KR101562828B1

KR101562828B1 - 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서

Info

Publication number: KR101562828B1
Application number: KR1020150023905A
Authority: KR
Inventors: 박관규; 김병균
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2015-10-26

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서는 전기적 펄스를 조사받아 자체의 공진주파수를 발생시키고, 상기 공진주파수의 발생에 따라 진동하여 초음파를 발신하는 진동 플레이트; 및 상기 진동 플레이트의 상부에 형성되고, 음향학적 압력 차에 기초하여 상기 초음파를 전달 및 반사하는 음향 블록을 포함한다.

Description

음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서{CAPACITIVE MICROMACHINED ULTRASONIC TRANSDUCER WITH ACOUSTIC BOLCK}

본 발명의 실시예들은 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.

종래의 초음파 트랜스듀서는 크게 압전소자 방식 및 정전 용량형 방식으로 나뉜다. 두 방식 모두 전기적 펄스를 가하게 되면, 공진 주파수에 해당하는 초음파를 발산하게 된다. 초음파 수신 시에는 외부 초음파에 의한 소자의 진동을 전기적인 신호로 변환시키고 이를 증폭한 신호를 이용한다.

공기 중에서 활용되었던 장치는 비파형 검사와 의료목적 이미지 구현에서 사용되었다. 하지만, 공기 중에서의 반향 위치 측정(Echolocation)에 대한 연구는 미비한 상태이다. 그 이유는 트랜스듀서의 송수신에 관한 민감도와 대역폭에 관한 문제의 어려움 때문이다.

다시 말하면, 기존의 정전 용량형 초음파 트랜스듀서는 공기 중에서 작동할 때 비대역폭의 범위가 작은 단점이 존재한다. 이러한 좁은 비대역폭은 초음파 기반 영상 구현 및 유량계에서 신호의 질을 떨어뜨리는 결정적인 역할을 한다.

따라서, 초음파의 발신 및 수신 시 넓은 비대역폭을 구현할 수 있는 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 개발이 절실히 요청되고 있다.

관련 선행기술로는 일본 공개특허공보 제2007-28472호(발명의 명칭: 정전형 초음파 트랜스듀서, 정전형 초음파 트랜스듀서의 구성 방법 및 초음파 스피커, 공개일자: 2007년 9월 6일)가 있다.

본 발명의 일 실시예는 음향 블록을 이용해 초음파의 발신 및 수신 시 넓은 비대역폭을 구현할 수 있는 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서를 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 음향 블록은 상기 진동 플레이트의 상부에 형성되고, 내부에 일정 공간을 가지는 에어 갭; 및 상기 에어 갭의 상부에 형성되고, 상기 에어 갭 내부의 일정 공간과 연통하는 복수의 음향 홀을 구비하는 홀 플레이트를 포함할 수 있다.

상기 음향 블록은 상기 에어 갭과 상기 홀 플레이트 사이에서 상기 음향학적 압력 차이에 의해 공기층이 팽창과 수축을 반복하면서 상기 초음파를 전달 및 반사함으로써, 상기 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 비대역폭을 확장할 수 있다.

상기 음향 블록은 상기 음향 홀의 개수 및 크기에 따른 면적비의 조정을 통해 상기 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 비대역폭을 결정할 수 있다.

상기 면적비는 상기 음향 홀의 원의 면적과 개수를 곱한 총 면적을 상기 홀 플레이트의 면적으로 나눈 비일 수 있다.

상기 면적비가 임의의 값으로 설정된 경우, 상기 음향 홀의 지름과 개수는 반비례 관계일 수 있다.

상기 에어 갭은 상기 진동 플레이트의 테두리로부터 상향으로 연장된 원통 형태로 형성될 수 있다.

