CN114762139A - 透明超声波传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透明超声波传感器，所述透明超声波传感器可以包括：整合部，实施光阻抗匹配，并利用透明的材料构成；压电层，位于所述整合部之后并利用透明的材料构成；第一电极层及第二电极层，分别位于所述压电层的后面和前面并分别利用透明的导电性物质构成；第一壳体，连接于所述第一电极层；以及第二壳体，连接于所述第二电极层。

Description

透明超声波传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种超声波传感器及其制造方法，更详细而言，涉及一种实现光的透射的透明超声波传感器及其制造方法。
背景技术
超声波传感器或换能器是利用如下的原理而能够测量与物体的物理距离及获取物体的图像的传感器：利用压电物质的特性将电能转换为声能，之后将该能量传递到作为对象物的物体，并将反射的声能再次转换为电信号。
近来，为了高精度的感测操作、高分辨率图像和用户便利性，正在积极地开发融合诸如光学相机、激光等的光学设备和超声波传感器的技术。
但是，由于现有的超声波传感器不透明，因此无法与要求透明介质的光学设备融合，并且无法将被照射的激光和超声波传感器排列在同一轴。
发明内容
技术问题
本发明所要解决的技术问题在于，使光透射整个超声波传感器，从而简化利用了超声波传感器的光学系统的结构。
本发明所要解决的另一技术问题在于，调节入射到透明超声波传感器并再次反射而再次入射的光和超声波信号的焦点，从而提高由超声波传感器检测到的超声波图像的清晰度和光信号的清晰度。
技术方案
用于解决所述技术问题的根据本发明的一特征的一种透明超声波传感器包括：整合部，实施光阻抗匹配，并利用透明的材料构成；压电层，位于所述整合部之后并利用透明的材料构成；第一电极层及第二电极层，分别位于所述压电层的后面和前面并分别利用透明的导电性物质构成；第一壳体，连接于所述第一电极层；以及第二壳体，连接于所述第二电极层。
所述整合部可以配备有声透镜。
所述声透镜可以具有凹形形态或凸形形态。
所述整合部可以包含透明玻璃类、透明环氧树脂类及透明硅脂类中的至少一种。
所述压电层可以包含LNO、PMN-PT、PVDF及PVDF-TrFE中的至少一种。
所述第一电极层和所述第二电极层中的每一个可以包含银纳米线、ITO、碳纳米管及石墨烯中的至少一种。
所述第一电极层和所述第二电极层的大小可以彼此不同。
所述第一壳体和所述第二壳体中的每一个可以构成为在中间具有空的空间的环形态。
所述第一壳体可以与所述第一电极层的边缘部接触而布置，并且所述第二壳体可以与所述第二电极层的边缘部接触而布置。
在所述第二壳体的内部空间中可以布置有所述压电层、所述第一电极层及所述第一壳体。
所述第一壳体和所述第二壳体可以包含导电性物质。
根据所述特征的透明超声波传感器还可以包括：第一信号线，连接到所述第一壳体；以及第二信号线，连接到所述第二壳体。
根据所述特征的透明超声波传感器还可以包括：后面层，与所述第一电极层接触而布置，并衰减超声波信号。
所述后面层可以被所述第一壳体包围。
所述后面层可以包含透明玻璃类或透明环氧树脂类。
根据所述特征的透明超声波传感器还可以包括：绝缘部，位于所述第一壳体与所述第一壳体之间，并利用透明绝缘物质构成。
根据所述特征的透明超声波传感器还可以包括：保护层，位于所述整合部之前，并实施声阻抗匹配。
所述保护层可以包含聚对二甲苯。
根据所述特征的透明超声波传感器还可以包括：校正透镜，位于所述整合层之后，并调节通过所述整合层的光的焦点，并且利用透明材料构成。
所述校正透镜可以具有凸形形态。
根据本发明的另一特征的一种透明超声波透镜的制造方法可以包括如下步骤：在基板上布置压电层；在所述压电层的暴露的第一表面形成透明的第一电极层；在所述第一电极层的边缘部附着并布置第一壳体；在所述第一电极层的未布置所述第一壳体的所述第一表面上形成透明的后面层；在所述基板的边缘部以与所述第一壳体隔开的方式附着并布置第二壳体；在所述第一壳体与所述第二壳体之间注入透明的绝缘物质来形成绝缘部，从而形成第一预备透明超声波传感器；将位于所述基板之上的所述第一预备透明超声波传感器在上下方向上旋转180度并布置在所述基板上；在所述压电层的被暴露的第二表面、所述绝缘部的表面以及所述第二壳体的表面上形成透明的第二电极层；在所述第二电极层上形成透明的整合部；以及在被暴露的第一电极层上的所述整合部上形成透明的保护层。
根据所述特征的透明超声波透镜的制造方法还可以包括如下步骤：将形成至所述保护层的所述透明超声波传感器在上下方向上翻转180度并布置在所述基板上；以及在暴露的所述后面层上形成校正透镜。
根据所述特征的透明超声波透镜的制造方法还可以包括如下步骤：将形成至所述保护层的所述透明超声波传感器在上下方向上翻转180度并布置在所述基板上；以及将第一信号线连接到所述第一壳体并将第二信号线连接到所述第二壳体。
技术效果
根据这种特征，由于存在于透明超声波传感器的有效区域的所有构成要素利用使光透射的透明的材料构成，因此增加了布置配备有透明超声波传感器的光学系统的自由度，由此，能够实现空间的有效利用。
并且，由于整合部实施超声波信号及光的焦点，因此，从透明超声波传感器输出的信号获取的图像的清晰度大大提高。由此，可以清楚地确定所获取的图像中是否存在某一对象物以及对象物的形状。
此外，由于通过校正透镜进一步调节光的焦点，因此从透明超声波传感器输出的图像的清晰度进一步增加。
