KR20060021026A - 고주파 초음파 센서용 음향 정합층 및 그를 이용한 초음파센서의 제조 방법 - Google Patents

고주파 초음파 센서용 음향 정합층 및 그를 이용한 초음파센서의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은, 고주파 초음파 센서용 음향 정합층 및 그를 이용한 초음파 센서의 제조 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 기존에 음향 임피던스 정합층으로 사용하고 있는 에폭시와 알루미나 파우더 복합물 이외에 두께 조절과 공정이 아주 용이한 실리콘 웨이퍼를 음향 정합층으로 사용함으로써, 광대역 특성을 갖는 동시에 상대적으로 높은 감도를 가지도록 하기 위한, 고주파 초음파 센서용 음향 정합층을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 압전 세라믹 및 상기 압전 세라믹의 일면에 도포되는 텅스턴이 섞인 고무 재질의 후면재를 포함하여 구성되며, 결합재와의 임피던스 정합을 위한 고주파 초음파 센서의 음향 정합층에 있어서, 상기 압전 세라믹의 다른 일면에 접합되도록 배치되며, 그 두께는 파장의 1/4이고, 실리콘 웨이퍼 재질인 제 1정합층; 상기 결합재와 접합되는 지연재-상대적으로 그 음향 임피던스 및 결합계수가 낮음-; 및 상기 제 1정합층과 상기 지연재 사이에 접합되도록 배치되며, 그 두께는 파장의 1/4이고, 에폭시 복합재 재질인 제 2정합층을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 초음파 센서 등에 이용됨.
광대역, 초음파 센서, 음향 정합층, 실리콘 웨이퍼

Description

고주파 초음파 센서용 음향 정합층 및 그를 이용한 초음파 센서의 제조 방법{Acoustic Impedance Matching Layer for High Frequency Ultrasonic Transducer and Method for Fabricating Ultrasonic Transducer by using it}
도 1은 종래의 음향 정합층을 적용한 초음파 센서의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 음향 정합층을 적용한 초음파 센서의 일실시예 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101, 201 : 압전 세라믹 102, 202, 203 : 정합층
103, 204 : 후면재 104, 205 : 지연재
본 발명은 고주파 초음파 센서용 음향 정합층 및 그를 이용한 초음파 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 강철과 같은 금속이나 플라스틱과 같은 고체의 두 께나 내부 결함을 비파괴 방식으로 측정하고 검출하는 비파괴 시험 및 측정 분야에서 사용하기 위한, 고주파 초음파 센서용 음향 정합층 및 그를 이용한 초음파 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
강철과 같은 금속이나 플라스틱과 같은 고체의 내부 결함을 검출하거나 두께를 측정하는 경우에, 초음파를 사용하는 것이 일반적이다. 이때, 초음파의 주파수가 높아지면 더욱 정밀한 측정을 수행할 수 있다. 그러므로, 최근 들어서는 5MHz 이상의 고주파용 초음파 센서의 용도가 늘어나고 있는 실정이다.
이러한 초음파 발생용 압전재료로서, PZT 세라믹이 가장 널리 사용되고 있으나, 고주파수의 초음파 발생을 위해 두께 모드를 사용할 경우 경방향 모드가 크게 나타나 전체적인 노이즈 성분으로 작용하는 단점이 있다. 이에 반하여, PT의 경우는 두께모드 전기기계 결합계수가 0.51 정도로 큰 값을 가지면서 경방향 전기기계 결합계수는 0.01로 두께모드에 비해 무시할 수 있을 정도이므로 정밀한 두께 측정기용 초음파 압전재료로 적용되고 있다.
그러나, 두 재료 모두 음향 임피던스가 PZT 33.7 MRayl, PT 33 MRayl로 아주 높은 값을 나타내므로, 불감대를 피하기 위한 지연재, 접촉을 위한 물 등의 낮은 음향 임피던스 재료와 정합이 이루어지지 않아 발생된 초음파 에너지 중 대부분이 측정 물질 내부로 입사하지 못하고 계면에서 반사되어 최적의 성능을 얻을 수 없는 문제점이 있다.
