを選択的に電気的に結合するように配置された、多数のアクセススイッチ（３０）と、
多数のシステムチャネル（５８）と、
マルチプレクサ（２８）であって、前記各アクセス線が前記マルチプレクサを介して、それぞれの、前記システムチャネルの１つに電気的に結合される状態を有するマルチプレクサ（２８）とを備え、
前記各超音波トランスデューササブエレメント（３２）が、それぞれの多数の電気的に接続された、スイッチによる接続解除ができないｃＭＵＴセルを含むシステム。
【請求項７】
多数のスイッチ状態制御回路であって、前記各スイッチ状態制御回路が、それぞれの、前記アクセススイッチの１つの状態と、それぞれの、前記マトリックススイッチの１つの状態とを制御する、多数のスイッチ状態制御回路と
選択されたスイッチ構成に従って前記スイッチ状態制御回路をプログラムするために電気的に接続されたプログラミング回路とをさらに含む、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
第１の時間間隔の間に、センササブエレメントがアクセス線に結合されて、第１の受信アパーチャを構成する、センサエレメントの第１のセットが形成され、前記第１の時間間隔に続く第２の時間間隔の間に、センササブエレメントがアクセス線に結合されて、前記第１の受信アパーチャと異なる第２の受信アパーチャを構成する、センサエレメントの第２のセットが形成されるように、前記プログラミング回路が前記スイッチ状態制御回路をプログラミングする、請求項６記載のシステム。
【請求項９】
それぞれがほぼ長方形のアクティブ領域を有する超音波トランスデューササブエレメント（３２）のリニアアレイと、
多数のアクセス線（３４）と、
スイッチングネットワークとを備え、前記スイッチングネットワークが、選択された超音波トランスデューササブエレメント同士を電気的に接続して超音波トランスデューサエレメントを形成する、第１のスイッチセット（３６）と、前記超音波トランスデューサエレメントを、選択されたアクセス線と電気的に結合する、第２のスイッチセット（５２）とを含み、前記第１および第２のスイッチセットが、アパーチャを形成するスイッチング構成に従って設定され、前記アパーチャを構成する前記超音波トランスデューサエレメントのピッチおよび幅が、前記リニアアレイ全体にわたって一様でないシステム。
【請求項１０】
多数のビームフォーマチャネル（５４）と、
選択されたアクセス線と、選択されたビームフォーマチャネルとを電気的に結合するマルチプレクサ（２８）とをさらに備える、請求項９記載のシステム。

【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、センサ（たとえば、光センサ、温度センサ、圧力センサ、超音波センサ）の再構成可能なアレイに関する。特に、本発明は、再構成可能な、マイクロマシニング加工を施された超音波トランスデューサ（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）（ＭＵＴ）アレイに関する。ＭＵＴならではの応用の１つが、医療診断用超音波撮像システムである。他の適した応用例として、鋳造物、鍛造物、管路などの材料の被破壊評価（ＮＤＥ）がある。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波撮像システムは、超音波ビームを送信し、調査対象からの反射ビームを受信するために用いられる超音波トランスデューサのアレイを備える。そのような走査は一連の測定からなり、そこでは、合焦された超音波が送信され、短い時間間隔の後にシステムが受信モードに切り替わり、反射された超音波が受信され、ビーム形成され、表示のために処理される。通常は、各測定の間、送信と受信とが同じ方向に合焦され、それによって、音響ビームまたは走査線に沿う一連のポイントからデータが得られる。受信機は、反射された超音波が受信される際に、走査線に沿って連続的に再合焦される。
【０００３】
超音波撮像の場合、通常、アレイは多数のトランスデューサを有し、それらのトランスデューサは、１つまたは複数の列に並べられ、送信時に別々の電圧で駆動される。印加される電圧の時間遅延（または位相）と振幅とを選択して、所与の列の個々のトランスデューサを制御することによって、それぞれから超音波を発生させ、それらをまとめて最終的な１つの超音波を形成し、それを好ましいベクトル方向に伝搬させ、そのビームに沿う選択されたゾーンに合焦させることが可能である。
【０００４】
受信モードで、トランスデューサプローブを用いて反射音を受信する場合にも、同じ原理が当てはまる。受信トランスデューサで発生した電圧が合算され、対象の単一焦点ゾーンから反射された超音波を表す最終的な信号になる。送信モードの場合と同様に、この、超音波エネルギーの合焦された受信は、各受信トランスデューサからの信号に別々の時間遅延（および／または位相シフト）および利得を与えることによって達成される。この時間遅延は、返信信号の深度を増やして受信時の動的合焦（dynamic focusing）が可能になるように調整される。
【０００５】
形成される画像の画質あるいは分解能は、部分的には、それぞれがトランスデューサアレイの送信アパーチャおよび受信アパーチャに寄与するトランスデューサの個数の関数である。したがって、二次元および三次元の撮像用途において高画質を達成するには、多数のトランスデューサが必要である。超音波トランスデューサは、一般に、柔軟なケーブルで電子回路ユニットと接続されたハンドヘルドトランスデューサプローブに内蔵され、この電子回路ユニットがトランスデューサ信号を処理して超音波画像を生成する。トランスデューサプローブは、超音波送信回路と超音波受信回路の両方を有することが可能である。
【０００６】
再構成可能な超音波アレイは、サブエレメントのグループを動的に相互接続して、波面形状と一致するエレメント形状が得られるようにすることが可能な超音波アレイである。これは、性能の向上および／またはチャネル数の低減につながる可能性がある。再構成可能性は、スイッチングネットワークを用いて達成可能である。
【０００７】
ＭＵＴの１つの利点は、「マイクロマシニング」という表題の下に分類されるマイクロファブリケーションプロセスなどの半導体ファブリケーションプロセスを用いて製造できることである。米国特許第６，３５９，３６７号で説明されているように、
【０００８】
マイクロマシニングは、（Ａ）パターン形成ツール（一般にはプロジェクションアライナやウェハステッパなどのリソグラフィ）と、（Ｂ）ＰＶＤ（物理気相成長法）、ＣＶＤ（化学気相成長法）、ＬＰＣＶＤ（減圧化学気相成長法）、ＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気相成長法）などの成長ツールと、（Ｃ）ウェット化学エッチング、プラズマエッチング、イオンミリング、スパッタエッチング、レーザエッチングなどのエッチングツールとの組み合わせまたは一部を用いて微細構造を形成することである。一般にマイクロマシニングは、シリコン、ガラス、サファイア、またはセラミックでできた基板またはウェハの上で実施される。そのような基板またはウェハは、一般に、非常に平坦かつなめらかであり、インチ単位の横方向寸法（lateral dimensions）を有する。それらの基板またはウェハは、プロセスツール間を移動する際に、グループとしてカセット単位で処理されるのが普通である。各基板には、多数の製品が（必須ではないが）有利に組み込まれる。マイクロマシニングには２つの一般的なタイプがある。１）ウェハまたは基板の厚みの、大きな部分が彫刻されるバルクマイクロマシニングと、２）彫刻が一般に表面（特に表面上の成長薄膜：thin
