KR102634238B1 - Micro ultrasonics wave transducer array and biosensor patch using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조는 복수개의 압전 세라믹 막대가 고분자를 통해 연결되어 압전 세라믹 복합체를 이룸으로써 플렉서블한 구조를 이루고 있어서 사람 신체 구조의 다양한 굴곡진 표면에 틈이 발생하지 않도록 최대한 등각을 이룰 수 있도록 생체 센서의 유연한 구조를 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조를 이용한 심혈관 혈압 측정용 패치는 액추에이터와 센서 간의 간섭을 최소화하는 구조로 설계되어 정확한 센싱이 가능하다.The micro ultrasonic transducer array structure according to the present invention is a flexible structure in which a plurality of piezoelectric ceramic rods are connected through a polymer to form a piezoelectric ceramic composite, so that it is as conformal as possible to prevent gaps in the various curved surfaces of the human body structure. It has a flexible structure of biometric sensor so that it can be achieved. In addition, the patch for measuring cardiovascular blood pressure using a micro-ultrasonic transducer array structure according to the present invention is designed to minimize interference between the actuator and the sensor, enabling accurate sensing.
Description
본 발명은 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조 및 이를 이용한 바이오 센서 패치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조를 포함한 심혈관 혈압 측정용 패치에 관한 것이다.The present invention relates to a micro ultrasonic transducer array structure and a biosensor patch using the same. Additionally, the present invention relates to a patch for measuring cardiovascular blood pressure including this micro-ultrasonic transducer array structure.
일반적으로 혈압을 측정하는 장치로는 침습적인 방법을 이용하는 장치와 비침습적인 방법을 이용하는 장치가 있다.In general, devices that measure blood pressure include devices that use invasive methods and devices that use non-invasive methods.
침습적인 방법으로 혈관의 압력을 측정하기 위한 카데터를 말초동맥내로 삽입하여 혈관의 압력을 직접 측정하는 방법이 대표적인 예이나, 이러한 방법은 동맥 출혈의 위험성이 있고, 침습을 가해야 하므로 건강상태의 측정을 위하여 빈번하고 편하게 이용되는 장치로서는 부적합하다는 단점이 있다.A representative example is the invasive method of directly measuring blood vessel pressure by inserting a catheter to measure blood vessel pressure into a peripheral artery. However, this method has the risk of arterial bleeding and requires invasiveness, so it is not recommended for health conditions. It has the disadvantage of being unsuitable as a device that is frequently and conveniently used for measurement.
한편, 비침습적인 방법으로는 수은 혈압계를 이용하는 방법이 대표적으로 사용된다. 이러한 수은 혈압계를 이용하는 방법에서는 측정 부위에 압박을 가한 후, 서서히 배기시키면서 청진기나 손으로 맥박을 감지하여 맥의 시작점과 소실점에 나타나는 수은 기둥 높이로 혈압을 알아낼 수 있다. 비침습적인 방법을 이용한 혈압측정장치는 전자식 측정법으로 오실로메트릭 방법을 이용한 혈압측정장치가 주로 사용되고 있다. 오실로메트릭방법이란, 상완 또는 하완이나 손목에 커프(cuff)를 감아 공기를 주입하여 팽팽하게 만든 후에 다시 공기를 뺄 때 커프에 생기는 압진동의 크기를 압센서에 의해 감지, 기록하여 혈압을 측정하는 방법이다. 즉, 오실로메트릭 방법을 이용한 혈압측정장치는 상완이나 하완 또는 손목을 감을 수 있고 내부에 공기가 주입될 수 있는 커프, 상기 커프에 생기는 압진동의 크기를 감지하는 압센서를 포함한다.Meanwhile, a non-invasive method using a mercury sphygmomanometer is typically used. In this method of using a mercury sphygmomanometer, pressure is applied to the measurement area, then the pulse is slowly released while the pulse is sensed with a stethoscope or hand, and the blood pressure can be determined from the height of the mercury columns that appear at the starting point and vanishing point of the pulse. Blood pressure measurement devices using a non-invasive method are mainly used as electronic measurement devices, such as oscillometric methods. The oscillometric method is a method of measuring blood pressure by wrapping a cuff around the upper arm, lower arm, or wrist, injecting air to make it taut, and then detecting and recording the size of the pressure vibration that occurs in the cuff using a pressure sensor when the air is released again. It's a method. That is, a blood pressure measuring device using the oscillometric method includes a cuff that can be wrapped around the upper arm, lower arm, or wrist and into which air can be injected, and a pressure sensor that detects the magnitude of pressure vibration generated in the cuff.
비침습적인 혈압의 측정 방법에 대한 연구가 지속되고 있으며 새로운 방식의 비침습적인 혈압 측정 장치에 대한 요구는 계속 있어왔고, 또한 비침습적인 측정시 목, 손목, 사타구니와 같이 굴곡진 사람의 신체에 밀착되어 틈이 발생되지 않도록 부착되어 측정이 가능한 구조의 설계에 대한 요구가 계속 있어왔다.Research on non-invasive blood pressure measurement methods continues, and there has been a continued demand for new types of non-invasive blood pressure measurement devices. In addition, non-invasive measurements are performed on curved areas of the human body such as the neck, wrist, and groin. There has been a continued demand for the design of a structure that is closely attached and can be measured without any gaps.
본 발명은 비침습적 방법으로 혈압을 측정하기 위한 장치를 개시하고 있으며, 본 발명의 장치는 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조를 이용하여 비침습적 방법으로 혈압을 측정할 수 있다. 특히 본 발명의 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조는 플렉서블한 구조로 설계를 함으로써 굴곡진 사람의 신체에서 틈이 발생하지 않도록 최대한 등각(conformal)을 이루는 구조를 이룬다.The present invention discloses a device for measuring blood pressure in a non-invasive manner. The device of the present invention can measure blood pressure in a non-invasive manner using a micro-ultrasonic transducer array structure. In particular, the micro ultrasonic transducer array structure of the present invention is designed as a flexible structure to form a structure that is as conformal as possible to prevent gaps in the curved human body.
