KR102250185B1 - 전기 음향 변환기 - Google Patents

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KR102250185B1
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
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Abstract

전기 음향 변환기가 개시된다. 개시된 전기 음향 변환기는 복수개의 요소를 포함하고, 상기 요소들 각각은 복수개의 셀을 포함한다. 여기서, 상기 요소를 구성하는 셀들 중 적어도 하나의 셀은 멤브레인에 형성되는 트렌치를 포함한다.

Description

전기 음향 변환기{Electro acoustic transducer}
전기 음향 변환기에 관한 것으로, 상세하게는 미세가공 전기 음향 변환기에 관한 것이다.
전기 음향 변환기는 전기에너지를 음향에너지로 변환하거나 또는 음향에너지를 전기에너지로 변환하는 것으로, 초음파 변환기, 마이크로폰 등을 포함할 수 있다. 미세가공 전기 음향 변환기는 미세 전기기계시스템(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System)을 이용한 변환기로서, 그 대표적인 예로서 미세가공 초음파 변환기(MUT; Micromachined Ultrasonic Transducer)를 들 수 있다. 미세가공 초음파 변환기는 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하거나 또는 초음파 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 장치로서, 그 변환 방식에 따라서 압전형 미세가공 초음파 변환기(pUMT; piezoelectric MUT), 정전용량형 미세가공 초음파 변환기(cMUT; capacitive MUT), 자기형 미세가공 초음파 변환기(mMUT; magnetic MUT) 등으로 구분될 수 있다. 종래에는 압전형 초음파 변환기가 주로 사용되었으나, 최근에는 광대역 신호의 송/수신, 반도체 공정을 이용한 일괄생산, 전기회로와의 집적화 등에 있어서 장점이 있는 정전용량형 미세가공 초음파 변환기가 개발되고 있다. 이러한 정전용량형 미세가공 초음파 변환기가 의료 영상 진단 기기나 센서 등과 같은 분야에서 각광을 받고 있다.
한편, 최근에는 초음파 진단을 통해 B-mode 이미지, 도플러 이미지, 하모닉 이미지, 광음향 이미지 등과 같은 다양한 방식의 초음파 신호 획득에 대한 요구가 높아지면서 광대역 특성을 가지는 초음파 장비에 대한 개발이 증가하고 있다. 또한, 복부, 심장, 갑상선 등과 같이 크기와 깊이가 서로 다른 장기들의 진단을 커버하기 위해서도 광대역 특성을 가지는 초음파 장비에 대한 개발은 필수적이다. 정전용량형 미세가공 초음파 변환기는 일반적인 압전형 초음파 변환기에 비하여 광대역 신호의 송수신이 가능하지만, 전 주파수 대역을 수신하는데 에는 한계가 있다. 이에 따라, 서로 다른 공진 주파수를 가지는 셀들을 조합함으로써 광대역을 구현하는 방법들이 개발되고 있다.
예시적인 실시예는 미세가공 전기 음향 변환기를 제공한다.
일 측면에 있어서,
복수개의 요소(element)를 포함하는 전기 음향 변환기에 있어서,
상기 요소들 각각은 복수개의 셀(cell)을 포함하고,
상기 셀들 중 적어도 하나의 셀은 멤브레인(membrane)에 형성되는 트렌치(trench)를 포함하는 전기 음향 변환기가 제공된다.
상기 요소는 상기 요소를 구성하는 셀들 각각의 주파수 대역 보다 넓은 주파수 대역을 가질 수 있다. 상기 트렌치를 포함하는 상기 셀의 주파수 특성은 상기 트렌치의 개수, 형상, 크기 및 위치 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다. 상기 셀들 중 적어도 두 개의 셀은 서로 다른 개수의 트렌치를 포함할 수 있다.
상기 트렌치의 평면 형상은 예를 들면, 원형 또는 다각형을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 트렌치의 단면 형상은 예를 들면, 사각형, 삼각형 또는 반원형을 포함할 수 있다. 상기 멤브레인은 예를 들면, 실리콘(silicon)을 포함할 수 있다.
상기 요소들 및 상기 셀들은 2차원 형태로 배열될 수 있다. 여기서, 상기 셀들은 서로 동일한 크기를 가질 수 있다.
상기 셀들 각각은 기판과, 상기 기판 상에 마련되는 것으로 캐비티(cavity)를 포함하는 지지대(support)와, 상기 캐비티를 덮도록 마련되는 상기 멤브레인과, 상기 멤브레인의 상면에 마련되는 전극을 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
복수개의 셀(cell)을 포함하고,
상기 복수개의 셀은 제1 셀과 제2 셀을 포함하고,
상기 제1 셀과 제2 셀은 동일한 크기을 가지고 있으며,
상기 제1 셀의 주파수 특성은 상기 제2 셀의 주파수 특성과 다른 것을 특징으로하는 전기 음향 변환기의 요소가 제공된다.
