KR20160091017A - 초음파 트랜스듀서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 초음파 트랜스듀서 및 제조 방법에 대해 개시한다. 보다 상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서, 하부 전극을 포함하는 기판, 상기 기판의 엣지면을 따라 소정의 면적과 높이를 갖도록 형성된 지지층, 및 상기 지지층의 상부에 형성되고 상부 전극을 포함하는 진동막을 포함하되, 상기 기판과 상기 진동막은 상기 지지층의 높이에 의한 공간만큼 이격되며, 상기 지지층은 점탄성 물질로 형성된 것이다.

Description

초음파 트랜스듀서 및 그 제조방법 {ULTRASONIC TRANSDUCER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 정전용량형 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
의료 영상 진단기기 시장은 연평균 꾸준히 성장하고 있다. 이중 초음파 의료영상 기기는 전체 시장 규모의 21%를 차지하고 있으며, 계속해서 확대되고 있는 추세이다.
시장에 보급되어 있는 대부분의 의료용 초음파 영상 장비는 초음파 트랜스듀서를 선형으로 배열한 1차원 배열형 프로브를 기반으로 한다. 1차원 배열 프로브의 경우 원하는 영역의 2차원 단면 영상의 획득이 가능하므로, 다양한 임상학적 정보의 획득이 가능하다. 하지만, 영상의 위치는 대부분 의사/작업자의 손을 통해서 제어가 되고, 의사의 숙련도에 따라서 영상의 질이 결정되는 단점이 있다. 또한 단면 영상을 통해서는 해부학적 모습의 단면만을 볼 수 있기 때문에, 기존 CT 나 MRI등으로 촬영한 3차원 입체영상에 비해서 정보의 양이 상대적으로 부족했다.
이러한 단점을 극복하기 위해서 최근 미국, 유럽을 통한 많은 국가에 3차원 초음파 입체영상에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나, 1차원배열의 기계적 진동을 이용하여 3차원 영상을 구현하는 기존의 방법은 영상의 질이나, 적용범위에서 제한이 많이 따른다. 따라서, 2차원 배열형 프로브 개발이 필요하다.
현재 2차원 배열형 프로브의 가장 적합한 소재로서, 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)가 연구, 개발 중에 있다. 하지만, 아직도 출력압 및 수신 효율에 대한 지배적인 기술이 확립되어 있지 않았으며, 따라서 압전 소자에 필적하는 출력압을 가지는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서에 대한 기술 개발이 필요하다.
이와 관련하여, 한국공개특허 10-2007-0041044호 (발명의 명칭: 미세가공 정전용량형 초음파 탐촉자의 제조방법)은 실리콘 질화막이 형성된 반도체 기판상에 하부전극을 형성하는 단계, 에어갭층을 형성하기 위하여 하부전극의 상부에 희생층을 고분자 물질로 형성하는 단계, 희생층의 상부에 진동막을 증착하는 단계, 진동막을 평탄화하는 단계, 평탄화된 진동막의 상부에 상부 전극을 형성하는 단계, 상부 전극이 형성된 상기 진동막에 에치홀을 형성하는 단계 및 희생층을 제거하는 단계를 포함하며, 희생층의 증착 및 제거공정을 용이하게 하고, 기판에 작용하는 스트레스를 최소화하여 구조물의 휨 현상이나 무너지는 현상을 방지하여, 미세가공 정전용량형 초음파 소자의 구동특성을 향상시키는 기술을 개시하고 있다.