deposited films）に限定されるサーフェスマイクロマシニングである。本明細書で用いられるマイクロマシニングの定義は、従来または既知のマイクロマシニング加工可能な材料を使用することを含み、そのような材料として、シリコン、サファイア、すべてのタイプのガラス材料、ポリマ（ポリイミドなど）、ポリシリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、アルミニウム合金、銅合金、タングステンなどの薄膜金属、スピンオングラス（ＳＯＧ）、埋込型ドーパントまたは拡散ドーパント、シリコン酸化物やシリコン窒化物などの成長膜などがある。
【０００９】
本明細書でも、マイクロマシニングの同じ定義を採用する。そのようなマイクロマシニングプロセスから得られるシステムは、一般に「マイクロマシニング加工を施された電気機械的システム（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ）（ＭＥＭＳ）」と呼ばれる。
【００１０】
通常、ｃＭＵＴは、その全体にわたって引き伸ばされたメンブレンを有する六角形構造を有する。このメンブレンは、印加されたバイアス電圧によって基板表面のそばで保持される。既にバイアスされているｃＭＵＴに振動信号を加えることによって、メンブレンを振動させ、それによって、音響エネルギーを放射させることが可能である。同様に、メンブレンで音響波が発生した場合は、結果として得られる振動がｃＭＵＴで電圧変化として検出されることが可能である。ｃＭＵＴセルは、これらの六角形の「ドラム」構造物の１つを表すために用いられる用語である。ｃＭＵＴセルは、非常に小さな構造物であることが可能である。代表的なセルのサイズは、六角形における平坦エッジから平坦エッジまでが２５～５０ミクロンである。セルのサイズは、意図された音響応答によって、様々に決定される。必要な周波数応答および感度の点で良好に動作する、より大きなセルを作成するのは不可能なことがある。
【００１１】
そのような小さなセルの個別制御を可能にする電子回路を作成するのは困難である。アレイ全体の音響性能の点では、セルのサイズが小さいことは有利であり、高い柔軟性につながるが、制御はより大きな構造物に限定される。複数のセルをグループにまとめ、それらのセルを電気的に接続することにより、所望の音響応答を確保しながら個別制御が可能な、より大きなサブエレメントを作成することが可能になる。したがって、サブエレメントは、再構成が不可能な、電気的に接続されたセルのグループである。本開示の目的の場合、このサブエレメントは、単独で制御される最小音響単位である。サブエレメントをスイッチングネットワークで相互接続することによってエレメントを形成できる。このエレメントは、スイッチングネットワークの状態を変化させることによって再構成可能である。しかしながら、サブエレメントに含まれる接続されたセルは、スイッチングによる接続解除ができず、したがって再構成が不可能である。
【００１２】
超音波システムの昨今の動向は、より小さく、より可搬性にすぐれた装置に向いている。おそらく、いつかは、手のひらサイズの小型超音波システムが、医師の標準装備として、聴診器に取って代わるであろう。そのような小型超音波システムを実現するためには、ビーム形成チャネルの数を減らすことが必須である。基本的な課題は、システムチャネルの数を減らしながらも適切なビーム形成性能（分解能およびコントラスト）を確保することである。分解能を確保するためには、アパーチャを小さくすることはできない。これは、標準的なアレイでは、チャネル数を増やしてアパーチャのサイズを大きくするか、チャネル間隔を広げることが必要であることを意味する。標準的なアレイの場合、チャネル間隔を粗いステップ（おおよそ１波長）でしか広げることができない。アレイ全体にわたってステップサイズを均一に大きくすると、グレーティングローブが生じ、これは好ましくない。
【００１３】
現在の超音波リニアアレイプローブはすべて、ピッチが一定である。チャネル数を減らすことは、アパーチャを断念するか、グレーティングローブを容認することになる。グレーティングローブを発生させずにチャネル数を減らす１つの方法は、ビームフォーマフォルディング（ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒｆｏｌｄｉｎｇ）である。リニアアレイの場合は、ビーム中心の両側の遅延が対称的である。これは、それらの対称的なエレメントを同じシステムチャネルに接続する多重化方式が可能であれば、チャネル数を約半分に減らせることを意味する。しかしながら、このような多重化方式は、システムチャネルの数が多い場合には非常に複雑になる可能性がある。また、現在ある多重化方式は、位置が固定されている比較的大きなサイズのエレメントに限定されているので、完全な再構成可能性を提供することができない。チャネル数を増やすために用いることのできる別の方法は、合成アパーチャ方式を用いることである。この場合は、複数回の送信にわたって、より大きなアパーチャが形成される。これは、チャネル数の大幅な低減につながるが、複数回の放射が必要であることから、信号対雑音比が悪化し、フレームレートが低下する。さらに、振動が合成アパーチャイメージに歪みをもたらす可能性がある。
【００１４】
アパーチャサイズを確保し、グレーティングローブを発生させずに、チャネル数を減らしたシステムが必要である。
【特許文献１】米国特許第６，３５９，３６７号
【特許文献２】米国特許第６，５７１，４４５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、マイクロマシニング加工が施されたセンサ（たとえば、光センサ、温度センサ、圧力センサ、超音波センサ）の再構成可能なリニアアレイを提供することを目的とする。この再構成可能性により、センサエレメントのサイズおよび間隔を、ビーム中心からの距離の関数にすることが可能になる。この特徴により、チャネル数が限定された撮像システムの性能が向上する。この性能の向上は、複数の送信焦点ゾーンが用いられる用途では、特定の深度に対してアパーチャを調整できることによってもたらされる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様は装置であって、この装置は、列を形成する線に沿って隣り合って配置された多数のセンササブエレメント（各センササブエレメントはそれぞれ、ほぼ長方形の領域を占める、マイクロマシニング加工が施された電気機械デバイスを多数含み、マイクロマシニング加工が施された電気機械デバイスのそれぞれは、それぞれの電極を含み、任意の特定のセンササブエレメントを構成する、マイクロマシニング加工が施された電気機械デバイスの電極は、電気的に相互接続されていて、スイッチングによる接続解除ができない）と、多数の導電性アクセス線と、多数のアクセススイッチ（各アクセススイッチは、オンにされたときに、それぞれの、センササブエレメントの１つと、アクセス線の１つとを電気的に接続する）と、多数のマトリックススイッチ（各マトリックススイッチは、オンにされたときに、それぞれの、センササブエレメントの１つと、それぞれの隣接する、センササブエレメントの１つとを電気的に接続する）と、多数のスイッチ状態制御回路（各スイッチ状態制御回路は、それぞれの、アクセススイッチの１つの状態と、それぞれの、マトリックススイッチの１つの状態とを制御する）と、それぞれのアパーチャに対応する、選択されたスイッチ構成に従ってスイッチ状態制御回路をプログラミングするために電気的に接続されたプログラミング回路とを備える。