상기 제1 셀과 제2 셀은 멤브레인(membrane)을 포함하고, 상기 제1 셀과 제2 셀 중 적어도 하나의 셀은 멤브레인의 상면과 하면 중 적어도 한 면에 트렌치가 형성될 수 있다.
다른 측면에 있어서,
복수개의 요소(element)를 포함하는 전기 음향 변환기에 있어서,
상기 요소들 각각은 복수개의 셀(cell)을 포함하고,
상기 셀들 각각은 기판과,
상기 기판 상에 마련되는 것으로 캐비티(cavity)를 포함하는 지지대(support)와,
상기 캐비티를 덮도록 마련되는 멤브레인(membrane)과,
상기 멤브레인의 상면에 마련되는 전극을 포함하고,
상기 셀들 중 적어도 하나의 셀은 상기 멤브레인에 형성되는 트렌치(trench)를 포함하는 전기 음향 변환기가 제공된다.
실시예에 따른 전기 음향 변환기에 의하면, 하나의 요소를 구성하는 복수개의 셀 중 적어도 하나의 셀은 멤브레인에 형성된 트렌치를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 멤브레인에 형성된 트렌치의 개수, 크기, 형상, 위치 등을 변화시킴으로써 서로 다른 주파수 특성을 가지는 셀들을 제작할 수 있으며, 이렇게 제작된 셀들을 조합하면 광대역의 주파수 특성을 가지는 요소를 구현할 수 있다. 그리고, 이러한 광대역의 주파수 특성을 가지는 요소들을 포함하는 전기 음향 변환기는 B-mode 이미지, 도플러 이미지, 하모닉 이미지, 광음향 이미지 등과 같은 다양한 방식의 초음파 신호 획득이 필요한 초음파 장비나 또는 복부, 심장, 갑상선 등과 같이 크기와 깊이가 서로 다른 장기들의 진단을 커버하는 초음파 장비 분야에 응용될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 변환기 칩을 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 요소(element)의 평면을 도시한 것이다.
도 3a는 도 2의 A-A'선을 따라 본 단면도이다.
도 3b는 도 2의 B-B'선을 따라 본 단면도이다.
도 3c는 도 2의 C-C'선을 따라 본 단면도이다.
도 3d는 도 2의 D-D'선을 따라 본 단면도이다.
도 4는 정전용량형 미세가공 초음파 변환기에서 멤브레인(membrane)에 형성된 트렌치(trench)의 개수에 따라 계산된 공진 주파수들을 보여주는 시뮬레이션 결과이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기에서 서로 다른 공진 주파수들을 가지는 셀들이 조합되어 구현된 요소의 주파수 특성을 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 멤브레인에 형성된 트렌치의 변형된 단면 형상들을 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 멤브레인에 형성된 트렌치의 변형된 평면 형상들을 도시한 것이다.
도 8는 다른 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 셀을 도시한 단면도이다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 셀을 도시한 단면도이다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 요소를 도시한 평면도이다.
도 11a는 다른 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 요소를 도시한 평면도이다.
도 11b는 다른 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 요소를 도시한 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세히 설명한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 변환기 칩(100)을 도시한 평면도이다. 전기 음향 변환기는 복수의 변환기 칩(transducer chip,100)을 포함할 수 있으며, 도 1에는 전기 음향 변환기를 구성하는 변환기 칩들 중 하나의 변환기 칩(100)이 도시되어 있다. 전기 음향 변환기는 예를 들면 정전용량형 미세가공 초음파 변환기(cMUT) 등과 같은 정전용량형 미세가공 전기 음향 변환기가 될 수 있다. 도 1을 참조하면, 전기 음향 변환기의 변환기 칩(100)은 2차원적으로 배열되는 복수의 요소(element,110)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 요소들(110)은 각각 독립적으로 구동될 수 있다. 그리고, 이러한 요소들(110) 각각은 후술하는 바와 같이 2차원적으로 배열되는 복수의 셀(111)을 포함한다.