상기 진동 플레이트는 상기 에어 갭의 하부에 배치되는 상부 플레이트; 및 상기 상부 플레이트의 하부에 배치되고, 전기장에 의한 특정 주파수에 반응하여 진동함으로써 상기 초음파를 발신하는 하부 플레이트를 포함할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 음향 블록을 이용해 초음파의 발신 및 수신 시 넓은 비대역폭을 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 넓은 대역폭을 기반으로 초음파 유량계에서의 오차 범위를 획기적으로 개선할 수 있으며, 초음파 기반 영상 시스템 또는 센서 시스템의 해상도를 크게 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 평면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 음향 블록의 음향 홀 유무에 따른 주파수 응답을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 음향 블록의 음향 홀 유무에 따른 비대역폭 값의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 면적비 20%를 설정 후 각각 25, 30, 40, 50 마이크로미터의 음향 홀의 반지름에 대한 주파수 응답을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 면적비 20%를 설정 후 각각 25, 30, 40, 50 마이크로미터의 홀의 반지름에 대한 비대역폭 값의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 음향 홀의 반지름 25 마이크로미터를 고정 값으로 하여 에어 갭의 각 폭에 대한 주파수 응답을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 음향 홀의 반지름 25 마이크로미터를 고정 값으로 하여 에어 갭의 각 폭에 대한 비대역폭 값의 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 평면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서(100)는 진동 플레이트(110), 및 음향 블록(120, 130)을 포함한다.

상기 진동 플레이트(110)는 전기적 펄스를 조사받아 자체의 공진주파수를 발생시키고, 상기 공진주파수의 발생에 따라 진동하여 초음파(S)를 발신한다.

이를 위해, 상기 진동 플레이트(110)는 상부 플레이트(112), 및 하부 플레이트(114)를 포함할 수 있다.

상기 상부 플레이트(112)는 상기 음향 블록에 포함된 에어 갭(120)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 상부 플레이트(112)는 원형의 판으로 형성될 수 있다.

상기 하부 플레이트(114)는 상기 상부 플레이트(112)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 하부 플레이트(114)는 상기 상부 플레이트(112)와 마찬가지로 원형의 판으로 형성될 수 있다.

상기 하부 플레이트(114)는 전기장(E)에 의한 특정 주파수에 반응하여 진동함으로써 상기 초음파(S)를 발신할 수 있다.

구체적으로, 상기 상부 플레이트(112)는 고정되어 있고 상기 하부 플레이트(114)는 전기장(E)에 의한 특정 주파수에 반응하여 진동하여 움직이는데, 이때 상기 상부 플레이트(112)는 상기 하부 플레이트(114)와 상호 작용에 의해서 압축을 하면서 댐핑 압력을 생성할 수 있다. 상기 진동 플레이트(110)는 이러한 과정을 반복하면서 압축과 팽창에 의해서 상기 초음파(S)를 발신할 수 있게 된다.

한편, 상기 진동 플레이트(110)는 초음파(S) 수신 시에는 반사되는 압력에 의해 진동하게 되는데, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 진동 플레이트(110)에 의한 진동 에너지를 전기적 신호로 변환하여 초음파 계측을 할 수 있다.

상기 음향 블록(120, 130)은 상기 진동 플레이트(110)의 상부에 형성된다. 상기 음향 블록(120, 130)은 음향학적 압력 차에 기초하여 상기 진동 플레이트(110)에 의해 발신된 상기 초음파(S)를 전달 및 반사한다.

이를 위해, 상기 음향 블록(120, 130)은 에어 갭(air gap)(120), 및 홀 플레이트(hole plate)(130)를 포함한다.

상기 에어 갭(120)은 상기 진동 플레이트(110)의 상부에 형성되고, 내부에 일정 공간을 구비한다. 즉, 상기 에어 갭(120)은 상기 진동 플레이트(110)의 테두리로부터 상향으로 연장된 원통 형태로 형성되어, 그 내부에 일정 공간을 구비할 수 있다.

상기 홀 플레이트(130)는 상기 에어 갭(120)의 상부에 형성되고, 상기 에어 갭 내부의 일정 공간과 연통하는 복수의 음향 홀(132)을 구비한다.

상기 음향 블록(120, 130)은 상기 에어 갭(120)과 상기 홀 플레이트(130) 사이에서 상기 음향학적 압력 차이에 의해 공기층이 팽창과 수축을 반복하면서 상기 초음파(S)를 전달 및 반사할 수 있다.

이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음향 블록을 이용하여 상기 초음파(S)를 전달 및 반사함으로써 상기 정전 용량형 초음파 트랜스듀서(100)의 비대역폭을 확장할 수 있다.

이때, 상기 음향 블록(120, 130)은 상기 음향 홀(132)의 개수 및 크기(반지름)에 따른 면적비의 조정을 통해 상기 정전 용량형 초음파 트랜스듀서(100)의 비대역폭을 결정할 수 있다.

