(57)【要約】  本開示による一例では、撮像デバイスが説明される。撮像デバイスは、トランスデューサのアレイを含む。各トランスデューサは、圧電素子のアレイを含む。各圧電素子は、撮像される対象物に向かって圧力波を送信することと、撮像される対象物からの圧力波の反射を受信することとを行う。撮像デバイスはまた、圧力波を生成するための、１つ又は複数の圧電素子あたりの送信チャネルと、圧力波の反射を処理するための、１つ又は複数の圧電素子あたりの受信チャネルとを含む。チャネルの数は、電力消費及び温度などのパラメータを制御するために選択的に変更される。
2022500094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスデューサのアレイであって、各トランスデューサは、
圧電素子のアレイを含み、
半導体ウェーハ基板上に製作され、及び
素子に極めて接近して検知、駆動及び制御回路に接続されて、
撮像される対象物に向かって圧力波を送信することと、
撮像される前記対象物からの前記圧力波の反射を受信することと
を行う、トランスデューサのアレイと、
前記圧力波を生成するための、１つ又は複数の圧電素子あたりの送信チャネルと、
前記圧力波の前記反射を処理するための、１つ又は複数の圧電素子あたりの受信チャネルと
を含む撮像デバイスであって、チャネルの数は、選択的に変更される、撮像デバイス。
【請求項２】
各トランスデューサは、前記検知、駆動及び制御回路の１００マイクロメートル（ｕｍ）以内にある、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項３】
前記検知、駆動及び制御回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の一部を形成し、及び
前記ＡＳＩＣは、前記圧電素子が懸架される前記ウェーハ基板の垂直に下方に位置合わされて配置される、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項４】
各圧電素子は、複数の振動モードを呈し、及び
１つのみの振動モードは、入力刺激が、隣接するモードの周波数未満に帯域制限されるときにトリガされる、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項５】
各圧電素子は、複数の振動モードを呈し、及び
第１の振動モードから生成された周波数は、第２の振動モードからのものと重複する、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項６】
各素子は、中心周波数を含む広帯域周波数入力によって駆動されるとき、複数の振動モードを同時に呈する、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項７】
各圧電素子は、基板上に形成され、且つ
前記基板から懸架された膜と、
前記膜上に配置された下部電極と、
前記下部電極上に配置された圧電層と、
前記圧電層上に配置された第１の電極と
を含み、及び
各圧電素子は、異なる領域における偏波と比べて異なる方向に偏波された部分で構成される、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項８】
各膜は、複数の振動モードを呈する、請求項７に記載の撮像デバイス。
【請求項９】
受信チャネルは、少なくとも１つの低雑音増幅器（ＬＮＡ）を含み、
前記ＬＮＡの入力換算雑音は、電気的にプログラム可能であり、及び
より低い雑音レベルは、より高い電力消費レベルに対応する、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１０】
ＬＮＡ電力レベルは、撮像セッション中にリアルタイムで調整される、請求項９に記載の撮像デバイス。
【請求項１１】
選択的に変更される前記数のチャネルは、パワーダウンされるか又は低電力状態に設定される送信チャネルである、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１２】
前記数のチャネルは、低解像度撮像モード中にパワーダウンされるか又は低電力状態に設定される、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１３】
撮像セッションは、低解像度モード及び高解像度モードを含み、及び
前記高解像度モードは、前記低解像度モードより多くのチャネルを使用する、請求項１２に記載の撮像デバイス。
【請求項１４】
すべての受信チャネルは、走査線形成期間の部分にわたってパワーダウンされるか又は低電力状態に設定される、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１５】
並列ビーム形成を使用して、より多くの走査線は、１秒あたりのフレームを増加させるために作成され、及び
前記走査線の部分について、前記受信チャネルは、低電力状態に置かれるか又はパワーダウンされ、所望の１秒あたりのフレームレートのための総電力消費を低下させる、請求項１４に記載の撮像デバイス。
【請求項１６】
前記走査線形成期間の前記部分は、反射圧力波が、撮像される前記対象物の視野の内部にある部分である、請求項１４に記載の撮像デバイス。
【請求項１７】
低減された数のチャネルが起動される低電力探索モード、及び
より多い数のチャネルが起動される高電力撮像モード
の少なくとも１つで動作する、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１８】
受信チャネルは、
少なくとも１つの低雑音増幅器と、
前記低雑音増幅器の出力を帯域制限するためのプログラマブルフィルタと、
アナログ−デジタル変換器と、
フィールドプログラマブルゲートアレイ、及び
グラフィクス処理ユニット
の回路の部分の少なくとも１つと
を含む、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの低雑音増幅器は、プログラマブル利得を有する、請求項１８に記載の撮像デバイス。
【請求項２０】
前記アナログ−デジタル変換器は、逐次近似レジスタ（ＳＡＲ）アーキテクチャを含む、請求項１８に記載の撮像デバイス。
【請求項２１】
前記受信チャネルを起動するための高速パワーアップバイアス回路をさらに含む、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項２２】
受信チャネルは、複数の圧電素子によって共有される、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項２３】
送信及び受信チャネルは、並列ビーム形成を使用して、あらゆる送信及び受信事象から複数の走査線を形成する、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項２４】
受信チャネルの選択的なパワーダウンは、総フレームレートが維持されるようなものである、請求項２３に記載の撮像デバイス。
【請求項２５】
圧電素子は、
基板と、
前記基板から懸架している膜と、
前記膜上に配置された少なくとも１つの下部電極と、
前記下部電極上に配置された圧電層と、
前記圧電層上に配置された少なくとも１つの上部電極と
を含み、各素子は、１つ又は複数の振動モードを呈する、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項２６】
圧電層の厚さは、５μｍ以下である、請求項１５に記載の撮像デバイス。
【請求項２７】
前記圧電素子は、二次元アレイに配列される、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項２８】
超音波医療プローブである、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項２９】
撮像デバイスにおける電力消費を低減するための指示を受信することと、
前記受信された指示に基づいて、ある数の送信チャネル及びある数の受信チャネルの少なくとも１つの状態を変更することと
を含む方法。
【請求項３０】
ある数の受信チャネル及び／又は前記数の送信チャネルの少なくとも１つの状態を変更することは、撮像サイクル全体にわたり、前記数の送信チャネル及び前記数の受信チャネルを停止させることを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記数の受信チャネル及び／又は前記数の送信チャネルの少なくとも１つの状態を変更することは、低雑音増幅器（ＬＮＡ）の雑音レベルを調整することと、圧電微細加工超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ）によって使用される送信電圧レベルを調整することと、送信及び受信のために使用される素子の数を調整することとを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
撮像サイクルは、画像走査線の形成を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
ある数の送信チャネル及びある数の受信チャネルの少なくとも１つの状態を変更することは、前記数の送信チャネル及び前記数の受信チャネルの電力消費レベルを低減することを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記指示は、低解像度撮像モードの指示である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記指示は、前記撮像デバイスの閾値温度が到達されているというものである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に極めて接近して半導体ウェーハ上に構築され、且つ前記ＡＳＩＣに接続されて、
撮像される対象物に向かって圧力波を送信することと、
撮像される前記対象物からの前記圧力波の反射を受信することと
を行う、圧電素子のアレイと、
１つ又は複数の圧電素子に送信信号を送信するための、前記１つ又は複数の圧電素子あたりの送信チャネルと、
１つ又は複数の圧電素子から受信信号を受信するための、前記１つ又は複数の圧電素子あたりの受信チャネルであって、送信チャネルの数及び受信チャネルの数の少なくとも１つは、選択的に変更される、受信チャネルと、
チャネルの数を選択的に変更するためのコントローラと
を含む撮像デバイス。
【請求項３７】
少なくとも１つの温度センサをさらに含み、前記コントローラは、前記温度センサが、前記撮像デバイスのための所定の温度閾値が到達されていることを示すとき、調整されるチャネルのコンポーネントを選択的に停止させる、請求項３６に記載の撮像デバイス。
【請求項３８】
前記コントローラは、撮像フレームレート及び前記調整されるチャネルの増幅器の信号対雑音比の少なくとも１つを調整する、請求項３７に記載の撮像デバイス。
【請求項３９】
撮像デバイスであって、
トランスデューサのアレイであって、各トランスデューサは、
特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に極めて接近して半導体ウェーハ上に構築され、且つ前記ＡＳＩＣに接続されて、
撮像される対象物に向かって圧力波を送信することと、
撮像される前記対象物からの前記圧力波の反射を受信することと
を行う、圧電素子のアレイ
を含む、トランスデューサのアレイと、
１つ又は複数の圧電素子に送信信号を送信するための、前記１つ又は複数の圧電素子あたりの送信チャネルと、
１つ又は複数の圧電素子から受信信号を受信するための、前記１つ又は複数の圧電素子あたりの受信チャネルであって、送信チャネルの数及び受信チャネルの数の少なくとも１つは、選択的に変更される、受信チャネルと
を含む撮像デバイスと、
チャネルの数を選択的に変更するためのコントローラと、
前記対象物の画像を形成するために前記受信信号を処理するためのコンピューティングデバイスと、
前記画像の表示を生成するための表示デバイスと
を含む撮像システム。
【請求項４０】
前記コンピューティングデバイス及び表示デバイスは、前記撮像デバイスのハウジング内に収容される、請求項３９に記載の撮像システム。
【請求項４１】
前記コンピューティングデバイス及び表示デバイスは、前記撮像デバイスとは別個のデバイス内に収容される、請求項３９に記載の撮像システム。
【請求項４２】
前記別個のデバイスは、モバイルデバイスである、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項４３】
前記撮像デバイスは、前記別個のデバイスと通信するためのものであるケーブルを受けるための少なくとも１つのポートをさらに含む、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項４４】
前記撮像デバイスは、前記別個のデバイスと通信するための無線送信機をさらに含む、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項４５】
選択的に変更される前記数のチャネルは、パワーダウンされるか又は低電力状態に設定される受信チャネルである、請求項３９に記載の撮像システム。
【請求項４６】
選択的に変更される前記数のチャネルは、パワーダウンされるか又は低電力状態に設定される送信チャネルである、請求項３９に記載の撮像デバイス。
【請求項４７】
前記撮像デバイスに給電するための電池をさらに含む、請求項３９に記載の撮像デバイス。
【請求項４８】
前記電池は、無線で再充電され得る、請求項４７に記載の撮像デバイス。
【請求項４９】
電池状態は、電池ステータスの指示をユーザに提供するためにモニタされる、請求項４７に記載の撮像デバイス。
【請求項５０】
チャネル特性は、電池寿命を維持するために変更される、請求項４７に記載の撮像デバイス。
【請求項５１】
各トランスデューサは、横動作モードを利用する、請求項３９に記載の撮像デバイス。
【請求項５２】
各圧電素子は、異なる共振周波数で動作するサブ素子を含む、請求項２５に記載の撮像デバイス。
【請求項５３】
各圧電素子は、二重偏波を利用する、請求項２５に記載の撮像デバイス。
【請求項５４】
送信チャネルは、符号化信号伝達を利用し、及び
受信チャネルは、整合フィルタを使用する、請求項３２に記載の撮像デバイス。
【請求項５５】
前記符号化信号伝達は、チャープ波形を含む、請求項５４に記載の撮像デバイス。
【請求項５６】
送信信号のサイクルの数は、電力を低減するために変更される、請求項５４に記載の撮像デバイス。
【請求項５７】
送信信号のサイクルの数は、画像解像度を向上させるために増加される、請求項５４に記載の撮像デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
