KR102298213B1 - 다층 구조의 멤브레인을 가진 초음파 트랜스듀서 및 이의 제작 방법 - Google Patents

다층 구조의 멤브레인을 가진 초음파 트랜스듀서 및 이의 제작 방법 Download PDF

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Abstract

다층 구조의 멤브레인을 가진 초음파 트랜스듀서 및 이의 제작 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는 기판과, 상기 기판 위에 형성되는 캐비티(cavity)와, 상기 캐비티를 덮고 제1 레이어 및 제2 레이어의 다층 구조로 형성된 멤브레인을 포함한다.

Description

다층 구조의 멤브레인을 가진 초음파 트랜스듀서 및 이의 제작 방법{ULTRASONIC TRANSDUCER WITH MULTI-LAYERD MEMBRANE, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
아래 실시예들은 다층 구조의 멤브레인을 가진 초음파 트랜스듀서 및 이의 제작 방법에 관한 것이다.
기존 초음파 트랜스듀서의 경우, 실리콘 기판 위에서 제작되기 때문에 딱딱하고 불투명하여 적용 분야에 한계가 있었다.
기존의 초음파 트랜스듀서로 사용되는 대부분의 압전 초음파 트랜스듀서의 경우, 불투명하고 외부에 충격에 약하며 열에 민감한 성질을 가지고 있어 투명하고 유연한 소자를 만드는데 한계점을 지니고 있다.
이에 반해, 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 경우, 압전 초음파 트랜스듀서에 비해, 폭 넓은 재료 및 구조 선택을 할 수 있어 엔지니어가 원하는 다양한 특성을 지닌 초음파 트랜스듀서를 제작할 수 있으며 투명하고 유연한 성질을 지니는 트랜스듀서 또한 제작이 가능하다.
그러나 고분자를 이용하여 정전 용량형 초음파 트랜스듀서의 멤브레인을 제작하게 되면 낮은 영률에 의해 사용자가 원하는 만큼의 압력을 발생시키지 못한다.
실시예들은 영률이 상이한 물질들로 구성된 다층 구조의 멤브레인을 포함하는 초음파 트랜스듀서를 제작하는 기술을 제공할 수 있다.
실시예들은 유연하며 투명한 특성을 지니며, 낮은 전압에서도 높은 주파수에서 큰 강도를 가지는 초음파 트랜스듀서를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는 기판과, 상기 기판 위에 형성되는 캐비티(cavity)와, 상기 캐비티를 덮고 제1 레이어 및 제2 레이어의 다층 구조로 형성된 멤브레인을 포함한다.
상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 영률은 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 레이어는 고분자 레이어이고, 상기 제2 레이어는 세라믹 레이어일 수 있다.
상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 두께는 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 두께는 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 영률 값의 비에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 제1 레이어는 제1 위치에 형성된 제1 고분자 레이어와, 제2 위치에 형성된 제2 고분자 레이어를 포함할 수 있다.
상기 제1 고분자 레이어의 제1 면은 상기 제2 레이어의 상면에 접촉하고, 상기 제2 고분자 레이어의 제1 면은 상기 제2 레이어의 하면에 접촉할 수 있다.
상기 제1 고분자 레이어의 제2 면은 전극에 접촉하고, 상기 제2 고분자 레이어의 제2 면은 상기 캐비티에 접촉할 수 있다.
상기 기판은 투명 폴리이미드 기판일 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 장치는 하나 이상의 초음파 트랜스듀서와, 상기 초음파 트랜스듀서로 구동 신호를 출력하는 구동 장치를 포함하고, 상기 초음파 트랜스듀서는 기판과, 상기 기판 위에 형성되는 캐비티(cavity)와, 상기 캐비티를 덮고 제1 레이어 및 제2 레이어의 다층 구조로 형성된 멤브레인을 포함한다.
상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 영률은 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 레이어는 고분자 레이어이고, 상기 제2 레이어는 세라믹 레이어일 수 있다.
