KR102072353B1 - 금속성 보호 구조를 갖는 초음파 트랜스듀서들을 위한 임피던스 매칭층 - Google Patents

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Abstract

초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)는 압전 엘리먼트(piezoelectric element), 압전 엘리먼트의 표면 상에 배열되고, 트랜스듀서의 중심 공진 주파수의 파장의 적어도 1/4의 두께를 갖는 음향 매칭층(acoustic matching layer), 및 압전 엘리먼트의 표면에 대향하는, 음향 매칭층의 표면 상에 배열되고, 중심 공진 주파수의 파장의 1/2과 동일한 두께를 갖는 전방 금속층을 포함한다.

Description

금속성 보호 구조를 갖는 초음파 트랜스듀서들을 위한 임피던스 매칭층
[0001] 본 발명은 일반적으로 초음파 센서들에 관한 것이며, 더 상세하게는, 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)에서 보호 및 음향 임피던스 매칭(acoustic impedance matching)을 제공하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
[0002] 초음파 트랜스듀서들, 특히 산업 응용들에서 사용되는 초음파 트랜스듀서들은 통상적으로 특정 최소 안전 요건들 및 표준들을 만족시켜야 한다. 그러한 요건들은 비산 입자들(flying particles) 및 의도치 않거나 우발적인 충격들로부터의 보호, 접촉되는 액체들로부터의 부식에 대한 내성(resistance), 측정될 액체를 오염시키지 않기 위한 화학적 안정성(chemical inertness), 정적 또는 동적 압력 변동들에 대한 광범위한 허용오차(tolerance), 및/또는 광범위한 동작 또는 저장 온도들을 포함한다.
[0003] 초음파 트랜스듀서들을 보호하기 위한 현재 솔루션들은, 일반적으로 트랜스듀서의 압전 엘리먼트(piezoelectric element)의 전방에 부착되는 보호층, 이를테면, 금속성 보호층의 부가를 포함한다. 이러한 구조들에서, 음파 반사들이 2 개의 위치들에서 발생한다. 제1 반사는 일반적으로 보호층과 결합층 간의 경계에서 발생한다. 제2 반사는 또한 보호층과 복사 매체(radiation medium) 간의 경계에서 발생한다. 이러한 반사들의 2 개의 별개의 위치들은 급격한 공진 피크(sharp resonant peak), 수신되는 신호의 감소된 감도 및 링잉(ringing)을 발생시킨다.
[0004] 또한, 초음파 트랜스듀서들은 종종 다양한 형태들의 음향 임피던스 매칭 솔루션들 또는 음향 임피던스 컨버터들을 사용한다. 이들은 폴리머 및/또는 금속 재료들의 단일 또는 다수의 층 구조들을 포함할 수 있다. 특히, 음향 임피던스 컨버터들은 원하는 음향 임피던스 변환을 제공하기 위한 하나 또는 그 초과의 사분의 일(1/4 또는 "쿼터") 파장 두께 층들을 사용할 수 있다. 또한, 음향 임피던스 컨버터들은, 음향 임피던스 변환을 달성하기 위해, 대략, 예컨대, 각각 삼십 칠분의 일(1/37) 및 십육분의 일(1/16)의 파장 두께의 비교적 얇은 금속 및 폴리머 층들을 사용할 수 있다. 이러한 컨버터들은, 자신들의 금속층들의 최소 두께로 인해 보호 구조들로서 적합성이 없다. 또한, 그들의 금속 및 폴리머 층들이 타겟 특성들을 갖는 임피던스 컨버터로서 결합하여(cohesively) 기능하도록 구성(예컨대, 크기가 설정)되기 때문에, 보호를 개선하기 위한 금속성 층들의 두께를 변경하는 것은 의도된 성능의 저하로 이어질 것이다.
[0005] 적절한 보호, 화학적 안정성 및 열적 열화(thermal degradation) 및/또는 피로(fatigue)에 대한 내성뿐만 아니라 트랜스듀서의 개선된 감도 및 광대역 동작을 제안하는 개선된 구조들이 요구된다.
[0006] 본 개시내용의 일 실시예에서, 초음파 트랜스듀서가 제공된다. 트랜스듀서는 압전 엘리먼트(piezoelectric element), 음향 매칭층 및 전방 금속 또는 보호층을 포함한다. 음향 매칭층은 압전 엘리먼트의 표면 상에 배열되고, 트랜스듀서의 중심 공진 주파수(center resonant frequency)의 파장의 적어도 1/4의 두께를 갖는다. 전방 금속층은 압전 엘리먼트의 표면에 대향하는, 음향 매칭층의 표면 상에 배열되고, 중심 공진 주파수의 파장의 이분의 일(1/2 또는 "절반")"과 대략 동일한 두께를 갖는다.
