KR102625027B1 - 공간 초음파 변조기 및 이를 구비하는 초음파 장치와 이를 이용한 진폭변조 초음파의 생성방법 - Google Patents

공간 초음파 변조기 및 이를 구비하는 초음파 장치와 이를 이용한 진폭변조 초음파의 생성방법 Download PDF

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Abstract

공간 초음파 변조기, 이를 구비하는 초음파 장치 및 이를 이용한 초음파 생성방법을 개시한다. 공간 초음파 변조기는 절연기판 상에 서로 교차하는 다수의 제1 및 제2 도전라인들의 교차점인 픽셀에 정렬되고 적어도 하나의 CMUT 소자를 구비하여 초음파를 선택적으로 생성하는 다수의 초음파 생성기를 구비하는 초음파 어레이, 초음파 생성기의 서로 대비되는 이진 동작모드로 각 픽셀을 코딩하여 활성 픽셀 및 비활성 픽셀을 구비하는 코딩 어레이를 생성하는 픽셀 코딩기, 및 코딩 어레이를 구동하여 활성픽셀에서 생성되는 다수 초음파의 합성에 의해 파면이 변형되는 진폭 변조 초음파를 생성하는 초음파 구동기를 포함한다. 입사파의 집음 해상도를 높이고 실시간으로 파면을 용이하게 변경할 수 있다.

Description

공간 초음파 변조기 및 이를 구비하는 초음파 장치와 이를 이용한 진폭변조 초음파의 생성방법 {Spatial ultrasonic modulator, ultrasonic apparatus having the same and method of generating amplitude modulated ultrasonic waves using the same}
본 발명은 공간 초음파 변조기 및 이를 구비하는 초음파 장치와 이를 이용한 진폭변조 초음파의 생성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 다수의 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 소자를 구비하여 초음파의 파면을 실시간으로 변경할 수 있는 동적 공간 초음파 변조기 및 이를 구비하는 초음파 장치와 이를 이용한 진폭변조 초음파의 생성방법에 관한 것이다.
검사 대상에 대한 비파괴 검사나 생체 내부에 대한 비침습적 자극과 같이 대상물에 대한 손상없이 외부에서 대상물의 내부로 초음파를 집음하는 공간 초음파 변조기가 널리 활용되고 있다.
위상변조에 의해 집음하는 종래의 공간 초음파 변조기는 개별적인 구동소스에 의해 구동되는 다수의 파원을 구비하여 각 파원으로부터 위상이 서로 다른 다수의 초음파를 생성하고, 생성된 상기 다수의 초음파들의 회절과 간섭에 의해 목표 영역으로 집음되는 초음파인 입사파를 생성한다.
최근, 생체 내부의 미세 신경을 자극하기 위한 신경자극이나 초정밀 집적회로 소자의 내부에 대한 검사와 같이 목표영역이 미세하게 되면서 높은 집음 정밀도를 갖는 입사파에 대한 필요성이 높아지고 있다.
상기 목표영역에 대한 집음 정밀도는 공간 초음파 변조기의 집음 해상도에 의해 결정되는데, 공간 초음파 변조기의 집음 해상도는 초음파를 생성하는 개별 파원의 수에 의해 결정된다.
그러나, 종래의 초음파 공간 변조기는 파원별로 구동부를 구비하여 집음 해상도 증가를 위해 파원의 수를 증가하는 경우 각 파원을 구동하기 위한 구동소스도 함께 증가하여 공간 초음파 변조기의 장치 사이즈가 증가하는 문제점이 있다.
이에 따라, 작은 사이즈에서 높은 집음 정밀도를 갖는 새로운 공간 초음파 변조기 및 이를 구비하는 초음파 장치가 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 적어도 하나의 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)로 구성된 다수의 초음파 생성기가 픽셀 별로 정렬된 초음파 어레이에서 초음파를 생성하는 활성 픽셀을 실시간으로 선택하여 초음파의 파면을 실시간으로 변형할 수 있는 공간 초음파 변조기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 바와 같은 공간 초음파 변조기를 구비하는 초음파 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 바와 같은 공간 초음파 변조기를 이용하여 실시간으로 변형할 수 있는 파면을 구비하는 진폭변조 초음파를 생성하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 초음파 변조기는 절연기판 상에 제1 간격으로 이격되도록 배치된 다수의 제1 도전라인들 및 상기 제1 도전라인들의 상부에서 상기 제1 도전라인들과 교차하고 제2 간격으로 이격되도록 배치된 다수의 제2 도전라인들을 구비하는 신호라인, 적어도 하나의 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micro-machined ultrasonic transducer, CMUT) 소자를 구비하고 초음파를 선택적으로 생성하는 다수의 초음파 생성기가 상기 제1 및 제2 도전라인들의 각 교차점인 픽셀에 정렬된 초음파 어레이, 상기 초음파 생성기의 서로 대비되는 이진 동작모드로 상기 초음파 어레이의 각 픽셀을 코딩하여 활성 픽셀 및 비활성 픽셀을 구비하는 코딩 어레이를 생성하는 픽셀 코딩기, 및 상기 코딩 어레이를 구동하여 상기 활성픽셀에서 생성되는 다수 초음파의 합성에 의해 파면(wave front)이 변형되는(shaped) 진폭 변조 초음파를 생성하는 초음파 구동기를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 장치는, 대상물로 입사하는 공간 변조 초음파인 입사파의 파면에 관한 파면정보를 설정하는 파면정보 설정기, 적어도 하나의 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 소자로 구성된 다수의 초음파 생성기들이 각 픽셀에 매트릭스 형상으로 정렬된 초음파 어레이를 상기 파면정보에 대응하여 활성 픽셀과 비활성 픽셀을 갖는 코딩 어레이로 코딩하는 픽셀 코딩기 및 상기 코딩 어레이를 구동하여 상기 파면정보에 대응하는 파면을 구비하는 진폭 변조 초음파를 생성하는 초음파 구동기를 구비하는 공간 초음파 변조기, 및 상기 입사파에 대한 상기 대상물의 반응을 검출하는 반응 검출부를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 초음파 입사파를 생성하는 방법을 제공한다. 적어도 하나의 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 소자로 구성된 다수의 초음파 생성기들이 각 픽셀에 배치되어 다수의 픽셀 행들과 픽셀 열들을 구비하는 초음파 어레이를 세팅전압으로 초기화하여 상기 픽셀에 배치된 상기 초음파 생성기들을 설정된 고유 진동수로 동작할 수 있는 정상모드로 설정한다. 이어서, 상기 픽셀 행들을 순차적으로 하나씩 코딩 행으로 선택하고 상기 코딩 행에 포함된 픽셀들 중 코딩대상 픽셀이 포함된 적어도 하나의 픽셀 열을 코딩 열로 선택한다. 상기 코딩 행이 선택될 때 마다 상기 코딩 행 및 상기 코딩 열로 각각 스캔전압과 모드전압을 인가하여 상기 코딩 행과 상기 코딩 열이 교차하는 픽셀인 상기 코딩대상 픽셀의 동작모드를 상기 고유 진동수와 다른 변형 고유 진동수로 동작하는 풀인모드로 코딩하여 상기 초음파 어레이의 각 픽셀이 상기 정상모드로 코딩된 활성 픽셀 및 상기 풀인모드로 코딩된 비활성 픽셀을 구비하는 코딩 어레이를 생성한다. 상기 코딩 어레이를 구동하여 상기 활성 픽셀으로부터 생성되는 다수 초음파의 합성에 의해 파면이 변형되는 진폭 변조 초음파를 생성한다.
본 발명의 예시적 실시예에 의한 공간 초음파 변조기, 이를 구비하는 초음파 장치 및 초음파 입사파를 생성하는 방법에 의하면, 적어도 하나의 CMUT 소자로 구성된 다수의 초음파 생성기가 픽셀 별로 배치된 초음파 어레이를 초음파 생성기의 정상 동작모드 및 풀인 동작모드로 코딩하여 활성 픽셀과 비활성 픽셀을 구비하는 코딩 어레이를 생성한다.
상기 코딩 어레이로 정상모드에서 공진하는 공진 주파수를 갖는 교류신호를 인가하여 활성 픽셀에서만 초음파를 생성하고 비활성 픽셀에서의 초음파 생성을 억제한다. 이에 따라, 진폭이 활성 픽셀과 비활성 픽셀의 픽셀 맵에 따라 서로 다른 이진 동작모드로 설정되는 공간 진폭변조를 구현할 수 있다.
특히, 상기 코딩 어레이는 신호조절만으로 초음파 생성기의 서로 대비되는 이진 동작모드로 코딩할 수 있으므로, 인가되는 신호의 변경만으로 간단하게 코딩 어레이를 변경할 수 있다. 이에 따라, 상기 진폭변조 초음파(AMU)는 상기 코딩 어레이의 변경에 의해 실시간으로 파면을 변형할 수 있다.
또한, CMUT 소자로 구성하여 초음파 생성기의 집적밀도를 충분히 높게 설정하여 초음파 이미지의 해상도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 공간 초음파 변조기를 나타내는 구성도이다,
도 2a는 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기의 초음파 어레이를 I-I'라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 2b는 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기의 초음파 어레이를 II-II'라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 초음파 생성기를 구성하는 단위 셀인 CMUT 소자(C)를 나타내는 단면도이다.
도 5a는 도 4에 도시된 CMUT 소자(C)에 저장되는 정전용량과 상기 CMUT 소자에 인가되는 바이어스 전압 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5b 및 5c는 동일한 크기의 정 바이어스 및 부 바이어스가 인가된 초음파 생성기의 동작상태를 나타내는 도면들이다.
도 6은 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기에 구비된 픽셀 코딩기에 관한 구성을 나타내는 구성도이다.
도 7은 도 3에 도시된 초음파 어레이를 정상모드 및 풀인모드로 코딩한 코딩 어레이 및 상기 코딩 어레이를 이용하여 생성된 진폭변조 초음파를 나타내는 개념도이다.
도 8은 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기를 구비하는 초음파 장치를 나타내는 구성도이다.
도 9a 내지 9f는 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기를 이용하여 진폭변조 초음파를 생성하는 방법을 나타내는 방법을 나타내는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막), 영역, 패턴들 또는 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 전극, 구조물들 또는 패턴들 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 구조물 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 전극, 다른 패턴들 또는 다른 구조물이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 물질, 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 "제1", "제2", "제3" 및/또는 "예비"로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 물질, 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2", "제3" 및/또는 "예비"는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 공간 초음파 변조기를 나타내는 구성도이다, 도 2a는 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기의 초음파 어레이를 I-I'라인을 따라 절단한 단면도이며, 도 2b는 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기의 초음파 어레이를 II-II'라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 공간 초음파 변조기(1000)는 기판(100), 상기 기판(100) 상에 서로 교차하도록 상기 기판(100)의 상면과 수직한 제3 방향(z)을 따라 적층된 제1 및 제2 도전라인들(210, 220)을 구비하는 신호라인(200), 상기 제1 및 제2 도전라인들(210, 220)의 교차점인 픽셀(P) 별로 배치된 다수의 초음파 생성기(390)를 구비하는 초음파 어레이(300), 상기 초음파 어레이(300)를 상기 픽셀(P) 별로 코딩하여 활성 픽셀(AP) 및 비활성 픽셀(IAP)을 구비하는 코딩 어레이(도 7의 301)를 생성하는 픽셀 코딩기(400), 상기 코딩 어레이(301)를 구동하여 진폭변조 초음파(도 7의 AMU)를 생성하는 초음파 구동기(500) 및 진폭변조 초음파(AMU)의 파면을 실시간으로 변경할 수 있는 파형 제어기(600)를 포함한다.
본 실시예의 경우, 상기 공간 초음파 변조기(1000)는 광홀로그램의 파면(wave front)을 변형(shaping)하는 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)와 유사하게 집음되는 초음파의 파면(wave front)을 목적에 맞도록 적절하게 변형(shaping)할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 기판(100)은 상기 공간 초음파 변조기(1000)의 기저(base)를 구성하는 구조물로서, 상기 제1 및 제2 도전라인(210, 220)과 그 사이에 배치된 다수의 초음파 생성기(390)를 구비하는 초음파 어레이(300)가 제공된다.
예를 들면, 상기 기판(100)은 상기 공간 초음파 변조기(1000)를 구성하는 단위 셀을 형성하기 위한 초소형 정밀 기계(micro-electro mechanical system, MEMS) 공정을 수행할 수 있는 베이스 기판으로 제공되며 실리콘이나 갈륨과 같은 반도체 물질로 구성된다.
