KR20190077699A - Fabry-perot interference ultrasound sensor with optical fiber and MEMS fabrication method - Google Patents

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KR20190077699A
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차보경
김광수
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Abstract

The present invention relates to a Fabry-Perot interference ultrasound sensor using an optical fiber and a micro electro mechanical system (MEMS) process. The ultrasound sensor can perform mass production through the MEMS process, reduce a product price, and is an optical fiber ultrasound sensor of light, small, high-accuracy, and no-electromagnetic interference. The present invention uses a Fabry-Perot interference structure to increase ultrasound resolution with regard to a region of interest which is the same as the boundary part of a cancer tissue in an RF-acoustic imaging (RFAI) system and the like, and increase a degree of geometric freedom when manufacturing an ultrasound probe.

Description

광섬유와 MEMS 공정을 이용한 패브리-페로 간섭계형 초음파 센서{Fabry-perot interference ultrasound sensor with optical fiber and MEMS fabrication method}[0001] Fabry-Perot interferometer type ultrasonic sensor using optical fiber and MEMS process [0002] Fabry-perot interference ultrasound sensor with optical fiber and MEMS fabrication method [

본 발명은 초음파 센서에 관한 것으로서, 특히 광섬유와 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정을 이용한 패브리-페로 간섭계형 초음파 센서에 관한 것이다. The present invention relates to an ultrasonic sensor, and more particularly, to a Fabry-Perot interferometer type ultrasonic sensor using an optical fiber and a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) process.

기존의 피에조(압전) 방식의 초음파 센서는 초음파 영상진단기기에 적합하지만, 전자기파를 방사시키고 초음파로 받는 RF-Acoustic Imaging(RFAI, RF초음파 영상) 시스템 등 전자파 유도 초음파 진단장비의 경우, 초음파 프로브가 전자파 간섭에 노출되므로, 피에조(압전) 방식의 초음파 센서로는 전자파 유도 초음파를 정상적으로 검출하기 어려운 문제점이 있다. 나아가 기존의 피에조(압전) 방식의 초음파 센서는 부피가 크고 무거우며 고가의 비용이 드는 문제점이 있다.However, in the case of electromagnetic induction ultrasound diagnostic equipment such as RF-Acoustic Imaging (RFAI, RF ultrasound imaging) systems that emit electromagnetic waves and receive ultrasound, ultrasound probes are used There is a problem that it is difficult to normally detect the electromagnetic wave guided ultrasonic wave by the piezoelectric (piezoelectric) type ultrasonic sensor. Further, the conventional piezoelectric (ultrasonic) type ultrasonic sensor has a problem in that it is bulky and heavy and expensive.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 미세전자기계시스템(MEMS) 공정을 통해서 대량생산이 가능하며 제품 가격을 낮출 수 있고, 경량, 소형, 고정밀 및 전자파 간섭이 없는 광섬유 초음파 센서로서, RF-Acoustic Imaging(RFAI, RF초음파 영상) 시스템 등에서 암조직의 경계부분과 같은 관심 영역(ROI: Region of Interest)에 대한 초음파 해상도를 향상시키고 초음파 프로브 제작시 기하학적 자유도를 높일 수 있는, 패브리-페로 간섭계형 초음파 센서를 제공하는 데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of mass production through a microelectromechanical system (MEMS) It is a fiber optic ultrasonic sensor without electromagnetic interference. It improves the ultrasonic resolution for region of interest (ROI) such as the boundary of cancer tissue in RF-Acoustic Imaging (RFAI, RF ultrasound imaging) And a Fabry-Perot interferometer type ultrasonic sensor capable of increasing the degree of freedom.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 광섬유 센서 어레이는, SOI 기판의 복수의 구멍의 위치에 일차원 또는 이차원 배열된 광섬유 센서팁을 포함하고, 각각의 광섬유 센서팁은, 상기 복수의 구멍 각각의 위치에, 광섬유 라인을 결합하여 패브리페로 간섭계를 형성한 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an optical fiber sensor array according to one aspect of the present invention includes an optical fiber sensor tip arranged in a one-dimensional or two-dimensional array at a plurality of holes of an SOI substrate, Wherein the optical fiber sensor tip of the optical fiber sensor chip includes a structure in which a fiber ferro interferometer is formed by combining optical fiber lines at respective positions of the plurality of holes.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 초음파 센서는, 광 신호를 송수신하기 위한 제1광커플러; 상기 제1광커플러에 광섬유를 통해 연결된 주센서로서, SOI 기판의 복수의 구멍의 위치에 일차원 또는 이차원 배열된 광섬유 센서팁을 포함하는 센서 어레이 형태로서, 각각의 광섬유 센서팁은, 상기 복수의 구멍 각각의 위치에, 광섬유 라인을 결합하여 패브리페로 간섭계를 형성한 구조를 포함하는 상기 주센서; 상기 광섬유 라인을 통해 상기 제1광커플러를 거쳐 들어오는, 상기 주센서가 수신하는 반사파에 대해, 광전변환하는 제1검출기; 및 상기 제1검출기로부터 출력되는 신호를 처리하여 초음파 영상을 출력하기 위한 신호를 생성하는 신호처리부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic sensor including: a first optical coupler for transmitting and receiving an optical signal; A main sensor connected to the first optical coupler through an optical fiber, in the form of a sensor array including an optical fiber sensor tip arranged one-dimensionally or two-dimensionally at a plurality of holes of an SOI substrate, each optical fiber sensor tip comprising: At each location, the main sensor comprising a structure that combines optical fiber lines to form a Fabry-Perot interferometer; A first detector for photoelectrically converting the reflected wave received by the main sensor through the optical fiber line via the first optical coupler; And a signal processor for processing a signal output from the first detector and generating a signal for outputting the ultrasound image.

상기 초음파 센서는, 제2광커플러; SOI 기판에 형성되어 상기 주센서 어레이의 패브리페로 간섭계 구조물과 동일한 구조의 센서 어레이를 갖는 보조센서; 상기 제2광커플러와 상기 보조센서 사이에 포함된 광지연기; 및 상기 광섬유 라인을 통해 상기 제2광커플러를 거쳐 들어오는, 상기 보조센서가 수신하는 반사파에 대해, 광전변환하는 제2검출기를 더 포함하고, 상기 신호처리부는 제1검출기 및 상기 제2검출기로부터 출력되는 신호를 처리하여 초음파 영상을 출력하기 위한 신호를 생성할 수 있다.The ultrasonic sensor includes: a second optical coupler; An auxiliary sensor formed on the SOI substrate and having a sensor array having the same structure as the Fabry-Perot interferometer structure of the main sensor array; A photodetector included between the second optical coupler and the auxiliary sensor; And a second detector for photoelectrically converting the reflected wave received by the auxiliary sensor through the optical fiber line via the second optical coupler, wherein the signal processing unit includes a first detector and an output from the second detector A signal for outputting the ultrasound image can be generated.

상기 보조센서는 광신호의 위상이 속하는 위상 범위를 검출하며, 상기 주센서는 상기 위상 범위 내에서 광신호의 세부 위상을 검출할 수 있다.The auxiliary sensor detects a phase range to which a phase of an optical signal belongs, and the main sensor can detect a detailed phase of the optical signal within the phase range.

상기 각각의 광섬유 센서팁의 상기 패브리페로 간섭계의 구조는, 상기 SOI 기판의 기층부 실리콘, 절연막, 표면 실리콘을 관통하는 상기 복수의 구멍 각각의 위치에 형성되고, 상기 표면 실리콘의 개구 직경이 상기 기층부 실리콘의 개구 직경 보다 좁은 것을 특징으로 한다. Wherein the structure of the Fabry-Perot interferometer of each optical fiber sensor tip is formed at a position of each of the plurality of holes passing through the base layer silicon, the insulating film, and the surface silicon of the SOI substrate, Is smaller than the opening diameter of the sub-silicon.

상기 기층부 실리콘의 개구 직경 보다 좁은 상기 표면 실리콘의 구멍이 에어 캐비티로 이용된다.The hole of the surface silicon which is narrower than the opening diameter of the base layer silicon is used as an air cavity.

상기 각각의 광섬유 센서팁의 상기 패브리페로 간섭계의 구조는, 상기 기층부 실리콘의 개구에 결합된, 클래딩에 의해 코어가 감싸진 광섬유 단부에 형성된 제1미러, 상기 표면 실리콘의 구멍에 의해 형성된 상기 캐비티, 상기 캐비티를 덮도록 형성된 제2미러, 및 상기 제2미러 위에 형성된 멤브레인을 포함한다.Wherein the structure of the Fabry-Perot interferometer of each of the optical fiber sensor tips comprises a first mirror coupled to an opening of the base layer silicon, the first mirror being formed at an end of the optical fiber wrapped with a core by a cladding, A second mirror formed to cover the cavity, and a membrane formed on the second mirror.

본 발명에 따른 패브리-페로 간섭계형 초음파 센서는, 미세전자기계시스템(MEMS) 공정을 통해서 대량생산이 가능하며 제품 가격을 낮출 수 있고, 광섬유 센서 고유의 특성인 경량, 소형, 고정밀 및 전자파 간섭이 없다는 장점이 있다. 즉, 미세전자기계시스템(MEMS) 공정을 통해서 대량생산이 가능하며 제품 가격을 낮출 수 있을 뿐만아니라, 기존의 압전 방식의 초음파 센서를 광섬유 초음파 센서로 대체함으로써, 전자파에 의한 간섭이 없고 신호대 잡음비 향상으로 민감도가 좋아서 강한 전자기파 환경 하에서 미약한 초음파 신호를 검출하기에 적합하며, 또한 RF-Acoustic Imaging(RFAI, RF초음파 영상) 시스템 등에서 암조직의 경계부분과 같은 관심 영역(ROI: Region of Interest)에 대한 초음파 해상도를 향상시키고 초음파 프로브 제작시 기하학적 자유도를 높일 수 있다.The Fabry-Perot interferometer type ultrasonic sensor according to the present invention can be mass-produced through a microelectromechanical system (MEMS) process and can lower the price of a product. Lightweight, compact, high-precision and electromagnetic interference There is an advantage that there is no. In other words, mass production is possible through the MEMS (Micro Electro Mechanical System) process and the price of the product can be lowered. Also, by replacing the conventional piezoelectric ultrasonic sensor with the optical fiber ultrasonic sensor, there is no interference by electromagnetic waves, (RFAI, RF ultrasound image) system, it is possible to detect a region of interest (ROI) such as the boundary of a cancer tissue. It is possible to improve the resolution of the ultrasonic probe and to increase the geometric freedom when manufacturing the ultrasonic probe.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 일반적인 각종 의료영상기술의 생체조직 침투 깊이와 그에 따른 해상도를 보여 주는 그래프이다.
도 2는 일반적인 RFAI 시스템의 초음파 의료영상기술의 개념도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패브리-페로 간섭계형 초음파 센서(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 센서헤드(140)의 단부에 구비된 센서 어레이(200)의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 센서헤드(140)의 센서 어레이(200)를 위한 SOI 기판(210)의 MEMS 가공 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 MEMS 가공된 SOI 기판(210)의 각 구멍에 형성한 패브리페로 간섭계 구조물을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 센서헤드(140)의 대략적인 사시도이다.
도 8는 패브리페로 간섭계의 Finesse에 따른 투과도 T에 대한 그래프이다.
도 9는 RF 펄스 신호 입력(예, 펄스폭 1μs)에 대한 팬텀의 RF-Acoustic 응답특성을 나타내는 초음파 출력 파형의 가상도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
FIG. 1 is a graph showing the penetration depth of biomedical tissue of various general medical image technologies and the resolution thereof.
2 shows a conceptual diagram of an ultrasound medical imaging technique of a general RFAI system.
FIG. 3 is a view for explaining a Fabry-Perot interferometer type ultrasonic sensor 100 according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining the structure of the sensor array 200 provided at the end of the sensor head 140 of the present invention.
5 is a view for explaining a MEMS processing process of the SOI substrate 210 for the sensor array 200 of the sensor head 140 of the present invention.
FIG. 6 is a view for explaining a Fabry-Perot interferometer structure formed in each hole of the MEMS processed SOI substrate 210 of the present invention.
7 is a schematic perspective view of the sensor head 140 of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the transmittance T according to Finesse of the Fabry-Perot interferometer.
9 is a hypothetical view of an ultrasonic output waveform showing RF-Acoustic response characteristics of a phantom to an RF pulse signal input (e.g., pulse width 1 μs).

