(57)【要約】  マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スイッチ又はリレーがトランスジューサエレメントとモノリシック集積されたスイッチ可能なマイクロ加工トランスジューサアレイが開示される。ある実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、１つ以上のロジック、アドレッシング又はトランスジューサコントロール機能を実施するためにトランスジューサアレイと同じ基板に実施される。ある実施形態では、アレイの各トランスジューサエレメントは、アレイ内にエレメントレベルのアドレッシングを与えるために少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに結合された圧電エレメントである。ある実施形態では、トランスジューサに使用される同じ圧電材料がＭＥＭＳスイッチに使用される。【選択図】      図２Ａ
2016513408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスジューサ基板と、
前記トランスジューサ基板の第１エリアに配置された複数の圧電トランスジューサと、
前記複数のトランスジューサに結合された複数のＭＥＭＳスイッチであって、その状態が前記複数の個々のトランスジューサへのアクセスをコントロールするＭＥＭＳスイッチと、
を備えた圧電マイクロ加工トランスジューサ（ｐＭＵＴ）アレイ。
【請求項２】
前記ＭＥＭＳスイッチは、圧電、静電又は電磁スイッチング部材を含み、そして前記ＭＥＭＳスイッチは、前記トランスジューサ基板の第２アレイ上に配置される、請求項１に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項３】
前記アレイは、２次元（２Ｄ）アレイであり、前記複数のトランスジューサエレメントは、超音波周波数帯域内で共振し、そして前記ＭＥＭＳスイッチは、前記複数のトランスジューサと同じ圧電材料を使用する圧電部材を含む、請求項２に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項４】
前記ＭＥＭＳスイッチは、圧電材料を更に含む片持ち梁又は固定梁を備えた容量性スイッチである、請求項３に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項５】
前記複数のＭＥＭＳスイッチは、ドライブ／センス電極及び個々のトランスジューサエレメントの接地電極の少なくとも１つと直列に接続されたＭＥＭＳスイッチを含む、請求項３に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項６】
前記複数のＭＥＭＳスイッチは、個々のトランスジューサエレメントのドライブ／センス電極と直列に接続されたＭＥＭＳスイッチを含み、そのＭＥＭＳスイッチは、前記トランスジューサエレメントとドライブ／センスチャンネルとの間に配置され、ドライブ／センス電圧を選択的に通過させるように動作できる、請求項５に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項７】
前記アレイは、前記ＭＥＭＳスイッチにより第１のドライブ／センスチャンネルに選択的に結合されるドライブ／センス電極を有する複数のトランスジューサを備え、前記複数のＭＥＭＳスイッチの各々は、個々のトランスジューサを前記第１のドライブ／センスチャンネルに結合するように前記ＭＥＭＳスイッチの状態をコントロールする１つ以上のＭＥＭＳスイッチコントローラに結合される、請求項１に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項８】
前記アレイは、第１列のトランスジューサを更に備え、該第１列の各トランスジューサは、第１のＭＥＭＳスイッチの１つを通して第１のドライブ／センスチャンネルに結合され、そして前記第１のＭＥＭＳスイッチの状態は、第１の時間に第１列の第１のトランスジューサを第１のドライブ／センスチャンネルに結合する一方、第１列の他の全てのトランスジューサを第１のドライブ／センスチャンネルから減結合する、請求項７に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項９】
前記第１のＭＥＭＳスイッチの状態は、第２の時間に第１列の第２のトランスジューサを第１のドライブ／センスチャンネルに結合する一方、第１列の他の全てのトランスジューサを第１のドライブ／センスチャンネルから減結合する、請求項８に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項１０】
前記アレイは、第２列のトランスジューサを更に備えた２次元アレイであり、この第２列の個々のトランスジューサは、前記第１列の個々のトランスジューサと列に整列され、この第２列の各トランスジューサは、前記第２のＭＥＭＳスイッチのす句なくとも１つを通して第２のドライブ／センスチャンネルに結合され、そして前記第２のＭＥＭＳスイッチの状態は、第１の時間に前記第２列の第１のトランスジューサを第２のドライブ／センスチャンネルに結合しそして第２の時間に前記第２列の第２のトランスジューサを第２のドライブ／センスチャンネルに結合するように前記第１のＭＥＭＳスイッチの状態に一致する、請求項９に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項１１】
前記１つ以上のＭＥＭＳスイッチコントローラは、前記トランスジューサ基板の第３エリア上に配置された付加的なＭＥＭＳスイッチ、又はＣＭＯＳ基板上に配置されたＣＭＯＳトランジスタを更に含む、請求項７に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項１２】
前記ＭＥＭＳスイッチは、前記トランスジューサのドライブ／センス電極に接続されたサンプル・ホールド回路に接続される、請求項１に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項１３】
前記サンプル・ホールド回路は、前記トランスジューサ基板上に配置されたキャパシタを更に含む、請求項１２に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項１４】
前記サンプル・ホールド回路は、トランスジューサドライブ／センスチャンネルに接続された複数のＭＥＭＳスイッチを備え、各ＭＥＭＳスイッチは、チャンネル上の経時変化ドライブ／センス電圧のサンプルをキャパシタの１つに逐次記憶するように動作でき且つトランスジューサにおいて直接アナログビーム形成できるように容量性エレメントに更に結合される、請求項１２に記載のｐＭＵＴアレイ。
【請求項１５】
媒体に圧力波を発生し及び感知する装置において、
請求項１に記載のｐＭＵＴアレイと、
第１のドライブ／センスチャンネルに電気的ドライブ信号を与えるために前記ｐＭＵＴアレイに結合された１つ以上の信号ジェネレータと、
前記第１のドライブ／センスチャンネルから電気的応答信号を受信するために前記ｐＭＵＴアレイに結合された１つ以上の受信器と、
時間と共に異なる圧電トランスジューサを前記第１のドライブ／センスチャンネルに結合するために少なくとも第１の前記ＭＥＭＳスイッチに接続された１つ以上のスイッチコントローラと、
前記ドライブ／センスチャンネルから受信した複数の電気的応答信号を処理するために前記受信器に結合された少なくとも１つの信号プロセッサと、
を備えた装置。
【請求項１６】
前記ｐＭＵＴアレイは、前記第１のドライブ／センスチャンネルに結合された第１次元に沿った第１の複数のトランスジューサと、第２のドライブ／センスチャンネルに結合された第１次元に沿った第２の複数のトランスジューサとを伴う２次元アレイであり、前記第１及び第２の複数のトランスジューサは、少なくとも１つのスイッチコントローラとで第２次元に沿ったトランスジューサの行を形成し、複数のスイッチを同じ状態にセットして、同じ行の全てのトランスジューサを前記ドライブ／センスチャンネルに同時に結合する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記ジェネレータは、少なくとも第１のＭＥＭＳスイッチの第１の極に結合され、そしてＭＥＭＳスイッチを通して接続されたトランスジューサを１ＭＨｚと５０ＭＨｚとの間の周波数で共振させるように電気的ドライブ信号を印加する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