도 2는 도 1에 도시된 요소들(110) 중 하나의 요소(110)를 도시한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 요소(110)는 2차원적으로 배열되는 복수개의 셀(111)을 포함한다. 구체적으로, 상기 셀들(111)은 정방형으로 4개의 셀, 즉 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)을 포함할 수 있다. 도 2에는 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)이 시계 방향으로 배치되는 경우가 예시적으로 도시되어 있으며, 이외에도 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)은 다양한 형태로 배치될 수 있다. 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)은 서로 같은 크기를 가질 수 있다. 즉, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)이 원형 구조를 가지는 경우, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)은 서로 같은 외곽 지름(OD)을 가질 수 있다. 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)을 구성하는 멤브레인들(도 3a 내지 도 3d의 115)의 외곽 지름(OD) 및 두께(t)는 서로 동일할 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)은 서로 다른 주파수 특성, 즉 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)이 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있도록 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)은 서로 다른 개수의 트렌치를 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d에는 상기 요소를 구성하는 4개의 셀(111a,111b,111c,111d)에 대한 단면들이 도시되어 있다. 구체적으로, 도 3a는 제1 셀(111a)의 단면을 도시한 것으로, 도 2의 A-A'선을 따라 본 단면도이다. 그리고, 도 3b는 제2 셀(111b)의 단면을 도시한 것으로, 도 2의 B-B'선을 따라 본 단면도이다. 도 3c는 제3 셀(111c)의 단면을 도시한 것으로, 도 2의 C-C'선을 따라 본 단면도이다. 그리고, 도 3d는 제4 셀(111d)의 단면을 도시한 것으로, 도 2의 D-D'선을 따라 본 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d) 각각은 기판(112)과, 상기 기판(112) 상에 마련되는 지지대(support,114)와, 상기 지지대(114) 상에 마련되는 멤브레인(membrane,115)과, 상기 멤브레인(115) 상에 마련되는 전극(116)을 포함한다. 여기서, 상기 기판(112)은 하부 전극의 역할을 할 수 있다. 이를 위해 상기 기판(112)은 도전성 재질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(112)은 저저항 실리콘을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 기판(112)의 상면에는 예를 들면 실리콘 산화물 로 이루어진 절연층(113)이 더 형성될 수 있다. 상기 절연층(113) 상에는 캐비티(cavity,120)가 형성된 지지대(114)가 마련되어 있다. 이러한 지지대(114)는 예를 들면 실리콘 산화물을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 지지대(114) 상에는 캐비티(120)을 덮도록 멤브레인(115)이 마련되어 있다. 이러한 멤브레인(115)은 예를 들면 실리콘을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상기 멤브레인(115)의 상면에는 전극(116)이 마련되어 있다. 상기 전극(116)은 상부 전극의 역할을 하는 것으로, 예를 들면, 금속을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 요소(110)를 구성하는 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d) 은 서로 다른 개수의 트렌치를 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 2 및 도 3a을 참조하면, 상기 요소(110)를 구성하는 셀들(111) 중 제1 셀(111a)에서는 멤브레인(115)에 트렌치가 형성되어 있지 않다. 그리고, 도 2 및 도 3b를 참조하면, 상기 요소(110)를 구성하는 셀들(111) 중 제2 셀(111b)에서는 멤브레인(115)의 상면에 하나의 트렌치(131)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 트렌치(131)는 예를 들면, 멤브레인(115)의 상면에서 원형으로 형성될 수 있으며, 그 단면 형상은 사각형이 될 수 있다. 상기 트렌치(131)의 평면 형상 및 단면 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
도 2 및 도 3c를 참조하면, 상기 요소(110)를 구성하는 셀들(111) 중 제3 셀(111c)에서는 멤브레인(115)의 상면에 두 개의 제1 및 제2 트렌치(131',132')가 형성되어 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 트렌치(131',132')는 예를 들면, 멤브레인(115)의 상면에서 원형으로 서로 이격되어 형성될 수 있으며, 그 단면 형상은 사각형이 될 수 있다. 상기 제1 및 제2 트렌치(131',132`)의 평면 형상 및 단면 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 그리고, 도 2 및 도 3d를 참조하면, 상기 요소(110)를 구성하는 셀들(111) 중 제4 셀(111d)에서는 멤브레인(115)의 상면 쪽에 세 개의 제1, 제2 및 제3 트렌치(131",132",133")가 형성되어 있다. 여기서, 상기 제1, 제2 및 제3 트렌치(131",132",133")는 멤브레인(115)의 상면에서 원형으로 서로 이격되어 형성될 수 있으며, 그 단면 형상은 사각형이 될 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 트렌치(131",132",133")의 평면 형상 및 단면 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 한편, 상기 제1, 제2 및 제3 트렌치(131",132",133") 사이의 간격들은 서로 일정할 수도 있고, 또는 서로 일정하지 않을 수도 있다. 그리고, 상기 제1, 제2 및 제3 트렌치(131",132",133")의 단면 형상들은 서로 동일할 수도 있고, 또는 서로 동일하지 않을 수도 있다.