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols as possible. In addition, detailed descriptions of known functions and / or configurations are omitted. The following description will focus on the parts necessary for understanding the operation according to various embodiments, and a description of elements that may obscure the gist of the description will be omitted. Also, some of the elements of the drawings may be exaggerated, omitted, or schematically illustrated. The size of each component does not entirely reflect the actual size, and therefore the contents described herein are not limited by the relative sizes or spacings of the components drawn in the respective drawings.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and may be changed according to the intention or custom of the user, the operator, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification. The terms used in the detailed description are intended only to describe embodiments of the invention and should in no way be limiting. Unless specifically stated otherwise, the singular form of a term includes plural forms of meaning. In this description, the expressions "comprising" or "comprising" are intended to indicate certain features, numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof, Should not be construed to preclude the presence or possibility of other features, numbers, steps, operations, elements, portions or combinations thereof.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.It is also to be understood that the terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms may be used to distinguish one component from another .

먼저, 본 발명은, RF-Acoustic Imaging(RFAI, RF초음파 영상) 시스템 등 전자파 유도 초음파 진단장비에서 발생되는 초음파 신호를 일반적인 피에조 초음파 트랜스듀서로 구성된 포커스드 어레이(focused array) 방식 대신 광섬유 초음파 트랜스듀서를 사용하여 암조직의 경계부분과 같은 관심 영역(ROI: Region of Interest)에 대한 초음파 해상도를 향상시키고 초음파 프로브 제작시 기하학적 자유도를 높여서 소형, 경량 리시버가 가능하도록 제안되었다.First, the present invention relates to a method and apparatus for converting ultrasound signals generated by an electromagnetic wave-guided ultrasonic diagnostic apparatus such as an RF-Acoustic Imaging (RFAI) system into an optical fiber ultrasonic transducer instead of a focused array system comprising a general piezoelectric ultrasonic transducer It has been proposed to improve the resolution of ultrasound for region of interest (ROI) such as the boundary of cancer tissue, and to increase geometric freedom in the production of ultrasound probes, thereby enabling a small and lightweight receiver.

RFAI는 생체조직에 대한 높은 도전율 및 유전율 대조도와 초음파의 높은 공간 해상도를 결합하는 새로운 멀티 웨이브 의료영상 정보를 제공한다. RFAI에서 생체조직은 입사된 RF 펄스파 에너지의 극히 일부(침투깊이와 주파수에 따라 다르지만, 주로 1% 이하)를 흡수하여 열음향 에너지변환 과정을 거쳐 결과적으로 열탄성 초음파를 발생시킨다. RFAI provides new multiwave medical imaging information that combines high conductivity and permittivity contrast for living tissue and high spatial resolution of ultrasound. In RFAI, biotissue absorbs a small fraction of the incident RF pulsed wave energy (depending on penetration depth and frequency, but mainly less than 1%) and thermoacoustic energy conversion process, resulting in thermoelastic ultrasonic waves.

열음향 에너지변환 과정을 요약하면 다음과 같다. The thermoacoustic energy conversion process is summarized as follows.

1) 에너지 주입(Energy In) : RF 에너지 방사 1) Energy In: RF energy radiation

2) 발열(Heating) : 생체조직이 RF에너지를 받아 순간적으로 온도상승(10-5~10-3℃)을 겪게 된다. 2) Heating: The living tissue receives RF energy and instantly experiences a temperature rise (10 -5 to 10 -3 ° C).

3) 열팽창(Thermal Expansion) : 온도상승은 생체조직의 열적 팽창(thermal/mechanical expansion)을 야기한다. 경우에 따라 영상의 움직임 이상(moving deformation) 현상이 우세할 수도 있다. 3) Thermal Expansion: Temperature increase causes thermal / mechanical expansion of living tissue. In some cases, a moving deformation phenomenon may predominate.

4) 음파(Acoustic Wave) : 열적 팽창은 음파를 생성하게 된다. 4) Acoustic Wave: Thermal expansion generates sound waves.

이러한 열음향(thermoacoustic) 현상의 의료 영상화 가능성은 1981년 Theodore Bowen(당시 아리조나 주립대 교수)에 의해 처음 제안되었으며, RFAI 관련은 그 이후 1998년 인디애나 주립대에서 첫 3D 토모그래피(tomography)가 시연되는 등 의료영상기기로서 가능성이 보이는 듯하였다. 그러나 2000년 대에 들어서서 RFAI를 연구하던 Lihong Wang 등에 의해 전자기(Electromagnetic) 에너지 소스가 RF(Radio Frequency)/Microwave에서 레이저(Laser)로의 기술적 전환이 이루어지면서 지난 15년간 광음향(photoacoustic)이 열음향(thermoacoustic) 보다 대표하는 기술이 되어, RFAI 관련 연구는 상대적으로 위축되었고, 광음향 이미징(photoacoustic imaging) 기술은 괄목할만한 발전을 이루었다. The possibility of medical imaging of this thermoacoustic phenomenon was first proposed by Theodore Bowen (professor at Arizona State University) in 1981, and the first 3D tomography was demonstrated at the Indiana State University in 1998, It seemed possible as a device. However, as Lihong Wang, who studied RFAI in the 2000s, has been converting the electromagnetic energy source from radio frequency (RF) / microwave to laser (laser) (thermoacoustic) technology, RFAI-related research has been relatively reduced, and photoacoustic imaging technology has made remarkable progress.

수많은 연구개발 투자로 인해 광음향(photoacoustic) 기술이 산란 극한(scattering limit), 확산 극한(diffusion limit), 소실 극한(dissipation limit)을 차례로 극복하여 2015년 현재 소프트 티슈(soft tissue) 5cm(contrast agent 사용)를 들여다 볼 수 있는 수준까지 많은 발전을 이루었지만, 여전히 10cm 정도의 딥 티슈(deep tissue) 영역은 광학적 한계로 인해 더 이상 진전을 보이지 못하고 이 분야의 연구는 콘트라스트 에이전트(contrast agent) 개발로 비껴가는 등 새로운 대안 기술을 요구하고 있다. 콘트라스트 에이전트는 그 독성 때문에 가능한 한 회피하는 기술이어서 뒤늦게 RFAI 기술이 딥 티슈(deep tissue) 기능영상 분야에서 광음향(photoacoustic) 기능영상 기술의 대안으로 검토되고 있다. Due to numerous R & D investments, photoacoustic technology has overcome the scattering limit, diffusion limit and dissipation limit in order, and by 2015, soft tissue 5cm (contrast agent) ), But the deep tissue area of about 10 cm still does not show any improvement due to the optical limitations. Research in this field is the development of a contrast agent And is demanding a new alternative technology such as deflecting. Since the contrast agent is a technique that avoids it as much as possible due to its toxicity, RFAI technology is being considered as an alternative to photoacoustic imaging technology in the field of deep tissue functional imaging.

도 1은 일반적인 각종 의료영상기술의 생체조직 침투 깊이와 그에 따른 해상도를 보여 주는 그래프이다(참조: Stephan Kellberger, dissertation, TUM 2012). 이 그림에서 TAT(ThermoAcoustic Tomography)는 RFAI와 동일한 그룹에 속하는 기술이고 이와 비교할 수 있는 기술은 US(Ultrasound), OAT(OptoAcoustic Tomography)이다. 이 중에 US 기술은 기능영상(functional imaging)으로 적합하지 않기 때문에, 실제 비교대상은 OAT뿐이라고 할 수 있다. 이 그림이 현재의 기술 트랜드와 완전히 일치하는 것은 아니지만, 이론적으로는 생체조직 침투깊이 면에서 TAT 기술이 OAT 기술보다 훨씬 더 유리한 것으로 알려져 있다. 따라서 10cm 깊이의 장기에 있는 암 조직을 1mm 이하의 해상도로 관찰할 수 있는 RFAI 관련 기술을 개발하고자 하는 시도가 필요함을 알 수 있다. FIG. 1 is a graph showing the penetration depth of biomedical tissues of various general medical image technologies and the resolution thereof (see Stephan Kellberger, dissertation, TUM 2012). In this figure, TAT (ThermoAcoustic Tomography) belongs to the same group as RFAI, and comparable technologies are US (Ultrasound) and OAT (OptoAcoustic Tomography). Of these, US technology is not suitable for functional imaging, so OAT is the only real comparison. Although this figure is not entirely consistent with current technology trends, it is theoretically known that TAT technology is much more advantageous than OAT technology in terms of depth of penetration. Therefore, it is necessary to develop an RFAI related technology capable of observing cancer tissue at a depth of 10 cm or less at a resolution of 1 mm or less.

따라서, 본 발명은 RFAI의 핵심기술 중 하나인 초음파 검출 기술에 대한 것으로서, 궁극적으로는 RFAI 시스템 등 전자파 유도 초음파 진단장비의 소형 경량화를 위한 초소형 광섬유 리시버 기술에 적용을 위한 것이다. Accordingly, the present invention is directed to ultrasonic detection technology, which is one of core technologies of RFAI, and ultimately to application to ultra-small optical fiber receiver technology for miniaturization and weight reduction of electromagnetic induction ultrasound diagnostic equipment such as RFAI system.

도 2는 일반적인 RFAI 시스템의 초음파 의료영상기술의 개념도를 나타낸다(참조: ENDRA LIFE SCIENCE). 도 2와 같이 RFAI 시스템와 같은 의료기능영상시스템에서 영상신호 발생과정을 에너지 변환 측면에서 살펴보면, RF 펄스 에너지를 인체 특정 부분에 인가하면 생체조직으로부터 RF-thermoacoustic 현상을 통해 초음파가 발생되고, 이 신호를 검출하여 라돈 변환(Radon transform)과 같은 역변환을 통해 이미지를 재구성해 보면 생체조직에 무슨 일이 있었는지를 예측해 볼 수 있게 된다.2 shows a conceptual diagram of an ultrasound medical imaging technique of a general RFAI system (see ENDRA LIFE SCIENCE). As shown in FIG. 2, in a medical function imaging system such as an RFAI system, when an image signal is generated from an energy conversion aspect, when RF pulse energy is applied to a human body part, ultrasonic waves are generated from the living tissue through RF- thermoacoustic phenomenon, Detecting and reconstructing the image through an inverse transformation such as a radon transform can be used to predict what happened to the living tissue.