특히, 후술하는 바와 같이, 상기 공간 초음파 변조기(1000)는 상기 기판(100)의 상부에 커패시터를 형성하여 전기 에너지의 충전 및 방전에 따른 초음파를 검출하는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서 (capacitive micro-machined ultrasonic transducer, CMUT) 소자(C)으로 구성되는 다수의 초음파 생성기(390)를 구비하므로, 상기 기판(100)은 구동신호를 인가하는 하부전극(210) 및 상기 CMUT 소자(C)의 제조에 용이한 반도체 기판으로 제공된다.
특히, 본 실시예의 경우, 상기 하부전극(210)은 기판(100)의 상면과 상기 CMUT 소자(C)의 절연층(310) 사이에 위치하므로, 상기 기판(100)은 상대적으로 높은 저항을 구비하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(100)은 단일한 웨이퍼(silicon wafer)의 일부로 제공될 수 있다.
특히, 상기 기판(100)은 제1 방향(x)을 따른 길이와 상기 제1 방향(x)과 실질적으로 수직한 제2 방향(y)을 따른 폭을 갖는 장방형으로 제공될 수 있다. 그러나, 상기 기판(100)의 형상은 초음파 변조기(500)의 형상에 따라 적절하게 변형될 수 있음은 자명하다. 상기 제1 도전라인(210) 및 상기 제2 도전라인(220)은 상기 기판(100)의 상면으로부터 제1 및 제2 방향(x, y)과 수직한 제3 방향(z)을 따라 서로 이격되도록 배치된다.
상기 기판(100) 상에 다수의 제1 도전라인(210)들이 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 도전라인(210)들은 상기 제1 방향(x)을 따라 연장하고 상기 제2 방향(y)을 따라 이격되도록 배치된다. 이때, 서로 인접한 제1 도전라인(210)들 사이에는 절연층(미도시)이 배치되어 인접한 제1 도전라인(210)들은 서로 절연된다. 이에 따라, 상기 제1 도전라인(210)으로 인가되는 모든 변환신호들의 간섭을 충분히 방지할 수 있다.
상기 제1 도전라인(210)은 상기 초음파 생성기(390)의 동작모드를 변환하기 위한 모든 변환신호를 전송하여 제1 및 제2 도전라인(210, 220)의 신호가 동시에 인가되는 픽셀(P)에 위치하는 초음파 생성기(390)의 동작모드를 변경할 수 있다.
따라서, 상기 제1 도전라인(210)은 신호전송과 신호변환에 대한 시간지연을 최소화할 수 있는 저저항 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 도전라인(210)은 구리, 알루미늄 및 텅스텐과 같은 저저항 금속으로 구성될 수 있다.
예를 들면, 상기 기판(100)의 상면 전체를 덮는 절연층(미도시)을 생성하고 상기 절연층을 부분적으로 제거하여 제1 방향(x)을 따라 연장하고 제2 방향(y)을 따라 일정한 간격으로 떨어진 다수의 트렌치를 형성하고 상기 트렌치들을 도전물질로 매립하여 상기 다수의 제1 도전라인(210)들을 형성할 수 있다.
상기 제1 도전라인(210) 상에 제1 방향(x)을 따라 일정한 간격만큼 이격된 다수의 초음파 생성기(390)가 배치되고, 서로 인접한 제1 도전라인(210)에 배치된 초음파 생성기(390)들은 제2 방향(y)을 따라 일렬로 배치되어 상기 제2 도전라인(220)과 전기적으로 연결된다.
따라서, 상기 제2 도전라인(220)들은 상기 제1 도전라인(210)의 상부에서 제2 방향(y)을 따라 연장하고 제1 방향(x)을 따라 이격되어 상기 다수의 제1 도전라인(210)들과 서로 교차하도록 배치된다.
상기 초음파 생성기(390)는 상기 제1 도전라인(210) 및 제2 도전라인(220)들의 교차점(이하, 픽셀(P))에 배치되어 하부에서 상기 제1 도전라인(210)과 연결되고 상부에서 상기 제2 도전라인(220)과 연결되도록 구성된다. 이에 따라, 상기 기판(100) 상에는 상기 제1 및 제2 방향(x, y)을 따라 매트릭스 형상으로 정렬된 각 픽셀(P)에 초음파 생성기(390)가 배치된 초음파 어레이(300)가 제공된다.
즉, 상기 초음파 어레이(300)는 제2 방향(y)을 따라 일렬로 배치된 픽셀 행(PR)이 제1 방향(x)을 따라 일정한 간격으로 다수 배치되어 매트릭스 형상으로 배치되는 다수의 픽셀(P)을 갖고 각 픽셀에 배치된 다수의 초음파 어레이(390)를 구비한다.
상기 제2 도전라인(220)을 통하여 상기 픽셀 행(PR)을 선택하는 스캔신호를 인가할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 도전라인(220)은 제1 도전라인(210)과 마찬가지로 신호전송과 신호변환에 대한 시간지연을 최소화할 수 있는 저저항 물질로 구성된다. 본 실시예의 경우, 상기 제2 도전라인(220)은 제1 도전라인(210)과 동일하거나 상이한 물질로 구성된다.
상기 초음파 어레이(300)는 각 픽셀(P)에 배치된 초음파 생성기(390)를 구비하여, 상기 제1 및 제2 도전라인(210, 220)을 통하여 인가되는 스캔신호 및 모드 변환신호에 따라 적절한 바이어스가 인가될 수 있다.
이때, 상기 초음파 생성기(390)는 다수의 CMUT 소자(C)로 구성되어 상기 스캔신호와 모드 변환신호에 따라 다수의 CMUT 소자(C)로부터 동시에 단일한 초음파를 생성하도록 구성된다.
예를 들면, 상기 초음파 생성기(390)는 상기 제1 도전라인(210) 및 제2 도전라인과 동시에 전기적으로 연결되어 동일한 파동특성을 갖는 다수의 미세 초음파를 생성하는 다수의 CMUT 소자(C)로 구성되고, 상기 초음파(U)는 동일한 파동특성을 갖는 다수의 미세 초음파로 구성될 수 있다. 즉, 상기 초음파 생성기(390)로부터 생성되는 초음파는 단일한 파동특성을 갖도록 다수의 CMUT 소자(C)로부터 생성된 다수 초음파의 묶음으로 구성된다.
이하에서, 각 픽셀(P)에 배치된 초음파 생성기(390)로부터 생성되는 다수의 초음파는 개념상 단일한 파동특성을 갖는 단일한 초음파(U)로 취급할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 초음파 생성기를 구성하는 단위 셀인 CMUT 소자(C)를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 CMUT 소자(C)는 상기 제1 도전라인(210)들이 배치된 기판(100)을 덮고 소정의 깊이를 갖는 리세스를 구비하는 절연막(310), 상기 리세스를 덮도록 상기 절연막(310)을 덮어 상기 리세스를 밀폐공간(S)으로 형성하는 멤브레인(320) 및 상기 멤브레인(320) 상에 배치되어 상기 제2 도전라인(220)과 접속하는 전극패드(330)를 포함할 수 있다.
상기 절연막(310)은 제3 방향(z)을 따라 서로 이격되는 제1 도전라인(210)과 제2 도전라인(220) 사이에서 상기 기판(100)의 상면을 덮도록 배치된다. 상기 절연막(310)은 소정의 두께를 갖고 일정한 유전율을 갖는 절연물질로 구성되며, 상기 제1 도전라인(210)의 일부로 제공되는 하부전극과 상기 제2 도전라인(220)과 연결되는 전극패드(330)로 제공되는 상부전극 사이에 배치되어 평판 커패시터로 기능한다.
본 실시예의 경우, 상기 절연막(310)은 실리콘으로 구성된 상기 기판(100) 및 도전물질로 구성된 상기 제1 도전라인(210)의 상면에 배치되므로 실리콘 및/또는 제1 도전라인(210)과의 접착특성이 우수한 물질로 구성할 수 있다.
특히, 상기 절연막(310)의 상면에는 상기 멤브레인(320)과의 결합에 의해 밀폐공간(S)으로 형성되는 리세스가 배치되므로 상기 리세스의 형상을 유지하기 위한 충분한 강도와 강성을 갖도록 제공된다.
본 실시예의 경우, 상기 제1 도전라인(210)은 기판(100)의 상면에 배치되어 상기 절연막(310)은 기판(100) 및 제1 도전라인(210)과 교대로 접촉하도록 배치된다. 그러나, 이는 예시적이며, 상기 제1 도전라인(210)은 상기 기판(100)의 하면에 배치되고, 상기 절연막(310)은 상기 기판(100)의 상면을 전체적으로 덮도록 배치될 수도 있음은 자명하다.
상기 리세스는 상기 절연막(310)의 상면으로부터 일정한 깊이까지 함몰된 영역으로서 상기 절연막(310)의 상면을 덮는 멤브레인(320)에 의해 한정되는 밀폐공간(S)으로 제공된다. 따라서, 상기 밀폐공간(S)은 절연막(310)과 멤브레인(320)에 의해 한정되는 입체공간으로 제공되며, 바람직하게는, 진공으로 유지될 수 있다.
상기 밀폐공간(S)은 상기 멤브레인(300) 진동과정에서의 변형을 수용하며, 공기저항을 줄여 전기 에너지와 음향 에너지 사이의 변환효율을 높이도록 진공으로 유지한다.
또한, 상기 밀폐공간(S)을 한정하는 상기 절연막(310)의 제3 방향(z)을 따른 길이인 높이에 따라 상기 멤브레인(300)이 변형하여 상기 밀폐공간(S)의 바닥면에 대응하는 절연막(310)과 접촉하는 경우, 인가된 바이어스 전압은 풀인 전압(pull-in voltage)으로 결정된다.
이에 따라, 상기 밀폐공간(S)의 높이는 초음파의 검출 민감도와 상기 멤브레인(320)의 물성을 고려하여 적절한 풀인 전압(Vpi)을 설정할 수 있다.
예를 들면, 상기 멤브레인(300)은 반도체 물질로 구성되어 상기 커패시터에 저장된 정전하의 충전 및 방전에 따라 진동하는 막질로 제공된다. 특히, 상기 멤브레인(320)은 상기 리세스를 덮도록 절연막(310)과 결합하여 상기 밀폐공간(S)을 형성하므로, 상기 절연막(310)과 결합하여 밀봉 특성을 높일 수 있는 물질로 구성된다.
또한, 상기 멤브레인(330)은 각 픽셀 별로 단일하게 배치되어, 개별적인 CMUT 소자(C)를 구성하는 상기 절연막(310)의 각 리세스는 단일한 멤브레인(320)에 의해 한정된다. 이에 따라, 상기 밀폐공간(S)은 개별적인 리세스를 덮는 단일한 멤브레인(320)으로 구성되며, 상기 픽셀(P) 단위로 제공되는 초음파 생성기(390)는 단일한 멤브레인(320)에 의해 한정되는 다수의 리세스를 갖는 절연막(310)으로 구성되어 다수의 CMUT 소자(C)로 구성된다.
상기 멤브레인(320)의 상면에 전원을 인가하기 위한 유연성 전극패드(330)가 상기 픽셀(P) 단위로 배치되어 각 CMUT 소자(C)에 대한 공통 상부전극으로 기능하게 된다. 상기 전극패드(330)는 제2 도전라인(220)과 접촉하도록 구성되어 제2 도전라인(220)으로 인가되는 스캔신호는 상기 전극패드(330)를 통하여 동시에 각 CMUT 소자(C)로 인가된다. 이에 따라, 상기 스캔신호는 상기 픽셀(P)을 구성하는 모든 CMUT 소자(C)로 공통으로 인가된다.
본 실시예에서는 상기 멤브레인(320)과 전극패드(330)는 각각 개별적으로 제공되고 있지만, 상기 멤브레인(320)과 전극패드(330)는 동일한 물질로 일체로 제공될 수도 있음은 자명하다.
상기 CMUT 소자(C)로 풀인 전압(Vpi)이 인가되는 경우, 상기 멤브레인(320)은 각 CMUT 소자(C)의 밀폐공간(S)으로 함몰되어 멤브레인(320)과 밀폐공간(S)의 바닥면으로 제공되는 절연막(310)이 접속하도록 변형된다. 이하, 멤브레인(320)과 절연막(310)이 접촉하도록 변형된 CMUT 소자(C)를 변형 CMUT 소자라 한다.
이때, 멤브레인(320) 상부의 상기 전극패드(330)도 멤브레인(320)을 따라 유연하게 거동할 수 있는 유연성 전극으로 구성되고, 상기 제2 도전라인(220)은 밀폐공간(S)을 한정하는 절연막(310)의 상면에 잔류하는 전극패드(330)와 접속할 수 있다.
