KR101622488B1 - The ultrasound array transducer manufactured by using inversion layer technique and method for manufacturing thereof - Google Patents

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KR101622488B1
KR101622488B1 KR1020140183143A KR20140183143A KR101622488B1 KR 101622488 B1 KR101622488 B1 KR 101622488B1 KR 1020140183143 A KR1020140183143 A KR 1020140183143A KR 20140183143 A KR20140183143 A KR 20140183143A KR 101622488 B1 KR101622488 B1 KR 101622488B1
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정종섭
박찬육
성진호
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동국대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an array ultrasound transducer for diagnosis through a polarization inversion and the adjustment of a thickness ratio of multiple piezoelectric elements and a manufacturing method thereof, and more specifically, to an array ultrasound transducer which is manufactured to have each of a high frequency broadband characteristic and a multi- frequency harmonic wave characteristic by means of the inversion and thickness ratio adjustment of multiple piezoelectric elements. The transducer also has a basic frequency which is improved as much as 1.5 times compared with the frequency of a single piezoelectric element structure, and an improved -6dB bandwidth when the transducer has a high frequency broadband characteristic. Therefore, due to the characteristics, the transducer easily improves the resolution of ultrasound images. When having a multi-frequency harmonic wave characteristic, the transducer is useful to implement images of the ultrasound harmonic wave because the basic frequency component is identical with that of a single piezoelectric element structure and the harmonic wave frequency component is greatly improved. By means of a valley generated between the basic frequency and the harmonic wave frequency, a filter to extract only the harmonic wave frequencies can be easily applied. The present invention is manufactured to be selectively used to have the two characteristics of the high frequency broadband and the multi-frequency harmonic wave in one array ultrasound transducer by consecutively arranging each element having the aforementioned characteristics, such that a user selectively adjusts characteristics appropriated to the diagnosis purpose. Manufacturing such array ultrasound transducer minimizes the use of an accurate cutter and designs the method similarly to a manufacturing method of the existing ultrasound transducers, thereby preventing damage to piezoelectric elements, and reducing time and costs during the manufacturing process.

Description

역전 층 기법을 이용하여 제조된 배열형 초음파 변환자 및 그 제조 방법{THE ULTRASOUND ARRAY TRANSDUCER MANUFACTURED BY USING INVERSION LAYER TECHNIQUE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an array type ultrasonic transducer manufactured by using an inversion layer technique and a method of manufacturing the array type ultrasonic transducer,

본 발명은 진단용 배열형 초음파 변환자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파 변환자에 사용되는 다중(Multiple) 압전소자의 분극역전(Polarization inversion) 및 두께비율(Thickness ratio) 조절을 통하여 한 개의 배열형 초음파 변환자가 고주파수 광대역(Broad bandwidth) 특성 및 고조파(Harmonic) 영상 구현에 용이한 다중주파수(Multiple frequency) 고조파 특성을 동시에 제공할 수 있는 진단용 배열형 초음파 변환자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an array type ultrasonic transducer for diagnosis and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a piezoelectric transducer for ultrasonic transducer, An array type ultrasound transducer for diagnosing an array type ultrasound transducer capable of simultaneously providing a high frequency broad bandwidth characteristic and a multiple frequency harmonic characteristic which is easy to implement a harmonic image and a method of manufacturing the same will be.

일반적으로 초음파 영상 시스템은 초음파 변환자에서 발생되는 초음파를 인체 내부에 송수신해서 진단용 초음파 영상을 구현한다. 초음파 영상의 해상도를 향상시키기 위해서는 초음파 변환자의 기본주파수를 증가시키거나, 초음파 변환자가 넓은 주파수 대역을 가지도록 해야 한다. 또한 인체 조직의 비선형성(Nonlinearity)에 의해 발생되는 고조파 주파수 성분(주로 기본주파수의 2배)을 사용해서도 영상의 해상도를 향상 시킬 수 있다. 하지만 기본 주파수를 증가시키기 위해서는 압전소자를 얇게 만드는 작업이 필요하기 때문에 제조 공정에 어려움이 많다. 일반적으로 진단용 배열형 초음파 변환자에 사용되는 PMN-PT 및 PZT-5H 등의 압전소자들은 자체 음향 임피던스(Acoustic impedance) 값이 매우 크므로 넓은 주파수 대역을 갖는데 한계를 지니고 있다. 음향 임피던스를 낮추기 위해 압전소자와 에폭시를 이용해서 2-2, 1-3 복합체(Composite)의 구조를 가지도록 압전소자의 구조를 변경하는 방법이 있으나, 이 경우 또한 제조공정이 복잡해지는 문제점을 가지고 있으며 고조파 영상을 획득하는데 충분한 대역폭을 제공하는데 어려움이 있다. 고조파 영상을 구현할 때는 기본주파수보다 약 2배 높은 주파수 성분이 사용하는 초음파 변환자 대역폭에 충분히 포함되어야 하지만, 제한된 대역폭으로 인해 일반적인 초음파 변환자 구조에서 기본주파수 성분의 약 2배 높은 주파수 성분을 포함하기 어려우며, 이러한 고조파 성분을 이용하여 영상을 구현하더라도 고조파 주파수 성분의 신호 수신 효율이 낮기 때문에 초음파 영상으로 구현하고 진단하는데 많은 어려움이 따른다. 또한 초음파 고조파 영상 구현을 위해 고조파 주파수 성분만을 추출 하기 위한 필터 적용 시 고조파 주파수 성분이 가지는 주파수 범위 외에 다양한 주파수 성분이 포함되어 있기 때문에 순수하게 고조파 주파수 성분만을 추출하기가 어렵다.Generally, an ultrasound imaging system transmits ultrasound generated by an ultrasound transducer to the inside of the human body and implements diagnostic ultrasound imaging. In order to improve the resolution of the ultrasound image, the fundamental frequency of the ultrasound transducer must be increased or the ultrasound transducer must have a wide frequency band. Also, the resolution of the image can be improved by using the harmonic frequency component (mainly twice the fundamental frequency) generated by the nonlinearity of the human body. However, in order to increase the fundamental frequency, it is necessary to make the piezoelectric element thin, so that the manufacturing process is difficult. In general, piezoelectric elements such as PMN-PT and PZT-5H used in a diagnostic array-type ultrasonic transducer have a limitation in having a wide frequency band because their acoustic impedance values are very large. In order to lower the acoustic impedance, there is a method of changing the structure of the piezoelectric element so as to have a structure of 2-2 or 1-3 composite using a piezoelectric element and an epoxy, but also the manufacturing process becomes complicated And it is difficult to provide sufficient bandwidth to acquire harmonic images. In implementing a harmonic image, the frequency component that is about twice as high as the fundamental frequency should be included in the ultrasound transducer bandwidth to be used. However, due to the limited bandwidth, a frequency component about twice as high as the fundamental frequency component is included in the general ultrasound transducer structure And even if the image is implemented using such a harmonic component, the signal reception efficiency of the harmonic frequency component is low, so that it is difficult to implement and diagnose the ultrasonic image. In addition, when applying a filter for extracting only harmonic frequency components to implement ultrasonic harmonic image, it is difficult to extract only harmonic frequency components purely because various frequency components are included in the frequency range of harmonic frequency components.

