(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に堆積された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイと、
前記ＴＦＴアレイに堆積された複数の受信器要素を備えた、受信信号を受信するための受信器と、
前記受信器に隣接して設けられ、互いに位相が同じである、前記受信器に向かう第１送信信号と、デバイスの表面に向かう第２送信信号とを生成する送信器と、
前記表面と前記送信器との間に堆積された接触層と、
を含み、
前記第２送信信号は、前記表面によって反射されて反射信号に変換され、
前記受信信号は、干渉により前記第１送信信号と前記反射信号とが重ね合わされたものであり、前記表面の全域での音響インピーダンスの差を表し、
前記接触層の厚さは、前記表面に被写体からの接触がない場合に、干渉し合う前記第１
送信信号と前記反射信号とが略１８０度位相を異にし、前記受信信号の振幅がほぼゼロになるように選択される、
デバイス。
【請求項２】
前記複数の受信器要素のそれぞれは、前記受信信号を収集して前記ＴＦＴアレイに画素を作り出すためのレンジゲートピークコレクタを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
さらに、前記受信器と前記送信器との間に堆積された絶縁体を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記表面と前記送信器との間の実効的な音響の長さ（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｌｅｎｇｔｈ）が、動作波長の４分の１のほぼ整数倍である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記送信器は、前記第１送信信号および前記第２送信信号を、準連続波モードで生成する、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
インコヒーレントＣ−モード超音波検出器は、音響顕微鏡および２Ｄアレイと同様の走査された単一の要素デバイスにおける高解像度面接触画像処理に用いられてきた。しかし、これら全ての検出器は、対象の表面からの反射性の情報を収集するために、パルス反射法を用いる。これらのデバイスの面積を拡大するために必要な電子構造および音響構造は、複雑になり、実用的ではなく、または、コストがかかるようになる。
【０００２】
米国特許第５４５６２５６号および米国特許出願第２００７／０２５８６２８Ａ１号は、より小さいサイズの要素の動的な集束を用いた平面的な（２Ｄ）アレイ手法について記載している。しかし、時間遅延および位相の各要素に必要な電子機器は、複雑であり、多数の要素に対して適合するのは困難である。この手法はまた、広範囲における課題である、共通の基準信号の分布を必要とする。これらの回路の複雑さのゆえに、上記回路は、多結晶シリコン薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、および、低コストで面積の大きい他の電子機器の使用を妨げている。従って、面積が拡大された場合、この手法の電子機器の要件は、極めて複雑でコストがかかる。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１】一実施形態に従ったシステムを示す図である。
【図２】一実施形態に従った超音波接触画像処理ユニットを示す図である。
【図３】一実施形態に従った超音波接触画像処理ユニットに生成および受信される信号を示す図である。
【図４】一実施形態に従った送信信号および反射信号の重ね合わせを示す図である。
【図５】一実施形態に従った応答の周波数分析を示す図である。
【図６】一実施形態に従った距離関数としての受信器での電圧を示す図である。
【図７】一実施形態に従った周波数とコントラスト比とのトレードオフを示す図である。