【００１７】
本発明の別の態様はデバイスであって、このデバイスは、第１の層において、列を形成する線に沿って隣り合って配置された多数の、ほぼ長方形の、マイクロマシニング加工を施されたセンササブエレメントと、第１の層に対して固定され、第１の層の基盤をなす第２の層において、列を形成する線に沿って隣り合って配置された多数のインターフェース電子回路セル（各インターフェース電子回路セルは、それぞれのセンササブエレメントの基盤をなす）と多数の電気的接続（各電気的接続は、それぞれの、インターフェース電子回路セルの１つと、それぞれの、センササブエレメントの１つとを電気的に接続する）と多数の導電性アクセス線とを含み、各単位電子回路セルは、オンにされたときに、それぞれの、センササブエレメントの１つと、アクセス線の１つとを電気的に接続するアクセススイッチと、オンにされたときに、それぞれのセンササブエレメントと、それぞれの隣接する、センササブエレメントの１つとを電気的に接続するマトリックススイッチと、アクセススイッチの状態とマトリックススイッチの状態とを制御するスイッチ状態制御回路とを含む。
【００１８】
本発明のさらなる態様はシステムであって、このシステムは、それぞれがほぼ長方形のアクティブ領域を有する超音波トランスデューササブエレメントのリニアアレイと、選択的にオンにされたときに、超音波トランスデューササブエレメント同士を選択的に電気的に結合して超音波トランスデューサエレメントを形成するように配置された、多数のマトリックススイッチと、実質的にリニアアレイと平行に伸びている、多数の導電性アクセス線と、選択的にオンにされたときに、超音波トランスデューササブエレメントとアクセス線とを選択的に電気的に結合するように配置された、多数のアクセススイッチと、多数のシステムチャネルと、各アクセス線がマルチプレクサを介して、それぞれの、システムチャネルの１つに電気的に結合される状態を有するマルチプレクサとを備え、各超音波トランスデューササブエレメントは、それぞれの多数の電気的に接続された、スイッチによる接続解除ができないｃＭＵＴセルを含む。
【００１９】
本発明のさらに別の態様はシステムであって、このシステムは、それぞれがほぼ長方形のアクティブ領域を有する超音波トランスデューササブエレメントのリニアアレイと、多数のアクセス線と、スイッチングネットワークとを備え、このスイッチングネットワークは、選択された超音波トランスデューササブエレメント同士を電気的に接続して超音波トランスデューサエレメントを形成する、第１のスイッチセットと、その超音波トランスデューサエレメントを、選択されたアクセス線と電気的に結合する、第２のスイッチセットとを含み、第１および第２のスイッチセットは、アパーチャを形成するスイッチング構成に従って設定され、アパーチャを構成する超音波トランスデューサエレメントのピッチおよび幅は、リニアアレイ全体にわたって一様でない。
【００２０】
本発明の他の態様は、明細書のこの後の部分で開示され、添付の特許請求項に記載される。
【００２１】
以下、添付図面を参照していくが、異なる図面において類似する要素には同じ参照符号が付されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、センサが連結されたリニアアレイのサイズおよび間隔を、ビーム中心からの距離の関数として変化させるために利用できる、再構成可能なスイッチングマトリックスを提供することを目的とする。ここでは、例示のために、この再構成可能なリニアアレイを、マイクロマシニング加工が施された容量性超音波トランスデューサ（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）（ｃＭＵＴ）を参照して説明する。しかしながら、本明細書で開示される発明の態様は、ｃＭＵＴを用いるプローブだけに用途が限定されるのではなく、ｐＭＵＴを用いるプローブにも適用可能であることを理解されたい。本発明の同じ態様は、マイクロマシニング加工が施された光センサ、温度センサ、または圧力センサの再構成可能なアレイにも当てはまる。
【００２３】
図１は、代表的なｃＭＵＴトランスデューサセル２の断面図である。そのようなｃＭＵＴトランスデューサセルのアレイは、一般に、高濃度にドープされたシリコン（ゆえに半導性）ウェハなどの基板４の上で組み立てられる。各ｃＭＵＴトランスデューサセルにおいて、シリコン窒化物で作成可能な薄いメンブレンまたはダイアフラム８が、基板４の上方につり下げられる。メンブレン８は、その周辺部が、シリコン酸化物またはシリコン窒化物によって作成可能な絶縁支持体６によって支持される。メンブレン８と基板４との間のキャビティ１４は、空気またはガスで満たされていても、全体的または部分的に真空であってもよい。一般に、ｃＭＵＴは、プロセスで可能な限り真空にされている。アルミニウム合金または他の好適な導電性材料の薄膜で電極１２がメンブレン８の上に形成され、導電性材料で作成された別の薄膜で電極１０が基板４の上に形成される。あるいは、下側の電極は、半導性基板４を適切にドープすることによって形成されることも可能である。
【００２４】
２つの電極１０および１２は、キャビティ１４によって隔てられ、静電容量を形成する。メンブレン８に音響信号が当たってメンブレン８が振動すると、関連付けられた電子回路（図１に図示せず）によって静電容量の変動が検出され、それによって、音響信号が電気信号に変換されることが可能である。逆に、一方の電極にＡＣ信号が印加されると、電極の電荷が変調され、それによって電極間の静電力が変調され、それによってダイアフラムが動き、それによって音響信号が送信される。
【００２５】
個々のセルの周辺部の形状は、円形でも、長方形でも、六角形でも、それ以外でもよい。形状を六角形にすると、トランスデューササブエレメントのｃＭＵＴセルを高密度に詰め込むことが可能である。これらのｃＭＵＴセルを様々な寸法にして、トランスデューサのサブエレメントが様々なセルサイズの合成特性を有し、トランスデューサの特性が広帯域になるようにすることが可能である。
【００２６】
しかしながら、そのような小さなセルの個別制御を可能にする電子回路を作成するのは困難である。アレイ全体の音響性能の点では、セルのサイズが小さいことは有利であり、高い柔軟性につながるが、制御はより大きな構造物に限定される。複数のセルをグループにまとめ、それらのセルを電気的に接続することにより、所望の音響応答を確保しながら個別制御が可能な、より大きなサブエレメントを作成することが可能になる。サブエレメントをスイッチングネットワークで相互接続することによってリングまたはエレメントを形成できる。このエレメントは、スイッチングネットワークの状態を変化させることによって再構成可能である。しかしながら、個々のサブエレメントを再構成して別のサブエレメントを形成することはできない。
【００２７】