媒体に圧力波を発生し及び感知する方法において、
第１のＭＥＭＳスイッチを第１状態にセットする一方、第２のＭＥＭＳスイッチを第２の相補的な状態にセットすることにより、第１の期間中に、トランスジューサ基板上に配置された圧電マイクロ加工トランスジューサ（ｐＭＵＴ）アレイの第１のｐＭＵＴを第１のドライブ／センスチャンネルに結合し、
前記第１の期間の第１部分中に前記第１のドライブ／センスチャンネルに電気的ドライブ信号を印加し、
前記第１の期間の第２部分中に前記第１のドライブ／センスチャンネルから電気的応答信号を受信し、及び
第２のＭＥＭＳスイッチを第１状態にセットする一方、第１のＭＥＭＳスイッチを第２の相補的な状態にセットすることにより、第２の期間中に、前記アレイの第２のｐＭＵＴを第１のドライブ／センスチャンネルに結合する、
ことを含む方法。
【請求項１９】
前記第２の期間中に前記第１のドライブ／センスチャンネルに電気的ドライブ信号を再印加し、及び
前記第１のドライブ／センスから別の電気的応答信号を受信する、
ことを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記トランスジューサ基板上に配置された第３のＭＥＭＳスイッチを第１状態にセットすることにより、前記第１の期間の第１の部分中に前記アレイの第３のｐＭＵＴを第２のドライブ／センスチャンネルに結合し、
前記第１の期間の第１部分中に前記第２のドライブ／センスチャンネルに電気的ドライブ信号を印加し、及び
前記第１の期間の第２部分中に前記第２のドライブ／センスチャンネルから電気的応答信号を受信する、
ことを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１のＭＥＭＳスイッチをセットすることは、前記第１のｐＭＵＴを前記第１のドライブ／センスチャンネルに短絡又は容量性結合するに充分なほど前記ＭＥＭＳスイッチの圧電メンブレーンに結合された電極に電圧を印加することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のｐＭＵＴを前記第１のドライブ／センスチャンネルに結合することは、
前記第１のＭＥＭＳスイッチをその第１状態にセットすることにより前記第１のｐＭＵＴのドライブ／センス電極をキャパシタに結合し、及び
前記キャパシタを前記第１のドライブ／センスチャンネルに放電する、
ことを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
第１の期間中に前記第１のＭＥＭＳスイッチをその第１状態にセットし及び第２の期間中に前記第２のＭＥＭＳスイッチをその第１状態にセットすることは、前記アレイの第１次元をスキャンすることを含み、そして前記第１の期間の第１部分中に前記第２のドライブ／センスチャンネルに印加される電気的ドライブ信号又は前記第１の期間の第２部分中に前記第２のドライブ／センスチャンネルから受信される電気的応答信号の少なくとも一方は、第２次元に沿って前記アレイを整相するように前記第１のドライブ／センスチャンネル上の対応する電気的ドライブ又はセンス信号に対して時間遅延される、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、圧電トランスジューサのアレイに関するもので、より詳細には、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）スイッチ型２Ｄ圧電トランスジューサアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
トランスジューサアレイは多くの用途に利用される。例えば、１つの広範囲な用途は、インクジェット又は３Ｄプリンタのためのプリントヘッドである。又、トランスジューサアレイは、超音波画像形成にも利用される。トランスジューサアレイは、容量性又は圧電トランスジューサエレメントをしばしば使用している。一般的に、圧電トランスジューサエレメントは、経時変化する駆動電圧に応答して機械的にそりを生じる圧電メンブレーンを含む。プリントヘッドの場合、メンブレーンは、インク又は他の流体を制御可能に排出するように駆動され、超音波圧電トランスジューサ装置の場合、メンブレーンは、トランスジューサエレメントの露出外面に接触する伝播媒体（例えば、空気、水又は本体組織）に高周波圧力波を発生するように駆動される。この高周波圧力波は、他の媒体へ伝播することができる。又、同じ圧電メンブレーンは、伝播媒体から反射圧力波を受け取って、その受け取った圧力波を電気信号に変換することもできる。この電気信号は、駆動電圧信号に関連して処理されて、伝播媒体における密度又は弾性係数の変化に関する情報を得ることができる。
【０００３】
圧電メンブレーンを使用する多数のトランスジューサ装置は、バルク圧電材料を機械的にダイシングするか又は圧電セラミック結晶を導入したキャリア材料を射出成形することにより形成されるが、種々のマイクロ加工技術（例えば、材料堆積、リソグラフィックパターン化、エッチングによる特徴部形成、等）を使用して、圧電マイクロ加工トランスジューサ（ｐＭＵＴ）と一般に称され、より詳細には、超音波変換のために構成されるときには圧電マイクロ加工超音波トランスジューサ（ｐＭＵＴ）と称される装置を、好都合にも、非常に高い寸法公差で安価に製造することができる。
【０００４】
ｎ個のチャンネルが設けられ、そしてｎ個のチャンネルの各々がｍ個のｐＭＵＴ装置を単一ポピュレーションとしてアドレスする一次元（１Ｄ）ｐＭＵＴアレイが一般的に使用される。アレイの動作中に、ｎ個のチャンネルの所与の１つがドライブ又はセンスモードにあり、ｍ個のｐＭＵＴ装置に電気的に並列に結合されたチャンネルに電位が印加されるか又はそこから感知される。次いで、時間遅延スキャニングのようなマルチプレクス技術を通して１Ｄアレイのｎ個のチャンネルへの信号／そこからの信号が得られる。
【０００５】
図１Ａは、基板１０１の第１の次元ｘ及び第２の次元ｙにより画成されたエリアに配置された複数のチャンネル１１０、１２０、１３０、１４０を有する１Ｄアレイ１００を示す。チャンネルの各々（例えば、１１０）は、他のドライブ／センスチャンネル（例えば、１２０又は１３０）とは独立したｎ個のチャンネルの１つとして電気的にアドレス可能であり、ドライブ／センスチャンネルは、エレメント１１０Ａ、１１０Ｂ、・・・１１０Ｌの各々をアドレスする。ドライブ／センスチャンネルルートの下の平面には、典型的に、基準（例えば、接地）電極レールも見られる。ドライブ／センスチャンネル１１０、１２０は、１Ｄアレイ１００における繰り返しセルを表し、第１のドライブ／センスチャンネル１１０は第１のバス１２７に結合され、そしてその隣接ドライブ／センスチャンネル１２０は第２のバス１２８に結合されて、櫛型フィンガー構造体を形成する。ドライブ／センスチャンネル１３０、１４０は、付加的なセルが任意のサイズ（例えば、１２８チャンネル、２５６チャンネル、等）の１Ｄ電極アレイを形成する櫛型ユニット構造体を繰り返す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
完全にアドレス可能な２次元（２Ｄ）圧電アレイは、１Ｄアレイに勝る多数の技術的効果を発揮する。例えば、超音波画像に関しては、３次元（３Ｄ）画像形成が可能となる。トランスジューサエレメントレベルのアドレスにより与えられる付加的な自由度から生じる機能改善も、印刷及び多数の他の観点で好都合である。しかしながら、２Ｄアレイ内の個々のｐＭＵＴ装置をアドレスすることは、技術的に課題がある。というのは、膨大な数のチャンネルが急速に増大して、アレイのｐＭＵＴ装置（例えば、プリントヘッド、超音波トランスジューサヘッド、等）と、しばしばトランスジューサ基板とは別にＣＭＯＳで実施される電気的コントロール／サンプリング回路との間に複雑な装置相互接続及び多層の可撓性アッセンブリを要求するからである。そのようなアーキテクチャーの一例として、図１Ｂは、基板１０１上に配置され且つ基板１０１からＡＳＩＣ（ＣＭＯＳ）コントローラ１１２へと延びる可撓性ケーブルで結合された１Ｄ  ｐＭＵＴアレイ１００の断面側面図である。そのようなアーキテクチャーでは、ｐＭＵＴ装置アレイの複雑さ及びトランスジューサエレメントのコントロール量が増加すると、アレイ基板とは別に著しいオーバーヘッドを被る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