【図８】一実施形態に従った超音波接触画像処理を実行するためのプロセスを示すフローチャートである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本実施形態の開示された１つの特徴は、超音波接触画像処理のための技術である。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイが、基板に堆積されている。上記ＴＦＴアレイには、複数の受信器要素を備えた受信器が堆積されており、受信信号を受信する。上記受信器に隣接している送信器が、超音波周波数で送信信号を発生させる。上記送信信号は、表面から反射され、反射信号を作り出す。上記表面は、デバイススタックの最上層に接している。受信信号は、干渉の結果として送信信号と反射信号とを重ね合わせたものである。全デバイススタックの厚さは、受信信号が表面の全域での音響インピーダンスの差を表すように、選択される。これらの音響インピーダンスの差によって、受信器において色々な信号レベルが得られる。
【０００５】
本実施形態の開示された１つの特徴は、ＴＦＴ技術の面積が大きく低コストな利点を有するインコヒーレントな超音波接触画像処理のための方法およびデバイスである。上記技術は、パルス反射手法の代わりに、準連続波の手法を用いて高解像度でインコヒーレントな超音波接触イメージャを作り出すことができる。２つの超音波が、互いに重ねられ、画像処理構造に接触して表面からの反射性を表す。この構造における層が薄く、上記２つの波が干渉するので、超音波の伝播距離は波長と似通って非常に短くてもよい。従って、複雑な音響の構造または集束電子機器なしに上記デバイスが高解像度を維持できるように、超音波の拡散は比較的少ない。単一のレンジゲートピーク検出器が、反射性のデータを収集してもよく、多結晶シリコンＴＦＴのような低コストで面積の広い電子機器の使用を可能にする。従って、本実施形態の開示された１つの特徴は、最小限の複雑さおよびコストで面積を拡大可能であることである。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
図１は、一実施形態に従ったシステム１００を示す図である。システム１００は、画像処理構造１１０、処理回路１２０、および、像平面１３０を含む。
【０００７】
画像処理構造１１０は、超音波接触画像処理ユニットである。上記構造は、準連続波（ＣＷ）モードで動作する超音波を用いて被写体１１５の画像を獲得する。準ＣＷモードでの動作により、より低い駆動電圧を用いることができる。パルス反射モードでは、超音波が伝わる長い距離の間に材料を介して回折および減衰による著しい損失がある。画像処理構造１１０では、上記移動距離は非常に短く、波形の干渉がある。パルス反射デバイスでは、受信器において１００ｍＶｐｐの信号を得るために、最大振幅（ｐｐ）が約２００Ｖの送信器の電圧が必要とされる。これに対して、画像処理ユニット１１０では、受信器においてほぼ１００ｍＶｐｐの信号を得るために、送信器において１０Ｖｐｐが必要なだけである。
【０００８】
画像処理構造１１０は、送信器、受信器、および、接触層を含んでいてもよい。被写体１１５は、その画像が画像処理構造１１０によって得られる、いかなる被写体であってもよい。上記画像は、被写体１１５が画像処理構造１１０の表面に接触すると、得られる。概して、被写体１１５は、画像処理構造１１０の最上層のインピーダンスと一致したインピーダンスを有していてもよい。一実施形態では、被写体１１５は、指紋を採ることができる人の指である。上記接触層は、その表面が被写体１１５に接触している層である。上記層は、画像処理構造１１０の最上層である。画像処理構造１１０は、上記最上層を介して超音波信号を送信する。上記送信信号は、最上層の表面において反射され、反射信号となる。上記反射信号と上記送信信号とは、上記画像処理構造内で重なり、組み合わさった信号は、上記受信器によって受信される。
【０００９】
処理回路１２０は、画像処理構造１１０に結合されており、上記受信信号を処理して画像を形成する。次に、上記画像は像平面１３０に投影される。
【００１０】
図２は、一実施形態に従った図１の超音波接触画像処理ユニット１１０を示す図である。画像処理ユニット１１０は、基板２１０、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ２２５、受信器２２０、絶縁体２３０、送信器２４０、および、接触層２５０を含む。画像処理ユニット１１０は、おおよそ上記要素を含んでいてもよい。音響スタックは、別々の受信器および送信器を備えている。別々に送信および受信する変換器を備えていることは、各画素において、高電圧送信／受信スイッチといった複雑な電子機器の必要をなくすには有効であろう。送信に必要な高電圧は、受信器から物理的および電気的に分離されていてもよい。このことは、大部分の超音波システムに共通の高電圧送信／受信スイッチを除去することによって、画素電子機器の複雑さを低減してもよい。これにより、上記画素電子機器は大いに簡略化され、ＴＦＴが使用可能になる。