본 발명의 실시예는, 높은 수신감도, 출력압, 주파수를 가지는 정전용량형 초음파 트랜스듀서를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 일 측면에 따른 초음파 트랜스듀서는 하부 전극을 포함하는 기판, 상기 기판의 엣지면을 따라 소정의 면적과 높이를 갖도록 형성된 지지층, 및 상기 지지층의 상부에 형성되고 상부 전극을 포함하는 진동막을 포함하되, 상기 기판과 상기 진동막은 상기 지지층의 높이에 의한 공간만큼 이격되며, 상기 지지층은 점탄성 물질로 형성된 것이다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 초음파 트랜스듀서는 하부 전극을 포함하는 기판, 상기 기판의 엣지면을 따라 소정의 면적과 높이를 갖도록 형성된 지지층, 및 상기 지지층의 상부에 형성되고 상부 전극을 포함하는 진동막을 포함하되, 상기 기판과 상기 진동막은 상기 지지층의 높이에 의한 공간만큼 이격되며, 상기 진동막은 점탄성 물질로 형성된 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 초음파 트랜스듀서의 제작 방법은 하부 기판을 제공하는 단계, 상부 기판을 제공하는 단계; 상기 상부 기판의 일측면에 지지층을 형성하는 단계, 및 상기 상부 기판의 지지층과 상기 하부 기판의 엣지면이 결합하도록 상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 결합시키는 단계를 포함하되, 상기 지지층은 점탄성 물질로 형성된 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 초음파 트랜스듀서의 제작 방법은 하부 기판을 제공하는 단계, 상기 하부 기판을 식각하여 상기 하부 기판의 엣지면에 지지층을 형성하는 단계, 상부 기판을 제공하는 단계, 상기 상부 기판의 일측면에 진동막을 형성하는 단계, 및 상기 상부 기판의 진동막과 상기 하부 기판의 지지층의 엣지면이 결합하도록 상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 결합시키는 단계를 포함하되, 상기 진동막은 점탄성 물질로 형성된 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 주파수에 따라 물성이 바뀌는 점탄성 물질을 이용하여, 소자의 갭을 크게 유지하면서, 작동 바이어스 전압은 낮추고, 초음파 트랜스듀서를 원하는 작동 주파수로 동작시킬 수 있다.
또한, 초음파 트랜스듀서의 초음파 발산 효율을 증가시킴으로써 소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 이와 더불어, 초음파 트랜스듀서의 제작 공정이 간단해지고, 기존의 1차원 및 2차원의 프로브와 달리 임의 형태를 가지는 프로브 제작이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 수신소자의 광학적 영상을 보여주고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 배열의 초음파 수신소자의 일례를 보여주는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 고려되는 초음파 트랜스듀서의 단면을 나타내는 단면도 이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 고려되는 초음파 트랜스듀서의 전기적 구성 방식 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 점탄성 물질의 영률 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 점탄성 물질을 포함하는 초음파 트랜스듀서를 입체적으로 도시한 모식도이다.
도 8은 도 7의 (I)-(I) 선을 따라 절개하여 상부를 제거한 모습을 도시한 도면이다.
도 9는 도 7의 (I I)-(I I) 선을 따라 절개한 모습을 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 점탄성 물질을 포함하는 초음파 트랜스듀서의 제작 방법을 도시하고 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 점탄성 물질을 포함하는 초음파 트랜스듀서의 단면을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 점탄성 물질을 포함하는 초음파 트랜스듀서의 제작 방법을 도시하고 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 점탄성 물질을 이용한 초음파 트랜스듀서의 수신 효율을 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 점탄성 물질을 이용한 초음파 트랜스듀서의 송신 효율을 도시한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 수신소자의 광학적 영상을 보여주고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 배열의 초음파 수신소자의 일례를 보여주는 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 초음파 수신소자는 수백개 또는 수천개의 셀(Cell)(100)이 전기적으로 연결되어 동일한 위상으로 초음파를 발생함으로써, 하나의 채널로 기능하게 된다. 이때, 도 1에 도시된 다수의 셀(100)이 연결된 채널들은 선형으로 배치된 1차원 배열, 또는 도 2의 (a) 및 (b)에 도시된 것처럼, 바둑판 형태로 배치된 2차원 배열 등으로 제작될 수 있다. 이때, 하나의 셀(100)은 원형 또는 사각형 등 임의의 형태로 구성된 초음파 트랜스듀서 일 수 있으며, 구체적으로, 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT)일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 고려되는 초음파 트랜스듀서의 단면을 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에서 고려되는 초음파 트랜스듀서의 전기적 구성 방식 나타내는 모식도이다.