[0007] 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는 압전 엘리먼트, 압전 엘리먼트의 표면 상에 형성된 음향 매칭층, 및 전방 보호 구조를 포함한다. 음향 매칭층은 트랜스듀서의 미리 결정된 중심 공진 주파수의 파장의 적어도 1/4의 두께를 포함한다. 전방 보호 구조는 압전 엘리먼트의 표면에 대향하는, 음향 매칭층의 표면 상에 형성되고, 제1 금속층, 제2 금속층, 및 제1 및 제2 금속층들 간에 배열된 폴리머 층을 포함한다.
[0008] 본 개시내용의 추가의 실시예는 초음파 트랜스듀서를 형성하는 방법을 포함한다. 방법은 압전 엘리먼트, 매칭층 및 금속 또는 보호층을 제공하는 단계들을 포함한다. 매칭층은 압전 엘리먼트에 커플링되고, 트랜스듀서의 미리 결정된 중심 공진 주파수의 파장의 적어도 1/4의 두께를 갖는다. 금속층은 압전 엘리먼트의 표면에 대향하는, 음향 매칭층의 표면 상에 배열되고, 미리 결정된 중심 공진 주파수의 파장의 1/2와 동일한 두께를 갖는다.
[0009] 도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른, 매칭층을 통해 전방 보호층이 커플링되는 트랜스듀서의 단면도를 도시한다.
[0010] 도 2는 1/2 파장 두께 스테인리스 강 층 및 다양한 두께의 복수의 매칭층들을 포함하는 전방 보호층의 시뮬레이션 결과들을 도시한다.
[0011] 도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른, 1/2 파장 두께 스테인리스 강의 보호층 및 매칭층을 규정하는 도전성 에폭시를 갖는 트랜스듀서에 대해 수중에서 10 센티미터(cm) 깊이 타겟으로부터 수신되는 신호의 실험 결과들을 도시한다.
[0012] 도 4a는, 음파가 1/2 파장 두께 보호 재료층을 통해 전파될 때 1/2 파장 두께 보호 재료층의 응력 및 변위의 분포를 도시한다.
[0013] 도 4b는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 1/2 파장 금속층의 응력 및 변위와 유사한 응력 및 변위를 갖는 금속-폴리머-금속 구조를 포함하는 보호층을 도시한다.
[0014] 도 5는 도 4b의 보호층을 사용하는 초음파 트랜스듀서 구조를 도시한다.
[0015] 도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 금속-폴리머-금속 보호층 및 에폭시 매칭층을 포함하는 트랜스듀서에 대해 수중에서 10 cm 깊이 타겟으로부터 수신되는 신호의 실험 결과들을 도시한다.
[0016] 본 개시내용의 도면들 및 설명들은, 개시된 요지의 명확한 이해와 관련된 엘리먼트들을 예시하도록 단순화되는 한편, 명확화를 위해, 통상적인 초음파 트랜스듀서-기반 측정 시스템들에서 발견되는 많은 다른 엘리먼트들을 제거했음을 이해해야 한다. 그러나, 이러한 엘리먼트들이 당분야에 널리 공지되어 있을 수 있기 때문에, 또는 이러한 엘리먼트들이 요지의 더 양호한 이해를 용이하게 하지 않기 때문에, 이러한 엘리먼트들의 논의는 본원에 제공되지 않는다. 본원의 개시내용은, 당업자들에게 공지된 모든 이러한 변동들 및 수정들에 관한 것이다.
[0017] 하기 상세한 설명에서, 본 발명이 실시될 수 있는 실시예들을 예시의 방식으로 도시하는 첨부된 도면들이 참조된다. 본 발명의 다양한 실시예들은 상이하더라도 반드시 상호 배타적인 것은 아님을 이해해야 한다. 또한, 일 실시예와 관련하여 본원에서 설명되는 특정 특징, 구조 또는 특성은, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다른 실시예들 내에서 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별적인 엘리먼트들의 위치 또는 배열은, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 수정될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 하기 상세한 설명은 제한적인 관점에서 취해지지 않아야 하고, 본 발명의 범주는, 첨부된 청구항들이 부여하는 균등물들의 전체 범위와 함께, 적절히 해석되는 오직 이러한 청구항들에 의해서만 정의된다. 도면들에서, 유사한 부호들은 몇몇 도면들 전반에 걸쳐 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
[0018] 일반적으로, 보호층(예컨대, 금속층)이 트랜스듀서의 압전 엘리먼트의 전방에 배열되고, 보호층이 (예컨대, 화학적 안정성 및 청결(cleanliness)의 이유로) 복사 매체에 직접적으로 접촉할 때, 보호층의 임피던스는 트랜스듀서 또는 압전층의 임피던스보다 상당히 더 높다. 보호층을 사용하는 트랜스듀서들의 성능을 최대화하기 위해, 적절한 매칭층들을 생성하기 위한 개선된 설계 원리들이 요구된다. 예컨대, 1/2 파장 보호층들(즉, 금속성 층들)은, 1/2 파장 두께 층들이 임피던스를 변환하지 않기 때문에, 최대 음파 전파 및 공진을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 1/2 파장 두께 금속성 층들은 압전체(piezoelectric body)에 직접적으로 결합될 수 있거나, 얇은 커플링 젤 또는 에폭시에 의해 이에 결합될 수 있다. 이러한 결합층의 두께가 매우 얇을 때, 커플링 효율은 감도가 높아지는 것과 같이 높아지고, 이로써 트랜스듀서의 성능을 증가시킨다.