【００１１】
基板２１０は、ガラス、石英、プラスチック、ステンレス鋼、または、可塑性ポリイミドといった、あらゆる適切な基板であってもよい。鋼は、インピーダンスのより高い材料がより高いコントラスト比を作り出すので、有効であろう。ＴＦＴアレイ２２５は、基板２１０に堆積される。上記アレイは、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンであってもよい。上記アレイは、複数の個々のＴＦＴ画素およびそれらに関連した電極を含んでいてもよい。
【００１２】
受信器２２０は、ＴＦＴアレイ２２５に堆積され、受信信号を受信する。上記受信器は、複数のＴＦＴ画素に対応した複数の受信器要素を備えていてもよい。上記受信器要素のそれぞれは、ポリマー受信器および受信器回路を含んでいてもよい。ポリマー受信器は、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ポリビニリデン‐トリフロロエチレン（ＰＶＤＦ‐ＴｒＦＥ）、圧電変換器（ＰＺＴ）、または、静電型変換器のうちの１つから形成されていてもよい。上記受信器回路は、受信信号を収集してＴＦＴアレイ２２５に画素を作り出すための、レンジゲートピークコレクタを含んでいてもよい。受信器２２０上には、導電層２３５があり、上記導電層は、複数の受信器要素の全域で分配されるバイアス信号を含んでいてもよい。
【００１３】
絶縁体２３０は、受信器２２０と送信器２４０とを隔てる、いかなる適切な誘電性の絶縁体または電気絶縁体であってもよい。絶縁体２３０は、任意であってもよいし、完全に除去されてもよい。この状況において、受信器２２０の上端電極および送信器２４０の下端電極は、広範囲において生じる接着層におけるショートを回避するために、両方ともアースに接続される必要がある。
【００１４】
送信器２４０は、受信器２２０に隣接し、送信信号を発生させて、超音波周波数で送信信号を発生させる。上記送信信号は、反射信号を作り出すために、表面２６０から反射されてもよい。送信器２４０は、アース層２４５および熱電極層２５５を備えていてもよい。送信器２４０は、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ‐ＴｒＦＥ、ＰＺＴ、または、静電型変換器のうちの１つから形成されていてもよい。
【００１５】
接触層２５０は、送信器２４０に堆積される。上記接触層には層表面２６０があり、信号の干渉の結果として上記受信信号が送信信号と反射信号とを重ね合わせたものになるような被写体表面と厚さとを有する被写体（例えば、図１に示した被写体１１５）からの接触を受ける。上記受信信号は、上記表面の全域での音響インピーダンスの差を表している。これらの音響インピーダンスの差によって、受信器において色々な信号レベルが得られる。被写体が層表面２６０に接触すると、上記受信信号が、層表面２６０における被写体表面の反射性に比例してもよく、それゆえに、上記被写体表面の構造を特徴づけてもよく、従って、上記被写体表面の画像を提供する。上記受信信号は、続いて、上記被写体表面の画像を作り出すために、処理されてもよい。
【００１６】
接触層２５０は、マイラー、エポキシ、シリコン、ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）、または、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のうちの１つから形成されていてもよい。接触層２５０の厚さＴは、超音波周波数の波長未満であってもよい。上記厚さは、受信信号の振幅がほぼゼロになる層表面２６０に被写体１１５からの接触がない場合に、上記送信信号と上記反射信号とが位相を異にするように、選択されてもよい。この接触層２５０の厚さＴが波長未満であるので、伝播距離は短く、このことは、画像処理ユニットが複雑な集束電子機器、レンズ、または、導波管構造を必要とせずによい画像解像度を提供することを意味する。