米国特許第６，５７１，４４５号で開示されている製造方法を用いて、ＭＵＴセルをマイクロマシニングプロセスにおいて相互接続し、サブエレメントを形成することが可能である。したがって、ＭＵＴセルは、スイッチングを介在させずに接続される（すなわち、ＭＵＴセルは相互接続をスイッチングによって解除することができない）。以下では、そのようなかたまりを「音響サブエレメント」という用語で表す。これらの音響サブエレメントは超小型電子スイッチによって相互接続され、そのようなスイッチをシリコン膜内またはトランスデューサアレイのすぐ隣りに位置する別の基板上に配置することによって、より大きなエレメントが形成される。
【００２８】
本明細書で用いられているように、「音響サブエレメント」という用語は、再構成が不可能な単一セルまたは電気的に接続されたセルのグループを意味する。すなわち、このサブエレメントは、単独で制御される最小音響単位である。「サブエレメント」という用語は、音響サブエレメントと、それに関連付けられた組み込み電子回路とを意味する。「エレメント」は、サブエレメントをスイッチングネットワークで相互接続することによって形成される。このエレメントは、スイッチングネットワークの状態を変化させることによって再構成可能である。スイッチングネットワークに含まれるスイッチの少なくともいくつかは、後で詳述するように、「関連付けられた組み込み電子回路」の一部である。
【００２９】
米国特許出願第１０／３８３，９９０号で開示されているように、トランスデューササブエレメントは、六角形のｃＭＵＴセルのグループを相互接続することによって形成可能である。サブエレメントの各ｃＭＵＴセルの上側の電極同士は、スイッチングによる接続解除ができない接続で電気的に相互結合されている。六角形のアレイの場合は、上側の電極から外側に６個の導体が放射状に広がり（図示せず）、それぞれが隣のｃＭＵＴセルの上側の電極と接続されている（周辺部のセルは例外であって、それらは、６個ではなく３個の他のセルと接続されている）。同様に、サブエレメントの各セルの上側の電極同士は、スイッチングによる接続解除ができない接続で電気的に相互結合されている。図２は、５列のセル２を有する１つのサブエレメント１６の一部を示している。この列は、そのサブエレメントのサイズを埋め尽くすまで広がっている。これ以外に、５列より多い列または少ない列のｃＭＵＴセルを含むサブエレメントを有するリニアアレイも構成可能である。
【００３０】
図３は、ｃＭＵＴセルで構成されたエレメントのリニアアレイの構造を大まかに示したものである。この例では、マイクロマシニング技術により、多数のｃＭＵＴセルがＣＭＯＳウェハ１８上に作成されている。ｃＭＵＴセルは、方位角方向に並べられた超音波トランスデューサエレメント２０の１つの列を形成するように並べられ、各エレメント２０はほぼ長方形の領域を占め、それらのエレメントが隣り合って並べられている。各エレメント２０のｃＭＵＴセルは、平行に接続されている。各エレメント２０は、１００～１０００個の（すなわち、所与のサブエレメントのサイズを埋めるのに必要な任意の数の）ｃＭＵＴセルを含むことができる。たとえば、サブエレメントは、各列が約１００個のセルを有し、ほぼ高さ方向に並ぶように、６列に並べられた多数の六角形セルを含むことができる。サブエレメントのｃＭＵＴセルは、すべてが一緒に共振して、超音波を発生する。これらのサブエレメントが、サイズおよび間隔が変化するトランスデューサエレメントを形成するように、スイッチングによって接続されることが可能である。
【００３１】
１．５次元のトランスデューサアレイを実現するために、図３に破線で示されるように、ほぼ長方形の各領域を、ほぼ長方形の３つのサブ領域２２、２４、および２６に分割することが可能である。サブ領域２２および２６の長さはほぼ同じであり、これらは中央のサブ領域２４より（必須ではないが）一般に短い。この代替実施形態によれば、サブ領域２２内のｃＭＵＴセルは相互接続されていて、スイッチングによる接続解除が不可能であり、サブ領域２４内のｃＭＵＴセルは相互接続されていて、スイッチングによる接続解除が不可能であり、サブ領域２６内のｃＭＵＴセルは相互接続されていて、スイッチングによる接続解除が不可能であるため、各列に３つのサブエレメントが形成される。この場合、サブ領域２２および２６のｃＭＵＴセルは、送信中は同時にアクティブ化されることが好ましいが、構成によっては、独立であることも可能である。
【００３２】
当然ながら、先述の考え方は、４列以上のトランスデューサエレメントを有するプローブを作成する場合にも当てはまる。
【００３３】
本明細書で開示される発明は、再構成可能性を、チャネル数を低減する手段として活用しようとするものである。再構成可能性は、様々な意味を持ちうる。完全に再構成可能なアレイは、２次元アレイの任意のサブエレメントを任意のシステムチャネルに接続できる。基になる２次元アレイは、現在のトランスデューサアレイと等価な全次元を有するか、現在のアレイより大きな高さ次元を有することが可能である。また、再構成可能であることは、この、サブエレメントからシステムチャネルへのマッピングが動的に変更可能であることも意味する。たとえば、アレイを、画像内でビームごとに、または焦点深度ごとに再構成することが可能である。あるいは、送信と受信とで異なる構成にすることが可能である。この技術をさらに拡張すれば、構成を、受信中の深度の関数として連続的に変化させることも可能であろう。実際には、再構成可能性を実現することは困難な場合があり、そのような受信中の動的な再起動可能性の実現は特にそうである。したがって、再構成可能性がより制限される場合を取り扱うのが好ましいであろう。
【００３４】
図４は、リニアトランスデューサアレイの深度の増加に対してアパーチャの端から端までの遅延プロファイルが変化する様子を示している。近距離場では（すなわち、浅い深度では）、アパーチャの中心から外側に（エッジに向かって）動くときに遅延が急激に変化する。深度が増えるにつれ、遅延プロファイルは平坦になり、アパーチャの中心からエッジまでの変化がよりゆるやかになる（すなわち、変化が小さくなる）。
【００３５】
図５は、増加する深度の関数として、完全に動的な再構成可能アパーチャが大きくなる様子を示している。ここでは、再構成可能性が、方位角方向だけに制限されている。中央の２本の線は、中央エレメントの境界を表している。エレメントは５個ごとに示されている。このタイプの再構成可能性は最も有利である。近距離場では、アパーチャがより小さいにもかかわらず、すべてのチャネルが使用可能であり、対称的に、遅延誤差が大きいチャネルが単純にオフになるからである。エレメントは、深度が増えるほど広がる。再構成可能性は、深度が増えるにつれて遅延プロファイルが平坦になるという事実を利用する。これは、深度が大きいほど、エレメント全体の遅延誤差が増えることなく、個々のエレメントのサイズを大きくできることを意味する。再構成可能性がない場合、エレメントのサイズは、最も浅い撮像深度に対して必要な、アパーチャの外側エッジでのサンプリングによって決まる。これは、エレメント全体の遅延誤差を同じにするために、はるかに多くのチャネルが必要になることを意味する。ただし、アレイがエレメントのサイズおよびピッチを動的に変化させることができれば、深度に依存する遅延の曲線を利用するように、アレイを構成することが可能である。
【００３６】
リニアアレイの再構成可能性を理想的に実現できれば、深度の関数として動的に変化する構成が可能になる。この再構成可能性は、多くの不連続なステップで実現される。このタイプの再構成可能性は、ほとんどノイズのない、構成間の非常に高速な切り替えを必要とする。特殊化された、アナログとデジタルの混成回路が必要であろう。