スイッチ型マイクロ加工トランスジューサアレイについてここに説明する。一実施形態では、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スイッチ又はリレーがトランスジューサエレメントと一体化される。ＭＥＭＳスイッチは、例えば、パスゲートのような直列スイッチであるか、又はシャントスイッチである。ある実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、トランスジューサアレイと同じ基板で実施されるか、又はトランスジューサアレイの基板に接合された個別の基板で実施されて、１つ以上のロジックゲート、シフトレジスタ、トランスジューサコントロール、又はトランスジューサエレメントアドレス機能を実施するものであって、そのような全ての機能を、相互接続を経てトランスジューサアレイ基板に結合されたＣＭＯＳ  ＡＳＩＣへ移管するものではない。ある実施形態では、アレイの各トランスジューサエレメントは、アレイ内でエレメントレベルのアドレッシングを行うように少なくとも１つのＭＥＭＳに結合された圧電エレメントである。ある実施形態では、ＭＥＭＳスイッチは、トランスジューサに使用される同じ圧電材料を使用する。別の実施形態では、ＭＥＭＳスイッチは、容量性、静電的又は電磁的あり、一方、トランスジューサは、容量性又は圧電式である。
【０００８】
１つ以上のＭＥＭＳスイッチに結合されたスイッチコントローラは、ＭＥＭＳスイッチの１つ以上を作動して、センス及び／又はドライブ回路を所与の時間にアレイ内の所与の圧電トランスジューサエレメント又はそれらエレメントのサブセットに結合する。ある実施形態では、所与のチャンネルに対応するトランスジューサエレメント又は複数のエレメントにはサンプル・ホールド回路が更に結合され、これは、ＭＥＭＳスイッチを使用して、ＡＳＩＣの上流で出力信号を事前コンディショニングするのに適したサンプル・ホールド機能を達成する。１つのそのような実施形態では、サンプル・ホールド回路は、トランスジューサアレイと同じ基板に実施されるキャパシタを含む。
【０００９】
ある実施形態において、マイクロ加工型トランスジューサアレイは、個々のトランスジューサエレメントに結合されたＭＥＭＳスイッチを使用して、特定行のトランスジューサエレメントにアクセスする一方、列センス／ドライブ回路を所与の時間に特定列のトランスジューサエレメントに結合して、エレメントレベルでマルチプレクシングを与える２Ｄアレイである。そのような実施形態では、マイクロ加工型トランスジューサアレイのラスタスキャニングは、２Ｄアレイにおけるｎ列のトランスジューサエレメントを通してスキャニングする一方、ｍ行のＭＥＭＳスイッチを通してスキャニングして、１つのトランスジューサエレメントを所与の時間にセンス及び／又はドライブ回路に結合することにより達成される。従って、トランスジューサ基板回路と、個別の基板上にＣＭＯＳで実施されるコントロール及びドライブ／センス回路との間の相互接続は、ｍ×ｎチャンネル相互接続（又は方形アレイの場合にはｎ2）からｍ＋ｎチャンネル相互接続（又は方形アレイの場合には２ｎ）へ減少することができる。更に別の実施形態では、複雑な製造技術を伴わずにトランスジューサアレイと同じ基板上に実施されるより複雑なロジックゲート機能を与えるように、非常に多数のＭＥＭＳスイッチが使用される。そのようなロジックゲート機能は、例えば、セレクト信号に基づいてｍ個のトランスジューサ行の１つを入力電圧に接続するようにｍチャンネルデマルチプレクシング行セレクタを実施するか、又はアレイにおける１つ以上のトランスジューサエレメントの加算、累算、遅延サンプリング、等を可能にするシフトレジスタによりコントロール可能なパスゲートを実施する。
【００１０】
ある実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ可能なＰＭＵＴアレイは、特に、ＭＥＭＳスイッチ可能な圧電マイクロ加工型超音波トランスジューサ（ｐＭＵＴ）アレイである。更に別の実施形態は、そのようなＭＥＭＳスイッチ可能なスイッチｐＭＵＴアレイを備えた超音波画像形成システムを含む。
【００１１】
本発明の実施形態は、添付図面に一例として示すが、それに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】一括でトランスジューサエレメントをアクセスする従来の１Ｄ  ｐＭＵＴアレイの平面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示され且つ可撓性ケーブルによりコントローラＡＳＩＣに結合された１Ｄ  ｐＭＵＴアレイを伴う基板の断面側面図である。
【図１Ｃ】ある実施形態により、同じ基板上でＭＥＭＳスイッチと一体化され且つ可撓性ケーブルでコントローラＡＳＩＣに結合されたｐＭＵＴアレイの断面側面図である。
【図１Ｄ】ある実施形態により、ｐＭＵＴアレイを伴う第１の基板を、ＭＥＭＳスイッチを伴う第２の基板に接合して、可撓性ケーブルによりコントローラＡＳＩＣに結合された３Ｄ一体化装置を形成する断面側面図である。
【図１Ｅ】ｐＭＵＴアレイを伴う第１の基板を、ＭＥＭＳスイッチを伴う第２の基板に接合し、これをＣＭＯＳ基板に接合して、完全に一体化されたｐＭＵＴ装置を形成する断面側面図である。
【図２Ａ】一実施形態によるＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴの回路図である。
【図２Ｂ】一実施形態による一体型サンプル・ホールド回路を含むＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴの回路図である。
【図３Ａ】一実施形態によるＭＥＭＳスイッチ可能な１Ｄ  ｐＭＵＴアレイの回路図である。
【図３Ｂ】一実施形態により、図３ＡのＭＥＭＳスイッチ可能な１Ｄ  ｐＭＵＴアレイを、タイミング図に従って時間と共に異なるスイッチ状態で示す回路図である。
【図４Ａ】一実施形態によるＭＥＭＳスイッチ可能な２Ｄ  ｐＭＵＴアレイの回路図である。
【図４Ｂ】一実施形態によるＭＥＭＳスイッチ可能な２Ｄ  ｐＭＵＴアレイの回路図である。
【図４Ｃ】一実施形態による一体型サンプル・ホールド回路を含むＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴの回路図である。
【図５Ａ】ある実施形態により、ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイに１つ以上が使用される圧電トランスジューサエレメントの断面図である。
【図５Ｂ】ある実施形態により、ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイに１つ以上が使用される圧電トランスジューサエレメントの断面図である。
【図５Ｃ】ある実施形態により、ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイに１つ以上が使用される圧電トランスジューサエレメントの断面図である。
【図６】一実施形態により、ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイに使用される圧電ＭＥＭＳスイッチエレメントの断面図である。
【図７Ａ】一実施形態により、２Ｄアレイのトランスジューサエレメントを独立してアドレスする方法を示すフローチャートである。
【図７Ｂ】一実施形態により、２Ｄアレイのトランスジューサエレメントを独立してアドレスする方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態によるマイクロ加工型圧電アレイを使用するプリントヘッドの機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の説明では、多数の細部について述べる。しかしながら、当業者であれば、本発明は、これら特定の細部を伴わずに実施できることが明らかであろう。ある場合には、良く知られた方法及び装置は、本発明を不明瞭にしないために、詳細にではなく、ブロック図の形態で示されている。本明細書全体にわたり「一実施形態」又は「１つの実施形態」とは、その実施形態に関して述べる特定の特徴、構造、機能、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書の種々の場所に「一実施形態」という句が出現したときには、必ずしも、本発明の同じ実施形態を指していない。更に、特定の特徴、構造、機能、又は特性は、１つ以上の実施形態において適当な仕方で組み合わせることができる。