RFAI를 연구하기 위해 도 2에서 표현된 각 모듈에 대해 방법을 찾아보면 아래 [표1]과 같다. To investigate the RFAI, the method for each module shown in FIG. 2 is shown in Table 1 below.

[표1] RFAI 연구를 위한 방법론[Table 1] Methodology for RFAI Research

Figure pat00001
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[표1]은 RFAI 관련 문헌조사를 토대로 작성된 것이며, 수행하고자 하는 연구방법이 어떻게 도출되었는가를 설명해 주는 표이다. 싱글 주파수에 의한 RFAI 중 가장 많이 연구되었던 UHF(Ultra High Frequency) 대역은 434MHz 대역으로서 ISM (Industry-Science-Medical) 밴드이면서 deep tissue에 대한 기대 때문으로 분석된다. 그러나 본 발명에서도 선행 연구에서의 경험으로 434 MHz 대역보다는 deep tissue에 더 적합한 고주파 VHF대역의 펄스형(Pulsed) RF 시스템을 적용한다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 다른 대역의 주파수가 적용될 수 있다.[Table 1] is based on the RFAI literature review and is a table explaining how the research method to be implemented is derived. The UHF (Ultra High Frequency) band, which is the most studied RFAI by single frequency, is 434MHz band, which is analyzed as ISM (Industry-Science-Medical) band and expectation for deep tissue. However, in the present invention, a pulsed RF system with a high frequency VHF band, which is more suitable for deep tissues than the 434 MHz band, is applied in the previous research experience. However, the present invention is not limited to this, and frequencies of other bands may be applied as needed.

이러한 RFAI 시스템을 정의하고, 이해하는데 있어서 가장 중요한 부분은 가운데 T/F(Transfer Function, 전달함수)로 표현된 RF-티슈(rf-tissue) 간 thermoacoustic 전달함수인데, 전자기파의 생체반응 현상 자체가 복잡하기 때문에 여러 가지 수학적 모델이 제시되어 시뮬레이션에 사용되고 있다. The most important part in defining and understanding this RFAI system is the thermoacoustic transfer function between RF-tissue (rf-tissue) expressed as T / F (Transfer Function) Therefore, various mathematical models are proposed and used in the simulation.

그 중 본 발명에서 사용될 시스템 방정식 모델은 RF 에너지와 acoustic 에너지간의 연속방정식 형태로부터 도출된 thermoacoustic 미분방정식으로서(참조: Tam 1986, Xu and Wang 2006, and Mashal 2009) 음향(acoustic)과 열(thermal)에 대해 매질이 동질이라 볼 때 [수학식1]과 같다. Among them, the system equation model to be used in the present invention is a thermoacoustic differential equation derived from a continuous equation form between RF energy and acoustic energy (see Tam 1986, Xu and Wang 2006, and Mashal 2009) Is equal to Equation (1) when the medium is homogeneous.

[수학식1][Equation 1]

Figure pat00002
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여기서, p(r,t)는 음압(acoustic pressure)이고 βe는 부피확장계수, T(r,t)는 RF 흡수에 의한 온도증가, ρ는 밀도이다. 이러한 시스템 방정식을 풀 수 있는 상용 팩키지(예: cst, comsol)는 많이 보급되어 있으므로 그 중 확보 가능한 팩키지를 택하여 시뮬레이션을 수행할 수 있다. Here, p (r, t) is the acoustic pressure, β e is the volume expansion coefficient, T (r, t) is the temperature increase due to RF absorption and ρ is the density. Commercial packages (for example, cst, comsol) that can solve these system equations are widely available, so the simulation can be carried out by selecting a package that can be secured among them.

시뮬레이션 및 실험을 위해 미리 조건을 결정해 두어야 하는데, 우선 RF펄스의 경우, RF의 펄스폭을 1μs라 가정하면, 생체조직의 열음향 반응이 약 1μs동안 지속되므로, 발생되는 음파는 1MHz 대역이 중심주파수가 된다. 통상 1MHz 대역 초음파의 생체조직 침투 깊이는 10cm를 충분히 상회하므로 본 발명에서는 RF 펄스폭을 1μs로 결정하게 되었다.In the case of the RF pulse, assuming that the RF pulse width is 1 μs, the thermoacoustic response of the living tissue lasts for about 1 μs. Therefore, Frequency. In general, since the penetration depth of the living tissue of the ultrasonic wave of 1 MHz sufficiently exceeds 10 cm, the RF pulse width is determined to be 1 μs in the present invention.

실제 RFAI 시스템을 구축하는 데 있어서는 펄스형 RF 방사(pulsed RF radiation), 초음파 검출(ultrasound detection), 및 영상 인식(image reconstruction)의 세 가지 중요한 연구 분야가 있는데, 본 발명에서는 초음파 검출(ultrasound detection)에 대하여 기술하기로 한다. 그러나 pulsed RF의 기술 스펙을 결정하는 것이 전체 시스템의 성능을 좌우하기 때문에 선행 연구를 통해 얻어진 지식으로 pulsed RF의 기술 스펙 범위를 어느 정도 제한하여 본 발명의 실험에 적용하기로 한다. There are three important fields of research in constructing an actual RFAI system: pulsed RF radiation, ultrasound detection, and image reconstruction. In the present invention, ultrasound detection, Will be described. However, since determining the technical specification of the pulsed RF determines the performance of the whole system, the technical specification range of the pulsed RF is limited to the knowledge obtained through the prior studies, and the present invention is applied to the experiment of the present invention.

RF 모듈의 제작비용과 검증하고자 하는 내용을 고려해 볼 때, 광섬유 초음파 검출기의 효과를 검증하기 위한 RF 파워는 상대적으로 낮은 출력이라도 가능하므로 가능한 한 출력을 낮추어 실험할 예정이다(100W~200W범위). 비록 RFAI의 대상이 deep tissue이긴 하지만 RF field(고주파장)와 acoustic field(음향장)를 나누어 acoustic field에만 집중할 경우 낮은 RF 출력으로도 실험이 가능하다. Considering the fabrication cost of the RF module and the content to be verified, the RF power for verifying the effect of the optical fiber ultrasonic detector can be relatively low, so the output will be reduced as much as possible (in the range of 100W to 200W). Although RFAI is a deep tissue, it is possible to experiment with low RF power if the RF field and the acoustic field are divided into only the acoustic field.

RF 방사 및 RF-Phantom(RF-팬텀) 커플링은, 전자파 생체적합성 및 생체안전도 문제 즉, 1) SAR(Specific Absorption Rate)는 국내 기준 1.6W/Kg(ICNIRP(국제비온화방사선방호협회)기준: 2.0W/Kg), 2) 전자파 노출은 FCC(미연방통신위원회)의 Public Exposure Standard인 0.5mW/cm2를 고려하여 설계해야 한다. RF emission and RF-Phantom coupling have the following problems: 1) SAR (Specific Absorption Rate) is 1.6W / Kg (ICNIRP (International Noxious Radiation Protection Association) criteria: 2.0W / Kg), 2) radiation exposure should be designed in consideration of the Public exposure Standard of 0.5mW / cm 2 of the FCC (Federal communications Commission).

위의 2가지 전자파 노출 기준은 노출기준 및 측정방법이 다르므로 규제치의 직접 비교는 의미가 없을 수 있지만 상시 노출 측면에서 FCC 0.5mW/cm2를 SAR 값으로 환산해 볼 때 70mW/Kg (생체비중=0.7)이다. 이 값은 SAR 국내 기준 1.6W/Kg과 비교해 볼 때 1/20이하의 값이므로 본 발명에서는 SAR 규제치보다는 FCC 0.5mW/cm2를 적용할 계획이다. Direct comparison of regulatory values may not be meaningful because the exposure standard and measurement method are different from each other. However, when the FCC 0.5mW / cm 2 is converted to the SAR value at constant exposure, it is 70mW / Kg = 0.7). This value is 1/20 or less compared with 1.6W / Kg of SAR domestic standard. Therefore, FCC 0.5mW / cm 2 will be applied to this invention rather than SAR limit value.

한편, RFAI 시스템의 동작원리상 인가되는 RF와 발생되는 초음파가 특정시점에서는 공존하게 된다. 그러나 RFAI 시스템은 팬텀 또는 생체조직을 통해 RF 발생부와 초음파 측정부가 연결되어 있기 때문에 RF 발생부의 완전한 차폐가 곤란하여 RF의 일정 부분이 원치 않는 공간으로도 방사된다. 이때 초음파 측정부 리드선 및 전자회로에 유도되는 EMI(Electro Magnetic Interference)는 초음파 측정회로에 강한 고주파 노이즈로 작용하므로 이를 제거해 주어야 한다.On the other hand, the RF applied to the RFAI system and the generated ultrasonic wave coexist at a specific point in time. However, since the RFAI system is connected to the RF generating unit and the ultrasonic measuring unit through the phantom or the living tissue, it is difficult to completely shield the RF generating unit, and a certain portion of the RF is radiated into the unwanted space. At this time, EMI (Electro Magnetic Interference) induced in the lead wire and the electronic circuit of the ultrasonic measuring part acts as a strong high frequency noise in the ultrasonic measuring circuit, so it must be removed.

현재 RFAI는 photoacoustic 이미징 및 초음파 이미징에 비해 ROI의 해상도를 향상시킬 방법이 마땅치 않다는 데 있다. 초음파 이미징의 경우, focused array(초점 배열)에 의한 초음파의 빔포밍(beam forming) 기술로 초음파 입력부와 초음파 검출부를 공간적으로 동기시키면 관심영역에 대한 높은 해상도를 얻을 수 있는데 이에 대한 기술은 많은 진전이 있어서, 이러한 focused array 기술을 photoacoustic 이미징에도 적용하고 있다. RFAI currently does not have a way to improve ROI resolution compared to photoacoustic imaging and ultrasound imaging. In the case of ultrasonic imaging, the beam forming technique of the ultrasonic wave by the focused array enables to obtain a high resolution for the region of interest by spatially synchronizing the ultrasonic wave input portion and the ultrasonic wave detecting portion. This focused array technology is also applied to photoacoustic imaging.