도 1에 도시된 초음파 수신 소자를 구성하는 하나의 초음파 트랜스듀서(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 진공갭(Vacuum gap)(10), 진공갭(10) 위에 실리콘 또는 질화 실리콘 등의 물질로 형성된 진동판(20)이 기판에 지지되어 부착되어 있는 형태이다. 이때, 일반적으로 진동판(20)은 얇은 원판의 형태로 이루어져 있다. 따라서, 부착된 진동판(20)의 하부는 진공갭(10)에 생성되는 전기장에 의해서 아래로 끌리게 된다. 이때, 굽힘의 정도는 진동판(20)의 굽힘 강성(Bending Stiffness)과 전기장에 의한 힘에 의해 결정이 된다. 이러한 힘에 의해서 진동판(20)은 U자 형태로 변형될 수 있으며, 이를 단순화 하면, 도 4에 도시된 것처럼, 굽힘이 없는 진동판(20)이 가상의 스프링에 의해서 지지되는 피스톤 모델로 표현될 수 있다.
도 4에 도시된 m과 k는 각각 진동판의 유효 질량과 유효 스프링 상수를 나타낸다. 질량이 m인 진동판(20)은 소정 두께(tgap)의 진공갭(10)에 생성되는 전기장에 의해서 가진된다. 이때, 가진하는 힘을 증가시키기 위해서, 바이어스 전압과 교류 전압이 더해진 가진 신호가 사용된다. 이때, 가진되는 교류 영역의 전기적인 힘(Electric Force)은 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, A는 진동판(20)의 면적, ε0는 진공에서의 유전률, VDC는 바이어스 전압, VAC교류 전압을 나타낸다.
수학식 1에 따라 가진 바이어스 전압 및 가진 교류 전압을 증가시키면, 전기적인 힘, 즉, 출력압을 증가시킬 수 있다. 그러나, 최대 출력압은 다양한 조건들에 의해서 제한을 받게 된다.
즉, 초음파 트랜스듀서의 구동은 크게 바이어스 전압과 교류 전압을 가진 시키는 것으로 구분될 수 있다. 그러나, 바이어스 전압이 임계값을 넘게 되면, 바이어스 전압에 의한 전기력이 스프링을 통한 반발력을 넘게 된다. 이 경우 진동판(20)이 기판에 닿아 붕괴될 수 있다. 이때의 전압을 붕괴 전압(Collapse Voltage)라고 하며, 붕괴 전압은 수학식 2로써 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
일반적으로, 초음파 트랜스듀서(100)에 가진되는 바이어스 전압은 붕괴 전압의 약 80%정도가 적용되며, 이러한 바이어스 전압은 전기 회로의 설계 방식에 따라서 제한될 수 있다. 종래의 기술에서는 상술한 초음파 트랜스듀서(100)의 붕괴 전압을 낮추기 위하여 갭의 두께를 제한하거나 영률을 낮추는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 영률값은 소자의 작동 주파수에 영향을 주기 때문에 일반적으로 갭의 두께를 제한하는 방법이 일반적이다.
하지만, 최대로 발산 가능한 초음파의 최대치는 진동판(20)이 최대로 왕복할 수 있는 변위 영역인 갭의 두께에 의해서 제한된다. 또한, 갭의 두께를 제한하는 방법은 바이어스 전압이 붕괴전압보다 작은 경우라도, 가진 교류 전압이 과다하여 피스톤 진동의 진폭이 진공갭의 두께보다 클 경우 셀이 붕괴될 수 있다.
결국, 종래의 기술에서는 초음파 트랜스듀서(100)의 작동 주파수를 유지한 상황에서, 가진 바이어스 전압을 일정하게 유지하면, 최대 출력압에 한계를 가져온다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 초음파 트랜스듀서(100)에서 굽힘 강성이 가장 많이 적용되는 부분을 점탄성 물질로 제작하여, 도 4에서 설명한 k 값을 제어하는 것이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서를 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 하부 전극을 포함하는 기판(110), 지지층(120) 및 진동막(130)을 포함한다.
기판(110)은 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer), 실리콘 절연(Silicon on Insulator, SOI) 웨이퍼, 실리콘, 산화 실리콘 등의 탄성체로 형성될 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 이와 비슷한 성질을 가지는 물질로 형성될 수 있다.
지지층(120)은 기판(110)의 엣지면을 따라 소정의 면적과 높이를 갖도록 형성될 수 있다.