상기 제1 셀(111a)은 트렌치를 포함하고 있지 않으며, 상기 제2 셀(111b)은 멤브레인(115)에 형성된 하나의 트렌치(131)를 포함하고 있다. 그리고, 상기 제3 셀(111c)은 멤브레인(115)에 형성된 두 개의 제1 및 제2 트렌치(131',132')를 포함하고 있으며, 상기 제4 셀(111d)은 멤브레인(115)에 형성된 세 개의 제1, 제2 및 제3 트렌치(131",132",133")를 포함하고 있다. 이와 같이, 상기 요소(110)를 구성하는 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)이 서로 다른 개수의 트렌치들(131,131',132',131",132",133")을 포함함으로써 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(111a,111b,111c,111d)은 서로 다른 주파수 특성, 구체적으로 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있다. 그리고, 이러한 서로 다른 공진주파수를 가지는 4개의 셀들(111a,111b,111c,111d)을 조합하여 하나의 요소를 제작함으로써 상기 4개의 셀들 (111a,111b,111c,111d)각각의 주파수 대역보다 넓은 주파수 대역을 구현할 수 있다.
일반적으로, 정전용량형 미세가공 초음파 변환기에서 셀의 공진주파수(fr)는 식(1)과 같다.
Figure 112014010030711-pat00001
................. (1)
여기서, k 및 me 는 각각 멤브레인의 강성 및 질량을 나타내며, tm 및 a는 각각 멤브레인의 두께 및 반지름을 나타낸다. 여기서, 상기 멤브레인의 반지름(a)은 외곽 지름(OD)의 1/2을 의미한다. 그리고, T, E, ν 및 ρ는 각각 멤브레인의 internal stress, Young's modulus, Poisson ratio 및 density를 나타낸다.
식(1)을 참조하면, 멤브레인의 두께(tm)나 반지름(a)를 변화시킴으로써 셀의 공진주파수를 바꿀 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 멤브레인의 두께나 반지름을 변화시켜 제작된 서로 다른 공진 주파수들을 가지는 셀들을 조합함으로써 광대역 특성을 가지는 하나의 요소를 제작할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 멤브레인의 두께를 다양하게 만들기 어렵고, 셀들이 서로 다른 크기를 가지는 경우에는 셀들을 조밀하게 또는 2차원적으로 배열하기가 어려움 점이 있다. 본 실시예에서는 멤브레인(115)에 형성되는 트렌치들(131,131',132',131",132",133")의 개수를 변화시킴으로써 서로 다른 공진주파수들을 가지는 4개의 셀들(111a,111b,111c,111d)을 제작하고, 이렇게 제작된 4개의 셀들(111a,111b,111c,111d)을 조합함으로써 광대역 주파수 특성을 가지는 요소(110)를 구현할 수 있다. 즉, 멤브레인(115)에 형성된 트렌치들(131,131',132',131",132",133")의 개수를 변화시키게 되면, 식(1)에서 멤브레인(115)의 강성(k) 및 질량(me)이 변화하게 되고, 이에 따라 서로 다른 공진주파수를 가지는 4개의 셀들(111a,111b,111c,111d)을 제작할 수 있다.
도 4는 정전용량형 미세가공 초음파 변환기에서 멤브레인(membrane)에 형성된 트렌치(trench)의 개수에 따라 계산된 공진 주파수들을 보여주는 시뮬레이션 결과이다. 도 4에서는 멤브레인으로 반지름(즉, 외곽 지름(OD)의 1/2)이 21㎛, 두께가 0.9㎛인 실리콘 멤브레인을 사용하였으며, 트렌치는 멤브레인의 상면 쪽에 깊이가 0.5㎛, 폭이 1㎛으로 형성하였다. 도 4를 참조하면, 트렌치를 포함하지 않는 셀의 공진 주파수가 대략 8MHz 정도이고, 멤브레인에 형성되는 트렌치의 개수가 증가함에 따라 공진 주파수가 대략 6.5MHz까지 감소함을 알 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 서로 다른 공진 주파수를 가지는 4개의 셀들(111a,111b,111c,111d)로 구성된 요소(110)의 주파수 특성을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 상기 요소(110)를 구성하는 셀들(111) 중 트렌치를 포함하지 않은 제1 셀(111a)의 공진주파수가 다른 셀들(111b,111c,111d)에 비해 가장 높은 공진주파수를 가지고 있고, 트렌치들(131,131',132',131",132",133")을 포함하는 셀들(111b,111c,111d)의 공진주파수는 트렌치들(131,131',132',131",132",133")의 개수가 증가할수록 낮아짐을 알 수 있다. 즉, 상기 요소(110)를 구성하는 셀들(111) 중 가장 많은 트렌치(131",132",133")를 포함하는 제4 셀(111d)의 공진주파수가 다른 셀들(111a,111b,111c)에 비해 가장 낮은 공진주파수를 가지고 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 서로 다른 공진주파수를 가지는 4개의 셀들(111a,111b,111c,111d)을 조합하여 하나의 요소(110)를 제작하게 되면, 상기 4개의 셀들(111a,111b,111c,111d)로부터 나오는 주파수 대역들이 중첩됨으로써 상기 요소(110)는 상기 4개의 셀들(111a,111b,111c,111d) 각각으로부터 나오는 주파수 대역보다 넓은 광대역의 주파수 특성을 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 제1 셀(111a) 이 8.0MHz 공진주파수와 5~11MHz 대역폭(bandwidth), 제2 셀(111b)이 7.5MHz 공진주파수와 4.5~10.5MHz 대역폭, 제3 셀(111c)이 7.0MHz 공진주파수와 4~10MHz 대역폭, 제4셀(111d)이 6.5MHz 공진주파수와 3.5~9.5MHz 대역폭을 가지는 경우, 상기 4개의 셀들(111a,111b,111c,111d)이 조합되어 제작된 요소(110)는 대역폭이 3.5~11MHz인 광대역의 주파수 특성을 가질 수 있다.
