DE3224026A1 - Vorrichtung zur auslese eines zweidimensionalen ladungsbildes mittels eines arrays - Google Patents
Vorrichtung zur auslese eines zweidimensionalen ladungsbildes mittels eines arraysInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 82 P 3 1 8 2 DE
Vorrichtung zur Auslese eines zweldiraensionalen Ladungsbildes mittels eines Arrays
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Auslese eines zweidimenslonalen Ladungsbildes mittels
eines Arrays, das gestapelte Leiterplatten enthält, bei denen jeweils eine ihrer Flachseiten mit einer
parallel zu den Schmalseiten verlaufenden Aussparungen versehen ist, die elektronische Bauteile enthält,
deren Steuerleitungen auf einer Flachseite der LeI-terplatte angeordnet sind, und bei denen Jeweils
eine der Schmalseiten mit Elektroden versehen 1st, die als Matrix in Zeilen und Spalten geordnet sind.
Bs ist eine Vorrichtung zur Auslese eines zweidimensionalen
Ultraschallbildes bekannt, die für eine Ultraachallkamera vorgesehen ist. Diese Vorrichtung
enthält einen Stapel aus mehreren, beispielsweise 16, eindimensionalen Arrays. Jedes
Array hat mehrere Elementarwandler und einen Multiplexer und unter Umständen noch einen Verstärker
und ein Filter. Die Elektronik 1st in einer Nut einer Leiterplatte, vorzugsweise einer Keramik-Platte,
die dieses lineare Array bildet, angeordnet. Die Tiefe eines der eindimensionalen Arrays beträgt
beispielsweise 1,5 mm (IEEE Ultrasonics Symposium 1980, Seiten 766 bis 769).
Bei dieser Vorrichtung haben die Verbindungsleitungen
zwischen den Eingängen des Multiplexers und der Elementarwandler Jeweils eines eindimensionalen
Ur 2 Hag / 21.6.1982
U » # β
VPA 82 P 3 1 8 2 DE
Arrays unterschiedliche Längen. Es entstehen somit unterschiedliche Signalverluste. Außerdem kann in
der bekannten Anordnung die Anzahl der Elementarwandler auf der Stirnseite einer der Leiterplatten
nur so groß sein, wie es durch die Multiplexerelngänge vorgegeben ist. Die Wandlerzahl kann
beispielsweise 16 oder 32 oder ein ganzzeiliges Vielfaches dieser Multiplexereingänge betragen.
Bei einer weiteren Vorrichtung zur Auslese eines zweidimensionalen Ultraschallbildes mittels eines
integrierten Akustik-Arrays enthält ein zweidimenslonales Array eine Matrix von in Zellen
und Spalten geordneten Dual-Gate-MOS-FETs in IC-Technik, beispielsweise 8 Dual-Gate-MOS-FETs,
in Jeweils einer Zelle und θ in jeweils einer Spalte, insgesamt also 64 Stück. Diese Dual-Gate-MOS-FETs
sind bekannt unter der Bezeichnung MOS-FET-Tetröden.
Jedes Element dieser Matrix besteht aus einem Gate-Ableitwiderstand, einem Elementarwandler
und einem Dual-Gate-MOS-FET, wobei der Gate-Ableitwiderstand und der Elementarwandler elektrisch
parallelgeschaltet und mit dem ersten Gate des Dual-Gate-MOS-FETs verbunden sind. Das zweite Gate
der Dual-Gate-MOS-FETs jeweils einer Spalte ist mit einer Adressleitung und jeweils der Drainanschluß
der Dual-Gate-MOS-FETs einer Zeile ist mit einer Leseleitung verbunden (integrated Acoustic
Array and Acoustical Holography, Vol. 7 Kessler (Ed.) Plenumpress Seiten 423 bis 455).
Bei dieser bekannten Vorrichtung können sich die Ströme einer Leitung innerhalb der Matrix aufsummieren,
die bei größeren Matrizen zur überlastung der Signalleitung oder unzulässig hohen
224026
/ VPA 82 P 3 1 8 2 DE
Spannungsabfällen längs dieser Leitung führen können.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese bekannten Vorrichtungen zu verbessern, inebesondere
soll die Anzahl der Elektroden Jeweils einer Zeile stufenlos wählbar sein, ohne dabei an ganzzahlige
Vielfache von Eingängen von Elektronikbausteinen gebunden zu sein. Weiterhin soll erreicht werden,
daß alle Verbindungsleiter von den Elementarwandlern
zu den Eingängen der jeweils zugehörigen schaltbaren Verstärkern wenigstens annähernd gleich
lang sind.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Da den Elektroden der
Leiterplatten jeweils ein schaltbarer Verstärker zugeordnet ist, die in der Längsrichtung einer
Aussparung hintereinander angeordnet sind, und da Verbindungsleiter wenigstens annähernd gleieher
Länge zwischen den Elektroden und jeweils den entsprechenden schaltbaren Verstärkern vorgesehen
sind, ist die Anzahl der Elektroden jeweils einer Zeile stufenlos wählbar ohne dabei an
ganzzählige Vielfache von Eingänge von Elektronikbausteinen
gebunden zu sein. Außerdem erhält man durch gleichlange Verbindungsleiter eine homogene
Signalverstärkung.
Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, daß die Steuerleitungen
mit jeweils einem elektrisch leitenden Oberflächenbereich auf der den Elektroden gegenüberliegenden
Schmalseiten der Leiterplatten verbunden sind und daß Hauptsteuerleitungen auf den
den Elektroden gegenüberliegenden Schmalseiten der
82P3U20E
Leiterplatten in Richtung der Spalten angeordnet sind, welche Jeweils die zur gleichen Spalte gehörenden
Steuerleitungen der schaltbaren Verstärker der Leiterplatten elektrisch leitend miteinander verbinden. Da eine Leiterplatte jeweils
eine Zeile der Matrix bildet, kann man beim Ausfall einzelner Leiterplatten diese leicht
auswechseln. Dies ist insbesondere dadurch möglich, daß die in Spaltenrichtung liegenden Hauptsteuerleitungen
der Matrix von außen auf die Matrix aufgebracht werden.
In einer bevorzugten AusfUhrungsform sind als schaltbare Verstärker Dual-Gate-MOS-PETs vorgesehen.
Die Elektroden einer Leiterplatte sind jeweils mit dem ersten Gate des zugeordneten Dual-Gate-MOS-FETs
und, das zweite Gate der Dual-Gate-MOS-PETs einer Leiterplatte 1st mit jeweils einer Steuerleitung
verbunden. Außerdem sind die Drainanschlüsse der Dual-Gate-MOS-PETs einer Leiterplatte mit einer
gemeinsamen Signalleitung und die Masseleitungen der Leiterplatten sind außerhalb der Leiterplatten
mit einer Masseschiene verbunden.
Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, daß die Matrix der
Elektroden mit einer ultraschallempfindlichen Schicht, beispielsweise einer Polymerfolie, die ein Pulver
aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT enthält, insbesondere einer Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF, versehen
ist, die auch wieder mit einer Elektrode versehen ist. Durch diese Gestaltung wird aus der Vorrichtung
zur Auslese eines zweidimenslonalen Ladungsbildes
eine besonders einfache Vorrichtung zur Auelese eines zweidimensionalen Ultraschallbildes.
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VPA 82 P 3 1 8 2 DE In einer weiteren AusfUhrungsform kann die Aussparung
auch als Nut gestaltet sein. Die Matrix der Elektroden kann auch mit einer lichtempfindlichen
Schicht, beispielsweise einer Schicht aus Silizium versehen sein, die wiederum mit einer
Elektrode verbunden 1st. In dieser Gestaltung dient die Vorrichtung zur Auslese eines zweidimensionalen
Ladungsbildes zugleich als Vorrichtung zur Auslese eines zweidlmenslonalen Lichtbildes.
Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Aueführungsbeispiel
der Vorrichtung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Ultraschallabtastung
gemäß der Erfindung und in
Figur 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung darges -llt.
Figur 3 veranschaulicht das Prinzip der elektrischen Schaltung.