상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 두께는 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 두께는 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 영률 값의 비에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 제1 레이어는 제1 위치에 형성된 제1 고분자 레이어와, 제2 위치에 형성된 제2 고분자 레이어를 포함할 수 있다.
상기 제1 고분자 레이어의 제1 면은 상기 제2 레이어의 상면에 접촉하고, 상기 제2 고분자 레이어의 제1 면은 상기 제2 레이어의 하면에 접촉할 수 있다.
상기 제1 고분자 레이어의 제2 면은 전극에 접촉하고, 상기 제2 고분자 레이어의 제2 면은 상기 캐비티에 접촉할 수 있다.
상기 기판은 투명 폴리이미드 기판일 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 제작 방법은 기판을 형성하는 단계와, 상기 기판 위에 희생 레이어를 증착하는 단계와, 상기 기판 위에 형성될 캐비티(cavity)의 크기로 상기 희생 레이어를 패터닝하는 단계와, 상기 캐비티를 덮는 다층 구조의 멤브레인을 구성하는 제1 고분자 레이어를 패터닝된 희생 레이어 위에 형성하는 단계와, 상기 멤브레인을 구성하는 세라믹 레이어를 상기 제1 고분자 레이어 위에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 세라믹 레이어 위에 상기 멤브레인을 구성하는 제2 고분자 레이어를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기판을 형성하는 단계는 투명 폴리이미드를 코팅하여 상기 기판을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 패터닝된 희생 레이어를 제거하여 상기 캐비티를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구조도를 나타낸다.
도 2a는 멤브레인 구조의 일 예를 나타낸다.
도 2b는 멤브레인 구조의 다른 예를 나타낸다.
도 3 내지 도 5는 다층 구조의 멤브레인의 특성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6 내지 도 8은 초음파 트랜스듀서를 제작하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구현 예이다.
도 10은 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서를 포함하는 장치의 일 예를 나타낸다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1 또는 제2등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 실시예의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구조도를 나타낸다.
초음파 트랜스듀서(100)는 기판(substrate; 110), 전극들(electrodes; 120 및 130), 절연 레이어(insulating layer; 140), 포스트(post; 150), 캐비티(cavity; 160), 및 멤브레인(membrain; 170)을 포함한다. 초음파 트랜스듀서(100)는 정전 용량형 초음파 트랜스듀서(Capatitive Micromachined Ultrasound Transducer(CMUT))일 수 있다. 초음파 트랜스듀서(100)는 인간뿐만 아니라 대부분의 동물들 피부에도 부착이 가능하도록 생체 적합하며 작고 간편한 패치 형태로 설계될 수 있다. 초음파 트랜스듀서(100)는 패치 형태로 설계되며, 다양한 생체 신호의 초음파를 해석할 수 있으며 동시에 초음파 신호뿐만 아니라, 빛에 의한 반응을 시각적으로 볼 수 있다.
초음파 트랜스듀서(100)는 초음파를 출력할 수 있다. 예를 들어, 초음파 트랜스듀서(100)는 전극들(120 및 130)을 통해 인가되는 구동 신호에 응답하여 멤브레인(170)을 진동함으로써 초음파를 출력할 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판일 수 있다. 또한, 기판(110)은 폴리이미드 기판(또는 투명 폴리이미드 기판)일 수 있다. 폴리이미드 기판은 실리콘 기판 보다 작은 영률을 가진다. 투명 폴리이미드는 실리콘에 비해 잘 휘어질 수 있다는 특성이 있으며 가시광선 영역의 파장 대에서 약 90% 이상의 투과도를 가져 매우 투명한 특성을 가진다. 또한, 폴리이미드 기판은 실리콘 기판 공정과 동일하게 웨이퍼 공정이 가능하여, 한 웨이퍼 안에서 많은 소자를 제작할 수 있어 생산성이 크다.
제1 전극(120)은 기판(110)과 절연 레이어(140) 사이에 형성되고, 제2 전극(130)은 멤브레인(170) 위에 형성될 수 있다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 구동 장치(미도시)로부터 인가되는 구동 신호(예를 들어, 전류 신호 및/또는 전압 신호)를 수신할 수 있다.