또한, 본 발명의 심혈관 혈압 측정용 패치는 액추에이터와 센서 간의 간섭을 최소화하는 구조를 제공하고자 한다.In addition, the patch for measuring cardiovascular blood pressure of the present invention seeks to provide a structure that minimizes interference between the actuator and the sensor.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조는, 복수개의 초음파 발진 액추에이터 및 복수개의 초음파 신호를 감지하는 센서가 n x m 개(n 및 m은 2 이상의 정수)의 어레이로 배치되고, 상기 어레이에서 액추에이터와 센서는 서로 상하좌우에 인접하여 배치되도록 번갈아가며 배치되며, 상기 액추에이터 및 상기 센서는 압전 세라믹 복합체로 이루어져 있고, 상기 액추에이터 및 상기 센서의 하부 전극은 모두 그라운드로 연결되어 있고, 상기 액추에이터 및 상기 센서의 상부 전극은 각각의 액추에이터 및 센서에 개별적으로 전극이 연결되어 있다.In the micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention, a plurality of ultrasonic oscillation actuators and a plurality of sensors for detecting ultrasonic signals are arranged in an n x m array (n and m are integers of 2 or more), and the array The actuator and the sensor are arranged alternately so that they are adjacent to each other up, down, left, and right, the actuator and the sensor are made of a piezoelectric ceramic composite, the lower electrodes of the actuator and the sensor are all connected to the ground, and the actuator and The upper electrode of the sensor is individually connected to each actuator and sensor.
상기 압전 세라믹 복합체는 복수개의 압전 세라믹 막대들이 a x b개(a 및 b는 2 이상의 정수)의 어레이 배열로 이루어진 것이다.The piezoelectric ceramic composite is made up of a plurality of piezoelectric ceramic rods arranged in an array of a x b (a and b are integers of 2 or more).
상기 복수개의 압전 세라믹 막대들의 어레이를 결합시키고 부착시키는 고분자 물질이 상기 복수개의 압전 세라믹 막대들의 어레이 사이에 배치된다.A polymer material that bonds and attaches the array of the plurality of piezoelectric ceramic rods is disposed between the array of the plurality of piezoelectric ceramic rods.
상기 압전 세라믹 막대는 압전 세라믹 단결정 소재 또는 다결정 소재로써 (001) 배향성을 갖는 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3]가 이용된다.The piezoelectric ceramic rod is a piezoelectric ceramic single crystal material or polycrystalline material and [Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -Pb(Zr,Ti)O 3 ] with (001) orientation is used.
상기 고분자 물질은 에폭시 소재가 이용된다.The polymer material used is an epoxy material.
상기 압전 세라믹 복합체는 복수개의 압전 세라믹 막대들이 어레이 배열로 이루어져 있어서 신체 굴곡면에 등각(conformal)으로 접합이 가능하다.The piezoelectric ceramic composite is composed of a plurality of piezoelectric ceramic rods arranged in an array, so that it can be conformally bonded to the curved surface of the body.
상기 압전 세라믹 복합체의 상부 및 하부에는 전극이 배치된다.Electrodes are disposed on the top and bottom of the piezoelectric ceramic composite.
상기 압전 세라믹 복합체는 상부 및 하부 중 어느 하나에 두 개의 전극 모두가 배치되어 있다.The piezoelectric ceramic composite has two electrodes disposed on either the top or the bottom.
상기 압전 세라믹 복합체는 상부 및 하부 중 어느 하나에 두 개의 전극 모두가 배치되어 있는 경우, 일정 영역을 차지하는 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 전기적으로 절연되도록 이격되어 상기 제 1 전극이 차지한 면적 이외의 면적에 배치된 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 두 개의 전극이 모두 배치된 면의 반대면의 전체 면적을 차지하도록 배치된 전극과 전기적으로 연결되어 있다.When both electrodes are disposed on either the upper or lower part of the piezoelectric ceramic composite, the first electrode occupies a certain area and is spaced apart to be electrically insulated from the first electrode, so that the area other than the area occupied by the first electrode is It includes a second electrode disposed in an area, wherein the second electrode is electrically connected to an electrode disposed so as to occupy the entire area of a surface opposite to the surface on which both electrodes are disposed.
상기 제 1 전극이 차지하는 면적이 상기 제 2 전극이 차지하는 면적보다 크다.The area occupied by the first electrode is larger than the area occupied by the second electrode.
상기 액추에이터 및 상기 센서의 상부 전극은 각각의 액추에이터 및 센서에 개별적으로 전극이 연결되어 있어서, 센서가 각각의 위치에서 신호의 세기를 각각 측정한다.The upper electrodes of the actuator and the sensor are individually connected to each actuator and sensor, so that the sensor measures the intensity of the signal at each location.
상기 액추에이터의 상부 전극은 모든 액추에이터에 지그재그 방식으로 모두 연결되어 있다.The upper electrodes of the actuators are connected to all actuators in a zigzag manner.
상기 하부 전극 및 상기 상부 전극의 형태는 굴곡을 이루어 음파의 파동 형태로 이루어진다.The shape of the lower electrode and the upper electrode is curved to form a sound wave.
본 발명의 일 실시예에 따른 심혈관 혈압 측정용 패치는 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조를 포함한다. 상기 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조는 실리콘계 물질에 배치되어 패치 형태로 이용된다.A patch for measuring cardiovascular blood pressure according to an embodiment of the present invention includes a micro-ultrasonic transducer array structure. The micro ultrasonic transducer array structure is placed on a silicon-based material and used in the form of a patch.
본 발명에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조는 복수개의 압전 세라믹 막대가 고분자를 통해 연결되어 압전 세라믹 복합체를 이룸으로써 플렉서블한 구조를 이루고, 따라서 이러한 압전세라믹복합체는 요동맥, 경동맥 등 혈압 측정을 위한 손목, 목, 허리, 사타구니 등 사람 신체 구조의 다양한 굴곡진 표면에 틈이 발생하지 않도록 최대한 등각을 이룰 수 있도록 생체 센서의 유연한 구조를 갖는다.The micro ultrasonic transducer array structure according to the present invention forms a flexible structure by forming a piezoelectric ceramic composite by connecting a plurality of piezoelectric ceramic rods through a polymer. Therefore, this piezoelectric ceramic composite is used to measure blood pressure in the wrist such as the radial artery, carotid artery, etc. , the biometric sensor has a flexible structure to achieve maximum conformality to prevent gaps in the various curved surfaces of the human body structure, such as the neck, waist, and groin.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조를 이용한 심혈관 혈압 측정용 패치는 액추에이터와 센서 간의 간섭을 최소화하는 구조로 설계되어 정확한 센싱이 가능하다.In addition, the patch for measuring cardiovascular blood pressure using a micro-ultrasonic transducer array structure according to the present invention is designed to minimize interference between the actuator and the sensor, enabling accurate sensing.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조를 단순화한 평면 개략도를 도시한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 상부 및 하부의 전극 구조에 대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 사시도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 개략도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 단면도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 사시도 및 평면도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 상부 및 하부의 전극 구조의 실제 제작 모습 이미지를 도시한다.