In der Ausführungsform der Figur 1 enthält eine Vorrichtung zur Auslese eines zweidimensionalen
Ladungsbildes mittels eines Arrays 2 mit einer Matrix aus in Zeilen 4 und Spalten 6 angeordneten
Elektroden 8, mehrere, beispielsweise 200, gestapelte Leiterplatten 10 und Dual-Gate-MOS-FETs 12,
Jeweils eine der Flachseiten 14 der Keramik-Platten
10 ist mit einer parallel zu den Schmalseiten verlaufenden Aussparung 18 versehen. Außerdem ist
jeweils eine der Schmalseiten 16 der Leiterplatten mit mehreren, beispielsweise 200, Elektroden 8 versehen,
deren Breite der Breite der Leiterplatte ent-
O L. L. H U L. U
/ο
■SS- VPA 82 P 3 1 8 2 DE
spricht. Den Elektroden 8 der Leiterplatten 10 ist Jeweils ein Dual-Gate-MOS-FETs 12 zugeordnet. Diese
Dual-Gate-MOS-FETs 12 sind hintereinander auf der von der Aussparung 18 abgewandten Flachseite 14
der Leiterplatte 10 angeordnet und werden von der Aussparung 18 der benachbarten Leiterplatte 10
abgedeckt. Zwischen den Elektroden 8 und jeweils den entsprechenden Dual-Gate-MOS-FETs 12 sind Verbindungsleiter
20 wenigstens annähernd gleicher und verhältnismäßig kurzer Länge vorgesehen. Die
Leiterplatten 10 enthalten jeweils eine Masseleitung 22, die parallel zu den Schmalseiten 16
angeordnet und erst außerhalb der Leiterplatten 10 mit Hilfe einer Masseschiene 24, deren Querschnitt
nahezu beliebig gewählt werden kann, miteinander verbunden sind. Die Elektroden 8 einer Zeile 4
sind jeweils mit Hilfe eines der Verbindungsleiter mit dem ersten Gate 26 und einem Ableitwiderstand
des zugeordneten Dual-Gate-MOS-FETs 12 einer Leiterplatte 10 verbunden, die vorzugsweise aus Keramik,
insbesondere Aluminiumoxid Al2O,, bestehen kann.
Das zweite Gate 28 der Dual-Gate-M0S-FET3 12 ist mit einer Steuerleitung S1 bis Sg verbunden. Die
Hauptsteuerleitungen HS1 bis HSg sind auf der den
Elektroden 8 gegenüberliegenden Schmalseiten 17 der Leiterplatten 10 in Richtung der Spalten 6 angeordnet
und verbinden die Steuerleitungen S1 bis Sg der Dual-Gate-MOS-FETs 12 der einzelnen Leiterplatten
10 elektrisch leitend untereinander. Von den beispielsweise HSn Hauptsteuerleitungen und
beispielsweise Sn Steuerleitungen sind in der
Figur 1 nur die ersten dargestellt und mit 1 bis HSq und mit S1 bis SQ bezeichnet. Die Drainanschlüsse
30 der Dual-Gate-MOS-FETs 12 jeweils einer der Leiterplatten 10 sind mit einer Signal-
VPA 82 P 3 18 2DE ausgangsleitung verbunden, von denen in der Figur 1
nur eine einzige dargestellt und mit Z5 bezeichnet
ist. Die obere Flachseite der Matrix der Elektroden 8 ist mit einer ultraschallempfindlichen
Schicht 32, beispielsweise eine Polymerfolie, die ein Pulver aus Blei-Zirkonat-Tltanat PZT enthält,
insbesondere eine Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF, versehen. Die obere Flachseite dieser
ultraschallempfindlichen Schicht 32 1st mit einer Elektrode 34 versehen und ist nur in den Bereichen
in Richtung seiner Dicke polarisiert, die jeweils zwischen der Matrix der Elektroden 8 und der
Elektrode 34 liegen. Diese Bereiche bilden somit jeweils einen Elementarwandler. Die Elektroden 8
und 34 bestehen aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Silber, das auf den Schmalseiten 16
der Leiterplatten 10 und der ultraschallempfindlichen Schicht 32 aufgebracht, beispielsweise aufgedampft
oder aufgesput^rt ist. Die ultraschallempfindliche Schicht 32' ätann beispielsweise in
Streifen aufgebaut werden, deren Breite der Breite der Schmalseiten 16 der Leiterplatten 10 entspricht,
insbesondere eine großflächige Folie sein, die die Matrix der Elektroden 8 bedeckt. Unter Umständen
kann es nützlich sein, wenn die Matrix der Elektroden 8 mit einer lichtempfindlichen Schicht,
beispielsweise Silizium, versehen 1st, deren obere Flachseite mit einer Elektrode 34 versehen ist.
Die Leiterplatten 10 bilden mit ihren zugeordneten Elektroden 8 und den Dual-Gate-MOS-FETs jeweils
ein Modul. Durch die Verwendung der HybrId-Technik
kann man das Array 2 aus einer Vielzahl von Modulen, beispielsweise 200, aufbauen* Die aus der Standardhybrid-Technik
gebräuchlichen Leiterplatten 10, bei-
«ψ Wrtti
-&* VPA 82 P 3 1 8 2 DE
spielsweise aus Aluminiumoxid AIpO.,, sind für die Dünnfilmtechnik geeignet und werden bei dieser
Vorrichtung als Trägermaterial für die Elektroden und die Dual-Gate-MOS-FETs 12 verwendet und können
vorzugsweise zugleich als Backing für die Elementar wandler dienen. Ein besonderer Vorteil dieser Modul
bauweise besteht darin, daß man beim Ausfall von einzelnen Dual-Gate-MOS-FETs 12 eine oder mehrere
der Leiterplatten 10 leicht auswechseln kann.