즉, 상기 전극패드(330)는 멤브레인(320)의 풀인 모드(PIM) 및 풀아웃 모드(POM)로의 변형을 흡수하여 상기 멤브레인(320)의 풀인/풀아웃 변형을 상기 제2 도전라인(220)으로 전달하지 않을 정도의 탄성을 가질 수 있다.
상기 제1 도전라인(210)은 상기 다수의 CMUT 소자(C)의 공통 하부전극으로 제공되어 상기 모드 변환신호는 상기 픽셀(P)을 구성하는 모든 CMUT 소자(C)로 공통으로 인가된다.
이에 따라, 상기 픽셀(P) 별로 배치된 초음파 생성기(390)를 구성하는 다수의 CMUT 소자(C)는 공통 스캔신호와 공통 모드 변환신호에 따라 단일한 동작특성을 갖도록 구동되고, 상기 초음파 생성기(390)는 다수의 CMUT 소자(C)가 공통 스캔신호와 공통 모드 변환신호에 의해 동작모드가 결정되는 단일한 가상 CMUT 소자(C)를 구비하는 것으로 모델링 될 수 있다.
상기 제1 방향(x)을 따라 일정한 간격으로 배치된 다수의 상기 초음파 생성기(390)는 픽셀 열(pixel column, PC)로 제공되고 상기 제2 방향(y)을 따라 일정한 간격으로 배치된 상기 초음파 생성기(390)는 픽셀 행(pixel row, PR)으로 제공된다. 따라서, 상기 초음파 어레이(300)는 각 픽셀 별로 장방형으로 배치된 다수의 초음파 생성기(390)로 구성된다.
따라서, 상기 초음파 어레이(300)의 각 픽셀(P)에 배치된 초음파 생성기(390)는 상기 스캔신호와 상기 모드 변환신호의 조합을 변경함으로써 동작모드를 변경할 수 있다.
상기 초음파 생성기(390)는 정상모드와 풀인모드 중의 어느 하나의 동작모드를 갖는다.
상기 정상모드에서는 상기 CMUT 소자(C)의 내부에 정전기력을 생성하는 바이어스 전압이 상기 CMUT 소자(C)의 풀인모드 전압인 풀인 전압(Vpi)까지 증가하는 정방향 영역(도 5의 Ppi)에서 인가된다. 이에 따라, 상기 초음파 생성기(390)는 상기 정상모드에서 설정된 공진 주파수를 갖는 구동신호에 의해 동작하고 대응 픽셀은 상기 활성 픽셀(AP)로 기능하게 된다.
이와 달리, 상기 풀인 모드에서는 상기 바이어스 전압이 상기 풀인 전압(Vpi)으로부터 상기 CMUT 소자(C)를 정상모드(normal mode)로 복원하는 풀아웃 전압(Vpo)까지 감소하는 부방향 영역(Ppo)에서 인가되어 상기 초음파 생성기(390)는 상기 구동신호에서는 동작하기 어려워 대응 픽셀(P)은 상기 비활성 픽셀(IAP)로 기능하게 된다.
상기 신호라인(200)을 따라 인가되는 신호들에 의해 상기 CMUT 소자(C)로 직류전압인 바이어스 전압이 인가되고, 상기 CMUT 소자(C)는 상기 바이어스 신호의 크기에 대응하는 정전용량을 갖는 커패시터로 기능하게 된다.
도 5a는 도 4에 도시된 CMUT 소자(C)에 저장되는 정전용량과 상기 CMUT 소자에 인가되는 바이어스 전압 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 바이어스 전압의 변화에 따라 커패시터로 기능하는 CMUT 소자(C)의 정전용량은 바이어스 전압의 방향성에 따라 서로 다른 경로를 따라 변화하게 된다.
상기 CMUT 소자(C)로 바이어스 전압이 인가되면 상기 CMUT 소자(C)는 일정한 정전용량을 갖는 커패시터로 기능하고, 정전용량을 갖는 CMUT 소자(C)에 교류전압을 인가하면 상기 멤브레인(320)의 주기적인 진동에 의해 초음파를 생성하게 된다.
이때, 상기 CMUT 소자(C)의 고유 진동수와 공진할 수 있는 공진 주파수를 갖도록 상기 교류전원의 주파수를 설정하게 되면 교류전원과 CMUT 소자(C)가 서로 공진하여 CMUT 소자(C)로부터 가장 큰 에너지를 갖는 초음파를 생성할 수 있다. 상기 바이어스 전압은 상기 CMUT 소자(C)에서 상기 멤브레인(C)을 진동하기 적절한 정전용량을 갖도록 설정될 수 있다.
그러나, 상기 바이어스 전압이 상기 CMUT 소자(C)의 특성값인 풀인 전압(Vpi)에 도달하는 경우, 상기 멤브레인(320)은 밀폐공간(S)의 바닥면으로 제공되는 절연막(310)에 접착되어 멤브레인(320)과 절연막(310) 사이의 밀폐공간(S)이 변형되는 변형된다.
상기 멤브레인(320)과 절연막(310)이 접합하게 되면, 상기 멤브레인(310)과 절연막(310)이 단일한 구조물로 변환되어 CMUT 소자(C)의 물리적 특성이 변화하고 원래의 고유 진동수와 다른 변형 고유 진동수를 갖는 변형 CMUT소자로 형성된다. 이에 따라, 변형되기 전의 CMUT 소자(C)의 고유 진동수와 공진하는 공진 주파수를 갖는 교류신호인 상기 구동신호를 인가하는 경우 변형 고유 진동수를 갖도록 변형된 CMUT 소자(C)에서는 멤브레인(320)을 진동시키기 어렵게 된다.
따라서, 상기 풀인전압(Vpi)보다 낮은 바이어스 전압이 상기 초음파 생성기(390)로 인가되는 경우, 상기 초음파 생성기(390)는 정상모드(NM)로 동작하고, 정상모드(NM)로 동작하는 초음파 생성기(390)가 배치된 픽셀(P)은 초음파를 생성할 수 있는 활성픽셀이 된다.
이와 달리, 상기 풀인전압(Vpi) 이상의 바이어스 전압이 상기 초음파 생성기(390)로 인가되는 경우, 상기 밀폐공간(S)이 변형되고 상기 멤브레인(320)과 절연막(310)이 접착하여 상기 초음파 생성기(390)의 물리적 특성이 변화한다.
이에 따라, 상기 초음파 생성기(390)는 정상모드(NM)와 다른 고유 진동수를 갖는 풀인모드(PIM)로 동작하게 된다. 정상모드(NM)의 초음파 생성기(390)와 공진하는 공진 주파수를 갖는 상기 구동신호는 풀인모드(PIM)로 동작하는 초음파 생성기(390)에서는 초음파를 생성하기 어렵다. 따라서, 상기 풀인모드(PIM)로 동작하는 초음파 생성기(390)가 배치된 픽셀(P)은 초음파를 생성하지 않는 비활성 픽셀이 된다.
이에 따라, 상기 초음파 생성기(390)는 바이어스 전압을 조절함으로써 동작모드를 정상모드(NM)와 풀인모드(PIM) 사이에서 변환할 수 있다.
상기 바이어스 전압을 초기상태로부터 풀인전압(Vpi)까지 증가시키면, 상기 초음파 생성기(390)는 정상모드(NM)로 동작하며 초음파 생성기(390)의 정전용량은 정방향 영역에서 풀인 경로(Ppi)를 따라 변화하게 된다. 이하에서, 상기 풀인 경로(Ppi)를 따라 인가되는 바이어스를 정 바이어스라 한다.
마침내, 상기 바이어스 전압이 풀인 전압(Vpi)에 도달하면 상기 초음파 생성기(390)는 풀인모드(PIM)로 변환되어 정상모드(NM)의 고유 진동수와 다른 변형 고유 진동수를 갖는 변형 소자로 변형된다.
이때, 상기 바이어스 전압을 다시 낮추게 되면 상기 멤브레인(320)의 복원력과 정전하의 정전기력 사이의 균형이 회복되면서 상기 CMUT 소자(C)는 정상모드(NM)로 회복될 수 있다.
다만, 일단 풀인모드(PIM)로 변환된 초음파 생성기(390)는 멤브레인(320)과 절연막(310) 사이의 정지 마찰력이 작용하므로, 상기 멤브레인(320)이 다시 원래의 형상을 복원하기 위해서는 상기 바이어스 전압과 풀인 전압(Vpi)의 차이가 정지 마찰력을 이겨낼 수 있을 정도로 충분한 전위차를 가질 것이 요구된다.
따라서, 상기 바이어스 전압과 풀인 전압(Vpi) 사이의 전위차가 상기 정지 마찰력을 이겨낼 수 있을 정도로 충분하지 않으면 풀인 전압(Vpi)보다 낮은 바이어스 전압이 인가되는 경우에도 상기 초음파 생성기(390)는 여전히 풀인모드(PIM)를 유지하게 된다.
상기 바이어스 전압이 감소하여 상기 CMUT 소자(C)의 동작모드가 상기 풀인모드(PIM)로부터 정상모드(NM)로 복원되는 경우, 상기 CMUT 소자(C)의 정전용량은 상기 정 바이어스가 인가되는 경우의 정상모드(NM)와 비교하여 높은 정전용량을 갖게 된다. 따라서, 상기 바이어스 전압의 감소에 따른 CMUT 소자(C)의 정전용량 변화는 풀아웃 경로(Ppo)를 따라 변화하게 된다.
상기 풀아웃 경로(Ppo)를 따라 감소하던 상기 바이어스 전압이 마침내 풀아웃 전압(Vpo)에 도달하면, 상기 멤브레인(320)은 정지 마찰력을 이기고 절연막(310)으로부터 분리되어 정상모드(NM)로 복원된다.
상기 바이어스 전압을 풀인전압(Vpi)으로부터 감소시키면, 상기 초음파 생성기(390)는 풀아웃 전압(Vpo)에 도달할 때까지 풀인 모드(PIM)로 동작하고 정전용량은 부방향 영역에서 풀아웃 경로(Ppo)를 따라 변화하게 된다. 이하에서, 상기 풀아웃 경로(Ppo)를 따라 인가되는 바이어스를 부 바이어스라 한다.
이때, 풀인 경로(Ppi) 상에 위치하는 정 바이어스 전압과 풀아웃 경로(Ppo) 상에 위치하는 부 바이어스 전압을 적절하게 선택함으로써 동일한 물성을 갖는 상기 초음파 생성기(390)들의 동작모드를 개별적으로 정상모드(NM)와 풀인모드(PIM)로 설정할 수 있다.
도 5b 및 5c는 동일한 크기의 정 바이어스 및 부 바이어스가 인가된 초음파 생성기의 동작상태를 나타내는 도면들이다. 도 5b 및 5c에서, 풀인 전압이 50V이고 풀아웃 전압이 35V인 초음파 생성기에서 정 바이어스 및 부 바이어스 전압이 모두 40V인 경우에 초음파 생성기의 동작모드를 개시한다.
상기 풀아웃 전압(Vpo)보다 크고 상기 풀인 전압(Vpi) 보다 작은 정 바이어스가 인가되면, 상기 정 바이어스가 풀인 전압(Vpi)보다 작기 때문에 상기 초음파 생성기(390)는 도 5b에 도시된 바와 같이 정상모드(NM)로 동작한다.
한편, 상기 풀아웃 전압(Vpo)보다 크고 상기 풀인전압(Vpi) 보다 작은 부 바이어스를 인가하는 경우, 도 5c에 도시된 바와 같이 부 바이어스가 풀인 전압(Vpi)보다 작은 경우에도 여전히 풀아웃 전압(Vpo) 보다 높기 때문에 풀인 모드(PIM)로 동작하게 된다. 즉, 풀아웃 전압보다 큰 부 바이어스가 인가된 초음파 생성기(390)는 여전히 풀인모드(PIM)를 유지하고 있다.
따라서, 동일한 크기를 갖는 바이어스 전압일지라도 증가하는 방향을 갖는 정 바이어스인지 감소하는 방향을 갖는 부 바이어스 인지에 따라 상기 초음파 생성기(390)의 동작모드는 서로 다르게 설정될 수 있다.