본 발명의 일 실시예로써, 다중 압전소자의 분극역전 및 두께비율 조절을 통해 고주파수 광대역 특성의 소자와 다중주파수 고조파 특성의 소자를 동시에 갖는 진단용 초음파 변환자 제조 방법이 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자에서 고주파수 광대역 특성을 갖는 소자는 단일 압전소자 구조 대비 약 1.5배 증가된 기본주파수 성분을 가지며 동시에 넓은 대역폭을 가질 수 있다. 또한, 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자의 경우 단일 압전소자 구조 대비 고조파 주파수 성분에서 향상된 진폭을 갖도록 할 수 있으며, 기본 주파수와 고조파 주파수 사이의 대역폭 밸리(Valley)를 이용해서 고조파 주파수 성분을 용이하게 추출 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 변환자 제조 기법에 따르면 이러한 두 가지의 특성을 한 개의 변환자에서 용이하게 구현 할 수 있도록 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 변환자 구조에서는 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자를 순차적으로 배열하여 하나의 진단용 배열형 초음파 변환자로 제조함으로써 하나의 초음파 변환자에서 사용자의 목적에 맞게 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 선택적으로 사용하거나 상기 두 가지 특성을 동시에 구동하여 사용함으로써 초음파 영상의 해상도를 향상시킬 수 있다.
As an embodiment of the present invention, a method for manufacturing an ultrasonic transducer for diagnostics having a device having a high-frequency broadband characteristic and a device having a multiple-frequency harmonic characteristic at the same time can be provided through polarization reversal and thickness ratio control of a multiple piezoelectric transducer. In an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention, a device having a high-frequency broadband characteristic can have a basic frequency component that is about 1.5 times higher than that of a single piezoelectric device structure and can have a wide bandwidth at the same time. In the case of a device having multiple frequency harmonic characteristics, it is possible to have an improved amplitude at a harmonic frequency component compared to a single piezoelectric device structure, and to easily extract a harmonic frequency component using a bandwidth valley between a fundamental frequency and a harmonic frequency can do. According to the transformer manufacturing technique according to the embodiment of the present invention, these two characteristics can be easily implemented in one transformer. In the transducer structure according to an embodiment of the present invention, the elements having high frequency broadband and multi-frequency harmonic characteristics are sequentially arranged and manufactured as a single array type ultrasonic transducer for diagnosis, so that one ultrasonic transducer generates high frequency broadband Characteristics and multi-frequency harmonic characteristics can be selectively used, or both characteristics can be simultaneously used to improve the resolution of the ultrasound image.

본 발명의 일 실시예로써, 역전층 기법을 이용하여 제조된 배열형 초음파 변환자가 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자는 다중 압전소자의 분극역전 및 두께비율 조절을 통해 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성이 선택적으로 또는 동시에 나타날 수 있다. As an embodiment of the present invention, an array type ultrasonic transducer manufactured using a reverse layer technique can be provided. The ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention can selectively or simultaneously exhibit high frequency broadband and multiple frequency harmonic characteristics through polarization reversal and thickness ratio control of the multiple piezoelectric elements.

초음파 변환자에 포함되는 다중 압전소자는 동일한 압전소자 또는 각기 다른 종류의 압전소자일 수 있다. The multiple piezoelectric elements included in the ultrasonic transducer may be the same piezoelectric element or different kinds of piezoelectric elements.

초음파 변환자는 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자를 제조하기 위한 다중 압전소자 구조에서, 각 소자들의 극 방향은 상호 반대가 되도록 접합될 수 있다. Ultrasonic transducers can be conjugated so that their polarities are opposite to each other in a multiple piezoelectric device structure for manufacturing devices having high frequency broadband and multi-frequency harmonic characteristics.

초음파 변환자는 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자를 제조하기 위한 다중 압전소자 구조에서, 각 소자들의 두께 비율이 상이할 수 있다. Ultrasonic transducers may have different thickness ratios for each element in a multiple piezoelectric element structure for fabricating devices with high frequency broadband and multiple frequency harmonic characteristics.

본 발명의 다른 실시예로써, 역전층 기법을 이용하여 제조된 배열형 초음파 변환자가 제공될 수 있다. 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성이 초음파 변환자에서 나타나게 하기 위하여 고주파수 광대역 특성이 나타나는 소자와 다중주파수 고조파 특성이 나타나는 소자는 순차적으로 배열될 수 있다. As another embodiment of the present invention, an array type ultrasonic transducer fabricated using a reverse layer technique can be provided. In order for the high frequency broadband characteristic and the multiple frequency harmonic characteristic to appear in the ultrasonic transducer, a device exhibiting a high frequency broadband characteristic and a device exhibiting a multiple frequency harmonic characteristic may be sequentially arranged.

초음파 변환자는 각기 다른 비율로 구성된 고주파수 광대역폭 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자들을 순차적으로 배열하기 위하여 절삭된 공간끼리 서로 맞물리게 접합될 수 있다. The ultrasonic transducer can be interlocked with the cut spaces to sequentially arrange the elements having the high frequency optical bandwidth and the multiple frequency harmonic characteristic configured at different ratios.

초음파 변환자는 단일 소자 변환자 또는 배열형 변환자를 포함할 수 있다. The ultrasound transducer may include a single element transducer or an array transducer.

초음파 변환자에 포함된 흡음층 및 다중 정합층의 재료, 두께 또는 형태에 따라 기본주파수 및 대역폭의 조정될 수 있다. The fundamental frequency and bandwidth can be adjusted according to the material, thickness or shape of the sound-absorbing layer and the multiple matching layer included in the ultrasonic transducer.

초음파 변환자와 연결 가능한 스위치의 조작에 기초하여 고주파수 광대역 모드, 다중주파수 고조파 모드 및 합성 모드 중 어느 하나의 모드로 신호의 송수신이 가능하고, 합성 모드는 고주파수 광대역과 다중주파수 고조파 특성이 결합된 모드일 수 있다. It is possible to transmit and receive signals in any one of the high frequency broadband mode, the multiple frequency harmonic mode, and the combining mode based on the operation of the switch connectable with the ultrasonic transducer, and the combining mode is a mode combining high frequency broadband and multi frequency harmonic characteristics Lt; / RTI >

합성 모드에서 고주파수 광대역 특성이 나타나는 적어도 하나의 소자 및 다중주파수 고조파 특성이 나타나는 적어도 하나의 소자를 동시에 구동하여 수신되는 각각의 신호는 초음파 변환자와 연결 가능한 연산부에서 합산되고, 초음파 변환자와 연결 가능한 정규화부에 의하여 선택적으로 정규화될 수 있다. At least one element exhibiting a high-frequency broadband characteristic in the composite mode and at least one element exhibiting multi-frequency harmonic characteristics simultaneously are simultaneously driven, and the received signals are summed in an operation unit connectable with an ultrasonic transducer, Can be selectively normalized by the normalization unit.