由于用于输入和输出外部信号的第一信号线和第二信号线连接到以包围透明超声波传感器的边缘部的方式布置的第一壳体和第二壳体，因此可以自由地连接第一信号线和第二信号线而不减小有效区域。
并且，光学元件可以自由地结合到位于最外侧的第二壳体而不减小有效区域。
附图说明
图1a至图1d是示出根据本发明的一实施例的透明超声波传感器与光学模块之间的多样的布置关系的概念图。
图2是根据本发明的一实施例而制造的透明超声波传感器的图像，(a)是附着有平凸形态的校正透镜的情况的图像，(b)是省略校正透镜和声透镜的透明超声波传感器的背面图像。
图3是根据本发明的一实施例的沿一方向剖切透明超声波传感器时获取的概念性的剖面图，其示出了校正透镜作为一示例是凸形态的平凸校正透镜的情况。
图4是根据本发明的一实施例的透明超声波传感器的概念性的分解立体图，作为一示例，是校正透镜为凸形态的平凸校正透镜的情况。
图5的(a)和(b)是分别示意性地示出根据本发明的一实施例的透明超声波传感器中使用平凹形态的平凹声透镜和平凸形态的平凸声透镜时的光的路径的示例。
图6的(a)和(b)是分别示意性地示出根据本发明的一实施例的透明超声波传感器中不使用校正透镜时和使用校正透镜时的光的路径的示例。
图7a至图7k是示出根据本发明的一实施例的透明超声波传感器的制造方法的图。
附图标记说明
1：透明超声波传感器
11：保护层
13：整合部
15：压电部
151：压电层
153：第一电极层
155：第二电极层
16：后面层
171：第一壳体
173：第二壳体
18：绝缘部
19：校正透镜
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。在说明本发明的过程中，在判断附加对本领域已公知的技术或构成的具体说明可能会使本发明的要旨不明确的情况下，在详细说明中省略其一部分。并且，本说明书中使用的术语是为了适当地表现本发明的实施例而使用的术语，其可以根据本领域的相关人员或惯例等而改变。因此，对于本术语的定义应以本说明书整体的内容为基础来定义。
这里使用的术语仅用于提及特定实施例，而不旨在限制本发明。除非在语句中表示与此明显相反的含义，否则在此使用的单数形式也旨在包括复数形式。说明书中使用的“包括”的含义具体化特定特性、区域、整数、步骤、操作、要素和/或成分，并不排除其他特定特性、区域、整数、步骤、操作、要素、成分和/或组的存在或附加。
以下，参照附图对根据本发明的一实施例的透明超声波传感器及其制造方法进行说明。
首先，参照图1a至图1d，对根据本发明的一实施例的透明超声波传感器1的操作概念进行说明。
图1a至图1d示出了利用透明超声波传感器1的光学系统的示意性的结构。
如图1a至图1d所示，照射光的光源模块100将透明超声波传感器1置于之间而位于前方，并且在后方存在被通过透明超声波传感器1的光照射后反射该光并使其再次向透明超声波传感器1侧反射的对象物200。
光源模块100用于向透明超声波传感器1侧照射光，可以是相机或激光照射部等。
透明超声波传感器1利用从光源模块100输出的光和施加到透明超声波传感器1的电信号来产生超声波，并向对象物200照射，并且再次输出与被对象物200反射而入射的超声波对应的电信号，从而能够获取针对对象物200的超声波图像。
这种透明超声波传感器1利用压电效应(piezoelectric effect)和逆压电效应向对象物200侧发送超声波，并接收从对象物200反射的超声波来产生对应电信号。
此时，压电效应可以是对压电物质施加机械力时引起介电极化来产生电的效应，与此相反地，逆压电效应可以是被施加电时引起收缩和松弛的现象。
诸如人体的一部分之类的对象物200将从透明超声波传感器1施加的超声波反射到透明超声波传感器1侧，从而能够获取针对反射超声波信号的对应部位的超声波图像。
在图1a至图1d中示出了位于光源模块100与对象物200之间的透明超声波传感器1的多样的布置结构。
图1a是以使从光源模块100输出的光的路径和从透明超声波传感器1输出的超声波信号的路径彼此平行的方式布置透明超声波传感器1的情况。即，光源模块100的光射出面S1和透明超声波传感器1的与该光射出面S1相邻的入射面S2以彼此平行的状态布置的情况。
因此，在图1a的情况下，最终入射到对象物200的光的路径P1和透明超声波传感器1的超声波信号路径P2可以彼此相同或平行，因此两个路径P1、P2形成的角度可以是0度。
如上所述，由于光学模块100位于透明超声波传感器1的后方或与透明超声波传感器1的路径P2相同的路径上，因此能够获取位于透明超声波传感器1的前方的对象物200的图像。在此情况下，可以在没有从光学超声波传感器1和光学模块100输出的信号或光的失真现象的情况下获取针对相同对象物200的相同位置的信号，从而能够获取正确的图像。
图1b至1d是使从光源模块100输出的光的路径P1和从透明超声波传感器1输出的超声波信号的路径P2形成大于0度的预定角度θ1的方式将透明超声波传感器1布置于光学模块100与对象物200之间的情况。
图1b是两个路径P1、P2形成的角度θ1大于0且小于90度的情况，图1c是两个路径P1、P2形成的角度θ1为90度的情况，图1d是大于90度的情况。
如图1b所示，在两个路径P1、P2形成的角度θ1大于0且小于90度的情况下，透明超声波传感器1在光源模块1与对象物200之间倾斜地布置。即，透明超声波传感器1的入射面S2相对于光源模块1的光射出面S1倾斜地布置。
在图1b中，透明超声波传感器1的位置以光学模块100为基准略微(即，小于90度)倾斜地布置，但是与此相反地，可以将光学模块100的位置以透明超声波传感器1为基准以小于90度的方式倾斜地布置。