Photoacoustic 이미징의 경우, 가간섭성(coherence)이 좋은 레이저의 beam waist(빔 웨이스트)를 관심 영역에 포커싱하고 초음파의 focused array에 의한 beam waist를 동일 영역에 공간적으로 동기(sync)시키면 초음파 이미징의 beam forming 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 그러나 이 역시 에너지 소스인 레이저의 생체조사에 대한 규제(ANSI limit 20mJ/cm2) 때문에 고감도 리시버와 광대역 리시버의 개발이 현재까지도 진행 중에 있고, 검출된 낮은 SNR의 아날로그 데이터로부터 디지털 신호처리(잡음제거 등)를 통해 보다 선명한 의료영상을 복원하려고 하는 연구 역시 활발하게 진행되고 있다. 이와 동시에 agent(조영제)가 필요 없는 의료기능영상 방식이라 해서 많은 관심이 쏠렸고 지난 10년 동안 많은 연구가 이루어졌는데, photoacoustic 방식 자체만으로 deep tissue 문제를 해결하기에는 한계에 부딪혀, 아이러니하게도 지금은 photoacoustic 이미징의 대조도 향상을 위한 agent 개발이 활발하게 진행되고 있다. In the case of photoacoustic imaging, focusing the beam waist of a coherent laser in the region of interest and synchronously synchronizing (beam waist) the beam waist by the focused array of ultrasound to the same region, the same effect as the forming effect can be obtained. However, the development of high-sensitivity receivers and broadband receivers is still underway due to the regulation of the biosensing of the laser source (ANSI limit 20 mJ / cm 2 ), which is also an energy source. From the detected low SNR analog data, digital signal processing Etc.) have been actively researched to restore more clear medical images. At the same time, much attention has been focused on the medical imaging system, which does not require an agent (contrast agent), and a lot of research has been done in the past 10 years. The photoacoustic method itself is limited to solve the deep tissue problem. Ironically, The development of an agent for improving the contrast of the cells is actively under way.

지금까지 보고되고 있는 thermoacoustic 의료영상 관련 연구결과를 살펴보면, 생체조직에 대한 thermoacoustic 전달함수가 대단히 복잡하여 일반적으로 사용될 수 있는 통일된 이론이 제시된 것은 아니지만, 초음파 검출단의 SNR은 입력단의 EM(고주라(RF), 레이저(laser) 등) 에너지가 생체기관에 방사되는 에너지 양에 비례한다는 것은 정설로 알려져 있다. In the thermoacoustic medical imaging studies reported so far, the thermoacoustic transfer function for living tissues is very complicated, so unified theory that can be generally used is not presented. However, the SNR of the ultrasound detection stage is not limited to EM (RF), laser, etc.) It is well known that energy is proportional to the amount of energy radiated into living organisms.

RFAI 또한 thermoacoustic 의료영상 기법 중 하나이므로 초음파 검출단의 SNR은 입력단의 RF출력에 비례하여 증가할 것이라는 것은 충분히 예상된다. 그러나 RF 생체조사는 레이저 생체조사보다 더 가혹한 규제를 받고 있기 때문에, RFAI 의료영상 경우가 thermoacoustic 의료영상보다 입력단 EM 에너지 방사에 대해 덜 자유롭다고 할 수 있다. Since RFAI is also one of the thermoacoustic medical imaging techniques, it is expected that the SNR of the ultrasound detection stage will increase in proportion to the RF output of the input stage. However, since RF biometry is more restrictive than laser biometry, the RFAI medical imaging case is less free of input EM energy radiation than thermoacoustic medical imaging.

여기서 RFAI가 택해야 할 길로서 두 가지 갈래가 발생하는데, 하나는 RF를 효과적으로 모듈레이션하여 원하는 수준의 초음파 신호를 검출하는 것이고, 또 하나는 검출부를 정교하게 디자인하는 것이다. 물론 RF 속성상 RF를 모듈레이션 하는 방법에는 수많은 아이디어(multi-frequency, resonance, uwb(Ultra Wide Band) 등)가 나올 수 있지만, 검출부 디자인은 상당히 제한적이다. 이는 검출부가 상당부분 소스에 의존되기 때문인 이유도 있지만, 기하학적 제한, 공정개발에 대한 부담, 센서의 신뢰성, 제조상 문제 등 여러 부수적 요인도 작용한다. Here, RFAI has two branches to choose. One is to effectively modulate the RF to detect a desired level of ultrasound signals, and the other is to design the detector precisely. Of course, there are a lot of ideas on how to modulate RF in RF properties (multi-frequency, resonance, uwb (Ultra Wide Band), etc.), but the detector design is quite limited. This is partly due to the dependence of the detector on the source, but there are also several additional factors such as geometric constraints, burden on process development, sensor reliability, manufacturing issues, and so on.

따라서 검출부의 개발방향은 첫째, 보다 단순한 구조로 정해져야 하며, 둘째, RFAI는 해부학적 영상이 아닌 RF 전파특성을 활용한 기능영상을 보는 것이므로, rf-tissue thermoacoustic 현상을 잘 모니터링할 수 있도록 리시버가 설계되어야 한다. Therefore, the development direction of the detection part should be defined as a simpler structure. Second, since the RFAI is a functional image utilizing the RF propagation characteristic rather than the anatomical image, the receiver is required to monitor the rf- Should be designed.

또 다른 문제는 deep tissue 관찰에 있는데, RFAI에서 RF 주파수가 높을수록 해상도가 높아지지만 RF의 생체 침투깊이가 급속하게 감소하므로 10cm정도의 deep tissue가 대상이라면 적어도 500MHz이하라야 한다. Deep tissue에서는 RF의 감쇄(생체내에서 평균적으로 2.0dB/cm 감쇄)만 있는 것이 아니라 음파(acoustic wave)의 감쇄도 상당수준(생체내에서 평균적으로 0.54dB/cm) 발생하므로 정교한 리시버 설계가 더욱 더 중요해진다. Another problem is in deep tissue observation. In RFAI, the higher the RF frequency, the higher the resolution, but the depth of RF penetration is rapidly reduced, so if the target is 10cm deep tissue, it should be at least 500MHz. In deep tissues, there is not only a reduction in RF attenuation (2.0 dB / cm on the average in the living body) but also a significant level of attenuation of the acoustic wave (0.54 dB / cm on average in the living body) It becomes more important.

정리해 보면, 발생되는 문제는 deep tissue용 RF를 ROI에 focusing 하기 어려움에서 시작되며, 이는 생체조직 내 thermoacoustic 음원의 위치를 제대로 구분하기 위해, 리시버 단에서 focused array의 directionality(방향성), focal length(초점길이) 및 beam waist(빔웨이스트)에 의존하는 수밖에 없음을 알 수 있다. 그러나 이런 방법은 공간해상도 향상을 위해 focused array의 엘리먼트(element) 수를 증가하는 방향으로 기술이 진전되는데 이렇게 되면 SNR(Signal-to-Noise Ratio)은 증가하지만 음원 위치정보의 불확실성 역시 증가하므로 이를 보정하기 위해 별도의 신호처리를 요구하게 되고 이는 비용 상승을 초래한다. In summary, the problem that arises from the difficulty of focusing RF for deep tissues on the ROI is that the directionality of the focused array at the receiver end, the focal length Length) and beam waist (beam waist). However, in this method, in order to improve the spatial resolution, the technology advances in the direction of increasing the number of elements of the focused array. In this case, the signal-to-noise ratio (SNR) increases but the uncertainty of the sound source position information also increases. It requires separate signal processing in order to increase the cost.

RFAI 시스템의 초음파 검출부에서 디텍터 포커싱(focusing) 문제와 더불어 검출부에 유도되는 EMI 문제도 해결되어져야 한다. RFAI 시스템의 동작원리상 인가되는 RF와 발생되는 초음파가 특정시점에서는 공존하게 되는데, RFAI 시스템은 팬텀 또는 생체조직을 통해 RF 발생부와 초음파 측정부가 연결되어 있기 때문에 RF 발생부의 완전한 차폐가 곤란하여 RF의 일정 부분이 원치 않는 공간으로도 방사된다. 이때 초음파 측정부 리드선 및 전자회로에 유도되는 EMI는 초음파 측정회로에 강한 고주파 노이즈로 작용하므로 이를 제거하는데 많은 비용이 든다. In addition to the detector focusing problem in the ultrasonic detector of the RFAI system, the EMI problem induced in the detector must also be solved. Since the RF generator and the ultrasonic wave measuring unit are connected to each other through the phantom or the living tissue, it is difficult to completely shield the RF generator and the RF Some parts of it are also emitted into unwanted spaces. At this time, the EMI induced in the lead wire and the electronic circuit of the ultrasonic measuring part acts as strong high frequency noise in the ultrasonic measuring circuit, and thus it is very expensive to remove it.

이러한 노이즈를 제거하기 위해 패러데이 케이지(cage)를 사용하는 경우, 완전한 차폐가 어렵고 또 시스템이 복잡해진다. RF 방사 시간과 초음파 검출시간을 시간대역에서 분리하는 방법은 전기적으로 분리 가능한 소스와 디텍터가 디지털 시퀀스를 통해 전기적으로 연결되므로 이로 인한 노이즈 문제가 있고, 또 ROI가 초음파 검출기와 어느 정도 거리가 있을 때만 유효한 방식이므로 진단에 적용할 때 진단의 블라인드 영역이 생길 수 있는 문제도 있다. 인가하는 RF와 검출하는 초음파의 주파수 대역을 분리하는 신호처리 방식은 인가하는 RF가 주파수 영역에서 sinc 함수로 표현되는 구형파 펄스로 모듈레이션되어 있기 때문에 주파수 영역에서는 전혀 분리가 되지 않는다. When a Faraday cage is used to eliminate such noise, complete shielding is difficult and the system becomes complicated. The method of separating the RF emission time and the ultrasonic detection time in the time band is that the electrically disconnectable source and the detector are electrically connected through the digital sequence and thus there is a noise problem and when the ROI is some distance from the ultrasonic detector There is also a problem that the blind area of the diagnosis may occur when applying to the diagnosis because it is an effective method. The signal processing method for separating the applied RF and the frequency band of the ultrasonic wave to be detected is not separated at all in the frequency domain because the applied RF is modulated into a square wave pulse represented by a sinc function in the frequency domain.

따라서, 본 발명에서는 RF-초음파 영상장치 또는 전자파 유도 초음파 진단장비의 초음파 검출부를 기존의 압전 소자에서 광섬유 초음파 센서로 대체하여, 광섬유 센서 고유의 특성인 경량, 소형, 고정밀, 및 전자파 간섭이 없다는 장점을 갖도록 하였다. 즉, 기존의 압전 방식의 초음파 센서를 광섬유 초음파 센서로 대체함으로써, 전자파에 의한 간섭이 없고 신호대 잡음비 향상으로 민감도가 좋아서 강한 전자기파 환경 하에서 미약한 초음파 신호를 검출하기에 적합하도록 하였다. Therefore, in the present invention, the ultrasonic wave detecting unit of the RF-ultrasound imaging apparatus or the electromagnetic wave guiding ultrasonic diagnostic apparatus is replaced with the optical fiber ultrasonic wave sensor in the conventional piezoelectric element, and the advantage of being lightweight, compact, high- Respectively. That is, by replacing the conventional piezoelectric type ultrasonic sensor with the optical fiber ultrasonic sensor, it is suitable for detecting weak ultrasonic signal under strong electromagnetic wave environment because there is no interference by electromagnetic wave and sensitivity is improved by improvement of signal-to-noise ratio.