본 발명의 일 실시예로써, 역전층 기법을 이용하여 배열형 초음파 변환자를 제조하기 위한 방법이 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 다중 압전소자로 이용 가능한 제 1 소자와 제 2 소자의 극 방향을 초음파 에너지가 진행하는 방향으로 동일하게 위치하도록 정렬하는 단계, 제 1 소자와 제 2 소자의 표면에 대하여 적어도 하나 이상의 기둥 형태로 절삭하는 단계, 표면이 절삭된 제 1 소자와 제 2 소자의 극 방향이 서로 마주보도록 접합하는 단계, 접합된 소자의 표면을 절삭하여 치폭(Kerf)을 생성하는 단계, 생성된 치폭에 충전재(Filler)를 충전하는 단계 및 소정의 기본주파수 성분을 갖도록 접합된 소자의 상면 및 하면을 랩핑(Lapping)하는 단계를 포함할 수 있다. As one embodiment of the present invention, a method for fabricating an array-type ultrasonic transducer using a reverse-layer technique can be provided. A method according to an embodiment of the present invention includes aligning the polarities of a first element and a second element available as multiple piezoelectric elements so as to be located in the same direction in which ultrasonic energy propagates, Cutting the surface of the first element and the second element so that the polar directions of the first element and the second element are opposite to each other; cutting the surface of the bonded element to produce a width (Kerf) Filling the fillet with the generated tooth width, and lapping the upper and lower surfaces of the bonded element to have a predetermined fundamental frequency component.

본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나 이상의 기둥 형태는 동일한 폭과 동일한 높이값을 갖고, 표면에 대하여 동일한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. The at least one column shape according to an embodiment of the present invention may have the same width and the same height value, and may be formed at equal intervals with respect to the surface.

본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 제 1 소자 및 제 2 소자에 신호를 인가하기 위한 인쇄회로기판의 표면의 신호선에 맞춰서 앞서 접합된 소자를 접합하는 단계, 접합된 소자의 상부에 접지층을 접합하는 단계 및 접합된 소자의 하부에 흡음층을 접합하고, 접합된 소자의 상부에 적어도 하나 이상의 정합층을 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
A method according to an embodiment of the present invention includes the steps of bonding an element bonded in advance to a signal line on a surface of a printed circuit board for applying a signal to a first element and a second element, Bonding the sound absorbing layer to the lower portion of the bonded element, and bonding at least one of the matching layers to the upper portion of the bonded element.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자에서 고주파수 광대역 특성을 갖는 소자(220)는 단일 압전소자 구조 대비 약 1.5배 증가된 기본주파수 성분을 가지며 동시에 넓은 대역폭을 가질 수 있다. In the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention, the device 220 having a high-frequency broadband characteristic may have a fundamental frequency component increased by about 1.5 times as much as a single piezoelectric device structure, and at the same time, have a wide bandwidth.

또한, 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자(230)의 경우 단일 압전소자 구조 대비 고조파 주파수 성분에서 향상된 진폭을 갖도록 할 수 있다. In addition, in the case of the device 230 having the multiple frequency harmonic characteristic, it is possible to have an improved amplitude at the harmonic frequency component with respect to the single piezoelectric device structure.

또한, 기본 주파수와 고조파 주파수 사이의 대역폭 밸리(Valley)를 이용해서 고조파 주파수 성분을 용이하게 추출 할 수 있다. In addition, the harmonic frequency components can be easily extracted using the bandwidth valley between the fundamental frequency and the harmonic frequency.

본 발명의 일 실시예에 따른 변환자 구조에서는 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자를 순차적으로 배열하여 하나의 진단용 배열형 초음파 변환자로 제조함으로써 하나의 초음파 변환자에서 사용자의 목적에 맞게 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 선택적으로 사용하거나 상기 두 가지 특성을 동시에 구동하여 사용함으로써 초음파 영상의 해상도를 향상시킬 수 있다.In the transducer structure according to an embodiment of the present invention, the elements having high frequency broadband and multi-frequency harmonic characteristics are sequentially arranged and manufactured as a single array type ultrasonic transducer for diagnosis, so that one ultrasonic transducer generates high frequency broadband Characteristics and multi-frequency harmonic characteristics can be selectively used, or both characteristics can be simultaneously used to improve the resolution of the ultrasound image.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 압전소자 분극역전 및 두께비율 조절을 통한 고주파수 광대역 특성을 갖는 압전소자의 구조와 다중주파수 고조파 특성을 갖는 압전소자의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자 구조의 성능을 검증하기 위한 다양한 구조의 압전소자들을 도시한다.
도 3은 압전소자의 구조에 따른 전기적 임피던스 결과의 FEM(Finite element method) 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 상황 하에서의 FEM 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 동시에 가질 수 있는 초음파 변환자를 제조하는 과정을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자를 이용하여 초음파 영상을 획득할 수 있는 초음파 시스템의 블록도이다.
FIG. 1 shows a structure of a piezoelectric device having a high frequency broadband characteristic by controlling the polarization inversion and thickness ratio of a multiple piezoelectric device and a structure of a piezoelectric device having multiple frequency harmonic characteristics according to an embodiment of the present invention.
2 shows piezoelectric elements of various structures for verifying the performance of the piezoelectric element structure according to an embodiment of the present invention.
3 shows a simulation result of an FEM (finite element method) of the electrical impedance result according to the structure of the piezoelectric element.
4 shows FEM simulation results under various situations according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 illustrates a process of fabricating an ultrasonic transducer capable of simultaneously having a high-frequency broadband and a multi-frequency harmonic characteristic according to an embodiment of the present invention.
6 is a block diagram of an ultrasound system capable of acquiring an ultrasound image using an ultrasound transducer according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. The terms used in this specification will be briefly described and the present invention will be described in detail.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Also, in certain cases, there may be a term selected arbitrarily by the applicant, in which case the meaning thereof will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term, not on the name of a simple term, but on the entire contents of the present invention.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하고, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.When an element is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements as well, without departing from the spirit or scope of the present invention. Also, the terms " part, "" module," and the like described in the specification mean units for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software .

명세서 전체에서 "초음파 영상"이란 초음파의 산란, 반사, 굴절 원리를 이용하여 획득된 대상체에 대한 영상을 의미한다. The term "ultrasound image" in the entire specification means an image of a target object obtained by using the principle of scattering, reflection, and refraction of ultrasound.