지지층(120)의 상부에는 상부 전극을 포함하는 진동막(130)이 형성되며, 기판(110)과 진동막(130)은 지지층(120)의 높이에 의한 공간만큼 이격되어 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 기판(110), 지지층(120) 및 진동막(130)은, 일반적으로 반도체 소자용으로 사용되는 유리(glass), 석영(quartz), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)등의 물질이 사용될 수 있으며 이에 제한된 것은 아니다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 기판(110), 지지층(120) 또는 진동막(130) 중 어느 하나 이상을 점탄성 물질로 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 점탄성 물질의 영률 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에서 제안하는 점탄성 물질은 일정 정도의 점도를 가지고 있다. 또한, 도 6을 참조하면 점탄성 물질은 점도에 따라 고주파수에서 영률을 증가시키는 특징을 가지고 있다. 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 점탄성 물질은 기준 주파수 이하에서는 수 MPa의 영률을 가지지만, 고주파에서는 플라스틱과 비슷한 영률인 수 GPa의 영률을 가진다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 기판(110), 지지층(120) 및 진동막(130)중 어느 하나를 점탄성 물질을 사용하여 제작함으로써, 초음파 트랜스듀서(100)의 작동 바이어스 전압 및 작동 주파수를 제어할 수 있다. 따라서, 바이어스 전압을 걸때의 영률(k)값을 작게 하고, 갭의 두께가 큰 상황에서도 낮은 붕괴 전압을 유지할 수 있다. 다시 말해, 진동막(130)의 진동 변위는 증가시키고, 작동 바이어스 전압은 낮추며, 원하는 작동 주파수로 동작하는 초음파 트랜스듀서(100)의 제작이 가능하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 소정의 면적과 높이를 가지는 지지층(120)에 의하여 진공갭(10)이 형성이 되며, 이 진공갭(10)을 사이에 두고 기판(110) 및 진동막(130)은 캐패시터(Capacitor)를 형성한다. 따라서, 낮은 바이어스 전압을 가하여 큰 갭(gap)을 형성하고, 교류 전압을 인가하여 전기장을 변화시키면, 전기장의 변화에 의하여 지지층(120)이 압축 인장 운동을 한다. 이에 따라, 진동막(130)이 지지층(120)에 고정된 상태로 위 아래로 진동하여 외부 공기를 밀어내 압력을 발생시킨다. 따라서, 초음파를 발생시키는 초음파 송신소자로써 동작 가능하다.
또는, 반대로, 높은 바이어스 전압을 가하여 작은 갭을 형성하여 초음파 수신소자로써 동작 가능하다. 구체적으로, 외부에서 압력, 즉 초음파가 발생하면, 초음파에 의하여 지지층(120)이 압축 인장 운동을 하고 이에 따라 진동막(130)이 진동하면 진동막(130)과 기판(110) 사이의 거리가 변하게 된다. 따라서 초음파 트랜스듀서(100)의 정전용량(Electrostatic Capacity)이 변하게 되고, 정전용량의 변화를 검출함으로써 초음파 수신소자로써 동작 가능하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 점탄성 물질을 포함하는 초음파 트랜스듀서를 입체적으로 도시한 모식도이다.
도 8은 도 7의 (I)-(I) 선을 따라 절개하여 상부를 제거한 모습을 도시한 도면이다.
도 9는 도 7의 (I I)-(I I) 선을 따라 절개한 모습을 도시한 단면도이다.