[0001]  本発明は、撮像デバイスに関し、より具体的には電子的に構成可能な超音波イメージャを有する撮像デバイスに関する。非侵入型撮像デバイスは、人間又は動物の身体の内部組織、骨、血流又は臓器を撮像するために使用することができる。次いで、画像を表示することができる。撮像を実行するために、撮像デバイスは、身体に信号を送信し、撮像されている身体の一部から反射信号を受信する。そのような撮像デバイスは、トランスデューサ及び関連する電子機器を含み、トランスデューサ及び関連する電子機器は、トランシーバ又はイメージャと呼ぶことができ、光音響又は超音波効果に基づき得る。そのようなトランスデューサは、撮像のために使用することができ、他の応用でも使用することができる。例えば、トランスデューサは、医用画像処理、パイプ、スピーカ及びマイクロフォンアレイにおけるフロー測定、砕石術、治療のための局所組織加熱並びに高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）手術において使用することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
図面の簡単な説明
[0002]  添付の図面は、本明細書で説明される原理の様々な例を示すものであり、本明細書の一部である。示される例は、単なる例示のために提供され、特許請求の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１】[0003]本明細書で説明される原理の例による、選択的に変更可能な特性を有する撮像デバイスのブロック図である。
【図２】[0004]本明細書で説明される原理の例による、選択的に変更可能な特性を有する撮像システムの図である。
【図３】[0005]本明細書で説明される原理の例による、選択的に変更可能な特性を有する撮像デバイスの概略図である。
【図４】[0006]本明細書で説明される原理の例による曲面トランスデューサアレイの側面図である。
【図５】[0007]本明細書で説明される原理の例によるトランスデューサの上面図である。
【図６】[0008]本明細書で説明される原理の例による撮像デバイス及びフレームの走査線の等角図である。
【図７】[0009]本明細書で説明される原理の例による走査線の形成を示す。
【図８】[0010]本明細書で説明される原理の例による、撮像デバイスのチャネルの数を選択的に変更するための方法のフローチャートである。
【図９】[0011]本明細書で説明される原理の例による、受信チャネルを変更することができる走査線形成期間の部分を示す図である。
【図１０】[0012]本明細書で説明される原理の例による受信チャネルを描写する。
【図１１】[0013]本明細書で説明される原理の例による受信チャネルの低雑音増幅器（ＬＮＡ）を描写する。
【図１２】[0014]本明細書で説明される原理の例による高速パワーアップバイアス回路の回路図である。
【図１３】[0015]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の製作を示す。
【図１４】[0015]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の製作を示す。
【図１５】[0015]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の製作を示す。
【図１６】[0015]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の製作を示す。
【図１７】[0015]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の製作を示す。
【図１８】[0016]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の概略図である。
【図１９Ａ】[0017]本明細書で説明される原理の別の例による圧電素子の概略図である。
【図１９Ｂ】[0018]本明細書で説明される原理の例による図１９Ａの圧電素子の記号的表示である。
【図１９Ｃ】[0019]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の概略断面図である。
【図１９Ｄ】[0020]本明細書で説明される原理の別の例による圧電素子の概略図である。
【図１９Ｅ】[0021]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の概略図である。
【図１９Ｆ】[0022]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の概略図である。
【図１９Ｇ】[0023]本明細書で説明される原理の例による図１９Ｆの圧電素子の底面図である。
【図１９Ｈ】[0024]本開示の実施形態による図１９Ｆの圧電素子の断面図である。
【図２０】[0025]本明細書で説明される原理の別の例による圧電素子の概略図である。
【図２１】[0026]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の製作を示す。
【図２２】[0026]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の製作を示す。
【図２３】[0026]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の製作を示す。
【図２４】[0026]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の製作を示す。
【図２５】[0026]本明細書で説明される原理の例による圧電素子の製作を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
[0027]  図面全体を通して、同一の参照番号は、同様のものを指定するが、必ずしも同一の要素とは限らない。図は、必ずしも原寸に比例するとは限らず、いくつかの部分のサイズは、示される例をより明確に示すために拡大することができる。その上、図面は、説明と一致する例及び／又は実装形態を提供するが、説明は、図面において提供される例及び／又は実装形態に限定されない。
【０００５】
詳細な説明
[0028]  上記で説明されるように、本発明は、撮像デバイスに関し、より具体的には電子的に構成可能な超音波イメージャを有する撮像デバイスに関する。非侵入型撮像デバイスは、人間又は動物の身体の内部組織、骨、血流又は臓器を撮像するために使用することができる。次いで、画像を表示することができる。撮像を実行するために、撮像デバイスは、身体に信号を送信し、撮像されている身体の一部から反射信号を受信する。そのような撮像デバイスは、トランスデューサを含み、トランスデューサは、トランシーバ又はイメージャと呼ぶことができ、光音響又は超音波効果に基づき得る。そのようなトランスデューサは、撮像のために使用することができ、他の応用でも使用することができる。例えば、トランスデューサは、医用画像処理、パイプ、スピーカ及びマイクロフォンアレイにおけるフロー測定、砕石術、治療のための局所組織加熱並びに高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）手術において使用することができる。
【０００６】
[0029]  医用画像処理において使用される超音波イメージャなどの撮像デバイスは、圧電（ＰＺＴ）材料又は他の圧電セラミック及び高分子複合材料を使用する。そのような撮像デバイスは、ＰＺＴ材料のトランスデューサと、画像を形成し、表示ユニット上に表示する他の電子機器とを収容する。トランスデューサのためのバルクＰＺＴ素子を製作するため、厚い圧電材料スラブを大きい長方形の形状のＰＺＴ素子に切断することができる。これらの長方形の形状のＰＺＴ素子は、構築費用が非常に高いく、なぜなら、その製作プロセスは、長方形の形状の厚いＰＺＴ又はセラミック材料を正確に切断すること及び基板上に精密な間隔でその材料を設置することを伴うためである。さらに、トランスデューサのインピーダンスは、トランスデューサのための送信／受信電子機器のインピーダンスよりはるかに高く、性能に影響を及ぼし得る。
【０００７】
[0030]  なおもさらに、そのような厚いバルクＰＺＴ素子は、送信信号を生成するために例えば１００ボルト（Ｖ）以上の非常に高い電圧パルスを必要とし得る。トランスデューサの電力散逸は、駆動電圧の二乗に比例するため、この高い駆動電圧は、高い電力散逸をもたらす。この高い電力散逸は、撮像デバイス内で熱を生成し、その結果、冷却配置が必要になる。これらの冷却システムは、撮像デバイスの製造コスト及び重量を増加し、それにより撮像デバイスの動作がさらに厄介になる。
【０００８】
[0031]  またさらに、トランスデューサのための送信／受信電子機器は、トランスデューサ自体から離れて位置し得るため、トランスデューサと送信／受信電子機器との間のマイクロ同軸ケーブルが必要とされる。一般に、ケーブルは、遅延及びインピーダンス整合のために正確な長さを有し、かなりの頻度において、ケーブルを通してトランスデューサを電子機器に効率的に接続するために追加のインピーダンス整合回路網が使用される。
【０００９】
[0032]  従って、本明細書は、圧電微細加工超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ）の使用について説明し、圧電微細加工超音波トランスデューサは、様々な半導体ウェーハ製造作業を活用して基板上に効率的に形成することができる。半導体ウェーハは、６インチ、８インチ及び１２インチサイズで提供され、数百のトランスデューサアレイの収容が可能である。これらの半導体ウェーハは、シリコン基板として出発し、シリコン基板上で様々な処理ステップが実行される。そのような作業の例は、絶縁酸化物としても知られているＳｉＯ２層の形成である。他の電子機器への接続を可能にするため、相互接続及び接合パッドとして機能させるための金属層の追加など、様々な他のステップが実行される。機械作業のさらなる別の例は、空洞のエッチングである。バルク状の圧電材料を有する従来のトランスデューサと比べて、半導体基板上に構築されたｐＭＵＴは、それほど分厚くなく、製造費用が安く、電子機器とトランスデューサとの間においてより簡単でより高い性能を有する相互接続を有する。従って、ｐＭＵＴは、動作周波数におけるより優れた柔軟性及びより高い画質の画像を生成する可能性を提供する。
【００１０】
[0033]  いくつかの例では、撮像デバイスは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に結合され、ＡＳＩＣは、送信駆動、受信エコー信号のための検知回路及び様々な動作を制御するための制御回路を含む。ＡＳＩＣは、別の半導体ウェーハ上に形成することができる。このＡＳＩＣは、寄生損失を低減するために、ｐＭＵＴ素子に極めて接近して配置することができる。具体的な例として、ＡＳＩＣは、トランスデューサアレイから５０マイクロメートル（ｕｍ）以下ほど離れたところに位置し得る。より広範な例では、２つのウェーハ間又は２つのダイ間の間隔は、１００ｕｍ未満であり得、各ウェーハは、多くのダイを含み、ダイは、トランスデューサウェーハのトランスデューサ及びＡＳＩＣウェーハのＡＳＩＣを含む。いくつかの例では、ＡＳＩＣは、ｐＭＵＴと整合する寸法を有し、ウェーハ間相互接続、ＡＳＩＣウェーハ上へのトランスデューサダイの相互接続又はトランスデューサダイからＡＳＩＣダイへの相互接続に対するデバイスの積層が可能である。代わりに、トランスデューサは、低温圧電材料スパッタリング及びＡＳＩＣ処理に対応する他の低温処理を使用して、ＡＳＩＣウェーハの上部に作ることもできる。
【００１１】
[0034]  ｐＭＵＴは、高度な超音波撮像の可能性を有する一方、いくつかの制限により、高性能撮像の実装形態におけるそれらの利用が妨げられる。例として、窒化アルミニウムを利用するｐＭＵＴは、送信及び受信動作に関する低感度を呈しており、需要の少ない用途の候補になっている。ＰＺＴを利用する他のｐＭＵＴは、比較的高い電圧を必要とし、比較的狭い帯域幅及び比較的低い効率を呈している。従って、本明細書は、１）感度が増強され、２）低電圧で動作することができ、３）広帯域幅線形動作を呈するｐＭＵＴについて説明する。具体的には、本明細書は、関連する制御回路に極めて接近するｐＭＵＴについて説明する。これにより、小型ポータブルデバイスの制御回路の制御下での２Ｄ及び３Ｄ撮像が可能になる。別のタイプのトランスデューサは、容量性微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）である。しかし、ｃＭＵＴセンサは、低周波数（大量の医用深部撮像が行われる）での十分な音響圧力の生成が困難であり、本来、非線形であり、ｃＭＵＴは、高電圧動作を必要とする。
【００１２】
[0035]  一般に、本明細書の撮像デバイスは、ある数の送信チャネル及びある数の受信チャネルを含む。送信チャネルは、素子が応答する周波数の電圧パルスで圧電素子を駆動する。これにより、圧電素子から超音波波形が放出され、波形は、撮像される対象物に向かって誘導される。いくつかの例では、圧電素子のトランスデューサアレイを有する撮像デバイスは、撮像デバイスと身体との間でゲルを使用して身体と機械的に接触する。超音波波形は、対象物（すなわち臓器）に向かって移動し、波形の一部分は、反射して圧電素子に戻り、受信された超音波エネルギーは、電気エネルギーに変換され、次いで、電気エネルギーは、対象物の画像を生じさせるために、ある数の受信チャネル及び他の回路によってさらに処理される。
【００１３】
[0036]  これらの送信及び受信チャネルは、電力を消費し、（高画質画像を生成するための）多くのチャネルがある機器では、電力は、撮像デバイスにおける過度の熱蓄積を引き起こし得る。温度が一定の値を超えて上昇した場合、撮像デバイスの動作に影響が及ぶ可能性があり、オペレータに危険をもたらす恐れがあり、患者に危険をもたらす恐れがあり、温度が上昇し得る高さを制限する規制仕様の範囲外となり得る。超音波撮像デバイスは、トランスデューサアレイ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、送信及び受信ビーム形成回路並びに制御電子機器を含む。仕様は、最大許容温度を制限し、それを受けて、撮像デバイスに収容され得る電子回路が厳しく制限され、また撮像デバイスの動作方法も制限される。そのような制限は、達成される画質及び画像のフレームレートに悪影響を及ぼし得る。さらに、撮像デバイスは、電池式であり得、それは、多くのチャネルを有する機器において、各チャネルがエネルギーを引き出すにつれて急速に消耗し得る。
【００１４】