명세서 전체에서 "사용자"는 의료 전문가로서 의사, 간호사, 임상 병리사, 의료 영상 전문가 등이 될 수 있으며, 의료 장치를 수리하는 기술자가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.Throughout the specification, the term "user" may be a physician, nurse, clinician, medical imaging expert, etc. as a medical professional and may be, but not limited to, a technician repairing a medical device.

명세서 전체에서 "대상체"는 신체의 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 대상체에는 간이나, 심장, 자궁, 뇌, 유방, 복부 등의 장기가 포함될 수 있다.Throughout the specification, "object" can include a portion of the body. For example, a subject may include organs such as the liver, heart, uterus, brain, breast, abdomen, and the like.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 압전소자 분극역전 및 두께비율 조절을 통한 고주파수 광대역 특성을 갖는 압전소자(220)의 구조와 다중주파수 고조파 특성을 갖는 압전소자(230)의 구조를 나타낸다.1 shows a structure of a piezoelectric device 220 having a high-frequency broadband characteristic and a structure of a piezoelectric device 230 having multiple frequency harmonic characteristics by controlling the polarization inversion and thickness ratio of the multiple piezoelectric device according to an embodiment of the present invention .

본 발명의 실시 예에 따른 초음파 변환자는 다중 압전소자 분극역전 및 두께비율 조절을 통한 고주파수 광대역 특성을 갖도록 도 1의 (a)에서와 같은 구조를 가질 수 있다. 또한, 초음파 변환자는 도 1의 (b)에서와 같이 다중주파수 고조파 특성을 갖는 압전소자의 구조를 가질수도 있다.The ultrasonic transducer according to the embodiment of the present invention may have a structure as shown in FIG. 1 (a) so as to have a high frequency broadband characteristic through the polarization inversion of the multiple piezoelectric elements and the thickness ratio control. Also, the ultrasonic transducer may have a structure of a piezoelectric element having multiple frequency harmonic characteristics as shown in FIG. 1 (b).

도 1을 참조하면, 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 구조를 위해서 사용되는 압전소자는 PMN-PT(100), PZT-5H(110) 등의 압전소자를 포함하며, 이에 한정되지 않고 다양한 압전소자들을 이용하여 제조가 가능하고, PMN-PT(100)와 PZT-5H(110)간의 위치가 서로 변동될 수 있다. 각 압전소자는 분극 방향(120)이 서로 반대가 되도록 접합하여 제조하며, 변환자 적층 구조에서 각 압전소자의 두께비율에 따라 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성으로 구분될 수 있다. 다시 말해서, 설계하고자 하는 기본주파수에 적합한 압전소자 전체 두께를 t로 설정하고, 분극역전층의 두께를 t1으로 설정했을 때 분극역전층이 초음파 에너지가 진행되는 상부에 위치할 경우 고주파수 광대역 특성을 가지며, 하부에 위치할 경우 다중주파수 고조파 특성을 가질 수 있다. 1, a piezoelectric device used for a structure having high frequency broadband and multiple frequency harmonic characteristics includes a piezoelectric device such as PMN-PT 100 and PZT-5H 110, Devices, and the positions of the PMN-PT 100 and the PZT-5H 110 may be varied from each other. Each piezoelectric element is manufactured by bonding the piezoelectric elements 120 so that the polarization directions 120 are opposite to each other, and can be classified into high frequency broadband and multiple frequency harmonic characteristics according to the thickness ratio of each piezoelectric element in the transducer laminate structure. In other words, when the total thickness of the piezoelectric device suitable for the fundamental frequency to be designed is set to t and the thickness of the polarization inversion layer is set to t 1 , when the polarization inversion layer is located at the upper part where the ultrasonic energy advances, And may have multiple frequency harmonic characteristics when positioned at the bottom.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자 구조의 성능을 검증하기 위한 다양한 구조의 압전소자들을 도시한다. 도 2는 본 발명에서 제시하는 압전소자 구조의 성능을 검증하기 위해 비교 차원에서 시도한 다양한 구조의 압전소자들을 도시한 것이며, 해당 구조의 압전소자들은 모두 유사한 기본주파수를 가질 수 있다. 도 2의 (a)와 (b)는 각각 PMN-PT(100)와 PZT-5H(110)로 구성된 단일 압전소자 구조를 도시하였으며, 도 2의 (c)와 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 구조와 동일하지만 분극역전을 하지 않은 구조를 나타낸다.2 shows piezoelectric elements of various structures for verifying the performance of the piezoelectric element structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 shows piezoelectric elements of various structures attempted at a comparative level to verify the performance of the piezoelectric element structure proposed in the present invention, and all the piezoelectric elements of the structure can have a similar fundamental frequency. 2 (a) and 2 (b) show a single piezoelectric device structure composed of a PMN-PT 100 and a PZT-5H 110, and FIGS. 2 (c) and 2 The structure is the same as that of the piezoelectric element according to the embodiment, but shows a structure in which the polarization is not reversed.

도 3은 압전소자의 구조에 따른 전기적 임피던스 결과의 FEM(Finite element method) 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 3의 (a)와 (b)는 다중 압전소자(PMN-PT와 PZT-5H 등)를 사용했을 때 분극역전의 유무에 따른 결과이고, 도 3의 (c)는 단일 압전소자(LiNbO3, Lithium niobate)를 사용했을 때 분극역전의 유무에 따른 결과이다.3 shows a simulation result of an FEM (finite element method) of the electrical impedance result according to the structure of the piezoelectric element. 3 (a) and 3 (b) show the results depending on the presence or absence of polarization reversal when multiple piezoelectric elements (such as PMN-PT and PZT-5H) Lithium niobate) is the result of the presence or absence of polarization reversal.

도 3을 참조하면, (a)~(c) 모두 분극역전을 하지 않을 경우 기본 주파수 성분만이 측정되는 것을 알 수 있으며, 분극역전층이 존재할 경우 기본 주파수 성분의 진폭은 감소하였지만 고조파 주파수 성분이 동시에 발생되는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 분극역전을 갖는 다중 압전소자의 두께비율 조절을 통해 기본주파수 및 고조파 주파수 성분을 포함하는 넓은 대역폭의 신호를 얻을 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that only the fundamental frequency component is measured when the polarization inversion is not performed in all of the cases (a) to (c), and the amplitude of the fundamental frequency component decreases when the polarization inversion layer exists, Is generated. Therefore, it is possible to obtain a wide bandwidth signal including the fundamental frequency and the harmonic frequency component by controlling the thickness ratio of the multiple piezoelectric transducer having the polarization inversion according to the embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 상황 하에서의 FEM 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 4의 (a), (b)는 도 1에서 도시된 (a), (b) 구조를 바탕으로 흡음층 및 다중 정합층을 접합하여 FEM 시뮬레이션을 이용해 실시한 펄스에코 시험 결과의 FFT(Fast Fourier transform) 스펙트럼을 도시한 것이다.4 shows FEM simulation results under various situations according to an embodiment of the present invention. 4 (a) and 4 (b) show the FFT (Fast Fourier Transform) of the result of the pulse echo test performed using the FEM simulation by bonding the sound-absorbing layer and the multiple matching layer on the basis of the structures (a) transform spectrum.