[0019] 그러나, 얇은 결합층들은 종종 열적 문제들을 경험한다. 예컨대, 스테인리스 강의 열 팽창 계수(들)는 통상적인 PZT(piezoelectric ceramic) 재료의 열 팽창 계수보다 약 1 차수(order) 더 크다. 따라서, 센서 특성들의 저하는, 폭넓은 온도 변동/범위에 개방된 환경에서 동작 또는 저장되는 동안에, 내부 변형(strain), 피로 또는 층간 박리(delamination)로 인해 발생할 수 있다. 따라서, 트랜스듀서 층과 보호층 간에 사용되는 결합 재료들은 임의의 열 팽창률(thermal expansion) 차이를 흡수하기 위해 충분히 두꺼워야 하지만, 그들은 또한 트랜스듀서 성능을 최대화하도록 크기가 설정될 필요가 있다.
[0020] 본 개시내용의 실시예는 압전 엘리먼트의 전방 단부에 장착된 1/2 파장 두께 보호 금속층을 사용하는 고감도, 광대역 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다. 다른 실시예에서, 금속-폴리머-금속 구조는 1/2 파장 금속층에 대한 대안으로서 구현될 수 있고, 상당히 더 넓은 대역폭에 의해 피처링될 수 있다. 매칭층 또는 커플링층이 보호층(또는 보호 구조)과 압전 엘리먼트 간에 제공된다. 매칭층은 신호 대역폭을 증가시킬 뿐만 아니라 접지에 대한 연결을 형성하기 위한 수단을 제공하도록 구성된 전기적으로 도전성 에폭시 재료로서 바람직하게 구현된다.
[0021] 동작 시에, 초음파 트랜스듀서의 압전 재료의 진동들은 매칭 또는 커플링층 및 보호층을 통해 전달되어, 보호층의 표면으로부터의 연관된 전파 매체(통상적으로 액체)에서 음파를 여기(excite)시킨다. 전달되는 음파는 물체에 의해 반사되고, 후속하여 동일한 트랜스듀서에 의해 수신될 수 있다. 수신된 신호를 프로세싱하기 위한 종래의 회로가 또한 제공될 수 있다. 다른 동작 모드에서, 여기된 음파는 유사한 구조를 갖고 수신된 신호를 프로세싱하기 위한 회로를 갖는 다른 이산 트랜스듀서에 의해 수신된다. 어떠한 경우에도, 수신된 신호 및/또는 신호의 결정된 전파 시간에 기반하여, 매체(예컨대, 액체)의 특정 물리적 특성들이 측정 및 분석될 수 있다. 또한, 수신된 신호 및/또는 신호의 결정된 전파 시간에 기반하여, 주어진 트랜스듀서 또는 다른 구조로부터 물체의 거리를 포함하는 특정 물리적 특성들이 측정 및 분석될 수 있다.
[0022] 금속층을 통한 음파의 전달 효율은, 재료 경계들에서의 강한 반사들의 결과로서, 금속층이 다른 유사하지 않은 재료들(예컨대, 폴리머 또는 물) 간에 배열될 때, 일반적으로 매우 낮다. 외부측에서 복사 매체에 접촉하는 금속층에 대해, 금속층의 두께가 1/2 파장과 동일할 때, 트랜스듀서 측으로부터 보여지는 금속층의 기계적 임피던스는 외부 재료(예컨대, 물 또는 다른 액체)의 기계적 임피던스와 동일하거나 실질적으로 동일하게 된다. 동일하거나 실질적으로 동일하다는 용어들은, 손실이 없는 금속의 이상적인 조건의 맥락에서 이해될 수 있지만, 실제로 금속에서의 매우 작은 손실은 약간의 차이를 만들 수 있지만, 그러한 차이는 기계적 임피던스를 결정하는데 무시할 수 있다. 따라서, 외부측에서 복사 매체에 접촉하는 금속층은, 금속층의 두께가 1/2 파장과 동일하거나 실질적으로 동일할 때, 트랜스듀서 측으로부터 보여지는 금속층의 기계적 임피던스는 외부 재료(예컨대, 물 또는 다른 액체)의 기계적 임피던스와 동일하거나 실질적으로 동일하게 된다.