여기서, 상기 면적비는 상기 음향 홀(132)의 원의 면적과 개수를 곱한 총 면적을 상기 홀 플레이트(130)의 면적으로 나눈 비를 나타낸다.

즉, 상기 음향 블록(120, 130)은 상기 홀 플레이트(130)의 면적 대비 상기 음향 홀(132)의 면적으로 정의되는 상기 면적비에 따라 상기 정전 용량형 초음파 트랜스듀서(100)의 비대역폭을 결정할 수 있다.

상기 면적비가 임의의 값으로 설정된 경우, 상기 음향 홀(132)의 지름과 개수는 반비례 관계일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음향 홀(132)의 지름이 크면 상기 음향 홀(132)의 개수를 줄이고, 상기 음향 홀(132)의 지름이 작으면 상기 음향 홀(132)의 개수를 늘림으로써 상기 면적비를 설정된 값으로 유지할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 음향 블록의 음향 홀 유무에 따른 주파수 응답을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 음향 블록의 음향 홀 유무에 따른 비대역폭 값의 결과를 나타낸 그래프이다.

특히, 도 4는 음향 블록의 음향 홀이 없는 상태에서 시뮬레이션 한 결과를 그래프화 한 것이며, 도 5는 음향 블록의 음향 홀이 있는 상태에서 시뮬레이션 한 결과를 그래프화 한 것이다.

도 4 및 도 5에서 공진주파수를 살펴보면, 음향 홀이 없는 상태에서 시뮬레이션 한 도 4의 그래프가 음향 홀이 있는 상태에서 시뮬레이션 한 도 5의 그래프에 비해 좀더 낮게 나왔지만, 도 6의 그래프의 대역폭을 비교한다면, 오른쪽 그림(음향 홀 유)이 왼쪽 그림(음향 홀 무)보다 대역폭이 더 넓은 것을 직관적으로 확인할 수 있다.

도 6의 대역폭을 수치로 계산해보면, 왼쪽 그림의 대역폭 값은 0.4이고, 오른쪽 그림의 대역폭 값은 17.67이 나오는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 넓은 대역폭을 갖는다는 것은 CMUT(정전 용량형 초음파 트랜스듀서)를 통해서 초음파를 송수신할 때 민감도가 덜하고 이미지 구축을 더욱더 정확하게 구현할 수 있다는 것을 의미한다.

도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 면적비 20%를 설정 후 각각 25, 30, 40, 50 마이크로미터의 음향 홀의 반지름에 대한 주파수 응답을 나타낸 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 면적비 20%를 설정 후 각각 25, 30, 40, 50 마이크로미터의 홀의 반지름에 대한 비대역폭 값의 결과를 나타낸 그래프이다.

도 7 내지 도 10에서 공진주파수를 살펴보면, 음향 홀의 반지름이 25, 40μm일 때 공진주파수가 120kHz로 가장 크고, 그 다음으로 음향 홀의 반지름이 30, 50μm 순으로 공진주파수가 큰 것을 확인할 수 있다. 하지만, 공진주파수의 크기에 비례해서 비대역폭의 값이 크지는 않을 것을 확인할 수 있다.

구체적으로, 도 7 내지 10의 각 그래프에서는 직관적으로 어떤 치수가 더 비대역폭이 넓은지 확인하기 힘들다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 FEM(Finite Element Method)의 결과로서 얻은 수치데이터를 이용하여 공진주파수(Resonance Frequency)를 찾고, 이를 FBW의 공식에 대입하여 각각의 비대역폭의 수치로서 보다 더 나은 결과를 가졌는지를 판단할 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 25μm의 반지름에서는 비대역폭은 34.616, 30μm에서는 30.736, 40μm에서는 26.998, 마지막으로 50μm에서는 23.757이라는 결과가 나왔음을 확인할 수 있다.

이러한 결과에 대한 분석을 통해, 홀의 반지름이 작을수록 특정 면적비를 맞추기 위해서는 홀의 개수가 늘어나야 함을 알 수 있다. 그러므로, 4개의 반지름 치수 중에서 25μm가 가장 작으므로 홀의 개수가 가장 많다는 것을 알 수 있으며, 홀의 개수가 많을수록 비대역폭이 더 넓어져 민감도나 이미지 구축에 대한 질이 훨씬 더 좋아질 수 있다.