[0037]  本明細書の撮像デバイスは、これらの及び他の問題を解決する。具体的には、撮像デバイスは、必要な画質を維持しながら、撮像デバイスの温度限度を超えることなく電力散逸を制御する。具体的には、画像を形成するために使用される受信チャネル及び／又は送信チャネルの数は、例えば、より少数のチャネルが容認可能な事例において、電力を節約するために電子的に適応させることができる。具体的な例として、その数のチャネルの各々は、電力を低減するか又は完全にパワーダウンさせるように動的に制御することができる。加えて、電力を低減するために、各チャネルの他の特性も構成可能であり得る。そのような高度な制御により、安全な温度閾値内で撮像デバイスを動作させることができ、必要な画質を犠牲にすることなく撮像デバイスを動作させることもできる。また、電力消費が低いほど、電池寿命も延びる。
【００１５】
[0038]  具体的には、撮像デバイスは、トランスデューサ及び関連する電子機器が収容されるハンドヘルドケーシングを含む。また、撮像デバイスは、電子機器に給電するための電池も収容し得る。上記で説明されるように、撮像デバイスによる電力消費量は、撮像デバイスの温度を増加させる。撮像デバイスの満足のいく使用及び撮像デバイス性能を保証するため、撮像デバイスの本体の温度は、閾値温度未満に保つべきである。本明細書の撮像デバイスは、高画質画像の取得（かなりの量の電力を消費し、電池寿命を縮め、プローブ内の温度を増加させるものである）にかかわらず、電力及び温度を低減するように電子的に構成される。
【００１６】
[0039]  すなわち、本明細書は、シリコンウェーハ上に構築された２ＤアレイのｐＭＵＴを使用して２Ｄ及び３Ｄ撮像が可能である、高性能、低電力且つ低コストのポータブル撮像デバイスについて説明する。一定のパラメータの電子構成で特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に結合されたそのようなアレイは、以前に可能であったものより低コストでの高画質処理を可能にする。さらに、一定のパラメータ（例えば、使用チャネル数）を制御することにより、電力消費を変更することができ、温度を変化させることができる。
【００１７】
[0040]  要約すると、本明細書は、画素別に制御電子機器に接続され、ポータブルハウジングに収容されたｐＭＵＴベースのトランスデューサに依存する撮像デバイスについて説明する。撮像デバイスは、撮像デバイスにおける電力消費及び温度を能動的に制御するために、リアルタイムでのシステムコンフィギュアビリティ及び適応性を可能にする。これは、１）チャネルの数を変更することにより、及び／又は２）撮像デバイス内の温度が仕様限度を超えないようにそれらのチャネルにおける電力散逸を能動的に制御することにより、撮像デバイス内の電力散逸を最小限に抑えることによって行われる。これは、すべて他の場合に可能であろうよりも優れた性能を達成しながら行われる。
【００１８】
[0041]  以下の説明では、本開示の理解を提供するために、説明の目的で具体的な詳細を記載する。しかし、これらの詳細なしに本開示を実践できることが当業者に明らかであろう。その上、当業者であれば、プロセス、装置、システム、デバイス又は有形のコンピュータ可読媒体上での方法などの様々な方法において、以下で説明される本開示の例を実装できることを認識するであろう。
【００１９】
[0042]  当業者は、（１）任意選択により一定の製作ステップを実行できること、（２）ステップが、本明細書に記載される特定の順序に限定され得ないこと、及び（３）同時に行うことを含めて、異なる順序で一定のステップを実行できることを認識するものとする。
【００２０】
[0043]  図に示される要素／コンポーネントは、本開示の例示的な実施形態を示し、本開示を曖昧にすることを避けることが意図される。本明細書における「一例」、「好ましい例」、「例」又は「複数の例」への言及は、例と関係して説明される特定の特徴、構造、特性又は機能が本開示の少なくとも１つの例に含まれること及び２つ以上の例に含まれ得ることを意味する。本明細書の様々な箇所における「一例では」、「例では」又は「複数の例では」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ１つ又は複数の例を指すとは限らない。「包含する」、「包含している」、「含む」及び「含んでいる」という用語は、制約のない用語であることを理解するものとし、その用語に続くいかなるリストも例であり、列挙されるアイテムに限定されることを意図しない。本明細書で使用されるいかなる見出しも、単に組織化を目的とするものであり、説明の範囲又は特許請求の範囲を限定するために使用するものではない。その上、本明細書の様々な箇所における特定の用語の使用は、例示のためであり、限定するものと解釈すべきではない。
【００２１】
[0044]  いくつかの例では、本明細書で説明されるｐＭＵＴの製造コストは、現代の半導体及びウェーハ処理技法を適用することによって低減することができる。例えば、薄膜圧電層を半導体ウェーハ上にスピニング又はスパッタリングし、その後、各々が２つ以上の電極を有する圧電センサを作成するためにパターン形成することができる。一例では、各圧電素子は、中心周波数として知られている一定の周波数並びに第２の及び／又は追加の周波数で信号を放出又は受信する能力を有するように設計することができる。
【００２２】
[0045]  本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、圧電素子、ｐＭＵＴ、トランシーバ及び画素という用語は、交換可能に使用される。
【００２３】
[0046]  ここで、図を参照すると、図１は、本明細書で説明される原理による、コントローラ（１０９）によって制御され、コンピューティングデバイス（１１０）において実行される撮像演算を有する、選択的に変更可能なチャネル（１０６、１０８）を有する撮像デバイス（１００）のブロック図である。上記で説明されるように、撮像デバイス（１００）は、人間又は動物の身体の内部組織、骨、血流又は臓器の画像を生成するために使用することができる。従って、撮像デバイス（１００）は、身体に信号を送信し、撮像されている身体の一部から反射信号を受信する。そのような撮像デバイスは、圧電トランスデューサを含み、圧電トランスデューサは、トランシーバ又はイメージャと呼ぶことができ、光音響又は超音波効果に基づき得る。撮像デバイス（１００）は、他の対象物を撮像するために使用することもできる。例えば、撮像デバイスは、医用画像処理、パイプ、スピーカ及びマイクロフォンアレイにおけるフロー測定、砕石術、治療のための局所組織加熱並びに高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）手術において使用することができる。
【００２４】
[0047]  人間患者での使用に加えて、撮像デバイス（１００）は、動物の内臓の画像を得るために使用することもできる。その上、内臓の撮像に加えて、撮像デバイス（１００）は、ドプラモード撮像の場合のように動脈及び静脈における血流の方向及び速度を決定するために使用することもでき、また組織剛性を測定するために使用することもできる。
【００２５】
[0048]  撮像デバイス（１００）は、異なるタイプの撮像を実行するために使用することができる。例えば、撮像デバイス（１００）は、Ａスキャンとしても知られている一次元撮像、Ｂスキャンとしても知られている二次元撮像、Ｃスキャンとしても知られている三次元撮像及びドプラ撮像を実行するために使用することができる。撮像デバイス（１００）は、異なる撮像モードに切り替えることができ、プログラム制御下で電子的に構成することができる。
【００２６】
[0049]  そのような撮像を容易にするため、撮像デバイス（１００）は、圧電トランスデューサ（１０２）のアレイを含み、各圧電トランスデューサ（１０２）は、圧電素子（１０４）のアレイを含む。圧電素子（１０４）は、１）身体又は他の集合体を通過する圧力波を生成し、２）撮像される身体又は他の集合体内の対象物からの反射波を受信するように動作する。いくつかの例では、撮像デバイス（１００）は、超音波波形の送信及び受信を同時に行うように構成することができる。例えば、ある圧電素子（１０４）は、撮像されているターゲットの対象物に向かって圧力波を送信することができる一方、他の圧電素子（１０４）は、ターゲットの対象物から反射された圧力波を受信し、受信波に応答して電荷を生じさせる。
【００２７】
[0050]  いくつかの例では、各圧電素子（１０４）は、中心周波数として知られている一定の周波数並びに第２の及び／又は追加の周波数で信号を放出又は受信する能力を有するように設計することができる。そのような多周波数圧電素子（１０４）は、マルチモーダル圧電素子（１０４）と呼ぶことができ、撮像デバイス（１００）の帯域幅を拡大することができる。
【００２８】
[0051]  圧電素子（１０４）を形成する圧電材料は、一定の周波数で異なる電圧値が印加されると膨張及び収縮する。従って、異なる値間で交互に入れ替わる電圧が印加されると、圧電素子（１０４）は、電気エネルギー（すなわち電圧）を機械運動に変換し、それにより音響エネルギーがもたらされ、音響エネルギーは、所望の周波数の波として放出される。これらの波は、撮像されているターゲットから反射され、同じ圧電素子（１０４）で受信され、電気信号に変換され、次いでターゲットの画像を形成するために使用される。
【００２９】
[0052]  圧力波を生成するため、撮像デバイス（１００）は、ある数の送信チャネル（１０６）及びある数の受信チャネル（１０８）を含む。送信チャネル（１０６）は、ある数のコンポーネントを含み、素子が応答する周波数の電圧パルスでトランスデューサ（１０２）（すなわち圧電素子（１０４）のアレイ）を駆動する。これにより、圧電素子（１０４）から撮像される対象物に向かって超音波波形が放出される。超音波波形は、撮像される対象物に向かって移動し、波形の一部分は、反射してトランスデューサ（１０２）に戻り、受信チャネル（１０８）は、反射波形を収集し、その反射波形を電気エネルギーに変換し、例えばコンピューティングデバイス（１１０）において、その電気エネルギーを処理し、表示することができる画像を生じさせる。
【００３０】
[0053]  いくつかの例では、撮像デバイス（１００）の送信チャネル（１０６）及び受信チャネル（１０８）の数は、一定に保つことができる一方、それらのチャネルが結合される圧電素子（１０４）の数は、変化させることができる。この結合は、コントローラ（１０９）によって制御される。いくつかの例では、制御回路の一部分は、送信チャネル（１０６）及び受信チャネル（１０８）において分散することができる。例えば、トランスデューサ（１０２）の圧電素子（１０４）は、Ｎ列及びＭ行を有する二次元アレイに形成することができる。具体的な例では、圧電素子（１０４）の二次元アレイは、１２８列及び３２行を有し得る。この例では、撮像デバイス（１００）は、最大で１２８個の送信チャネル（１０６）及び最大で１２８個の受信チャネル（１０８）を有し得る。この例では、各送信チャネル（１０６）及び受信チャネル（１０８）は、複数又は単一の圧電素子（１０４）に結合することができる。例えば、撮像モードに応じて、圧電素子（１０４）の各列は、単一の送信チャネル（１０６）及び単一の受信チャネル（１０８）に結合することができる。この例では、送信チャネル（１０６）及び受信チャネル（１０８）は、複合信号を受信することができ、複合信号は、それぞれの列内の各圧電素子（１０４）で受信された信号を組み合わせる。別の例では（すなわち異なる撮像モード間）、個々の圧電素子（１０４）は、それら自体の送信チャネル（１０６）及びそれら自体の受信チャネル（１０８）に結合することができる。
【００３１】
[0054]  これらの送信及び受信チャネル（１０６、１０８）は、電力を消費する。高画質画像を生成するための多くのチャネルがある高性能機器では、電力は、撮像デバイス（１００）における過度の熱蓄積を引き起こし得る。過度の熱は、好ましくなく、いくつかの事例では撮像のために撮像デバイス（１００）が置かれた患者に危険をもたらす恐れがある。また、そのような過度の熱は、撮像デバイス（１００）のオペレータにとっても問題となる。なおもさらに、過度の熱は、撮像デバイス（１００）のコンポーネントを損傷し得、それにより、撮像デバイス（１００）は、無効になるか又は恐らく動作不能になることさえあり得る。従って、送信チャネル（１０６）及び受信チャネル（１０８）は、１）電力消費を低減し、２）過度の熱蓄積を防ぎ、及び３）リアルタイムで（すなわち動的に）撮像性能及び電力消費ニーズを最適化するように選択的に適応可能である。
【００３２】
[0055]  チャネル（１０６、１０８）を選択的に調整することは、チャネル（１０６、１０８）をパワーダウン状態に置くこと又はチャネル（１０６、１０８）をより低い電力状態に置くことを含み得る。チャネル（１０６、１０８）を調整することは、チャネル別に行うことができる。例えば、受信チャネル（１０８）のすべて又はいくつかをパワーダウンさせるか又は低電力状態に置き、送信チャネル（１０６）のいくつか又はすべてをパワーダウンさせるか又は低電力状態に置くことができる。チャネル（１０６、１０８）の数の変更の具体的な例は、以下に続く説明において提供される。チャネル（１０６、１０８）の調整を可能にすることにより、撮像デバイス（１００）が閾値熱を呈したときに電力消費（及び熱生成）コンポーネントをオフに切り替えることにより、過度の熱蓄積が阻止される。
【００３３】
[0056]  例えば、電力消費を低減することになっている場合、撮像セッションが、高解像度の代わりに、高解像度が不要であるときに低解像度撮像を含み、且つ高解像度が望ましいときに高解像度撮像を含むように撮像セッションを設計することができる。そのようなシステムは、より低い電力を達成するために、高速の構成可能な送信及び受信回路を使用して動的に制御することができ、より低い解像度は、より少数のチャネル又はより低い電力であるが、より高い雑音で（より低い解像度をもたらす）動作するチャネルを使用することができる。
【００３４】
[0057]  図２は、本明細書で説明される原理の例による、選択的に構成可能な特性を有する撮像システムの図である。描写されるように、撮像システムは、撮像デバイス（１００）を含み、撮像デバイス（１００）は、送信モード／プロセスにおいて圧力波（２１０）を生成し、送信チャネル（図１、１０６）を介して心臓（２１４）などの内臓に向かって送信する。撮像される内臓又は他の対象物は、撮像デバイス（１００）に向かって圧力波（２１０）の一部分を反射することができ、撮像デバイス（１００）は、受信モード／プロセスにおいて、トランスデューサ（図１、１０２）、受信チャネル（図１、１０８）、制御回路（図１、１０９）及びコンピューティングデバイス（図１、１１０）を介して反射圧力波を捕捉し、電気信号を生成する。また、システムは、通信チャネル（２１８）を通して撮像デバイス（１００）と通信する別のコンピューティングデバイス（２１６）も含む。撮像デバイス（１００）は、コンピューティングデバイス（２１６）に電気信号を伝達することができ、コンピューティングデバイス（２１６）は、対象物の画像の形成を完了するために受信信号を処理する。次いで、システムの表示デバイス（２２０）は、電気信号を使用して臓器又はターゲットの画像を表示することができる。