절연 레이어(140)는 제1 전극(120) 위에 형성되고, 포스트(150)는 절연 레이어(140)의 서로 이격된 영역에는 포스트(150)가 절연 레이어(140)에 대한 수직 방향으로 형성될 수 있다. 도 1에서는 캐비티(160)가 접촉하는 절연 레이어(140)의 면에는 포스트(150)가 형성되어 있지 않은 것으로 도시하고 있지만, 실시예에 따라 캐비티(160)가 접촉하는 절연 레이어(140)의 면에도 포스트(150)가 얇게 형성될 수 있다.
캐비티(160)는 기판(110) 위에 형성될 수 있다. 예를 들어, 캐비티(160)는 절연 레이어(140), 포스트(150) 및 멤브레인(170)에 의해 둘러싸인 영역에 형성될 수 있다. 캐비티(160)는 진공이거나 공기 등의 미디움(medium)으로 채워질 수 있다.
멤브레인(170)은 캐비티(160)를 덮을 수 있다. 초음파 트랜스듀서(100)는 멤브레인(170)의 두께와 재료의 영률에 따라 발생시킬 수 있는 압력이 달라지게 된다. 멤브레인(170)의 두께가 두꺼울 때와 영률 값이 클 때, 발생시킬 수 있는 압력은 더 커지게 된다. 영률 값이 낮은 유연한 고분자 물질로 멤브레인(170)을 구성하면, 초음파 트랜스듀서(100)에 전압을 가하지 않아도 고분자 물질이 딱딱한 물질보다 더 잘 휘어질 수 있어 멤브레인(170)이 낮은 전압에서 동작이 가능하지만 고분자 물질이 유연한 물질이기 때문에 초음파 트랜스듀서(100)는 크게 압력을 발생시키지 못한다. 이에 반해, 실리콘과 같이 영률 값이 큰 딱딱한 물질로 멤브레인(170)을 구성하면, 초음파 트랜스듀서(100)는 초기 낮은 전압부터 멤브레인(170)의 휘어짐이 없어 높은 전압에서 원하는 압력 이상의 값을 얻을 수 있지만, 낮은 전압에서는 멤브레인(170)을 휘어지게 할 수 없어 원하는 압력을 내도록 동작하기 어렵다.
멤브레인(170)은 제1 레이어 및 제2 레이어의 다층 구조로 형성될 수 있다. 제1 레이어 및 제2 레이어는 영률이 서로 상이한 레이어일 수 있다. 제1 레이어는 고분자 물질로 구성된 고분자 레이어이고, 제2 레이어는 세라믹 물질로 구성된 세라믹 레이어일 수 있다. 예를 들어, 고분자 레이어는 투명하며 유연한 고분자 물질인 SU-8로 형성되고, 세라믹 레이어는 투명하며 딱딱한 세라믹 물질인 Indium Tin Oxide (ITO)로 형성될 수 있다.
멤브레인(170)의 전체 영률은 조절될 수 있다. 제1 레이어 및 제2 레이어의 두께는 조절되며, 멤브레인(170)의 전체 영률은 조절된 두께에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 레이어 및 제2 레이어의 두께는 제1 레이어 및 제2 레이어의 영률 값의 비에 기초하여 결정될 수 있다.
초음파 트랜스듀서(100)는 투명하며 유연한 고분자 물질로 구성된 제1 레이어와 투명하며 딱딱한 세라믹 물질로 구성된 제2 레이어를 적층시킨 하이브리드 구조의 멤브레인(170)을 통하여 유연하면서 강한 압력을 낼 수 있다
초음파 트랜스듀서(100)는 멤브레인(170)의 제1 레이어와 제2 레이어의 두께를 조절함으로써 다중 주파수의 디자인이 가능한 유연 투명 초음파 트랜스듀서로 동작할 수 있다.
또한, 초음파 트랜스듀서(100)는 단일 실리콘 보다는 상대적으로 높고, 유연 고분자 보다는 상대적으로 낮은 영률을 가지는 다층 구조의 멤브레인(170)을 사용하여 투명 및 유연한 웨이퍼 스케일로 제작 가능할 수 있다.