在图1c中，由于在两个路径P1、P2形成的角度θ1为90度的情况下透明超声波传感器1的入射面S2相对于光源模块1的光射出面S1形成90度，因此需要将从光源模块100输出的光的路径P1改变为朝向透明超声波传感器1侧。因此，如图1c所示，在布置有光源模块100和透明超声波传感器1的情况下，可以布置将从光源模块100输出的光反射到透明超声波传感器1的反射板。此时，反射板可以利用棱镜或镜子等构成。在图1c的情况下，最终入射到对象物200的光的路径P1a可以如图1a一样与透明超声波传感器1的超声波信号路径P2一致。
借由图1c的这种布置，不仅可以获取与光学模块100面对的对象物200(即，图1a的对象物200)的图像，还可以获取从光学模块100的正面脱离并位于侧面等的对象物的图像。
并且，在图1d的情况也与图1c的情况相同，可以存在用于将光源模块100的光的路径P1改变为朝向透明超声波传感器1侧的反射板300。在图1d的情况也与图1b的情况相同，最终入射到对象物200的光的路径P1a与透明超声波传感器1的超声波信号路径P2可以彼此不同。
如上所述，由于透明超声波传感器1是透明的，因此可以在光源模块100与对象物200之间以多样的结构布置透明超声波传感器1，从而提高配备有透明超声波传感器1的光学系统的设计的多样性。
并且，由于透明超声波传感器1的布置根据配备有透明超声波传感器1的光学系统的布置空间而多样地改变，因此光学系统的设置自由度也增加。
在图1a至图1d的情况下，可以调节光学模块100与透明超声波传感器1之间的距离。由于根据所要使用的领域而所要获取信号的对象物200与透明超声波传感器1之间的距离不同，因此，通过调节光学模块100与透明超声波传感器1之间的距离，能够在准确的位置获取信号。
并且，在光学模块100的情况下，以相机为例，可以应用从用于作为医疗设备的血管用导管(catheter)或内窥镜的非常小的大小至用于汽车的比较大的大小的相机的非常多样的相机。
并且，在光学模块100为激光的情况下，若通过非常薄的光纤(optical fiber)来传递激光，则也可以使用如相机的情况的非常小的大小至较大的大小的激光。
接下来，参照图2及图6，对关于这种透明超声波传感器1的本实施例进行说明。
如图2所示，根据本发明的一实施例的透明超声波传感器1具有圆形平面形状的圆形形态，但不限于此。
如图2至图4所示，根据本发明的一实施例的透明超声波传感器1可包括从右侧开始的保护层11、位于保护层11之后的声透镜部13、位于整合部13之后的压电部15、与压电部15连接的第一壳体171及第二壳体173、位于压电部15之后的后面层16、位于第一壳体171与第二壳体173之间的绝缘部18以及位于第二壳体173之后的校正透镜部19。
保护层11用于物理及电保护透明超声波传感器1，并且减小与所要照射超声波信号的介质(即，对象物200)的声阻抗(acoustic impedance)的差异。因此，保护层11具有保护功能，可以作为实施液体(例如，水)与生物体之间的声阻抗匹配的整合层而操作。
这种保护层11可以利用透明的物质构成。作为一示例，保护层11可以包含作为透明的聚合物(polymer)的聚对二甲苯(parylene)。
在本示例中，保护层11的声阻抗可以为约2.84Mrayls。
如图3及图4所示，这种保护层11可以位于压电部1的前面及侧面以及位于透明超声波传感器1的最边缘的第二壳体173的侧面。
因此，保护层11最终可以构成透明超声波传感器1的前面和侧面。
位于保护层11之后的整合部13用于减小与所要照射从压电部15产生的超声波信号的介质(即，对象物200)之间的声阻抗(acoustic impedance)的差异。
即，当借由压电部15的操作而产生超声波信号时，为了在不是空气的水、生物组织或其他介质内有效地传递超声波信号，需要最大程度地调节对应介质的声阻抗才能最小化超声波能量的损失。
本示例的整合部13的各个声透镜可以是利用可调节光和超声波信号的焦点的声透镜的聚焦型(focused type)。
如上所述，由于整合部13具有焦点调节功能，因此被对象物200反射而入射到透明超声波传感器1的超声波信号准确地形成在压电部15的期望的位置。
因此，借由整合部13的这种焦点调节功能，可以调节借由从压电部15输出的超声波信号而获取的超声波图像的焦点，从而能够获取清晰的超声波图像。
由此，借由透明超声波传感器1的操作而获取的图像的清晰度得到提高，从而能够获取被照射超声波信号的对象物200的期望部位的清晰的图像。
并且，由于整合部13利用声透镜，因此表面的弯曲度恒定，表面的透明度得到提高，从而在收发向对象物200照射或从对象物200反射的超声波信号时，可以减少超声波信号的损失量。
并且，可以根据需要在整合部13形成追加的透射膜或阻断膜来仅透射或阻断期望波长带的信号。
配备于整合部13的声透镜可以利用透明的玻璃类、透明的环氧树脂类及透明的硅脂类中的至少一种构成。
这种声透镜可以根据声透镜的功能来选择。
例如，在声透镜起到实施声阻抗的整合功能的整合层的作用的情况下，在配备于压电部15的压电物质不是PVDF或PVDF-TrFE等的聚合物(polymer)形态的情况下，则声透镜更优选为利用玻璃类制造。
即，在压电物质利用铌酸锂(LNO：lithium niobite)或PMN-PT构成的情况下，声阻抗为30～40Mrayls而较高，但在玻璃类的情况下，声阻抗为10～15Mrayls而较低，从而具有容易匹配声阻抗的声阻抗数值，并且，透明性非常好，从而在压电物质不是聚合物形态的情况下，可以利用玻璃类制造声透镜。