Thermoacoustic 특성상 발생되는 초음파는 모든 방향으로 전파되지만, 신호검출 영역은 이에 비해 상당히 좁은 영역이어서 서로 다른 초음파를 발생하는 음원의 위치 구분이 어렵다. 이러한 음원의 위치를 구분하기 위해 리시버에 directionality(방향성)를 주게 되는데, 현재는 주로 focused array(초점 배열)를 사용한다. Focused array는 beam steering(빔 조향) 기술에 의해 beam waist를 조정하여 관심 영역에 대한 해상도를 높일 수 있으나, beam waist를 줄이는데 한계가 있어 향상시킬 수 있는 해상도는 제한되어 있다. 그러나 element로서 directional detector(방향성 검출기)를 사용하면 적은 수의 element로도 focused array가 확보할 수 있는 공간 해상도를 얻을 수 있다. Ultrasonic waves generated by the thermoacoustic characteristics propagate in all directions, but the signal detection region is narrower than the ultrasonic waves. Therefore, it is difficult to distinguish the positions of the sound sources that generate different ultrasonic waves. In order to distinguish the positions of these sound sources, the receiver is given the directionality, which is mainly focused array. Focused arrays can improve the resolution of the area of interest by adjusting the beam waist by beam steering techniques, but the resolution that can be improved is limited due to limitations in reducing beam waist. However, if a directional detector is used as an element, the spatial resolution can be obtained even with a small number of elements.

위와 같이 RFAI 시스템의 대상은 deep tissue 모니터링이므로, 아주 낮은 SNR(신호잡음비)의 RF-induced Acoustic(RF-유도 음향) 신호검출 문제를 해결하기 위해서는 먼저 이에 적합한 RF 소스가 필요하다. 본 연구에서는 RF 펄스 발생부를 UHF싱글 주파수, 펄스폭 0.5uS~1uS, 주기 1mS~10mS, RF출력 100W~200W범위에서 가변하면서 제안된 검출방식의 효과를 검증하고자 한다. 중심 주파수는 본 연구에 있어 대단히 중요한 결정 요인이지만 선행연구의 결과를 활용하여 고주파 VHF대역으로 선정하였다. 그러나 전문가 자문, 자료분석 및 시뮬레이션을 통해 deep tissue imaging에 적합할뿐더러 상용화에도 문제가 없는 대역에 대한 검토도 지속적으로 수행할 필요가 있다. Since the RFAI system is a deep tissue monitoring system, RF source is required to solve the problem of RF-induced acoustic signal detection with very low SNR (Signal to Noise Ratio). In this study, the effect of the proposed detection method is verified by varying the RF pulse generator in UHF single frequency, pulse width 0.5uS ~ 1uS, period 1mS ~ 10mS, and RF output 100W ~ 200W. Although the center frequency is a very important determinant in this study, we selected the high frequency VHF band using the results of previous research. However, expert consultation, data analysis and simulation are required to continue to review the band that is suitable for deep tissue imaging and has no problem in commercialization.

RFAI의 경우 대부분, 소스의 포커싱이 쉽지는 않다. 특히 본 발명에서처럼 고주파 VHF 대역을 사용하게 된다면 생체조직에 비해 파장(600cm)이 너무 길기 때문에, 조사될 경우 생체기관은 공간적으로 거의 동일한 위상(phase) (λ/4=150cm)를 겪을 뿐 아니라 거의 평면파로 간주되므로 포커싱 자체가 무의미해 진다. 물론 주파수를 3GHz, 5GHz, 10GHz와 같은 방법으로 올리면 포커싱은 어느 정도 가능해지지만 침투깊이가 고주파 VHF 대역의 1/10 수준이 되므로 본 발명에서 원하는 방향이 아니다. 병원에서 사용하는 것을 가정해 볼 때, 수GHz 대역의 RF를 사용하더라도 여전히 포커싱시키기 위한 far field(원거리 장) 존은 멀고(수십 cm), 유효한 directivity를 갖는 안테나를 설계하는 것도 쉽지 않아 보인다. RF/Microwave 이미징의 경우, 여러 개의 RF 발생기를 사용하여 near field(근접 장) 포커싱 방안도 제안되고 있지만 소스발생 시스템의 부피가 커지므로 적합한 연구방향으로 보이지 않는다. 결국 RFAI의 경우 RF소스단에서 관심영역을 포커싱시켜 대조도 영상의 해상도를 향상시키고자 하는 시도는 상용화에 걸림돌이 된다고 보여진다. For RFAI, focusing sources is not easy. In particular, if a high-frequency VHF band is used as in the present invention, since the wavelength (600 cm) is longer than that of living tissue, the living organ undergoes spatially almost the same phase (? / 4 = 150 cm) Since it is regarded as a plane wave, focusing itself becomes meaningless. Of course, if the frequency is raised by the methods such as 3GHz, 5GHz, and 10GHz, focusing can be performed to some extent, but the penetration depth is one-tenth of the high frequency VHF band. Assuming that it is used in hospitals, it is not easy to design an antenna with effective directivity that is far (tens of centimeters) far field (far field) to still focus even if using RF of several GHz band. In the case of RF / Microwave imaging, a near field focusing scheme using several RF generators is also proposed, but it does not seem to be an appropriate research direction because the volume of the source generating system becomes large. As a result, in the case of RFAI, attempts to improve the resolution of the contrast image by focusing the region of interest at the RF source stage appear to be a hindrance to commercialization.

따라서 상대적으로 낮은 주파수 대역의 RF를 사용하면서 생체조직의 대조도 영상의 해상도를 향상시키기 위해서는, thermoacoustic 과정을 통해 발생되는 음파로부터 최대한의 유효한(또는 정확한) 정보를 획득하는 식으로 SNR을 높이는 새로운 검출방식이 필요하다. 지금까지 보고된 연구결과를 살펴보면, RFAI만을 위한 초음파 센서는 없었고 주로 photoacoustic imaging 시스템을 위한 여러 가지 형태의 초음파 리시버가 제안되었다. 그 중 다양한 형태와 다양한 재질로부터 구현된 초소형 피에조 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical System)를 적용한 초음파 어레이에 대한 연구와 광섬유의 고유한 특성을 활용한 초음파 센서에 대한 연구가 가장 활발히 진행되고 있는 것으로 보고되고 있다. Hui Wang에 의해 제안된 Fresnel zone plate detector(프레넬 존 플레이트 디텍터)와 같이 광학의 Fresnel 회절현상을 응용하여 near field를 직접 포커싱하는 효과를 검증하고자 하는 흥미로운 시도도 있었으나 리시버 구조가 복잡하여 상용화는 어려울 것으로 보인다. Therefore, in order to improve the resolution of the contrast image of the living tissue while using the RF of the relatively low frequency band, a new detection that increases the SNR by obtaining the maximum effective (or correct) information from the sound wave generated through the thermoacoustic process Method is needed. To date, there have been no ultrasonic sensors for RFAI alone, and various types of ultrasonic receivers have been proposed for photoacoustic imaging systems. Among them, research on ultrasonic arrays employing microelectromechanical systems (MEMS) implemented from various types and materials, and studies on ultrasonic sensors utilizing the inherent characteristics of optical fibers have been conducted most actively . In addition to the Fresnel zone plate detector proposed by Hui Wang, there has been an interesting attempt to verify the effect of direct Fresnel diffraction of the near field by using optical Fresnel zone plate detector. However, the receiver structure is complicated and difficult to commercialize Seems to be.

본 발명에서는 미세전자기계시스템(MEMS) 공정을 통해서 대량생산이 가능하며 제품 가격을 낮출 수 있고, 경량, 소형, 고정밀 및 전자파 간섭이 없는 패브리-페로 간섭계형 초음파 센서를 제안한다. 본 발명의 패브리-페로 간섭계형 초음파 센서는 광섬유 간섭계 중 싱글엔드가 가능한 패브리페로(Fabry-Perot) 공진기 구조를 사용하며, 아래 도면 3 내지 7를 참조하여 설명하기로 한다.The present invention proposes a Fabry-Perot interferometer type ultrasonic sensor that can be mass-produced through a microelectromechanical system (MEMS) process, can reduce the price of a product, and is lightweight, compact, high-precision, and free from electromagnetic interference. The Fabry-Perot interferometer type ultrasonic sensor of the present invention uses a Fabry-Perot resonator structure that can be single-ended in an optical fiber interferometer and will be described with reference to FIGS. 3 to 7 below.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패브리-페로 간섭계형 초음파 센서(100)를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a view for explaining a Fabry-Perot interferometer type ultrasonic sensor 100 according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 패브리-페로 간섭계형 초음파 센서(100)는, 복수의 광커플러들(111, 112, 113), 광신호 발생기(120), 검출기(130) 및 센서헤드(140), 광지연기(145), 신호처리부(150)를 포함한다. 센서헤드(140)는 주센서(141)와 보조센서(142)를 포함하고, 포토다이오드(photo diode) 등을 포함하는 검출기(130)는 제1검출기(131) 및 제2검출기(132)를 포함한다. 이하 광 신호 발생기(120)로서 레이저 다이오드(laser diode)(120)를 예로들어 설명한다.3, a Fabry-Perot interferometer type ultrasonic sensor 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a plurality of optical couplers 111, 112 and 113, an optical signal generator 120, a detector 130, And a sensor head 140, a photodiode 145, and a signal processor 150. The sensor head 140 includes a main sensor 141 and an auxiliary sensor 142 and a detector 130 including a photodiode or the like includes a first detector 131 and a second detector 132 . Hereinafter, a laser diode 120 will be described as an example of the optical signal generator 120.

센서헤드(140), 즉 주센서(141)와 보조센서(142) 각각은 RF를 방사하고 반사되는 초음파(반사파)를 수신하기 위한 센서팁 어레이(예, 1차원, 또는 2차원 배열의 센서팁들을 포함할 수 있음)을 포함한다. 이와 같은 센서 팁은 광섬유(예, 단일모드) (라인)들(115, 116)의 단부들에 구비되고, 패브리페로(Fabry-Perot) 공진기 구조를 갖는다. 본 발명의 센서헤드(140)의 대략적인 사시도가 도 7에 도시되어 있다. The sensor head 140, that is, the main sensor 141 and the auxiliary sensor 142 each include a sensor tip array (for example, a one-dimensional or two-dimensional array sensor tip) for receiving ultrasound And the like). Such a sensor tip is provided at the ends of the optical fibers (e.g., single mode) (lines) 115 and 116 and has a Fabry-Perot resonator structure. A schematic perspective view of the sensor head 140 of the present invention is shown in Fig.

광 신호 발생기(120)에서 발생하는 광 신호(예, 레이저)는 광섬유에 의해 연결된 제1광커플러(111)에서 분기된 신호가, 제2광커플러(112)를 거쳐 주센서(141)에서 대상체(예, 생체 조직 등)에 방사되고, 반사된 신호(반사파)는 주센서(141), 광섬유(115), 제2광커플러(112)를 거쳐 제1검출기(131)에서 광전 변화되어 신호처리부(150)로 출력된다. A signal branched by the first optical coupler 111 connected to the optical signal generated by the optical signal generator 120 is transmitted from the main sensor 141 through the second optical coupler 112, (Reflected wave) is photo-electrically converted in the first detector 131 via the main sensor 141, the optical fiber 115 and the second optical coupler 112, (150).