한편, 이상의 실시예에서는 상기 요소(110)를 구성하는 셀들(111) 모두가 서로 다른 개수의 트렌치(131,131',132',131",132",133")를 포함하는 경우가 설명되었다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 셀들(111) 중 일부가 트렌치를 포함하지 않거나 또는 같은 개수의 트렌치를 포함할 수도 있다. 즉, 상기 셀들(111) 중 적어도 하나의 셀(111)이 트렌치를 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 셀들(111) 중 적어도 2개의 셀(111)이 서로 다른 개수의 트렌치를 포함할 수 있다. 또한, 이상에서는 멤브레인(111)에 형성되는 트렌치들(131,131',132',131",132",133")의 개수에 따라 셀들(111)이 서로 다른 주파수 특성을 가지는 경우가 설명되었다. 그러나, 상기 셀들(111)의 주파수 특성은 트렌치(131,131',132',131",132",133")의 개수 이외에 트렌치(131,131',132',131",132",133")의 형상, 크기 또는 위치 등에 의해서도 변화될 수 있다. 구체적으로는, 상기 셀들(111)은 멤브레인(115)에 형성되는 트렌치(131,131',132',131",132",133")의 개수, 형상, 크기 및 위치 중 적어도 하나에 의해 서로 다른 주파수 특성을 가질 수 있다.
도 3a 내지 도 3d에서는 멤브레인(115)에 형성된 트렌치들(131,131',132',131",132",133")이 사각형의 단면 형상을 가지는 경우가 예시적으로 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고 상기 트렌치들(131,131',132',131",132",133")은 다양한 단면 형상을 가질 수 있다. 이러한 트렌치(131,131',132',131",132",133")의 단면 형상에 따라 주파수 특성이 변화될 수 있다. 도 6a 및 도 6b는 멤브레인(115)에 형성된 트렌치(134)의 변형된 단면 형상들을 도시한 것이다. 구체적으로, 도 6a에는 멤브레인(115)에 형성된 트렌치(134)가 삼각형의 단면 형상을 가지는 경우가 도시되어 있으며, 도 6b에는 멤브레인(115)에 형성된 트렌치(135)가 반원형의 단면 형상을 가지는 경우가 도시되어 있다. 이외에도 다양한 단면 형상을 가지는 트렌치가 형성될 수 있다.
도 2에서는 멤브레인(115)에 형성된 트렌치들(131,131',132',131",132",133")이 원형의 평면 형상을 가지는 경우가 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고 상기 트렌치들(131,131',132',131",132",133")은 다양한 평면 형상을 가질 수 있다. 이러한 트렌치(131,131',132',131",132",133")의 평면 형상에 따라 셀의 주파수 특성이 변화될 수 있다. 도 7a 및 도 7b는 멤브레인(115)에 형성된 트렌치들(136,137)의 변형된 평면 형상들을 도시한 것이다. 구체적으로, 도 7a에는 멤브레인(115)에 형성된 트렌치들(136,137)이 사각형의 평면 형상을 가지는 경우가 도시되어 있다. 도 7a에는 2개의 트렌치(136,137)가 형성된 경우가 예시적으로 도시되어 있으며, 상기 트렌치들(136,137)의 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 상기 트렌치들(136,137)의 위치나 간격 등도 다양하게 변형될 수 있다. 도 7b에는 멤브레인(115)에 형성된 트렌치들(138,139)이 육각형의 평면 형상을 가지는 경우가 도시되어 있다. 도 7b에는 2개의 트렌치(138,139)가 형성된 경우가 예시적으로 도시되어 있으며, 상기 트렌치들(138,139)의 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 상기 트렌치들(138,139)의 위치나 간격 등도 다양하게 변형될 수 있다. 이외에도 다른 다각형 단면 형상이나 다른 평면 형상을 가지는 트렌치가 형성될 수도 있다. 또한, 멤브레인(115)의 중심부에 트렌치가 형성될 수도 있다. 이상과 같이, 멤브레인(115)에 형성되는 트렌치의 단면 형상, 평면 형상 또는 위치 등을 변화시킴으로써 서로 다른 주파수 특성을 가지는 셀들(111)을 제작할 수 있으며, 이렇게 제작된 셀들(111)을 조합함으로써 광대역 특성을 가지는 하나의 요소(110)를 구현할 수 있다.