이와 같은 CMUT 소자(C)의 바이어스 동작특성을 이용하여 풀인모드로 설정된 픽셀의 바이어스가 변경된다 할지라도 변경된 바이어스가 여전히 상기 부방향 영역에 있다면 여전히 풀인모드(PIM)를 유지하도록 설정할 수 있다. 즉, 상기 모드전압 및 스캔전압이 변경되는 경우에도 바이어스 전압에 대해 적절한 조건을 설정한다면 상기 초음파 어레이의 픽셀에 저장된 데이터인 동작모드를 유지할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기에 구비된 픽셀 코딩기에 관한 구성을 나타내는 구성도이다.
도 6을 참조하면, 상기 픽셀 코딩기(400)는 초기화 구동기(410), 스캔라인 설정기(420), 모드라인 설정기(430), 풀인 코딩기(440), 타이밍 컨트롤러(450), 픽셀 리셋부(460) 및 코딩 제어센터(CS)를 포함할 수 있다.
상기 픽셀 코딩기(400)는 상기 초음파 생성기(390)의 서로 대비되는 이진 동작모드인 정상모드(NM)와 풀인모드(PIM)로 상기 초음파 어레이(300)의 각 픽셀(P)을 코딩하여 활성 픽셀(AP) 및 비활성 픽셀(IAP)을 구비하는 코딩 어레이(301)를 생성할 수 있다.
상기 스캔라인 설정기(420)는 상기 제2 도전라인들(220)과 선택적으로 연결되어, 인가되는 신호에 따라 제2 도전라인(220)들을 개별적으로 연결하거나 단락할 수 있다. 마찬가지로, 상기 모드라인 설정기(430)는 상기 제1 도전라인들(210)과 선택적으로 연결되어, 인가되는 신호에 따라 제1 도전라인들(210)들을 개별적으로 연결하거나 단락할 수 있다.
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상기 초기화 구동기(410), 상기 풀인 코딩기(440), 상기 타이밍 컨트롤러(450) 및 픽셀 리셋부(460)는 상기 코딩 제어센터(CS)의 제어신호에 따라 상기 스캔라인 설정기(420) 및 모드라인 설정기(430)를 통해 상기 제1 및 제2 도전라인(210, 220)으로 개별적으로 신호를 전송할 수 있다.
예를 들면, 상기 초기화 구동기(410)는 상기 제1 및 제2 도전라인들(210, 220)로 초기화 신호를 인가하여 상기 초음파 어레이(300)의 각 픽셀(P)에 구비된 상기 초음파 생성기(390)들을 상기 정상모드(NM)로 초기화 할 수 있다.
상기 코딩 제어센터(CS)로 상기 초음파 어레이(300)에 대한 코딩개시 신호가 인가되면, 상기 코딩 제어센터(CS)는 먼저 상기 초기화 구동기(410)를 제어하여 상기 신호라인(200)으로 초기화 신호를 인가한다.
예를 들면, 상기 초기화 신호는 상기 제1 도전라인들(210)로 동시에 인가되는 제1 세팅신호 및 다수의 상기 제2 도전라인들(220)로 동시에 인가되는 제2 세팅신호를 포함한다.
따라서, 상기 제1 세팅 신호의 제1 세팅전압(Vs1)과 상기 제2 세팅신호의 제2 세팅전압(Vs2)의 전위차에 대응하고 식 (1)의 조건을 만족하는 정 바이어스 전압(이하, 세팅전압(Vs))이 동시에 상기 초음파 어레이(200)의 모든 픽셀(P)로 인가된다.
Vpo < Vs = (Vs1 - Vs2) < Vpi --- (1)
이때, 식 (1)에서 Vpo는 풀아웃 전압, Vpi는 풀인 전압, Vs는 세팅전압, Vs1은 제1 세팅전압, Vs2는 제2 세팅전압을 각각 나타낸다.
상기 픽셀(P)에 배치된 초음파 생성기(390)는 풀인 전압(Vpi)보다 낮은 세팅전압(Vs)이 정 바이어스로 인가되므로 동작모드는 정상모드(NM)로 설정된다. 즉, 상기 초기화 신호에 의해 초음파 어레이(300)의 모든 픽셀(P)은 정상모드(NM) 데이터를 갖게 된다.
초음파 어레이(300)에 대한 초기화가 완료되면, 상기 코딩 제어센터(CS)는 타이밍 컨트롤러(450)에 풀인 코딩 신호를 전송한다. 풀인 코딩 신호에 따라 상기 타이밍 컨트롤러(450)는 상기 스캔라인 설정기(420), 모드라인 설정기(430) 및 풀인 코딩기(440)를 제어하여 초음파 어레이(300)의 픽셀 행(PR) 단위로 정상모드(NM)로 설정된 픽셀(P)의 일부를 풀인모드(PIM)로 코딩한다.
상기 스캔라인 설정부(420)는 상기 제2 도전라인들(210) 중의 하나를 스캔신호를 전송하는 스캔라인(SL)으로 추출하고 상기 스캔라인(SL)에 대응하는 상기 초음파 어레이(300)의 픽셀 행(PR)을 코딩 행으로 선택한다.
본 실시예의 경우, 상기 스캔라인(SL)은 기준라인으로 설정된 특정한 제2 도전라인으로부터 일정한 방향을 따라 순차적으로 선택될 수 있다. 따라서, 제2 도전라인들(220)의 모든 라인들은 순차적으로 상기 스캔라인(SL)으로 선택될 수 있다. 이에 따라, 상기 스캔 라인(SL)을 따라 제2 방향(y)을 따라 정렬된 다수의 픽셀(P)들은 단일한 코딩 행(도 7의 CR)으로 선택된다.
상기 모드라인 설정부(430)는 적어도 하나의 상기 제1 도전라인(210)을 상기 픽셀(P)의 동작모드를 변환할 수 있는 모드 변환신호를 전송하기 위한 모드변환 라인(MSL)으로 추출하고 상기 모드변환 라인(MSL)에 대응하는 상기 초음파 어레이(300)의 픽셀 열(PC)을 코딩 열(도 7의 CC)로 선택한다.
상기 타이밍 컨트롤러(450)에 의해 선택된 코딩 행의 픽셀들 중 코딩대상 픽셀을 포함하는 픽셀 열(PC)에 관한 정보는 상기 모드라인 설정부(430)로 전송되고 상기 모드라인 설정부(430)는 상기 제1 도전라인들(210) 중에서 상기 픽셀 열(PC)에 대응하는 제1 도전라인(210)을 상기 모드변환 라인(MSL)로 선택한다. 상기 모드변환 라인(MSL)을 따라 제1 방향(x)을 따라 정렬된 다수의 픽셀(P)들은 단일한 코딩 열(CC)로 설정된다.
상기 스캔라인(SL)과 모드변환 라인(MSL)이 선택되면, 상기 풀인 코딩기(440)는 상기 스캔라인(SL) 및 상기 모드변환 라인(MSL)으로 각각 스캔전압(Vscan)을 갖는 스캔신호 및 모드전압(Vmode)을 갖는 모드변환 신호를 인가할 수 있다.
이에 따라, 상기 모드전압(Vmode)과 상기 스캔전압(Vscan)의 전위차에 대응하는 풀인 바이어스 전압이 상기 코딩 행(CR)과 상기 코딩 열(CC)이 교차하는 코딩대상 픽셀(에 배치된 상기 초음파 생성기(390)의 동작모드를 상기 풀인모드(PIM)로 코딩한다. 즉, 상기 풀인 코딩기(440)는 정상모드로 설정된 픽셀(P)에 대해 풀인모드(PIM)로 코딩하는 풀인코딩 동작을 수행한다.
이때, 상기 풀인 바이어스 전압은 정상모드(NM)로 설정된 픽셀(P)을 선택적으로 풀인모드(PIM)로 코딩하는 것이므로 설정된 풀인전압(Vpi)보다 높은 전압을 갖도록 설정된다.
즉, 상기 모드전압(Vmode)과 상기 스캔전압(Vscan)은 식 (2) 내지 식 (4)를 만족하도록 설정하여, 상기 코딩대상 픽셀(로 상기 풀인 전압(Vpi)보다 큰 바이어스 전압을 인가하여 상기 동작모드를 풀인모드(PIM)로 변환하고 상기 코딩대상 픽셀(을 제외한 나머지 코딩 행(CR)의 상기 픽셀(P)들은 초기화된 정상모드를 유지하게 된다.
Vs - Vscan < Vpi ---- (2)
Vmode - Vscan > Vpi ---- (3)
Vmode < Vpi ---- (4)
이때, 식 (2) 및 식 (4)에서 Vs는 세팅 전압, Vscan은 선택전압, Vmode는 모드 전압을 각각 나타낸다.
선택된 코딩 행(CR) 및 코딩 열(CC)에 대한 풀인코딩 동작이 완료되면, 상기 타이밍 코트롤러(450)에 의해 그 다음 픽셀 행(PR)이 새로운 코딩 행으로 선택되고 새로운 코딩 행에 포함된 픽셀 중 코딩대상 픽셀을 포함하는 픽셀 열(PC)이 선택된다. 이에 따라, 새로운 코딩 행과 코딩 열에 대응하는 제2 및 제1 도전라인이 각각 새로운 스캔라인(SL)과 모드변환 라인(MSL)으로 선택된다.
이후, 새로운 스캔라인(SL)과 모드변환 라인(MSL)으로 각각 스캔전압과 모드전압을 인가하여 새로운 코딩대상 픽셀(을 풀인모드(PIM)으로 설정한다.
상기 타이밍 컨트롤러(450)는 초음파 어레이(300)를 구성하는 모든 픽셀 행(PC)을 순차적으로 선택 한 후 픽셀 행(PC)의 일부 픽셀에 대해 선택적으로 풀인코딩 동작을 수행한다.
이에 따라, 초음파 어레이(300)의 모든 픽셀(P)에 대해 정상모드(NM)와 풀인 모드(PIM) 중의 어느 하나의 데이터를 갖도록 코딩된다.
이때, 당해 코딩 행(CR)에 대한 상기 풀인코딩 동작이 수행되는 동안 이전 코딩 행(CR)에서 이미 풀인모드로 코딩된 풀인픽셀(PP)의 동작모드는 유지될 필요가 있다.
이전 코딩 행에 대한 풀인코딩 동작에서 설정된 스캔 전압(Vscan)과 모드 전압(Vmode)은 당해 코딩 행에 대한 풀인코딩 동작에서는 동일하게 유지되기 어려우므로, 풀인 픽셀(PP)에 대한 바이어스 전압의 변화와 무관하게 풀인픽셀의 동작모드를 유지할 필요가 있다.
본 실시예의 경우, 상기 스캔전압(Vscan), 모드전압(Vmode) 및 세팅전압(Vs)을 식 (5)를 만족하도록 설정하여 이미 풀인모드로 코딩된 풀인픽셀(PP)의 동작모드를 보존할 수 있다.
Vpo < Vmode < Vpi ---- (5)
상술한 바와 조건을 만족하는 세팅전압, 스캔전압 및 모드전압으로 정상모드(NM)로 설정된 각 픽셀(P)을 선택적으로 풀인모드로 코딩할 수 있다. 이에 따라, 상기 초음파 어레이(300)는 정상모드로 설정된 활성픽셀(AP)와 풀인모드로 설정된 비활성 픽셀(IAP)를 구비하는 코딩 어레이(301)로 형성된다.
예시적인 실시예로서, 풀인전압 50V 및 풀아웃 전압 30V의 특성을 갖는 CMUT 소자로 상기 초음파 생성기(390)를 구성하는 경우, 상기 세팅전압은 35V, 상기 스캔전압은 -10V 및 상기 모드전압은 45V로 설정함으로써 상기 초음파 어레이(300)를 간단하게 코딩할 수 있다.
그러나, 이는 예시적이며, 상기 초음파 생성기(390)의 풀인 전압 및 풀아웃 전압이 특정된다면, 식 (1) 내지 식 (5)를 만족하는 다양한 조합으로 상기 세팅전압, 스캔전압 및 모드전압을 설정할 수 있다.
상기 코딩 어레이(301)에 구비된 활성 픽셀(AP) 및 비활성 픽셀(IAP)의 정렬 형태에 관한 픽셀 맵을 변경할 필요가 있으면, 상기 코딩 제어센터(CS)는 현재의 코딩 어레이(301)의 각 픽셀을 리셋하도록 픽셀 리셋부(460)를 구동할 수 있다.
예를 들면, 픽셀 리셋 신호가 검출되면, 상기 픽셀 리셋부(460)는 상기 스캔라인 설정기(420) 및 모드변환 설정기(430)를 구동하여 상기 신호라인들(200)을 동시에 접지 시킨다.