제1광커플러(111)에서 분기된 다른 광 신호는, 제3광커플러(113), 광지연기(145)를 거쳐 보조센서(142)에서 대상체(예, 생체 조직 등)에 방사되고, 반사된 신호(반사파)는 보조센서(142), 광지연기(145)가 있는 광섬유(116), 제3광커플러(113)를 거쳐 제2검출기(132)에서 광전 변화되어 신호처리부(150)로 출력된다. 광지연기(145)는 설계에 따라 소정의 시간(예, 0.5μs, 1.0μs, 1.5μs, 2.0μs,.. 등) 광신호를 지연시킨다. Another optical signal branched by the first optical coupler 111 is radiated to a target object (e.g., biological tissue) from the auxiliary sensor 142 via the third optical coupler 113 and the photodetector 145, The signal (reflected wave) is photoelectrically converted in the second detector 132 via the auxiliary sensor 142, the optical fiber 116 with the photodetector 145, the third optical coupler 113, and outputted to the signal processing unit 150 . The photodiode smoke 145 delays the optical signal for a predetermined time (e.g., 0.5 μs, 1.0 μs, 1.5 μs, 2.0 μs, ...) according to the design.

보조센서(142)는 저정도(low resolution) 패브리페로(Fabry-Perot) 공진기 구조를 가지며 저가형일 수 있고, 주센서(141)는 고정도(high resolution) 패브리페로(Fabry-Perot) 공진기 구조를 가지며 고가형일 수 있다. 예를 들어, 보조센서(142)는 광신호의 위상이 속하는 넓은 위상 범위를 검출하며, 주센서(141)는 해당 넓은 위상 범위 내에서 광신호의 세부 위상을 검출하기 위하여 적용될 수 있다. 보조센서(142)의 넓은 위상 범위는 0.0005 프린지(fringe) 보다 큰 프린지 범위의 저해상도 영역일 수 있고, 주센서(141)의 위치를 세부 위상은 0.0005 프린지(fringe) 보다 작은 프린지 범위의 고해상도 영역일 수 있다. 여기서, 주센서(141)와 보조센서(142)는 대상체에 대해 같은 또는 유사한 방향, 즉, 실질적으로 동일한 방향을 향하도록 설치되고, 일체형으로 제작될 수도 있다. 경우에 따라, 해상도가 중요하지 않은 경우에, 주센서(141)와 보조센서(142) 중 어느 하나만 이용하고 나머지는 적용하지 않을 수도 있다. The auxiliary sensor 142 may have a low resolution Fabry-Perot resonator structure and may be inexpensive and the main sensor 141 has a high resolution Fabry-Perot resonator structure It can be expensive. For example, the auxiliary sensor 142 detects a wide phase range to which the phase of the optical signal belongs, and the main sensor 141 can be applied to detect the detailed phase of the optical signal within the corresponding wide phase range. The wide phase range of the auxiliary sensor 142 may be a low resolution area of the fringe range greater than 0.0005 fringe and the position of the main sensor 141 may be a high resolution area of the fringe range smaller than 0.0005 fringe . Here, the main sensor 141 and the auxiliary sensor 142 are provided so as to face the same or similar direction, that is, substantially the same direction with respect to the target object, and may be fabricated integrally. In some cases, when resolution is not important, only one of the main sensor 141 and the auxiliary sensor 142 may be used, and the rest may not be applied.

신호처리부(150)는 제1검출기(131)와 제2검출기(132)로부터 수신하는 광전 변환된 신호들을 처리하여, 해당 대상체의 초음파 영상을 출력하기 위한 신호의 생성을 수행한다. 주센서(141)와 보조센서(142) 중 어느 하나만을 이용하는 경우에는 신호처리부(150)는 제1검출기(131) 또는 제2검출기(132)로부터 수신하는 광전 변환된 신호를 처리하여, 해당 대상체의 초음파 영상을 출력하기 위한 신호의 생성을 수행할 수 있다.The signal processor 150 processes the photoelectrically converted signals received from the first detector 131 and the second detector 132 and generates a signal for outputting the ultrasound image of the target object. When only one of the main sensor 141 and the auxiliary sensor 142 is used, the signal processing unit 150 processes the photoelectrically-converted signal received from the first detector 131 or the second detector 132, The ultrasound system 100 may generate a signal for outputting the ultrasound image.

도 4는 본 발명의 센서헤드(140)의 단부에 구비된 센서 어레이(200)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining the structure of the sensor array 200 provided at the end of the sensor head 140 of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 센서헤드(140), 즉, 주센서(141)와 보조센서(142)의 단부에 구비된 센서 어레이(200)는, 광커플러(112/113)에 광섬유(들)(115/116)을 통해 연결된 센서팁들(220)을 포함한다. 4, the sensor head 140 of the present invention, that is, the sensor array 200 provided at the ends of the main sensor 141 and the auxiliary sensor 142 is connected to the optical coupler 112/113 via the optical fiber 0.0 > 115/116 < / RTI >

센서 어레이(200)는 SOI(Silicon on Insulator) 기판(210)의 복수의 구멍의 위치에 일차원 또는 이차원 배열된 광섬유 센서팁(들)(220)을 포함하는 센서 어레이 형태를 갖는다. 도면에는 이차원 배열된 광섬유 센서팁(들)(220)을 도시하였으나, 설계 목적에 따라 다른 형태의 2차원 배열 또는 1차원 배열 등 다양한 형태로 광섬유 센서팁(들)(220)이 배열될 수 있다. The sensor array 200 has a sensor array configuration including optical fiber sensor tip (s) 220 arranged one-dimensionally or two-dimensionally at a plurality of holes of a SOI (Silicon on Insulator) substrate 210. Although the figure shows the two-dimensionally arrayed optical fiber sensor tip (s) 220, the optical fiber sensor tip (s) 220 can be arranged in various forms, such as two-dimensional arrays or one- .

특히, 본 발명에서 각각의 광섬유 센서팁(220)은, SOI 기판(210)의 복수의 구멍 각각의 위치에, 광섬유 라인을 결합하여 패브리페로 간섭계 구조물을 형성한 구조를 가짐으로써, 미세전자기계시스템(MEMS) 공정에 의해 상기 SOI 기판(210)의 복수의 구멍이 가공되고 패브리페로 간섭계 구조물이 용이하게 형성 가능하게 하여, 대량생산이 용이하며 제품 가격을 낮출 수 있고, 광섬유 센서 고유의 특성인 경량, 소형, 고정밀 및 전자파 간섭이 없다는 장점을 실현할 수 있게 하였다.In particular, in the present invention, each optical fiber sensor tip 220 has a structure in which a fiber ferro interferometer structure is formed by joining optical fiber lines at respective positions of a plurality of holes of the SOI substrate 210, A plurality of holes of the SOI substrate 210 are processed by a MEMS (Micro Electro Mechanical System) process, and a Fabry-Perot interferometer structure can be easily formed, thereby facilitating mass production and lowering the cost of a product. , Small size, high precision, and no electromagnetic interference.

이와 같은 센서 어레이(200)의 제작을 위하여, 도 5와 같이 SOI 기판(210)에 MEMS 가공을 통해 광섬유 센서팁(들)(220)의 위치에 대한 관통 구멍의 가공이 이루어진 후, 도 6과 같이 SOI 기판(210)의 관통 구멍 각각의 위치에, 광섬유 라인을 결합하여 패브리페로 간섭계 구조물을 형성하기 위한 추가 공정이 이루어질 수 있다.5, a through hole is formed on the SOI substrate 210 through the MEMS process to the position of the optical fiber sensor tip (s) 220, and then, as shown in Figs. 6A and 6B, Similarly, at each of the through-holes of the SOI substrate 210, an additional process may be performed to join the fiber optic lines to form a Fabry-Perot interferometer structure.

도 5는 본 발명의 센서헤드(140)의 센서 어레이(200)를 위한 SOI 기판(210)의 MEMS 가공 공정을 설명하기 위한 도면이다. 5 is a view for explaining a MEMS processing process of the SOI substrate 210 for the sensor array 200 of the sensor head 140 of the present invention.

도 5를 참조하면, 먼저, SOI 기판(210)을 준비한다(S110). SOI 기판(210)은 기층부 실리콘(층)(10), 절연막(층)(11), 표면 실리콘(층)(12)을 포함하는 반도체 웨이퍼일 수 있다. 절연막(11)은 SiO2 등 실리콘 산화막일 수 있고, 두께 0.5~5μm 정도로 이루어질 수 있다. 기층부 실리콘(10)의 두께는 200~1000μm일 수 있고, 표면 실리콘(12)의 두께는 100~500μm일 수 있다.Referring to FIG. 5, first, an SOI substrate 210 is prepared (S110). The SOI substrate 210 may be a semiconductor wafer including a base layer silicon (layer) 10, an insulating film (layer) 11, and a surface silicon (layer) The insulating film 11 may be a silicon oxide film such as SiO 2, and may have a thickness of about 0.5 to 5 μm. The thickness of the base layer silicon 10 may be 200 to 1000 占 퐉, and the thickness of the surface silicon 12 may be 100 to 500 占 퐉.

SOI 기판(210)이 준비되면, 상부층의 표면 실리콘(12) 상에 포토레지스트(13)를 도포하고 개구가 될 가공 위치(14)에 포토레지스트가 제거되도록 패턴을 형성한다(S120). 개구가 될 가공 위치(14)는 광섬유 센서팁(들)(220)의 위치가 된다. When the SOI substrate 210 is prepared, a photoresist 13 is coated on the surface silicon 12 of the upper layer and a pattern is formed so that the photoresist is removed at the processing position 14 to be opened (S120). The processing position 14 to be the aperture becomes the position of the optical fiber sensor tip (s) 220.

포토레지스트(13)의 패턴이 형성된 SOI 기판(210)은, 습식 식각 또는 건식 식각 처리되어 상부층의 표면 실리콘(12)의 개구 패턴(15)이 형성될 수 있다(S130). 습식 식각 방법에서 불산(HF), 질산 등의 혼합 용액을 이용할 수 있으며, 건식 식각 방법으로서 RIE(reactive-ion etching) 또는 DRIE(deep reactive-ion etching) 등의 방법이 이용될 수 있다.The SOI substrate 210 on which the pattern of the photoresist 13 is formed may be wet etched or dry etched to form the opening pattern 15 of the upper surface silicon 12 (S130). In the wet etching method, a mixed solution of hydrofluoric acid (HF), nitric acid, or the like may be used. As the dry etching method, a reactive ion etching (RIE ) method or a deep reactive ion etching (DRIE ) method may be used.

이와 같이 SOI 기판(210)의 상부층의 표면 실리콘(12)에 개구 패턴(15)이 형성된 후, SOI 기판(210)의 하부층의 기층부 실리콘(10)에 포토레지스트(16)를 도포하고 개구가 될 가공 위치(17)에 포토레지스트가 제거되도록 패턴을 형성한다(S140). 개구가 될 가공 위치(17)는 광섬유 센서팁(들)(220)의 위치가 된다. After the opening pattern 15 is formed on the surface silicon 12 of the upper layer of the SOI substrate 210 as described above, the photoresist 16 is applied to the base layer silicon 10 of the lower layer of the SOI substrate 210, A pattern is formed so that the photoresist is removed at the processing position 17 (S140). The working position 17 to be an aperture is the position of the optical fiber sensor tip (s) 220.