[0023] 전달 효율을 개선하고 트랜스듀서 대역폭을 증가시키기 위해, 매칭층은 트랜스듀서 재료와 1/2 파장 두께 보호 금속층 간에 삽입된다. 실시예에서, 매칭층의 설계는: (1) 파장의 1/4 내지 파장의 4 배의 두께, 다시 말해서, 파장의
Figure 112017122620128-pct00001
; (2) 트랜스듀서 재료와 복사 재료 간의 임피던스; (3) 재료가 에폭시계 또는 유사한 재료, 이를테면, 에폭시 또는 분말 로딩 에폭시(powder loaded epoxy) 또는 도전성 에폭시인 것; (4) 도전성 에폭시 또는 유사한 재료가 트랜스듀서 전극과 기준(접지) 전위 간의 전기 연결로서 사용되는 것; (5) 매칭층으로서 설계되는 탄력적으로 부드러운 도전성 에폭시 또는 유사한 재료가 보호 금속층과 트랜스듀서 층(예컨대, 압전 세라믹 재료층) 간의 열 팽창 계수 차이를 흡수하는 적절한 두께로 제공되는 것을 포함한다. 대역폭을 추가로 증가시키기 위해, 1/2 파장 금속 보호층은 금속-폴리머-금속 구조로 대체될 수 있고, 이 구조의 예는 파장의 대략 1/17의 두께를 각각 갖는 스테인리스 강-폴리이미드-스테인리스 강 층들, 및 파장의 대략 1/20의 두께를 갖는 폴리이미드 층으로 구성된다. 매칭층은, 1/2 파장 보호 금속층의 설계보다 몇 배 더 넓은 대역폭을 제공하기 위해 트랜스듀서 또는 압전 엘리먼트 층과 보호층 간에 삽입된다.
[0024] 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 대해 이제 상세히 참조될 것이고, 이 실시예들의 예들이 첨부된 도면들에 예시된다. 도 1은 전방 보호 금속층(101)을 갖는 초음파 트랜스듀서(100)의 구조를 도시한다. 일 실시예에서, 보호층(101)은 두께가 1/2 파장(예컨대, 3.2 MHz(megahertz) - 3.3 MHz에서의 스테인리스 강 재료에 대해 바람직하게는 900 ㎛(micrometer))이 되도록 설계되고, 따라서 스테인리스 강의 두께는 트랜스듀서의 설계된 공진 주파수에 반비례하고, 설계된 주파수는 압전 재료에서 1/2 파장과 동일하다는 두께의 조건에 의해 결정된다. 트랜스듀서 측(102)으로부터 액체(103)를 향해 보여지는 보호층(101)의 기계적 임피던스는 1/2 파장 조건에서 외부 매체(즉, 액체(103))의 기계적 임피던스와 동일하다. 임피던스 매칭층 또는 커플링층(104)은 금속 보호층이 없는 트랜스듀서 구조에 적합한 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 예컨대, 매칭층(104)의 음향 임피던스(Zm)는 트랜스듀서 재료(예컨대, 압전 재료)(105)의 음향 임피던스(ZP) 내지 액체(103)에 대한 음향 임피던스(ZL)의 값을 포함할 수 있다. 매칭층(104)의 두께는 대략 1/4 파장이거나 더 두꺼운 값이고, 보호층(101)과 트랜스듀서 재료(105) 간에 위치되고 이들에 결합된다. 매칭층(104)은 바람직하게, 도전성 에폭시 또는 금속 분말 로딩 폴리머를 포함하여, 매칭층(104)이 트랜스듀서의 전극과 기준 전위(예컨대, 접지) 간의 연결로서 사용될 수 있다. 그러나, 폴리머계 재료를 갖는 비-도전성 매칭층을 사용하고, 하나 또는 그 초과의 와이어들을 통해 압전층의 전극으로부터 접지로의 연결을 제공하는 것이 가능하다.
[0025] 트랜스듀서(100)는 넓은 범위를 또한 커버하는 저장 온도를 갖는 넓은 온도 범위에 걸쳐 동작되도록 구성될 수 있다. 스테인리스 강(또는 다른 통상적인 금속들)의 열 팽창률이
Figure 112017122620128-pct00002
℃이고, 압전 세라믹이 이러한 크기의 대략 1/10을 갖고, 매칭층(104)은 결과적인 열 팽창률 차이들을 흡수하기 위해 충분히 두꺼워야 한다. 매칭층(104)이, 금속 보호층의 1/2 파장 설계로 비롯되는 비교적으로 높은 감도를 획득하기 위해 얇도록 설계되면, 극한 온도들에서 내부 변형은 적어도 부분적으로 재료 성능의 변화로 인한 성능 저하, 이를테면, 피로, 층간 박리, 내부 크래킹(cracking) 등으로 이어질 것이다. 따라서, 매칭층(104)은 비교적 부드럽거나 변형 가능하지만 너무 얇지 않아야 한다.