도 9는 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조가 실리콘계 물질에 배치되어 패치 형태로 이용되는 모습을 도시한다.
도 10은 실제로 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 동작 주파수 기반의 펄스-에코 신호 평가 결과를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다. 1 shows a simplified plan schematic diagram of a micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are diagrams of the upper and lower electrode structures of the micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows a perspective view of a micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a schematic diagram of a micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows a cross-sectional view of a micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows a perspective view and a top view of a micro ultrasonic transducer array structure according to a further embodiment of the present invention.
Figure 8 shows an image of the actual fabrication of the upper and lower electrode structures of the micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 shows a micro ultrasonic transducer array structure placed on a silicon-based material and used in the form of a patch.
Figure 10 actually shows the results of pulse-echo signal evaluation based on the micro ultrasonic transducer array operating frequency.
Various embodiments are now described with reference to the drawings, wherein like reference numerals are used to indicate like elements throughout the drawings. In this specification, for purposes of explanation, various descriptions are presented to provide a better understanding of the invention. However, it will be clear that these embodiments may be practiced without these specific descriptions. In other instances, well-known structures and devices are presented in block diagram form to facilitate describing the embodiments.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Since the present invention can be subject to various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or steps. , it should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of operations, components, parts, or combinations thereof.
본 발명은 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조에 관한 것이고, 또한 본 발명은 이러한 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조를 포함한 심혈관 혈압 측정용 패치에 관한 것이다.The present invention relates to a micro-ultrasonic transducer array structure, and the present invention also relates to a patch for measuring cardiovascular blood pressure including this micro-ultrasonic transducer array structure.
본 발명에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조는 복수개의 압전 세라믹 막대가 고분자를 통해 연결되어 압전 세라믹 복합체를 이룸으로써 플렉서블한 구조를 이루고 있어서 사람 신체 구조의 다양한 굴곡진 표면에 틈이 발생하지 않도록 최대한 등각을 이룰 수 있도록 생체 센서의 유연한 구조를 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조를 이용한 심혈관 혈압 측정용 패치는 액추에이터와 센서 간의 간섭을 최소화하는 구조로 설계되어 정확한 센싱이 가능하다.The micro-ultrasonic transducer array structure according to the present invention is a flexible structure in which a plurality of piezoelectric ceramic rods are connected through a polymer to form a piezoelectric ceramic composite, so that it is as conformal as possible to prevent gaps in the various curved surfaces of the human body structure. The biometric sensor has a flexible structure to achieve this. In addition, the patch for measuring cardiovascular blood pressure using a micro-ultrasonic transducer array structure according to the present invention is designed to minimize interference between the actuator and the sensor, enabling accurate sensing.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조를 단순화한 평면 개략도를 도시하고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 상부 및 하부의 전극 구조에 대한 도면이다.Figure 1 shows a simplified plan schematic diagram of the micro-ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention, and Figures 2 and 3 show the top and bottom of the micro-ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention. This is a drawing of the electrode structure.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조는, 복수개의 초음파 발진 액추에이터 및 복수개의 초음파 신호를 감지하는 센서가 n x m 개(n 및 m은 2 이상의 정수)의 어레이로 배치되고, 상기 어레이에서 액추에이터와 센서는 서로 상하좌우에 인접하여 배치되도록 번갈아가며 배치된다. 액추에이터 및 센서는 압전 세라믹 복합체로 이루어져 있다.In the micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention, a plurality of ultrasonic oscillation actuators and a plurality of sensors for detecting ultrasonic signals are arranged in an n x m array (n and m are integers of 2 or more), and the array The actuators and sensors are arranged alternately so that they are adjacent to each other on the top, bottom, left, and right. The actuator and sensor are made of a piezoelectric ceramic composite.
압전 세라믹 복합체 칩을 이용한 어레이 구조의 압력 센서 신호 처리를 위하여 각 칩에 형성된 전극 구조에 따라 패치 필름 소재에 형성된 전극 패턴의 구조가 결정된다. 상/하부 전극에 각각 형성된 상부 및 하부 전극 구조의 경우, 어레이 구조의 각 칩의 상부와 하부에 접합되는 패치 필름이 별개로 형성되어야 한다. 이 경우, 패치 필름의 표면에 형성되는 전극 패턴의 구조는 어레이를 구성하는 각 압전 트랜스듀서의 배열 구조와 동일하게 형성되어야 하며, 각 트랜스듀서의 간격 또한 고려되어야 한다. 간격이 너무 좁을 경우, 압전 발진 시 이웃하는 트랜스듀서의 발진 신호의 간섭 신호가 발생하게 되고, 센싱 모드로 동작 시에도 신호 왜곡이 발생할 수 있기 때문에 어레이를 구성하는 각 트랜스듀서의 간격이 적정히 떨어져 있어야 한다. 따라서, 본 발명에서는 상기 어레이에서 액추에이터와 센서는 서로 상하좌우에 인접하여 배치되도록 번갈아가며 배치하였으며, 이는 도 3에서 확인할 수 있다. 도 3에서 A는 액추에이터(Actuator)를 의미하고, S는 센서(Sensor)를 의미한다. 도 3에서 보는 것처럼, 트랜스듀서인 액추에이터(A)와 센서(S)가 배치될 때 액추에이터의 상하좌우에 센서가 배치되고, 센서의 상하좌우에 액추에이터가 배치되게 함으로써 액추에이터와 액추에이터 사이의 간격 그리고 센서와 센서 사이의 간격을 이격시켜 유지함으로써 궁극적으로 트랜스듀서의 간격을 이룸으로써 압전 발진 시 이웃하는 트랜스듀서의 발진 신호의 간섭 신호의 발생 및 센싱 모드로 동작 시 신호 왜곡 현상을 방지하였다.For signal processing of an array-structured pressure sensor using a piezoelectric ceramic composite chip, the structure of the electrode pattern formed on the patch film material is determined according to the electrode structure formed on each chip. In the case of upper and lower electrode structures formed on the upper and lower electrodes, patch films bonded to the top and bottom of each chip of the array structure must be formed separately. In this case, the structure of the electrode pattern formed on the surface of the patch film must be identical to the arrangement structure of each piezoelectric transducer constituting the array, and the spacing of each transducer must also be considered. If the spacing is too narrow, interference signals from neighboring transducers' oscillation signals may occur during piezoelectric oscillation, and signal distortion may occur even when operating in sensing mode. Therefore, the spacing between each transducer constituting the array must be appropriately spaced. There must be. Therefore, in the present invention, in the array, the actuators and sensors are arranged alternately so that they are adjacent to each other up, down, left, and right, which can be seen in FIG. 3. In Figure 3, A stands for actuator and S stands for sensor. As shown in Figure 3, when the transducer actuator (A) and sensor (S) are arranged, the sensor is placed on the top, bottom, left, and right sides of the actuator, and the actuator is placed on the top, bottom, left, and right of the sensor, so that the gap between the actuator and the sensor By maintaining the distance between the sensor and the sensor, ultimately achieving the gap between the transducers, the generation of interference signals from the oscillation signals of neighboring transducers during piezoelectric oscillation and signal distortion when operating in sensing mode were prevented.