하부층의 기층부 실리콘(10) 상에 포토레지스트(16)의 패턴이 형성된 SOI 기판(210)은, 습식 식각 또는 건식 식각 처리되어 하부층의 기층부 실리콘(10)의 개구 패턴(18)이 형성될 수 있다(S150). 습식 식각 방법에서 KOH, TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide) 등의 용액을 이용할 수 있으며, 건식 식각 방법으로서 RIE(reactive-ion etching) 또는 DRIE(deep reactive-ion etching) 등의 방법이 이용될 수 있으며, 이에 의해 표면 실리콘(12)의 식각 보다 깊은 식각이 이루어질 수 있다.The SOI substrate 210 on which the pattern of the photoresist 16 is formed on the base layer silicon 10 of the lower layer is wet etched or dry etched to form the opening pattern 18 of the base layer silicon 10 of the lower layer (S150). A solution such as KOH or TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide) may be used in the wet etching method, and a dry etching method such as reactive ion etching (RIE ) or deep reactive ion etching (DRIE) may be used. Etching can be performed more deeply than the etching of the surface silicon 12.

하부층의 기층부 실리콘(10)의 개구 패턴(18)이 형성되면, 기층부 실리콘(10)의 개구(18)의 직경보다 상부층의 표면 실리콘(12)의 개구(15)의 직경이 좁아서, 기층부 실리콘(10)의 개구(18) 내에서 표면 실리콘(12)의 하부에는 절연막(11)이 남아 있으며, 이를 위와 같은 습식 또는 건식 식각으로 제거될 수 있다. 이와 같이 광섬유 센서팁(들)(220)의 위치에 대한 관통 구멍의 가공이 완료되면 광섬유 라인을 결합하여 패브리페로 간섭계(또는 패브리페로 공진기) 구조물을 형성하기 위한 실리콘 공진기가 획득된다(S160).The diameter of the opening 15 of the surface silicon 12 of the upper layer is smaller than the diameter of the opening 18 of the base layer silicon 10 and the diameter of the opening 15 of the base layer silicon 10 is smaller than the diameter of the opening 18 of the base layer silicon 10, The insulating film 11 remains under the surface silicon 12 in the opening 18 of the secondary silicon 10 and can be removed by wet or dry etching as described above. After machining the through hole with respect to the position of the optical fiber sensor tip (s) 220, a silicon resonator for fabricating a Fabry-Perot interferometer (or Fabry-Perot resonator) structure is obtained (S160).

여기서, 기층부 실리콘(10)의 개구(18)의 직경과 표면 실리콘(12)의 개구(15)의 직경은, 100~1000μm일 수 있으며, 설계 목적에 따라 적절히 선택될 수 있다. 기층부 실리콘(10)의 개구(18)의 직경과 표면 실리콘(12)의 개구(15)의 직경은, 동일할 수도 있다. 다만, 패브리페로 간섭계의 형성을 위한 광섬유 라인의 결합을 용이하게 하기 위하여, 기층부 실리콘(10)의 개구(18)의 직경을 표면 실리콘(12)의 개구(15)의 직경 보다 넓게 할 수 있으며, 이때 직경 차이는 50~500μm일 수 있다.The diameter of the opening 18 of the base layer silicon 10 and the diameter of the opening 15 of the surface silicon 12 may be 100 to 1000 占 퐉 and may be appropriately selected according to the design purpose. The diameter of the opening 18 of the base layer silicon 10 and the diameter of the opening 15 of the surface silicon 12 may be the same. However, the diameter of the opening 18 of the base layer silicon 10 may be wider than the diameter of the opening 15 of the surface silicon 12 to facilitate coupling of the fiber optic line for Fabry-Perot interferometer formation , Where the diameter difference may be between 50 and 500 mu m.

다음에, 도 6과 같이 SOI 기판(210)의 관통 구멍 각각의 위치에, 광섬유 라인을 결합하여 패브리페로 간섭계 구조물을 형성하기 위한 추가 공정이 이루어질 수 있다.Next, as shown in FIG. 6, an additional process for forming the Fabry-Perot interferometer structure may be performed by joining the optical fiber lines at the respective positions of the through holes of the SOI substrate 210.

도 6은 본 발명의 MEMS 가공된 SOI 기판(210)의 각 구멍에 형성한 패브리페로 간섭계 구조물을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 6 is a view for explaining a Fabry-Perot interferometer structure formed in each hole of the MEMS processed SOI substrate 210 of the present invention.

도 6을 참조하면, SOI 기판(210)의 MEMS 가공으로 도 5와 같이 형성된 SOI 기판(210)의 기층부 실리콘(10), 절연막(11), 표면 실리콘(12)을 관통하는 각각의 구멍 위치에, 패브리페로 간섭계의 구조물이 형성된다. 6, the SOI substrate 210 is subjected to MEMS processing to form respective hole positions passing through the base layer silicon 10, the insulating film 11, and the surface silicon 12 of the SOI substrate 210 formed as shown in FIG. 5 A structure of a Fabry-Perot interferometer is formed.

즉, 클래딩에 의해 코어가 감싸진 광섬유 단부에 제1미러(21)가 형성된 해당광섬유를 기층부 실리콘(10)의 개구(18)에 삽입하여 결합시키며, 표면 실리콘(12)의 개구(15)는 에어 캐비티가 되며, 표면 실리콘(12)의 상부에 제2미러(22)와 멤브레인(23)을 형성할 수 있다. That is, the optical fiber in which the first mirror 21 is formed on the optical fiber end portion where the core is wrapped by the cladding is inserted into the opening 18 of the base layer silicon 10, And the second mirror 22 and the membrane 23 can be formed on the surface silicon 12. [

이에 따라, 기층부 실리콘(10)의 개구(18)에 결합된, 클래딩에 의해 코어가 감싸진 광섬유 단부에 형성된 제1미러(21), 표면 실리콘(12)의 개구(15)에 의해 형성된 에어 캐비티, 상기 캐비티를 덮도록 형성된 제2미러(22), 및 제2미러(22) 위에 형성된 멤브레인(23)을 포함하는, 패브리페로 간섭계의 구조물이 형성되고, 도 4와 같은 일차원 또는 이차원 배열된 광섬유 센서팁(들)(220)이 획득될 수 있다. A first mirror 21 formed on the end of the optical fiber wrapped by the cladding and coupled to the aperture 18 of the base layer silicon 10, A structure of the Fabry-Perot interferometer is formed, which includes a cavity, a second mirror 22 formed to cover the cavity, and a membrane 23 formed on the second mirror 22, and a one-dimensional or two- Fiber optic sensor tip (s) 220 can be obtained.

여기서, 멤브레인(23)은 폴리이미드 등 폴리머로 두께 20~50μm 정도로 이루어지고, 제1미러(21)와 제2미러(22)는 TiO2, SnO2, ZnO 등 금속 산화막으로 두께 1~5μm 정도로 이루어질 수 있다.The first and second mirrors 21 and 22 may be formed of a metal oxide film such as TiO 2, SnO 2, or ZnO to have a thickness of about 1 to 5 μm. have.

한편, 위와 같은 패브리페로 간섭계(또는 패브리페로 공진기)의 동작 원리는 잘 알려져 있으므로 간단히 설명한다. 패브리페로 간섭계에 들어온 RF 신호(예, 레이저)가 두 개의 미러(21, 22)에 의해 간섭이 생기고, 이 간섭광은 다시 커플러(112, 113)를 거쳐 포토다이오드와 같은 검출기(130)로 되돌아와 수신된다. On the other hand, the operation principle of the Fabry-Perot interferometer (or Fabry-Perot resonator) is well known and will be briefly described. The RF signal (e.g., laser) entering the Fabry-Perot interferometer is interfered with by the two mirrors 21 and 22 and the interfering light is returned to the detector 130 such as a photodiode through the couplers 112 and 113 again Lt; / RTI >

이때, RF 신호(예, 레이저)가 패브리페로 간섭계(FPI) 내를 왕복하면서 겪게 되는 위상(round-trip phase shift) ø은, [수학식2]와 같이 표현된다.At this time, a round-trip phase shift ø that the RF signal (eg, laser) experiences while reciprocating in the Fabry-Perot interferometer (FPI) is expressed by Equation (2).

[수학식2]&Quot; (2) "

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, λ는 광파장, n은 굴절율, l은 공진기 길이이다. 패브리페로는 다중간섭(multiple reflection interference)이지만 센서로 사용할 경우, 대부분 단일 왕복에 의한 위상차(phase shift by single round-trip)만 사용한다. 즉, 공진기 내에서는 무한히 많은 반사파에 의해 무한히 많은 간섭파가 존재하지만 가장 파워가 큰 두 개의 반사파(제1미러(21)에서 반사된 광파와 제2미러(22)에서 반사되어 제1미러(21)를 투과한 광파)가 간섭하는 것만 관심을 가지고 특성곡선을 만든다. Here, lambda is an optical wavelength, n is a refractive index, and l is a resonator length. Fabry-Perot is multiple reflection interference, but when used as a sensor it mostly uses only a single round-trip phase shift. That is, although there are infinitely many interference waves due to infinitely many reflected waves in the resonator, two waves of the largest power (reflected light from the first mirror 21 and the reflected light from the second mirror 22 are reflected by the first mirror 21 ) Of the light source) are interested only in the interference of the light waves.

음압(Acoustic pressure) p에 대한 공진기의 감도(sensitivity) δø/δp는, 음압 변화율 δp에 대한 공진기 길이와 굴절율의 변화율 δl과 δn으로 표현될 수 있으며, 아래 [수학식3]과 같다. The sensitivity δø / δp of the resonator with respect to the acoustic pressure p can be expressed by the rate of change δl and δn of the resonator length and the refractive index with respect to the negative pressure change rate δp, and is expressed by the following equation (3).

[수학식3]&Quot; (3) "

Figure pat00004
Figure pat00004

음압(Acoustic pressure)에 대한 공진기 내의 간섭파들의 위상 변화는 주로 스트레인에 기인하므로, 실제적으로는 [수학식3]에서 굴절율 변화율인 두 번째 항은 무시된다. 공진기 양쪽의 미러가 동일하다고 가정하고, 첫 번째 미러를 중심으로 반사율을 R, 투과율을 T라 할 때, 투과도(transmittivity)는, [수학식4]와 같이 나타낼 수 있다. Since the phase change of the interference waves in the resonator with respect to the acoustic pressure is mainly caused by strain, the second term, which is the rate of change in refractive index in the equation (3), is neglected. Assuming that the mirrors on both sides of the resonator are the same, the transmittance can be expressed by Equation (4), where R is the reflectance and T is the transmittance with respect to the first mirror.

[수학식4]&Quot; (4) "

Figure pat00005
Figure pat00005

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, F는 Finesse(휘네스)

Figure pat00007
대신 사용하는 보조함수이고, Finesse
Figure pat00008
는 [수학식5]로 표현된다. Where F is Finesse,
Figure pat00007
Instead, it's an auxiliary function, Finesse
Figure pat00008
Is expressed by Equation (5).