도 2a는 멤브레인 구조의 일 예를 나타내며, 도 2b는 멤브레인 구조의 다른 예를 나타낸다.
멤브레인(170)의 제1 레이어(173)는 복수의 레이어를 포함하며, 제1 고분자 레이어(173-1) 및 제2 고분자 레이어(173-3)로 구성될 수 있다.
제1 고분자 레이어(173-1)와 제2 고분자 레이어(173-3)는 제2 레이어(175)의 위치를 기준으로 적층될 수 있다. 제1 고분자 레이어(173-1)는 제2 레이어(175)에 대한 제1 위치에 적층되고, 제2 고분자 레이어(173-3)는 제2 레이어(175)에 대한 제2 위치에 적층될 수 있다.
예를 들어, 제1 고분자 레이어(173-1)에 있어서, 제1 면(또는 하면)은 제2 레이어(175)의 상면에 접촉하고 제2 면(또는 상면)은 전극에 접촉할 수 있다. 제2 고분자 레이어(173-3)에 있어서, 제1 면(또는 상면)은 제2 레이어(175)의 하면에 접촉하고, 제2 면(또는 하면)은 캐비티(160)에 접촉할 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제2 고분자 레이어(173-3), 제2 레이어(175), 제1 고분자 레이어(173-1) 순으로 적층되어 멤브레인(170) 구조가 형성될 수 있다. 또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제2 레이어(175)가 제1 고분자 레이어(173-1)와 제2 고분자 레이어(173-3)에 의해 감싸져서 멤브레인(170) 구조가 형성될 수도 있다.
도 3 내지 도 5는 다층 구조의 멤브레인의 특성을 설명하기 위한 도면들이다. 도 3 내지 도 5에서는 설명의 편의를 위해 멤브레인(170)을 구성하는 제1 레이어(173)는 투명한 SU-고분자로 구현하고, 제2 레이어(175)는 투명한 ITO로 구현한 것으로 시뮬레이션한 것이다.
도 3은 다층 구조의 멤브레인에서 ITO 비율에 따른 전체 굴절 이미지를 나타낸다. 하이브리드 멤브레인구조에서 ITO 비율 변화에 따른 전체 멤브레인이 받는 stress를 일정하게 고정시켰을 때, 멤브레인에 나타나는 굴절(deflection)에 대해 시뮬레이션한 이미지이다.
첫번째 시뮬레이션 이미지는 ITO가 존재하지 않고 영률 값이 낮은 SU-8 고분자 물질이 1 um의 두께로 멤브레인을 구성하고 있으며 일정한 stress를 주었을 때 deflection을 나타낸 것이다.
두번째 시뮬레이션 이미지는 두께가 200 nm인 ITO 물질이 두께 500 nm의 SU-8 물질 사이에 다층 구조로 존재하는 멤브레인에 stress를 가했을 때의 deflection 되는 정도를 나타낸 것이다.
세번째 시뮬레이션 이미지는 유연한 물질인 SU- 8 고분자가 존재하지 않을 때, 1 um 두께로 ITO 물질이 전체 멤브레인을 구성하고 있을 때의, 같은 stress에 대한 deflection 되는 정도를 나타낸 것이다.
세가지 시뮬레이션 이미지를 통해, 영률 값이 낮은 고분자의 비율이 많아질수록, 같은 외부의 힘에 대해 더욱 유연하게 움직일 수 있는 것을 알 수 있다.
도 4는 ITO 부피 변화에 따른 영률 비를 나타내는 그래프이다. 고분자/세라믹 하이브리드 멤브레인 구조에서 ITO의 부피 비율을 바꾸었을 때, 고분자 멤브레인 구조의 영률과 하이브리드 멤브레인 구조의 영률 비를 나타낸 그래프이다.