[0026] 도 2는 Mason 모델을 사용하는 시뮬레이션 결과를 도시하고, 도전성 에폭시의 매칭층의 두께의 영향력의 세부사항들을 설명한다. 예시적인 보호층은, 3.2-3.3 MHz 트랜스듀서 동작 주파수에서 1/2 파장 조건에 있는 900 ㎛ 두께의 스테인리스 강을 포함한다. 세로 좌표(ordinate)는 수중의 타겟으로부터의 반사 신호인 수신되는 전압을 나타내고, 여기서 송신 및 수신 모드들에 대해 동일한 트랜스듀서가 가정된다. 예시된 바와 같이, 수신되는 신호는 3.2 MHz에서 최대가 된다. 매칭층(예컨대, 도전성 에폭시)의 두께가 비교적 얇을 때(예컨대, 25 ㎛ - 75 ㎛), 대역폭은 더 좁다(
Figure 112017122620128-pct00003
포인트들). 매칭층이 (예컨대, 파장의 1/4(0.25) 내지 파장의 0.4(140 ㎛ - 225 ㎛)로) 더 두꺼워질 때, 대역폭은 더 넓다(
Figure 112017122620128-pct00004
). 매칭층(예컨대, 1/2 파장(280 ㎛))을 추가로 두껍게 하는 것은 더 좁은 대역폭 및 더 낮은 감도를 만든다. 따라서, 시뮬레이션은, 본 개시내용의 실시예들에 따른 매칭층이 파장의 대략 0.25-0.4의 두께를 갖도록 구성되어야 한다는 것을 예시한다.
[0027] 도 3은, 트랜스듀서 대역폭을 넓히는 매칭층의 효과의 실험적 관측을 도시한다. 도시된 바와 같이, 매칭층이 얇을 때(예컨대, 25 ㎛), 관측되는 대역폭은 0.13 MHz이다. 두께가 110 ㎛로 증가될 때, 대역폭은 0.27 MHz가 된다. 매칭층을 추가로 두껍게(예컨대, 250 ㎛보다 더 크게) 하는 것은 대역폭을 다시 좁게 하여, 수신되는 신호가 더 약하게 된다. 예시적인 트랜스듀서 구조는 23 - 155 ℃ 범위의 40 열적 사이클링 동안에 테스팅되었다. 결과들은 열적 사이클링 후에 성능 차이가 거의 없는 것을 예시한다.
[0028] 1/2 파장 보호층(401)(예컨대, 금속층)의 응력 및 변위의 결과적인 분포들이 도 4a에 도시된다. 음파가 1/2 파장 층(401)을 통해 전파될 때, 급격한 피크를 갖는 강한 공진이 1/2 파장 조건에서 여기된다. 이러한 공진 조건에서, 응력 분포(403)는 층(401)의 중심에서 자신의 최대치를 갖고, 변위(404)는 중심에서 제로로 분포되고, 방향은 좌측 및 우측에서 반대이다(층(401)의 표면(409)이 좌로 이동할 때, 층(401)의 표면(406)은 우로 이동함). 예시 목적으로, 파장 층을 3 개의 가설 영역들(hypothetical regions)(406, 407, 408)로 세그먼트화 또는 분리함으로써, 중심 영역(407)은 사실상(virtually) 진동이 없지만, 영역들(406 및 408)은 반대 방향으로 진동한다.
[0029] 일반적으로 도 4b 및 5를 참조하면, 본 개시내용의 다른 실시예에서, 위에서 설명된 1/2 파장 금속 보호층은 금속-폴리머-금속 구조를 포함하는 다중층 구조로 대체될 수 있다. 도시된 바와 같이, 금속층(506), 폴리머 층(507) 및 금속층(508)을 포함하는 3 개의 층들은 단일 구조를 형성하도록 (예컨대, 압력 또는 접착제, 에폭시 결합층들을 통해) 함께 결합된다. 이러한 다중층 구조의 기본 원리는 중심 스프링에 의해 결합되는 2 개의 외부 매스들(outer masses)과 동등하다. 이는 위상이 달리(out of phase) 진동하는 매스들 둘 모두를 갖는 공진 시스템이고, 여기서 스프링은 진동 동안에 팽창 또는 수축된다. 동작 시에, 금속층들(매스)(506 및 508)은 반대 방향들로 이동하여, 중심 폴리머 층(스프링)(507)에 응력이 가해진다. 이러한 시스템은 응력 및 변위에 관련하여 도 4a에 도시된 1/2 파장 금속층의 거동과 유사하게 거동한다. 폴리머 재료가 금속보다 훨씬 더 낮은 탄성 상수(즉, 더 부드러움)를 갖기 때문에, 폴리머 층(507)은 동일하거나 유사한 공진 주파수를 획득하기 위해 비교적 얇은 층을 포함해야 한다. 구체적으로, 본원에서 설명되는 금속-폴리머-금속 3-층 설계는 주어진 주파수에 대해 위에서 설명된 900 ㎛ 금속 전용 층보다 상당히 더 얇도록 구성된다. 결과적으로, 폴리머 층의 큰 탄력 손실 및 시스템의 공진 대역폭이 폴리머 층의 탄력 손실에 의해 결정되기 때문에, 디바이스의 공진 대역폭이 넓어진다.
