描述可切换微机加工换能器阵列，其中一个或多个开关或继电器与压电微机加工换能器阵列(pMUT)中的换能器元件整体地集成。在实施例中，MEMS开关与换能器阵列被实施在相同的基板上以便切换换能器阵列的操作模式。在实施例中，多个换能器在第一时间段期间在第一操作模式(例如，驱动模式)中通过一个或多个MEMS开关并联地互连，并且然后在第二时间段期间在第二操作模式(例如，感测模式)中通过一个或多个MEMS开关与该换能器的至少一些换能器串联地互连。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施例主要涉及压电换能器的阵列，并且更特别地，涉及微电机械系统(MEMS)切换压电换能器阵列。
技术介绍
换能器阵列被用于许多应用，例如，一种广泛的应用是被用于喷墨或3D打印机的打印头。换能器阵列也在超声成像中获得应用。换能器阵列经常使用电容性或压电换能器元件。通常，压电换能器元件(换能器)包括压电膜，该压电膜能够响应于随时间变化的驱动电压而进行膜的机械偏转。对于打印头，该膜被驱动以从室中以可控制的方式排出墨或其它流体，对于超声压电换能器装置，该膜被布置在封闭的腔上并且被驱动以在与换能器元件的暴露外表面接触的传播介质(例如，空气、水或身体组织)中产生高频率压力波。这种高频率压力波可以传播到其它介质中。该压电膜也可以从传播介质接收反射的压力波并且将接收的压力波转化为电信号。该电信号连同驱动电压信号可以被处理以获得关于传播介质中的密度或弹性模量的变化的信息。虽然使用压电膜的许多换能器装置可以通过机械地切割大块压电材料或通过注射成型充满压电陶瓷晶体的载体材料而形成，但装置可以有利地使用各种微机加工技术(例如，材料沉积、平版图案化、通过蚀刻的特征形成等等)以非常高的尺寸公差廉价地被制造，该微机加工技术通常涉及压电微机加工换能器(PMT)，并且更特别地当构造用于超声换能时涉及压电微机加工超声换能器(PMUT)。—维(ID)换能器阵列通常被使用，其中提供η个通道，并且该η个通道的每一个通道电驱动或感测作为单组的m个换能器。在该阵列的操作期间，驱动或感测模式中的η个通道的给定的一个通道具有从通道信号线施加或感测的电势，该通道信号线电并联地耦合到该m个换能器。到/来自ID阵列的η个通道的信号然后可以通过多路复用技术(诸如时间延迟的扫描)被实现。图1A示出具有多个通道110、120、130、140的ID pMUT阵列100，该多个通道布置在由基板101的第一尺寸X和第二尺寸y限定的区域上。该通道的每一个通道(例如，110)电地可寻址作为独立于任何其它驱动/感测通道(例如，120或130)的η通道的一个通道，该驱动/感测通道寻址元件110Α、110Β...I1N的每一个。参考(例如，接地)电极轨也典型地在驱动/感测通道布线下方的平面中被见到。驱动/感测通道110、120代表ID阵列100中的重复单元，第一驱动/感测通道110耦合到第一总线127，并且邻近的驱动/感测通道120耦合第二总线128以形成相互交叉手指结构。该驱动/感测通道130、140重复相互交叉单元结构，另外的单元形成任意尺寸(例如，128个通道、256个通道等等)的ID电极阵列。驱动和感测微机加工换能器阵列内的许多通道是技术上的挑战，因为通道的绝对数量需要排列的换能器装置(例如，超声换能器头等等)和离开换能器基板的经常实施在CMOS中的电控制/采样电路之间的复杂装置互连，诸如多层柔性组件。作为这种架构的例子，图1B是ID pMUT阵列100的剖视侧视图，该ID pMUT阵列100布置在基板101上并且通过延伸离开基板101的柔性电缆耦合到ASIC(CMOS)控制器112。通过这种架构，换能器装置阵列和/或换能器元件的互连的增加的复杂性引起阵列基板的显著开销，并且因此固定的单个操作模式被设计到换能器阵列的物理架构中。然而，这种固定的单模式操作可能不利地限制换能装置的性能和/或应用。因此，以装置互连、多层柔性组件等等的复杂性的微小增加实现多模式阵列操作的换能器阵列结构、架构和技术是有利的。
技术实现思路