【００３５】
[0058]  図２で描写されるように、撮像デバイス（１００）は、通信チャネル（２１８）を通して無線で（８０２．１１プロトコルなどのプロトコルを使用して）又はケーブル（ＵＳＢ２、ＵＳＢ３、ＵＳＢ３．１、ＵＳＢ−Ｃなど）を介してコンピューティングデバイス（２１６）と信号を通信するポータブルのハンドヘルドデバイスであり得る。テザー接続の事例では、撮像デバイス（１００）は、コンピューティングデバイス（２１６）と通信するためのケーブルを受けるためのものである、図３で描写されるようなポートを含み得る。無線接続の事例では、撮像デバイス（１００）は、コンピューティングデバイス（２１６）と通信するための無線送信機を含む。
【００３６】
[0059]  図２で描写されるように、表示デバイス（２２０）及びコンピューティングデバイス（２１６）は、撮像デバイス（１００）から分離することができる。例えば、コンピューティングデバイス（２１６）及び表示デバイス（２２０）は、ユーザに画像を表示することができる別個のデバイス（すなわち携帯電話若しくはiPad（登録商標）などのモバイルデバイス又は定置コンピューティングデバイス）内に配置することができる。別の例では、表示デバイス（２２０）及びコンピューティングデバイス（２２０）は、撮像デバイス（１００）内に収容される。すなわち、撮像デバイス（１００）、コンピューティングデバイス（２１６）及び表示デバイス（２２０）は、単一のハウジング内に配置することができる。
【００３７】
[0060]  図３は、本明細書で説明される原理の例による、選択的に変更可能な特性を有する撮像デバイス（１００）の概略図である。上記で説明されるように、撮像デバイス（１００）は、超音波医療プローブであり得る。図３は、撮像デバイス（１００）のトランスデューサ（１０２）を描写する。上記で説明されるように、トランスデューサ（１０２）は、圧力波（図２、２１０）の送信及び受信を行う圧電素子（図１、１０４）のアレイを含む。いくつかの例では、撮像デバイス（１００）は、トランスデューサ（１０２）と人間の身体又は他の集合体との間のインピーダンス整合界面として機能するコーティング層（３２２）を含み、それを通して圧力波（図２、２１０）が送信される。いくつかの事例では、コーティング層（３２２）は、所望の焦点距離と一致する湾曲を有するように設計されるとき、レンズとして機能し得る。
【００３８】
[0061]  実施形態では、ユーザは、コーティング層（３２２）と直接接触する前に人体の皮膚にゲルを塗布することができ、その結果、コーティング層（３２２）と人間の身体との間の界面におけるインピーダンス整合を改善することができる。インピーダンス整合は、界面における圧力波（図２、２１０）の損失及び撮像デバイス（１００）に向かって移動する反射波の界面における損失を低減する。
【００３９】
[0062]  いくつかの例では、コーティング層（３２２）は、トランスデューサ（１０２）から身体への（その逆も同様）音響信号の送信を最大化するための平坦層であり得る。コーティング層（３２２）の厚さは、トランスデューサ（１０２）によって生成された圧力波（図２、２１０）の４分の１波長であり得る。
【００４０】
[0063]  また、撮像デバイスは、トランスデューサ（１０２）を制御するためのコントローラ（１０９）（特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣチップ又はＡＳＩＣ）など）も含む。コントローラ（１０９）は、凸凹によってトランスデューサ（１０２）に結合される。上記で説明されるように、送信チャネル（１０６）及び受信チャネル（１０８）は、選択的に変更可能であり得、それは、送信チャネル（１０６）及び受信チャネル（１０８）の電力消費特性を変更できるように、所定の時間にアクティブな送信チャネル（１０６）及び受信チャネル（１０８）の数量を変更できることを意味する。例えば、選択的に変更されるチャネルが、パワーダウンされるか又はより低い電力状態に設定される受信チャネル（図１、１０８）であるということであり得る。受信チャネル（図１、１０８）は、反射圧力波（図２、２１０）を受信してそれらの反射圧力波を電気信号に変換するための様々なコンポーネントを含む。これらのコンポーネントは、電力を消費し、従って受信チャネル（図１、１０８）をパワーダウンさせるか又はより低い電力モードに設定することにより、これらのコンポーネントが引き出す電力がより少なくなり、従ってそれらの熱発生が減少する。パワーダウンさせるか又は低電力モードに設定することができる受信チャネル（図１、１０８）及びコンポーネントに関する具体的な詳細は、本明細書において後に説明する。
【００４１】
[0064]  別の例では、送信チャネル（図１、１０６）をパワーダウンさせるか又はより低い電力状態に設定することができる。送信チャネル（図１、１０８）に具体的に関して、送信チャネル（図１、１０８）は、所定の値（例えば、１５ボルト（Ｖ））の電圧パルスを介して圧電素子（図１、１０４）を駆動する。いくつかの例では、送信チャネル（図１、１０６）をより低い電力状態に置くことは、電圧パルスの大きさを低減すること（例えば、５Ｖに）を意味し得る。
【００４２】
[0065]  いくつかの例では、チャネルを変更するための基盤は、動作モードであり得る。例えば、撮像デバイス（１００）は、より低い解像度画像をもたらす低解像度モード及び／又はより高い解像度画像をもたらすより高い解像度モードで動作することができる。画像の解像度は、画像の特定のフレームに対する走査線の数又は１秒間に生成されるフレームの数を指し得る。従って、より高い解像度の画像の生成には、より多くのチャネルの使用が必要とされ得る。例えば、高解像度画像は、１２８個のすべての受信チャネル（図１、１０８）及び１２８個のすべての送信チャネル（図１、１０６）を必要とし得る。しかし、より低い解像度の画像は、単に受信チャネル（図１、１０８）及び送信チャネル（図１、１０６）のサブセット（例えば、それぞれ６４個）を起動することによって生成することができる。いくつかの例では、低電力モードは、撮像デバイス（１００）が、撮像される特定の対象物を探索しているモードを指し得、高電力モードは、対象物が見つかっており、対象物の高解像度画像が望ましいモードを指し得る。この例では、低解像度部分中、その数のチャネル（図１、１０６、１０８）は、パワーダウンされるか又は低電力状態に設定される。
【００４３】
[0066]  また、撮像デバイス（１００）は、撮像デバイス（１００）のコンポーネントを制御するためのフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）（３２６）、信号を処理／調節するための回路（３２８）（アナログフロントエンド（ＡＦＥ）など）及びトランスデューサ（１０２）によって生成されて回路（３２８）に向かって伝播される波を吸収するための音響吸収層（３３０）も含み得る。すなわち、トランスデューサ（１０２）は、基板上に設置することができ、音響吸収層（３３０）に取り付けることができる。この層は、逆方向に放出されたいかなる超音波信号も吸収し、そうでなければ、超音波信号は、反射され、画像の画質を妨げ得る。図３は、音響吸収層（３３０）を描写しているが、他のコンポーネントが後方向（すなわちトランスデューサ（１０２）から離れる方向）への超音波の物質送信を防ぐ事例では、このコンポーネントは、省略することができる。
【００４４】
[0067]  撮像デバイス（１００）は、例えば、ポート（３３４）又は無線送信機を通してコンピューティングデバイス（図２、２１６）などの外部のデバイスとデータを通信するための通信ユニット（３３２）を含み得る。撮像デバイス（１００）は、データを格納するためのメモリ（３３６）を含み得る。いくつかの例では、撮像デバイス（１００）は、撮像デバイス（１００）のコンポーネントに電力を提供するための電池（３３８）を含む。撮像デバイス（１００）が電池（３３８）を含むとき、チャネルの選択可能な変更は、特に重要な影響を有し得る。例えば、受信チャネル（図１、１０８）及び送信チャネル（図１、１０６）は、電力を引き出すコンポーネントを含むため、時間と共に電池枯渇が起こる。いくつかの例では、これらのコンポーネントによる電力の消費は、電池（３３８）が短時間で消耗するようなかなり大きいものであり得る。これは、かなりの量の電力を消費する高画質画像を得るときに特に重要である。また、電池（３３８）は、無線又は有線充電回路であり得る電池充電回路を含み得る。撮像デバイス（１００）は、ゲージを含み得、ゲージは、消費した電池充電を示し、電池寿命を延ばすために電力管理を最適化するように撮像デバイス（１００）を構成するために使用される。
【００４５】
[0068]  従って、電力消費を低減することにより又はいくつかの事例では異なるチャネル（図１、１０６、１０８）を完全にパワーダウンさせることにより、電池（３３８）寿命が延び、それにより撮像デバイス（１００）の使い易さが向上する。
【００４６】
[0069]  図４は、本明細書で説明される原理の例によるトランスデューサ（１０２）アレイの側面図である。上記で説明されるように、撮像デバイス（図１、１００）は、トランスデューサのアレイ（１０２−１、１０２−２、１０２−３）を含み得、各々は、それら自体の圧電素子（図１、１０４）のアレイを有する。いくつかの例では、トランスデューサ（１０２）は、より広い角度の撮像される対象物（図２、２１４）を提供できるように湾曲させることができる。図５は、単一のトランスデューサ（１０２）の上面図を描写する。図５で描写されるように、トランスデューサ（１０２）は、トランシーバ基板（５４０）及びその上に配列させた１つ又は複数の圧電素子（１０４）を含み得る。バルク圧電素子を使用する従来のシステムと異なり、圧電素子（１０４）は、ウェーハ上に形成することができ、ウェーハは、複数のトランスデューサ（１０２）を形成するためにさいの目に切ることができる。このプロセスは、低コストで大量にトランスデューサ（１０２）を製作できるため、製造コストを低減することができる。
【００４７】
[0070]  いくつかの例では、ウェーハの直径は、６〜１２インチの範囲であり得、その上に多くの圧電素子（１０４）アレイをバッチで製造することができる。その上、いくつかの例では、圧電素子（１０４）を制御するためのコントローラ（図１、１０９）は、各圧電素子（１０４）が整合集積回路（すなわち受信チャネル（図１、１０８）及び送信チャネル（図１、１０６））に極めて接近（好ましくは２５μｍ〜１００μｍ以内）して接続されるように形成することができる。例えば、トランスデューサ（１０２）は、１，０２４個の圧電素子（１０４）を有し、１，０２４個の圧電素子（１０４）に対して適切な数の送信及び受信回路を有する整合コントローラ（図１、１０９）に接続することができる。
【００４８】
[0071]  各圧電素子（１０４）は、正方形、長方形及び円形など、適切ないかなる形状も有し得る。図５で描写されるように、いくつかの例では、圧電素子（１０４）は、直交方向に配列される二次元アレイに配列することができる。すなわち、圧電素子（１０４）アレイは、Ｎ列（５４２）及びＭ行（５４４）を有するＭ×Ｎアレイであり得る。
【００４９】
[0072]  ライン素子を作成するため、Ｎ個の圧電素子（１０４）の列（５４２）は、電気的に並列接続することができる。次いで、このライン素子は、各圧電素子（１０４）よりほぼＮ倍長い連続圧電素子によって達成されるものと同様の超音波信号の送信及び受信を提供することができる。このライン素子は、交換可能に列若しくはライン又はライン素子と呼ぶことができる。圧電素子の列の例は、図５において参照番号（５４２）によって示される。圧電素子（１０４）は、この例では、列（５４２）に配列され、関連する送信駆動回路（送信チャネルの一部）及び低雑音増幅器（受信チャネル回路の一部である）を有する。明示的に示されていないが、送信及び受信回路は、特定の要素及び要素セットを使用できるようにするための多重化及びアドレス制御回路を含む。円形又は他の形状など、他の形状でトランスデューサ（１０２）を配列できることが理解される。いくつかの例では、各圧電素子（１０４）は、互いの中心間を２５０μｍ離間させることができる。
【００５０】
[0073]  本明細書のトランスデューサ（１０２）では、多数の同一の圧電素子（１０４）を使用してライン素子を設計することが有利であり、各素子は、その特徴的な中心周波数を有し得る。多数の圧電素子（１０４）が共に接続されると、複合構造（すなわちライン素子）は、すべての素子画素の中心周波数からなる中心周波数を有する１つのライン素子として動作し得る。現代の半導体プロセスでは、これらの中心周波数は、互いによく整合し、ライン素子の中心周波数からの非常に小さい偏差を有する。また、１つの中心周波数のみを使用するラインと比べて広い帯域幅ラインを作成するため、ある程度異なる中心周波数のいくつかの画素を混合することも可能である。
【００５１】
[0074]  いくつかの例では、トランスデューサ（１０２）は、トランスデューサ（１０２）の温度を測定するための１つ又は複数の温度センサ（５４６−１、５４６−２、５４６−３、５４６−４）を含み得る。図５は、特定の場所に配置される温度センサ（５４６）を描写しているが、温度センサ（５４６）は、トランスデューサ（１０２）上の他の場所に配置することができ、撮像デバイス（図１、１００）上の他の場所に追加のセンサを配置することができる。
【００５２】
[0075]  温度センサ（５４６）は、チャネル（図１、１０６、１０８）の選択的な調整のためにトリガすることができる。すなわち、上記で説明されるように、ハンドヘルドポータブル撮像デバイス（図１、１００）内の温度は、所定の温度を超えて上昇し得る。従って、温度センサ（５４６）は、患者と接触する表面であるトランスデューサ（１０２）表面でデバイスの温度を検出することができる。温度センサ（５４６）が閾値量（例えば、ユーザが指定した温度又は規制機構が設定した温度）より大きい温度を検出した場合、コントローラ（図３、３２４）により、送信チャネル（図１、１０６）及び／又は受信チャネル（図１、１０８）のすべて又はいくつかをパワーダウンさせるか、或いは送信チャネル（図１、１０６）及び／又は受信チャネル（図１、１０８）のすべて又はいくつかを低電力状態に設定するために信号を渡すことができる。温度センサ（５４６）をトランスデューサ（１０２）上に配置することは、これが患者と接触する表面であり、従ってユーザが過度の熱を認識するか又は過度の熱による影響を受け得る界面で温度に関するデータを提供する点で有益である。