【００３７】
スイッチ状態の高速、低電力、低雑音の再構成を可能にするために、列に対してすべての深度の構成のローカルバッファリングを行うことができよう。たとえば、各列に対して最大１０個の異なる深度ゾーンが必要な、再構成可能な一体型のリニアスイッチングアレイの場合は、アレイ内のスイッチごとに、１０個のローカルバッファが同じチップに組み込まれる。所与の列が撮像される前に、そのスイッチの１０個のバッファのすべてがロードされる。そして、列の撮像中に、深度の移行のたびに、それぞれのバッファからのデータが当該スイッチに対して選択される。
【００３８】
共用基板と入力パッドとを経由して、敏感なアナログ回路にデジタルノイズがカプリングされる。データをローカルに保管すると、この作用によるノイズカプリングが低減される。さらに、この手法は、ローカルにバッファリングされたデータが、プローブを制御する電子回路や、ましてやシステムの電子回路からの距離ではなく、チップ上の短い距離を伝送されるだけなので、電力の節約と移行の高速化につながる。深度によって構成が変わるごとに、変化するスイッチだけを再プログラミングすることにより、さらなる節約が実現できる。
【００３９】
低電力システムで用いられる再構成可能なリニアアレイの場合は、あるアパーチャから次のアパーチャに移るときに変化するスイッチの数が最小限であることが好ましい。このスイッチの変化の数は、エレメントごとに、それぞれの制御回路の中にローカルメモリを保持することによって、最小限にすることが可能である。撮像シーケンスの開始時には、初期パターンがエレメントに書き込まれる。図６は、深度の増加とともに、大きくなり、再構成されるアパーチャを示している。陰影をつけた領域は、それぞれのアクセススイッチを介してシステムチャネルに接続されているアレイエレメントを表す。図６に示されたパターンが大きくなるにつれ、チャネルマッピングが中央から外側にシフトし、送信状態になるたびにやや大きくなる。このパターン変化は、既存のパターンを外側に（アレイの左半分は左に、右半分は右に）シフトし、同時に、パターンが大きくなるにつれてパターンを調整するために再プログラミングが必要になるアクセススイッチおよびマトリックススイッチだけを再プログラミングすることによって、効率的に達成されることが可能である。ノイズ性能を高めるために、スイッチ状態をバッファリングすることが可能であり、それによって、次の状態の調整が、使用可能なプログラミング時間いっぱいまで広がる。
【００４０】
代替実施態様は、受信時の再構成可能性を可能にしないが、その代わりに、場の深度を複数の焦点ゾーンに分割する。この実施態様は、ゾーンごとに異なる送信および受信のサイクルが必要になるので、フレームレートが問題にならないケースか、撮像深度が大きくないケースに限定されよう。ゾーンごとに、その特定の焦点ゾーンに対してエレメントのサイズおよび分布を最適化しようとする新しい構成が生成される。この複数ゾーン方式は、単一受信の深度に沿って再構成を可能にする方法で再構成可能性を実装しなくても近距離場内のすべてのチャネルを用いることができる点で有利である。図６は、特定のゾーンに対して、または、より動的な方法で、深度に対してエレメントが再編成される様子を示している。
【００４１】
図７に示すように、エレメントの幅は、（図７に示されていない）マトリックススイッチで相互接続されている、隣接する音響サブエレメントの数で決まる。エレメントの位置は、どの隣接する音響サブエレメントが相互接続されているかで決まる。図７に示されたアパーチャは、隣接する３つの音響サブエレメントを相互接続して形成されたエレメント４０と、接続解除された２つの音響サブエレメントによってエレメント４０から分離され、隣接する２つの音響サブエレメントを相互接続して形成されたエレメント４２と、接続解除された１つの音響サブエレメント４８によってエレメント４２から分離され、隣接する２つの音響サブエレメント４４を相互接続して形成されたエレメント４６と、その他とを含む。
【００４２】
１次元アレイの場合は、任意またはいくつかのシステムチャネルと選択的に接続されることが可能なＭＵＴセルの非常に薄い列を有する場合に、サイズおよび形状の再構成可能性を有することが可能である。各列は、それぞれの音響サブエレメントを形成する、それぞれ多数の相互接続された（相互接続をスイッチングによって解除することができない）ＭＵＴセルを含む。（特定のシステムチャネルに接続されている１つまたは複数の音響サブエレメントとして定義される）各エレメントは、適切な音響サブエレメント（すなわち、ＭＵＴセルの列）を相互接続し、システムチャネルをその、接続されている音響サブエレメントのグループに接続することによって形成される。
【００４３】
本発明の一実施形態によるリニアアレイのトランスデューサエレメントの列の一部を図８に示す。アレイの各エレメントは、それぞれの音響サブエレメントとそれぞれのスイッチングネットワークとを含む。そのスイッチングネットワークは、関連付けられた音響サブエレメントをアクセス線に接続するアクセススイッチと、関連付けられた音響サブエレメントを、隣接する音響サブエレメントに接続するマトリックススイッチとを含む。図８は、３つの音響サブエレメント３２ａ、３２ｂ、および３２ｃ（それぞれはそれぞれの相互接続されたＭＵＴセルの列を含む）を示す。これらはそれぞれに、選択されたシステムチャネル５８に、（それぞれのアクセススイッチ３０ａ、３０ｂ、および３０ｃと、それぞれのアクセス線３４ａ、３４ｂ、および３４ｃと、マルチプレクサ２８とによる）スイッチングによって接続可能である。図８はさらに、選択された音響サブエレメント同士を電気的に結合する、３つのマトリックススイッチ３６ａ、３６ｂ、および３６ｃを示している。これによって、任意の数の音響サブエレメントを結合して１つのエレメントを形成することが可能になる。たとえば、マトリックススイッチ３６ａを閉じて音響サブエレメント３２ａおよび３２ｂを相互接続することが可能である。同様に、マトリックススイッチ３６ｂを閉じて音響サブエレメント３２ｂおよび３２ｃを相互接続することが可能である。マトリックススイッチ３６ａおよび３６ｂを同時に閉じて、音響サブエレメント３２ａ、３２ｂ、および３２ｃを相互接続することが可能である。同様に、マトリックススイッチ３６ｃを閉じて、（図８に示されていない）次の音響サブエレメントと音響サブエレメント３２ｃとを接続することが可能である。結果として得られたエレメントは、それぞれのアクセススイッチを介してマルチプレクサ２８に接続される。厳密には、どのアクセススイッチが用いられるかは、個々のスイッチ構成に依存する。たとえば、閉じられたマトリックススイッチ３６ａによって音響サブエレメント３２ａおよび３２ｂが相互接続されている場合、結果として得られるエレメントは、アクセススイッチ３０ａまたはアクセススイッチ３０ｂを介してマルチプレクサ２８に接続されることが可能である。この考え方を推し進めると、閉じられたマトリックススイッチ３６ａおよび３６ｂによって音響サブエレメント３２ａ、３２ｂ、および３２ｃが相互接続されている場合は、結果として得られるエレメントは、アクセススイッチ３０ａ、３０ｂ、および３０ｃのいずれか１つを介してマルチプレクサ２８に接続されることが可能である。マルチプレクサ２８の状態によって、それぞれのエレメントがシステムチャネル５８のいずれに接続されるかが決まる。マルチプレクサは、音響サブエレメントの１つまたは複数の列の置き場所の外側の周辺領域に配置されることが可能である（図７を参照）。システムチャネル５８は、取得した音響データを超音波撮像システムのビームフォーマ３８に伝達する。典型的な超音波撮像システムの他のよく知られたコンポーネント（オペレータインターフェース、ホストコンピュータ、画像処理装置、走査制御装置、ビデオプロセッサ、ディスプレイモニタなど）は、図８に示されていない。