이에 따라, 상기 코딩 어레이(301)는 코딩 전의 초음파 어레이(300) 상태로 환원된다. 이후, 새로운 픽셀 맵에 대응하여 정상모드 및 풀인모드로 코딩하여 새로운 코딩 어레이를 생성할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 초음파 구동기(500)는 상기 코딩 어레이(301)를 구동하여 상기 활성 픽셀(AP)에서 생성되는 다수 초음파(U)의 합성에 의해 파면(wave front)이 변형되는(shaped) 진폭 변조 초음파(AMU)를 생성할 수 있다.
예를 들면, 상기 초음파 구동기(500)는 구동 설정부(510) 및 구동부(520)를 포함할 수 있다.
상기 구동 설정부(510)는 상기 코딩 어레이(301)로 구동 바이어스를 인가하여 상기 코딩 어레이(301)의 각 픽셀에 인가되는 바이어스 전압을 균일하게 설정할 수 있다.
상기 코딩 어레이(301)는 코딩 열(CR)을 따라 스캔전압(Vscan)과 모드전압(Vmode)가 동시에 인가되므로 픽셀 별로 바이어스 전압이 상이하게 구성된다. 픽셀 바이어스 전압의 불균일은 활성 픽셀에서 생성되는 초음파의 세기 불균일을 초래하여 진폭변조 초음파의 파면에 왜곡을 초래할 수 있다.
이에 따라, 상기 코딩 어레이(301)로 인가되는 전압을 균일한 구동전압으로 설정할 수 있다.
이때, 상기 구동 설정부(460)는 상기 제1 도전라인들(210)로 식 (7)을 만족하도록 구동전압을 인가하고 상기 제2 도전라인들(220)은 접지하도록 설정할 수 있다.
Vpo < Vd < Vpi ------ (7)
이때, 식 (7)에서 Vpo는 풀아웃 전압, Vpi는 풀인 전압, Vd는 구동 바이어스를 의미한다.
즉, 상기 구동전압은 풀인 전압보다는 작고 상기 풀아웃 전압보다는 크게 설정되어 코딩 어레이(301)의 풀인 픽셀(PP)의 풀인 모드(PIM)는 보존할 수 있다.
상기 구동부(520)는 상기 코딩 어레이(301)로 교류전압을 인가하여 상기 활성 픽셀(AP)로부터 상기 초음파(U)를 생성할 수 있다.
상기 구동 바이어스가 인가된 활성 픽셀(AP)로 상기 구동신호를 인가하면 상기 CMUT 소자(C)에 축적된 정전하는 전기적으로 진동하면서 초음파(U)를 생성하게 된다.
이때, 상기 구동신호는 정상모드(NM)로 구동하는 CMUT 소자(C)의 고유 진동수와 공진할 수 있는 공진 주파수를 주파수로 갖는 교류신호를 포함한다. 정상모드에서의 공진 주파수를 상기 교류신호의 주파수로 설정하면, 변형 고유 진동수를 갖는 풀인모드의 CMUT 소자(C)는 상기 교류신호에 의해 동작이 어렵게 된다. 즉, 정상모드의 초음파 생성기(390)에서 공진하는 주파수를 갖는 상기 구동신호는 고유 진동수가 다른 풀인 모드의 초음파 생성기(390)는 구동하기 어렵게 된다.
이에 따라, 활성 픽셀에서는 공진할 수 있는 교류신호가 인가되어 가장 큰 음향 에너지를 갖는 초음파가 생성되지만, 비활성 픽셀에서는 초음파가 거의 생성되지 않는다.
상기 코딩 어레이(301)의 활성 픽셀(AP)에서만 생성된 상기 초음파(U)는 서로 간섭하여 진폭변조 초음파(AMU)를 형성하게 된다.
도 7은 도 3에 도시된 초음파 어레이를 정상모드 및 풀인모드로 코딩한 코딩 어레이 및 상기 코딩 어레이를 이용하여 생성된 진폭변조 초음파를 나타내는 개념도이다.
도 7을 참조하면, 상기 정상모드와 풀인모드의 이진값으로 코딩된 픽셀 맵을 갖는 코딩 어레이(301)로 교류신호를 인가하여 파면(wave front) 변형(shaping)에 의해 공간 진폭이 변조된 진폭변조 초음파(AMU)를 생성할 수 있다.
상기 정상모드로 설정된 픽셀은 상기 교류신호에 의해 단위 초음파(U)를 생성하여 활성픽셀(AP)로 기능하고 상기 풀인모드로 설정된 픽셀은 상기 교류신호에서는 단위 초음파를 생성하지 않는 비활성 픽셀(IAP)로 기능한다.
상기 활성픽셀(AU)은 구면파(spherical wave)로 기능하는 상기 단위 초음파의 점파원으로 기능하고, 상기 코딩 어레이(301)는 상기 픽셀 맵에 따라 정렬하여 단위 초음파(U)를 생성하는 다수의 점파원을 구비하게 된다. 따라서, 픽셀 맵에 따라 부분적으로 분포하는 점파원으로부터 생성된 다수의 단위 초음파(U)를 근거로 상기 코딩 어레이(301)의 모든 픽셀에 대한 음압을 연산에 의해 수득할 수 있다.
이때, 상기 비활성 픽셀(IAP)은 단위 초음파(U)를 생성하지 않으므로 인접한 활성픽셀(AP)들의 음압분포의 연속성을 보장하기 위한 음압으로 설정되고, 상기 음압분포에 의해 형성되는 초음파의 파면은 비활성 픽셀(IAP)에서 하방으로 리세스되고 활성픽셀(AP)에서는 상방으로 돌출하는 형상을 갖게 된다. 이에 따라, 상기 코딩 어레이(301)에 대응하는 초음파는 공간 상에서 상기 픽셀(P)의 동작모드에 따라 진폭이 달라지는 진폭변조 초음파(AMU)로 형성된다.
상기 코딩 어레이(301)를 구성하는 각 픽셀(P)의 동작모드인 픽셀 맵은 스캔신호와 모드변환 신호의 제어에 의해 실시간으로 변경할 수 있고, 상기 진폭변조 초음파(AMU)는 상기 픽셀 맵에 의해 파면이 결정되므로 상기 스캔신호와 모드변환 신호의 조절에 의해 실시간으로 파면이 변형되는 동적 진폭변조 초음파(AMU)를 생성할 수 있다.
즉, 상기 진폭변조 초음파(AMU)는 초음파를 생성하는 코딩 어레이(301)의 동작모드에 관한 픽셀 맵에 의해 서로 상이한 파면을 갖는 초음파로 형성되어 코딩 어레이(301)의 픽셀 맵을 변경함으로써 공간 상에서 다양한 파면 형상을 갖는 진폭변조 초음파를 생성할 수 있다.
특히, 상기 코딩 어레이(301)는 스캔전압(Vscan)과 모드전압(Vmode) 및 세팅전압(Vs)의 설정만 조절함으로써 초음파 생성기(390)의 서로 대비되는 이진 동작모드로 코딩할 수 있으므로, 인가되는 신호의 변경만으로 간단하게 코딩 어레이(301)를 변경할 수 있다. 이에 따라, 상기 진폭변조 초음파(AMU)는 상기 코딩 어레이(301)의 변경에 의해 실시간으로 파면을 변형할 수 있다.
예를 들면, 상기 파형 제어기(600)는 파면정보에 관한 입력신호에 따라 상기 코딩 어레이(301)를 변경하도록 상기 픽셀 코딩기(400)를 제어하고, 변경된 코딩 어레이(301)에 따라 진폭변조 초음파를 생성하도록 상기 초음파 구동기를 제어하여 상기 진폭변조 초음파의 파면을 실시간으로 변형할 수 있다.
이에 따라, 상기 코딩 어레이(301)의 픽셀 변환 알고리즘을 미리 상기 파형 제어기(600)에 입력함으로써 상기 코딩 어레이(301)를 연속적으로 변화시켜 상기 진폭변조 초음파의 파면을 연속적으로 변경시킬 수 있다. 이에 따라, 시간에 따라 파면이 가변적인 진폭변조 초음파를 간단하게 수득할 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기를 구비하는 초음파 장치를 나타내는 구성도이다.
본 실시예에 의한 초음파 장치(2000)는 도 1 내지 도 7에 도시된 공간 초음파 변조기에 의해 공간상에서 파면 가변적인 초음파로 생성되는 진폭변조 초음파를 대상물에 대한 초음파 처리를 위한 입사파로 사용할 수 있다.
이에 따라, 도 8에서, 도 1 내지 도 7과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 장치(2000)는 초음파 처리를 위한 진폭변조 초음파인 입사파의 파면에 관한 정보를 설정하는 파면정보 설정기(1100), 상기 파면정보에 따라 코딩 어레이(301)를 생성하고 설정된 파면을 갖는 진폭변조 초음파를 상기 입사파로 생성하는 공간 초음파 변조기(1200) 및 상기 입사파에 대한 초음파 처리 대상물(B)의 반응을 검출하는 반응 검출부(1300)를 포함할 수 있다.
상기 파면정보 설정기(1100)는 초음파 처리를 위한 입사파로 이용하기 위한 진폭변조 초음파의 파면정보를 수득하고 상기 파면정보에 대응하는 초음파 생성기(390)의 이진 동작모드에 관한 픽셀 맵을 설정한다.
예를 들면, 상기 입사파의 파면에 관한 파면정보는 실시간으로 사용자에 의해 입력될 수도 있고 미리 설정된 파면형상 데이터베이스를 통해 자동으로 인식될 수도 있다.
상기 대상물(B)의 형상 및 특성과 초음파 처리의 처리목적에 따라 적절한 파면 형상을 결정하고 상기 파면 형상에 대웅하는 상기 픽셀 맵을 설정한다.
예를 들면, 상기 파면정보 설정기(1100)는 상기 코딩 어레이(310)에 대응하는 샘플 어레이의 픽셀 맵들의 각각에 대하여 상기 진폭변조 초음파에 대응하는 기준 진폭변조 초음파의 파면을 매칭시켜 상기 진폭변조 초음파(AMU)에 대한 기준 데이터를 저장하는 데이터 저장부(1110) 및 상기 데이터 저장부(1110)로부터 상기 입사파에 대응하는 기준 진폭변조 초음파의 형상에 대응하는 상기 샘플 어레이를 설정 어레이로 추출하는 어레이 설정부(1112)를 포함한다.
이때, 상기 데이터 저장부(1110)는 상기 샘플 어레이의 정상모드 및 풀인 모드에 관한 픽셀 조합과 상기 기준 진폭변조 초음파의 파면에 관한 픽셀-파면 순서쌍 데이터를 포함할 수 있다.
상기 픽셀-파면 순서쌍 데이터는 상기 기준 진폭변조 초음파의 골 및 마루와 상기 샘플 어레이를 구성하는 각 픽셀 사이의 이격 거리를 포함할 수 있다.
상기 픽셀-파면 순서쌍 데이터로부터 설정 어레이의 정상모드 및 풀인 모드의 분포를 검출하고 상기 설정 어레이를 상기 코딩 어레이의 코딩 제어센터(CS)로 공급한다.
이에 따라, 설정 어레이의 픽셀구조를 갖는 코딩 어레이(310)를 생성할 수 있다. 상기 코딩 어레이(310)로 교류전압을 갖는 상기 구동신호를 인가하여 설정된 파면 형상을 갖는 진폭변조 초음파를 생성할 수 있다.
언급한 바와 같이 상기 진폭변조 초음파(AMU)를 생성하는 공간 초음파 변조기(1200)는 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기(1000)와 실질적으로 동일한 구성을 가지므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
특히, 상기 공간 초음파 변조기(1200)는 유연한 재질로 구성된 하우징(H)에 장착되어 대상물(B)의 형상에 따라 상기 픽셀(P)의 배치를 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 하우징(H)의 형상을 상기 대상물(B)의 형상과 곡률에 따라 조절하여 상기 공간 초음파 변조기(1200)로부터 생성된 입사파를 대상물(B)로 용이하게 집음(focusing)할 수 있다.
상기 대상물(B)은 상기 진폭변조 초음파를 이용해 내부의 불량이나 형상을 검사할 수 있는 검사 대상물이나 상기 진폭변조 초음파에 의해 자극되는 신경이 배치된 생체를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 초음파 장치(2000)는 상기 대상물(B)에 따라 검사 대상물의 내부불량을 검사하기 위한 초음파 검사장치나 생체내부의 신경을 자극하여 상기 대상물(B)의 반응을 관찰하기 위한 초음파 신경 자극장치로 구성될 수 있다.
상기 반응 검출부(1300)는 상기 대상물(B)의 특성에 따라 다양하게 제공될 수 있다.