但是，在执行声阻抗的整合功能的整合层已经被制造的情况下，声透镜可以利用透明的环氧树脂类或透明的硅脂类制造。
即，如果在具有约30～40Mrayls的声阻抗的压电物质与具有约1～2Mrayls的生物组织或水(即，所要照射超声波的介质)之间已经存在用于执行整合功能的整合层(约为7～20Mrayls)，则不需要单独的声阻抗匹配操作，适合具有与生物组织或水相似的声阻抗的环氧树脂类或硅脂类(约为1～3Mrayls)。即，因为环氧树脂类和硅脂类的声阻抗具有与生物组织或水几乎相似的声阻抗，所以不需要单独的声阻抗匹配。
并且，可以考虑声速(speed of sound)和声透镜的材料的声速来确定声透镜的曲面的曲率以及声透镜是凹形还是凸形。
例如，在声透镜利用玻璃类制造的情况下，可以使用光学透镜。此时，由于在玻璃类的光速比水更快，因此声透镜可以被设计成诸如平凹形(plano-concave)之类的凹形形态(例如，图5a)。
在声透镜利用透明的环氧树脂类制造的情况下，需要对首次制造的声透镜实施抛光工艺以最大程度地提高透明度，从而最终完成声透镜。如此，即使在声透镜利用环氧树脂类制造的情况下，由于在环氧树脂类的光速比水更快，因此声透镜也可以以平凹形制造。
在声透镜利用透明的硅脂类制成的情况下，如环氧树脂类的情况一样，也需要实施单独的抛光工艺最大程度地提高完成的声透镜。在此情况下，由于在硅脂类的光速比水慢，因此与玻璃类和环氧树脂类的情况不同，声透镜可以以诸如平凸形之类的凸形制造(例如，图5a)。如此，在声透镜以平凸形制造的情况下，声透镜可以具有收集光的功能。
如图3及图4所示，压电部15可以包括压电层151以及分别位于压电层151的后面和前面的第一电极层153、第二电极层1533。
压电层151是产生压电效应及逆压电效应的层，如上所述，压电层151可以包含LNO(lithium niobite)、PMN-PT、PVDF及PVDF-TrFE中的至少一种的压电物质。
LNO的机电结合系数(electromechanical coupling coefficient)约为0.49而非常高，因此机电能量转换效率非常好。
并且，由于LNO的介电常数(dielectric permittivity)低，因此在压电层151利用LNO构成的情况下，透明超声波传感器可以适合于具有较大开口部的单一元件换能器(large aperture single element transducer)。
并且，由于LNO的居里温度(Curie temperature)高，因此能够很好地承受高温，从而能够开发耐热性良好的透明超声波传感器1。
此外，在压电层151利用LNO构成的情况下，可以容易地开发具有10MHz至400MHz的中心频率的单一元件超声波传感器。
在压电层151包含PMN-PT的情况下，由于PMN-PT的压电性能(piezoelectricperformance)(d33～1500-2800pC/N)及机电结合系数(k>0.9)非常高，因此可以提高透明超声波传感器1的性能。
这种PMN-PT与LNO不同，介电常数高，因此能够开发适合于小口径的单一或阵列超声波换能器(small aperture single or array ultra sound transducer)的透明超声波传感器1。
并且，压电层51在包含PVDF及PVDF-TrFE中的至少一种的情况下可以具有以下特征。
PVDF及PVDF-TrFE具有聚合物膜(Polymer film)形态，可以制造具有柔性(flexible)且可拉伸(stretchable)的压电层51，由此可以减小压电层51的厚度，并且可以与变薄的厚度对应地制造用于约100MHz的高频带的信号的透明超声波传感器1。
并且，PVDF及PVDF-TrFE具有较低的机电结合系数和较高的接收常数(receivingconstant)，与其他压电物质相比具有较宽的带宽，单一元件或阵列形态的元件均可容易制造。
在此，单一元件(例如，单一超声波换能器)可以指包括压电物质的所有构成的数量为1个的超声波换能器。并且，阵列形态的元件(例如，阵列超声波换能器)可以是包括压电物质的所有构成的数量为多个(n个)的超声波换能器，通常可以构成为在医院主要使用的形态。此时，形态可以是线性(linear)形态、凸(convex)形态、二维(2D)矩阵(matrix)等。
在本示例的情况下，可以与PMN-PT相似地制造小口径的单一或阵列超声波换能器。
这种压电层151的物质特性可以如以下的[表1]总结。
[表1]
LNO PMN-PT PVDF&PVDF-TrFE
大小 大 小 中
带宽大小 中 中 广
可用频率范围 1MHz～400MHz 1MHz～100MHz 1kHz～100MHz
信号发送性能 良好 良好 不良
信号接收性能 良好 良好 良好
机电结合系数 中 良好 不良
分别位于压电层151的前面和后面的第一电极层153及第二电极层155从未图示的驱动信号发生器分别接收(+)驱动信号和(-)驱动信号，对压电层151发挥逆压电效应，从而使超声波信号向对象物200侧传递，相反，接收借由被对象物200反射而接收的超声波信号引起的压电层151的压电效应而产生的电信号并向外部输出。如上所述，这种第一电极层153和第二电极层155可以利用透明导电性物质构成，例如，可以包含银纳米线(AgNW)、ITO、碳纳米管及石墨烯(graphene)中的至少一种。
如图3所示，为了容易地与第一壳体171及第二壳体173结合，第一电极层153的大小和第二电极层155的大小可以彼此不同。