ITO의 부피 비율이 0% 일 때는 SU-8 고분자의 고유의 영률 값인 3 GPa의 값을 갖는 것을 알 수 있다. SU-8 고분자에 하이브리드 형태로 ITO를 물질을 첨가시키면, ITO의 부피 비율에 따라 영률 값의 비가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, ITO가 100%의 부피 비율 일때는 SU-8 고분자에 63배에 해당하는 약 190 GPa의 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
ITO의 비율이 증가할수록 영률 값이 크다는 것을 통해 일정한 strain 값에서 stress 값이 더 커지는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해, 멤브레인에 ITO와 같이 딱딱한 물질만 존재할 시, 일정한 stress에서 고분자 물질만 존재할 때보다 더 많은 stress를 받는다는 것을 확인할 수 있으며, 같은 외부의 힘을 주었을 때 고분자 물질보다 더 많이 늘어나지 않는 것을 알 수 있다.
초음파 트랜스듀서의 멤브레인을 ITO와 같이 딱딱한 물질로 구성하게 되면 외부에서 고분자 및 세라믹의 하이브리드 다층 구조 멤브레인 보다 더 많은 stress를 받아 일정 이상의 strain을 견디지 못하고 멤브레인에 크랙이 생기거나 깨질 수 있어 유연한 상태에서 초음파 트랜스듀서가 작동하기 어렵다.
도 5는 다층 구조의 멤브레인 구조에서 발생시킬 수 있는 강도를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서 왼쪽의 이미지는 멤브레인을 고분자 물질로만 구성한 경우이다. 전체 멤브레인의 두께를 1 μm로 제작된 유연 및 투명 정전 용량형 초음파 트랜스 듀서에 직류전압을 24 V가하고 동시에 교류전압을 15 V를 가했을 시, 발생시킬 수 있는 초음파 강도를 나타내고 있다.
도 5에서 오른쪽 이미지는 다층 구조의 하이브리드 멤브레인의 경우이다. ITO 물질이 존재하지 않고 오직 고분자 물질만 존재할 시, 발생시킬 수 있는 초음파 강도는 12.2 mW/cm2인 반면에, 다층 구조의 하이브리드 멤브레인 구조에서 ITO의 비율을 20%로 제작하였을 때, 36 mW/cm2의 초음파 강도를 발생시킬 수 있으며 이는 오직 고분자 물질로 멤브레인을 구성했을 때보다 약 3배 이상의 증가를 나타낸다.
도 6 내지 도 8은 초음파 트랜스듀서를 제작하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다. 도 6 내지 도 8에서는 설명의 편의를 위해 멤브레인(170)을 구성하는 제1 레이어(173)는 투명한 SU-고분자로 구현하고, 제2 레이어(175)는 투명한 ITO로 구현한 것으로 가정한다.
도 6은 기판 및 희생 레이어를 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
단계 610에서, 실리콘 웨이퍼 위에 투명한 폴리이미드를 코팅할 수 있다. 코팅은 스핀 코터 장비에 의해 수행될 수 있다. 4인치 웨이퍼 기준 4 mL의 투명 폴리이미드 용액을 스핀 코팅한 후, 열처리를 총 2시간 동안 진행한다. 위와 같은 과정을 세 번 반복하여 약 20 μm 두께의 투명 폴리이미드 기판(110)을 형성할 수 있다.
단계 620에서, 투명한 폴리이미드 위에 제1 전극(120)으로 사용할 실버 나노 와이어(Ag NW)를 코팅할 수 있다. 코팅은 스핀 코터 장비에 의해 수행될 수 있다.
산소로 표면 처리한 폴리이미드 기판 위에 실버 나노 와이어 용액을 스핀 코팅한 후, 열 처리를 200°C에서 10분 동안 진행한다. 열처리 후, 실버 나노 와이어 용액의 유기 잔여물들을 제거하기 위해 에탄올과 아세톤을 3:1 비율로 섞어 15초 동안 클리닝을 진행해준다.
위 공정에서 사용한 실버나노와이어 전극은 면 저항이 약 50 Ω/sq 이하의 값을 가지며 투과도는 약 90% 이상의 값을 가지고 있어 투명전극으로의 역할을 하기에 충분하다. 뿐만 아니라, 나노 와이어 형태로 이루어져있어 같은 두께의 박막에 비해 유연한 특성을 지니고 있어 큰 곡률에도 기존의 특성을 유지할 수 있다.