도 4의 (a)는 도 1의 (a)에서 도시된 고주파수 광대역 특성을 갖는 소자의 결과이며, 도 4의 (b)는 도 1의 (b)에서 도시된 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자의 결과이다. 도 4의 (a), (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조의 효과를 검증하기 위한 결과로써 도 4의 (a)는 도 2의 (a), (b), (c) 구조와 비교될 수 있고, 도 4의 (b)는 도 2의 (a), (b), (d) 구조와 비교될 수 있다. FIG. 4A shows the result of the device having the high-frequency broadband characteristic shown in FIG. 1A, FIG. 4B shows the result of the device having the multi-frequency harmonic characteristic shown in FIG. Results. 4A and 4B are views for explaining the effect of the structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 4A is a cross-sectional view of the structure of FIGS. 2A, 2B, And Fig. 4 (b) can be compared with the structures (a), (b) and (d) of Fig.

도 4의 (a)를 참조하면, 단일 압전소자로 구성된 제 1 소자(100) 및 제 2 소자(110) 구조의 경우(예컨대, 도2의 (a), (b)), 기본주파수 및 -6 dB 대역폭은 서로 유사한 수치를 나타내는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 제 1 소자(100)는 PMN-PT이고, 제 2 소자(110)는 PZT-5H일 수 있지만 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. Referring to FIG. 4A, in the case of the first element 100 and the second element 110 structure (for example, FIGS. 2A and 2B) composed of a single piezoelectric element, 6 dB bandwidth is similar to each other. For example, the first element 100 may be PMN-PT and the second element 110 may be PZT-5H, but not necessarily limited thereto.

분극역전을 하지 않은 다중 압전소자의 경우(예컨대, 도2의 (c)) 기본주파수 및 -6 dB 대역폭은 단일 압전소자와 거의 유사함을 알 수 있다. 이에 반해, 다중 압전소자의 분극역전 및 두께비율 조절을 통한 구조의 경우 기본주파수가 약 1.5배 증가돠고 -6 dB 대역폭이 단일 압전소자와 비교해서 증가하는, 즉 광대역폭을 가짐을 알 수 있다. It can be seen that the fundamental frequency and -6 dB bandwidth in the case of multiple piezoelectric elements without polarization inversion (e.g., Fig. 2 (c)) are similar to a single piezoelectric element. On the other hand, it can be seen that the fundamental frequency is increased about 1.5 times and the -6 dB bandwidth is increased compared with the single piezoelectric element, that is, the bandwidth is increased in the case of the structure in which the polarization inversion and the thickness ratio control of the multiple piezoelectric elements are controlled.

도 4의 (b)를 참조하면, 단일 압전소자로 구성된 PMN-PT, PZT-5H 구조와 분극역전을 하지 않은 다중 압전소자 구조(예컨대, 도2의 (d))의 기본주파수 범위는 유사한 것으로 나타났으며, 고조파 주파수 성분은 스펙트럼의 진폭을 -40 dB까지 확인할 경우 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 하지만 분극역전을 실시한 다중 압전소자 구조에서 기본주파수 성분은 단일 압전소자 및 분극역전을 하지 않은 다중 압전소자와 동등하면서도 기본주파수 성분과 유사한 진폭을 갖는 고조파 주파수 성분이 발생할 수 있다. 이러한 결과로 다중 압전소자의 분극역전 및 두께비율 조절을 통한 다중주파수 고조파 특성의 소자는 단일 압전소자 구조 대비 유사한 기본주파수 성분을 가지면서도 고조파 주파수 성분이 크게 향상되어 고조파 영상 구현이 용이하게 사용될 수 있다. 또한 기본주파수 성분과 고조파 주파수 성분 사이의 밸리 모양의 간격을 이용하면 필터링 효과를 증가 시킬 수 있다.Referring to FIG. 4 (b), the fundamental frequency range of a PMN-PT, PZT-5H structure composed of a single piezoelectric element and a multiple piezoelectric element structure without polarization inversion (for example, And the harmonic frequency component does not occur when the amplitude of the spectrum is checked up to -40 dB. However, in a multiple piezoelectric device structure in which polarization reversal is performed, a fundamental frequency component may generate a harmonic frequency component having the same amplitude as a single piezoelectric device and a multiple piezoelectric device not having a polarization reversal but having an amplitude similar to a fundamental frequency component. As a result, a device having a multiple frequency harmonic characteristic by controlling the polarization reversal and the thickness ratio of the multiple piezoelectric device has a similar basic frequency component to the single piezoelectric device structure, but the harmonic frequency component is greatly improved, . Also, the filtering effect can be increased by using the valley-shaped interval between the fundamental frequency component and the harmonic frequency component.

도 4의 (c)는 도 4의 (a), (b)에서 도시된 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자를 동시에 동작시켰을 때의 결과를 나타낸다. 일반적인 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자대비 고조파 주파수 대역폭이 기본주파수 대역폭보다 훨씬 증가하고 기본주파수 성분과 고조파 주파수 성분 사이의 밸리가 더 깊게 발생되므로 고조파 영상의 성능을 향상 효과와 필터링 효과를 증가 시킬 수 있다. FIG. 4C shows the results when the devices having the high frequency broadband and multi-frequency harmonic characteristics shown in FIGS. 4A and 4B are operated simultaneously. The harmonic frequency bandwidth is much higher than the fundamental frequency bandwidth, and the valley between the fundamental frequency component and the harmonic frequency component is deeper than that of a device having a general multi-frequency harmonic characteristic, thereby improving the performance of the harmonic image and increasing the filtering effect .