因此，如图3所示，在具有圆形平面形状的第一电极层153及第二电极层155中，第二电极层155的直径可以与第一电极层153的直径不同，使得第二电极层155的一部分(例如，边缘部)可以从第一电极层153的边缘部向外部延伸。
当对压电物质施加电信号(例如，脉冲信号)时，压电物质(即，压电层151)前后振动以产生超声波信号，不仅在压电层151的朝向对象物200的前面产生超声波信号，而且在与压电层151的前面相反的后面产生超声波信号。
此时，由于朝向后面产生的超声波信号不朝向对象物200，因此在后面产生的超声波信号用作噪声信号。并且，被对象物200反射并返回的超声波信号的一部分可以通过整合部15而向校正透镜部19侧输出。
因此，后面层16可以位于压电部15的后面，从而执行衰减在压电部15的后面产生的超声波信号并衰减被对象物200反射的超声波信号的作用。
如此，由于后面层16位于压电部15的后面(即，位于被反射的超声波信号入射的压电部15的前面的相反侧的面)，因此入射的超声波信号不会通过压电部15的后面。
由此，能够防止由通过压电部15的后面的超声波信号引起的不必要的信号干扰，并防止反射到压电部15的超声波信号的损失，从而减少环晕信号(ring down signal)，进而能够减少环晕现象。
环晕是不必要的信号在时间轴上较长地延伸的现象，是对图像产生造成不良影响的因素。
因此，为了通过后面层16减少这种环晕现象，可以调节声阻抗和厚度中的至少一个来制造合适的后面层16。
当利用具有较高的声阻抗的物质制造后面层16时，环晕现象减少，并且环晕现象在时间轴上减少与频域中的带宽变宽的含义相似。但是，相反，当收发超声波信号时，整个超声波信号的大小也可以因后面层16而衰减。
相反，当利用具有相对低的声阻抗的物质制造后面层16时，虽然带宽减小而不会显著减少环晕现象，但是可以增加超声波信号的收发量。
后面层16也可以利用透明的非导电性物质构成，例如，可以利用透明的环氧树脂类(例如，Epotek301)或透明的玻璃类构成。
在后面层16利用Epotek301构成的情况下，在声阻抗为3.1Mrayls而具有较低的声阻抗的情况下，实现低信号衰减(damping)，从而透明超声波传感器1能够获取较高的信号。
并且，Epotek301具有非常高的透明度，例如在380nm～2000nm的波长下具有约95％以上的透明度，并且由于在室温下被固化，因此容易制造后面层16。
在后面层16利用玻璃类构成的情况下，透明度和平坦度较高，并且不需要单独的固化工艺。
在玻璃具有约13Mrayls的声阻抗的情况下，在后面层16因较高的信号衰减作用而使脉冲长度(pulse length)减少，从而环晕效应减少，但可发挥增加透明超声波传感器1的频率的带宽的效果。
可以根据需要而省略这种后面层16。
如上所述，第一壳体171和第二壳体173分别连接到第一电极层153和第二电极层155。因此，这种第一壳体171和第二壳体173可以利用包含实现电信号的传递的导电性物质(例如，铜)的透明导电性物质构成。
因此，如图3所示，第一壳体171可以通过第一信号线L1接收对应信号并传递到第一电极层153，相反，可以将由第一电极层153施加的信号输出到第一信号线L1。
第二壳体173也可以通过作为与第一信号线L1不同的另外的信号线的第二信号线L2接收对应信号并传递到第二电极层155，相反，可以将由第二电极层155施加的信号输出到第二信号线L2。
在本示例中，输入到第一信号线L1的信号可以是脉冲信号，引入到第二信号线L2的信号可以是接地信号或屏蔽信号(-)，因此第一壳体171可以将脉冲信号传递到第一电极层153，并且第二壳体173可以将接地信号传递到第二电极层155。
如图4所示，这种第一壳体171和第二壳体173具有环(ring)形状，并且可以与各相接触的对应电极层153、155的边缘部(即，圆形的侧面)相接触而布置。
即，第一电极层153和第二电极层155可以插入并安装到位于第一壳体171和第二壳体173内部的空的空间。
因此，如图2所示，第一壳体171和第二壳体173可以布置成包围透明超声波传感器1的实际有效区域AR1的周围，从而可以最小化由第一壳体171及第二壳体173(实质上是第一壳体171)引起的有效区域AR1的减小。
如上所述，由于第一壳体171和第二壳体173执行将电信号传递到对应电极层153、155的作用，因此第一壳体171和第二壳体173可以包含导电性良好的物质。
由于第一壳体171位于布置于接收光的压电层151的整个后面的第一电极层151的边缘部(即，周围部)，因此第一壳体171最好是具有尽可能薄的宽度W11，并且可以具有尽可能厚的厚度以最小化由于布线电阻等引起的信号损失率。
如图3及图4所示，第二壳体173与具有比第一电极层153大的直径的第二电极层155结合，因此具有比第一壳体171大的直径。
并且，由于第二壳体173位于第一壳体171的外围而执行保护透明超声波传感器1作用，因此第二壳体173可以具有比第一壳体171的宽度和厚度大的宽度和厚度。
因此，如图3所示，第一电极层153和第一壳体171可以位于第二壳体173内。
并且，如上所述，暴露于外部的第二壳体173的外侧面被保护层11覆盖，以防止噪声信号通过第二壳体173引入透明超声波传感器1。
如图2及图3所示，由于第二壳体173不影响压电层151的光接收面积，因此可以根据需要增加第二壳体173的大小。
并且，可以在第二壳体173形成螺纹1731、连接器等，以将期望的光学部件结合到第二壳体173。在这种情况下，第二壳体173可以用作用于与其他部件结合的结合部。