예를 들면, 상기 입사파의 신경자극에 의한 생체의 동작특성을 검출하는 경우, 상기 반응 검출부(1300)는 반응동작의 형태, 주기성, 크기 등과 같은 동작특성을 관찰하고 녹화하는 수단과 입사파에 의한 신경자극이 인가되기 전의 동작과 비교할 수 있는 비교수단 등을 포함하는 동작특성 분석장치로 구성할 수 있다.
이와 달리, 상기 입사파의 신경자극에 의해 생체신호가 발생하는 경우, 상기 반응 검출부(1300)는 상기 생체신호를 검출할 수 있는 신호 검출장치로 구성할 수 있다. 상기 생체신호가 전기신호인 경우 상기 반응 검출부(1300)는 전압이나 전류를 검출할 수 있는 전기신호 검출장치로 구성할 수 있으며 상기 생체신호가 생체 내부에 분비되는 호르몬과 같은 화학물질인 경우 상기 반응 검출부(1300)는 상기 화학물질의 조성과 농도를 검출할 수 있는 화학신호 검출장치로 구성할 수 있다.
특히, 상기 반응 검출부(1300)는 상기 공간 초음파 변조기(1200)와 연결되거나 단절되어 배치될 수 있다. 상기 반응 검출부(1300)가 동작특성 분석장치인 경우, 상기 공간 초음파 변조기(1200)와 개별적으로 배치되어 상기 대상물(B)의 동작특성을 검출할 수 있다.
이와 달리, 상기 반응 검출부(1300)가 전기신호 또는 화학신호 검출장치로 구성되는 경우 상기 반응 검출부(1300)는 공간 초음파 변조기(1200)와 연결되어 초음파 특성과 연동되어 검출신호를 분석할 수 있다.
또한, 상기 입사파를 상기 대상물(B)로 조사하여 대상물의 내부불량을 검사하는 경우, 상기 반응 검출부(1300)는 상기 대상물(B)의 내부로부터 반사된 반사파를 검출하여 상기 대상물(B)의 내부에 관한 정보를 수득하는 반사파 검출장치로 구성할 수 있다.
예를 들면, 상기 반사파는 상기 대상물(B)의 내부에서 다시 외부로 전파되어 상기 공간 초음파 변조기의 CMUT 소자(C)에 의해 검출될 수 있다. 상기 CMUT 소자(C)는 다시 상기 픽셀 단위로 상기 반사파를 검출하여 상기 내부정보를 수득할 수 있도록 처리할 수 있다.
이때, 상기 CMUT 소자(C)의 높은 집적에 의해 상기 대상물(B)에 대한 집음 정밀도를 높일 수 있고 상기 반사파의 검출 정밀도를 높임으로써 검출한 내부정보의 정밀도도 함께 높일 수 있다.
상기 입사파를 생성하는 경우, 상기 초음파 생성기(390)는 주어진 전기신호에 포함된 전기에너지를 음향에너지인 초음파로 변환하지만, 상기 반사파를 검출하는 경우에는 상기 반사파의 음향 에너지에 대응하는 전기에너지를 전기신호로 생성하게 된다. 이에 따라, 상기 집음 해상도의 증가에 따라 검출한 반사파의 검출 해상도도 증가하게 된다.
이때, 상기 대상물(B)에 대한 초음파 처리를 진행하는 동안 상기 세팅전압, 스캔전압 및 모드전압을 조절하여 간단하게 상기 코딩 어레이(301)를 변경함으로써 입사파의 파면을 실시간으로 변형할 수 있다.
이에 따라, 상기 입사파의 파면을 연속적으로 변화시키면서 상기 대상물(B)로 조사하여 서로 다른 파면을 갖는 입사파를 이용하여 상기 대상물(B)에 대한 초음파 처리를 연속적으로 수행할 수 있다.
도 9a 내지 9f는 도 1에 도시된 공간 초음파 변조기를 이용하여 진폭변조 초음파를 생성하는 방법을 나타내는 방법을 나타내는 도면들이다.
도 9a 내지 9f에서, 도 1 내지 도 7에 도시된 공간 초음파 변조기(1000)와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 풀인 전압(Vpi) 및 풀아웃 전압(Vpo)은 각각 50V 및 30V이고, 세팅 전압(Vs)은 35V, 스캔 전압(Vscan)은 -10V, 모드 전압(Vmode)은 45V로 설정하여 풀인 코딩을 수행한다.
도 9a를 참조하면, 적어도 CMUT 소자(C)로 구성된 다수의 초음파 생성기(390)들이 각 픽셀(P)에 배치되어 다수의 픽셀 행(PR)들과 픽셀 열(PC)들을 구비하는 초음파 어레이(300)를 세팅전압(Vs)으로 초기화하여 상기 픽셀(P)에 배치된 상기 초음파 생성기(300)들을 설정된 고유 진동수로 동작할 수 있는 정상모드(NM)로 설정한다.
예를 들면, 상기 제1 도전라인(210)으로 제1 세팅 전압을 갖는 제1 세팅 신호를 동시에 인가하고 상기 제2 도전라인(220)으로 제2 세팅 전압을 갖는 제2 세팅 신호를 동시에 인가할 수 있다.
이때, 상기 제1 세팅 전압(Vs1)과 제2 세팅 전압(Vs2)의 전위차가 바이어스 전압으로 상기 초음파 생성기(390)로 공급되므로 상기 세팅 전압(Vs)은 제1 세팅 전압(Vs1)과 제2 세팅 전압(Vs2)의 전위차로 설정된다. 본 실시예의 경우, 상기 제2 도전라인(220)을 접지시키도록 구성하여 상기 세팅전압(Vs)은 제1 세팅전압(Vs1)으로 설정된다.
특히, 상기 초음파 어레이(300)의 모든 픽셀(P)을 정상모드(NM)로 설정하기 위해 상기 세팅 전압(Vs)은 상기 풀아웃 전압과 상기 풀인 전압사이의 값을 갖도록 조절할 수 있다.
이에 따라, 상기 초음파 어레이(300)의 모든 픽셀(P)이 정상모드(NM)로 설정되어 후속공정에서 상기 풀인코딩 동작을 수행하게 된다.
도 9b를 참조하면, 제1 픽셀 행(PR1)을 코딩 행으로 선택하고 상기 코딩 행에 포함된 픽셀들 중 코딩대상 픽셀이 포함된 적어도 하나의 픽셀 열을 코딩 열로 선택하여 코딩 행과 코딩 열이 교차하는 코딩 대상 픽셀의 동작모드를 풀인모드로 변환한다. 이에 따라, 상기 코딩대상 픽셀에 대한 풀인 코딩을 수행한다.
예를 들면, 최상부의 제1 도전라인(220)으로 스캔전압(Vscan)을 인가하여 상기 제1 픽셀 행(PR1)을 상기 코딩 행으로 선택한다. 이어서, 제1 픽셀 행(PR1)의 3번째와 4번째 픽셀(P3, P4)을 풀인 코딩하기 위해 3번째와 4번째 제1 도전라인(210)을 모드변환 라인으로 선택하고 모드전압(Vmode)을 인가한다.
이때, 상기 스캔전압(Vscan), 모드전압(Vmode) 및 세팅전압(Vs)은 아래의 식 (8) 내지 식 (10)을 만족하도록 설정한다.
Vs - Vscan < Vpi ---- (8)
Vmode - Vscan > Vpi ---- (9)
Vmode < Vpi ---- (10)
이때, 식 (8) 내지 식 (10)에서 Vs는 세팅 전압, Vscan은 선택전압, Vmode는 모드 전압을 의미한다.
이에 따라, 3번 및 4번 픽셀(P3, P4)로 상기 풀인전압 보다 큰 바이어스 전압이 인가되어 상기 동작모드는 정상모드(NM)에서 풀인모드(PIM)로 변환된다. 이와 달리, 1번 및 2번 픽셀(P1, P2)에는 풀인 전압(Vpi)보다 낮은 바이어스 전압이 인가되어 상기 동작모드는 여전히 정상모드(NM)로 유지할 수 있다.
도 9c를 참조하면, 상기 제1 픽셀 행(PR1)은 접지상태로 환원하고 그 다음 제1 도전라인(220)으로 스캔전압(Vscan)을 인가하여 상기 제2 픽셀 행(PR2)을 상기 코딩 행으로 선택한다. 이어서, 제2 픽셀 행(PR2)의 2번째와 4번째 픽셀(P2, P4)을 풀인 코딩하기 위해 2번째와 4번째 제1 도전라인(210)을 모드변환 라인(MSL)으로 선택하고 모드전압(Vmode)을 인가한다.
이때, 상기 스캔전압(Vscan), 모드전압(Vmode) 및 세팅전압(Vs)은 식 (8) 및 식 (9)를 만족하도록 설정한다. 이에 따라, 2번 및 4번 픽셀(P2, P4)로 상기 풀인전압 보다 큰 바이어스 전압이 인가되어 상기 동작모드는 정상모드(NM)에서 풀인모드(PIM)로 변환된다.
이와 달리, 1번 및 3번 픽셀(P1, P2)에는 풀인 전압(Vpi)보다 낮은 바이어스 전압이 인가되어 상기 동작모드는 여전히 정상모드(NM)로 유지할 수 있다.
특히, 상기 스캔전압(Vscan), 상기 모드전압(Vmode) 및 상기 세팅전압(Vs)은 식 (11)의 조건을 충족하도록 설정하여 제1 픽셀 행(PR1)에 대한 상기 풀인 코딩 동작에 의해 상기 풀인모드(PIM)로 코딩된 제3 및 제4 픽셀(P13, P14)은 제2 픽셀 행(PR2)에 대한 상기 풀인 코딩 동작이 진행되는 동안 상기 풀인전압(Vpi)보다 작은 부 바이어스 전압이 인가되어 상기 풀인 모드(PIM)를 유지할 수 있다.
Vpo < Vmode < Vpi ---- (11)
이에 따라, 제2 픽셀 행(PR2)에 대한 풀인 코딩 동작이 수행되는 동안 이미 풀인모드로 코딩된 풀인 픽셀의 동작모드를 유지할 수 있다.
도 9d를 참조하면, 상기 제2 픽셀 행(PR2)은 접지상태로 환원하고 그 다음 제1 도전라인(220)으로 스캔전압(Vscan)을 인가하여 상기 제3 픽셀 행(PR3)을 상기 코딩 행으로 선택한다. 이어서, 제3 픽셀 행(PR3)의 1번째와 3번째 픽셀(P1, P3)을 풀인 코딩하기 위해 1번째와 3번째 제1 도전라인(210)을 모드변환 라인(MSL)으로 선택하고 모드전압(Vmode)을 인가한다.
이때, 상기 스캔전압(Vscan), 모드전압(Vmode) 및 세팅전압(Vs)은 식 (8) 및 식 (9)를 만족하도록 설정한다. 이에 따라, 1번 및 3번 픽셀(P1, P3)로 상기 풀인전압 보다 큰 바이어스 전압이 인가되어 동작모드는 정상모드(NM)에서 풀인모드(PIM)로 변환된다.
이와 달리, 2번 및 4번 픽셀(P2, P4)에는 풀인 전압(Vpi)보다 낮은 바이어스 전압이 인가되어 상기 동작모드는 여전히 정상모드(NM)로 유지할 수 있다.
도 9c에서와 마찬가지로, 상기 스캔전압(Vscan), 상기 모드전압(Vmode) 및 상기 세팅전압(Vs)은 식 (10) 및 식 (11)의 조건을 충족하도록 설정하여 이미 상기 풀인모드(PIM)로 코딩된 제2 및 제4 픽셀(P22, P24)은 제3 픽셀 행(PR3)에 대한 상기 풀인 코딩 동작이 진행되는 동안 상기 풀인전압(Vpi)보다 작은 부 바이어스 전압이 인가되어 상기 풀인 모드(PIM)를 유지할 수 있다.
도 9e를 참조하면, 상기 제3 픽셀 행(PR3)은 접지상태로 환원하고 그 다음 제1 도전라인(220)으로 스캔전압(Vscan)을 인가하여 상기 제4 픽셀 행(PR4)을 상기 코딩 행으로 선택한다. 이어서, 제4 픽셀 행(PR4)의 1번째와 4번째 픽셀(P1, P4)을 풀인 코딩하기 위해 1번째와 4번째 제1 도전라인(210)을 모드변환 라인(MSL)으로 선택하고 모드전압(Vmode)을 인가한다.