도 4의 (d)는 전술한 예로 든 서로 다른 압전소자들인 PMN-PT(100) 및 PZT-5H(110)의 경우와는 다르게 LiNbO3 압전소자 하나를 사용해서 동일한 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타낸다. 도 4의 (d)를 참조하면, 상기 PMN-PT(100) 및 PZT-5H(110)를 통한 각기 다른 압전소자를 이용한 결과와 상당히 유사한 것을 알 수 있으며 고주파수 광대역 특성의 경우 단일 압전소자 구조보다 증가된 기본주파수 성분과 더 넓어진 대역폭을 가지며, 다중주파수 고조파 특성 구조에서도 기본 주파수 성분과 고조파 주파수 성분이 동시에 발생되는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성 신호 합의 경우에도 고조파 주파수 성분에 가장 넓게 나타나는 것을 알 수 있으며 이러한 결과로, 본 발명의 일 실시예와 같은 구조를 통한 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성 구조는 각기 다른 종류의 압전소자 및 동일 소자를 이용하여 제조가 가능함을 알 수 있다.4D shows the result of performing the same simulation using one LiNbO3 piezoelectric element, unlike the case of the PMN-PT 100 and the PZT-5H 110, which are different piezoelectric elements described above. Referring to FIG. 4D, it can be seen that the results are substantially similar to those obtained by using different piezoelectric elements through the PMN-PT 100 and the PZT-5H 110. In the case of high frequency broadband characteristics, It can be seen that both the fundamental frequency component and the harmonic frequency component are generated simultaneously in the multi-frequency harmonic characteristic structure. Also, it can be seen that even in the case of the high-frequency wide-band and multi-frequency harmonic characteristic signal sum, the harmonic frequency component is the widest in the harmonic frequency component. As a result, the high frequency broadband and multi- It can be seen that the piezoelectric element can be manufactured using other types of piezoelectric elements and the same element.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 동시에 가질 수 있는 초음파 변환자를 제조하는 과정을 나타낸다. 다시 말해서, 다중 압전소자 분극역전을 이용한 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 동시에 가질 수 있는 효율적인 진단용 배열형(Array) 초음파 변환자는 도 5에서와 같은 과정을 통하여 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 각 특성을 갖는 소자들이 순차적으로 배열하며 각각의 모드가 독립적으로 혹은 동시에 동작 될 수 있다. FIG. 5 illustrates a process of fabricating an ultrasonic transducer capable of simultaneously having a high-frequency broadband and a multi-frequency harmonic characteristic according to an embodiment of the present invention. In other words, an efficient array ultrasonic transducer for diagnosing simultaneously high-frequency broadband and multi-frequency harmonic characteristics using multiple piezoelectric element polarization inversion can be manufactured through the same process as shown in FIG. According to an embodiment of the present invention, devices having respective characteristics are sequentially arranged and each mode can be operated independently or simultaneously.

도 5의 (a)에서와 같이, 다중 압전소자로 이용하는 PMN-PT(100)와 PZT-5H(110)의 극 방향을 초음파 에너지가 진행하는 방향으로 동일하게 위치하도록 정렬하고, (b)의 도시된 바와 같이 정밀 절삭기를 이용하여 PMN-PT(100) 및 PZT-5H(110) 표면을 동일한 폭으로 절삭할 수 있다. 동일한 폭으로 절삭된 각 압전소자는 도 5의 (c), (d)와 같이 극 방향(120)이 서로 마주보도록 접합을 실시하며, 도 5의 (e)와 같이 접합된 다중 압전소자를 각 특성을 갖는 소자로 구분하기 위해서 다시 정밀 절삭기를 이용하여 치폭(Kerf)을 생성할 수 있다. 생성된 치폭에 에폭시 등과 같은 충전재(Filler)를 채워 굳힐 수 있다. 치폭 내 충전재가 굳으면 도 5의 (f)와 같이 사용자가 희망하는 기본주파수 성분을 갖도록 다중 압전소자 상면 및 하면 중 적어도 하나에 대하여 랩핑(Lapping)을 실시할 수 있다. 그러면 도 5의 (g)와 같이 분극역전층을 갖는 배열형 압전소자(200)가 획득(제조)될 수 있다. 5A, the polarities of the PMN-PT 100 and the PZT-5H 110 used as the multiple piezoelectric elements are aligned in the same direction in the direction of the ultrasonic energy, As shown in the figure, the surfaces of the PMN-PT 100 and the PZT-5H 110 can be cut to the same width by using a precision cutter. Each of the piezoelectric elements cut in the same width is bonded such that the polar directions 120 are opposed to each other as shown in FIGS. 5C and 5D, and the multiple piezoelectric elements bonded as shown in FIG. In order to distinguish the devices with the characteristics, a precision cutter can be used to generate the Kerf. The generated tooth width can be filled with filler such as epoxy or the like to be hardened. When the filler in the width of the chip is hardened, it is possible to perform lapping on at least one of the upper surface and the lower surface of the multiple piezoelectric elements so as to have a desired fundamental frequency component as shown in FIG. 5 (f). 5 (g), the arrangement type piezoelectric element 200 having a polarization inversion layer can be obtained (manufactured).