도 8는 다른 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 셀(211)을 도시한 단면도이다. 도 8에는 편의상 하나의 요소를 구성하는 복수의 셀들(211) 중 하나의 셀(211)만이 예시적으로 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 상기 셀(211)은 기판(212)과, 상기 기판(212) 상에 마련되는 것으로 캐비티(220)가 형성된 지지대(214)와, 상기 지지대(214) 상에 캐비티(220)를 덮도록 마련되는 멤브레인(215)과, 상기 멤브레인(215)의 상면에 마련되는 전극(216)을 포함한다. 여기서, 상기 기판(212)은 예를 들면, 저저항 실리콘 등과 같은 도전성 재질을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 기판(212)의 상면에는 예를 들면 실리콘 산화물로 이루어진 절연층(213)이 더 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 요소를 구성하는 셀들(211) 중 적어도 하나의 셀(211)은 멤브레인(215)에 형성된 트렌치(231)를 포함한다. 이 경우, 상기 셀들 중 적어도 2개의 셀(211)은 전술한 바와 같이 서로 다른 개수의 트렌치(231)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 트렌치(231)는 전술한 실시예와는 달리 멤브레인(215)의 하면에 형성될 수 있다. 한편, 도 8에는 멤브레인(215)의 하면에 형성된 트렌치(231)가 사각형의 단면 형상을 가지는 경우가 도시되어 있으나, 상기 트렌치(231)는 다양한 단면 형상을 가질 수 있으며, 그 개수, 위치 및 크기도 다양하게 변형될 수 있다. 이와 같이, 멤브레인(215)의 하면 쪽에 형성되는 트렌치(231)의 개수, 형상, 크기 및 위치 중 적어도 하나를 변화시키면 요소를 구성하는 셀들(211) 중 적어도 하나의 셀(211)은 다른 셀들(211)과는 다른 주파수 특성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 셀들(211)을 조합함으로써 광대역의 주파수 특성을 가지는 요소를 구현할 수 있다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 셀(311)을 도시한 단면도이다. 도 9에는 편의상 하나의 요소를 구성하는 복수의 셀들(311) 중 하나의 셀(311) 만이 예시적으로 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 상기 셀(311)은 기판(312)과, 상기 기판(312) 상에 마련되는 것으로 캐비티(320)가 형성된 지지대(314)와, 상기 지지대(314) 상에 캐비티(320)를 덮도록 마련되는 멤브레인(315)과, 상기 멤브레인(315)의 상면에 마련되는 전극(316)을 포함한다. 여기서, 상기 기판(312)은 예를 들면, 저저항 실리콘 등과 같은 도전성 재질을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 기판(312)의 상면에는 예를 들면 실리콘 산화물으로 이루어진 절연층(313)이 더 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 요소를 구성하는 셀들(311) 중 적어도 하나의 셀(311)은 멤브레인(315)에 형성된 트렌치(231)를 포함한다. 이 경우, 상기 셀들 중 적어도 2개의 셀(311)은 전술한 바와 같이 서로 다른 개수의 트렌치를 포함할 수 있다. 여기서, 전술한 실시예들과는 달리 멤브레인(315)의 상면과 하면 모두에 트렌치들(331,332)이 형성되어 있다. 구체적으로, 상기 멤브레인(315)의 하면에는 제1 트렌치(331)가 형성되어 있으며, 상기 멤브레인(315)의 상면에는 제2 트렌치(332)가 형성되어 있다. 한편, 도 9에는 제1 및 제2 트렌치(331,332)가 사각형의 단면 형상을 가지는 경우가 도시되어 있으나, 상기 제1 및 제2 트렌치(331,332)는 다양한 단면 형상을 가질 수 있으며, 그 개수, 위치 및 크기도 다양하게 변형될 수 있다. 