단계 630에서, 전극 패드로 사용할 금(Gold)을 열 증착기 장비를 이용하여 증착한 후 패터닝할 수 있다.
단계 640에서, 실버 나노 와이어 위에 절연 레이어(140)로 SU-8 고분자를 코팅할 수 있다. 절연 레이어(140)로 사용한 SU-8 고분자를 코팅할 시, 실버 나노 와이어와 접착력을 증가시키기 위하여 접착 촉진제로 Hexamethyldisiazane (HMDS)를 사용하였으며, 4 mL의 SU-8 용액을 스핀 코팅한 후 열처리를 진행한다.
단계 650에서, 희생 레이어로 사용할 알루미늄을 열 증착기를 이용하여 증착한 후, 캐비티(160) 사이즈로 패터닝할 수 있다. 패터닝된 알루미늄은 추후에 제거되고, 제거된 영역에 캐비티(160)가 형성된다.
도 7은 다층 구조의 멤브레인을 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
단계 710에서, 희생 레이어에 대응하는 패터닝된 알루미늄 위에 제2 고분자 레이어(173-3)에 대응하는 SU-8 고분자를 코팅할 수 있다. 코팅은 스핀 코터 장비에 의해 수행될 수 있다. SU-8를 스핀 코팅한 후, UV에 노출시켜주어 경화시켜준다.
단계 720에서, 제2 레이어(175)에 대응하는 투명 ITO를 증착할 수 있다. 증착은 스퍼터링 장비를 이용하여 수행될 수 있다. SU-8 층 위에 ITO를 아르곤 가스에서 스퍼터링을 진행한다.
단계 730에서, ITO를 패터닝할 수 있다. 패터닝은 전극 사이즈에 맞게 RIE 식각으로 수행될 수 있다.
단계 740에서, ITO 위에 제1 고분자 레이어(173-1)에 대응하는 SU-8 고분자를 코팅할 수 있다. 코팅은 스핀 코터 장비에 의해 수행될 수 있다. 단계 710과 동일하게 코팅이 수행된다.
캐비티(160) 위에서 정전기력에 의해 구동하는 멤브레인(170)은 SU-8/ITO/SU-8 3층 구조로 구성될 수 있다.
도 8은 희생 레이어 제거 및 패시베이션 공정을 설명하기 위한 도면이다.
단계 810에서, 멤브레인(170)의 양 끝에 알루미늄 희생 레이어를 제거할 용액이 들어갈 수 있는 구멍을 뚫어준다. 고분자(SU-8 고분자)를 제거하기 위해 ICP-Asher 장비를 이용하여 dry ashing을 진행한다.
단계 820에서, 알루미늄 희생 레이어를 제거하기 위해 APAL-1 (Al etchant)에 12시간 동안 담가 알루미늄을 식각하면서 빈 캐비티(160)을 만든다. 그 후, Parylene-C를 진공 상태의 챔버에서 CVD 증착함으로써 뚫었던 구멍을 막으면서 전체 소자를 패시베이션 해준다. 동시에 멤브레인(170) 밑의 빈 캐비티(160)을 진공 상태로 만들어 주어 대기압에 의해 멤브레인(170)이 구부러지게 만들어준다.
단계 830에서, Parylene-C로 패시베이션을 마친 후, 위와 아래의 전극 패드를 드러내주기 위하여 ICP-Asher 장비를 이용하여 dry ashing을 진행한다. 이를 통해 parylene-C와 SU-8 고분자를 제거해 준다.
단계 840에서, 공정을 마친 소자를 실리콘 기판에서 분리시킨다.
도 9는 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구현 예이다.
도 9에서는 웨이퍼 스케일의 투명 및 유연 정전 용량형 초음파 트랜스듀서(100)를 실제 구현한 예이다.