즉, MHz 영역의 초음파는 공기 중을 투과하지 못하기 때문에, 시험체 내부에 수 MHz 이상의 초음파를 입사시키기 위하여 초음파 센서 표면과 시험체의 표면에 공기층이 존재할 수 없도록 물과 같은 액체를 결합재(coupling agent)로 사용하고 있다. 이때, 초음파는 액체로 이루어진 층을 통과하여야 하므로, 물과 같은 결합재(coupling agent)와의 음향 임피던스 정합이 이루어질 수 있는 구조이어야 한다.
이러한 음향 임피던스 정합을 위한 방법으로, 압전 세라믹의 전면에 초음파 파장의 1/4이 되는 두께의 음향 임피던스 정합층을 한 개 혹은 여러 개 접합하여 시험체 내부로 초음파의 투과가 용이하도록 하는 방법이 개시되어 있다.
도 1은 종래의 음향 정합층을 적용한 초음파 센서의 단면도로서, 정합층이 한 개인 경우를 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 종래의 음향 정합층을 적용한 초음파 센서는, 압전 세라믹(101), 정합층(102), 후면재(103) 및 지연재(104)로 구성되어 있으며, "A"는 분극방향이다.
이와 같은 구조에서, 상기 정합층(102)의 음향 임피던스는 다음 수학식1과 같다.
Figure 112004039757223-PAT00001
이때, 여기서, Z1은 상기 정합층(102)의 음향 임피던스이고, ZL은 결합재(coupling agent)의 음향 임피던스이며, ZC는 상기 압전 세라믹(101)의 음향 임피던스이다.
만약, 두 개의 음향 임피던스 정합층이 존재할 경우 각 정합층의 음향 임피 던스는 다음 수학식2와 같다.
Figure 112004039757223-PAT00002
Figure 112004039757223-PAT00003
여기서, Z2는 결합재(coupling agent)에서부터 상기 압전 세라믹(101) 쪽으로 두 번째에 해당하는 정합층(도시되지 않음)의 음향 임피던스이다.
통상의 초음파 센서에서는 한 개의 정합층을 갖고, 정합층 전면에 불감대를 감소시키기 위한 상기 지연재(104)를 설치하게 된다. 이 경우에 대하여 상기 수학식 2를 이용하여 정합층의 음향 임피던스를 계산하면 각각 3.2 MRayl, 15.5 MRayl 이다. 그러므로 상기 지연재(104)는 아크릴을, 상기 정합층(102)은 용해된 실리카 유리(fused silica glass)를 사용하면 광대역의 성능이 우수한 초음파 센서를 제조할 수 있다.
그러나, 15MHz 또는 30MHz 정도의 고주파 영역이 될 경우, 상기 정합층(102)으로 사용되는 유리의 두께가 파장의 1/4이 되어야 하므로, 50~100㎛로 두께 제어가 되어야 하며, 이 때에도 음향 임피던스가 13.1 MRayl이므로 정확히 정합되지 않게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 기존 에 음향 임피던스 정합층으로 사용하고 있는 에폭시와 알루미나 파우더 복합물 이외에 두께 조절과 공정이 아주 용이한 실리콘 웨이퍼를 음향 정합층으로 사용함으로써, 광대역 특성을 갖는 동시에 상대적으로 높은 감도를 가지도록 하기 위한, 고주파 초음파 센서용 음향 정합층을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 실리콘 웨이퍼와 에폭시 복합재, 그리고 플라스틱을 최적으로 조합하여, 최고의 생산 수율을 가지는 고주파 초음파 센서용 음향 정합층을 이용한 초음파 센서의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 압전 세라믹 및 상기 압전 세라믹의 일면에 도포되는 텅스턴이 섞인 고무 재질의 후면재를 포함하여 구성되며, 결합재와의 임피던스 정합을 위한 고주파 초음파 센서의 음향 정합층에 있어서, 상기 압전 세라믹의 다른 일면에 접합되도록 배치되며, 그 두께는 파장의 1/4이고, 실리콘 웨이퍼 재질인 제 1정합층; 상기 결합재와 접합되는 지연재-상대적으로 그 음향 임피던스 및 결합계수가 낮음-; 및 상기 제 1정합층과 상기 지연재 사이에 접합되도록 배치되며, 그 두께는 파장의 1/4이고, 에폭시 복합재 재질인 제 2정합층을 포함하는 고주파 초음파 센서용 음향 정합층을 제공한다.