도 7 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 점탄성 물질을 포함하는 초음파 트랜스듀서(100A)는 원형으로 형성될 수 있으며, 도 9에 도시된 바와 같이, 하부 전극(미도시됨)을 포함하는 기판(110), 점탄성 물질로 형성된 지지층(120), 상부 전극(미도시됨)을 포함하는 진동막(130) 및 갭 조절층(50)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 갭 조절층(50)은 기판(110)의 상부 또는 진동막(130)의 하부에 형성될 수 있다. 이때 갭 조절층(50)은 지지층(120)이 형성하는 내부 공간(10)에 소정의 간격을 두고 이격되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 갭 조절층(50)은 기판(110)과 진동막(130)의 전기적 거리를 좁혀줄 수 있다. 예를 들어, 2~10 MHz의 주파수 영역에서 작동하는 소자를 만들기 위해서는 수 ㎛의 지지층(120)의 높이가 필요할 수 있다. 이 경우, 기판(110)과 진동막(130)의 전기적인 거리는 마찬가지로 수㎛가 될 수 있는데, 이러한 넓은 전기적인 거리는 낮은 전기장과 낮은 출력 감도를 가져온다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스 듀서(100A)는 기판(110)의 상부 또는 진동막(130)의 하부에 갭 조절층(50)을 형성시켜, 기판(110)과 진동막(130)의 전기적인 거리를 좁히고, 출력 감도를 향상시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 점탄성 물질을 포함하는 초음파 트랜스듀서의 제작 방법을 도시하고 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 초음파 트랜스듀서(100A)를 제작하는 방법은 먼저, 실리콘 기판(200a)을 준비하고(a), 실리콘 기판(200a)을 식각(etching)하여 갭 조절층(50)을 포함하는 하부 기판(210a)을 형성할 수 있다(b). 또한, 식각하는 방법으로는 습식 식각 또는 건식 식각 등이 사용될 수 있으며, 어느 하나에 제한된 것은 아니다.
이어서, 실리콘 절연(Silicon on Insulator, SOI) 기판(220b)을 준비하고(c), 실리콘 절연 기판(220b) 상에 지지층(120)을 형성할 수 있다(d). 이때, 지지층(120)을 형성하는 방법의 일례로써, 포토리쏘그래피(Photo lithography), 이온빔 리쏘그래피(e-beam lithography) 등을 이용하여, 지지층(120)을 형성하기 위한 패턴을 형성하고, 패턴의 사이 공간에 점탄성 물질을 도포함으로써 지지층(120)을 형성할 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다. 이때, 점탄성 물질은 일례로 PDMS(polydimethylsiloxane) 일 수 있으며 이에 제한된 것은 아니며, 이와 비슷한 성질을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 점탄성 물질을 도포하는 방법은 드랍 캐스팅(drop casting), 스핀코팅(spin coating), 스프레이코팅(spray coating), 바코팅(bar coating), 또는 딥핑(dipping) 공정 등을 이용할 수 있다.
상술한 포토리쏘그래피 또는 이온빔 리쏘그래피 등을 이용하여 패턴을 형성하는 방법은 당업자에게 널리 알려진 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
계속해서, 지지층(120)과 하부 기판(210a)의 엣지면이 결합하도록 하부 기판(210a)과 지지층이 형성된 실리콘 절연 기판(230b)을 플립하여 결합시킬 수 있다(e).
이후, 하부 기판(210a)과 지지층이 형성된 실리콘 절연 기판(230b)을 플립하여 결합시킨 구조체(240c)에서 실리콘 절연 기판의 산화 실리콘(30)을 제거하면, 산화 실리콘(30)과 함께 산화 실리콘 상부에 존재하는 실리콘이 제거되며, 본 발명의 다른 실시예에 다른 초음파 트랜스듀서(100A)를 제작할 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 점탄성 물질을 포함하는 초음파 트랜스듀서의 단면을 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 점탄성 물질을 포함하는 초음파 트랜스듀서(100B)는 도 11에 도시된 바와 같이, 하부 전극(미도시됨)을 포함하는 기판(110), 지지층(120), 점탄성 물질로 형성된 진동막(130) 및 상부 전극(미도시됨)을 포함하는 갭 조절층(50)을 포함한다. 이때, 갭 조절층(50)은 기판의 상부에 형성될 수 있으며, 갭 조절층(50)은 엣지면을 따라 형성되는 지지층(120) 사이의 내부 면적보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 점탄성 물질로 형성된 진동막(130)의 상부 또는 하부에 갭 조절층(50)을 형성시킴으로써, 기판(110)과 진동막(130)의 전기적 거리를 좁혀주는 것 이외에 점탄성 물질로 형성된 진동막(130)이 최대한 평평한 형태를 유지하면서 동작하게 할 수 있다.