【００４４】
図８に示されるように、音響サブエレメントの列ごとに複数のアクセス線を用いることが可能である。図８に示されるように、アクセススイッチは、所与の数のアクセス線に対して必要な数を低減するために、互い違いに配置されている。パターンの繰り返しによるアーティファクトを低減するために、バス線（図示せず）に対してアクセススイッチをランダムに順序付けることも可能である。アレイの柔軟性を高めるために、各サブエレメントに複数のアクセススイッチを設けることも可能である。そのような構造において、アクセススイッチの数がなおも、アクセス線およびシステムチャネルの数よりかなり少ない場合は、柔軟性と、サブエレメント当たりのアクセススイッチの数とのトレードオフが行われる。また、各エレメントにおいてアクセス線ごとに複数のアクセススイッチを用いることも可能である。これによって、動作しないアクセススイッチを冗長なアクセススイッチでバイパスすることが可能になるため、デバイスの歩留まりが向上する。
【００４５】
音響サブエレメントの列を構成するＭＵＴセルの列の厚さは、柔軟な再構成を可能にするために、小さく保たれなければならない。しかしながら、スイッチング電子回路を音響サブエレメントのすぐ下に配置する場合は、スイッチング電子回路が列全体の領域を使うことができる。これは、２次元再構成可能性方式において両方の次元を小さく保たなければならない場合に許可されるであろう面積より、非常に大きな面積である。この再構成可能性方式は、１．２５Ｄ、１．５Ｄ、および１．７５Ｄのアレイの場合に複数の列が可能であるようにも拡張可能である。
【００４６】
高さ制限の下での１次元アレイの性能を改善するために、いわゆる「１．２５Ｄ」、「１．５Ｄ」、「１．７５Ｄ」アレイなど、様々なタイプの複数列トランスデューサアレイが開発されている。本明細書で用いているように、これらの用語の意味は次のとおりである。１．２５Ｄ）高さアパーチャが可変であるが、合焦は静的のままである。１．５Ｄ）高さアパーチャ、シェーディング、および合焦が動的に可変であるが、アレイの中心線に関して対称である。１．７５Ｄ）高さのジオメトリと制御は１．５Ｄと同等であるが、対称の拘束がない。１．２５Ｄプローブの高さアパーチャは、範囲とともに大きくなるが、そのアパーチャの高さ合焦（elevation focusing）は静的であり、主に、１つ（または複数）の固定焦点のメカニカルレンズによって決まる。１．２５Ｄプローブは、近距離場および遠距離場のスライス厚性能が実質的に１Ｄプローブより良好であることが可能であり、追加のシステムビームフォーマチャネルを必要としない。１．５Ｄプローブは、追加のビームフォーマチャネルを用いて動的な高さ合焦および高さのアポディゼーションを可能にする。１．５Ｄプローブは、細部分解能が１．２５Ｄプローブに匹敵し、コントラスト分解能が１．２５Ｄプローブより実質的に良好であることが、特に中距離場および遠距離場において可能である。１．７５Ｄプローブは、アパーチャ内のすべてのエレメントのビーム形成時間遅延の単独制御により、ビームフォーマがボディ内の伝搬速度の不均一（または、撮像システム内またはトランスデューサ内の不均一）が適応的に補償することを可能にする。そのような、ビーム形成または位相収差の適応制御に加えて、１．７５Ｄプローブは、高さ方向の、制限されたビームステアリングをサポートすることも可能である。
【００４７】
高電圧スイッチは、既に実用化されているＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）技術である。この技術は、特に、高密度デジタル制御回路を被制御スイッチに隣接させて組み込むことが考慮されている点で特に魅力的である。既に述べたように、この機能は、ある構成から次の構成への、非常に高速で、低雑音で低電力の移行を見込んでいる。マイクロマシニング加工を施された電気機械的システム（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ）（ＭＥＭＳ）のスイッチのような他の技術も用いることが可能であり、この技術はＣＭＯＳに限定されない。
【００４８】
高電圧ＣＭＯＳスイッチは、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）で構成される。そのようなデバイスは、ドレイン、ソース、ゲートの各接続点を有し、ゲート電圧がドレイン－ソース間チャネルの電流の流れを制御する。チャネルが広いほど、スイッチオン抵抗が小さくなるが、これは、受信信号への熱雑音の重畳が少なくなることを意味するので、超音波撮像には有利である。しかしながら、チャネルを広くするには、デバイスのサイズを大きくする必要がある。
【００４９】
２次元アレイでは、２次元アレイエレメントの下にうまく収まる長方形のデバイスを作成するために、非常に広いデバイスが「フィンガー」と呼ばれるセクションに分割される。しかしながら、リニアアレイでは、より長いフィンガーが用いられる。一般には、非常に高さがあり、非常に薄いデバイスがアレイエレメントの下に収まるように、スイッチングエレメントを慎重にレイアウトすることが可能である。さらに、アレイの垂直方向（短軸）のトランスデューサエレメントの組み込みが制限されているので、アレイの中心からスイッチング電子回路までの信号の経路を、アレイの上部と下部に設けることが可能である。これによって、より複雑な制御構造を用いることや、スイッチオン抵抗のさらなる低減が可能になる。
【００５０】
アポディゼーションは、アレイのエレメントで送受信される信号に一組の重み係数を適用することを必要とする。たとえば、アレイに沿っての振幅分布を、二乗余弦などの関数を用いて平滑化して、エレメント間の移行を最小化することが可能である。再構成可能アパーチャを扱うには、動的アポディゼーションが必要である。これは、相互接続された（すなわち、結合された）サブエレメントから受信された信号にシステムチャネルアポディゼーションを行うことによって部分的に達成可能である。さらに、サブエレメントレベルにアポディゼーションを適用してフィンガー制御を与えることが可能である。
【００５１】