본 명세서에서 설명의 편의상 상부 전극/하부 전극으로 명명하였으나, 위치에 따라 상부 및 하부는 변경될 수 있는 것임은 당업자에게 자명하며, 따라서 제 1 전극 및 제 2 전극으로 명명될 수도 있다.In this specification, for convenience of explanation, they are referred to as the upper electrode/lower electrode, but it is obvious to those skilled in the art that the upper and lower electrodes can be changed depending on the location, and therefore, they may also be referred to as the first electrode and the second electrode.
위와 같은 배열을 통해서 궁극적으로 혈압을 측정하는 패치에서 이용할 때, 어레이를 구성하는 각 압전 초음파 트랜스듀서의 경우, 초음파 발진 기능하는 액추에이터(actuator)와 발진 후 생체 내 혈관 구조로부터 반사된 초음파 신호를 감지하는 센서(sensor)의 상호 간섭을 최소화하였다.When used in a patch that ultimately measures blood pressure through the above array, each piezoelectric ultrasonic transducer that makes up the array detects an actuator that functions as an ultrasonic oscillation and an ultrasonic signal reflected from the vascular structure in the body after oscillation. Mutual interference between sensors has been minimized.
본 발명에서 n x m개의 액추에이터 및 센서가 배치되고, 바람직하게 액추에이터의 개수와 센서의 개수는 동일하게 배치될 수 있다. 이 경우 n 및 m은 2 이상의 정수이다.In the present invention, n x m actuators and sensors are arranged, and preferably, the number of actuators and the number of sensors can be arranged to be the same. In this case, n and m are integers greater than or equal to 2.
도 2 및 도 3에서 보는 것처럼 하부 전극(좌측 도면)은 모두 그라운드로 연결되도록 설계되어 있고, 우측 도면에서 보는 것처럼 상부 전극은 각각 개별적으로 작동하여 트랜스듀서의 처리 신호를 독립적으로 추출하도록 하였다. 따라서 신체 부착시 정확한 위치 별 펄스 에코(pulse-echo)를 위치별로 측정이 가능하게 설계하였다. 이처럼 본 발명의 경우 상기 액추에이터 및 상기 센서의 상부 전극이 각각의 액추에이터 및 센서에 개별적으로 전극이 연결되어 있어서 센서가 각각의 위치에서 신호의 세기를 각각 측정하므로 정확한 위치별 펄스 에코의 측정이 가능하다.As shown in Figures 2 and 3, all lower electrodes (left diagram) are designed to be connected to the ground, and as shown in the right diagram, the upper electrodes operate individually to independently extract the transducer's processing signal. Therefore, when attached to the body, it was designed to measure pulse-echo at each location accurately. In this way, in the case of the present invention, the upper electrodes of the actuator and the sensor are individually connected to each actuator and sensor, so that the sensor measures the strength of the signal at each location, making it possible to accurately measure pulse echo for each location. .
한편, 액추에이터의 상부 전극은 도 3에서와 같이 각각 개별적으로 전극이 연결될 수도 있지만, 액추에이터의 전극끼리 병렬 또는 직렬로 하나로 연결될 수 있다. 이에 의해 액추에이터의 상부 전극은 모든 액추에이터에 지그재그 방식으로 모두 연결될 수도 있다. 예를 들어 도 1에서 (1,1)-(2,2)-(1-3)-(2-4) 와 같은 방식으로 지그재그 형태로 액추에이터 끼리 모두 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수도 있다. 액추에이터 끼리는 서로 동일하게 초음파를 발진하면 되므로 이렇게 서로 연결된 구조도 가능한 것이다.Meanwhile, the upper electrodes of the actuator may be connected individually as shown in FIG. 3, but the electrodes of the actuator may be connected as one in parallel or series. Accordingly, the upper electrodes of the actuators may be connected to all actuators in a zigzag manner. For example, in FIG. 1, the actuators may all be connected in series or parallel to each other in a zigzag manner in a manner such as (1,1)-(2,2)-(1-3)-(2-4). Since the actuators only need to oscillate ultrasonic waves in the same way, a structure in which they are connected to each other like this is possible.
또한, 본 발명의 전극의 형태는 도 2 및 도 3에서 보는 것처럼 상부 전극 및 하부 전극의 형태 모두 굴곡을 이루어 음파의 파동 형태로 이루어진다. 전극은 싸인파와 같은 파동 형태(연속된 S자 형태) 또는 스프링과 같은 형태로 이루어져 플렉서블하고 연신이 가능하도록 이루어져 있다. 이에 의해 신체에 부착시 신체의 굴곡된 표면에서 등각의 형태로 부착되어 작동이 가능하게 된다.In addition, as shown in Figures 2 and 3, the shape of the electrode of the present invention is such that both the upper electrode and the lower electrode are curved to form a sound wave. The electrode is made up of a sine wave-like wave shape (continuous S-shape) or a spring-like shape, making it flexible and stretchable. As a result, when attached to the body, it is attached in a conformal form on the curved surface of the body and can be operated.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 사시도를 도시하고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 개략도를 도시하며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 단면도를 도시한다.Figure 4 shows a perspective view of a micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention, Figure 5 shows a schematic diagram of a micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention, and Figure 6 shows the present invention. A cross-sectional view of a micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the invention is shown.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 경우 압전 세라믹 복합체는 복수개의 압전 세라믹 막대들이 a x b개(a 및 b는 2 이상의 정수)의 어레이 배열로 이루어진 것이 이용된다.In the case of the micro ultrasonic transducer array structure according to an embodiment of the present invention, a piezoelectric ceramic composite is used in which a plurality of piezoelectric ceramic rods are arranged in an array of a x b (a and b are integers of 2 or more).
복수개의 압전 세라믹 막대들(10)의 어레이를 결합시키고 부착시키는 고분자 물질(20)이 상기 복수개의 압전 세라믹 막대들의 어레이 사이에 배치된다.A polymer material 20 that bonds and attaches the array of the plurality of piezoelectric ceramic rods 10 is disposed between the array of the plurality of piezoelectric ceramic rods.