초음파 트랜스듀서(100)는 실리콘 기판 대신 작은 영률을 가지고 있는 투명 폴리이미드 기판을 사용한다. 실리콘에 비해 잘 휘어질 수 있다는 특성이 있으며 가시광선 영역의 파장 대에서 약 90% 이상의 투과도를 가져 매우 투명한 특성을 가지고 있다. 이 뿐만 아니라, 실리콘 공정과 동일하게 웨이퍼 공정이 가능하여 한 웨이퍼 안에서 많은 소자를 제작할 수 있어 생산성이 크다. 도 9에서는 공정 프로세스에서 ITO 투명 전극이 아닌 금 전극을 증착 하여 보여주었다.
도 9의 다중 링 어레이 형태의 투명 및 유연 정전 용량형 초음파 트랜스듀서(100) 소자는 19.05 mm의 지름을 가지는 1센트에 비해 매우 작은 크기인 것을 이미지를 통해 확인할 수 있다. 실제 소자의 크기는 0.3 mm x 0.3 mm이고 무게는 약 0.4 μg이다. 이와 같은 크기와 무게로 볼 때, 집약적인 부분의 생체신호를 보기 위한 패치 형태의 소자로 적합한 것을 확인할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서를 포함하는 장치의 일 예를 나타낸다.
초음파 장치(1000)는 초음파 이미징, 초음파 자극, 생체 신호 수집 등의 분야에서 사용될 수 있다. 초음파 장치(1000)는 초음파가 응용될 수 있는 모든 분야에 사용될 수 있다. 초음파 장치(1000)는 하나 이상의 초음파 트랜스듀서(100) 및 구동 장치(1100)를 포함한다.
하나 이상의 초음파 트랜스듀서(100)는 기판(1300) 위에 어레이 형태로 구현될 수 있다. 어레이 형태는 1차원(1D) 또는 2차원(2D)의 형태를 의미할 수 있다. 하나 이상의 초음파 트랜스듀서(100)는 도 1 내지 도 9에서 설명된 트랜스듀서(100)의 동작 및 구조가 실질적으로 동일하기 하므로 자세한 설명은 생략한다.
구동 장치(1100)는 하나 이상의 초음파 트랜스듀서(100)의 동작을 제어할 수 있다. 구동 장치(1100)는 하나 이상의 초음파 트랜스듀서(100)의 전극들(120 및 130)에 구동 신호(예를 들어, 전압 신호 및/또는 전류 신호)를 출력할 수 있다.
실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 다음과 같이 여러 분야에 사용될 수 있다.
(1) 실리콘 초음파 트랜스듀서에 비해 생체적합성을 가지는 고분자를 사용하여 생체 내에서 사용할 수 있는 보다 넓은 분야에 적용이 가능할 수 있다.
(2) 투명하고 유연하다는 특성을 지니고 있어 패치의 형태로 구현할 수 있으며 이러한 점을 이용하여, 의료계에서 사용되고 있는 상대적으로 크기가 큰 초음파 이미징 시스템을 대체할 수 있다.
(3) 마이크로 단위의 미세한 사이즈, 5 MHz 이상의 높은 작동 주파수, 생체 적합성 특징을 가지고 있기 때문에 혈관 내 초음파 이미징 (IVUS)을 이용할 수 있다.
(4) 의료용뿐만 아니라, 투명한 특성 덕분에, 디스플레이 패널의 초음파 센서로 적용 가능하며 모든 화면에서 초음파를 이용한 지문 인식이 가능한 차세대 디스플레이 구현이 가능하다.
(5) 기존 정전 용량형 초음파 트랜스듀서 공정은 웨이퍼 본딩 공정이 필요 하지만 본 발명품은 웨이퍼 본딩 없이 웨이퍼 스케일로 제작이 가능하기 때문에 훨씬 공정이 간단하며 저렴하
(6) 투명한 소자 덕분에 빛을 이용한 시스템에 접목할 수 있으며 그 중, 혈류의 흐름을 측정할 수 있는 시스템과 결합하여 혈류 속도 측정 시스템을 기존 도플러 효과로 보는 것보다 더욱 정밀하게 구현할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (22)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성되는 캐비티(cavity);
    상기 캐비티를 덮고, 제1 레이어 및 제2 레이어의 다층 구조로 형성된 멤브레인
    을 포함하고,
    상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 영률은 서로 상이하고,
    상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 두께는 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 영률 값의 비에 기초하여 결정되는 초음파 트랜스듀서.

