KR20200095583A - 고주파 초음파 트랜스듀서 - Google Patents

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올레그 이반트스키
궈펑 팡
로버트 콜라자
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Abstract

압전 재료의 시트에 형성된 다수의 개별 트랜스듀서 소자를 갖는 고주파 초음파 배열. 압전 재료의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 갖는 프레임은 압전 재료를 둘러싸고 충전 재료에 의해 압전 재료로부터 분리된다. 압전 재료 시트의 개별 소자를 형성하는 커프 컷(Kerf cuts)는 시트의 전체 폭에 걸쳐 연장된다. 일부 실시예에서, 단일 트랜스듀서 소자를 둘 이상의 하위 소자로 분할하는 하부 다이스 커프 컷 또한 시트의 폭에 걸쳐 연장된다. 트랜스듀서 소자 앞에 위치된 렌즈는 초음파 신호의 초점을 맞추기 위해 그 안에 가공된 반경을 가질 수 있다.

Description

고주파 초음파 트랜스듀서
관련 출원
본 출원은 2018년 5월 30일 출원된 미국 특허 출원 번호 제 15/993,156호의 이익을 주장하며, 이 출원은 2017년 12월 29일 출원된 미국 가특허출원 제 62/612,169호의 이익을 주장하며, 그 개시 내용은 본 명세서에 전체가 참조로서 포함된다.
개시된 기술은 초음파 트랜스듀서, 특히 고주파 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.
당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 대부분의 최신 초음파 이미징 시스템은 압전 재료의 시트에 형성된 다수의 개별 트랜스듀서 소자로부터 음향 신호를 생성함으로써 작동한다. 소자에 전압 펄스를 인가함으로써, 소자가 물리적으로 변형되어 대응하는 초음파 신호가 생성된다. 신호는 관심 영역으로 이동하여 신호의 일부가 에코 신호로 트랜스듀서에 다시 반사된다. 에코 신호가 트랜스듀서 소자에 충돌하면 소자가 진동하여 전자 신호로 감지되는 대응 전압이 생성되게 한다. 다수의 트랜스듀서 소자로부터의 전자 신호는 진폭, 주파수, 위상 변이, 전력 등과 같은 결합된 신호의 특성을 결정하기 위해 결합되고 분석된다. 특성이 정량화되고 관심 영역의 이미지를 생성하는 데 사용되는 픽셀 데이터로 변환된다.
위상-배열 트랜스듀서는 합쳐진 파면이 원하는 방향으로 향하도록 한번에 배열에서 하나 이상의 소자를 선택적으로 여기시켜 작동한다. 위상(예: 시간 지연)과 일부 경우에 각 트랜스듀서 소자에서 생성된 신호의 진폭을 신중하게 변경하여, 트랜스듀서 바로 앞에 있는 영역 이외의 영역을 보기 위해 결합된 빔을 각도의 범위에 걸쳐 향하게 할 수 있다. 위상-배열 트랜스듀서가 잘 작동하려면 개별 트랜스듀서 소자의 피치가 일반적으로 트랜스듀서 중심 주파수 파장의 약 1/2 이하로 요구된다. 저주파 위상-배열 트랜스듀서(예: 2-10 MHz)가 한동안 사용되었지만, 고주파 위상-배열 트랜스듀서는 작은 크기의 트랜스듀서 소자와 고주파 초음파 신호의 높은 감쇠로 인해 제조가 어려웠다.
고주파 초음파(예: 15 MHz 이상)는 신체의 미세한 디테일을 이미지화 하고 움직이는 조직의 이미지를 캡처하는데 사용되는 점점 더 많이 사용되는 이미징 방식이다. 트랜스듀서의 작동 주파수가 증가함에 따라 트랜스듀서 소자의 크기가 줄어 든다. 그러나, 저주파수 위상-배열 트랜스듀서를 만드는 데 사용되는 많은 제조 기술을 단순히 스케일링하여 고주파 위상-배열 트랜스듀서를 만들 수는 없다. 이러한 문제점을 감안할 때, 개선된 고주파 초음파 트랜스듀서 설계가 필요하다.
개시된 기술은 압전 재료의 시트를 둘러싸는 프레임을 갖는 고주파 초음파 트랜스듀서 배열이다. 프레임은 압전 재료와 일치하는 열팽창 계수를 갖는다. 다수의 트랜스듀서 소자가 압전 재료의 시트에 형성되고, 트랜스듀서 소자의 음향 임피던스를 생성된 초음파 신호의 초첨을 맞추는 렌즈의 음향 임피던스와 일치시키기 위해 하나 이상의 정합층이 트랜스듀서 소자의 전면에 결합된다.