【００１７】
上記層に加えて、さらに、画像処理構造１１０のあらゆる個所に、音響層が加えられてもよく、上記音響層は、電気的特性または音響特性を改善する。例えば、より厚い銀インクの層が電極として用いられてもよい。つまり、この６ミクロンインクは、導電率を改善してもよいが、著しい厚さが音響特性に影響を及ぼしてしまう。上記デバイスの上端に加えられた他の層も、音響的一致のために用いることができる。
【００１８】
上記層の厚さは、概して、反射信号と送信信号とが同相であるか、あるいは、互いにいかなる他の位相関係をも有しているように、変更されてもよい。例えば、送信信号と反射信号とが同相であるように上記構造の層を変更することにより、色々なインピーダンス／反射性の被写体間にコントラストが作り出される。特に、上記スタックの厚さは、最大の受信信号をもたらす層表面での接触がない場合に送信信号と反射信号とが同相であるように、選択されてもよい。概して、全デバイススタックの厚さは、送信信号と反射信号との間の干渉信号が表面の全域での音響インピーダンスの差を表しているように、設計または選択されていてもよい。音響インピーダンスの差によって、受信器において色々な信号レベルが得られてもよい。一実施形態では、表面と送信器との間の効果的な音響の長さは、超音波の動作波長の４分の１のほぼ整数倍であってもよい。
【００１９】
図３は、一実施形態に従った超音波接触画像処理ユニット１１０に生成および受信される信号を示す図である。画像処理ユニット１１０は、接触層２５０と接触する表面２６０から反射性の画像処理を可能にする送信信号および反射信号の干渉を用いることにより、画像を形成する。送信器２４０は、点３１０において送信信号３２０、３２５を発生させる。概して、送信信号３２０、３２５は同じである。
【００２０】
送信信号３２０は、反射信号３３０を供給するために、層表面２６０上の位置３０１において反射される。位置３０１は、被写体との接触がなく、空気が表面における媒体である所である。空気が表面にあるので、反射係数はほぼ１００％である。接触層２５０の厚さＴは、送信信号３２０（または３２５）および反射信号３３０が１８０度位相を異にするように選択される。送信信号３２５と反射信号３３０とは、送信器２４０における信号の干渉のゆえに重なり、受信器２２０によって受信される受信信号３３５を形成する。送信信号３２５と反射信号３３０とが１８０度位相を異にするので、あるいは、互いに補足的であるので、上記信号が組み合わせられた信号、または、受信信号３３５は、ほぼゼロであってもよい。つまり、接触層に被写体がない場合、何も表さないか、または、空気のみを表す画素は、暗い。
【００２１】
送信器２４０は、点３４０において送信信号３５０、３５５を発生させる。概して、送信信号３５０、３５５は同じである。被写体１１５が、接触層２５０の層表面２６０における位置３０２で接触するとする。送信信号３５０は、反射信号３６０を供給するために、層表面２６０の位置３０２において反射する。送信信号３５５と反射信号３６０とは、送信器２４０における信号の干渉のゆえに重なり、受信器２２０によって受信される受信信号３６５を形成する。被写体１１５が今や空気ではなく表面に位置しているので、反射係数は１００％ではない。従って、送信信号３５０の一部は被写体１１５を介して送信され、その一部は反射されて反射信号３６０となる。反射信号３６０は、従って、送信信号３５５に対して１８０度位相を異にしない。結果的に、送信信号３５５と反射信号３６０とは、互いに完全には相殺しない。受信信号３６５は、従って、ゼロではない大きさを有している。上記大きさの値は、被写体表面の関数である層表面２６０における反射性に比例している。つまり、受信信号３６５は、表面の全域での音響インピーダンスの差を表している。
【００２２】
図４は、一実施形態に従った送信信号および反射信号の重ね合わせを示す図である。信号３２０、３２５は、送信器２４０によって生成される送信信号を表す。空気が表面にある場合、信号３３０は反射信号である。上記信号は、信号３２５に対して１８０度位相を異にする。信号３３５は、信号３２５、３３０を重ね合わせた受信信号である。信号３２５、３３０は、間隔Ｌにおいて互いに相殺する。結果的に、信号３３５が間隔Ｌと一致した統合期間に統合されると、その値はほぼゼロになる。