  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어는 고분자 레이어이고, 상기 제2 레이어는 세라믹 레이어인 초음파 트랜스듀서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 두께는 서로 상이한 초음파 트랜스듀서.

  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어는,
    제1 위치에 형성된 제1 고분자 레이어; 및
    제2 위치에 형성된 제2 고분자 레이어
    를 포함하는 초음파 트랜스듀서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 고분자 레이어의 제1 면은 상기 제2 레이어의 상면에 접촉하고,
    상기 제2 고분자 레이어의 제1 면은 상기 제2 레이어의 하면에 접촉하는 초음파 트랜스듀서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 고분자 레이어의 제2 면은 전극에 접촉하고,
    상기 제2 고분자 레이어의 제2 면은 상기 캐비티에 접촉하는 초음파 트랜스듀서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 투명 폴리이미드 기판인 초음파 트랜스듀서.
  10. 하나 이상의 초음파 트랜스듀서; 및
    상기 초음파 트랜스듀서로 구동 신호를 출력하는 구동 장치
    를 포함하고,
    상기 초음파 트랜스듀서는,
    기판;
    상기 기판 위에 형성되는 캐비티(cavity);
    상기 캐비티를 덮고, 제1 레이어 및 제2 레이어의 다층 구조로 형성된 멤브레인
    을 포함하고,
    상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 영률은 서로 상이하고,
    상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 두께는 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 영률 값의 비에 기초하여 결정되는 초음파 장치.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 레이어는 고분자 레이어이고, 상기 제2 레이어는 세라믹 레이어인 초음파 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 두께는 서로 상이한 초음파 장치.
  14. 삭제
  15. 제10항에 있어서,
    상게 제1 레이어는,
    제1 위치에 형성된 제1 고분자 레이어; 및
    제2 위치에 형성된 제2 고분자 레이어
    를 포함하는 초음파 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 고분자 레이어의 제1 면은 상기 제2 레이어의 상면에 접촉하고,
    상기 제2 고분자 레이어의 제2 면은 상기 제2 레이어의 하면에 접촉하는 초음파 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 고분자 레이어의 제2 면은 전극에 접촉하고,
    상기 제2 고분자 레이어의 제2 면은 상기 캐비티에 접촉하는 초음파 장치.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 기판은 투명 폴리이미드 기판인 초음파 장치.
  19. 기판을 형성하는 단계;
    상기 기판 위에 희생 레이어를 증착하는 단계;
    상기 기판 위에 형성될 캐비티(cavity)의 크기로 상기 희생 레이어를 패터닝하는 단계;
    상기 캐비티를 덮는 다층 구조의 멤브레인을 구성하는 제1 고분자 레이어를 패터닝된 희생 레이어 위에 형성하는 단계;
    상기 멤브레인을 구성하는 세라믹 레이어를 상기 제1 고분자 레이어 위에 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 고분자 레이어 및 상기 세라믹 레이어의 영률은 서로 상이하고,
    상기 제1 고분자 레이어 및 상기 세라믹 레이어의 두께는 상기 제1 고분자 레이어 및 상기 세라믹 레이어의 영률 값의 비에 기초하여 결정되는 초음파 트랜스듀서 제작 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 세라믹 레이어 위에 상기 멤브레인을 구성하는 제2 고분자 레이어를 형성하는 단계
    를 더 포함하는 초음파 트랜스듀서 제작 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 기판을 형성하는 단계는,
    투명 폴리이미드를 코팅하여 상기 기판을 형성하는 단계
    를 포함하는 초음파 트랜스듀서 제작 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 패터닝된 희생 레이어를 제거하여 상기 캐비티를 형성하는 단계
    를 더 포함하는 초음파 트랜스듀서 제작 방법.
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