[0030] 단지 예로서, 예시적인 실시예의 계산 시에, 외부 스테인리스 강 층들(균일한 두께의 동일한 금속으로서 실시예에 도시됨)은 3.3 MHz 설계에서 파장의 대략 0.057(즉, 100 ㎛)이어야 하고, 내부 폴리이미드 층은 파장의 0.053의 두께(즉, 3.3 MHz에서 35 ㎛ 또는 결합을 위해 양측들에서 25 ㎛ 폴리이미드 및 5 ㎛ 에폭시)를 포함한다. 따라서, 3.2 MHz - 3.3 MHz에서 900 ㎛ 두께 금속 층 스테인리스 강의 단일 층 설계는 단지 235 ㎛ 총 두께 층(즉, 2 개의 100 ㎛ 두께 스테인리스 강 층들 간에 샌드위치된 35 ㎛ 폴리이미드 층)의 더 얇은 구조로 대체될 수 있다. 더 낮은 동작 주파수들(예컨대, 1.0 MHz)에서, 층들의 두께들은 더 두껍게 설계되어야 한다. 예컨대, 그러한 예시적인 실시예에서, 스테인리스 강의 외부 층들은 330 ㎛의 두께를 포함하고, 내부 폴리이미드 층은 115 ㎛의 두께(또는 양측들에서 105 ㎛ 폴리이미드 및 5 ㎛ 에폭시)를 포함한다. 다른 주파수들에 대해, 두께는 반비례 관계(relation of inverse proportionality)로 설계될 수 있다. 도 5는, 금속층들(506, 508) 및 그들 간에 배열된 폴리머 층(507)을 비롯하여, 도 4b의 보호 구조를 사용하는 초음파 트랜스듀서의 예시적인 구조를 도시한다. 이러한 구조는 매칭층(104)을 통해 트랜스듀서 층(압전 세라믹)(103) 상에 배열된다. 위에는, 동일한 재료들 및 동일한 두께들이 2 개의 금속 영역들에서 사용되는 설계 예들을 예시한다. 그러나, 유사한 특성들의 상이한 금속들이 또한 2 개의 금속 영역들에 사용될 수 있다. 또한, 설계에 의존하여, 2 개의 금속층들의 상대적인 두께들은 동일한 필요는 없다. 이를테면, 구리, 황동(brass), 철, 니켈과 같은 금속, 또는 내부층의 위치로 인해 수용 가능할 수 있는, 더 용이하게 화학적으로 부식되는 금속들의 내부층을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 이러한 금속 재료들의 밀도들이 스테인리스 강과 크게 상이하지 않지만, 재료의 두께는 최적의 조건들을 달성하기 위해 약간 조정될 수 있다. 일부 금속들, 이를테면, 알루미늄, 티타늄, 텅스텐, 카드뮴, 인듐 등은 자신들의 낮은 밀도로 인해 유사한 특성들을 갖지 않는다(즉, 스테인리스 강에 대해 유사하지 않은 금속들)는 것이 주목된다. 따라서, 그들의 상대적인 두께의 조정이 가능할 수 있지만, 본 발명의 실시예들에서 어떠한 의미 또는 용도도 갖지 않는다. 그러나, 스테인리스 강의 특성과 유사한 특성들을 갖는 금속들(예컨대, 황동, 구리, 철, 알루미늄, 니켈, 금, 이들의 합금들 등)은 유사한 두께를 갖는 내부 층으로서 사용될 수 있다. 스테인리스 강 및 폴리이미드 이외의 재료들이 사용될 때 더 정확한 재료 선택 가이드라인들은 금속의 밀도에 반비례로 금속의 두께를 조정하는 것(즉, 더 가벼운 금속들이 동일한 무게를 달성하기 위해 더 두꺼워야 함), 및 자신의 탄성 강도(elastic stiffness)에 비례하도록 폴리머의 두께를 조정하는 것을 포함한다(즉, 더 부드러운 재료들은 일반적으로 동일한 스프링 작용을 달성하기 위해 더 얇게 제조되어야 한다.
[0031] 유사한 방식으로, 도 4b에 도시된 폴리머 층(507)과 충분히 유사한 재료들, 이를테면, 에폭시, PVDF, 나일론, 스트레칭되는 폴리에스터(stretched polyester), 폴리스티렌 막들(polystyrene films) 등이 사용될 수 있다. 이와 대조적으로, 폴리머 층(507)과 유사하지 않은 비유사한 재료들은 고무(rubber) 또는 라텍스, 폴리아세테이트(polyacetate), 폴리우레탄 등을 포함하지만 이에 제한되지 않고, 사용되지 않을 수 있다.