상기 압전 세라믹 막대(10)는 압전 세라믹 단결정 소재 또는 다결정 소재로써 (001) 배향성을 갖는 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3]가 이용될 수 있다.The piezoelectric ceramic rod 10 may be a piezoelectric ceramic single crystal material or a polycrystalline material having a (001) orientation [Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -Pb(Zr,Ti)O 3 ]. there is.
상기 고분자 물질(20)은 에폭시 소재가 이용될 수 있고, 예를 들어 Kerf에 이용될 수 있다. Kerf는 복합체에서 세라믹 부분을 갈아 내어 빈 틈이 생긴 부분을 의미한다.The polymer material 20 may be an epoxy material, for example, Kerf. Kerf refers to the part where a gap is created by grinding away the ceramic part of the composite.
이처럼 상기 압전 세라믹 복합체는 복수개의 압전 세라믹 막대들이 어레이 배열로 이루어져 있어서 플렉서블한 형태를 가지게 되므로 신체에 부착시 신체의 굴곡면에 등각(conformal)으로 접합이 가능하게 된다.In this way, the piezoelectric ceramic composite is made up of a plurality of piezoelectric ceramic rods arranged in an array, so it has a flexible form, so when attached to the body, it can be conformally joined to the curved surface of the body.
상기 압전 세라믹 복합체의 상부 및 하부에는 전극(12, 14)이 배치된다.Electrodes 12 and 14 are disposed on the top and bottom of the piezoelectric ceramic composite.
한편, 도 7과 같이 상기 압전 세라믹 복합체는 상부 및 하부 중 어느 하나에 두 개의 전극 모두가 배치된 구조를 이용할 수도 있다. Meanwhile, as shown in FIG. 7, the piezoelectric ceramic composite may use a structure in which both electrodes are disposed on either the top or the bottom.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조의 사시도 및 평면도를 도시한다.Figure 7 shows a perspective view and a top view of a micro ultrasonic transducer array structure according to a further embodiment of the present invention.
도 7과 같이 상기 압전 세라믹 복합체는 상부 및 하부 중 어느 하나에 두 개의 전극 모두가 배치되어 있는 경우, 일정 영역을 차지하는 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 전기적으로 절연되도록 이격되어 상기 제 1 전극이 차지한 면적 이외의 면적에 배치된 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 두 개의 전극이 모두 배치된 면의 반대면의 전체 면적을 차지하도록 배치된 전극과 전기적으로 연결되어 있다. 이 경우 상기 제 1 전극이 차지하는 면적이 상기 제 2 전극이 차지하는 면적보다 크며, 사실상 제 2 전극이 차지하는 면적은 극히 일부이다.As shown in FIG. 7, when both electrodes are disposed on either the top or bottom of the piezoelectric ceramic composite, the first electrode occupies a certain area and is spaced apart to be electrically insulated from the first electrode. It includes a second electrode disposed in an area other than the occupied area, and the second electrode is electrically connected to an electrode disposed so as to occupy the entire area of the surface opposite to the surface on which both electrodes are disposed. In this case, the area occupied by the first electrode is larger than the area occupied by the second electrode, and in fact, the area occupied by the second electrode is only a small part.
상하부에 독립적으로 형성된 전극 구조의 경우 신호 추출을 위하여 압전 트랜스듀서 어레이의 신호들을 처리하기 위하여 생체 센서의 패치 소재를 상, 하부 각각에 전극 패턴이 인쇄된 패치 필름이 필요한 반면에 하부 전극이 상부로 연결된 경우, 전극 패턴이 인쇄된 패치 필름을 하나만 이용하기 때문에 비교적 간단한 구조의 생체 센서 패치를 제작할 수 있는 장점을 가진다.In the case of an electrode structure formed independently at the top and bottom, a patch film with electrode patterns printed on the top and bottom of the patch material of the biosensor is required to process the signals from the piezoelectric transducer array for signal extraction, while the lower electrode is placed at the top. When connected, it has the advantage of being able to produce a biosensor patch with a relatively simple structure because only one patch film with printed electrode patterns is used.
본 발명에 따른 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조는 심혈관 혈압 측정용 패치로 이용될 수 있다. 이 경우 상기 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조는 실리콘계 물질에 배치되어 패치 형태로 이용될 수 있다. 도 8은 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조가 실리콘계 물질에 배치되어 패치 형태로 이용되는 모습을 도시한다.The micro-ultrasound transducer array structure according to the present invention can be used as a patch for measuring cardiovascular blood pressure. In this case, the micro ultrasonic transducer array structure can be placed on a silicon-based material and used in the form of a patch. Figure 8 shows a micro ultrasonic transducer array structure placed on a silicon-based material and used in the form of a patch.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.Hereinafter, the content of the present invention will be further described along with specific examples.
실시예에서는 혈압 센서로 적용하기 위한 초음파 압전 트랜스듀서 소자로서 수 mm 크기의 동일한 가로 및 세로 길이를 갖는 1-3 압전세라믹 복합체를 이용하였다. 1-3 구조의 압전세라믹복합체는 필러(pillar)로서 정사각형의 단면 구조를 갖는 압전세라믹 막대(rod)와 에폭시의 규칙적인 배열구조를 가진다. 이 경우, 압전세라믹 막대 단면의 길이는 수백 마이크로미터에서부터 다양하게 제어가 가능하며, 약 400 ㎛ 길이의 단결정 압전세라믹 막대와 약 100 ㎛ 크기의 Kerf를 에폭시 소재로, 총 500 ㎛의 피치(pitch)를 갖는 압전세라믹 복합체 소재를 활용하였다. 압전세라믹 단결정 소재는 (001) 배향성을 갖는 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3]를 사용하였다. 아래는 사용된 압전단결정 소재(Ceracomp. Co. LTd., South Korea)의 압전 특성을 표로 나타내었다.In the example, a 1-3 piezoelectric ceramic composite having the same horizontal and vertical length of several mm in size was used as an ultrasonic piezoelectric transducer element for application as a blood pressure sensor. The piezoelectric ceramic composite of the 1-3 structure has a regular arrangement of epoxy and a piezoelectric ceramic rod with a square cross-sectional structure as a pillar. In this case, the length of the cross section of the piezoelectric ceramic rod can be controlled in various ways from hundreds of micrometers, and a single crystal piezoelectric ceramic rod of about 400 ㎛ long and Kerf of about 100 ㎛ in size are made of epoxy material, with a total pitch of 500 ㎛. A piezoelectric ceramic composite material having was used. [Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -Pb(Zr,Ti)O 3 ] with (001) orientation was used as the piezoelectric ceramic single crystal material. Below is a table showing the piezoelectric properties of the used piezoelectric single crystal material (Ceracomp. Co. LTd., South Korea).