이때, 상기 스캔전압(Vscan), 모드전압(Vmode) 및 세팅전압(Vs)은 식 (8) 및 식 (9)를 만족하도록 설정한다. 이에 따라, 1번 및 4번 픽셀(P1, P4)로 상기 풀인전압 보다 큰 바이어스 전압이 인가되어 동작모드는 정상모드(NM)에서 풀인모드(PIM)로 변환된다.
이와 달리, 2번 및 3번 픽셀(P2, P3)에는 풀인 전압(Vpi)보다 낮은 바이어스 전압이 인가되어 상기 동작모드는 여전히 정상모드(NM)로 유지할 수 있다.
도 9d에서와 마찬가지로, 상기 스캔전압(Vscan), 상기 모드전압(Vmode) 및 상기 세팅전압(Vs)은 식 (10) 및 식 (11)의 조건을 충족하도록 설정하여 이미 상기 풀인모드(PIM)로 코딩된 제1 및 제3 픽셀(P31, P33)은 제4 픽셀 행(PR4)에 대한 상기 풀인 코딩 동작이 진행되는 동안 상기 풀인전압(Vpi)보다 작은 부 바이어스 전압이 인가되어 상기 풀인 모드(PIM)를 유지할 수 있다.
도 9f를 참조하면, 상기 코딩 어레이(301)로 구동 바이어스를 인가하여 각 픽셀(P)에서의 정전용량을 균일하게 설정한다.
상기 코딩 어레이(301)는 코딩 열을 따라 스캔전압(Vscan)과 모드전압(Vmode)이 동시에 인가되므로 픽셀 별로 바이어스 전압이 상이하게 인가된다.
이에 따라, 상기 제1 도전라인들(210)로 식 (12)를 만족하도록 구동전압을 인가하고 상기 제2 도전라인들(220)은 접지하도록 설정한다.
Vpo < Vd < Vpi ------ (12)
이때, 식 (7)에서 Vpo는 풀아웃 전압, Vpi는 풀인 전압, Vd는 구동 바이어스를 의미한다.
즉, 상기 구동전압은 풀인 전압보다는 작고 상기 풀아웃 전압보다는 크게 설정되어 코딩 어레이(301)의 풀인 픽셀(PP)의 풀인 모드(PIM)는 보존할 수 있다.
이어서, 균일한 구동전압이 인가된 상기 코딩 어레이(301)로 교류전압을 인가하여 도 7에 도시된 바와 같이 상기 활성 픽셀(AP)로부터 상기 초음파(U)를 생성할 수 있다.
이때, 상기 교류신호는 정상모드(NM)로 구동하는 CMUT 소자(C)의 고유 진동수와 공진할 수 있는 공진 주파수를 주파수로 설정하여 활성 픽셀(AP)에서는 공진할 수 있는 교류신호가 인가되어 가장 큰 음향 에너지를 갖는 초음파가 생성되지만, 비활성 픽셀에서는 초음파가 거의 생성되지 않는다.
상기 코딩 어레이(301)의 활성 픽셀(AP)에서만 생성된 상기 초음파(U)는 서로 간섭하여 진폭변조 초음파(AMU)를 형성하게 된다.
본 발명의 실시예들에 의한 공간 초음파 변조기, 이를 구비하는 초음파 검사장치 및 이를 이용한 진폭변조 초음파의 생성방법에 의하면, 적어도 하나의 CMUT 소자로 구성된 다수의 초음파 생성기가 픽셀별로 배치된 초음파 어레이를 초음파 생성기의 정상 동작모드 및 풀인 동작모드로 코딩하여 활성 픽셀과 비활성 픽셀을 구비하는 코딩 어레이를 생성한다.
상기 코딩 어레이로 정상모드에서 공진하는 공진 주파수를 갖는 교류신호를 인가하여 활성 픽셀에서만 초음파를 생성하고 비활성 픽셀에서의 초음파 생성을 억제한다. 이에 따라, 진폭이 활성 픽셀과 비활성 픽셀의 픽셀 맵에 따라 서로 다른 이진 동작모드로 설정되는 공간 진폭변조를 구현할 수 있다.
특히, 상기 코딩 어레이는 스캔전압과 모드전압 및 세팅전압의 설정만 조절함으로써 초음파 생성기의 서로 대비되는 이진 동작모드로 코딩할 수 있으므로, 인가되는 신호의 변경만으로 간단하게 코딩 어레이(301)를 변경할 수 있다. 이에 따라, 상기 진폭변조 초음파(AMU)는 상기 코딩 어레이(301)의 변경에 의해 실시간으로 파면을 변형할 수 있다.
또한, CMUT 소자로 구성하여 초음파 생성기의 집적밀도를 충분히 높게 설정하여 초음파 이미지의 해상도를 높일 수 있다.
상기에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 기판 200: 신호라인
210: 제1 도전라인 220: 제2 도전라인
300: 초음파 어레이 301: 코딩 어레이
310: 절연막 320: 멤브레인
330: 전극패드 390: 초음파 생성기
400: 픽셀 코딩기 500: 초음파 구동기
600: 파형 제어기 1000: 공간 초음파 변조기
2000: 초음파 장치

Claims (24)

  1. 절연기판 상에 제1 간격으로 이격되도록 배치된 다수의 제1 도전라인들 및 상기 제1 도전라인들의 상부에서 상기 제1 도전라인들과 교차하고 제2 간격으로 이격되도록 배치된 다수의 제2 도전라인들을 구비하는 신호라인;
    적어도 하나의 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micro-machined ultrasonic transducer, CMUT) 소자를 구비하고 초음파를 선택적으로 생성하는 다수의 초음파 생성기가 상기 제1 및 제2 도전라인들의 각 교차점인 픽셀에 정렬된 초음파 어레이;
    상기 초음파 생성기의 서로 대비되는 이진 동작모드로 상기 초음파 어레이의 각 픽셀을 코딩하여 활성 픽셀 및 비활성 픽셀을 구비하는 코딩 어레이를 생성하는 픽셀 코딩기; 및
    상기 코딩 어레이를 구동하여 상기 활성픽셀에서 생성되는 다수 초음파의 합성에 의해 파면(wave front)이 변형되는(shaped) 진폭 변조 초음파를 생성하는 초음파 구동기를 포함하는 공간 초음파 변조기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 동작모드는,
    상기 CMUT 소자의 내부에 정전기력을 생성하는 바이어스 전압이 상기 CMUT 소자의 붕괴상태(collapse state) 전압인 풀인 전압까지 증가하는 정방향 영역에서 인가되어 상기 초음파 생성기는 설정된 공진 주파수로 동작하고 대응 픽셀은 상기 활성 픽셀로 기능하는 정상모드; 및
    상기 바이어스 전압이 상기 풀인 전압으로부터 상기 CMUT 소자를 정상상태(normal state)로 복원하는 풀아웃 전압까지 감소하는 부방향 영역에서 인가되어 상기 초음파 생성기는 변형 공진 주파수로 동작하고 대응 픽셀은 상기 비활성 픽셀로 기능하는 풀인모드를 포함하는 공간 초음파 변조기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 초음파 생성기는 하부 및 상부에서 상기 제1 도전라인 및 제2 도전라인과 동시에 전기적으로 연결되어 동일한 파동특성을 갖는 다수의 미세 초음파를 생성하는 다수의 CMUT 소자를 포함하고, 상기 초음파는 동일한 파동특성을 갖는 다수의 미세 초음파로 구성되는 공간 초음파 변조기.
  4. 제2항에 있어서, 픽셀 코딩기는,
    상기 제1 및 제2 도전라인들로 초기화 신호를 인가하여 상기 초음파 어레이의 각 픽셀에 구비된 상기 초음파 생성기들을 상기 정상모드로 초기화하는 초기화 구동기;
    상기 제2 도전라인들 중의 하나를 스캔신호를 전송하는 스캔라인으로 추출하고 상기 스캔라인에 대응하는 상기 초음파 어레이의 픽셀 행을 코딩 행으로 선택하는 스캔라인 설정기;
    적어도 하나의 상기 제1 도전라인을 상기 픽셀의 동작모드를 변환할 수 있는 모드 변환신호를 전송하기 위한 모드변환 라인으로 추출하고 상기 모드변환 라인에 대응하는 상기 초음파 어레이의 픽셀 열을 코딩 열로 선택하는 모드라인 설정기;
    상기 스캔라인 및 상기 모드변환 라인으로 각각 스캔신호 및 모드변환 신호를 인가하여 모드전압과 스캔전압의 전위차에 대응하는 전압으로 상기 코딩 행과 상기 코딩 열이 교차하는 코딩대상 픽셀에 배치된 상기 초음파 생성기의 동작모드를 상기 풀인모드로 코딩하는 풀인 코딩 동작을 수행하는 풀인 코딩기; 및
    상기 스캔라인 설정기 및 상기 모드라인 설정기의 동작 타이밍을 제어하여 상기 제2 도전라인들을 순차적으로 상기 스캔라인으로 추출하고 상기 각 스캔라인에 대하여 상기 코딩대상 픽셀이 위치하는 상기 제1 도전라인을 상기 모드변환 라인으로 추출하는 타이밍 컨트롤러를 포함하는 공간 초음파 변조기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 초기화 신호는 다수의 상기 제1 도전라인들로 동시에 인가되는 제1 세팅신호 및 다수의 상기 제2 도전라인들로 동시에 인가되는 제2 세팅신호를 포함하여, 상기 제1 세팅 신호의 제1 세팅전압과 상기 제2 세팅신호의 제2 세팅전압의 전위차에 대응하고 식(1)의 조건을 만족하는 정 바이어스 전압이 세팅전압으로 상기 초음파 생성기에 인가되는 공간 초음파 변조기.
    Vpo < Vs = (Vs1 - Vs2) < Vpi--- (1)
    (단, Vpo는 풀아웃 전압, Vpi는 풀인 전압, Vs는 세팅전압, Vs1은 제1 세팅전압, Vs2는 제2 세팅전압).
  6. 제5항에 있어서, 상기 스캔전압과 상기 모드전압은 식 (2) 내지 식 (4)를 만족하도록 설정하여, 상기 코딩대상 픽셀로 상기 풀인 전압보다 큰 바이어스 전압을 인가하여 상기 동작모드를 풀인모드로 변환하고 상기 코딩대상 픽셀을 제외한 나머지 코딩 행의 상기 픽셀들은 초기화된 정상모드를 유지하는 공간 초음파 변조기.
    Vs - Vscan < Vpi ---- (2)
    Vmode - Vscan > Vpi ---- (3)
    Vmode < Vpi --- (4)
    (단, 식 (2) 및 식 (4)에서 Vs는 세팅 전압, Vscan은 선택전압, Vmode는 모드 전압).
  7. 제6항에 있어서, 상기 스캔전압, 상기 모드전압 및 상기 제2 세팅전압은 식 (5)의 조건을 충족하도록 설정하여 이전 코딩 행에 대한 상기 풀인 코딩 동작에 의해 상기 풀인모드로 코딩된 풀인 픽셀은 당해 코딩 행에 대한 상기 풀인 코딩 동작이 진행되는 동안 상기 풀인 전압보다 작은 부 바이어스 전압이 인가되어 상기 풀인모드를 유지하는 공간 초음파 변조기.
    Vpo < Vmode < Vpi ---- (5)
  8. 제4항에 있어서, 상기 픽셀 코딩기는 상기 정상모드와 상기 풀인모드로 코딩된 상기 코딩 어레이의 각 픽셀을 리셋하여 초기화 전의 상기 초음파 어레이로 반환하는 픽셀 리셋부를 더 포함하는 공간 초음파 변조기.
  9. 제4항에 있어서, 상기 초음파 구동기는,
    상기 코딩 어레이로 구동 바이어스를 인가하여 상기 코딩 어레이의 각 픽셀에 인가되는 바이어스 전압을 균일하게 설정하는 구동 설정부; 및
    상기 코딩 어레이로 구동신호를 인가하여 상기 활성 픽셀로부터 상기 초음파를 생성하는 구동부를 포함하는 공간 초음파 변조기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 구동 설정부는 상기 제1 도전라인들로 식 (6)을 만족하도록 구동전압을 인가하고 상기 제2 도전라인들은 접지하도록 설정하는 공간 초음파 변조기.
    Vpo < Vd < Vpi ------ (6)
    (단, Vpo는 풀아웃 전압, Vpi는 풀인 전압, Vd는 구동 바이어스).
  11. 제10항에 있어서, 상기 구동신호는 상기 초음파 생성기의 고유 진동수와 공진하는 공진 주파수를 주파수로 갖는 공간 초음파 변조기.