Durch die Verwendung der Dual-Gate-MOS-FETs 12, die zugleich als Schalter, Verstärker und Impedanzwandler
für die Elementarwandler dienen, erhält man eine gute Trennung zwischen Signalausgangsleitungen
und Steuerleitungen, weil zwei Gates 26 und 28 vorgesehen sind, die im wesentlichen nur
Kapazitäten gegen die gemeinsame Masseleitung 22 darstellen. Ein übersprechen von den Steuerleitungen
S,j bis Sq zu den Verbindungsleitern 20 ist
somit praktisch ausgeschlossen. Außerdem werden die Signale jedes der Elementarwandler verstärkt
und deren Impedanz gewandelt.
Da die Kapazität kleiner Elementarwandler Jeweils sehr gering ist, müssen die Verbindungsleitungen
zwischen den Elementarwandlern und dem zugeordneten Gate 26 der Dual-Gate-MOS-FETs 12 einer Leiterplatte
10 jeweils kurz sein, um Verluste zu vermeiden. Außerdem aind alle Verbindungsleitungen
gleichlang und man erhält somit eine homogene Signalverstärkung.
Da die Matrix der Elektroden 8 mit einer ultraschallempfindlichen
Schicht 32 bedeckt ist, deren obere Plachseite mit einer Elektrode 34 versehen
/3
-&*" VPA 82 P 3 1 8 2 DE
ist, kann man ein zweidimensionales Ultraschallbild auslesen.
Da innerhalb einer Matrix mit beispielsweise 200 χ 200 Elementarwandlern bei einer Länge der
Leiterplatten 10 von beispielsweise 160 mm und einer Breite von beispielsweise 0,8 mm der für
einen Elementarwandler zur Verfügung stehende Platz im allgemeinen gering ist, wenn ein Ultraschallbild
mit hoher Auflösung abgetastet wird, können auch nur sehr dünne Leiter für die Stromzuführung und .
die Signalleitungen verwendet werden. Deswegen wird auch als Aufbauform die Standardhybridtechnik und
insbesondere die Dünnfilmtechnik gewählt. Dies gilt ebenso für die Masseleitung 22.
Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, die zu jeweils einer der Leiterplatten 10 gehörenden
Dual-Qate-MOS-FETs 12 lnu&rhalb der Aussparung 18
dieser Leiterplatten 10 hintereinander anzuordnen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform nach Figur 2 ist Jeweils eine der Flachseiten 14 der Leiterplatten
10 mit einer parallel zu den Schmalselten verlaufenden Nut 19 versehen, die die Dual-Gate-MOS-FETs
12 der benachbarten Leiterplatte 10 abdeckt.
In einer weiteren Ausführungsform nach Figur 3t
ist das Prinzip der elektrischen Schaltung der Vorrichtung zur Auslese zweidlmensionaler Ladungsbilder
dargestellt. Die Matrix besteht aus mehreren, beispielsweise 200 Zellen 4, die jeweils einer Leiterplatte
10 entspricht. Die Signalausgangsleitungen,
O L L M- U L· U
VPA 82 P 3 1 8 2 DE
von denen in der Figur 3 nur drei dargestellt und mit Z1, Z2, Zn bezeichnet sind, sind außerhalb der
Leiterplatten 10 mit einem Multiplexer 36 verbunden. Die Masseleitungen 22 sind außerhalb der LeI-terplatten
10 mit einer Masseschiene 24 verbunden. Die Steuerleitungen jeweils der Leiterplatten 10,
von denen in der Figur nur einige dargestellt und mit S1, Sg und Sn bezeichnet, sind mit Hilfe der
Hauptsteuerleitungen, von denen in der Figur nur einige dargestellt und mit HS1, HS2 und HSn bezeichnet,
in Richtung der Spalten 6 untereinander elektrisch leitend verbunden. Die Hauptsteuerleitungen
sind mit einem Pegelkonverter 38 und deren Eingänge mit einem Schieberegister 40 verbunden.
Durch diese Gestaltung der Masseleitungen 22, der Masseschiene 24 und der Signalausgangsleitungen
wird Innerhalb der Matrix längs einer Leitung ein Aufsummieren der Ströme, die bei größeren Matrizen
zur überlastung der Leitung oder zu unzulässig hohen Spannungsabfällen längs dieser Leitungen
führen können, vermieden.