제작된 1-3 구조의 압전세라믹복합체는 압력 센서로 적용 시 초음파 신호 발진을 위해 교류 전계 신호를 인가하고, 발진된 초음파 신호가 신체 내 혈관 구조의 표면에서 반사되어 되돌아오는 초음파 신호를 감지하고 이를 전기 신호로 처리하기 위하여 표면에 전극을 코팅하게 된다. 상기 초음파 트랜스듀서는 전극 소재로 Au로 코팅된 소재를 적용하였다. When the manufactured 1-3 structure piezoelectric ceramic composite is applied as a pressure sensor, an alternating electric field signal is applied to oscillate an ultrasonic signal, and the oscillated ultrasonic signal detects the ultrasonic signal that is reflected and returned from the surface of the vascular structure in the body. Electrodes are coated on the surface to process it into an electric signal. The ultrasonic transducer used a material coated with Au as an electrode material.
또한, 제작된 1-3 구조의 압전세라믹복합체는 요동맥, 경동맥 등 혈압 측정을 위한 손목, 목, 허리, 사타구니 등 사람 신체 구조의 다양한 굴곡진 표면에 틈이 발생하지 않도록 최대한 등각을 이룰 수 있도록 생체 센서의 유연한 구조를 갖도록 설계되어야 한다. 이에 최초 제작된 1 cm × 1 cm 크기(가로, 세로)의 압전세라믹복합체는 굴곡변형이 낮아서 비교적 평탄한 표면을 가지는 신체 구조에 제한적으로 사용이 가능한 단점을 가진다. 따라서, 이를 템플레이트(template)로 사용하며, 유연한 구조의 압력 센서로 사용하기 위하여 1 mm ~ 3 mm 크기의 보다 작은 크기를 갖는 칩(chip) 구조의 압전세라믹복합체 어레이를 통해 신체 굴곡면에 등각으로 접합이 가능하도록 설계되어야 한다. 따라서, 정밀세라믹 다이싱 공정 장비를 이용하여 1 mm × 1 mm, 3 mm × 3 mm 크기의 압전세라믹복합체 구조의 칩 형태로 가공하였다. In addition, the manufactured 1-3 structure piezoelectric ceramic composite is designed to be as conformal as possible to prevent gaps in the various curved surfaces of the human body structure, such as the wrist, neck, waist, and groin for measuring blood pressure, such as the lumbar artery and carotid artery. Biometric sensors must be designed to have a flexible structure. Accordingly, the piezoelectric ceramic composite of 1 cm Therefore, this is used as a template, and in order to be used as a flexible pressure sensor, a piezoelectric ceramic composite array of a chip structure with a smaller size of 1 mm to 3 mm is used to conform to the curved surface of the body. It must be designed to enable joining. Therefore, it was processed into chips with a piezoelectric ceramic composite structure of 1 mm × 1 mm and 3 mm × 3 mm in size using precision ceramic dicing processing equipment.
각 칩형 압전세라믹복합체의 전극은 상하부에 독립적으로 코팅된 구조와 상부전극과 약 0.5 mm의 일정한 간격을 두고 하부 전극과 전기적으로 연결된 작은 전극을 상부에 동시에 형성시킨 구조의 두 가지 형태로 제작하였다. 상하부에 독립적으로 형성된 전극 구조의 경우 신호 추출을 위하여 압전 트랜스듀서 어레이의 신호들을 처리하기 위하여 생체 센서의 패치 소재를 상, 하부 각각에 전극 패턴이 인쇄된 패치 필름이 필요한 반면에 하부 전극이 상부로 연결된 경우, 전극 패턴이 인쇄된 패치 필름을 하나만 이용하기 때문에 비교적 간단한 구조의 생체 센서 패치를 제작할 수 있는 장점을 가진다. 예로써, 3 mm × 3 mm 크기의 압전세라믹복합체의 신호처리 전극을 상부에 형성한 구조를 도 7에서 나타내었다.The electrodes of each chip-type piezoelectric ceramic composite were manufactured in two forms: a structure in which the upper and lower parts were coated independently, and a structure in which a small electrode electrically connected to the lower electrode was formed simultaneously on the upper electrode at a constant interval of about 0.5 mm. In the case of an electrode structure formed independently at the top and bottom, a patch film with electrode patterns printed on the top and bottom of the patch material of the biosensor is required to process the signals from the piezoelectric transducer array for signal extraction, while the lower electrode is placed at the top. When connected, it has the advantage of being able to produce a biosensor patch with a relatively simple structure because only one patch film with printed electrode patterns is used. As an example, a structure in which a signal processing electrode of a piezoelectric ceramic composite with a size of 3 mm × 3 mm is formed on the top is shown in Figure 7.
1-3 압전복합체 제조를 위하여 절삭된 압전 세라믹 필러 사이를 에폭시 레진(resin)으로 채웠으며, 에폭시가 완전히 충진 된 압전 세라믹 필러 어레이는 에폭시를 균일하게 도포한 후 WIP (Warm Iso-static Press)로 250 bar, 65℃에서 20분간 가압 경화하였다. 전극형성을 위해 Au 전극을 스퍼터(Sputter)를 이용하여 약 20 nm 수준의 두께를 가지는 전극을 형성 할 수 있도록 하였다. 제작된 1-3 압전복합체는 압전 세라믹 필러의 두께를 고려하여 1 kV/mm의 전계로 30분간 분극공정을 실시하였다.1-3 To manufacture the piezoelectric composite, the space between the cut piezoelectric ceramic fillers was filled with epoxy resin, and the piezoelectric ceramic filler array completely filled with epoxy was uniformly applied with epoxy and then pressed using WIP (Warm Iso-static Press). Pressure cured at 250 bar and 65°C for 20 minutes. To form the electrode, the Au electrode was sputtered to form an electrode with a thickness of about 20 nm. The manufactured 1-3 piezoelectric composite was subjected to a polarization process for 30 minutes with an electric field of 1 kV/mm, considering the thickness of the piezoelectric ceramic filler.