[0032] 도 6은, 보호 구조로서 사용되는,
100 ㎛ 스테인리스 강 층, 25 ㎛ 폴리이미드 층(양자의 표면들에서의 5 ㎛ 에폭시 결합), 및 100 ㎛ 스테인리스 강 층과 함께, 매칭층으로 사용되는 다양한 두께들의 도전성 에폭시의 실험 결과들을 예시한다. 도 3 및 도 5에 대한 실험들에 사용되는 매칭 층 재료는 낮은 탄성 상수를 갖는 도전성 에폭시를 포함하였다. 자신의 전기 도전성으로 인해, 매칭층은 도 3 및 도 5의 트랜스듀서의 접지 전극에 대한 연결로서 유리하게 사용된다.
[0033] 따라서, 임피던스 매칭층이 금속성 보호층과 트랜스듀서 층 간에 삽입되는 트랜스듀서 구조 및 기능들의 시스템, 디바이스 및 방법이 본원에 개시된다. 매칭층의 두께는 재료의 파장의 0.25 - 0.4 범위에 있다. 매칭층의 음향 임피던스는 복사 매체 및 트랜스듀서 재료의 음향 임피던스들 사이에 있다. 또한,
(1) 본 개시내용의 실시예들에서, 보호층은 1/2 파장 두께 금속층이어야 한다.
(2) 본 개시내용의 실시예들에서, 매칭층의 재료는 에폭시, 도전성 에폭시, 폴리머-파우더 혼합물 또는 다른 유사한 재료들로부터 선택될 수 있다.
(3) 본 개시내용의 실시예들에서, 보호층의 대안적인 구조는 본원의 위에서 설명된 1/2 파장 두께의 금속층에 대해 감소된 두께를 갖는 금속-폴리머-금속이다. 이러한 3-층 구조의 일 실시예에서, 각각의 스테인리스 강 층은 파장의 0.057의 두께를 갖고, 폴리이미드 층은 파장의 0.053의 두께를 갖고, 여기서 매칭층은 트랜스듀서 재료와 보호층 간에 삽입된다. 단편적인 파장의 표현이 유사한 재료들의 상이한 주파수들에서 사용되지만, 유사하지 않은 재료들에서 사용되지 않을 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 매칭층의 두께는 광대역 성능을 획득하기 위해 파장의 0.25-0.4이고, 음향 임피던스는 트랜스듀서 재료 및 복사 매체의 음향 임피던스들 사이에 있다.
(4) 매칭층은 보호층이 기준(접지) 전위에 연결되는 경우에 기준(접지) 전위와 트랜스듀서의 전극 간의 연결로서 사용될 수 있다.
(5) 매칭층 재료는 비교적 부드럽고 유연하다. 에폭시 또는 도전성 에폭시, 금속 파우더 폴리머 혼합물과 같은 그러한 유연한 재료들은, 고온(예컨대, 약 80 ℃ 및 그 초과)에서 (매칭층의 재료의 층간 박리 또는 피로로 인한) 성능의 저하를 회피하기 위해 트랜스듀서 재료와 보호 금속 간의 열 팽창률의 차이를 흡수하는데 사용될 수 있다.
[0034] 이전의 본 발명이 전술된 실시예를 참조하여 설명되었지만, 다양한 수정들 및 변경들은 본 발명의 사상으로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 모든 이러한 수정들 및 변경들은 첨부된 청구항들의 범주 내에 있는 것으로 고려된다. 이에 따라, 명세서 및 도면들은 제한적 의미라기 보다는 예시적인 것으로 간주될 수 있다. 본원의 일부를 형성하는 첨부 도면들은, 청구대상이 실시될 수 있는 특정 실시예들을 제한이 아닌 예시로서 도시한다. 예시되는 실시예들은, 당업자가 본원에서 개시되는 교시들을 실시하는 것을 가능하게 하도록 충분히 상세하게 설명된다. 다른 실시예들이 이 예시되는 실시예들로부터 이용되며 도출될 수 있어, 구조적 및 논리적 대체들 및 변경들이 본 개시내용의 범주로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 따라서, 이러한 상세한 설명은 제한적 의미로 취해질 수 없고, 다양한 실시예들의 범주는, 이러한 청구항들이 자격을 부여한 등가물들의 전체 범주와 함께, 단지 첨부된 청구항들에 의해서만 정의된다.