일 실시예에서, 커프 컷(Kerf cut)은 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷과 정렬되는 정합층에 배치된다. 정합층의 커프 컷은 분말 로딩된 에폭시(powder loaded epoxy)와 같은 재료로 채워진다. 렌즈는 최외곽 정합층에 고정되며, 일부 실시예에서 하나 이상의 정합층의 커프 컷과 정렬되는 다수의 채워진 커프 컷 또한 포함한다. 일 실시예에서, 렌즈 재료의 음향 임피던스와 물의 음향 임피던스를 일치시키기 위해 렌즈의 전면에 하나 이상의 추가 정합 층이 추가된다.
일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서는 위상-배열로서 동작하도록 설계되며, 초음파가 렌즈의 전면과 평행한 방향으로 이동하는 속도보다 초음파가 렌즈의 전면에 수직인 방향으로 더 빠른 속도로 이동하도록 이방성으로 만들어진 렌즈를 포함한다. 렌즈의 커프 컷은 초음파 신호를 렌즈의 전면으로 보내는 다수의 미니 웨이브 가이드를 형성한다. 일부 실시예에서, 렌즈는 렌즈의 커프 컷을 채우기 위해 사용된 재료보다 실질적으로 더 큰 음속을 갖는 폴리벤즈 이미다졸(CelazoleTM)으로 만들어진다.
도 1은 개시된 기술의 실시예에 따른 압전 시트를 둘러싸는 프레임의 평면도이다.
도 2a는 개시된 기술의 실시예에 따른 에폭시 재료로 채워진 압전 시트를 둘러싸는 프레임의 등각도이다.
도 2b는도 2a에 도시된 프레임 및 압전 시트의 등각 단면도이다.
도 3은 개시된 기술의 실시예에 따른 트랜스듀서 소자 커프 컷 및 하위다이스 커프 컷이 압전 시트에서 레이저로 어떻게 형성되는지를 도시한다.
도 4는 트랜스듀서 소자 커프 컷 및 하위 다이스 커프 컷에 배치된 필러 에폭시(filler epoxy)를 도시한 압전 시트의 확대 단면도이다.
도 5는 개시된 기술의 실시예에 따른 에폭시 재료 및 정합층에 접착된 렌즈로 채워지고 다이싱(diced)된 트랜스듀서 층의 전면에 도포되는 다수의 정합층을 도시한 트랜스듀서 스택의 일부의 확대 단면도이다.
도 6a는 트랜스듀서 스택 위에 배치된 렌즈 및 정합층의 부분 등각도이다.
도 6b는 개시된 기술의 일부 실시예에 따른 렌즈를 지지하는 상부 정합 층에 형성된 다수의 릿지(ridge)의 확대도이다.
도 7은 개시된 기술의 일부 실시예에 따른 압전 층에 대한 다수의 대안적인 하위 다이스 커프 컷 패턴을 도시한다.
도 8은 개시된 기술의 일부 실시예에 따른 다수의 정합층에 대한 다수의 대안적인 하위 다이스 커프 컷 패턴을 도시한다.
도 9는 개시된 기술의 실시예에 따른 트랜스듀서 스택에 고정된 전도성 지지 프레임을 도시한다.
도 10은 개시된 기술의 실시예에 따른 압전 시트를 둘러싸는 프레임의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 11 및 12는 개시된 기술의 실시예에 따른 고주파 트랜스듀서의 단면도이다.
아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 고주파, 초음파 트랜스듀서는 프레임으로 둘러싸인 압전 재료의 시트를 포함한다. 프레임은 압전 재료 시트의 열팽창 계수(CTE)와 유사한 CTE를 갖는 전기 전도성 또는 비전도성 재료로 만들어진다. 프레임은 압전 재료를 둘러싸고 에폭시와 같은 절연 재료에 의해 압전 재료로부터 분리된다. 압전 재료 시트의 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷은 압전 시트의 전체 폭에 걸쳐 연장된다. 일부 실시예에서, 하위 다이스 커프 컷은 단일 트랜스듀서 소자를 둘 이상의 하위 소자로 분할한다. 일부 실시예에서, 하위 다이스 커프 컷은 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷과 평행하다. 다른 실시예에서, 하위 다이스 커프 컷은 트랜스듀서 소자 커프 컷에 대해 비스듬히 또는 수직으로 컷팅되어 1 3 복합물을 생성한다. 예를 들어, 압전 시트에서 정사각형 또는 직사각형 압전 기둥을 생성하기 위해 90도 커프(kerf)가 절단될 수 있다.
이전 세대의 고주파 초음파 트랜스듀서에서, 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 다수의 커프 컷을 생성하기 위해 압전 재료 시트가 레이저 가공 되었다. 소자 내의 하위 다이스 커프 컷 및 인접한 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷의 개방 공간은 시트가 원하는 두께로 랩핑되기 전에 에폭시 재료로 채워졌다. 커프 컷은 압전 시트의 폭보다 작은 길이를 가지므로, 압전 재료의 경계 또는 둘레는 트랜스듀서 소자 주위에 약간의 강도를 제공했다.