압전세라믹복합체 칩을 이용한 어레이 구조의 압력 센서 신호 처리를 위하여 각 칩에 형성된 전극 구조에 따라 패치 필름 소재에 형성된 전극 패턴의 구조를 결정하였다. 상/하부 전극에 각각 형성된 top-bottom 전극 구조의 경우, 어레이 구조의 각 칩의 상부와 하부에 접합되는 패치 필름을 별개로 형성하였다. 추후 혈압 센서 뿐만 아니라 심장 등 보다 넓은 면적을 갖는 생체 신호를 측정하는 센서로도 확장이 가능하도록 설계 패턴의 어레이 구조는 4 × 5 로 트랜스듀서의 개수와 면적을 증가시켜 제작하였다. 이 경우, 역시 기존과 동일하게 각 트랜스듀서의 발진 신호간 간섭 신호를 최소화하기 위해 패턴 셀의 중심부 간의 간격이 5 mm를 갖도록 설계하였다. 또한 생체 센서로 굴곡된 부위에 장착이 가능하도록 전극의 형태를 선형으로 구성하지 않고 연속된 S자 형이 되도록 구성하여 피부 이완 시 30% 이상 이상 연신이 되어도 사용 가능하도록 설계하였다. 도 2는 혈압 센서용 초음파 압전 트랜스듀서 어레이의 전극 패턴 설계 구조를 보여주는 CAD 이미지이다. 어레이를 구성하는 전체 셀의 위치는 총 5 × 5로 이루어져 있으나, 생체 신호 처리를 위한 트랜스듀서 어레이는 4 × 5 어레이로 구성하였다. 그리고, 패치 소재에 인쇄된 전극 패턴과 압전 트랜스듀서 어레이의 접합 공정을 용이하게 하기 위하여 가이드 홀을 전체 패턴의 4군데 모서리 부분에 구성하였다.For signal processing of an array-structured pressure sensor using a piezoelectric ceramic composite chip, the structure of the electrode pattern formed on the patch film material was determined according to the electrode structure formed on each chip. In the case of the top-bottom electrode structure formed on the upper and lower electrodes, patch films bonded to the top and bottom of each chip of the array structure were formed separately. The array structure of the designed pattern was manufactured by increasing the number and area of transducers to 4 In this case, as before, the spacing between the centers of the pattern cells was designed to be 5 mm in order to minimize the interference signal between the oscillation signals of each transducer. In addition, to enable installation on curved areas as a biometric sensor, the shape of the electrode is not linear but a continuous S-shape, so that it can be used even when the skin is stretched by more than 30% when relaxed. Figure 2 is a CAD image showing the electrode pattern design structure of an ultrasonic piezoelectric transducer array for a blood pressure sensor. The positions of all cells constituting the array are 5 × 5, but the transducer array for biological signal processing is configured as a 4 × 5 array. Additionally, to facilitate the joining process between the electrode pattern printed on the patch material and the piezoelectric transducer array, guide holes were formed at four corners of the entire pattern.
뿐만 아니라, 도 3과 같이 어레이를 구성하는 각 압전 초음파 트랜스듀서의 경우, 초음파 발진 기능하는 액추에이터(actuator)와 발진 후 생체 내 혈관 구조로부터 반사된 초음파 신호를 감지하는 센서(sensor)의 상호 간섭을 최소화하기 위하여 아래 그림처럼 트랜스듀서 액추에이터와 센서를 번갈아 배치하는 패턴을 설계하였고, 각 트랜스듀서의 처리 신호를 독립적으로 추출하기 위한 전극 패턴 설계도 하였다.In addition, in the case of each piezoelectric ultrasonic transducer constituting the array as shown in Figure 3, mutual interference between the actuator that performs ultrasonic oscillation and the sensor that detects the ultrasonic signal reflected from the in vivo vascular structure after oscillation is prevented. In order to minimize this, we designed a pattern that alternately arranges transducer actuators and sensors as shown in the picture below, and also designed an electrode pattern to independently extract the processing signals of each transducer.
도 8과 같이 초음파 트랜스듀서의 뒤편에서 발생하는 백 노이즈(back noise)를 최소화 및 제거하기 위해 백킹 레이어(backing layer)를 필요로 한다. 이러한 백킹 레이어(backing layer)에 적합한 소재의 경우 영률이 낮은 소재가 적합하며, 이러한 소재로는 탄성력이 큰 폴리머 소재가 적합한 것으로 판단되었다. 초음파 센서가 신체에 부착되는 점을 고려하여 인체 거부감이 낮은 소재인 실리콘 재질의 ecoflex(ecoflex-0030)를 소재를 이용하였다.As shown in Figure 8, a backing layer is required to minimize and eliminate back noise occurring behind the ultrasonic transducer. In the case of the material suitable for this backing layer, a material with a low Young's modulus was judged to be suitable, and a polymer material with high elasticity was judged to be suitable as such a material. Considering that the ultrasonic sensor is attached to the body, ecoflex (ecoflex-0030) made of silicone, a material with low resistance to the human body, was used.
도 10은 실제로 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 동작 주파수 기반의 펄스-에코 신호 평가 결과를 도시한다. 에코 신호의 요골 동맥 신호와 일치 여부를 확인하기 위해, 에미터 입력 전압의 크기를 고정하고, 버스트(burst) 횟수가 에코 신호에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하였다. 1회부터 6회까지 버스트 사이클 횟수 증가에 따른 에코 신호 변화에 대한 실험을 진행하였으며, 그 결과 버스트의 사이클 횟수가 증가할수록 에코 신호를 검출하기 위한 신호 구분이 명확해짐을 알 수 있었다. 1회부터 3회의 버스트 사이클 신호를 인가하는 경우 에코 신호의 유무는 확인가능하나, 노이즈 및 잔여진동과 유사한 크기와 형태를 가진다. 반면, 4회 이상의 버스트 사이클 신호를 인가하는 경우 에코 신호의 크기가 증가하면서 이의 검출이 가능하다. 하지만, 5회와 6회 버스트 사이클의 경우 다시 1차 에코와 2차 에코가 일부분 겹치는 것을 확인할 수 있다. 4회 사이클에서 확인할 수 있는 1차 에코 신호의 출현까지는 약 11.1 ㎲ 이며, 1차와 2차 echo 신호간의 간격은 약 2.3 ㎲로 나타났다. 최적 버스트 사이클 횟수는 1차 에코와 2차 에코가 명확하게 구분되는 4회가 적합한 것으로 판단할 수 있다.Figure 10 actually shows the results of pulse-echo signal evaluation based on the micro ultrasonic transducer array operating frequency. To check whether the echo signal matches the radial artery signal, the magnitude of the emitter input voltage was fixed, and a study was conducted on the effect of the number of bursts on the echo signal. An experiment was conducted on the change in echo signals according to the increase in the number of burst cycles from 1 to 6, and the results showed that as the number of burst cycles increases, signal classification for detecting echo signals becomes clearer. When applying a burst cycle signal from 1 to 3 times, the presence or absence of an echo signal can be confirmed, but it has a size and shape similar to noise and residual vibration. On the other hand, when a burst cycle signal of 4 or more times is applied, the size of the echo signal increases and it can be detected. However, in the case of the 5th and 6th burst cycles, it can be seen that the first echo and the second echo partially overlap again. It took about 11.1 ㎲ until the appearance of the first echo signal that could be confirmed in 4 cycles, and the interval between the first and second echo signals was about 2.3 ㎲. The optimal number of burst cycles can be judged to be 4, where the first and second echoes are clearly distinguished.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it is possible.