【００５３】
[0076]  また、図５は、圧電素子（１０４）の端子も描写している。すなわち、各圧電素子（１０４）は、２つの端子を有する。第１の端子は、アレイのすべての圧電素子（１０４）によって共有される共通の端子である。第２の端子は、圧電素子（１０４）を送信チャネル（図１、１０６）及び受信チャネル（図１、１０８）に接続する。この第２の端子は、第１の列のそれらの圧電素子（１０４）に対して記号的に示されるように、あらゆる圧電素子（１０４）のために駆動及び検知される端子である。簡単にするため、第２の端子は、第１の列のそれらの圧電素子（１０４）に対してのみ示されている。しかし、関連する送信チャネル（１０６）及び受信チャネル（１０８）に対する同様の端子がアレイの他の圧電素子（１０４）に存在する。制御信号を使用するコントローラ（図１、１０９）は、それぞれの送信チャネル（図１、１０６）及び受信チャネル（図１、１０８）をオンに切り替え、他の列（５４２）のチャネル（図１、１０６、１０８）をオフに切り替えることにより、圧電素子（１０４）の列（５４２）を選択することができる。また、同様の方法で特定の行（５４）をオフに切り替えること又は個々の圧電素子（１０４）をオフに切り替えることさえ可能である。
【００５４】
[0077]  図６は、本明細書で説明される原理の例による撮像デバイス（１００）及びフレーム（６４８）の走査線（６５０）の等角図である。フレーム（６４８）は、撮像される臓器又は他の対象物の単一の静止画像を指す。フレーム（６４８）は、対象物を通過する断面線であり得る。フレーム（６４８）は、個々の走査線（６５０）で構成されている。すなわち、フレーム（６４８）は、画像として見ることができ、走査線は、その画像の個々の層又はスライスである。解像度に応じて、特定のフレーム（６４８）は、１００未満〜何百の範囲の異なる数の走査線（６５０）を含み得る。
【００５５】
[0078]  フレーム（６４８）を形成するため、トランスデューサ（１０２）は、ビーム形成回路を使用して、異なる圧電素子（図１、１０４）（例えば、特定の列（図５、５４２）のもの）の圧力波を特定の焦点に集束させる。これらの圧電素子（図１、１０４）によって収集された反射信号は、走査線（６５０）を形成するために受信され、遅延され、重み付けされ、総和される。次いで、ビーム形成技術に基づいて対象の焦点が変更され、例えば１００〜２００の走査線（６５０）からなる全フレーム（６４８）が生成されるまでプロセスが繰り返される。
【００５６】
[0079]  特定の送信技法に対して特定の参照が行われているが、単一の送信によって複数のチャネルから多焦点を達成することを含めて、多くの異なる送信技法を採用することができる。その上、本明細書で説明される動作は、これらの多焦点送信信号伝達技法にも適用可能である。マルチゾーン同時集束は、例えば、直交二次チャープ信号伝達を使用して達成することができ、より優れた解像度（深度の関数として）の達成に役立てることができる。具体的な例として、チャープ信号伝達は、送信中に符号化信号を送信し、多くのサイクルの周波数又は位相変調符号化信号が送信される。次いで、受信信号を圧縮するために受信エコーが整合フィルタで処理される。この方法は、単に１つ又は２つのパルスが送信される状況と比べてより大きいエネルギーをターゲット内に結合させるという利点を有する。複数の信号を送信するとき、軸方向分解能は、悪化するが、チャープ信号伝達により、受信機における整合フィルタの使用のため、軸方向分解能は、大幅に回復される。
【００５７】
[0080]  チャープ信号伝達における別の論点は、多くのサイクルの送信パルスを使用し、それにより電力消費が増大することである。しかし、一例では、チャープ信号伝達又は他の符号化波形信号伝達において使用されるパルスの数は、望ましい場合に電力を低下させるために低減することができる。これは、例えば、撮像デバイス（１００）の温度が所望の温度より高い場合又は例えば電力消費を低減する必要があると決定された場合であり得る。代わりに、解像度の向上が望ましい場合、その数のパルス及びマルチゾーン焦点信号伝達の使用を利用することができる。
【００５８】
[0081]  図７は、本明細書で説明される原理の例による走査線（６５０）の形成を示す。具体的には、図７は、図６からの線Ａ−Ａに沿って取られた１つのトランスデューサ（１０２）の断面図である。具体的には、図７は、トランスデューサ（１０２）を構成する圧電素子（１０４）を描写している。図７では、簡単にするため、トランスデューサ（１０２）の１つのみの圧電素子（１０４）のみが参照番号で示されている。その上、図７で描写される圧電素子（１０４）は、列（図５、５４２）の最上部の圧電素子（１０４）を表し得、他の圧電素子（１０４）は、ページに向かって延伸していることに留意されたい。また、図７は、走査線（６５０）を形成するためにコントローラ（３２４）において見られる回路も描写している。
【００５９】
[0082]  また、簡単にするため、図７は、７つの圧電素子（１０４）及び７つのそれぞれの列（図５、５４２）のみを描写していることにも留意されたい。しかし、上記で説明されるように、トランスデューサ（１０２）は、いかなる数の圧電素子（１０４）も含み得、例えば１２８列（図５、５４２）であり、各列（図５、５４２）は、その中に配置される３２個の圧電素子（１０４）を有する。
【００６０】
[0083]  走査線（６５０）を形成するため、信号（７５２）は、ある数の圧電素子（１０４）から（例えば、列（図５、５４２）の各圧電素子（１０４）から）受信される。いくつかの例では、列（図５、５４２）の圧電素子（１０４）の信号は、組み合わせて複合信号（７５４）にすることができ、複合信号（７５４）は、コントローラ（３２４）に渡される。各複合信号（７５４）は、異なる送信長さが原因で異なる時点に受信されるため、コントローラ（３２４）は、各複合信号（７５４）が同相であるように各複合信号（７５４）を遅延させる。次いで、コントローラ（３２４）は、調整信号を組み合わせて走査線（６５０）を形成する。コントローラ（３２４）による受信信号（７５４）の処理に関する追加の詳細は、後の図に提示する。
【００６１】
[0084]  上記で説明されるように、画像のフレーム（図６、６４８）は、多く（１２８個以上の場合が多い）の走査線（６５０）で形成される。これらの走査線（６５０）は、撮像されるエリアをカバーする。走査線（６５０）を収集して組み合わせてフレーム（図６４８）にするまでの時間は、フレームレートの観点から、撮像される対象物の映像の画質を定義する。例えば、心臓の走査の例を想定し、心臓がトランスデューサ（１０２）表面から２０ｃｍ下方にあると想定すると、超音波波形は、音波が組織内を１５４０ｍ／ｓで移動すると想定すると、心臓まで移動するのに約１３０マイクロ秒（ｕｓ）要する。次いで、信号は、心臓から反射され、さらに１３０マイクロ秒要してトランスデューサ（１０２）に到達し、総送信時間は、２６０マイクロ秒となる。Ｎ個の受信チャネル（図１、１０８）（例えば、１２８個のチャネル）を使用すると、１つの走査線（６５０）は、１２８列（図５、５４４）の圧電素子（図１、１０４）を駆動する１２８個の送信チャネル（図１、１０８）から送信し、図７に示されるように、すべての１２８列（図５、５４４）から信号を受信して処理することによって形成される。１つのフレーム（図６、６４８）あたり１２８個の走査線（６５０）があると想定すると、最大フレームレートは、約３０ｆｐｓである。
【００６２】
[0085]  いくつかの例において、例えば肝臓及び腎臓では、３０ｆｐｓで十分であり得る。しかし、心臓などの動く臓器を撮像するには、より高いフレームレートが望ましい。従って、撮像デバイス（図１、１００）は、複数の走査線（６５０）を同時に形成することができる並列ビーム形成を実施することができる。複数の走査線（６５０）を一度に形成することができるため、効果的なフレームレートを増加させることができる。例えば、４つの走査線（６５０）を同時に形成することができる場合、効果的なフレームレートは、最大で１２０ｆｐｓになり得る。並列ビーム形成は、撮像デバイス（図１、１００）のＦＰＧＡ（図３、３２６）で実行することができる。
【００６３】
[0086]  いくつかの例では、受信及び／又は送信チャネル（図１、１０６、１０８）の選択的なパワーダウンは、並列ビーム形成動作によって行うことができる。例えば、並列ビーム形成を使用することにより、１２０ｆｐｓのフレームレートが達成可能であり得る。しかし、３０ｆｐｓで十分である場合、受信チャネル（図１、１０８）は、いくつかの要件（完全なシャットダウンが受け入れられないが、実質的により低い電力状態に置くことができるもの）を考慮して、その時間の１／４を使用可能にし、電力消費を４分の１又は４分の１より幾分少なく削減することができる。例えば、４つの走査線のセットが同時に収集された後、受信チャネル（図１、１０８）は、一定の時間にわたってのみオフに切り替え、次いで別の４つの走査線を同時に収集するために再びオンに切り替えることができる。
【００６４】
[0087]  そのような技法は、例えば、開始電力消費値よりおよそ３．３分の１ほど少なく電力消費を低減することができる。換言すれば、並列ビーム形成を実行する撮像デバイス（図１、１００）の受信チャネル（図１、１０８）の選択的なパワーダウンは、総フレームレートが維持されるように一部の時間において受信チャネル（図１、１０８）をパワーダウンさせる。撮像アーチファクトは、電力をあまり消費せず、且つプローブ内に位置しないディスプレイプロセッサにおいて実行することができる動作によってデジタル処理で補正できるため、そのような動作は、画質に影響を及ぼさない。すなわち、走査線（６５０）の形態の撮像デバイス（図１、１００）からのデータは、ＵＳＢインタフェースを使用してコンピューティングデバイス（図２、２１６）ユニットにトランスポートすることができ、この画像処理は、温度上昇に対する制限が少ない撮像デバイス（図１、１００）の外部で行うことができる。明らかに、スケーリングの量は、送信及び受信される並列ビームの数に依存する。例えば、スケーリングは、２つの並列ビームを使用するときに小さく、８つの並列ビームを使用するときに大きいものであり得る。
【００６５】
[0088]  図８は、本明細書で説明される原理の例による、撮像デバイス（図１、１００）のチャネル（図１、１０６、１０８）の数を選択的に変更するための方法（８００）のフローチャートである。方法（８００）によれば、撮像デバイス（図１、１００）内で電力消費を低減すべきであるという指示が受信される（ブロック８０１）。そのような指示は、様々な形態で提供することができる。例えば、トランスデューサ（図１、１０２）上に配置された温度センサ（図５、５４６）又は他の場所に配置された温度センサ（図５、５４６）は、撮像デバイス（図１、１００）内の温度が閾値量を上回っていることを示し得る。
【００６６】
[0089]  別の例では、指示は、低解像度撮像動作が行われているというものであり得る。例えば、低フレームレート撮像動作は、比較的静止状態の一定の臓器に対して行うことができる。先に説明したように、低フレームレートにより、ほとんどの時間において多くの回路をシャットダウンすることができ、従って電力が節約され、撮像デバイス（図１、１００）の温度が低減される。従って、いくつかの例では、指示を受信すること（ブロック８０１）は、ほとんど静止状態の臓器が撮像されるというユーザ入力を受信することを含む。
【００６７】
[0090]  別の例では、指示は、撮像デバイス（図１、１００）が探索モードで使用されるというものであり得る。探索モード中、ユーザは、単に特定の臓器又は臓器内の構成要素を位置付けようとしているに過ぎないため、高解像度画像は、不要であり得る。臓器が識別された後、ユーザは、次いで、より高い解像度出力を要求することができる。従って、この例では、指示を受信すること（ブロック８０１）は、撮像デバイス（図１、１００）が低電力モード（探索モードなど）にあるというユーザ入力を受信することを含む。低解像度モードで使用されるチャネルの数は、少数で十分であり、チャネルのパラメータは、それらの信号対雑音比（ＳＮＲ）を低減するようにプログラムすることができるため、高電力モードのより高い解像度と比べて、低電力モードは、より低い解像度で容易に機能することができる。また、ＳＮＲが低いほど、例えば受信チャネル（図１、１０８）の低雑音増幅器の相互コンダクタンスを低減することにより、より低い電力動作が可能になる。
【００６８】
[0091]  指示に応答して、少なくとも１つの送信チャネル（図１、１０６）又は少なくとも１つの受信チャネル（図１、１０８）の状態が変更される（ブロック８０２）。例えば、１つの受信チャネル（図１、１０８）又は複数の受信チャネル（図１、１０８）をパワーダウンさせることができる。別の例では、とりわけ受信チャネル（図１、１０８）の増幅器の相互コンダクタンスを低下させることにより、１つの受信チャネル（図１、１０８）又は複数の受信チャネル（図１、１０８）を低電力状態に置くことができる。なおもさらに、１つの送信チャネル（図１、１０６）又は複数の送信チャネル（図１、１０６）をパワーダウンさせることができる。さらなる別の例では、１つの送信チャネル（図１、１０６）又は複数の送信チャネル（図１、１０６）を低電力状態に置くことができる。具体的には、送信チャネル（図１、１０６）に関して、送信チャネル（図１、１０６）を低電力状態に置くことは、より小さい大きさの電圧パルスを送信すること又は送信チャネル（図１、１０８）においてより少数の素子を使用することを含み得る。
【００６９】
[0092]  そのような変更（ブロック８０２）は、撮像サイクル全体又は撮像サイクルの一部分に対するものであり得る。例えば、受信チャネル（図１、１０８）及び／又は送信チャネル（図１、１０８）のサブセットをパワーダウンさせる一方、他のものをアクティブ状態に保つことができる。そうすることにより、走査線（図６、６５０）の形成に貢献しないチャネルのパワーダウンの結果として得られる画像のフレームレート又は解像度は、低減し得る。しかし、画質及びフレームレートのそのような低減は、撮像される対象物に基づいて容認することができる。
【００７０】
[0093]  別の例では、ごく一部の時間にわたり、送信チャネル（図１、１０６）及び／又は受信チャネル（図１、１０８）を停止させることができる。例えば、個々の走査線（図６、６５０）の形成の部分についてである。そのような例は、図９と関連付けて以下で提供する。従って、方法（８００）は、意図する撮像動作に合う性能特性を保証するために、且つ温度が閾値範囲内にとどまることを保証するために、撮像デバイス（図１、１００）の使用をカスタマイズするための方法を提供する。