또한, 본 발명은 초음파 센서의 제조 방법에 있어서, 실리콘 웨이퍼의 일면에 에폭시 복합재를 파장의 1/4 두께가 되도록 도포하여 형성하는 단계; 상기 실리콘 웨이퍼를 파장의 1/4 두께가 되도록 연마하는 단계; 및 연마된 면에 전극 패턴 과 스크라이빙 라인을 형성하고, 상기 실리콘 웨이퍼에 도포한 후, 압전 세라믹을 부착하는 단계를 포함하는 초음파 센서의 제조 방법을 제공한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 음향 정합층을 적용한 초음파 센서의 일실시예 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 음향 정합층을 적용한 초음파 센서는, 압전 세라믹(201), 정합층1(202), 정합층2(203), 후면재(204) 및 지연재(205)를 포함하여 구성되며, "B"는 분극방향을 나타내기 위한 것이다.
본 발명에 따른 상기 정합층2(203)의 개발을 위하여 먼저 KLM 모델을 이용하여 다음 수학식 3을 유도하였다.
Figure 112004039757223-PAT00004
여기서, Z1은 상기 지연재(205)의 음향 임피던스이고, Z2는 상기 정합층1(202)의 음향 임피던스이며, Z3는 상기 압전 세라믹(201)의 전면에 바로 접합될 상 기 정합층2(203)의 음향 임피던스이다.
본 발명에서는, 초소형 전자 정밀 기계(micro electro mechanical system; MEMS) 등과 같은 기술이 발달하여 대량 생산이 매우 용이하고, 공정 기술이 매우 발달되어 있는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)를 상기 정합층2(203)의 재질로 선정하여 생산 수율을 높일 수 있도록 하였다.
이때, 실리콘 웨이퍼의 음향 임피던스가 약 19.3 MRayl이고, 상기 지연재(205)는 그 음향 임피던스와 감쇄계수가 낮은 플라스틱을 선정하였다. 이들 두 값이 결정되면 상기 수학식 3을 이용하여 중간에 위치할 상기 정합층1(202)의 Z2를 계산함으로써, 에폭시와 알루미나 충진재(이하, '에폭시 복합재'라고 함)를 이용하여 정확한 값을 결정한 다음 파장의 1/4 두께로 상기 정합층2(203)인 실리콘 웨이퍼 위에 도포한 후 상기 지연재(205)에 접합할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 음향 정합층을 이용한 초음파 센서의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 상기 정합층2(203)인 실리콘 웨이퍼의 후면에 상기 수학식 3을 통하여 계산된 음향 임피던스에 맞는 에폭시 복합재를 1/4 파장 두께가 되도록 치구를 이용하여 도포하고 경화반응을 시킨다. 에폭시 경화가 완료된 맞은편 웨이퍼의 면을 웨이퍼 두께가 1/4 파장 두께가 되도록 연마한다.
이후, 연마된 면에 PR 공정으로 전극 패턴과 스크라이빙 라인(Scribing line)을 형성한 다음, 스핀 코팅 방식으로 전도성 접착제를 상기 정합층2(203)인 실리콘 웨이퍼에 도포한 후, 상기 압전 세라믹(201)을 부착하고, 와이어 본딩에 의하여 전극을 인출할 수 있다.
상기와 같은 방식은, 다른 어떠한 방식보다 효율적으로 15MHz 이상의 초음파 센서를 생산 수율이 높게 광대역 고감도로 제작할 수 있다.
이하, 바람직한 일실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에서는, 초음파 발생 재료의 중요한 특성 인자인 두께모드 전기기계 결합계수가 크고, 주파수 상수가 커서, 고주파 응용이 가능할 것으로 판단되는 재료인 PZT5A와 PT를 기본 조성으로 하였으며, 본 실시예는 PT 재료에 대하여 기술하기로 한다.
우선, PT 분말에 2wt% PVA(중합도 #500)를 첨가하고, 2 ton/cm2의 압력을 가하여 상기 압전 세라믹(201)을 성형한다. 이때, 성형체에 포함된 유기물은 550℃에서 5시간 동안 유지하여 제거할 수 있으며, 승온 속도는 33℃/h일 수 있다. 이후, 세라믹 성형체를 알루미나 도가니 속에 넣고 1250℃에서 2시간 동안 소결한다. 본 발명에 따라 소결된 시편의 외경은 6.3mm 이고, 두께는 150㎛가 바람직하다.