绝缘部18位于向对应电极层153、155传递各对应电信号的第一壳体171与第二壳体173之间并与对应壳体171、173相接触，并且将第一壳体171与第二壳体173绝缘，从而能够防止电短路或短路(short)，并且可以执行固定第一壳体171和第二壳体173的位置的作用。
这种绝缘部18可以利用诸如非导电性环氧树脂之类的透明的绝缘物质构成。作为整合部13的一示例，在使用平凹(plano-concave)形态的声透镜的情况下，被对象物200反射而入射的光和超声波信号借由整合部13的声透镜而调节焦点，但在通过整合部13之后可能发生光扩散现象(参照图6a)。
因此，使与用于整合部13的声透镜的形状相反的平凸(plano-convex)形态的校正透镜部19位于后面层17的前方，并补偿这种光的折射现象，从而能够防止光扩散现象(参照图6b)。
此时，可以根据光最终位于哪个位置来选择性地使用校正透镜部19的曲率。
如此，校正透镜部19仅对光的焦点造成影响而与超声波信号的焦点无关，但是整合部13的声透镜可以对超声波信号的焦点和光的焦点均造成影响。
可以根据需要而省略校正透镜部19，并且，可以改变校正透镜部19来调节光的焦距。
并且，校正透镜部19可以具有同时调节被反射并被接收的超声波信号的焦点和光的焦点的共焦点功能。但是，在校正透镜部19配备有共焦点功能的情况下，需要考虑通过透明超声波传感器1之前的光的形态来设计校正透镜部19。
在本示例中，校正透镜部19配备有一个透镜，但不限于此，除了诸如平凸透镜之类的一个透镜之外，还可以追加配备用于校正像差的透镜，从而配备多个透镜。
具有这种结构并且位于透明超声波传感器1的有效区域AR1的全部构成要素(例如，保护层11至后面层16、校正透镜部19)利用可透射光的透明材料构成的本实施例的透明超声波传感器1的特征可以如下。
首先，由于借由整合部13的操作来实现光阻抗的匹配(即，整合)，因此可以提高从透明超声波传感器1输出的信号的可靠性。
并且，由于使用在整合部13中使用的配备有焦点调节功能的声透镜，可以调节被对象物200反射的光和超声波信号的焦点，从而可以使光和超声波信号准确地形成在压电部15的期望位置。由此，借由从透明超声波传感器1输出的信号而获取的超声波图像的清晰度较大地提高，从而不仅可以掌握对应对象物200的存在与否，而且可以掌握所检测的对象物200的准确形状。
并且，如上所述，由于构成透明超声波传感器1的构成要素(例如，保护层11至后面层16、校正透镜部19)均利用诸如透明玻璃类、透明环氧树脂类、透明硅脂类之类的透明材料构成，因此从光学模块100输出的光可以直接通过透明超声波传感器1并照射到对象物200侧。
由此，可以自由地布置配备有透明超声波传感器1的光学系统，并且可以提高设置光学系统的空间的利用率。
并且，可以根据用户的需要而选择性地使用校正透镜部19，并且可以改变校正透镜部19来调节光的焦距。
并且，在使用用于400nm-1000nm的涂覆的平凹形态光学透镜作为声透镜的情况下，可以在400nm-1000nm良好地透射光，从而提高超声波图像的清晰度。
在使用平凹形态光学透镜作为声透镜13的情况下，产生由声透镜引起的光的扩散形状，但是可以借由校正透镜部19来补偿光的扩散形状，并且光的焦点可以被调节到期望的位置。如此，可以通过使用补偿透镜来增加声透镜的选择范围。
借由这种声透镜13和校正透镜部19的焦点调节来保持光的形状(shape)，由此，可以保持精细焦点，从而可以获取高分辨率的光学图像(例如，光声图像或光学相干断层扫描图像)。
并且，由于第一信号线L1和第二信号线L2分别连接到构成透明超声波传感器1的壳体的第一壳体171和第二壳体173以将电信号施加到透明超声波传感器1的第一电极153和第二电极155，因此可以容易地实施信号线L1和L2的连接。
并且，可以在作为外侧壳体的第二壳体173形成螺纹1731等，来容易地与其他光学元件的连接或结合。如此，由于所需要的光学元件结合到位于与从光学模块100射出的光的路径完全无关的部分的第二壳体173，因此光正常地且无损失地入射到透明超声波传感器1的压电部15，并且在法线方向上通过透明超声波传感器1的中心，因此可以容易地对齐光与超声波信号。
在此，“垂直”可以表示光在与透明超声波传感器(例如，透明超声波换能器)的入射面垂直的方向上直线行进。
如此，在使光垂直入射到超声波传感器的情况下，光和超声波信号的焦点位置可以准确地一致，从而可以进一步提高从透明超声波传感器获取的图像的清晰度。
如上所述，可以存在用于最小化由于空气与介质之间的声阻抗的差异而导致的介质内的超声波能量损失的整合层。
这种整合层可以为一个以上。
在比较例中，可以如下形成这种整合层。
当超声波信号的介质为水或生物组织(1.5Mrayls)时，在压电层为LNO(34.5Mrayls)或PMN-PT(37.1Mrayls)的情况下，为了使超声波能量的收发效率最大，需要声阻抗匹配。在这种情况下，可能需要在37.1Mrayls至1.5Mrayls之间的物质的一个以上的整合层。
此时，当利用KLM模拟工具(simulation tool)(PiezoCAD、PZFLEX等)生成特定匹配层时，需要通过模拟而确认从水或生体组织传递的超声波信号的波形来寻找合适的整合层的物质，所生成的整合层的厚度也对超声波波形造成影响，因此厚度也对波形造成较大的影响，因此需要调节整合层的厚度来寻找合适的厚度。理论上，波动能量最小损失的厚度根据波动方程式在期望的λ/4的厚度中具有最小损失(c＝λ*f，c：声速(speed of sound)约1480m/s，λ：波长，f：期望的中心频率)。