[수학식5]&Quot; (5) "

Figure pat00009
Figure pat00009

이 Finesse에 따른 투과도 T는 도 8과 같다. The transmittance T according to this Finesse is shown in FIG.

도 8과 같은 패브리페로 간섭계에서 Finesse에 따른 투과도 T는 센서의 동적 범위(dynamic range)를 추정할 때 사용할 수 있으므로, 센서의 목적에 따라 Finesse 값을 결정할 필요가 있다. 센서에 사용되는 Finesse는 대부분 평탄한 감도와 넓은 dynamic range 확보를 위해 낮은 값으로 결정되어 사용된다. In the Fabry-Perot interferometer shown in FIG. 8, the transmittance T according to the Finesse can be used to estimate the dynamic range of the sensor, so it is necessary to determine the Finesse value according to the purpose of the sensor. Most of the Finesse used in the sensor is determined to have a low sensitivity for flat sensitivity and wide dynamic range.

본 발명에서는 이와 같은 패브리페로 간섭계의 원리를 이용하되, 위에서 기술한 바와 같이, 센서팁(200)의 단부가 미세전자기계시스템(MEMS) 공정을 통해서 형성되어 어레이 제작이 용이하도록 하였다. In the present invention, the principle of the Fabry-Perot interferometer is used in the present invention. As described above, the end of the sensor tip 200 is formed through a micro electro mechanical system (MEMS) process to facilitate the fabrication of the array.

도 9는 RF 펄스 신호 입력(예, 펄스폭 1μs)에 대한 팬텀의 RF-Acoustic 응답특성을 나타내는 초음파 출력 파형의 가상도로서, 생체 팬텀에서 입력과 출력 사이의 latency time(시간지연)은 RF propagation(전달)과 thermoacoustic process(열음향 과정)에서 소요되는 시간이 거의 무시되므로 acoustic wave(음파)의 진행시간에만 좌우된다. Acoustic wave는 생체조직(예, 티슈 평균) 내에서 1.54mm/μs의 속도로 전파되므로 메인 로브(lobe)가 수십 μs의 시간지연을 겪게 되며, 그림에서처럼 acoustic wave 특성상 reverberation(잔향)으로 인한 사이드 로브도 예상해 볼 수 있다. FIG. 9 is a hypothetical view of the ultrasonic output waveform showing the RF-Acoustic response characteristic of the phantom to the RF pulse signal input (for example, a pulse width of 1 μs). The latency time between the input and the output in the bio- (Transfer) and thermoacoustic process (thermoacoustic process) is almost negligible, it depends only on the time of the acoustic wave. Acoustic waves propagate at a rate of 1.54 mm / μs in living tissues (eg tissue average), so that the main lobe experiences a time delay of several tens of microseconds. As shown in the figure, the side lobes due to reverberation Can be expected.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 패브리-페로 간섭계형 초음파 센서(100)는, 미세전자기계시스템(MEMS) 공정을 통해서 대량생산이 가능하며 제품 가격을 낮출 수 있고, 광섬유 센서 고유의 특성인 경량, 소형, 고정밀 및 전자파 간섭이 없다는 장점이 있다. 즉, 미세전자기계시스템(MEMS) 공정을 통해서 대량생산이 가능하며 제품 가격을 낮출 수 있을 뿐만아니라, 기존의 압전 방식의 초음파 센서를 광섬유 초음파 센서로 대체함으로써, 전자파에 의한 간섭이 없고 신호대 잡음비 향상으로 민감도가 좋아서 강한 전자기파 환경 하에서 미약한 초음파 신호를 검출하기에 적합하며, 또한 RF-Acoustic Imaging(RFAI, RF초음파 영상) 시스템 등에서 암조직의 경계부분과 같은 관심 영역(ROI: Region of Interest)에 대한 초음파 해상도를 향상시키고 초음파 프로브 제작시 기하학적 자유도를 높일 수 있다.As described above, the Fabry-Perot interferometer type ultrasonic sensor 100 according to the present invention can be mass-produced through a microelectromechanical system (MEMS) process and can lower the product price, , Small size, high precision and no electromagnetic interference. In other words, mass production is possible through the MEMS (Micro Electro Mechanical System) process and the price of the product can be lowered. Also, by replacing the conventional piezoelectric ultrasonic sensor with the optical fiber ultrasonic sensor, there is no interference by electromagnetic waves, (RFAI, RF ultrasound image) system, it is possible to detect a region of interest (ROI) such as the boundary of a cancer tissue. It is possible to improve the resolution of the ultrasonic probe and to increase the geometric freedom when manufacturing the ultrasonic probe.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to particular embodiments, such as specific elements, and specific embodiments and drawings. However, it should be understood that the present invention is not limited to the above- Those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the essential characteristics of the invention. Therefore, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all technical ideas which are equivalent to or equivalent to the claims of the present invention are included in the scope of the present invention .

광커플러(111, 112, 113)
광신호 발생기(120)
검출기(130)
광지연기(145)
신호처리부(150)
센서헤드(140)
주센서(141)
보조센서(142)
검출기(130)
제1검출기(131)
제2검출기(132)
센서 어레이(200)
SOI 기판(210)
광섬유 센서팁(220)
기층부 실리콘(10)
절연막(11)
표면 실리콘(12)
The optical couplers 111, 112, and 113,
The optical signal generator 120,
Detector 130,
The smoke of light (145)
The signal processor 150,
The sensor head 140,
The main sensor 141,
The auxiliary sensor (142)
Detector 130,
The first detector 131,
The second detector 132,
The sensor array (200)
SOI substrate 210,
The fiber optic sensor tip (220)
The base layer silicon (10)
The insulating film (11)
The surface silicon (12)

Claims (7)

SOI 기판의 복수의 구멍의 위치에 일차원 또는 이차원 배열된 광섬유 센서팁을 포함하고,
각각의 광섬유 센서팁은, 상기 복수의 구멍 각각의 위치에, 광섬유 라인을 결합하여 패브리페로 간섭계를 형성한 구조
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 어레이.
The optical fiber sensor tip comprising a one-dimensional or two-dimensional arrangement of the plurality of holes of the SOI substrate,
Each of the optical fiber sensor tips has a structure in which a fiber ferro interferometer is formed by combining optical fiber lines at positions of each of the plurality of holes
And an optical fiber array.
광 신호를 송수신하기 위한 제1광커플러;
상기 제1광커플러에 광섬유를 통해 연결된 주센서로서, SOI 기판의 복수의 구멍의 위치에 일차원 또는 이차원 배열된 광섬유 센서팁을 포함하는 센서 어레이 형태로서, 각각의 광섬유 센서팁은, 상기 복수의 구멍 각각의 위치에, 광섬유 라인을 결합하여 패브리페로 간섭계를 형성한 구조를 포함하는 상기 주센서;
상기 광섬유 라인을 통해 상기 제1광커플러를 거쳐 들어오는, 상기 주센서가 수신하는 반사파에 대해, 광전변환하는 제1검출기; 및
상기 제1검출기로부터 출력되는 신호를 처리하여 초음파 영상을 출력하기 위한 신호를 생성하는 신호처리부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
A first optical coupler for transmitting and receiving optical signals;
A main sensor connected to the first optical coupler through an optical fiber, in the form of a sensor array including an optical fiber sensor tip arranged one-dimensionally or two-dimensionally at a plurality of holes of an SOI substrate, each optical fiber sensor tip comprising: At each location, the main sensor comprising a structure that combines optical fiber lines to form a Fabry-Perot interferometer;
A first detector for photoelectrically converting the reflected wave received by the main sensor through the optical fiber line via the first optical coupler; And
A signal processor for processing a signal output from the first detector and generating a signal for outputting an ultrasound image,
And an ultrasonic sensor.
제2항에 있어서,
제2광커플러;
SOI 기판에 형성되어 상기 주센서 어레이의 패브리페로 간섭계 구조물과 동일한 구조의 센서 어레이를 갖는 보조센서;
상기 제2광커플러와 상기 보조센서 사이에 포함된 광지연기; 및
상기 광섬유 라인을 통해 상기 제2광커플러를 거쳐 들어오는, 상기 보조센서가 수신하는 반사파에 대해, 광전변환하는 제2검출기를 더 포함하고,
상기 신호처리부는 제1검출기 및 상기 제2검출기로부터 출력되는 신호를 처리하여 초음파 영상을 출력하기 위한 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
3. The method of claim 2,
A second optical coupler;
An auxiliary sensor formed on the SOI substrate and having a sensor array having the same structure as the Fabry-Perot interferometer structure of the main sensor array;
A photodetector included between the second optical coupler and the auxiliary sensor; And
Further comprising a second detector for photoelectrically converting the reflected wave received by the auxiliary sensor through the optical fiber line via the second optical coupler,
Wherein the signal processing unit processes signals output from the first detector and the second detector to generate a signal for outputting the ultrasound image.
제3항에 있어서,
상기 보조센서는 광신호의 위상이 속하는 위상 범위를 검출하며, 상기 주센서는 상기 위상 범위 내에서 광신호의 세부 위상을 검출하기 위한 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
The method of claim 3,
Wherein the auxiliary sensor detects a phase range to which a phase of an optical signal belongs, and the main sensor detects a detailed phase of the optical signal within the phase range.
제2항에 있어서,
상기 각각의 광섬유 센서팁의 상기 패브리페로 간섭계의 구조는,
상기 SOI 기판의 기층부 실리콘, 절연막, 표면 실리콘을 관통하는 상기 복수의 구멍 각각의 위치에 형성되고,
상기 표면 실리콘의 개구 직경이 상기 기층부 실리콘의 개구 직경 보다 좁은 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
3. The method of claim 2,
Wherein the structure of the Fabry-Perot interferometer of each optical fiber sensor tip comprises:
A plurality of holes formed in the base layer silicon, the insulating film, and the surface silicon of the SOI substrate,
Wherein an opening diameter of the surface silicon is narrower than an opening diameter of the base layer silicon.
제5항에 있어서,
상기 기층부 실리콘의 개구 직경 보다 좁은 상기 표면 실리콘의 구멍이 에어 캐비티로 이용된 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
6. The method of claim 5,
Wherein a hole of the surface silicon narrower than an opening diameter of the base layer silicon is used as an air cavity.
제2항에 있어서,
상기 각각의 광섬유 센서팁의 상기 패브리페로 간섭계의 구조는,
상기 기층부 실리콘의 개구에 결합된, 클래딩에 의해 코어가 감싸진 광섬유 단부에 형성된 제1미러, 상기 표면 실리콘의 구멍에 의해 형성된 상기 캐비티, 상기 캐비티를 덮도록 형성된 제2미러, 및 상기 제2미러 위에 형성된 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
3. The method of claim 2,
Wherein the structure of the Fabry-Perot interferometer of each optical fiber sensor tip comprises:
A first mirror coupled to the opening of the base layer silicon, the first mirror being formed at an end of the optical fiber wrapped with a cladding by a cladding, the cavity formed by the hole of the surface silicon, a second mirror formed to cover the cavity, And a membrane formed on the mirror.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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