이후, 소결된 시편의 양면을 직경 6mm의 홀이 난 동판 테이프로 마스킹한 후, 프라즈마 방식으로 0.5㎛의 백금 전극을 형성하고, 상/하 전극에 2.5kV/mm의 전기장을 20분간 인가하여 1차 분극 처리한다. 이때, 절연유의 온도는 150℃이며, 이와 같은 방식으로 제작된 상기 압전 세라믹(201)의 공진주파수는 약 16MHz이다.
또한, 상기 정합층2(203)인 실리콘 웨이퍼를 백 사이드(back side)가 위로 올라오도록 진공으로 폴리싱(polishing) 면을 잡고, 상기 정합층1(202)인 에폭시 복합재를 1/4 파장 두께로 도포한 후 100℃에서 5시간 동안 경화한다. 에폭시가 경화된 웨이퍼의 반대면을 연마하여 웨이퍼 두께가 1/4 파장 두께가 되도록 가공한다.
가공이 완료된 면에 PR 공정으로 전극과 스크라이빙 라인(Scribing line)을 형성하고, 와이어 본딩을 통하여 상기 도 2와 같은 구조를 완성할 수 있다.
마지막으로, 상기 후면재(204)로써, 텅스턴이 섞인 고무를 3mm 두께로 상기 압전 세라믹(201) 위에 도포할 수 있다.
상기와 같은 과정을 통하여 제작한 초음파 센서는, 그 최종 대역폭이 약 60%로서, 광대역 특성을 얻음을 알 수 있었다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 기존에 음향 임피던스 정합층으로 사용하고 있는 에폭시와 알루미나 파우더 복합물 이외에 두께 조절과 공정이 아주 용이한 실리콘 웨이퍼를 음향 정합층으로 사용함으로써, 광대역 특성을 갖는 동시에 상대적으 로 높은 감도를 가지는 초음파 센서를 제작할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 잘 발달되어 있는 실리콘 웨이퍼 공정에 대한 기술을 이용함으로써, 다른 어떤 방법에 의한 것보다 효율적으로 15MHz 이상의 초음파 센서를 생산 수율이 높게 광대역 고감도로 제작할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 압전 세라믹 및 상기 압전 세라믹의 일면에 도포되는 텅스턴이 섞인 고무 재질의 후면재를 포함하여 구성되며, 결합재와의 임피던스 정합을 위한 고주파 초음파 센서의 음향 정합층에 있어서,
    상기 압전 세라믹의 다른 일면에 접합되도록 배치되며, 그 두께는 파장의 1/4이고, 실리콘 웨이퍼 재질인 제 1정합층;
    상기 결합재와 접합되는 지연재-상대적으로 그 음향 임피던스 및 결합계수가 낮음-; 및
    상기 제 1정합층과 상기 지연재 사이에 접합되도록 배치되며, 그 두께는 파장의 1/4이고, 에폭시 복합재 재질인 제 2정합층
    을 포함하는 고주파 초음파 센서용 음향 정합층.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2정합층의 음향 임피던스는,
    하기의 식에 의해 결정하는 것
    을 특징으로 하는 고주파 초음파 센서용 음향 정합층.
    Figure 112004039757223-PAT00005
    (단, Z1은 상기 지연재의 음향 임피던스이고, Z2는 상기 제 2정합층의 음향 임피던스이며, Z3는 상기 제 1정합층의 음향 임피던스임)
  3. 초음파 센서의 제조 방법에 있어서,
    실리콘 웨이퍼의 일면에 에폭시 복합재를 파장의 1/4 두께가 되도록 도포하여 형성하는 단계;
    상기 실리콘 웨이퍼를 파장의 1/4 두께가 되도록 연마하는 단계; 및
    연마된 면에 전극 패턴과 스크라이빙 라인을 형성하고, 상기 실리콘 웨이퍼에 도포한 후, 압전 세라믹을 부착하는 단계
    를 포함하는 초음파 센서의 제조 방법.
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