【００１４】
用語「結合」及び「接続」並びにそこから派生する語は、ここでは、コンポーネント間の構造的関係を述べるのに使用される。これらの用語は、互いに同義語として意図されないことを理解されたい。むしろ、特定の実施形態では、「接続」とは、２つ以上のエレメントが互いに直接物理的又は電気的に接触することを指示するのに使用される。「結合」とは、２つ以上のエレメントが互いに直接的又は間接的（それらの間に他の介在するエレメントを伴う）に物理的又は電気的に接触すること、及び／又は２つ以上のエレメントが互いに協働又は相互作用する（例えば、原因と結果の関係のような）ことを示すのに使用される。
【００１５】
スイッチ可能なトランスジューサエレメントを含むスイッチ型マイクロ加工のトランスジューサアレイがここに説明される。ある実施形態において、ＭＥＭＳスイッチがアレイのトランスジューサエレメントと一体化される。１つの規範的実施形態では、１つ以上のＭＥＭＳスイッチを使用して、完全にアドレス可能な２Ｄトランスジューサアレイが提供される。ＭＥＭＳスイッチは、トランスジューサアレイとドライブ／センス回路との間に結合されたドライブ／センスチャンネルをマルチプレクスするように更に一体化され、それにより、トランスジューサアレイのための相互接続ルート需要を減少することができ、且つアレイがドライブ／センス回路とは個別の基板上に製造される場合には、ケーブルアッセンブリの帯域巾を、スイッチ可能なトランスジューサエレメントのない非マルチプレクス実施に対して減少することができる。図１Ｃは、基板１０１の断面側面図であり、そのｐＭＵＴアレイは、ある実施形態により、基板１０１上でＭＥＭＳスイッチ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｎと一体化されたトランスジューサエレメント１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｎを含み、基板１０１は、次いで、可撓性ケーブルによりコントローラＡＳＩＣ２１２に結合される。そのような実施形態では、ＡＳＩＣ２１２は、トランスジューサエレメント１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｎの超音波ドライブ及びセンスモードに関連した信号を送信及び受信すると共に、ＭＥＭＳスイッチ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｎの切り換えを更にコントロールするように動作することができる。
【００１６】
ある実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、３Ｄ一体化技術によりｐＭＵＴアレイと一体化される。そのような実施形態では、ＭＥＭＳスイッチを伴う基板は、ｐＭＵＴアレイを伴う基板に、ウェハレベル又はチップレベルのいずれかで、物理的に接合されるか、さもなければ、固定される。図１Ｄは、ある実施形態により、トランスジューサエレメント１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｎを含むｐＭＵＴアレイを伴う第１の基板１０１が、ＭＥＭＳスイッチ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｎを有する第２の基板１５０に接合されて、３Ｄ一体化装置を形成し、これが、次いで、可撓性ケーブルによりコントローラＡＳＩＣ２１２に結合される構成の断面側面図である。そのような実施形態では、既知のボンディング技術（例えば、共融層１５５、等）が利用される。
【００１７】
ある実施形態において、ＭＥＭＳスイッチは、３Ｄ一体化技術によりｐＭＵＴアレイ及びＣＭＯＳロジックと一体化される。そのような実施形態では、ＭＥＭＳスイッチを伴う基板は、ｐＭＵＴアレイを伴う基板に物理的に固定され、これは、トランジスタ２９９を含むＣＭＯＳ回路が配置される基板に更に固定される。図１Ｅは、トランスジューサエレメント１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｎを含むｐＭＵＴアレイを伴う第１の基板１０１が、ＭＥＭＳスイッチ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｎを有する第２の基板１５０に接合され、そして第３の基板１８０に接合されて、３Ｄ一体化装置を形成し、これが、次いで、パッケージされる構成の断面側面図である。そのような高度に一体化された実施形態では、パッケージされた装置への可撓性ケーブル接続の複雑さを著しく低減できる。又、ここでは、既知の３Ｄスタック技術（例えば、共融層１５５、蓄積層１７５、等）を使用することもできる。
【００１８】
一般的に、ここに述べるスイッチ型マイクロ加工のトランスジューサアレイは、容量性及び圧電性原理を含む（これに限定されないが）既知のトランスジューサ技術を前提とする。規範的実施形態では、ＭＥＭＳスイッチは、アレイ内のトランスジューサエレメントの１つ以上の選択を行うためにトランスジューサアレイと同じ変換原理に依存する。例えば、トランスジューサアレイが容量性トランスジューサエレメントを使用する場合には、一体型ＭＥＭＳスイッチが容量性コントロールのスイッチングエレメントを使用し、そして圧電性トランスジューサアレイでは、一体型ＭＥＭＳスイッチが圧電性スイッチングエレメントを使用する。特に、ＭＥＭＳスイッチとトランスジューサとの間に同じ変換原理が共有される場合でも、ＭＥＭＳスイッチの共振周波数は、トランスジューサエレメントとは著しく異なる（例えば、著しく高いか又は低い）。又、ＭＥＭＳスイッチとトランスジューサとの間の共通の変換原理は、ＭＥＭＳスイッチを所与のトランスジューサ製造プロセスに最も直接的に一体化する観点から好都合であるが、ＭＥＭＳスイッチ及びトランスジューサが異なる変換原理に依存する（例えば、容量性ＭＥＭＳスイッチが圧電性トランスジューサと一体化される、等）別の実施形態も考えられる。同様に、詳細な説明は、主として、圧電トランスジューサアレイに関して行うが、一部分は、競合する技術に勝る技術的効果のために（例えば、圧電トランスジューサは、現在、容量性トランスジューサより感度が高い）、且つ一部分は、説明の明瞭化のために、当業者であれば、ここに述べる原理は、他の既知の変換技術（例えば、容量性、電磁、等）にも容易に適用できることが明らかであろう。
【００１９】
ある実施形態において、マイクロ加工のトランスジューサアレイは、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ可能な圧電マイクロ加工トランスジューサ（ｐＭＵＴ）エレメントを備えている。図２Ａは、一実施形態によるＭＥＭＳスイッチ可能なＰＭＵＴ２０１の回路図である。圧電メンブレーン２１０を含むトランスジューサエレメントは、基準電極２１１を経て、接地のような基準電位に結合される。圧電メンブレーン２１０は、広い周波数帯域内のどこかに基本的なリソースを有するが、規範的実施形態では、設計及び用途に基づき、圧電メンブレーン２１０は、超音波帯域（例えば、１００ｋＨｚ−１００ＭＨｚ及びより詳細には、１ＭＨｚ−５０ＭＨｚ）に共振を有し、ｐＭＵＴ２０１が圧電マイクロ加工の超音波トランスジューサ（ｐＭＵＴ）となるようにする。
【００２０】
圧電メンブレーン２１０は、更に、ドライブ／センス電極２２１に結合される。ある実施形態において、基準電極及びドライブ／センス電極の少なくとも一方は、圧電メンブレーン２１０が配置される同じ基板上に実施されるＭＥＭＳスイッチの極に結合される。換言すれば、ＭＥＭＳスイッチ２４５は、トランスジューサ基板にモノリシック集積される。例えば、図２Ａに示すように、ドライブ／センス電極２２１は、ＭＥＭＳスイッチ２４５の第１の極に結合され、一方、ＭＥＭＳスイッチ２４５の第２の極は、ドライブ／センスチャンネル２２７に結合される。そのような構成では、ＭＥＭＳスイッチ２４５は、ドライブ／センス電極２２１とドライブ／センスチャンネル２２７との間に経時変化センス又はドライブ電圧信号をスイッチ可能に通過させるように動作できる。ＭＥＭＳスイッチは、直列構成又はシャント構成で構成される。例えば、別の実施形態では、ＭＥＭＳスイッチは、基準電極電位をスイッチ可能に浮動させるために基準電極２１１と基準電位との間に配置される。
【００２１】