이와 같이, 멤브레인(315)의 상면 및 하면에 형성되는 제1 및 제2 트렌치(331,332)의 개수, 형상, 크기 및 위치 중 적어도 하나를 변화시키면 요소를 구성하는 셀들(311) 중 적어도 하나의 셀(311)은 다른 셀들(311)과는 다른 주파수 특성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 셀들(311)을 조합함으로써 광대역의 주파수 특성을 가지는 요소를 구현할 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서는 하나의 요소(110)가 4개의 셀(111a,111b,111c,111d)로 구성된 경우가 예로 들어 설명되었으나, 전기 음향 변환기의 요소를 구성하는 셀들의 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 요소(410)를 도시한 평면도이다. 도 10을 참조하면, 16개의 셀들(411)이 2차원적으로 배열되어 하나의 요소(410)를 구성하고 있다. 그리고, 전술한 바와 같이 광대역의 주파수 특성을 가지는 요소(410)를 구현하기 위해 상기 셀들(411) 중 적어도 하나의 셀(411)은 트렌치(430)를 포함한다. 이 경우, 상기 셀들(411) 중 적어도 2개의 셀(411)은 서로 다른 개수의 트렌치(430)를 포함할 수 있다. 서로 다른 주파수 특성을 가지는 셀들(411)의 위치는 다양하게 변형될 수 있다. 상기 셀들(411)은 서로 동일한 크기를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 도 10에는 16개의 셀들(411)이 정방형 형태로 배열되는 경우가 예로 들어 설명되었으나, 상기 셀들(411)의 개수 및 배열 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
도 11a는 다른 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 요소(510)를 도시한 평면도이다. 도 11a를 참조하면, 복수개의 셀(511)이 2차원적으로 배열되어 하나의 요소(510)를 구성하고 있으며, 여기서, 상기 셀들(511)은 육각형(hexagonal)으로 배열될 수 있다. 그리고, 전술한 바와 같이 광대역의 주파수 특성을 가지는 요소(510)를 구현하기 위해 상기 셀들(511) 중 적어도 하나의 셀(511)은 트렌치(530)를 포함한다. 이 경우, 상기 셀들(511) 중 적어도 2개의 셀(511)은 서로 다른 개수의 트렌치(530)를 포함할 수 있다. 서로 다른 주파수 특성을 가지는 셀들(511)의 위치는 다양하게 변형될 수 있다. 상기 셀들(511)은 서로 동일한 크기를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 11b에는 다른 예시적인 실시예에 따른 전기 음향 변환기의 요소(610)를 도시한 평면도이다. 도 11b를 참조하면, 복수개의 셀(611)이 2차원적으로 배열되어 하나의 요소(610)를 구성하고 있e다. 여기서, 상기 셀들(611)은 도 11a에 도시된 육각형 배열과는 다른 육각형(hexagonal) 배열로 마련되어 있다. 그리고, 광대역의 주파수 특성을 가지는 요소(610)를 구현하기 위해 상기 셀들(611) 중 적어도 하나의 셀(611)은 트렌치(630)를 포함한다. 이 경우, 상기 셀들(611) 중 적어도 2개의 셀(611)은 서로 다른 개수의 트렌치(630)를 포함할 수 있다. 서로 다른 주파수 특성을 가지는 셀들(611)의 위치는 다양하게 변형될 수 있다. 상기 셀들(611)은 서로 동일한 크기를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 이상의 실시예들에서는 셀들이 정방형 배열이나 육각형 배열로 배치되는 경우가 예로 들어 설명되었으나, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 상기 셀들은 다양한 형태로 배열될 수 있다.
이상의 실시예들에 따른 전기 음향 변환기에 의하면, 하나의 요소를 구성하는 복수개의 셀 중 적어도 하나의 셀은 멤브레인에 형성된 트렌치를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 멤브레인에 형성된 트렌치의 개수, 크기, 형상, 위치 등을 변화시킴으로써 서로 다른 주파수 특성을 가지는 셀들을 제작할 수 있으며, 이렇게 제작된 셀들을 조합하면 광대역의 주파수 특성을 가지는 요소를 구현할 수 있다. 그리고, 이러한 광대역의 주파수 특성을 가지는 요소들을 포함하는 전기 음향 변환기는 B-mode 이미지, 도플러 이미지, 하모닉 이미지, 광음향 이미지 등과 같은 다양한 방식의 초음파 신호 획득이 필요한 초음파 장비나 또는 복부, 심장, 갑상선 등과 같이 크기와 깊이가 서로 다른 장기들의 진단을 커버하는 초음파 장비 분야에 응용될 수 있다.