【００７１】
[0094]  図９は、本明細書で説明される原理の例による、受信チャネル（図１、１０８）及び送信チャネル（図１、１０６）を変更することができる時間の部分を示す図である。この例では、時点ｔ０において、圧力波（図２、２１０）は、トランスデューサ（１０２）から離れる方向に送信される。圧力波（図２、２１０）が送信された瞬間、それぞれの送信チャネル（図１、１０６）を停止させるか又はパワーダウンさせることができる。従って、上記で説明されるように、送信チャネル（図１、１０６）をシャットダウンすることができる撮像サイクル（すなわち走査線（図６、６５０）の形成）の部分は、圧力波（図２、２１０）の送信後のすべての時間に対応する。
【００７２】
[0095]  この例では、圧力波（図２、２１０）は、時点ｔ２で対象のゾーンに到達し、反射信号は、時点ｔ３で対象のゾーンから離れ、時点ｔ４でトランスデューサに戻る。換言すれば、信号がトランスデューサを離れてからトランスデューサに戻るまでの総時間は、時点ｔ０〜ｔ４である。従来の撮像デバイスでは、受信チャネル（図１、１０８）は、ｔ０〜ｔ４の全時間にわたってオンにすることができる。しかし、対象のエリアは、その時間のごく一部であるため、受信チャネル（図１、１０８）は、その時間のほとんどにおいてオフに切り替えることができる。具体的には、受信チャネル（図１、１０８）は、信号が所望の視野外にある時間にわたってパワーダウンさせることができる。この事例では、視野が対象物（２１４）に対応する場合、撮像は、超音波波形がｔ２〜ｔ３の時間に対応する位置にあるときにのみ対象となる。従って、ｔ２〜ｔ３の時間間隔に対応するエコー信号が撮像デバイス（図１、１００）に到達したとき、受信チャネル（図１、１０８）は、動作中であり、他の時間は、低解像度若しくはより低い電力モードに置くか又はオフに切り替えることができる。従って、この時間にわたり、受信チャネル（図１、１０８）のコンポーネントを完全にパワーダウンさせるか又は低電力状態に設定することができるため、総電力消費がかなり低減される。この効果は、１）ｔ２〜ｔ３に対応する時間にわたり、受信チャネル（図１、１０８）が低電力モードであるとき、及び／又は２）フレームレートを低減することなく、チャネルのパワーダウンを可能にするために並列ビーム形成が使用されるときに増す。
【００７３】
[0096]  上記で説明されるように、撮像デバイス（図１、１００）は、表示デバイス（図２、２２０）に接続されるか又は表示デバイス（図２、２２０）を含む。この例では、ユーザインタフェースは、ユーザが、撮像される臓器を選択できるようにする。そうすることにより、撮像デバイス（図１、１０２）は、１）圧力波（図２、２１０）に対する正しい周波数、及び２）対象物に対する所定の視野にプリセットされる。表示デバイス（図２、２２０）上に画像が現れると、ユーザは、例えば、ウィンドウを指で拡大及び縮小することにより、撮像されるエリアを選択することができる。次いで、コントローラ（図３、３２４）は、例えば、受信チャネル（図１、１０８）をパワーダウンさせること／低電力状態に置くことができる時間を決定するために、コンピューティングデバイス（図２、２１６）からの選択情報を変換する。
【００７４】
[0097]  別の実施形態では、撮像デバイス（図１、１００）は、最初に、撮像デバイス（図１、１００）を正しく方向付けられるように支援することにより、医学的に重要な問題を得るようにオペレータを導くために使用される。これは、例えば、機械学習を活用する人工知能技法を使用して行われる。アルゴリズムは、撮像されている臓器（図２、２１４）の所望の表示のために画像を正しい方向に方向付けるようにユーザを導く。正しい方向が得られた後、実際の撮像セッションは、関連する解像度で始めることができる。しかし、方向付け及び誘導セッション中、高解像度は、不要であり、従って、撮像デバイス（図１、１００）は、全撮像セッション中、より低い電力、より低い解像度モード、電力節約に設定することができる。
【００７５】
[0098]  図１０は、本明細書で説明される原理の例による受信チャネル（１０８）を描写する。受信チャネル（１０８）は、反射圧力波（図２、２１０）を受信するために圧電素子（図１、１０４）に結合される。また、図１０は、圧電素子（図１、１０４）と送信チャネル（図１、１０６）との間の接続も描写する。一例では、送信チャネル（図１、１０６）は、受信動作中、受信圧力及び送信パルスが遭遇するノードにおいて高インピーダンスに向かう。
【００７６】
[0099]  換言すれば、受信チャネル（１０８）は、撮像されるターゲットから反射圧力波形を受信し、受信チャネル（１０８）は、圧力を電圧に変換する。具体的には、反射圧力波は、トランスデューサにおいて電荷に変換され、この電荷は、低雑音増幅器（ＬＮＡ）（１０５６）によって電圧に変換される。ＬＮＡ（１０５６）は、電荷増幅器であり、電荷は、出力電圧に変換される。いくつかの例では、ＬＮＡ（１０５６）は、プログラマブル利得を有し、利得は、リアルタイムで変化し得る。プログラマブル利得を有するＬＮＡ（１０５６）の例は、図１１で描写する。
【００７７】
[00100]  ＬＮＡ（１０５６）は、トランスデューサの電荷を電圧出力に変換し、また受信エコー信号の増幅も行う。スイッチ（送信／受信スイッチ）は、受信動作モードにおいて、ＬＮＡ（１０５６）をトランスデューサに接続する。
【００７８】
[00101]  次いで、このＬＮＡ（１０５６）の出力は、信号を調節するために他のコンポーネントに接続される。例えば、プログラマブル利得増幅器（ＰＧＡ）（１０５８）は、電圧の大きさを調整し、時間の関数として利得を変化させるための方法を提供し、時間利得増幅器として知られている場合がある。信号は、組織内深くに移動するにつれて減衰する。従って、より大きい利得が補償のために使用され、より大きい利得は、ＴＧＣによって実施される。バンドパスフィルタ（１０６０）は、雑音及び帯域外信号をフィルタ除去するように動作する。アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）（１０６２）は、さらなる処理をデジタル処理で行えるように信号をデジタル領域に変換するためにアナログ信号をデジタル化する。次いで、ＡＤＣ（１０６２）からのデータは、復調ユニット（１０６４）においてデジタル処理され、図７で描写されるように走査線（図６、６５０）を生成するためにＦＰＧＡ（３２６）に渡される。いくつかの実装形態では、復調ユニット（１０６４）は、例えば、ＦＰＧＡにおいて他の場所に実装することができる。復調ユニットは、さらなるデジタル処理のために、直交位相（Ｉ及びＱ）の２つの成分を有するベースバンドに搬送波信号を周波数シフトする。いくつかの例では、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）（１０６２）は、ＡＤＣ（１０６２）のレイテンシを低減するために、逐次近似レジスタ（ＳＡＲ）アーキテクチャを実装することができる。すなわち、ＡＤＣ（１０６２）のオフ及びオンの切り替えは、繰り返し行われるため、オンへの切り替えに続いて信号処理に遅延が発生しないように、レイテンシは、皆無又はそれに近いものである必要がある。
【００７９】
[00102]  説明されるように、受信チャネル（１０８）のコンポーネントは、電力を浪費しないように、オフに切り替えるか又はより低い電力モードに設定することができる。すなわち、ＬＮＡ（１０５６）、ＰＧＡ（１０５８）、ＡＤＣ（１０６２）及び他のデジタル処理コンポーネントにおいて、かなりの量の電力が消費される。一例では、撮像デバイス（図１、１００）は、１２８個の受信チャネル（１０８）を含む。多数の走査線（図６、６５０）をもたらすために１２８個のすべての受信チャネル（１０８）を使用する電力消費は、大量の電力消費をもたらし得る。具体的な一例として、１つのＬＮＡ（１０５６）が１０ｍＷを消費し、ＡＤＣ（１０６２）が４０ｍＷを消費し、復調（Ｉ／Ｑ変換）がさらなる１０ｍＷを消費すると仮定する。この例では、各受信チャネル（１０８）は、デジタル処理によって消費される電力を除いて６０ｍＷを消費する。１２８個のチャネル（１０８）の実装形態に対して、低電力ＦＰＧＡ（３２６）を使用して走査線（図６、６５０）を形成するために使用されるデジタル処理を組み込むと、ＦＰＧＡ（３２６）において約１２Ｗであり、そのうちの約９Ｗは、演算に関し、残りは、Ｉ／Ｏにおけるオーバーヘッド及び静的損失に関する。従って、１２８個の受信チャネル（１０８）における電力消費は、この例では、ほぼ２０Ｗになる。そのような電力レベルは、ハンドヘルド撮像デバイス（図１、１００）におけるサポートに対して技術的に不可能である。２〜１０Ｗ未満の電力数値がより妥当な電力レベルである。従って、受信チャネル（１０８）の数を半分に低減することにより、対応する半分の電力消費が得られる。電力の低減は、電池寿命を延ばすのみならず、撮像デバイス（図１、１００）の温度にも影響を及ぼす。図１０は、受信チャネル（１０８）の特定のコンポーネントを描写しているが、受信チャネル（１０８）は、同様に低電力又はパワーダウン状態に置くことができる他のコンポーネントも含み得ることに留意されたい。
【００８０】
[00103]  チャネル数を変更すること以外にも、フレームレートを引き上げるために並列ビーム形成を使用することにより、ほとんどの時間においてすべてのチャネルをシャットダウン（又は電力低下）し、次いでターゲットフレームレートと一致する時間にわたり、回路をシャットダウンするなど、電力を実質的に低減するように他のパラメータを構成することができる。
【００８１】
[00104]  図１１は、本明細書で説明される原理の例による受信チャネル（図１、１０８）の低雑音増幅器（ＬＮＡ）（１０５６）を描写する。図１１で描写される例では、コンデンサのバンクＣｆ１〜Ｃｆｎは、スイッチＭ１〜Ｍｎをオンに切り替えることによって電子的に選択され、演算増幅器（１１６６）にわたって接続される。Ｒｆ１〜ＲｆＮは、抵抗器のバンクであり、これも、同様にスイッチＳ１〜ＳＮをオンに切り替えることによって電子的にプログラムされる。また、図１１は、バイアス電流入力（ＩＢＩＡＳ）も描写する。ＩＢＩＡＳは、図１２で描写される回路によって生成することができる。ＩＢＩＡＳは、ＬＮＡ（１０５６）の相互コンダクタンスを変更するために使用され、より高い電流レベルは、雑音レベルを低減する。加えて、ＬＮＡ（１０５６）をシャットダウンするために、パワーダウンを示すデジタル入力も使用される。高速パワーアップを達成するため、ＩＢＩＡＳは、図１２に示される実装形態例を用いて迅速に確立する必要がある。
【００８２】
[00105]  すなわち、図１２は、本明細書で説明される原理の例による高速パワーアップバイアス回路（１２６８）の回路図である。上記で説明されるように、動作中に受信チャネル（図１、１０８）の電源のオン及びオフが複数回行われるとき、撮像デバイス（図１、１００）の適切な熱消散及び正しい動作を保証するために、コンポーネントのオン及びオフの切り替えを迅速に行えることが重要である。この例では、ＬＮＡ（図１０、１０５６）が迅速にパワーアップされることを保証するため、ＩＯＵＴ端子は、ＬＮＡ（図１０、１０５６）のバイアス電流入力（ＩＢＩＡＳ）に結合される。すなわち、撮像デバイス（図１、１００）を効果的に実装するため、各受信チャネル（図１、１０８）のＬＮＡ（図１０、１０５６）及びＡＤＣ（図１０、１０６４）などの信号経路上のコンポーネントは、約数百ナノ秒以内にシャットダウンできるべきであり、また約１ｕｓ以内にパワーアップすべきである。図１２で描写される高速パワーアップバイアス回路（１２６８）は、そのような迅速パワーアップ及びシャットダウンの提供の一例である。図１２で描写されるバイアス回路（１２６８）は、非常に速いオン及びオフの切り替え時間を呈する。パワーダウン信号が高い場合、パワーアップブートストラップが低く、スイッチＳ１〜Ｓ３がオフに切り替わり、その結果、電流が伝導しなくなり、従ってＩＯＵＴの値が低減し、効果的にオフに切り替わる。パワーダウンが低くなる（すなわちＬＮＡ（１０５６）のパワーアップが望まれる）と、ＮＯＲゲートの入力は、両方とも低くなり、これによりパワーアップブートストラップにおける高い論理信号が生じる。これにより、スイッチＳ１〜Ｓ３がオンに切り替わり、ＩＯＵＴへの電流が急速に回復される。ＩＯＵＴは、電流出力であり、その値は、これらの回路に給電するためにＬＮＡ（図１０、１０５６）などの他の回路においてコピーされる。ＩＯＵＴの値は、パワーダウン中にゼロに近く、パワーアップ中により高い値（典型的には数十又は数百ｕＡ）を有する。
【００８３】
[00106]  図１３〜１７は、本明細書で説明される原理の例による圧電素子（図１、１０４）の製作を示す。いくつかの例では、圧電素子（図１、１０４）は、圧電素子（図１、１０４）と関連付けられた懸架膜を有し、懸架膜は、その周波数で刺激にさらされると、中心周波数及び他のいくつかの周波数で振動し、従って共振器のように挙動する。これらの共振器と関連付けられた選択性があり、Ｑ値として知られている。超音波撮像デバイス（図１、１０２）の場合、Ｑは、通常、低くなる（１に近い）ように設計することができ、画素の設計及び実際の使用において画素に適用される装荷の組合せによって達成することができる。装荷は、圧電素子（図１、１０４）の最上面にＲＴＶ又は他の材料の層を付着することによって提供することができ、装荷は、圧力波を放出及び受信するトランスデューサ表面と、撮像されている人間の身体の一部との間のより厳密なインピーダンス整合を容易にすることができる。低いＱ及びよく整合した中心周波数により、ライン素子は、実質的に１つの中心周波数を有するライン撮像素子のように本質的に動作することができる。また、装荷は、トランスデューサの下方の整合層も含み得、放出された波形は、音響吸収体によって吸収される。
【００８４】
[00107]  図１３は、基板（１３７２）上に配置された膜（１３７４）の上面図を示し、図１４は、図１３の線Ｂ−Ｂに沿って取られた膜（１３７４）及び基板（１３７２）の断面図を示す。基板（１３７２）は、図５のトランシーバ基板（５４０）に対応し得る。描写されるように、膜層（１３７０）は、基板（１３７２）上に堆積させることができ、空洞（１３７４）は、基板（１３７２）の一部分を取り除くように形成することができ、それにより基板（１３７２）に対して垂直方向に振動することができる膜（１３７４）が形成される。空洞（１３７６）は、エッチング（例えば、深掘反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ））など、従来のウェーハ処理技法によって形成することができる。基板（１３７２）は、膜層（１３７０）と同じ材料で形成することができる。別の例では、基板（１３７２）は、膜層（１３７０）と異なる材料で形成することができる。空洞（１３７６）は、圧電素子（図１、１０４）の他のコンポーネントが形成された後に形成することができる。図１３及び他のものは、円形投影エリアを有するものとして膜（１３７４）を描写しているが、膜（１３７４）は、他の適切な幾何学的形状を有し得る。