一般的に、ＭＥＭＳスイッチ２４５は、少なくともその電気機械構成に基づいて常閉（ＮＣ）又は常開（ＮＯ）となるスイッチング部材又はスローを含む。この実施形態に基づき、静電気、圧電及び電磁技術のいずれかを使用して、ＭＥＭＳスイッチ２４５のスイッチング部材の横偏向又は縦偏向を得ることができる。又、この実施形態に基づき、ＭＥＭＳスイッチ２４５のスイッチング周波数は、ＭＥＭＳスイッチ機能の関数として広く変化し得る。１つの実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２４５は、作動時間がマイクロ秒又はそれより良好なＲＦ又はマイクロ波ＭＥＭＳスイッチである。ＭＥＭＳスイッチ２４５は、トランスジューサエレメントの帯域巾内の全ての周波数を容量性結合するのに充分なほどキャパシタンスが小さい容量性のものである。容量性スイッチの実施形態は、動作の弾力性、製造性、等に関してオーミックＭＥＭＳスイッチの実施形態に勝る効果を有する。それでも、ＭＥＭＳスイッチ２４５は、閉じた状態で金属対金属接触をなすオーミックスイッチとして実施されてもよい。容量性又はオーミックのいずれのスイッチ実施形態でも、ＭＥＭＳスイッチ２４５は、切り換えられた極間の導電性経路にスイッチ開状態の大きなインピーダンスからスイッチ閉状態の小さなインピーダンス（例えば、短絡）までの変化を受けさせる。オーミック接触に基づくＭＥＭＳスイッチは、非ゼロＤＣ値をもつ高電圧パルスが送信されるトランスジューサ「ドライブ」モードに対して好都合である。
【００２２】
図２Ａに更に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２４５は、コントローラ２６０に結合される。コントローラ２６０は、例えば、ＭＥＭＳスイッチ２４５の状態を時間の関数として変化させるに充分な大きさ（例えば、１Ｖ−１００Ｖ）の電圧ステップを伴うコントロール信号２６５を与える（例えば、図２Ａに示すスイッチにより通過される周波数より低いスイッチング周波数、又は図２Ｂに示すように通過される周波数より高いスイッチング周波数において）。第１の実施形態では、コントローラ２６０は、例えば、コントロールされた高電圧源に更に結合される付加的なＭＥＭＳスイッチで実施されるロジックゲートを更に備えている。そのような実施形態では、コントローラ２６０は、ＭＥＭＳスイッチ２４５と共に、トランスジューサ基板にモノリシック集積される。第２の実施形態では、コントローラ２６０は、トランスジューサ基板から離れて、例えば、ＣＭＯＳ  ＡＳＩＣにおいて実施される。
【００２３】
更に別の実施形態では、ＭＥＭＳスイッチは、サンプル・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路と一体化される。電気技術では多数のサンプル・ホールド回路が知られているが、典型的な実施としては、少なくとも１つのスイッチ及び少なくとも１つのキャパシタが含まれる。図２Ｂは、ＭＥＭＳスイッチ２４５がサンプル・ホールド回路の一部分を形成する実施形態に基づき、一体化されたサンプル・ホールド回路を含むＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴ２０２の回路図である。ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴ２０２では、キャパシタ２７０は、ドライブ／センスチャンネル２２７を基準（接地）電位に結合し、そしてＭＥＭＳスイッチ２４５が開状態にセットされてセンス／ドライブ電極２１１をセンス／ドライブチャンネル２２７から切り離した後に圧電センス／ドライブ電極２１１からサンプルされる基準電位を保持する。ある実施形態に基づいて、キャパシタ２７０は、例えば、トランスジューサ基板にモノリシック集積される金属・絶縁体・金属（ＭＩＭ）構造であるか、或いはトランスジューサ基板から離れてＡＳＩＣに一体化されたＭＯＳキャパシタ、ＭＩＭ、等である。その後、例えば、ＣＭＯＳ  ＡＳＩＣにおいて実施される１つ以上のバッファ又はドライバの助けで、チャンネル２２７の読み出しが遂行される。キャパシタ２７０とチャンネル２２７との間に接続された第２のＭＥＭＳスイッチ（図示せず）も、各トランスジューサエレメントに結合される。サンプル・ホールド回路では、ＭＥＭＳスイッチ２４５は、充分なスイッチング速度である場合には、単一のトランスジューサエレメントへのスイッチ可能なアクセスをイネーブルするのに加えて、トランスジューサにより出力される経時変化アナログ電圧波形のサンプリングを容易にする。
【００２４】
ある実施形態において、トランスジューサアレイは、複数のＭＥＭＳスイッチと一体化され、ＭＥＭＳスイッチの状態は、個々のトランスジューサエレメントへのアクセスをコントロールする。図３Ａは、一実施形態によるＭＥＭＳスイッチ可能な１Ｄ  ｐＭＵＴアレイ３０１の回路図である。図示されたように、直線的な列アレイを形成する複数の圧電メンブレーン２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｍは、基準接地電位に全て結合された基準電極２１１を有し、一方、各ドライブ／センス電極２２１Ａ、２２１Ｂ、２２１Ｍは、各々、個別のＭＥＭＳスイッチ２４５Ａ、２４５Ｂ、２４５Ｍを経てアクセスされる。トランスジューサが個々のレベルでＭＥＭＳスイッチに結合された状態で、直線的アレイの各トランスジューサは、スイッチコントロール信号ＳA、ＳB、ＳMにより独立してアクセス可能である。実施形態によっては、コントロール信号ＳA、ＳB、ＳMは、トランスジューサ基板にモノリシック集積されるロジック回路で（例えば、付加的なＭＥＭＳスイッチで）発生され、或いはトランスジューサ基板から離れて設けられた外部論理回路で（例えば、マルチプレクスされるコントロール信号により）発生される。
【００２５】
各トランスジューサエレメントは、異なるクロックサイクル又は時間に１つのドライブ／センスチャンネル２２７を通して選択的にドライブ及びセンスされる（即ち、ドライブ／センスチャンネル２２７は、ＭＥＭＳスイッチ可能な１Ｄ  ｐＭＵＴアレイ３０１においてマルチプレクスされる）。図７Ａは、ある実施形態により、図３Ａに示すようなトランスジューサアレイのトランスジューサエレメントを独立してアドレスする方法７０１を示すフローチャートである。この方法７０１は、動作７０５において、ｐＭＵＴ基板にＭＥＭＳスイッチコントロール信号を入力することで開始する。ＭＥＭＳスイッチコントロール信号は、例えば、ｐＭＵＴ基板から離れたＡＳＩＣにより発生される。動作７１０において、ドライブ／センスチャンネルは、例えば、図３Ａに示したｐＭＵＴ基板に一体化された１つ以上のＭＥＭＳスイッチを使用して、受信したＭＥＭＳスイッチコントロール信号（例えば、ＳA）に基づいて、アレイ内の複数のｐＭＵＴエレメント間でマルチプレクスされる。動作７１５において、特定のトランスジューサからのトランスジューサ応答信号は、ｐＭＵＴ基板から、ドライブ／センスチャンネルを経て、例えば、ｐＭＵＴ基板から離れたＡＳＩＣ内のＣＭＯＳロジックにおいて実施されるドライブ／センス回路へ出力される。方法７０１は、トランスジューサ応答信号が、例えば、ｐＭＵＴ画像形成装置の画像へと処理される動作７２０で完了する。
【００２６】
図３Ｂは、一実施形態により、示されたタイミング図に従って方法７０１が遂行されるときに、時間に伴う異なるスイッチ状態におけるＭＥＭＳスイッチ可能な１Ｄ  ｐＭＵＴアレイ３０１の回路図である。一般的に、ＭＥＭＳスイッチ可能な１Ｄ  ｐＭＵＴアレイ３０１は、複数のドライブ／センス電極２２１を通してスキャンして、個々のトランスジューサを、トランスジューサ基板から離れて出力するためにドライブ／センスチャンネル２２７へ結合する。コントロール信号ＳA、ＳB、ＳMは、少なくともドライブ／センスチャンネル２２７がセンスモードにある間にＭＥＭＳスイッチアレイがトランスジューサドライブ／センス電極２２１Ａ、２２１Ｂ、２２１Ｍを一度に１つだけドライブ／センスチャンネル２２７へ結合するように、位相ずれされ互いに遅延される。従って、第１の時間ｔ0に、ＭＥＭＳスイッチ２４５Ａは、低いインピーダンス又は閉状態にあり、一方、ＭＥＭＳスイッチ２４５Ｂ及び２４５Ｍは、高いインピーダンス又は開状態にあり、そして経時変化波形ＶA（ｔ）がドライブ／センスチャンネル２２７へ／から通過される。第２の時間ｔ1に、ＭＥＭＳスイッチ２４５Ｂは、低インピーダンス状態にあり、一方、ＭＥＭＳスイッチ２４５Ａ及び２４５Ｍは、高インピーダンス状態にあり、そして経時変化波形ＶB（ｔ）がドライブ／センスチャンネル２２７へ／から通過される。ｍ番目の時間ｔmに、ＭＥＭＳスイッチ２４５Ｍは、低インピーダンス状態にあり、一方、ＭＥＭＳスイッチ２４５Ａ及び２４５Ｂは、高インピーダンス状態にあり、そして経時変化波形ＶM（ｔ）がドライブ／センスチャンネル２２７へ／から通過される。