【００２３】
信号３５０、３５５は、送信器２４０によって生成される送信信号を表す。信号３６０は、被写体が表面に位置している場合は反射信号である。上記信号は、信号３５５に対して位相を異にしない。信号３６５は、信号３５５と信号３５０とを重ね合わせた受信信号である。信号３５５、３５０は、間隔Ｌの間に互いに相殺しない。結果的に、信号３６５が間隔Ｌと一致した統合期間に統合されると、その値はゼロではなくなり、表面における反射性に比例し、従って、表面の全域での音響インピーダンスの差を表している。
【００２４】
図５は、一実施形態に従った応答の周波数分析を示す図である。画像処理ユニット１１０の性能を検証するために、シミュレーションが実行されている。上記シミュレーションは、圧電変換器用の送信モデルである連続波を利用する。画像処理ユニットは、以下のパラメータ：１５ＭＨｚの超音波周波数、１２ミクロンのＰＶＤＦ‐ｔｒＦＥからなる受信器、１２ミクロンのＰＶＤＦからなる送信器、および、２８ミクロンのマイラーからなる絶縁体、を有するようにシミュレートされる。この構造に関して、接触層は６５ミクロンのマイラーからなる。６５ミクロンの厚さは、反射信号を完全に相殺するために選択されたものである。
【００２５】
周波数応答は、周波数関数として比Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎを示す。曲線５１０は、表面における空気に相当し、曲線５２０は、表面における指に相当する。１５ＭＨｚでは、周波数応答は、空気用にゼロ値を示し、指用にゼロではない値を示す。この周波数では、コントラスト比は、（空隙用の）指紋隆線と指紋谷線との間でほぼ５０である。
【００２６】
図６は、一実施形態に従った距離関数としての受信器の電圧を示す図である。曲線６１０は、接触層の表面において受信器の電圧を距離関数として表す。ゼロミクロンでは、接触層の表面での空気負荷から指負荷への段階的移行がある。ほぼ２００ミクロンの移行距離は、画像処理ユニットの画像解像度は約２００ミクロンであるということを示す。
【００２７】
図７は、一実施形態に従った周波数とコントラスト比とのトレードオフを示す図である。周波数応答を分析することにより、動作周波数とコントラスト比との評価がなされてもよい。コントラスト比は、（例えば、接触しない場合の）空気負荷と（例えば、被写体が接触する場合の）被写体負荷との間の動作周波数での応答間の比に比例していてもよい。曲線７１０は、空気負荷に相当する。曲線７２０は、指負荷に相当する。
【００２８】
曲線７１０、７２０の応答がピークに達するほぼ３５ＭＨｚでは、信号はより大きいが、コントラスト比はほんの約２である。この周波数は、信号強度が強いために電子回路のノイズが大きい場合に、好ましい。
【００２９】
ほぼ４３ＭＨｚでは、曲線７１０はゼロであり、他方、曲線７２０はかなり著しい値である。結果的に、コントラスト比は３５ＭＨｚよりもよい大きさである。
【００３０】
図８は、一実施形態に従った超音波接触画像処理を実行するためのプロセス８００を示すフローチャートである。
【００３１】
開始に関して、プロセス８００は、送信器に堆積された接触層を介して、超音波周波数で送信器によって送信信号を発生させる（ブロック８１０）。上記送信信号は、接触層の層表面から反射され、反射信号を作り出す。次に、プロセス８００は、基板に堆積された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイに、受信器によって受信信号を受信する（ブロック８２０）。上記受信信号は、干渉の結果として送信信号と反射信号とを重ね合わせたものである。上記受信信号は、表面の全域での音響インピーダンスの差を表している。
【００３２】
次に、プロセス８００は、レンジゲートピークコレクタによって受信信号を収集して、ＴＦＴアレイに画素を作り出す（ブロック８３０）。次に、プロセス８００は、統合期間に受信信号を統合し、画素を作り出す（ブロック８４０）。次に、プロセス８００は終了する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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