[0035] 본 발명의 요지의 이러한 실시예들은, 실제로 하나 또는 그 초과가 개시되는 경우 임의의 단일 발명 또는 본 발명의 개념으로 본 출원의 범주를 자발적으로 제한하려고 의도하지 않고 단지 편의상 "발명"이라는 용어에 의해 개별적으로 그리고/또는 집합적으로 본원에서 언급될 수 있다. 따라서, 특정 실시예들이 본원에서 예시되고 설명되었지만, 동일한 목적들을 달성하도록 계산되는 임의의 어레인지먼트가 도시된 특정 실시예들을 대체할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시내용은, 다양한 실시예들의 변형의 임의의 그리고 모든 적응들을 커버하도록 의도된다. 본원에서 구체적으로 설명되지 않은 상기 실시예들 및 다른 실시예들의 조합들은, 위의 설명을 검토할 때 당업자에게 명확해질 것이다.

Claims (15)

  1. 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)로서,
    압전 엘리먼트(piezoelectric element);
    상기 압전 엘리먼트의 표면 상에 배열되고, 그리고 상기 트랜스듀서의 중심 공진 주파수(center resonant frequency)에서 음향 매칭층(acoustic matching layer)에서의 제1 파장의 적어도 1/4의 두께를 갖는 상기 음향 매칭층 ― 상기 음향 매칭층은 도전성 에폭시(conductive epoxy) 또는 폴리머 재료를 포함함 ―; 및
    상기 압전 엘리먼트의 표면에 대향하는, 상기 음향 매칭층의 표면 상에 배열되고, 그리고 상기 중심 공진 주파수에서 전방 금속층에서의 제2 파장의 1/2과 동일한 두께를 갖는 상기 전방 금속층을 포함하고,
    상기 음향 매칭층의 두께는 상기 중심 공진 주파수에서 상기 음향 매칭층에서의 상기 제1 파장의 1/4과 1/2 사이이고, 그리고 상기 음향 매칭층의 두께는 140 ㎛ 내지 225 ㎛인,
    초음파 트랜스듀서.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전방 금속층은 스테인리스 강(stainless steel)을 포함하는,
    초음파 트랜스듀서.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 음향 매칭층은 기준 전위(reference potential)에 전기적으로 연결되는,
    초음파 트랜스듀서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서의 중심 공진 주파수는 3.2 - 3.3 MHz이고, 상기 전방 금속층의 두께는 900 ㎛인,
    초음파 트랜스듀서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 음향 매칭층의 음향 임피던스는 복사 매체(radiation medium)의 음향 임피던스 내지 상기 압전 엘리먼트의 음향 임피던스인,
    초음파 트랜스듀서.
  8. 삭제
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 전방 금속층은 상기 압전 엘리먼트 및 상기 음향 매칭층을 적어도 부분적으로 둘러싸는,
    초음파 트랜스듀서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 전방 금속층은 상기 압전 엘리먼트 및 상기 음향 매칭층을 포함하는 하우징의 적어도 일부를 형성하는,
    초음파 트랜스듀서.
  11. 초음파 트랜스듀서를 형성하는 방법으로서,
    압전 엘리먼트를 제공하는 단계;
    상기 압전 엘리먼트에 커플링된 매칭층을 제공하는 단계 ― 상기 매칭층은 상기 트랜스듀서의 중심 공진 주파수에서 상기 매칭층에서의 제1 파장의 적어도 1/4의 두께를 갖고, 상기 매칭층은 도전성 에폭시 또는 폴리머 재료를 포함함 ―; 및
    상기 압전 엘리먼트의 표면에 대향하는, 상기 매칭층의 표면 상에 금속층을 제공하는 단계 ― 상기 금속층은 상기 중심 공진 주파수에서 상기 금속층에서의 제2 파장의 1/2과 동일한 두께를 가짐 ― 를 포함하고,
    상기 매칭층의 두께는 상기 중심 공진 주파수에서 상기 매칭층에서의 상기 제1 파장의 1/4과 1/2 사이이고, 그리고 상기 매칭층의 두께는 140 ㎛ 내지 225 ㎛인,
    초음파 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  12. 삭제
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 금속층은 스테인리스 강을 포함하는,
    초음파 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 압전 엘리먼트 및 상기 매칭층을 포함하는 하우징의 적어도 일부를 형성하는,
    초음파 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  15. 초음파 트랜스듀서로서,
    압전 엘리먼트;
    상기 압전 엘리먼트의 표면 상에 형성되고, 그리고 상기 트랜스듀서의 중심 공진 주파수에서 음향 매칭층에서의 파장의 1/4과 1/2 사이의 두께를 갖는 상기 음향 매칭층 ― 상기 음향 매칭층은 도전성 에폭시 또는 폴리머 재료를 포함하고, 그리고 상기 음향 매칭층의 두께는 140 ㎛ 내지 225 ㎛임 ―; 및
    상기 압전 엘리먼트의 표면에 대향하는, 상기 음향 매칭층의 표면 상에 형성된 전방 보호 구조를 포함하고,
    상기 보호 구조는:
    제1 금속층 및 제2 금속층; 및
    상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 간에 배열된 폴리머 층을 포함하는,
    초음파 트랜스듀서.
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