【００２７】
更に別の実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ可能なマイクロ加工のトランスジューサアレイは、トランスジューサエレメントの２Ｄアレイ内で独立したトランスジューサエレメントアドレッシングを行う。図４Ｂは、１つの規範的な実施形態によるＭＥＭＳスイッチ可能な２Ｄ  ｐＭＵＴアレイ４０１の回路図である。一般的に、２Ｄ  ｐＭＵＴアレイ４０１は、個別の列アレイへと配列された複数の１Ｄ直線的ｐＭＵＴアレイ３０１を含み、隣接列の個々のトランスジューサエレメントは、トランスジューサエレメント行へと整列される。列アレイの各トランスジューサは、ＭＥＭＳスイッチにより、信号ドライブ／センスチャンネル２２７、３２７、４２７へ選択的に結合され、それ故、２Ｄ  ｐＭＵＴアレイ４０１は、１、２、Ｎ個のドライブ／センスチャンネルを有する。１つの規範的な実施形態では、複数のＭＥＭＳスイッチが同じコントロール信号（例えば、ＳA、ＳB、ＳM）に通信結合されて、各行の１つのトランスジューサエレメントへのアクセスをコントロールするＭＥＭＳスイッチの状態が、それらの各ドライブ／センスチャンネルに同時に選択的に結合されるべきトランスジューサの１つの行に対して一致するようにする。例えば、第１の時間ｔ0に、ＭＥＭＳスイッチ２４５Ａ、３４５Ａ及び４４５Ａは、スイッチ信号ＳAにより、圧電メンブレーン２１０Ａ、３１０Ａ及び４１０Ａを各々ドライブ／センスチャンネル２２７Ａ、３２７Ａ、４２７Ａに結合する低インピーダンススイッチ状態へとコントロールされる。更に別の実施形態では、ｔ0に、ＭＥＭＳスイッチ２４５Ｂ、３４５Ｂ、４４５Ｂ及び２４５Ｍ、３４５Ｍ、４４５Ｍが高インピーダンス状態へとコントロールされ、全ての他のトランスジューサエレメントを各ドライブ／センスチャンネルからデカップリングする。
【００２８】
図７Ｂは、一実施形態により、図３Ａに示すような２Ｄトランスジューサアレイのトランスジューサエレメントを独立してアドレッシングするための方法７０２を示すフローチャートである。この方法７０２は、ｐＭＵＴエレメントを関連ドライブ／センスチャンネルに結合するようにＭＥＭＳスイッチをセットする動作７０６で始まる。動作７１１において、ドライブ信号が関連ドライブ／センスチャンネルに加えられ、そして動作７１６において、トランスジューサ応答信号が受信される。ドライブ／センスチャンネルへ／から信号をドライブ及びセンスするために任意の従来の手段が使用される。他の全てのドライブ／センスチャンネルでは、方法７０２は、動作７１１及び７１２を繰り返し、動作７０６でセットされたスイッチ状態によりアクセス可能とされたアレイ内の他のｐＭＵＴエレメントから応答をサンプリングする。実施形態によっては、ｎ個のチャンネルがドライブされ、そして応答が同時に、又は整相時間遅延で読み出される。所与のＭＥＭＳスイッチ状態に対して全てのチャンネルを読み出すと、方法７０２は、別のトランスジューサエレメントを関連ドライブ／センスチャンネルとの通信状態に入れる異なるＭＥＭＳスイッチ状態へと進む。動作７０６でセットされた新たなＭＥＭＳスイッチ状態で、動作７１１及び７１２が繰り返される。方法７０２は、アレイ全体が読み出されるまでこのように進行し、その時点で、読み取ったデータの信号処理は、ｐＭＵＴ基板から離れたロジック手段で遂行され、例えば、２Ｄアレイが超音波画像形成装置のｐＭＵＴである場合には３Ｄ画像へと処理される。方法７０２は、ラスタスキャン及びその関連３Ｄ画像をリフレッシュする手段として不定に繰り返される。
【００２９】
上述したように、ＭＥＭＳスイッチ可能な２Ｄ  ｐＭＵＴアレイ４０１（図４Ａ）は、アレイの第１次元に沿って個々のトランスジューサを通してスキャンするようにトランスジューサエレメントの個別サブセットを横切るスイッチコントロール信号のマルチプレクシングを受けることができる。更に別の実施形態では、個別のドライブ／センスチャンネル２２７、３２７、及び４２７は、全て、個々のトランスジューサレベル１Ｄ整相アレイ動作のために位相ずれして（例えば、トランスジューサエレメントの物理的隣接直線的アレイに対応するチャンネル間に既知の時間遅延を伴って）ドライブ及び／又はセンスされる。そのような実施形態では、エレメントの２Ｄアレイポピュレーションがラスタスキャンされる。他の実施形態では、個別のドライブ／センスチャンネル２２７、３２７及び４２７は、全て、１Ｄ一括トランスジューサ動作のために同相で（例えば、チャンネル間に時間遅延を伴わずに）ドライブされる。更に別の実施形態では、コントロール信号ＳA、ＳB、ＳMが全てのＭＥＭＳスイッチを低インピーダンス状態に同時に入れる場合には、従来の１Ｄ一括アレイ動作は、１Ｄアレイの配向をＭＥＭＳスイッチ状態の関数として動作中に動的に直交するようスイッチする更に別の能力で達成される。
【００３０】
ＭＥＭＳスイッチコントロール信号のマルチプレクシングでは、方形ｎチャンネルアレイ内のトランスジューサエレメントを個々にアクセス／アドレスするのにトランスジューサ基板への／からの２ｎ個のチャンネルしか必要とされない。図４Ｂは、ＭＥＭＳスイッチ可能な２Ｄ  ｐＭＵＴアレイ４０２の別の回路図である。一般的に、アレイ４０２は、複数のＭＥＭＳスイッチを横切るコントロール信号の共通の結合を、規範的トランスジューサマルチプレクシングアーキテクチャーとして更に示す。図４Ｂでは、図４Ａで共通に割り振られた参照番号が、図４Ａに示された同じ特徴を表すものとする。図４Ｂに更に示すように、ＭＥＭＳスイッチが適当な性能のものである場合には、行セレクタ４７５は、トランスジューサ基板上にモノリシックに実施される。一般的に、行セレクタ４７５は、デマルチプレクサであり、そしてそのような回路を実施するための多数のＣＭＯＳロジック回路が知られている。１つ以上のＭＥＭＳスイッチが行セレクタのロジックゲートを実施する幾つかの実施形態では、方形ｎチャンネルアレイ内のトランスジューサエレメントを個々にアクセス／アドレスするのにトランスジューサ基板への／からのｎ個のチャンネルしか必要とされない。ＭＥＭＳスイッチがチャンネルの選択を更に実施する更に別の実施形態では、チャンネル２２７、３２７、４２７のマルチプレクシングは、所与の装置（例えば、プリントヘッド、超音波イメージャー、等）のＡＳＩＣコンポーネントとトランスジューサエレメントとの間に必要なケーブルアッセンブリの付随的に大きな減少で可能となる。
【００３１】
他の実施形態では、データチャンネルに対応する１つ以上のトランスジューサエレメント又は複数のエレメントにより出力されるセンス信号のサンプリングを可能にするようにＭＥＭＳスイッチの組み合わせを構成し、コントロールすることができる。例えば、１つ以上のドライブ／センスサイクルの間にチャンネル２２７、３２７、４２７の２つ以上を同時に選択することができる（即ち、ＭＥＭＳスイッチは閉状態）。同様に、１つ以上のドライブ／センスサイクルの間に１つ以上のチャンネル２２７、３２７、４２７のからの２つ以上のトランスジューサエレメントが同時にアクティブとなる（即ち、ＭＥＭＳスイッチは閉状態）。
【００３２】
ある実施形態では、ＭＥＭＳスイッチは、トランスジューサエレメントを容量性ストレージアレイ又はバンクに結合する。ＭＥＭＳスイッチによりコントロールされるキャパシタエレメントの書き込み及び読み取りでは、サンプルされたセンス出力信号がＡＳＩＣの上流に記憶され、そしてその後に、読み出される。従って、スイッチ型容量性ストレージバンクは、複数のトランスジューサエレメント又はエレメントのグループ（即ち、チャンネル）、等にわたって追加又は一体化するために、信号転送に使用される。ＭＥＭＳスイッチは、トランスジューサと同じ基板上に一体化され、そして容量性エレメントは、ＭＥＭＳスイッチと同じ基板上又は個別の基板上に一体化される。
【００３３】