エレメントのサイズおよび位置が動的に構成可能なアレイの場合は、どのような構成を用いるかを決定しなければならない。用いることが可能なアルゴリズムの１つは、ある意味で、遅延誤差を最小限にしようと試みるアルゴリズムである。特定の焦点に関して、列ごとの遅延を計算することが可能である。これらの理想的な遅延が与えられた場合は、アパーチャを、それぞれが同じ遅延範囲を有するＮ個のチャネルに分割することが可能である。これは、あるチャネルの最大遅延から、あるチャネルの最小遅延を差し引いたものが、すべてのチャネルで同じになることを意味する。したがって、遅延が同等である列に同じチャネルが割り当てられるように列がグループ分けされる。特定のチャネルに割り当てられる列の数は、許容可能な遅延範囲によって決まる。これは、実際には、すべての列に理想的な遅延を与えて、それらをソートすることを意味する。すべての列の全遅延範囲は、最大遅延から最小遅延を差し引くことによって計算される。この全遅延範囲が、チャネルの数に分割される。これは、所与のチャネルの遅延範囲を与える。図９～１１は、このプロセスの一例である。図９は、トランスデューサアレイに垂直で、アレイのアクティブ部分の中央に位置決めされたビームのポイントで合焦する、典型的な遅延プロファイルを示す。図１０は、このアパーチャを１０個のチャネルに分割した例を示す。これらの時間遅延はソートされている。時間遅延範囲は、１０個の等しい区間に分割されている。これによって、プロットのドメインが１０個のセクションに分割されている。ソート情報を用いると、この１０個のドメインセクションが、再構成可能なリニアアレイの実際の列またはサブエレメントにマッピングされることが可能であり、それによって、エレメントのサイズおよび形状が決まる。図１１は、結果として得られた、等しい範囲に基づく、量子化された遅延パターンを示している。
【００５２】
このアルゴリズムと異なる形態では、各チャネルの、最大遅延誤差ではなく、平均遅延誤差が等しくなるようにアパーチャを分割する。所与のアレイジオメトリの性能を最適化アルゴリズムに用いて構成を決定することも可能である。本明細書で開示された、再構成可能なリニアアレイは、これらのアルゴリズムで決定されるものに限定されない。どちらかと言えば、これらのアルゴリズムは、例を示し、再構成可能性がどのように動作可能かについての見通しを与えることを意図したものである。
【００５３】
再構成可能なリニアアレイの実現可能な有利点を示すために、放射パターンのシミュレーション計算を実施した。図１２～１４は、それらのシミュレーションの結果の一部を示す。アパーチャの全体サイズは、方位各方向が２６ｍｍ、高さ方向が６ｍｍである。高さ合焦およびレンズは用いられていない。シミュレーションには、７．５ＭＨｚ、６０％の部分的帯域幅パルスを用いた。送信焦点深度は、すべてのケースで３０ｍｍであった。３つのケースのすべてに動的受信合焦（dynamic receive focusing）を用いた。受信合焦の深度は、図１２、１３、１４に示されたシミュレーション結果のそれぞれに対して２５ｍｍ、３０ｍｍ、３５ｍｍであった。アレイは、すべてのケースにおいて、３０ｍｍでのポイントに基づいて構成された。各グラフには、４本のカーブが示されている。カーブＡは、等ピッチを有する１２８エレメントリニアアレイ（標準的な撮像構成）を表している。カーブＢ、Ｃ、およびＤは、それぞれ６０チャネル、３２チャネル、および２０チャネルに基づくアレイを表している。アレイは、前述の等遅延範囲アルゴリズムを用いて構成された。わずか３２チャネルの場合の性能は、それらの深度での、１２８エレメントリニア固定ピッチアレイの性能と同等であった。２０チャネルの場合の性能はそれより見劣りし、場の深度は非常に小さかった。
【００５４】
図８に示された、再構成可能なリニアアレイは、音響サブエレメントをシステムチャネルにマッピングする。このマッピングは、性能の改善を意図している。このマッピングは、スイッチングネットワーク（すなわち、アクセススイッチおよびマトリックススイッチ）を介して行われ、このスイッチングネットワークは、理想的には、ｃＭＵＴセルが作成されている基板に直接配置されるが、トランスデューサ基板に隣接して組み込まれた別の基板に配置される可能性もある。ｃＭＵＴアレイは、シリコン基板の上に直接作成されるので、スイッチング電子回路をその基板に組み込むことが可能である。
【００５５】
ＡＳＩＣからｃＭＵＴへの接続がどのように行われるかを示すために、ｃＭＵＴとＡＳＩＣアレイとが一体化されたものの断面図を図１５に示す。図のように、各ｃＭＵＴ音響サブエレメント３２をその相手のＣＭＯＳ電子回路サブエレメント（以下、「インターフェース電子回路セル」）５０と接続するために、単一バイア５６が用いられている。信号電極のパッド６５を、スイッチＡＳＩＣ上に形成されたそれぞれの導電パッド６６に接続するバイア５６は、音響裏打ち層（acoustic backing layer）６２に埋め込まれることが可能である。
【００５６】
図８に示された実施形態に適用されているように、各インターフェース電子回路セル５０は、アクセススイッチとマトリックススイッチとを含む。しかしながら、他の実施形態では、各インターフェース電子回路セルに追加回路を含めることが可能である。たとえば、追加のアクセス線との接続を可能にする追加のアクセススイッチや、ある列の音響サブエレメントを別の列の隣接する音響サブエレメントに接続する追加のマトリックススイッチのような、追加のアクセススイッチおよびマトリックススイッチを含めることが可能である。また、各インターフェース電子回路セルは、それぞれのパルサと、それぞれの送信／受信スイッチとを含むことが可能である。
また、図１６に示されるように、独立した基板（たとえば、ウェハ）にｃＭＵＴを作成し、それらを個別にＡＳＩＣスイッチマトリックスに接続することも可能である。ここでは、たとえば、はんだバンプ６４と導電パッド６５、６６とを用いて、個々のｃＭＵＴ音響サブエレメント３２をそれらのインターフェース電子回路５０に接続している。ＡＣＦ（異方性導電フィルム）やフレキシブルインターコネクトなど、他のパッケージング手法も用いることが可能である。
【００５７】
アクセススイッチおよびマトリックススイッチは、別々にパッケージされたコンポーネントであることが可能であるが、ＭＵＴアレイが組み立てられる同じ半導体基板の中でこれらのスイッチを組み立てることも可能である。これらのスイッチは、米国特許出願第１０／２４８，９６８号（表題「ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＨｉｇｈ－ＶｏｌｔａｇｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇＣｉｒｃｕｉｔｆｏｒＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＴｒａｎｓｄｕｃｅｒＡｒｒａｙ」）で開示されているタイプの高電圧スイッチング回路を含むことも可能である。各スイッチは、バイポーラ動作を考慮して背中合わせに接続された（ソースノード同士が短絡された）２つのＤＭＯＳＦＥＴを含む。図１７は、例示的なアクセススイッチ３０を示す。このマトリックススイッチは同じ回路を含むことが可能である。スイッチ３０の両方のＦＥＴがオンになると必ず、スイッチ端子に電流が流れる。各スイッチの状態は、それぞれのスイッチ制御回路５２によって制御される。そのうちの１つだけを図１７に示した。スイッチ制御回路の状態は、プログラミング回路５４の出力によって決まる。プログラミング回路５４は、本明細書で開示されているアルゴリズムの１つを用いて導出された、最適化されたスイッチング構成に従ってスイッチ制御回路をプログラムする。最適化されたスイッチング構成は、（図１７に示されていない）走査制御装置によってプログラミング回路５４にロードされる。ＣＭＯＳ高電圧スイッチを用いることは好ましい一実施形態であるが、本明細書に記載の発明は、他のスイッチング技術（低電圧スイッチ、ＭＥＭＳスイッチ、および他の、開発中の将来のスイッチ技術など）に直接適用できる。スイッチ電子回路は、ＣＭＯＳまたはＢｉＣＭＯＳ、またはＳＯＩ、またはＭＥＭＳ、または未だ認識されていない他のスイッチング技術を用いて作成可能である。