본 발명의 일 실시예에 따라 제조 완료된 분극역전층을 갖는 배열형 압전소자(200)를 이용하여 진단용 배열형 초음파 변환자를 제조하기 위해서 각 소자에 신호 인가를 위한 인쇄회로기판(180) 표면의 신호선에 맞춰서 분극역전층을 갖는 배열형 압전소자(200)를 접합하고, 분극역전층을 갖는 배열형 압전소자(200) 상부에 접지층(190)을 접착하여 분극역전층을 갖는 배열형 압전소자의 신호인가선 공정을 완료할 수 있다. 이후 흡음층(150) 및 제 1 정합층(160), 제 2 정합층(170) 등의 다중 정합층을 접합하여 다중 압전소자 분극역전을 이용한 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 진단용 배열형 초음파 변환자(210)가 획득될 수 있다. In order to manufacture an array type ultrasonic transducer using the array type piezoelectric transducer 200 having a polarization reversed layer manufactured according to an embodiment of the present invention, a signal line on the surface of the printed circuit board 180 for signal application to each element The arrayed piezoelectric element 200 having a polarization inversion layer is bonded to the arrayed piezoelectric element 200 having a polarization inversion layer and the ground layer 190 is bonded to the arrayed piezoelectric element 200 having a polarization inversion layer, Can be completed. The multiple matching layers such as the sound absorbing layer 150 and the first matching layer 160 and the second matching layer 170 are joined to form a diagnosis array type ultrasound having a high frequency broadband and multi frequency harmonic characteristic using the multiple piezoelectric element polarization inversion A converter 210 may be obtained.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자를 이용하여 초음파 영상을 획득할 수 있는 초음파 시스템의 블록도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 시스템은, 도 5에서 도시한 다중 압전소자 역전 및 두께비율 조절을 통한 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 배열형 초음파 변환자를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 시스템은, 전술한 초음파 변환자를 이용하여 사용자의 목적에 맞게 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자를 선택적으로 구동하거나, 각 특성을 갖는 소자를 동시에 구동하여 초음파 영상을 획득할 수 있다. 6 is a block diagram of an ultrasound system capable of acquiring an ultrasound image using an ultrasound transducer according to an embodiment of the present invention. The ultrasound system according to an embodiment of the present invention may include an array type ultrasound transducer having high frequency broadband and multiple frequency harmonic characteristics through the multiple piezoelectric element inversion and thickness ratio control shown in FIG. In addition, the ultrasonic system according to an embodiment of the present invention can selectively drive an element having a high-frequency broadband characteristic and a multi-frequency harmonic characteristic according to a user's purpose by using the above-described ultrasonic transducer, So that an ultrasound image can be obtained.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 시스템은, 스위치(240), 제어부(250), 고주파수 광대역 소자 신호선(320), 다중주파수 고조파 소자 신호선(330), 센서신호발생부(260), 송신집속부(270), 송신증폭부(280), 수신증폭부(290), 수신집속부(300), 신호처리부(310), 초음파 영상모니터(350), 분극역전층을 갖는 다중 압전소자를 이용한 진단용 배열형 초음파 변환자(210), 정규화부(370), 연산부(340) 및 두 특성의 합 신호선(360)으로 구성되어 있다. The ultrasonic system according to an embodiment of the present invention includes a switch 240, a controller 250, a high frequency broadband device signal line 320, a multiple frequency harmonic device signal line 330, a sensor signal generator 260, And an ultrasonic image monitor 350. The ultrasonic imaging apparatus includes an ultrasonic imaging apparatus 270, a transmission amplification unit 280, a reception amplification unit 290, a reception focusing unit 300, a signal processing unit 310, An ultrasound transducer 210, a normalization unit 370, an operation unit 340, and a sum signal line 360 of two characteristics.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 시스템에는 사용자가 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 개별적으로 혹은 동시에 구동할 수 있도록 조절할 수 있는 스위치(240)가 포함될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 시스템은 사용자가 스위치(240)를 조작함으로써 선택한 모드에 따라 구동 소자를 제어하고 배열형 초음파 변환자 내 구동되는 채널 수를 제어하는 제어부(250)와 연결될 수 있다. 제어부(250) 에서는 고주파수 광대역 신호선(320) 및 다중주파수 고조파 신호선(330)을 통해 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자 별 구동 혹은 이러한 두 가지 특성의 소자를 동시에 구동시킬 수 있다. 제어부(250)로부터 출력된 신호는 센서신호발생부(260)으로 입력되어 사용자가 스위치(240)를 조작함으로써 선택한 모드에 따라 신호를 발생시키게 하며, 송신집속부(270)로 전달되어 초음파 에너지의 집속 거리에 따른 각 신호별 신호 지연을 조절할 수 있게 한다. 송신증폭부(280)에서는 송신집속부(270)에서 출력된 신호의 크기를 증폭하여 초음파 변환자(210) 내에 선택한 특성을 갖는 소자에 신호를 인가하고, 이를 통해 대상체에 초음파를 인가할 수 있다. 대상체에서 반사된 신호는 다시 초음파 변환자(210)를 통해 수신되며, 초음파 변환자(210)에서 수신된 신호를 수신증폭부(290)에서 입력 받아 신호의 크기를 증폭할 수 있다. Referring to FIG. 6, the ultrasound system according to an exemplary embodiment of the present invention may include a switch 240 that allows a user to individually or simultaneously operate a high frequency broadband characteristic and a multiple frequency harmonic characteristic. In addition, the ultrasonic system according to an embodiment of the present invention is connected to a controller 250 that controls a driving element according to a selected mode by operating a switch 240 and controls the number of channels driven in the array-type ultrasonic transducer . The control unit 250 can drive the devices having the high frequency broadband characteristic and the multiple frequency harmonic characteristic or the devices having the two characteristics simultaneously through the high frequency broadband signal line 320 and the multiple frequency harmonic signal line 330. The signal output from the controller 250 is input to the sensor signal generator 260 to allow the user to generate a signal according to the selected mode by operating the switch 240. The signal is transmitted to the transmission focusing unit 270, So that the signal delay of each signal according to the focusing distance can be adjusted. The transmission amplifying unit 280 amplifies the magnitude of the signal output from the transmission focusing unit 270 and applies a signal to an element having the selected characteristic in the ultrasonic transducer 210 to apply ultrasonic waves to the object through the signal . The signal reflected from the object is again received through the ultrasonic converter 210. The signal received by the ultrasonic converter 210 may be received by the receiving amplifier 290 to amplify the signal.

수신증폭부(290)로 입력되는 신호는 사용자가 선택한 모드에 따라 고주파수 광대역 신호, 다중주파수 고조파 신호, 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 합한 신호 등 총 3가지 유형의 신호를 입력 받을 수 있으며, 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 합한 신호의 경우 각 신호는 정규화부(370)를 통해 각 신호의 진폭을 조정하고 연산부(340)에서 두 신호를 합산한 뒤 신호선(360)을 통해 수신증폭부(290)로 연결될 수 있다. 정규화부(370)에서는 두 신호의 크기 차이가 작을 경우에는 정규화를 하지 않는 등 선택적으로 신호의 정규화를 수행할 수 있다. The signals input to the reception amplifier 290 can receive all three types of signals according to a mode selected by the user, such as a high frequency broadband signal, a multi-frequency harmonic signal, a high frequency broadband characteristic, In the case of a signal combining high-frequency broadband and multi-frequency harmonic characteristics, each signal adjusts the amplitude of each signal through the normalizer 370, adds up the two signals in the calculator 340, 290). In the normalizer 370, when the difference in magnitude of the two signals is small, normalization of the signal can be selectively performed without normalization.

수신집속부(300)에서는 수신증폭부(290)에서 입력 받은 신호에 기초하여 각 소자 별로 시간 지연된 신호를 정렬하고, 신호처리부(310)에서는 초음파 영상 모니터(350)에 의하여 초음파 영상이 디스플레이되도록 신호처리 동작이 수행될 수 있다. In the reception focusing unit 300, a signal delayed by each element is aligned on the basis of the signal received from the reception amplification unit 290, and in the signal processing unit 310, the ultrasound image is displayed by the ultrasound image monitor 350 A processing operation can be performed.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

100 : 제 1 소자 110 : 제 2 소자
120 : 극 방향 130 : 치폭
140 : 랩핑 선 150 : 흡음층
160 : 제 1 정합층 170 : 제 2 정합층
180 : 인쇄회로기판 190 : 접지층
200 : 역전층을 갖는 배열형 압전소자
210 : 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 배열형 초음파 변환자
220 : 고주파수 광대역 특성 소자
230 : 다중주파수 고조파 특성 소자
240 : 스위치 250 : 제어부
260 : 센서 신호 발생부 270 : 송신집속부
280 : 송신증폭부 290 : 수신증폭부
300 : 수신집속부 310 : 신호처리부
320 : 고주파수 광대역 소자 신호선
330 : 다중주파수 고조파 특성 소자 신호선 340 : 연산부
350 : 초음파 영상 모니터
360 : 두 특성의 합 신호선 370 : 정규화부
100: first element 110: second element
120: polar direction 130:
140: Wrapping line 150: Sound absorbing layer
160: first matching layer 170: second matching layer
180: printed circuit board 190: ground layer
200: arrangement type piezoelectric element having a reverse layer
210: Array type ultrasonic transducer having high frequency broadband and multiple frequency harmonic characteristics
220: High frequency broadband characteristic element
230: Multi-frequency harmonic characteristic element
240: switch 250:
260: Sensor signal generator 270: Transmission focusing unit
280: transmission amplification unit 290: reception amplification unit
300: receive focusing unit 310: signal processing unit
320: High frequency broadband element signal line
330: Multiphase harmonic characteristic element signal line 340:
350: Ultrasonic image monitor
360: Sum signal line of two characteristics 370: Normalization unit