한편, 이상에서는 전기 음향 변환기를 정전용량형 미세가공 전기 음향 변환기로 예로 들어 설명되었으나, 상기 전기 음향 변환기는 하나의 요소가 복수개의 셀로 구성되고, 상기 셀들 중 적어도 하나의 셀이 멤브레인에 형성되는 트렌치를 포함하는 모든 유형의 전기 음향 변환기에 적용이 가능하다. 이상에서 예시적인 실시예들을 통하여 기술적 내용을 설명하였으나, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100... 변환기 칩 110,410,510... 요소
111,111a,111b,111c,111d,211,311,411,511... 셀
112,212,312... 기판 113,213,313... 절연층
114,214,314... 지지대 115,215,315.... 멤브레인
116,216,316... 전극 120,220,320... 캐비티
131,131',132',131",132",133",134,135,136,137,138,139... 트렌치

Claims (21)

  1. 복수개의 요소(element)를 포함하는 전기 음향 변환기에 있어서,
    상기 요소들 각각은 복수개의 셀(cell)을 포함하고,
    상기 셀들 각각은 상면에 적어도 하나의 트렌치(trench)가 형성된 멤브레인(membrane) 및 상기 트렌치의 벽면을 덮도록 마련되는 전극을 포함하며,
    상기 셀들 중 적어도 두 개는 서로 다른 개수의 트렌치를 포함함으로써 서로 다른 주파수 특성을 가지고,
    상기 요소는 상기 요소를 구성하는 셀들 각각의 주파수 대역 보다 넓은 주파수 대역을 가지는 전기 음향 변환기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 트렌치를 포함하는 상기 셀의 주파수 특성은 상기 트렌치의 개수, 형상, 크기 및 위치 중 적어도 하나에 의해 조절되는 전기 음향 변환기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 트렌치의 평면 형상은 원형 또는 다각형을 포함하는 전기 음향 변환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 트렌치의 단면 형상은 사각형, 삼각형 또는 반원형을 포함하는 전기 음향 변환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 실리콘(silicon)을 포함하는 전기 음향 변환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 요소들 및 상기 셀들은 2차원 형태로 배열되는 전기 음향 변환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀들은 서로 동일한 크기를 가지는 전기 음향 변환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀들 각각은 기판과, 상기 기판 상에 마련되는 것으로 캐비티(cavity)를 포함하는 지지대(support)를 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 캐비티를 덮도록 마련되는 전기 음향 변환기.
  11. 복수개의 셀(cell)을 포함하는 전기 음향 변환기의 요소에 있어서,
    상기 복수개의 셀은 제1 셀과 제2 셀을 포함하고,
    상기 제1 셀과 제2 셀은 동일한 크기를 가지고 있으며,
    상기 제1 셀과 상기 제2 셀 각각은 상면에 적어도 하나의 트렌치가 형성된 멤브레인 및 상기 트렌치의 벽면을 덮도록 마련되는 전극을 포함하며,
    상기 제1 셀과 상기 제2 셀은 서로 다른 개수의 트렌치를 포함함으로써 서로 다른 주파수 특성을 가지고,
    상기 요소는 상기 제1 및 제2 셀 각각의 주파수 대역보다 넓은 주파수 대역을 가지는 전기 음향 변환기의 요소.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 트렌치를 포함하는 상기 셀의 주파수 특성은 상기 트렌치의 개수, 형상, 크기 및 위치 중 적어도 하나에 의해 조절되는 전기 음향 변환기의 요소.
  14. 삭제
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 트렌치의 평면 형상은 원형 또는 다각형을 포함하는 전기 음향 변환기의 요소.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 트렌치의 단면 형상은 사각형, 삼각형 또는 반원형을 포함하는 전기 음향 변환기의 요소.
    음향 변환기.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 실리콘(silicon)을 포함하는 전기 음향 변환기의 요소.
  18. 삭제
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수개의 셀들은 2차원 형태로 배열되는 전기 음향 변환기의 요소.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 셀들 각각은 기판과, 상기 기판 상에 마련되는 것으로 캐비티(cavity)를 포함하는 지지대(support)를 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 캐비티를 덮도록 마련되는 전기 음향 변환기의 요소.
  21. 복수개의 요소(element)를 포함하는 전기 음향 변환기에 있어서,
    상기 요소들 각각은 복수개의 셀(cell)을 포함하고,
    상기 셀들 각각은 기판과,
    상기 기판 상에 마련되는 것으로 캐비티(cavity)를 포함하는 지지대(support)와,
    상기 캐비티를 덮도록 마련되는 것으로 상면에 적어도 하나의 트렌치가 형성된 멤브레인(membrane)과,
    상기 트렌치의 벽면을 덮도록 마련되는 전극을 포함하고,
    상기 셀들 중 적어도 두 개는 서로 다른 개수의 트렌치를 포함함으로써 서로 다른 주파수 특성을 가지고,
    상기 요소는 상기 요소를 구성하는 셀들 각각의 주파수 대역보다 넓은 주파수 대역을 가지는 전기 음향 변환기.
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