예컨대, 갭 조절층(50)이 상부에 존재하지 않는 경우, 초음파 트랜스듀서(110B)의 구동시에, 점탄성으로 형성된 진동막(130)은 포물선 형태로 변형될 수 있으며, 이 경우 진동막(130)의 중앙과, 진동막(130)의 엣지면은 서로 다른 변위(Displacement)를 가지게 된다. 구체적으로, 중앙은 높은 변위를 가지게 되지만 엣지면은 낮은 변위를 가지게 된다. 따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위해서 점탄성 물질보다 강성이 큰 갭 조절층(50)을 점탄성 물질로 형성된 진동막(130)의 상부 또는 하부에 결합시킴으로써, 진동막(130)이 기판(110)과 평행한 상태로 동작하게 하는 것이 가능하다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 점탄성 물질을 포함하는 초음파 트랜스듀서의 제작 방법을 도시하고 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 초음파 트랜스듀서(100B)를 제작하는 방법은 먼저, 실리콘 기판(300a)을 준비하고(a), 실리콘 기판(300a)을 식각(etching)하여 지지층(120)을 포함하는 하부 기판(310a)을 형성한다(b).
이어서, 실리콘 절연(Silicon on Insulator, SOI) 기판(320b)을 준비하고(c), 실리콘 절연 기판(320b) 상에 점탄성 물질을 도포하여 진동막(130)을 형성한다(d).
계속해서, 진동막(130)과 하부 기판에 형성된 지지층(120)의 엣지면이 결합하도록 하부 기판(310a)과 진동막(130)이 형성된 실리콘 절연 기판(330b)을 플립하여 결합시킨다(e).
이후, 하부 기판(210a)과 진동막(130)이 형성된 실리콘 절연 기판(230b)을 플립하여 결합시킨 구조체(340c)에서 실리콘 절연 기판의 산화 실리콘(30)을 제거하여, 산화 실리콘(30)과 함께 산화 실리콘 상부에 존재하는 실리콘을 제거시킨다(f).
마지막으로, 포토리쏘그래피(Photo lithography) 이온빔 리쏘그래피(e-beam lithography), 리프트오프(lift-off) 등을 이용하여, 산화 실리콘이 제거된 구조체(350d)에 갭 조절층(50)을 형성하기 위한 패턴을 형성한다. 이후, 산화 실리콘이 제거된 구조체(350d) 상부의 실리콘을 형성된 패턴에 따라 식각하여 갭 조절층을 형성하면(f), 본 발명의 다른 실시예에 다른 초음파 트랜스듀서(100B)를 제작할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 점탄성 물질을 이용한 초음파 트랜스듀서의 수신 효율을 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 점탄성 물질을 이용한 초음파 트랜스듀서의 송신 효율을 도시한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에서, 고주파수에서 점탄성 물질의 영률과 동일한 영률을 갖는 탄성 물질을 가정하고, 가정한 탄성 물질을 이용하여 지지층을 형성한 초음파 트랜스듀서(탄성 모델)와 본 발명의 일 실시예에 따른 점탄성 물질을 이용한 초음파 트랜스 듀서(점탄성 모델)의 송 수신 효율을 비교하였다.
도 13을 참조하면, 바이어스 전압(Bias Voltage)이 86.3 V일 때 탄성 물질을 이용한 초음파 트랜스듀서와 점탄성 물질을 이용한 초음파 트랜스듀서의 갭(Gap)은 같다. 따라서 공진 주파수에서의 수신 효율은 같다고 볼 수 있다. 그러나, 도 14의 경우 바이어스 전압(Bias Voltage)을 86.3V 보다 낮은 약 20V의 전압을 걸어주게 되면, 점탄성 물질을 이용한 초음파 트랜스듀서의 경우 갭(Gap)이 더 높아지며, 동작 가능한 변위가 증가한다. 따라서 초음파 트랜스듀서의 최대 출력압을 증가시킨다. 또한, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 점탄성 물질을 사용한 초음파 트랜스듀서는 탄성 물질을 사용한 초음파 트랜스듀서와 동일한 비대역폭(Fractional Bandwitdh)을 유지하는 것이 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 초음파 트랜스듀서 및 제작 방법을 활용하면 초음파 트랜스듀서에 점탄성 물질을 사용함으로써, 출력압을 증가시키고 초음파 송수신 소자의 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 저온 공정에 의하여 제작 가능하기 때문에 종래의 초음파 트랜스듀서에 비하여 제작 공정이 간단하며, 1차원 및 2차원 뿐만아니라 임의의 형태를 가지는 초음파 송수신 소자를 제작하는 것이 가능하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 100A, 100B: 초음파 트랜스듀서
110: 기판
120: 지지층
130: 진동막

Claims (16)

  1. 초음파 트랜스듀서에 있어서,
    하부 전극을 포함하는 기판,
    상기 기판의 엣지면을 따라 소정의 면적과 높이를 갖도록 형성된 지지층, 및
    상기 지지층의 상부에 형성되고 상부 전극을 포함하는 진동막을 포함하되,
    상기 기판과 상기 진동막은 상기 지지층의 높이에 의한 공간만큼 이격되며,
    상기 지지층은 점탄성 물질로 형성된 것인 초음파 트랜스듀서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 상부 또는 상기 진동막의 하부의 일면에 결합되는 갭 조절층을 더 포함하며,
    상기 갭 조절층은 상기 기판과 상기 진동막의 전기적인 거리를 조절하는 것인 초음파 트랜스듀서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 점탄성 물질은 주파수에 따라 영률이 변화하는 것인 초음파 트랜스듀서.