Claims (13)

역전층 기법을 이용하여 제조된 배열형 초음파 변환자에 있어서,
다중 압전소자의 분극역전 및 두께비율 조절을 통해 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성이 선택적으로 또는 동시에 나타나고,
고주파수 광대역 특성이 나타나는 소자와 다중주파수 고조파 특성이 나타나는 소자가 교번하여 나란히 배열되고,
상기 고주파수 광대역 특성이 나타나는 소자의 분극역전 두께 비율과 상기 다중주파수 고조파 특성이 나타나는 소자의 분극역전 두께 비율이 상이한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
In an array type ultrasonic transducer fabricated using a reverse layer technique,
By controlling the polarization reversal and the thickness ratio of the multiple piezoelectric elements, the high frequency broadband and multi-frequency harmonic characteristics can appear selectively or simultaneously,
A device exhibiting high frequency broadband characteristics and a device exhibiting multiple frequency harmonic characteristics are alternately arranged in parallel,
Wherein the polarization inversion thickness ratio of the device exhibiting the high frequency broadband characteristic is different from the polarization inversion thickness ratio of the device exhibiting the multiple frequency harmonic characteristic.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 변환자에 포함되는 상기 다중 압전소자는 동일한 압전소자 또는 각기 다른 종류의 압전소자인 것인 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the multiple piezoelectric elements included in the ultrasonic transducer are the same piezoelectric element or different types of piezoelectric elements.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 변환자는 상기 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자를 제조하기 위한 다중 압전소자 구조에서, 각 소자들의 극 방향은 상호 반대가 되도록 접합되는 것인 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the ultrasonic transducer is joined in a multiple piezoelectric element structure for producing a device having the high frequency broadband and multiple frequency harmonic characteristics so that the polar directions of the respective elements are opposite to each other.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 변환자는 상기 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 소자를 제조하기 위한 다중 압전소자 구조에서, 각 소자들의 두께비율이 상이한 것인 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the ultrasonic transducer is a multi-piezoelectric element structure for producing a device having the high-frequency broadband and multi-frequency harmonic characteristics, the thickness ratios of the respective devices being different.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 초음파 변환자는 단일 소자 변환자 또는 배열형 변환자를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the ultrasound transducer comprises a single element transducer or an array type transducer.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 변환자에 포함된 흡음층 및 다중 정합층의 재료, 두께 또는 형태에 따라 기본주파수 및 대역폭의 조정이 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the fundamental frequency and bandwidth can be adjusted according to the material, thickness, or shape of the sound-absorbing layer and the multiple matching layer included in the ultrasonic transducer.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 변환자와 연결 가능한 스위치의 조작에 기초하여 고주파수 광대역 모드, 다중주파수 고조파 모드 및 합성 모드 중 어느 하나의 모드로 신호의 송수신이 가능하고,
상기 합성 모드는 고주파수 광대역과 다중주파수 고조파 특성이 결합된 모드인 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
A signal can be transmitted and received in one of a high-frequency wide-band mode, a multi-frequency harmonic mode, and a combining mode based on an operation of a switch connectable with the ultrasonic transducer,
Wherein the combining mode is a mode in which high frequency broadband and multiple frequency harmonic characteristics are combined.
제 9 항에 있어서,
상기 합성 모드에서 고주파수 광대역 특성이 나타나는 적어도 하나의 소자 및 다중주파수 고조파 특성이 나타나는 적어도 하나의 소자를 동시에 구동하여 수신되는 각각의 신호는 상기 초음파 변환자와 연결 가능한 연산부에서 합산되고, 상기 초음파 변환자와 연결 가능한 정규화부에 의하여 선택적으로 정규화되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
10. The method of claim 9,
At least one element exhibiting high frequency broadband characteristics and at least one element exhibiting multi-frequency harmonic characteristics are simultaneously driven, and the signals received are summed in a calculation unit connectable with the ultrasonic transducer, And the ultrasonic transducer is selectively normalized by a normalization unit connectable to the ultrasonic transducer.
역전층 기법을 이용하여 배열형 초음파 변환자를 제조하기 위한 방법에 있어서,
다중 압전소자로 이용 가능한 제 1 소자와 제 2 소자의 극 방향을 초음파 에너지가 진행하는 방향으로 동일하게 위치하도록 정렬하는 단계;
상기 제 1 소자와 상기 제 2 소자의 표면에 대하여 적어도 하나 이상의 기둥 형태로 절삭하는 단계;
표면이 절삭된 상기 제 1 소자와 상기 제 2 소자의 극 방향이 서로 마주보도록 접합하는 단계;
접합된 소자의 표면을 절삭하여 치폭(Kerf)을 생성하는 단계;
생성된 치폭에 충전재(Filler)를 충전하는 단계; 및
소정의 기본주파수 성분을 갖도록 상기 접합된 소자의 상면 및 하면을 랩핑(Lapping)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
A method for fabricating an arrayed ultrasonic transducer using a reverse layer technique,
Aligning the polarities of the first and second elements available as multiple piezoelectric elements so that they are equally spaced in the direction of ultrasonic energy propagation;
Cutting the surface of the first element and the surface of the second element into at least one columnar shape;
Joining the first element and the second element whose surfaces are cut so that their polar directions are opposite to each other;
Cutting a surface of the bonded element to produce a width (Kerf);
Filling the generated tooth width with a filler; And
And lapping the upper and lower surfaces of the bonded element so as to have a predetermined fundamental frequency component.
제 11 항에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 기둥 형태는 동일한 폭과 동일한 높이값을 갖고,
상기 표면에 대하여 동일한 간격으로 이격되어 형성되는 것인 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the at least one column shape has the same width and the same height value,
And are spaced equidistantly from the surface.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 소자 및 상기 제 2 소자에 신호를 인가하기 위한 인쇄회로기판의 표면의 신호선에 맞춰서 상기 접합된 소자를 접합하는 단계;
상기 접합된 소자의 상부에 접지층을 접합하는 단계; 및
상기 접합된 소자의 하부에 흡음층을 접합하고, 상기 접합된 소자의 상부에 적어도 하나 이상의 정합층을 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. The method of claim 11,
Bonding the bonded device to a signal line on a surface of a printed circuit board for applying a signal to the first device and the second device;
Bonding a ground layer to the top of the bonded device; And
Bonding a sound-absorbing layer to a lower portion of the bonded element, and bonding at least one matching layer to the upper portion of the bonded element.
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