  12. 제1항에 있어서, 입력신호에 따라 상기 코딩 어레이를 변경하도록 상기 픽셀 코딩기를 제어하고 변경된 코딩 어레이에 따라 상기 진폭 변조 초음파를 생성하도록 상기 초음파 구동기를 제어하여 실시간으로 상기 진폭변조 초음파의 파면을 변형할 수 있는 파형 제어기를 더 포함하는 공간 초음파 변조기.
  13. 대상물로 입사하는 공간 변조 초음파인 입사파의 파면에 관한 파면정보를 설정하는 파면정보 설정기;
    적어도 하나의 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 소자로 구성된 다수의 초음파 생성기들이 각 픽셀에 매트릭스 형상으로 정렬된 초음파 어레이를 상기 파면정보에 대응하여 활성 픽셀과 비활성 픽셀을 갖는 코딩 어레이로 코딩하는 픽셀 코딩기 및 상기 코딩 어레이를 구동하여 상기 파면정보에 대응하는 파면을 구비하는 진폭 변조 초음파를 생성하는 초음파 구동기를 구비하는 공간 초음파 변조기; 및
    상기 입사파에 대한 상기 대상물의 반응을 검출하는 반응 검출부를 포함하는 초음파 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 공간 초음파 변조기는,
    절연기판 상에 제1 간격으로 이격되도록 배치된 다수의 제1 도전라인들 및 상기 제1 도전라인들의 상부에서 상기 제1 도전라인들과 교차하여 상기 픽셀을 제공하고 제2 간격으로 이격되도록 배치된 다수의 제2 도전라인들을 구비하는 신호라인을 더 포함하여 상기 초음파 생성기의 바이어스 전압은 상기 제1 도전라인 및 상기 제2 도전라인에 인가되는 신호들 사이의 전위차에 의해 설정되는 초음파 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 픽셀 코딩기는,
    상기 제1 및 제2 도전라인들로 초기화 신호를 인가하여 상기 초음파 어레이의 각 픽셀에 구비된 상기 초음파 생성기들을 설정된 고유 진동수로 동작하는 정상모드로 초기화하는 초기화 구동기;
    상기 제2 도전라인들 중의 하나를 스캔신호를 전송하는 스캔라인으로 추출하고 상기 스캔라인에 대응하는 상기 초음파 어레이의 픽셀 행을 코딩 행으로 선택하는 스캔라인 설정기;
    적어도 하나의 상기 제1 도전라인을 상기 픽셀의 동작모드를 변환할 수 있는 모드 변환신호를 전송하기 위한 모드변환 라인으로 추출하고 상기 모드변환 라인에 대응하는 상기 초음파 어레이의 픽셀 열을 코딩 열로 선택하는 모드라인 설정기;
    상기 스캔라인 및 상기 모드변환 라인으로 각각 스캔신호 및 모드변환 신호를 각각 인가하여 모드전압과 스캔전압의 전위차에 대응하는 바이어스 전압으로 상기 코딩 행과 상기 코딩 열이 교차하는 코딩대상 픽셀에 배치된 상기 초음파 생성기의 동작모드를 풀인모드로 코딩하는 풀인 코딩동작을 수행하는 풀인 코딩기; 및
    상기 제2 도전라인들을 순차적으로 상기 스캔라인으로 추출하고 상기 각 스캔라인에 대하여 상기 코딩대상 픽셀이 위치하는 상기 제1 도전라인을 상기 모드변환 라인으로 추출하여 설정 어레이에 대응하도록 상기 풀인 코딩동작을 제어하도록 상기 스캔라인 설정기 및 상기 모드라인 설정기의 동작 타이밍을 제어하는 타이밍 컨트롤러를 포함하는 초음파 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 초기화 신호는 다수의 상기 제1 도전라인들로 동시에 인가되는 제1 세팅신호 및 다수의 상기 제2 도전라인들로 동시에 인가되는 제2 세팅신호를 포함하여, 상기 제1 세팅 신호의 제1 세팅전압과 상기 제2 세팅신호의 제2 세팅전압의 전위차에 대응하고 식(1)의 조건을 만족하는 바이어스 전압이 세팅전압으로 상기 초음파 생성기에 인가되고,
    Vpo < Vs = (Vs1 - Vs2) < Vpi--- (1)
    (단, Vpo는 풀아웃 전압, Vpi는 풀인 전압, Vs는 세팅전압, Vs1은 제1 세팅전압, Vs2는 제2 세팅전압),
    상기 모드전압은 식 (2) 내지 식 (4)를 만족하도록 설정하여, 상기 코딩대상 픽셀로 상기 풀인 전압보다 큰 바이어스 전압을 인가하여 상기 동작모드를 풀인모드로 변환하고 상기 코딩대상 픽셀을 제외한 나머지 코딩 행의 상기 픽셀들은 초기화된 정상모드를 유지하며,
    Vs - Vscan < Vpi ---- (2)
    Vmode - Vscan > Vpi ---- (3)
    Vmode < Vpi --- (4)
    (단, 식 (2) 내지 식 (4)에서 Vs는 세팅 전압, Vscan은 선택전압, Vmode는 모드 전압), 그리고
    상기 스캔전압과 상기 제2 세팅전압은 식 (5)의 조건을 충족하도록 설정하여 이전 코딩 행에 대한 상기 풀인 코딩 동작에 의해 상기 풀인모드로 코딩된 풀인 픽셀은 당해 코딩 행에 대한 상기 풀인 코딩 동작이 진행되는 동안 상기 풀인모드를 유지하는 초음파 장치.
    Vpo < Vmode < Vpi ---- (5)
  17. 제16항에 있어서, 상기 초음파 구동기는,
    상기 제1 도전라인들로 식 (6)을 만족하도록 구동 바이어스를 인가하고 상기 제2 도전라인들은 접지하도록 설정하여 상기 코딩 어레이를 상기 구동하는 구동 설정부; 및
    Vpo < Vd < Vpi ------ (6)
    (단, Vd는 구동 바이어스),
    상기 구동 바이어스가 인가된 상기 코딩 어레이로 구동신호를 인가하여 상기 활성 픽셀로부터 상기 초음파를 생성하는 구동부를 포함하는 초음파 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 구동신호는 상기 정상모드의 상기 초음파 생성기와 공진하는 공진 주파수를 주파수로 갖는 교류신호를 포함하는 초음파 장치.
  19. 적어도 하나의 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 소자로 구성된 다수의 초음파 생성기들이 각 픽셀에 배치되어 다수의 픽셀 행들과 픽셀 열들을 구비하는 초음파 어레이를 세팅전압으로 초기화하여 상기 픽셀에 배치된 상기 초음파 생성기들을 설정된 고유 진동수로 동작할 수 있는 정상모드로 설정하고;
    상기 픽셀 행들을 순차적으로 하나씩 코딩 행으로 선택하고 상기 코딩 행에 포함된 픽셀들 중 코딩대상 픽셀이 포함된 적어도 하나의 픽셀 열을 코딩 열로 선택하고;
    상기 코딩 행이 선택될 때 마다 상기 코딩 행 및 상기 코딩 열로 각각 스캔전압과 모드전압을 인가하여 상기 코딩 행과 상기 코딩 열이 교차하는 픽셀인 상기 코딩대상 픽셀의 동작모드를 상기 고유 진동수와 다른 변형 고유 진동수로 동작하는 풀인모드로 코딩하여 상기 초음파 어레이의 각 픽셀이 상기 정상모드로 코딩된 활성 픽셀 및 상기 풀인모드로 코딩된 비활성 픽셀을 구비하는 코딩 어레이를 생성하고; 그리고
    상기 코딩 어레이를 구동하여 상기 활성 픽셀으로부터 생성되는 다수 초음파의 합성에 의해 파면을 변형하는 진폭변조 초음파의 생성방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 초음파 어레이를 상기 정상모드로 설정하는 것은,
    상기 픽셀 행들을 접지한 상태에서 상기 다수의 픽셀 열들로 식 (1)과 같은 조건을 만족하는 상기 세팅전압을 동시에 인가하는 진폭변조 초음파의 생성방법.
    Vpo < Vs < Vpi --- (1)
    (단, Vpo는 풀아웃 전압, Vpi는 풀인 전압, Vs는 세팅전압).
  21. 제20항에 있어서, 상기 코딩 어레이를 생성하는 것은,
    선택된 상기 코딩 행으로 식 (2) 내지 식(4)를 만족하도록 상기 스캔전압을 인가하고;
    선택된 상기 코딩 열로 식 (2) 내지 식(4)를 만족하도록 상기 모드전압을 인가하여,
    상기 코딩대상 픽셀의 동작모드는 상기 풀인모드로 변환하고 상기 코딩 행의 상기 코딩대상 픽셀을 제외한 나머지 픽셀들은 상기 정상모드를 유지하는 진폭변조 초음파의 생성방법.
    Vs - Vscan < Vpi ---- (2)
    Vmode - Vscan > Vpi ---- (3)
    Vmode < Vpi --- (4)
    (단, 식 (2) 내지 식 (4)에서 Vscan은 선택전압, Vmode는 모드 전압).
  22. 제21항에 있어서, 상기 스캔전압, 상기 모드전압 및 상기 세팅전압은 식 (5)의 조건을 충족하도록 설정하여 이전 코딩 행에 대한 상기 풀인 코딩 동작에 의해 상기 풀인모드로 코딩된 풀인 픽셀은 당해 코딩 행에 대한 상기 풀인 코딩 동작이 진행되는 동안 상기 풀인모드를 유지하는 진폭변조 초음파의 생성방법.
    Vpo < Vmode < Vpi ---- (5)
  23. 제19항에 있어서, 상기 코딩 어레이를 구동하기 전에, 상기 코딩 행들은 접지하고 상기 코딩 열들로 식 (6)을 만족하는 구동전압을 동시에 인가하여 상기 코딩 어레이의 모든 픽셀들에 구동 바이어스를 인가하는 것을 더 포함하는 진폭변조 초음파의 생성방법.
    Vpo < Vd < Vpi ------ (6)
    (단, Vd는 구동 바이어스)
  24. 제23항에 있어서, 상기 코딩 어레이를 구동하는 것은 상기 구동 바이어스가 인가된 상기 코딩 어레이로 상기 정상모드의 상기 초음파 생성기와 공진하는 공진 주파수를 갖는 교류 구동신호를 인가하는 것을 포함하는 진폭변조 초음파의 생성방법.
KR1020230038738A 2023-03-24 2023-03-24 공간 초음파 변조기 및 이를 구비하는 초음파 장치와 이를 이용한 진폭변조 초음파의 생성방법 KR102625027B1 (ko)

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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006061252A (ja) * 2004-08-25 2006-03-09 Fuji Photo Film Co Ltd 超音波内視鏡及び超音波内視鏡装置
KR20130125625A (ko) * 2012-05-09 2013-11-19 에스케이하이닉스 주식회사 내부전압 생성회로
JP2014079403A (ja) * 2012-10-17 2014-05-08 Seiko Epson Corp 超音波測定装置、プローブヘッド、超音波プローブ、電子機器及び超音波診断装置
KR101670595B1 (ko) * 2015-05-11 2016-10-31 한양대학교 산학협력단 정전 용량형 초음파 트랜스듀서를 이용한 다중 초음파 시스템
KR20160146868A (ko) * 2014-04-18 2016-12-21 버터플라이 네트워크, 인크. 단일 기판 초음파 촬영 디바이스들, 관련된 장치들, 및 방법들의 아키텍처
JP2020528328A (ja) * 2017-08-08 2020-09-24 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃｍｕｔ）装置と制御方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006061252A (ja) * 2004-08-25 2006-03-09 Fuji Photo Film Co Ltd 超音波内視鏡及び超音波内視鏡装置
KR20130125625A (ko) * 2012-05-09 2013-11-19 에스케이하이닉스 주식회사 내부전압 생성회로
JP2014079403A (ja) * 2012-10-17 2014-05-08 Seiko Epson Corp 超音波測定装置、プローブヘッド、超音波プローブ、電子機器及び超音波診断装置
KR20160146868A (ko) * 2014-04-18 2016-12-21 버터플라이 네트워크, 인크. 단일 기판 초음파 촬영 디바이스들, 관련된 장치들, 및 방법들의 아키텍처
KR101670595B1 (ko) * 2015-05-11 2016-10-31 한양대학교 산학협력단 정전 용량형 초음파 트랜스듀서를 이용한 다중 초음파 시스템
JP2020528328A (ja) * 2017-08-08 2020-09-24 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃｍｕｔ）装置と制御方法

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