도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 음향 홀의 반지름 25 마이크로미터를 고정 값으로 하여 에어 갭의 각 폭에 대한 주파수 응답을 나타낸 그래프이고, 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 음향 홀의 반지름 25 마이크로미터를 고정 값으로 하여 에어 갭의 각 폭에 대한 비대역폭 값의 결과를 나타낸 그래프이다.

도 12 내지 도 15의 결과 그래프는 25 마이크로미터의 반지름이 가장 대역폭이 크다는 것을 확인 후, 에어 갭 각각의 폭의 크기에 대한 주파수 응답을 나타낸 결과이다. 도 12 내지 도 15에서 공진주파수를 살펴보면, 에어 갭의 폭이 20μm일 때 공진주파수가 140kHz이고, 에어 갭의 폭이 30μm일 때 공진주파수가 128kHz이며, 50μm일 때 공진주파수가 109kHz이고, 에어 갭의 폭이 100μm일 때 공진주파수가 84kHz인 것을 확인할 수 있다.

여기서, 에어 갭의 폭이 20μm일 때 공진주파수가 140kHz로 가장 큰 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 음향 홀의 반지름이 25μm로 고정 값을 가진 상태에서, 공진주파수는 에어 갭의 폭에 비례하는 것을 알 수 있다. 다만, 공진주파수의 크기에 비례해서 비대역폭의 값이 크지는 않는다는 것도 확인할 수 있다.

구체적으로, 도 16에 도시된 바와 같이, 수치데이터를 통해서 대역폭을 확인한 결과, 에어 갭의 폭이 30μm일 때 비대역폭 값이 32.435로 가장 높게 나타났으며, 에어 갭의 폭이 20μm일 때 비대역폭의 값이 28.562, 에어 갭의 폭이 100μm일 때 비대역폭의 값이 28.874로 나타났다. 이로써, 에어 갭의 폭에 따른 비대역폭 값이 결코 선형적으로 비례하지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.

본 실험을 통해, 본 발명의 일 실시예에서는 음향 홀의 반지름이 25μm이고 에어 갭의 폭이 30μm일 때가 가장 대역폭이 크다는 것을 확인할 수 있다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

110: 진동 플레이트
112: 상부 플레이트
114: 하부 플레이트
120: 에어 갭
130: 홀 플레이트
132: 음향 홀

Claims

전기적 펄스를 조사받아 자체의 공진주파수를 발생시키고, 상기 공진주파수의 발생에 따라 진동하여 초음파를 발신하는 진동 플레이트; 및
상기 진동 플레이트의 상부에 형성되고, 음향학적 압력 차에 기초하여 상기 초음파를 전달 및 반사하는 음향 블록
을 포함하고,
상기 음향 블록은
상기 진동 플레이트의 상부에 형성되고, 내부에 일정 공간을 가지는 에어 갭; 및
상기 에어 갭의 상부에 형성되고, 상기 에어 갭 내부의 일정 공간과 연통하는 복수의 음향 홀을 구비하는 홀 플레이트
를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서.
삭제
제1항에 있어서,
상기 음향 블록은
상기 에어 갭과 상기 홀 플레이트 사이에서 상기 음향학적 압력 차이에 의해 공기층이 팽창과 수축을 반복하면서 상기 초음파를 전달 및 반사함으로써, 상기 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 비대역폭을 확장하는 것을 특징으로 하는 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서.
제1항에 있어서,
상기 음향 블록은
상기 음향 홀의 개수 및 크기에 따른 면적비의 조정을 통해 상기 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 비대역폭을 결정하는 것을 특징으로 하는 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서.
제4항에 있어서,
상기 면적비는
상기 음향 홀의 원의 면적과 개수를 곱한 총 면적을 상기 홀 플레이트의 면적으로 나눈 비인 것을 특징으로 하는 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서.
제4항에 있어서,
상기 면적비가 임의의 값으로 설정된 경우,
상기 음향 홀의 지름과 개수는 반비례 관계인 것을 특징으로 하는 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서.
제1항에 있어서,
상기 에어 갭은
상기 진동 플레이트의 테두리로부터 상향으로 연장된 원통 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서.
제1항에 있어서,
상기 진동 플레이트는
상기 에어 갭의 하부에 배치되는 상부 플레이트; 및
상기 상부 플레이트의 하부에 배치되고, 전기장에 의한 특정 주파수에 반응하여 진동함으로써 상기 초음파를 발신하는 하부 플레이트
를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 블록을 이용한 정전 용량형 초음파 트랜스듀서.