  4. 초음파 트랜스듀서에 있어서,
    하부 전극을 포함하는 기판,
    상기 기판의 엣지면을 따라 소정의 면적과 높이를 갖도록 형성된 지지층, 및
    상기 지지층의 상부에 형성되고 상부 전극을 포함하는 진동막을 포함하되,
    상기 기판과 상기 진동막은 상기 지지층의 높이에 의한 공간만큼 이격되며,
    상기 진동막은 점탄성 물질로 형성된 것인 초음파 트랜스듀서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 진동막의 상부 또는 하부의 일면에 결합되는 갭 조절층을 더 포함하며,
    상기 갭 조절층은 상기 기판과 상기 진동막의 전기적인 거리를 조절하는 것인 초음파 트랜스듀서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 갭 조절층은 상기 진동막을 기판과 평행한 상태로 동작시키는 것인 초음파 트랜스듀서.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 점탄성 물질은 주파수에 따라 영률이 변화하는 것인 초음파 트랜스듀서.
  8. 초음파 트랜스듀서의 제작 방법에 있어서,
    하부 기판을 제공하는 단계;
    상부 기판을 제공하는 단계;
    상기 상부 기판의 일측면에 지지층을 형성하는 단계; 및
    상기 상부 기판의 지지층과 상기 하부 기판의 엣지면이 결합하도록 상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 결합시키는 단계를 포함하되,
    상기 지지층은 점탄성 물질로 형성된 것인 초음파 트랜스듀서 제작 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 상부 기판은 실리콘 절연(Silicon On Insulator, SOI) 기판이고,
    상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 결합시키는 단계 이후에, 상기 실리콘 절연 기판의 실리콘 산화 물질을 제거하는 단계를 더 포함하는 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 하부 기판의 상부에 갭 조절층을 형성하는 단계를 더 포함하는 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 점탄성 물질은 주파수에 따라 영률이 변화하는 것인 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  12. 초음파 트랜스듀서의 제작 방법에 있어서,
    하부 기판을 제공하는 단계;
    상기 하부 기판을 식각하여 상기 하부 기판의 엣지면에 지지층을 형성하는 단계;
    상부 기판을 제공하는 단계;
    상기 상부 기판의 일측면에 진동막을 형성하는 단계; 및
    상기 상부 기판의 진동막과 상기 하부 기판의 지지층의 엣지면이 결합하도록 상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 결합시키는 단계를 포함하되,
    상기 진동막은 점탄성 물질로 형성된 것인 초음파 트랜스듀서 제작 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 상부 기판은 실리콘 절연(Silicon On Insulator, SOI) 기판이고,
    상기 상부 기판과 상기 하부 기판을 결합시키는 단계 이후에, 상기 실리콘 절연 기판의 실리콘 산화 물질을 제거하는 단계를 더 포함하는 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 진동막의 상부에 갭 조절층을 형성하는 단계를 더 포함하는 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 점탄성 물질은 주파수에 따라 영률이 변화하는 것인 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  16. 제 8 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의하여 제조된 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 송수신 소자.
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