16 Patentansprüche
3 Figuren
3 Figuren
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Auslese eines zweldimensionalen Ladungsbildes mittels eines Arrays (2), das gestapelte
Leiterplatten (10) enthält, bei denen Jeweils eine ihrer Flächseiten (14) mit einer parallel
zu den Schmalseiten (16) verlaufenden Aussparung (18) versehen ist, die elektronische Bauteile enthält,
deren Steuerleitungen auf einer Flachseite
(14) der Leiterplatte (10) angeordnet sind, und bei denen Jeweils eine der Schmalseiten (16) mit
Elektroden (8) versehen ist, die als Matrix in Zeilen (4) und Spalten (6) geordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
den Elektroden (8) der Leiterplatten (10) jeweils ein schaltbarer Verstärker zugeordnet 1st, die in
der Längsrichtung der Aussparung (18) hintereinander angeordnet sind, und daß Verbindungsleiter
(20) wenigstens annähernd gleicher Länge zwischen den Elektroden (8) und jeweils den entsprechenden
schaltbaren Verstärkern vorgesehen sind und daß Hauptsteuerleitungen (HS^ bis HSQ) auf den den
Elektroden (8) gegenüberliegenden Schmalseiten (17) der Leiterplatten (10) in Richtung der Spalten (6)
angeordnet sind, welche jeweils die zur gleichen Spalte (6) gehörenden Steuerle1tungen (S1 bis SQ)
der schaltbaren Verstärker der Leiterplatten (10) elektrisch leitend miteinander verbinden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet , daß jeweils der
einer der Elektroden (8) zugeordnete schaltbare Verstärker auf der von der Aussparung (18) abgewandten
Flachseite (14) der Leiterplatte (10) an-
geordnet ist. :
VPA 82 P 3 1 8 2 DE
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadur ch gekennzeichnet , daß als schaltbare
Verstäixer Dual-Gate-MOS-FETs (12) vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden
(8) einer Leiterplatte (10) Jeweils mit dem ersten Gate (26) des zugeordneten Dual-Gate-MOS-FETs (12)
verbunden sind.
10
10
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite
Gate (28) der Dual-Gate-MOS-FETs (12) einer Leiterplatte
(10) mit Jeweils einer Steuerleitung (S1 bis Sg) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach oinem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet,
daß die DralnanschlUsse (30) der Dual-Gate-MOS-FETs
(12) einer Leiterplatte (10) mit einer gemeinsamen Signalleitung (Ze) verbunden sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (18) als Nut (19) gestaltet
ist (Figur 2).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß Masseleitungen (22) der Leiterplatten (10) außerhalb der Leiterplatten (10) mit einer Masseschiene
(24) verbunden sind.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
• Λ ι
YPA 82 P 3 1 8 2 DE daß die Matrix der Elektroden (8) mit einer ultraschallempfindlichen
Schicht (32) versehen ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die ultraschallempfindliche
Schicht (32) eine Folie aus PoIyvinylidenflourid PVDP ist.
11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die ultraschallempfindliche Schicht (32) eine Polymerfolie ist,
die ein Pulver aus Blel-Zirkonat-Titanat PZT enthält.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix der Elektroden (8) mit einer lichtempfindlichen
Schicht versehen ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet , daß die lichtempfindliche Schicht aus Silizium besteht.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß oberhalb der ultraschallempfindlichen Schicht (32) oder oberhalb der lichtempfindlichen Schicht
eine Elektrode (34) vorgesehen 1st.
15. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet , daß die auf einer gemeinsamen Flachseite (14) der Leiterplatten (10)
angeordneten Verbindungsleiter (20) und die Steuerleitungen (S1 bis S8) sowie die Signalleitung (Z5)
VPA 82 P 3 1 8 2 DE
und die Masseleitung (22) in Dünnfilmtechnik hergestellt
werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß den Dual-Gate-MOS-FETs zugeordnete Ableitwiderstände (21), die Jeweils zwischen einem der Verbindungsleiter (20) und dem gemeinsamen Masseleiter (22) angeordnet
sind, in einem gemeinsamen Arbeitsgang mit aufgebracht werden.
gekennzeichnet, daß den Dual-Gate-MOS-FETs zugeordnete Ableitwiderstände (21), die Jeweils zwischen einem der Verbindungsleiter (20) und dem gemeinsamen Masseleiter (22) angeordnet
sind, in einem gemeinsamen Arbeitsgang mit aufgebracht werden.
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