図４Ｃは、トランスジューサエレメントチャンネルからの電圧出力が容量性ストレージエレメントへ転送される規範的システム４０３を示す。図４に示す回路図では、トランスジューサチャンネル２２７は、トランスジューサエレメント２１０Ａ−３１０Ｍに結合される。又、チャンネルバスと個々のトランスジューサエレメントとの間の結合は、例えば、図２−３に関して述べるように、ＭＥＭＳスイッチを経て行われる。チャンネル２２７は、更に、容量性エレメント４７０Ａ、４７０Ｂ及び４７０Ｎを含むスイッチ型キャパシタバンクに結合される。第１のコントロール信号によりコントロールされる双安定状態を有するＭＥＭＳスイッチ４５１Ａ、４５１Ｂ及び４５１Ｎは、チャンネル２２７を容量性エレメント４７０Ａ−４７０Ｎに選択的に結合する。スイッチ４５１Ａ−４５１Ｎは、チャンネル２２７のドライブモードの間に開であり、その後、センスモードの間にチャンネル２２７が経時変化電圧信号を出力するときに閉となる。１つの実施形態では、例えば、第１のコントロール信号がシフトレジスタ（例えば、下流のＡＳＩＣにおいて実施される）をクロックし、次々のクロック信号でチャンネル２２７からキャパシタへセンス信号を次々にサンプルする。各スイッチ４５１Ａ−４５１Ｎが閉じると、センス信号２２７の瞬時値がそれに対応するキャパシタ４７０Ａ−４７０Ｎに記憶される。
【００３４】
チャンネル２２７からのセンス信号サンプルが記憶された状態で、スイッチ４５１Ａ−４５１Ｎが全て開となり、キャパシタバンクのコンテンツは、例えば、下流のＡＳＩＣへの読み出しに利用できる。図４Ｃに更に示されたように、第２のコントロール信号によりコントロールされる双安定状態を有するＭＥＭＳスイッチ４５２Ａ、４５２Ｂ及び４５２Ｎは、例えば、その後に第２のシフトレジスタによってシーケンスされるように、容量性エレメントを次々に読み出すのに利用される。例えば、キャパシタバンクのシーケンスされる出力を従来の積分器に結合することにより、連続的な経時変化信号を発生することができる。或いは又、サンプルされたセンス信号は、遅延された後に加算されるか、さもなければ、他のトランスジューサチャンネルからの同様に記憶されたセンス信号と共に動作されてもよい。遅延インターバルは、トランスジューサ側でアナログビーム形成を可能にするデジタルクロックコントロール（コントロール１及びコントロール２）によりセットされる。
【００３５】
図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃは、ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイの実施形態に１つ以上が使用される圧電トランスジューサエレメントの断面図である。図５Ａ−５Ｃの状況において、個々のトランスジューサエレメントの規範的な構造上の観点について以下に簡単に述べる。図５Ａ−５Ｃに示した構造は、主として、本発明の特定の観点に対する状況として、且つ圧電トランスジューサエレメントの構造に対する本発明の広い適用性を更に示すために含まれることを理解されたい。図６は、一実施形態によりＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイに使用される圧電スイッチエレメントの断面図であり、そしてトランスジューサ基板へのＭＥＭＳスイッチのモノリシック集積を更に示す。
【００３６】
図５Ａにおいて、凸状のトランスジューサエレメント５０２は、動作中に、例えば、ＭＥＭＳスイッチｐＭＵＴアレイの振動外面の一部分を形成する頂面５０４を含む。又、トランスジューサエレメント５０２は、トランスジューサ基板５０１の頂面に取り付けられる底面５０６も含む。トランスジューサエレメント５０２は、基準電極５１２とドライブ／センス電極５１４との間に配置された凸状又はドーム状の圧電メンブレーン５１０を備えている。１つの実施形態において、圧電メンブレーン５１０は、例えば、平らな頂面に形成されたドームを有するプロファイル移行基板（例えば、シリコン）に圧電材料粒子を均一な層に堆積（例えば、スパッタリング）することにより形成することができる。規範的な圧電材料は、鉛ジルコネートチタネート（ＰＺＴ）であるが、この技術で従来のマイクロ加工処理を受けられると知られているもの、例えば、これに限定されないが、ドープされたポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭ）ポリマー粒子、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、単結晶ＰＭＮ−ＰＴ、ＢａＴｉＯ3、及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）も利用できる。ドライブ／センス電極及び基準電極５１４、５１２は、各々、プロフィール移行基板上に堆積された（例えば、ＰＶＤ、ＡＬＤ、ＣＶＤ、等により）導電性材料の薄膜層である。そのような機能に対し、この技術では、例えば、これに限定されないが、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｉｒ、等の１つ以上、その合金（例えば、ＡｄＳｎ、ＩｒＴｉＷ、ＡｄＴｉＷ、ＡｕＮｉ、等）、その酸化物（例えば、ＩｒＯ2、ＮｉＯ2、ＰｔＯ2、等）、或いは２つ以上のそのような材料の複合スタックのような、ドライブ電極層のための導電性材料が知られている。
【００３７】
図５Ａに更に示されたように、ある実施形態では、トランスジューサエレメント５０２は、製造中に支持体及び／又はエッチング停止体として働くことのできる二酸化シリコンのような薄膜層５２２を含むのも任意である。誘電体メンブレーン５２４は、更に、圧電メンブレーン５１０の外部領域の基準電極５１２からドライブ／センス電極５１４を絶縁するように働く。垂直に配向された電気的相互接続部５２６は、ドライブ／センス電極５１４を、ドライブ／センス電極レール５１７を経てドライブ／センスチャンネル及び／又はＭＥＭＳスイッチに接続する。同様の相互接続部５３２は、基準電極５１２を基準レール５３４に接続する。対称軸がトランスジューサエレメント５０２の中心を定める穴５４１を有する管状支持体５３６は、圧電メンブレーン５１０をトランスジューサ基板５０１に機械的に結合する。支持体５３６は、これに限定されないが、二酸化シリコン、多結晶シリコン、多結晶ゲルマニウム、ＳｉＧｅ、等の従来の材料である。支持体５３６の規範的な厚みは、１０−１００μｍの範囲であり、そしてメンブレーン５２４の規範的な厚みは、１−１５μｍの範囲であり、メンブレーン５１０の規範的な直径は、例えば、１−５０ＭＨｚの超音波帯域で基本的に共振する実施形態では１０−２００μｍの範囲である。
【００３８】
図５Ｂは、トランスジューサエレメント５０２と機能的に同様の構造が同じ参照番号で示されたトランスジューサエレメント５４２のための別の規範的構成を示す。このトランスジューサエレメント５４２は、休止状態において凹状である凹状圧電メンブレーン５５０を示す。ドライブ／センス電極２１４は、凹状圧電メンブレーン５５０の底面の下に配置され、一方、基準電極５１２は、頂面の上に配置されて基準電極レール５１７に結合される。
【００３９】
図５Ｃは、トランスジューサエレメント５０２と機能的に同様の構造が同じ参照番号で示されたトランスジューサエレメント５８２のための別の規範的構成を示す。このトランスジューサエレメント５８２は、休止状態において平坦であり、そしてエレメント５０２とは異なり、屈曲モードで動作し、それ故、（典型的にシリコンの）メンブレーン５７５を更に使用する平坦圧電メンブレーン５９０を示す。この場合も、ドライブ／センス電極５１４は、平坦圧電メンブレーン５９０の底面の下に配置され、一方、基準電極５１２は、頂面の上に配置される。もちろん、図２Ａ−２Ｃの各々に示したものとは逆の電極構成も考えられる。
【００４０】
図６は、一実施形態により、ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイに使用される圧電ＭＥＭＳスイッチエレメント６０１の断面図である。ＭＥＭＳスイッチエレメント６０１並びにトランスジューサエレメント５０２、５２４及び５２６のモノリシック特性を強調するため、図５Ａ−５Ｃのトランスジューサエレメントに適合する図６の構造が同じ参照番号で示されている。図示されたように、ＭＥＭＳスイッチエレメント６０１は、固定梁のスイッチング部材を含むが、別の実施形態では、片持ち梁等が使用されてもよい。スイッチエレメントは、屈曲モード動作に適したメンブレーン５８５（例えば、金属又は強くドープされたシリコンの）上に配置された平坦圧電メンブレーン５９０を含む。スイッチドライブ電極６１４は、平坦圧電メンブレーン５９０の底面の下に配置され、一方、基準電極６１２は、圧電メンブレーン５９０の頂面上に配置される。電極の順序は、逆転されてもよい（即ち、頂部電極をドライブとして使用し、そして底部電極を基準として使用することができる）。二酸化シリコン誘電体層、等の薄膜層５２２は、スイッチの作動中にくぼんだ支持体６３７に配置された下部電極６８０へドライブ信号が短絡するのを阻止するという更に別の機能を果たす。圧電メンブレーン５９０がドライブ（コントロール）信号に応答して偏向すると、高周波数のトランスジューサ信号がトランスジューサと出力電極６８０との間を通過する。ドライブ信号が存在せず、そして圧電メンブレーン５９０が充分に偏向しないときに、容量性結合は、高周波数のトランスジューサドライブ／センス信号を通過させて所与のトランスジューサエレメントを選択的に分離又は結合させるのに不充分である。多数の別のスイッチアーキテクチャーがこの技術で知られているので、関心のある読者は、アレイの個々のｐＭＵＴエレメントに選択可能にアクセスするのに適した圧電ＭＥＭＳスイッチを更に説明する文献を参照されたい。