これまで説明した、本発明の各種実施形態は、マイクロマシニング加工によって作成されたセンサエレメントのリニアアレイについて、必要なチャネル数を低減するために再構成可能性を用いる。１つの方法は、アレイを、受信時の深度に応じて動的に再構成させる方法である。送信波面が放射されると、しばらくの間（通常は２００ミリ秒未満）、エコーデータが受信される。この受信の間に、伝搬する送信波面の位置に対してビーム形成を最適化するために、アパーチャの次元を変更するのが有利である。このケースは、場の深度の全体で分解能が均一になるように、アパーチャのサイズを大きくすることが可能である。これには複雑な電子回路が必要だが、再構成可能性の最大級の便益が得られる。これによって、より少ないチャネルで、遅延誤差を、標準的な固定ピッチリニアアレイと同等にすることが可能になる。
【００５８】
別の方法は、受信中にアレイを変更せずに（すなわち、受信動作の間はアパーチャを固定して）、個々の焦点ゾーンに対してアレイを再構成する方法である。すべての深度に対して受信アパーチャを最適化する必要がある場合は、個々の送信について、送信を複数回行い、受信アパーチャか、送信アパーチャおよび受信アパーチャを変更しなければならない。これには長い時間がかかり、撮像フレームレートが低下する。このケースは、電子的な実装はより容易であるが、フレームレートが重要でない場合か、撮像深度が非常に浅い場合に用途が限定される。このケースでも、焦点ゾーンの最端部のビーム品質の低下を最小にして、必要なチャネル数を軽減できる。
【００５９】
本発明の主な有利点は、グレーティングローブや顕著な画像アーティファクトを発生させることなく、必要なチャネル数を低減できることである。再構成可能性はまた、極端な近距離場でも、ビーム形成に用いられるチャネルの数を増やすことから便益を得ることを可能にする。
【００６０】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態の様々な変更が可能であり、実施形態の要素を等価物で置き換えることが可能であることが理解されよう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況を本発明の教示に適応させるために様々な修正を行うことが可能である。したがって、本発明は、本発明を実行するために企図される最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求項の範囲に当てはまるすべての実施形態を包含するものである。
【００６１】
特許請求項で用いられているように、「ピッチ」という用語は、サブエレメントの列における、連続する２つのエレメントの中心線の間の距離を意味する。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】典型的なｃＭＵＴセルの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるリニアトランスデューサアレイのサブエレメントの六角形のＭＵＴセルを示す図である。
【図３】ｃＭＵＴセルから作られたトランスデューサエレメントの１次元または１．５次元のアレイを含む、マイクロマシニング加工が施された構造物の等角図である。
【図４】リニアトランスデューサアレイの深度の増加に対してアパーチャの端から端までの遅延プロファイル（すなわち、横方向の距離）が変化する様子を示すグラフである。
【図５】リニアトランスデューサアレイにおいて増加する深度の関数として、完全に動的な再構成可能アパーチャが大きくなる様子を示すグラフである。
【図６】深度の増加に対して大きくなり再構成される、リニアトランスデューサアレイのアパーチャを示す図である。陰影をつけた領域は、それぞれのシステムチャネルに接続されているアレイエレメントを表す。
【図７】幅およびピッチが変化するエレメントを有するリニアトランスデューサアレイのアパーチャを示す図である。ハッチングをつけた領域は、それぞれのシステムチャネルに接続されているアレイエレメントを表す。
【図８】本発明の一実施形態による、音響サブエレメントを相互接続し、かつ、システムチャネルに接続する各種スイッチを示す図である。
【図９】トランスデューサアレイに垂直で、アレイのアクティブ部分の中央に位置決めされたビームのポイントで合焦する、典型的な遅延プロファイルを示すグラフである。
【図１０】図９に示された遅延プロファイルを有するトランスデューサアレイのアパーチャを１０個のチャネルに分割する例を示すグラフである。
【図１１】図１０の例と同じ範囲に基づいて得られた量子化遅延パターンを示すグラフである。
【図１２】放射パターンのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１３】放射パターンのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１４】放射パターンのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１５】ｃＭＵＴと特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）アレイとが一体化されたものの断面図である。
【図１６】ＡＳＩＣスイッチマトリックスと接続されたｃＭＵＴウェハの断面図である。
【図１７】米国特許出願第１０／２４８，９６８号で既に開示されている、アクセススイッチと、そのアクセススイッチの状態を制御する回路とを示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
２ｃＭＵＴトランスデューサセル
４基板
６絶縁支持体
８メンブレン
１０電極
１２電極
１４キャビティ
１６サブエレメント
１８ＣＭＯＳウェハ
２０超音波トランスデューサエレメント
２２サブ領域
２４サブ領域
２６サブ領域
２８マルチプレクサ
３０アクセススイッチ
３０ａアクセススイッチ
３０ｂアクセススイッチ
３０ｃアクセススイッチ
３２音響サブエレメント
３２ａ音響サブエレメント
３２ｂ音響サブエレメント
３２ｃ音響サブエレメント
３４ａアクセス線
３４ｂアクセス線
３４ｃアクセス線
３６ａマトリックススイッチ
３６ｂマトリックススイッチ
３６ｃマトリックススイッチ
４０エレメント
４２エレメント
４４音響サブエレメント
４６エレメント
４８音響サブエレメント
５０インターフェース電子回路セル
５２スイッチ制御回路
５４プログラミング回路
５６単一バイア
５８システムチャネル
６２音響裏打ち層
６４はんだバンプ
６５導電パッド
６６導電パッド

【出願人】	【識別番号】３９００４１５４２【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬＥＬＥＣＴＲＩＣＣＯＭＰＡＮＹ
【出願日】	平成１７年１０月１８日（２００５．１０．１８）
【代理人】	【識別番号】１０００９３９０８【弁理士】【氏名又は名称】松本研一【識別番号】１００１０５５８８【弁理士】【氏名又は名称】小倉博【識別番号】１００１２９７７９【弁理士】【氏名又は名称】黒川俊久
【公開番号】	特開２００６－１７５２０８（Ｐ２００６－１７５２０８Ａ）
【公開日】	平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【出願番号】	特願２００５－３０２６７２（Ｐ２００５－３０２６７２）