【００８５】
[00108]  図１５は、本明細書で説明される原理の例による、膜層（１３７０）上に配置され、且つ膜（１３７４）の真上に配列された下部電極（１５７８）の上面図を示す。図１６は、本明細書で説明される原理の例による、下部電極（図１５、１５７８）上に配置された圧電層（１６８０）の上面図を示す。いくつかの例では、圧電層（１６８０）は、圧電層（１６８０）が下部電極（１５７８）の全部をカバーするように、下部電極（１５７８）と同様の投影エリアを有し得る。
【００８６】
[00109]  図１７は、本明細書で説明される原理の例による圧電素子の上面図を示す。描写されるように、上部電極（１７８２）は、圧電層（１６８０）上に配置し、膜（図１３、１３７４）の真上に配列することができる。いくつかの例では、上部電極導体（１７８３）は、上部電極（１７８２）上に配置し、上部電極（１７８２）に電気的に結合することができ、下部電極導体（１７８４−１）及び（１７８４−２）は、１つ又は複数のビア（１７９０−１、１７９０−２）を通して下部電極（１５７８）に到達し得る。この例では、上部電極（１７８２）、圧電層（１６８０）及び下部電極（１５７８）は、２端子圧電素子を形成することができ、膜（図１３、１３７４）は、上部及び下部電極（１７８２、１５７８）にわたって電圧が印加されると振動し得る。電荷は、受信モード／プロセス中に圧力波（図２、２１０）によって膜（図１３、１３７４）が変形すると、上部及び下部電極（１７８２、１５７８）において生じ得る。
【００８７】
[00110]  図１８は、本明細書で説明される原理の例による圧電素子（１８００）の概略図である。描写されるように、圧電層（１８８０）は、第１の電極（１８８２）と第２の電極（１８７８）との間に配置することができる。第１の電極（１８８２）は、第１の導体（１８８６）を介して接地するか又はＤＣバイアスに接続することができ、第２の電極（１８７８）は、第２の導体（１８９０）を通して電気回路（図１８に図示せず）に接続することができる。
【００８８】
[00111]  従来の圧電素子では、圧電層は、厚く（約１００μｍ近く）、典型的には、医用画像処理を可能にするために十分な強度の超音波圧力波を生成するために、圧電層にわたって＋１００Ｖ〜−１００ＶのＡＣ電圧が必要とされる。このＡＣ駆動信号の周波数は、典型的には、圧電構造の共振周波数付近であり、典型的には、医用画像処理応用に対して１ＭＨｚを上回る。従来のシステムでは、圧電素子の駆動における電力散逸は、ｆ＊Ｃ＊Ｖ２に比例し、ここで、Ｃは、圧電素子の静電容量であり、Ｖは、圧電層にわたる最大電圧であり、ｆは、駆動されている周波数である。典型的には、圧力波を送信するとき、圧力波を集束するために又は圧力波の伝播方向を操作するために、ある程度異なる位相遅延で複数の圧電ラインが共に駆動される。複数の圧電ラインの同時駆動は、圧電素子の表面の温度を上昇させる。一般に、撮像されている対象者を傷つけないように、一定の閾値温度を超えないことが非常に望ましい。これにより、駆動できるラインの数、駆動できる時間及び駆動できる電圧が制限される。
【００８９】
[00112]  本明細書の圧電素子（１８００）では、圧電層（１８８０）は、例えば、１〜５ｕｍの厚さなど、はるかに薄いものであり得る。この厚さの大幅な低減により、圧電素子（１８００）に対する低電圧駆動信号の使用が可能になり、電圧は、同様の電界強度を維持するために圧電層（１８８０）の厚さを低下した量だけおよそ低下する。例えば、２つの電極（１８８２）と電極（１８７８）との間の電位差は、ピーク間で約１．８Ｖ〜４０Ｖの範囲であり得る。圧電素子（１８００）の静電容量は、同様の圧電材料に対する圧電層（１８８０）の厚さの低減が原因で増加し得る。例えば、駆動電圧を１０分の１に減少させる一方、圧電層（１８８０）の厚さも１０分の１に減少させると、静電容量は、１０倍に増加し、電力散逸は、１０分の１に減少する。この電力散逸の低減により、圧電素子（１８００）における熱発生及び温度上昇も低減する。従って、従来の圧電素子と比べてより低い駆動電圧及びより薄い圧電層を使用することにより、圧電素子（１８００）表面の温度を低下させることができる。代わりに、所定の温度について、従来の圧電素子と比べて、より大きいターゲットエリアに照射するためにより多くの圧電素子（１８００）を同時に駆動することができる。これにより、特に１つの画像を形成するためにターゲットの全部を走査するための複数の放出が必要とされる場合、ターゲットの高速走査が可能になり得る。ターゲットエリアは、異なる操作角度を使用して複数の放出によって走査することができ、得られた画像データは、より高い画質の画像を得るために組み合わせることができる。
【００９０】
[00113]  トランスデューサは、大きい開口を有し得、開口全体で動作することが望ましい。しかし、バルク圧電素子に対する駆動電圧が高い場合、電力消費は、過度であり得る。従って、開口のごく一部分のみが送信及び受信され、開口の残りの部分を使用した他の動作が続く。従来のバルク圧電素子と比べて、本明細書の圧電素子（１８００）は、所定の電力レベルに対してより低い電圧でより多くの圧電素子を同時に駆動する能力を提供し、それにより１回の放出あたりでより広いトランスデューサ開口カバー範囲が可能になり、開口全体をカバーするために必要な放出数が最小限に抑えられ、従ってフレームレートが増加する。フレームレートは、１分間にターゲットが何回撮像されるかを測定する。特に、組織運動を伴うとき、動く組織によって画像がぼやける可能性があるため、高フレームレートで撮像することが望ましい。より高いフレームレートで動作する撮像デバイス（図１、１００）は、従来のバルク圧電素子と比べて画質が向上した画像を生成することができる。
【００９１】
[00114]  図１９Ａは、本明細書で説明される原理の別の例による圧電素子（１９００）の概略図である。図１９Ｂは、図１９Ａの圧電素子（１９００）の記号的表示を示す。描写されるように、圧電素子（１９００）は、圧電素子（１８００）と同様であり、その違いは、圧電素子（１９００）が３つ以上の電極を有することである。より具体的には、圧電素子（１９００）は、上部電極（１９８２）と、第１の下部電極（１９７８−１）と、第２の下部電極（１９７８−２）と、上部電極と下部電極との間に配置された圧電層（１９８０）と、上部及び下部電極（１９８２）、（１９７８−１）、（１９７８−２）にそれぞれ電気的に結合された３つの導体（１９８４−１）、（１９８４−２）、（１９８４−３）とを含み得る。以下では、上部及び下部という用語は、単に圧電層の２つの対向する側を指す（すなわち、上部電極は、必ずしも下部電極の上方に配置されるとは限らない）。
【００９２】
[00115]  図１９Ａで描写される圧電素子（１９００）は、送信及び受信動作の感度を増加させる上で特に役立つ。例えば、圧電材料が製造されるとき、圧電材料の双極子は、位置合わせされず、圧電性能の最適化のため、ポーリングプロセスが実施され、高温（１７５℃など）で強い電界が圧電フィルムに印加される。これにより、後の作業のための電界の方向が確立される。しかし、基本的な送信及び受信動作のために使用されるサブ圧電素子が異なるように分極されたユニットを有する場合、すなわち、その感度は、増強される。受信圧力波の場合、受信動作においてさらなる電荷信号が形成され、所定の送信電圧駆動の場合、さらなる圧力が生成される。図１９Ａは、３本のリード線を有する圧電素子（１９００）を示し、ポーリング動作中、第１のリード線（１９８４−１）は、接地することができ、第２のリード線（１９８４−２）は、高電圧（例えば、＋１５Ｖ）であり得、第３のリード線（１９８４−３）は、−１５Ｖであり得る。従って、このポーリング動作中、圧電素子（１９００）において直交電界が確立される。実際の使用中、第２のリード線（１９８４−２）及び第３のリード線（１９８４−３）は、ＤＣバイアス電圧につなげて、仮想接地として動作することができる一方、第１のリード線（１９８４−１）は、送信及び受信動作のために使用される。
【００９３】
[00116]  図１９Ａには、純粋に例示のためにユニモルフ圧電素子が示されているが、実施形態では、複数のサブ圧電層及び電極で構成されているマルチプレイヤ圧電素子を利用することができる。実施形態では、圧電層（１９８０）は、ＰＺＴ、ＰＺＴ−Ｎ、ＰＭＮ−Ｐｔ、ＡｌＮ、Ｓｃ−ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ及びＬｉＮｉＯ３の少なくとも１つを含み得る。
【００９４】
[00117]  図１９Ｂは、本明細書で説明される原理の例による図１９Ａの圧電素子の記号的表示である。
【００９５】
[00118]  図１９Ｃは、本明細書で説明される原理の例による圧電素子（１９００）の概略断面図である。描写されるように、圧電素子（１９００）は、基板（１９７２）によって支持される膜層（１９７０）上に配置することができる。膜を画定するため、空洞（１９７６）を基板（１９７２）に形成することができる。膜層（１９７０）は、基板（１９７２）上にＳｉＯ２を堆積させることによって形成することができる。
【００９６】
[00119]  圧電素子（１９００）は、圧電層（１９８０）と、上部電極導体（１９８４−１）に電気的に接続される第１の電極（１９８２）とを含み得る。上部電極導体（１９８４−１）は、膜層（１９７０）上にＴｉＯ２及び金属層を堆積させることによって形成することができる。
【００９７】
[00120]  第１の下部電極（１９７８−１）は、圧電層（１９８０）の上方に成長させることができ、第１の下部導体（１９８４−２）に電気的に接続される。また、第２の下部電極（１９７８−２）も圧電層（１９８０）の上方に成長させることができ、第２の下部導体（１９８４−３）に隣接して配置されるが、第１の下部導体（１９８４−２）から電気的に絶縁される。第２の下部電極（１９７８−２）及び第２の下部導体（１９８４−３）は、圧電層（１９８０）上に１つの金属層を堆積させ、金属層をパターニングすることによって形成することができる。いくつかの例では、電極（１９８４）の投影エリアは、正方形、長方形、円形及び楕円形など、適切ないかなる形状も有し得る。
【００９８】
[00121]  第１の電極（１９８２）は、金属、ビア及び層間誘電体を使用して導体（１９８４−１）に電気的に接続することができる。いくつかの例では、第１の電極（１９８２）は、圧電層（１９８０）と直接接触することができる。第２の下部導体（１９７８−２）は、第１の電極（１９８２）に関して圧電層（１９８０）の反対側に堆積又は成長させることができる。
【００９９】
[00122]  図１９Ｄは、本明細書で説明される原理の別の例による圧電素子（１９９２）の概略図である。描写されるように、圧電素子（１９９２）は、２つのサブ圧電素子（サブ素子と呼ばれる場合がある）（１９９６−１）及び（１９９６−２）を含み得る。各サブ素子は、３端子素子であり得、すなわち１つの上部電極（１９８２−１、１９８２−２）、２つの下部電極（１９７８−１、１９７８−２）及び（１９７８−３、１９７８−４）並びに１つの圧電層（１９８０−１、１９８０−２）を有し得る。第１のサブ素子（１９９６−１）の上部電極（１９８２−１）は、共通の上部導体（１９８４−１）によって第２のサブ素子（１９９６−２）の上部電極（１９８２−２）に電気的に接続することができる。第１のサブ素子（１９９６−１）の第１の下部電極（１９７８−１）は、第１の下部導体（１９８４−２）によって第２のサブ素子（１９９６−２）の第１の下部電極（１９７８−３）に電気的に接続することができる。第１のサブ素子（１９９６−１）の第２の下部電極（１９７８−２）は、第２の下部導体（１９８４−３）によって第２のサブ素子（１９９６−２）の第２の下部電極（１９７８−４）に電気的に接続することができる。一例では、圧電素子（１９９２）を１つの膜上に配置することも、各サブ素子を別個の膜上に配置することもできる。導体（１９８４−１）は、図１３〜１７に示される圧電素子と同様の方法において、金属、ビア及び層間誘電体（ＩＬＤ）などを使用して電極（１９８２−１、１９８２−２）に電気的に接続できることが当業者に明らかであるはずである。
【０１００】
[00123]  いくつかの例では、導体（１９８４−２）及び導体（１９８４−３）は、すべて撮像デバイス（図１、１００）の能動的な動作中に接地する（又はＤＣバイアスに接続する）ことができる。いくつかの例では、上部電極（１９８２−１、１９８２−２）は、共通の送信駆動回路及び共通の電気信号（典型的にはトランスデューサの中心周波数付近の信号波形）によって駆動することができる。例えば、中心周波数が２ＭＨｚである場合、２ＭＨｚの正弦波形又は方形波形が圧電素子（１９９２）に印加される。この波形は、圧電素子（１９９２）を２ＭＨｚで共振させ、トランスデューサの表面から圧力波（図２、２１０）が送信される。圧力波（図２、２１０）は、撮像されるターゲット臓器から反射され得る。反射圧力波は、圧電素子（１９９２）に当たり、圧電素子（１９９２）は、ここでは信号受信機に接続されている。圧力波は、圧電素子（１９９２）において、圧電層（１９８０−１、１９８０−２）によって電荷に変換することができる。この電荷は、増幅器及びフィルタによって信号処理し、最終的にＡ／Ｄ変換器（図１９Ｄに図示せず）によってデジタル化することができ、それに続いてデジタルデシメータが使用され、データは、最終的にＦＰＧＡ又はグラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）にインタフェースされる。次いで、複数の圧電素子からのこれらの処理信号を画像に再構築することができる。また、送信ドライバを駆動する信号波形は、周波数変動信号、位相変動信号又は他の複雑な符号化信号（チャープ又はゴレイコードなど）でもあり得る。
【０１０１】
[00124]  一例では、トランスデューサは、広帯域幅マルチモーダルデバイスであり得、膜は、広帯域に広がる、ある数の異なる周波数で同時に振動することができ、従って広帯域幅トランスデューサがもたらされる。この動作は、送信モードと受信モードとの両方で有効である。
【０１０２】
[00125]  圧電素子は、複数の振動モードを呈することができるが、いくつかの例では、入力刺激が、隣接するモードの周波数未満に帯域制限されるとき、１つのみの振動モードがトリガされる。さらに、第１の振動モードから生成された周波数は、第２の振動モードからのものと重複するように設計することができる。なおもさらに、いくつかの例では、中心周波数を含む広帯域周波数入力によって駆動されるとき、同時に複数の振動モードである。
【０１０３】