Claims (15)
상기 어레이에서 액추에이터와 센서는 서로 상하좌우에 인접하여 배치되도록 번갈아가며 배치되며,
상기 액추에이터 및 상기 센서는 압전 세라믹 복합체로 이루어져 있고,
상기 액추에이터 및 상기 센서의 하부 전극은 모두 그라운드로 연결되어 있고,
상기 액추에이터 및 상기 센서의 상부 전극은 각각의 액추에이터 및 센서에 개별적으로 전극이 연결되어 있으며,
상기 하부 전극 및 상기 상부 전극의 형태는 굴곡을 이루어 음파의 파동 형태로 이루어진,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
A plurality of ultrasonic oscillation actuators and a plurality of sensors that detect ultrasonic signals are arranged in an nxm array (n and m are integers of 2 or more),
In the array, the actuators and sensors are alternately arranged adjacent to each other on the top, bottom, left, and right,
The actuator and the sensor are made of a piezoelectric ceramic composite,
The lower electrodes of the actuator and the sensor are all connected to ground,
The upper electrodes of the actuator and the sensor are individually connected to each actuator and sensor,
The shape of the lower electrode and the upper electrode is curved to form a sound wave,
Micro ultrasonic transducer array structure.
상기 압전 세라믹 복합체는 복수개의 압전 세라믹 막대들이 a x b개(a 및 b는 2 이상의 정수)의 어레이 배열로 이루어진 것인,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
According to claim 1,
The piezoelectric ceramic composite is made up of axb arrays of a plurality of piezoelectric ceramic rods (a and b are integers of 2 or more),
Micro ultrasonic transducer array structure.
상기 복수개의 압전 세라믹 막대들의 어레이를 결합시키고 부착시키는 고분자 물질이 상기 복수개의 압전 세라믹 막대들의 어레이 사이에 배치되는,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
According to claim 2,
A polymer material that bonds and attaches the array of the plurality of piezoelectric ceramic rods is disposed between the array of the plurality of piezoelectric ceramic rods,
Micro ultrasonic transducer array structure.
상기 압전 세라믹 막대는 압전 세라믹 단결정 소재로써 (001) 배향성을 갖는 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3]가 이용되는,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
According to claim 2,
The piezoelectric ceramic rod is a piezoelectric ceramic single crystal material using [Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -Pb(Zr,Ti)O 3 ] with (001) orientation.
Micro ultrasonic transducer array structure.
상기 고분자 물질은 에폭시 소재가 이용되는,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
According to claim 3,
The polymer material is an epoxy material,
Micro ultrasonic transducer array structure.
상기 압전 세라믹 복합체는 복수개의 압전 세라믹 막대들이 어레이 배열로 이루어져 있어서 신체 굴곡면에 등각(conformal)으로 접합이 가능한,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
According to claim 3,
The piezoelectric ceramic composite consists of a plurality of piezoelectric ceramic rods arranged in an array, so that it can be conformally bonded to the curved surface of the body,
Micro ultrasonic transducer array structure.
상기 압전 세라믹 복합체의 상부 및 하부에는 전극이 배치되는,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
According to claim 2,
Electrodes are disposed on the top and bottom of the piezoelectric ceramic composite,
Micro ultrasonic transducer array structure.
상기 압전 세라믹 복합체는 상부 및 하부 중 어느 하나에 두 개의 전극 모두가 배치되어 있는,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
According to claim 2,
The piezoelectric ceramic composite has both electrodes disposed on either the top or the bottom,
Micro ultrasonic transducer array structure.
상기 압전 세라믹 복합체는 상부 및 하부 중 어느 하나에 두 개의 전극 모두가 배치되어 있는 경우,
일정 영역을 차지하는 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 전기적으로 절연되도록 이격되어 상기 제 1 전극이 차지한 면적 이외의 면적에 배치된 제 2 전극을 포함하고,
상기 제 2 전극은 두 개의 전극이 모두 배치된 면의 반대면의 전체 면적을 차지하도록 배치된 전극과 전기적으로 연결되어 있는,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
According to claim 8,
When the piezoelectric ceramic composite has both electrodes disposed on either the top or the bottom,
It includes a first electrode occupying a certain area and a second electrode spaced apart from the first electrode so as to be electrically insulated from the first electrode and disposed in an area other than the area occupied by the first electrode,
The second electrode is electrically connected to the electrode disposed so as to occupy the entire area of the surface opposite to the surface on which both electrodes are disposed,
Micro ultrasonic transducer array structure.
상기 제 1 전극이 차지하는 면적이 상기 제 2 전극이 차지하는 면적보다 큰,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
According to clause 9,
The area occupied by the first electrode is larger than the area occupied by the second electrode,
Micro ultrasonic transducer array structure.
상기 액추에이터 및 상기 센서의 상부 전극은 각각의 액추에이터 및 센서에 개별적으로 전극이 연결되어 있어서,
센서가 각각의 위치에서 신호의 세기를 각각 측정하는,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
According to claim 1,
The upper electrodes of the actuator and the sensor are individually connected to each actuator and sensor,
The sensor measures the strength of the signal at each location,
Micro ultrasonic transducer array structure.
상기 액추에이터의 상부 전극은 모든 액추에이터에 지그재그 방식으로 모두 연결되어 있는,
마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조.
According to claim 1,
The upper electrodes of the actuators are connected to all actuators in a zigzag manner,
Micro ultrasonic transducer array structure.
심혈관 혈압 측정용 패치.
Comprising a micro ultrasonic transducer array structure according to any one of claims 1 to 12,
Patch for measuring cardiovascular blood pressure.
상기 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 구조는 실리콘계 물질에 배치되어 패치 형태로 이용되는,
심혈관 혈압 측정용 패치.In clause 14
The micro ultrasonic transducer array structure is placed on a silicon-based material and used in the form of a patch,
Patch for measuring cardiovascular blood pressure.
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