在通常的超声波传感器中，通常利用银粉(silver powder)和环氧树脂(epoxy)的混合物(7.9Mrayls)生成第一个整合层。此时，可以根据银粉和环氧树脂的混合比例来调节声阻抗，作为一示例，可以为银粉：环氧树脂＝3：1.25。
然后，可以通过聚对二甲苯(2.8Mrayls)涂覆来生成第二个整合层。
在压电层为PVDF或PVDF-TrFE(约4Mrayls)的情况下，可以仅使用聚对二甲苯涂覆来生成一个整合层。在此，通过聚对二甲苯涂覆而形成的整合层不仅可以起到整合层的作用，而且可以起到由外部保护并绝缘的作用。
但是，在根据本示例的透明超声波传感器1的情况下，由于位于有效区域AR1的构成要素(例如，保护层11至后面层16、校正透镜部19)是透明的，因此在构成压电层的LNO或PMN-PT的情况下，可以利用玻璃来生成整合层13。此时，根据玻璃的原材料(例如，硼硅酸盐玻璃(borosilicate glass)＝13Mrayls、冠状玻璃(Crown glass)＝14.2Mrayls、石英(Quartz)＝14.5Mrayls、板玻璃(plate glass)＝10.7Mrayls、钠钙玻璃(sodalime glass)＝13Mrayls)的一些差异，可以适当地选择期望的玻璃而使用。
然后，可以使用透明环氧树脂类或硅脂类(例如，PDMS)来生成第二个整合层(例如，2至6Mralys)，并且可以利用聚对二甲苯涂覆来生成第三个整合层。此时，可以省略第二个整合层的生成，并且可以直接利用聚对二甲苯涂覆在第一个整合层(例如，整合部13)上直接形成第二个整合层(例如，保护层11)。在这种情况下，也可以利用通过KLM模拟的结果模拟波形来实施期望的整合层的生成。
在根据本示例的透明超声波传感器1中，作为一示例，使用利用硼硅酸盐(borosilicate)制造的工学透镜作为第一个整合层，并通过聚对二甲苯涂覆在第一个整合层上形成第二个整合层，从而实施了声阻抗匹配、由外部保护及信号绝缘。
如上所述，该光学透镜不仅可以执行声阻抗匹配的功能，而且可以执行聚焦在压电层产生的超声波信号的功能。
由于透明超声波传感器1主要用作获取图像的用途，因此超声波信号的聚焦是对高分辨率及高灵敏度(sensitivity)造成较大影响的因素。
接下来，参照图7a至图7k，对根据本示例的透明超声波传感器1的制造方法进行说明。
首先，如图7a所示，在基板300上附着并布置利用LNO构成的压电层151。此时，压电层151可以在使用高速抛光器等抛光前表面和后表面的状态下具有预定的透明度。此时
此时，压电层151的厚度可以根据所要制造的透明超声波传感器的中心频率而改变(通常，厚度＝波长/2)，并且其厚度在所有位置恒定，从而压电层151的两个表面可以具有平坦表面。
然后，如图7b所示，利用喷涂法或旋涂法(spin coating)等在暴露于外部的压电层151的一表面涂覆诸如银纳米线(AgNW)之类的透明导电性物质来形成第一电极层153。此时，除了涂覆方法之外，第一电极层153可以通过多样的方法来制造。
如图7c中所示，然后，在第一电极层153的边缘部涂覆导电性环氧树脂等，然后布置并固化环形的第一壳体171，使得第一壳体171附着于第一电极层153。
然后，在通过被第一壳体171包围的第一壳体171的内部空间而暴露的第一电极层153上注入诸如透明的环氧树脂类之类的液状的透明非导电性物质，然后固化(例如，在室温下24小时)，从而形成与第一电极层173的暴露面接触的后面层16(图7d)。此时，所形成的后面层16的厚度可以根据位于第一电极层153上的第一壳体171的突出高度而确定，作为后面层16的暴露面的后表面可以是平坦面，因此，通过透明超声波传感器1的光或激光等不会被折射。
然后，如图7e所示，在基板300的边缘部附着并布置利用具有与第一壳体171相似的导电性的导电性物质构成的环状的第二壳体173。此时，如图7e所示，第二壳体173的位置在安装有第一壳体171的压电层151的外围上与第一壳体171隔开地布置，以与第一壳体171电绝缘，并且压电层151位于由第二壳体173包围的内部空间中。
此时，第二壳体173从基板300突出的高度可以与第一壳体171的突出高度相同。
然后，在彼此隔开的第一壳体171与第二壳体173之间注入作为绝缘物质的非导电性环氧树脂之后进行固化，从而在第一壳体171和第二壳体173上形成绝缘部18(图7f)。
此时，绝缘部18的上端高度可以与位于两侧的第一壳体171及第二壳体173的突出高度相同，即，与位于两侧的第一壳体171和第二壳体173的上端高度相同。借由这种绝缘部18，第一壳体171和第二壳体173与绝缘部18的对应部分相结合。
如此，当制造包括第一壳体171和第二壳体173的预备透明超声波传感器时，将位于基板300的预备透明超声波传感器在上下方向上翻转180度，然后将预备透明超声波传感器再次布置于基板300上(图7g)。由于这种位置改变，第一壳体171与基板300接触而布置，并且压电层151的另一面(例如，前表面)暴露于外部。
然后，如图7h所示，在暴露的压电层151的面、绝缘部18的面及第二壳体173的面上，通过诸如喷涂法或旋涂法之类的多样的层形成方法，将利用诸如AgNWs之类的透明导电性物质构成的层形成为第二电极层155。
然后，利用透明玻璃类、透明环氧树脂类或透明硅脂类在被暴露的第一电极层155上的对应位置形成整合部13(图7i)。对透明超声波传感器1的效率造成影响的整合部13的厚度可以根据超声波信号的中心频率的大小来确定。
这种整合部13可以不位于第二电极层155的边缘部。
然后，如图7j所示，利用聚对二甲苯涂覆方法在暴露的所有表面上，即，在第二壳体173的侧表面上、在整合部13的暴露的表面上、在第二电极层173的未布置整合部13而暴露的表面上形成保护层11。