[00126]  図１９Ｅは、本明細書で説明される原理の例による圧電素子（１９９８）の概略図である。描写されるように、圧電素子（１９９８）は、２つのサブ素子（１９０１−１、１９０１−２）を含み得る。各サブ素子（１９０１）は、２端子素子であり得、すなわち１つの上部電極（１９０３−１、１９０３−２）、１つの下部電極（１９０５−１、１９０５−２）及び１つの圧電層（１９０７−１、１９０７−２）を有し得る。第１のサブ素子（１９０１−１）の上部電極（１９０３−１）は、共通の導体（１９０９）によって第２のサブ素子（１９０１−２）の上部電極（１９０３−２）に電気的に接続することができ、第１のサブ素子（１９０１−１）の下部電極（１９０５−１）は、共通の導体（１９１１）によって第２のサブ素子（１９０１−２）の下部電極に電気的に接続することができる。いくつかの例では、圧電素子（１９９８）を１つの膜上に配置することも、各サブ素子を別個の膜上に配置することもできる。
【０１０４】
[00127]  いくつかの例では、サブ素子（１９０１−１、１９０１−２）は、異なる中心周波数を有し得、単一の複合素子として共に動作するとき、より広い帯域幅を呈し、依然として２端子素子として動作することができる。この広帯域幅性能は、図１９Ｄに示される構造を使用して達成することもでき、二重偏波技法を使用して感度を増加させることもできることに留意されたい。
【０１０５】
[00128]  図１９Ｆは、本明細書で説明される原理の例による圧電素子（１９１３）の概略図である。図１９Ｇは、本明細書で説明される原理の例による圧電素子（１９１３）の底面図を示す。描写されるように、圧電素子（１９１３）は、上部電極（１９１５）と、第１の下部電極（１９２１−１）と、第２の下部電極（１９２１−２）と、上部電極と下部電極との間に配置された圧電層（１９１７）と、上部及び下部電極（１９１５）、（１９２１−１）、（１９２１−２）にそれぞれ電気的に結合された３つの導体（１９１９−１）、（１９１９−２）、（１９１９−３）とを含み得る。図１９Ｆで描写される例では、第１及び第２の下部電極の各々は、円環形の形状を有し、第２の下部電極（１９２１−２）は、第１の下部電極（１９２１−１）を取り囲む。
【０１０６】
[00129]  図１９Ｈは、本明細書で説明される原理の例による図１９Ｆの圧電素子（１９２３）の断面図である。描写されるように、圧電素子（１９２３）は、横動作モードを利用することができ、基板（１９２５）と、一方の端部が基板に固定された膜（１９２７）と、導体（１９３１）に電気的に結合された下部電極（１９２９）と、圧電層（１９３３）と、導体（１９３７）に電気的に結合された上部電極（１９３５）とを含む。膜（１９２７）は、一方の端部を基板（１９２５）に固定し、矢印によって示されるように横モードで振動することができる（すなわち、圧電素子は、横モードで動作することができる）。膜（１９２７）は、その両側を支持することができ、簡単にするため、図１９Ｈには左側のみが示されている。
【０１０７】
[00130]  圧電素子（１９２３）は、適切ないかなる数の上部電極も有し得ることに留意されたい。また、膜（１９２７）上に２つ以上の圧電素子を設置できることにも留意されたい。さらに、基板（１９２５）及び膜（１９２７）は、１つのモノリシックボディで形成することができ、膜は、基板をエッチングすることによって形成されることに留意されたい。
【０１０８】
[00131]  図２０は、本明細書で説明される原理の別の例による圧電素子（２０００）の概略図である。描写されるように、電極（２０８２）は、圧電層（２０８０）の上面に配置し、電気回路に接続することができる導体（２０８４−１）に電気的に接続することができる。他の導体（２０８４−２）、（２０８４−３）、（２０８４−４）は、それぞれ下部電極（２０７８−１）、（２０７８−２）、（２０７８−３）に接続することができる。電極（２０７８−１）、（２０７８−２）、（２０７８−３）は、圧電層（２０８０）の下面に配置することができる。いくつかの例では、圧電素子（２０００）は、１つの膜又は３つの別個の膜上に配置することができる。
【０１０９】
[00132]  図２１〜２５は、本明細書で説明される原理の例による圧電素子の製作を示す。図２１は、膜（２１７４）の上面図を示し、膜（２１７４）の形成は、基板（２１７２）上に膜層（２１７０）を形成し、基板（２１７２）に空洞（２１７６）を形成することによって行うことができる。図２２は、線Ｃ−Ｃに沿って取られた図２１の構造の断面図を示す。いくつかの例では、膜（２１７４）は、適切なウェーハ処理技法によって堆積させることができる。
【０１１０】
[00133]  図２３は、本明細書で説明される原理の例による、膜層（２１７０）上に形成された層構造の上面図を示し、図２４は、線Ｄ−Ｄに沿って取られた図２３の層構造の断面図を示す。描写されるように、３つの上部電極（２３８２−１、２３８２−２、２３８２−３）、圧電層（２３８０）及び下部電極（２４７８）は、膜層（２１７０）上に形成することができる。上部電極（２３８２−１、２３８２−２、２３８２−３）、圧電層（２３８０）及び下部電極（２４７８）は、適切なウェーハ処理技法（蒸着、スパッタリング、パターニングなど）によって堆積させることができる。
【０１１１】
[00134]  図２５は、本明細書で説明される原理の例による圧電素子（２５００）の上面図を示す。描写されるように、３つの導体（２５８４−１）、（２５８４−２）、（２５８４−３）は、それぞれ電極（２３８２−１）、（２３８２−２）、（２３８２−３）に電気的に結合することができる。また、導体（２５１９−１）及び（２５１９−２）は、１つ又は複数のビア（２５２５）を通して下部電極（２４７８）に電気的に結合することができる。いくつかの例では、送信駆動及び受信検知は、ビア（２５２５）及び導体（２５１９−１、２５１９−２）を通して電子機器を下部電極（２４７８）に接続することによって実行される。導体（２５８４−１、２５８４−２、２５８４−３）の各々は、接地するか又はＤＣバイアス電圧に接続することができる。導体（２５８４−２）は、接地するか又は第１のＤＣバイアス電圧に接続することができ、導体（２５８４−１）及び（２５８４−３）は、接地するか又は第２のＤＣバイアス電圧に接続することができる。
【０１１２】
[00135]  要約すると、本明細書は、画素別に制御電子機器に接続され、ポータブルハウジングに収容されたｐＭＵＴベースのトランスデューサに依存する撮像デバイスについて説明する。撮像デバイスは、撮像デバイスにおける電力消費及び温度を能動的に制御するために、リアルタイムでのシステムコンフィギュアビリティ及び適応性を可能にする。これは、１）チャネルの数を変更することにより、及び／又は２）撮像デバイス内の温度が仕様限度を超えないようにそれらのチャネルにおける電力散逸を能動的に制御することにより、撮像デバイス内の電力散逸を最小限に抑えることによって行われる。これは、すべて他の場合に可能であろうよりも優れた性能を達成しながら行われる。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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【図１９Ｆ】
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【図１９Ｇ】
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【図１９Ｈ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年3月19日(2021.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスデューサのアレイであって、各トランスデューサは、
圧電素子のアレイを含み、
半導体ウェーハ基板上に製作され、及び
前記圧電素子に極めて接近して検知、駆動及び制御回路に接続されて、
撮像される対象物に向かって圧力波を送信することと、
撮像される前記対象物からの前記圧力波の反射を受信することと
を行う、トランスデューサのアレイと、
前記圧力波を生成するための、１つ又は複数の圧電素子あたりの送信チャネルと、
前記圧力波の前記反射を処理するための、１つ又は複数の圧電素子あたりの受信チャネルと
を含む撮像デバイスであって、チャネルの数は、選択的に変更される、撮像デバイス。
【請求項２】
各トランスデューサは、前記検知、駆動及び制御回路の１００マイクロメートル（ｕｍ）以内にある、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項３】
前記検知、駆動及び制御回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の一部を形成し、及び
前記ＡＳＩＣは、前記圧電素子が懸架される前記ウェーハ基板に極めて接近して配置される、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項４】
各圧電素子は、複数の振動モードを呈し、及び
１つのみの振動モードは、入力刺激が、隣接するモードの周波数未満に帯域制限されるときにトリガされる、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項５】
各圧電素子は、複数の振動モードを呈し、及び
第１の振動モードから生成された周波数は、第２の振動モードからのものと重複する、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項６】
各素子は、中心周波数を含む広帯域周波数入力によって駆動されるとき、複数の振動モードを同時に呈する、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項７】
各圧電素子は、基板上に形成され、且つ
前記基板から懸架された膜と、
前記膜上に配置された下部電極と、
前記下部電極上に配置された圧電層と、
前記圧電層上に配置された第１の電極と
を含み、及び
各圧電素子は、前記圧電素子の異なる領域における第２の偏波方向と比べて異なる第１の偏波方向を有する領域で構成される、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項８】
各膜は、複数の振動モードを呈する、請求項７に記載の撮像デバイス。
【請求項９】
受信チャネルは、少なくとも１つの低雑音増幅器（ＬＮＡ）を含み、
前記ＬＮＡの入力換算雑音は、電気的にプログラム可能であり、及び
より低い雑音レベルは、より高い電力消費レベルに対応する、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１０】
ＬＮＡ電力レベルは、撮像セッション中にリアルタイムで調整される、請求項９に記載の撮像デバイス。
【請求項１１】
選択的に変更される前記数のチャネルは、パワーダウンされるか又は低電力状態に設定される送信チャネルである、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１２】
前記数のチャネルは、低解像度撮像モード中にパワーダウンされるか又は低電力状態に設定される、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１３】
撮像セッションは、低解像度モード及び高解像度モードを含み、及び
前記高解像度モードは、前記低解像度モードより多くのチャネルを使用する、請求項１２に記載の撮像デバイス。
【請求項１４】
すべての受信チャネルは、走査線形成期間の部分にわたってパワーダウンされるか又は低電力状態に設定される、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１５】
並列ビーム形成を使用して、より多くの走査線は、１秒あたりのフレームを増加させるために作成され、及び
前記走査線の部分について、前記受信チャネルは、低電力状態に置かれるか又はパワーダウンされ、所望の１秒あたりのフレームレートのための総電力消費を低下させる、請求項１４に記載の撮像デバイス。
【請求項１６】
前記走査線形成期間の前記部分は、反射圧力波が、撮像される前記対象物の視野の内部にある部分である、請求項１４に記載の撮像デバイス。
【請求項１７】
低減された数のチャネルが起動される低電力探索モード、及び
より多い数のチャネルが起動される高電力撮像モード
の少なくとも１つで動作する、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１８】
受信チャネルは、
少なくとも１つの低雑音増幅器と、
前記低雑音増幅器の出力を帯域制限するためのプログラマブルフィルタと、
アナログ−デジタル変換器と、
フィールドプログラマブルゲートアレイ、及び
グラフィクス処理ユニット
の回路の部分の少なくとも１つと
を含む、請求項１に記載の撮像デバイス。
【請求項１９】
特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に極めて接近して半導体ウェーハ上に構築され、且つ前記ＡＳＩＣに接続されて、
撮像される対象物に向かって圧力波を送信することと、
撮像される前記対象物からの前記圧力波の反射を受信することと
を行う、圧電素子のアレイと、
１つ又は複数の圧電素子に送信信号を送信するための、前記１つ又は複数の圧電素子あたりの送信チャネルと、
１つ又は複数の圧電素子から受信信号を受信するための、前記１つ又は複数の圧電素子あたりの受信チャネルであって、送信チャネルの数及び受信チャネルの数の少なくとも１つは、選択的に変更される、受信チャネルと、
チャネルの数を選択的に変更するためのコントローラと
を含む撮像デバイス。
【請求項２０】
撮像システムであって、
トランスデューサのアレイであって、各トランスデューサは、
特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に極めて接近して半導体ウェーハ上に構築され、且つ前記ＡＳＩＣに接続されて、
撮像される対象物に向かって圧力波を送信することと、
撮像される前記対象物からの前記圧力波の反射を受信することと
を行う、トランスデューサのアレイと、
１つ又は複数の圧電素子に送信信号を送信するための、前記１つ又は複数の圧電素子あたりの送信チャネルと、
１つ又は複数の圧電素子から受信信号を受信するための、前記１つ又は複数の圧電素子あたりの受信チャネルであって、送信チャネルの数及び受信チャネルの数の少なくとも１つは、選択的に変更される、受信チャネルと
を含む撮像デバイスと、
チャネルの数を選択的に変更するためのコントローラと、
前記対象物の画像を形成するために前記受信信号を処理するためのコンピューティングデバイスと、
前記画像の表示を生成するための表示デバイスと
を含む撮像システム。
【国際調査報告】
2022500094.tif 000035