在这里描述切换的微机加工换能器阵列。该开关可以是串联开关，例如，如在通门中。在实施例中，微电机械系统(MEMS)开关或继电器与换能器元件集成在一起。在实施例中，MEMS开关与换能器阵列被实施在相同的基板中，或者被实施在粘结到换能器阵列的基板的分离基板中，从而实现一个或更多个电路拓扑结构切换功能、逻辑门、移位寄存器、换能器控制、或换能器元件寻址功能，而不是将所有这些功能委托(releglating)给通过互连耦合到换能器阵列基板的CMOS ASIC。在实施例中，阵列的一个或多个第一压电换能器元件通过至少一个MEMS开关互连到该阵列的一个或多个第二压电换能器元件以提供该阵列的可切换操作模式。在某些实施例中，MEMS开关使用该换能器中使用的相同压电材料。在其它实施例中，MEMS开关是电容性的、静电的或电磁的，而该换能器是电容性的或压电的。在实施例中，耦合到一个或多个开关的开关控制器在给定时间致动该开关的一个或多个以将一个或多个感测或驱动电路耦合到以特别的电拓扑结构互连的换能器元件。在实施例中，该阵列的给定通道内的换能器元件或多个元件可以通过一个或更多个开关在电并联和串联电路构造之间切换。在某些这种实施例中，换能器阵列以驱动模式操作，与以感测模式操作时相比，通道具有更多换能器电并联。在另外实施例中，通道内的所有换能器在驱动操作模式期间电并联，并且然后该换能器的一个或多个换能器在感测操作模式期间切换到电串联中。在另外实施例中，该开关控制器被实施成具有CMOS逻辑，该CMOS逻辑在与换能器阵列的基板分离的基板上。在另外实施例中，单个开关控制信号线跨越换能器阵列中的多个分离的通道耦合到控制换能器互连的MEMS开关。【附图说明】在附图的图中通过例子并且不是限制的方式示出本专利技术的实施例，其中:图1A是具有多个换能器的常规ID微机加工换能器阵列的平面图；图1B是具有图1A中描绘的ID微机加工换能器阵列的基板的剖视侧视图，并且该ID微机加工换能器阵列通过柔性电缆耦合到控制器ASIC;图1C是根据实施例的具有换能器阵列的基板的剖视侧视图，该换能器阵列与相同基板上的MEMS开关集成在一起，并且通过柔性电缆耦合到控制器ASIC;图1D是根据实施例的具有换能器阵列的第一基板的剖视侧视图，该换能器阵列粘结到具有MEMS开关的第二基板以形成3D集成装置，该3D集成装置通过柔性电缆耦合到控制器ASIC;图1E是具有换能器阵列的第一基板的剖视侧视图，该换能器阵列粘结到具有MEMS开关的第二基板，该MEMS开关粘结到CMOS基板，从而形成完全集成的pMUT装置；图2A是根据实施例的第一操作模式中的多模式换能器阵列电路拓扑结构的示意图；图2B是根据实施例的第二操作模式中的多模式换能器阵列电路拓扑结构的示意图；图2C是根据实施例的时间图，该时间图示出在对应于一个或多个开关状态的发送和接收模式之间切换的多模式换能器阵列；图3A是根据实施例的被构造用于两个相邻换能器的极性倒转的可切换换能器通道阵列的示意图；图3B是根据实施例的四路MEMS开关的示例性实施例的示意图，该四路MEMS开关使用通门来倒转换能器阵列的通道中的两个相邻换能器的极性；图3C是示意图，该示意图示出根据实施例的开关控制线路，该开关控制线路跨越多个换能器通道耦合到MEMS开关；图4A是根据实施例的用于操作多个模式中的换能器阵列的方法的流程图；图4B是在换能器阵列的驱动和感测操作之间切换一个或多个MEMS开关的方法的流程图；图4C是根据实施例的切换一个或多个MEMS开关以驱动并联的多个换能器并且感测该多个换能器(该多个换能器的至少一些换能器串联)的方法的流程图；图5A、5B和5C是根据实施例的压电换能器元件的剖视本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微机加工换能器阵列，所述微机加工换能器阵列包括：换能器基板；多个换能器，布置在所述换能器基板上；以及一个或多个开关，布置在所述换能器基板上，其中所述一个或多个开关能够在第一状态和第二状态之间进行电切换，所述第一状态以电并联方式互连所述多个换能器的至少两个换能器，并且所述第二状态以电串联方式互连所述至少两个换能器。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·哈贾蒂，D·加德纳，
申请(专利权)人：富士胶片戴麦提克斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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