【００４１】
図８は、本発明の一実施形態によりｐＭＵＴアレイを使用する超音波トランスジューサ装置８００の機能的ブロック図である。規範的な実施形態では、超音波トランスジューサ装置８００は、水、組織物質、等の媒体において圧力波を発生しそして感知するためのものである。超音波トランスジューサ装置８００は、媒体又は複数の媒体内の内部構造変化の画像形成に関心のある多くの用途、例えば、医療診断、製品欠陥検出、等の用途を有する。装置８００は、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイ８１６を備え、これは、ＭＥＭＳアドレス可能なトランスジューサエレメントを有する本書のどこかで述べたＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイのいずれかである。規範的な実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイ８１６は、ハンドル部分８１４に収容された２Ｄトランスジューサアレイであり、これは、マシン又は装置８００のユーザにより操作され、ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイ８１６の外面の仕上げ方向及び位置を必要に応じて変更する（例えば、画像形成されるべきエリアを仕上げる）。電気コネクタ８２０は、ｐＭＵＴアレイ８１６のドライブ／センスチャンネルをトランスジューサ基板の通信インターフェイス及びハンドル部分８１４の外部に電気的に結合する。
【００４２】
その実施形態では、装置８００は、この技術で知られた信号ジェネレータを備え、これは、例えば、電気コネクタ８２０を経てＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイ８１６へ結合される。信号ジェネレータは、電気的ドライブ信号を種々のドライブ／センスチャンネルに供給する。１つの特定の実施形態では、信号ジェネレータは、アドレスされた圧電トランスジューサエレメントを１ＭＨｚと５０ＭＨｚとの間の周波数で共振させるために電気的ドライブ信号を印加する。ある実施形態では、信号ジェネレータは、この技術で知られた高電圧パルスジェネレータである。送信ビーム形成が使用される他の実施形態では、信号ジェネレータは、デシリアライザ８０４を備えていて、コントロール信号をデシリアライズし、これら信号は、次いで、ｄｅｍｕｘ８０６によりデマルチプレクスされる。デジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）８０８は、次いで、デジタルコントロール信号を、ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイ８１６の個々のトランスジューサエレメントチャンネルのためのドライブ電圧信号に変換する。プログラマブル時間遅延コントローラ８１０により個々のドライブ電圧信号に各時間遅延を追加して、ビームを操向し、アレイのチャンネルを横切り及び／又は所与のチャンネルのトランスジューサエレメントを横切って希望のビーム形状、焦点及び方向を生成することができる。ｐＭＵＴチャンネルコネクタ８０２と信号ジェネレータとの間には、コネクタ８０２のコントロールチャンネルを経てＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイ８１４のＭＥＭＳスイッチへＭＥＭＳスイッチコントロール信号を送信する役割を果たすコントローラ８１２が結合される。このコントローラ８１２は、更に、アドレスされたトランスジューサエレメントをドライブモードとセンスモードとの間で切り換えるためのスイッチネットワークも含む。
【００４３】
この実施形態において、装置８００は、例えば、電気コネクタ８２０によってＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイ８１６に結合される既知の信号受信器を備えている。信号収集手段は、ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイ８１６のドライブ／センス電極チャンネルから電気的センス信号を収集する。信号収集手段の１つの規範的実施形態では、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）８１４は、電圧信号を受信し、そしてそれをデジタル信号に変換する。デジタル信号は、次いで、メモリ（図示せず）に記憶されるか又は先ず信号プロセッサへ通される。規範的信号プロセッサは、デジタル信号を圧縮するためのデータ圧縮ユニット８２６を備えている。マルチプレクサ８１８及びシリアライザ８２８は、受信した信号を更に処理した後に、それらを、メモリ、他のストレージ、又は下流のプロセッサ、例えば、受信信号に基づいてグラフィック表示を発生する画像プロセッサへ中継する。
【００４４】
以上の説明は、例示に過ぎず、それに限定されないことを理解されたい。例えば、フローチャートは、本発明の幾つかの実施形態により遂行されるオペレーションを特定の順序で示すが、あるオペレーションの入力が別のオペレーションの出力に固有に依存しない限り、そのような順序は必要とされない（例えば、別の実施形態は、異なる順序でオペレーションを遂行してもよいし、幾つかのオペレーションを組み合わせてもよいし、幾つかのオペレーションを重畳してもよい）。更に、当業者であれば、以上の説明を読んで理解したときに他の多数の実施形態が明らかとなるであろう。例えば、超音波画像形成装置について明確に説明したが、当業者が、ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイを、これに限定されないが、圧電プリントヘッドのような他の装置に適用するに充分な詳細が与えられた。それ故、本発明は、特定の規範的実施形態を参照して説明されたが、本発明は、上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲内で変更や修正もなされ得ることを理解されたい。それ故、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその等効物を参照して決定される。
【符号の説明】
【００４５】
１０１：基板
１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｎ：トランスジューサエレメント
１５０：第２の基板
１５５：共融層
１７５：蓄積層
１８０：第３の基板
２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｎ：ＭＥＭＳスイッチ
２１０：圧電メンブレーン
２１１：基準電極
２１２：コントローラＡＳＩＣ
２２１：ドライブ／センス電極
２２７：ドライブ／センスチャンネル
２４５：ＭＥＭＳスイッチ
２６０：コントローラ
２６５：コントロール信号
２７０：キャパシタ
２９９：トランジスタ
３０１：ＭＥＭＳスイッチ可能な１Ｄ  ｐＭＵＴアレイ
４０１：ＭＥＭＳスイッチ可能な２Ｄ  ｐＭＵＴアレイ
５０１：トランスジューサ基板
５０２：トランスジューサエレメント
５０６：底面
５１０：凸状圧電メンブレーン
５１２：基準電極
５１４：ドライブ／センス電極
５１７：電極レール
５２２：薄膜層
５２６：電気コネクタ
５３２：相互接続部
５３６：支持体
５４２：トランスジューサエレメント
５５０：凹状圧電メンブレーン
５８２：トランスジューサエレメント
５９０：平坦圧電メンブレーン
６０１：圧電ＭＥＭＳスイッチエレメント
６１２：基準電極
６１４：スイッチドライブ電極
８００：超音波トランスジューサ装置
８１６：ＭＥＭＳスイッチ可能なｐＭＵＴアレイ
８２０：電気コネクタ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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