然后，将至此制造的预备透明超声波传感器在上下方向上旋转180度后，在被暴露的后面层16上形成凹透镜，从而形成校正透镜部19(图7k)。
最后，将第一电线L1和第二电线L2分别连接到第一壳体171和第二壳体173，以完成透明超声波传感器1(参照图3)。
在省略校正透镜部19的情况下，可以将制造到图7j的预备透明超声波传感器在上下方向上旋转180度，然后将第一信号线L1和第二信号线L2分别连接到第一壳体171和第二壳体173来完成透明超声波传感器1。
本发明的各个实施例中公开的技术特征并不仅限于该实施例，只要不彼此矛盾，各个实施例中公开的技术特征也可以合并应用于彼此不同的实施例。
以上，对本发明的透明超声波传感器的实施例进行了说明。本发明并不限于上述的实施例及附图，在本发明所属技术领域中具有普通知识的人员的观点上可以进行多样的修改及变形。因此，本发明的范围不仅由本申请的权利要求书确定，还应由与该权利要求书等同的内容确定。

Claims (23)

1.一种透明超声波传感器，包括：
整合部，实施光阻抗匹配，并利用透明的材料构成；
压电层，位于所述整合部之后并利用透明的材料构成；
第一电极层及第二电极层，分别位于所述压电层的后面和前面并分别利用透明的导电性物质构成；
第一壳体，连接于所述第一电极层；以及
第二壳体，连接于所述第二电极层。
2.根据权利要求1所述的透明超声波传感器，其中，
所述整合部配备有声透镜。
3.根据权利要求2所述的透明超声波传感器，其中，
所述声透镜具有凹透镜、凸透镜、平面透镜中的一种形态。
4.根据权利要求1所述的透明超声波传感器，其中，
所述整合部包含透明玻璃类、透明环氧树脂类及透明硅脂类中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的透明超声波传感器，其中，
所述压电层包含LNO、PMN-PT、PVDF及PVDF-TrFE中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的透明超声波传感器，其中，
所述第一电极层和所述第二电极层中的每一个包含银纳米线、ITO、碳纳米管及石墨烯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的透明超声波传感器，其中，
所述第一电极层和所述第二电极层的大小彼此不同。
8.根据权利要求7所述的透明超声波传感器，其中，
所述第一壳体和所述第二壳体中的每一个构成为在中间具有空的空间的环形态。
9.根据权利要求8所述的透明超声波传感器，其中，
所述第一壳体与所述第一电极层的边缘部接触而布置，并且所述第二壳体与所述第二电极层的边缘部接触而布置。
10.根据权利要求9所述的透明超声波传感器，其中，
在所述第二壳体的内部空间中布置有所述压电层、所述第一电极层及所述第一壳体。
11.根据权利要求9所述的透明超声波传感器，其中，
所述第一壳体和所述第二壳体包含导电性物质。
12.根据权利要求9所述的透明超声波传感器，还包括：
第一信号线，连接到所述第一壳体；以及
第二信号线，连接到所述第二壳体。
13.根据权利要求8所述的透明超声波传感器，还包括：
后面层，与所述第一电极层接触而布置，并衰减超声波信号。
14.根据权利要求13所述的透明超声波传感器，其中，
所述后面层被所述第一壳体包围。
15.根据权利要求13所述的透明超声波传感器，其中，
所述后面层包含透明玻璃类或透明环氧树脂类。
16.根据权利要求9所述的透明超声波传感器，还包括：
绝缘部，位于所述第一壳体与所述第一壳体之间，并利用透明绝缘物质构成。
17.根据权利要求1所述的透明超声波传感器，还包括：
保护层，位于所述整合部之前，并实施声阻抗整合。
18.根据权利要求17所述的透明超声波传感器，其中，
所述保护层包含聚对二甲苯。
19.根据权利要求1所述的透明超声波传感器，还包括：
校正透镜，位于所述整合层之后，并调节通过所述整合层的光的焦点，并且利用透明材料构成。
20.根据权利要求19所述的透明超声波传感器，其中，
所述校正透镜具有凸形形态。
21.一种透明超声波透镜的制造方法，包括如下步骤：
在基板上布置压电层；
在所述压电层的暴露的第一表面形成透明的第一电极层；
在所述第一电极层的边缘部附着并布置第一壳体；
在所述第一电极层的未布置所述第一壳体的所述第一表面上形成透明的后面层；
在所述基板的边缘部以与所述第一壳体隔开的方式附着并布置第二壳体；
在所述第一壳体与所述第二壳体之间注入透明的绝缘物质来形成绝缘部，从而形成第一预备透明超声波传感器；
将位于所述基板之上的所述第一预备透明超声波传感器在上下方向上旋转180度并布置在所述基板上；
在所述压电层的暴露的第二表面、所述绝缘部的表面以及所述第二壳体的表面上形成透明的第二电极层；
在所述第二电极层上形成透明的整合部；以及
在暴露的第一电极层上的所述整合部上形成透明的保护层。
22.根据权利要求21所述的透明超声波透镜的制造方法，还包括如下步骤：
将形成至所述保护层的所述透明超声波传感器在上下方向上翻转180度并布置在所述基板上；以及
在暴露的所述后面层上形成校正透镜。
23.根据权利要求21所述的透明超声波透镜的制造方法，还包括如下步骤：
将形成至所述保护层的所述透明超声波传感器在上下方向上翻转180度并布置在所述基板上；以及
将第一信号线连接到所述第一壳体并将第二信号线连接到所述第二壳体。
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