이 방법이 잘 작동하면 개선이 이루어질 수 있다고 믿어졌다. 예를 들어, 커프 컷에서의 경화 에폭시는 압전 시트를 응력 하에 둔다. 에폭시는 경화될 때 수축되므로 각 트랜스듀서 소자는 커프 컷으로 옆으로 당겨진다. 하나 또는 두 개의 소자에 대해서는 중요하지 않지만, 모든 소자에 대해 합쳐진 응력은 압전 시트가 균열될 수 있는 수준에 도달 할 수 있다. 또한, 에폭시의 수축에 의해 야기된 응력은 트랜스듀서 소자를 변형시켜 트랜스듀서에 일정한 응력 바이어스(bias)를 생성하는 것으로 여겨진다. 마지막으로, 각 트랜스듀서 소자가 시트의 주변에서 다른 트랜스듀서 소자와 물리적으로 결합되기 때문에 그것들이 구동 펄스로 여기되고 에코 신호가 소자에 충돌할 때 소자 사이에 약간의 누화(cross-talk)가 있다. 후술하는 바와 같이, 개시된 기술의 일 양태는 커프 컷이 압전 시트의 전체 폭을 가로 질러 연장되는 트랜스듀서 배열 설계이다. 예비 시뮬레이션은 개시된 디자인이 커프 충전 재료의 경화에 의해 야기되는 응력을 감소시킬 뿐만 아니라 트랜스듀서 소자 사이의 결합을 감소시킨다는 것을 나타낸다. 이는 압전 시트의 전체 폭 미만으로 연장되는 이전 커프 설계에 비해 대역폭과 감도가 크게 개선되었음을 보여주는 실험에 의해 지지된다.
당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 도면에 도시된 실시예는 개시된 기술을 제조 및 사용하는 방법을 설명하기 위한 목적으로 그려졌으며 반드시 축적대로 도시된 것은 아니다.
도 1에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서 스택은 압전 재료 시트가 배치되는 프레임(10)을 포함한다. 프레임(10)은 압전 재료의 시트를 수용하고 압전 시트의 외부 에지와 프레임(10)의 내부 에지 사이에 공간을 생성하는 중앙 개구부(12)를 갖는다. 프레임(10)은 압전 재료의 열 팽창 계수(CTE)와 유사한 CTE를 갖는 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, 압전 재료 시트는 더 일반적으로 PZT로 알려진 리드 지르코네이트 티타네이트(lead zirconate titanate)로 만들어 진다. 설명의 나머지 부분에서, 압전 재료는 PZT로 기술된다. 그러나, 단결정 완화형 강유전체(single crystal ferroelectric relaxors, 예를 들어, PMN-PT) 또는 합성 압전 재료와 같은 다른 재료가 PZT를 대체할 수 있다는 것이 이해될 것이다. PZT의 경우, 프레임 재료에 적합한 하나의 선택은 알루미나이며, 이는 PZT의 CTE에 가까운 CTE를 갖는 비전도성 세라믹이다. 알루미나는 약 7.2 미크론/m℃의 CTE를 가지며, PZT에 대한 CTE는 대략 4.7 미크론/m℃이다. 그러나, 압전 재료와 유사한 열팽창 계수를 갖는 다른 재료, 예를 들어 몰리브덴 또는 미세 입자 등방성 흑연(fine grain isotropic graphite)이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 본 출원의 목적을 위해, 열팽창 계수는 정상 온도 작동 범위에 걸쳐 작동되고 취급될 때 프레임의 압전 재료가 열 응력으로 인해 균열되지 않는 경우 유사하다. 일부 실시예에서, 프레임(10)은 PZT를 개구부의 중앙에 위치시키고 프레임의 내부 에지로부터 PZT 트랜스듀서 소자를 이격시키는 다수의 내향 연장 탭 또는 기점(14)(점선으로 도시 됨)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 프레임(10)이 몰리브덴 또는 흑연과 같은 전도성 재료로 제조된 경우 탭(14)이 사용되지만, 프레임(10)이 비전도성 알루미나로 제조된 경우에는 사용되지 않는다.
도 2a 및 2b는 프레임(10)의 개구부(12)에 배치된 압전 재료 시트 (20)를 도시한다. 프레임(10)의 내부 에지와 압전 재료 시트(20)의 외부 에지 사이의 공간은 절연 충전 재료(24)로 채워진다. 일 실시예에서, 충전 재료(24)는 하프늄 옥사이드 또는 세라믹 입자로 도핑된 Billerica MA의 Epoxy Technology, Inc로 부터 입수 가능한 EPO-TEK 301 패밀리와 같은 에폭시이다. 상기 입자는 에폭시에 첨가되어 수축에 저항하고 아래에 기술된 바와 같이 레이저 가공에 저항한다. 도 3에 도시된 실시 예에서, 충전 재료(24)는 압전 재료 시트(20)의 측면 주위에 몰딩되고 시트 압전 재료(20)의 상부 표면과 동일 평면에 있어 상부 표면(32) 및 하부 표면(34)을 갖는 스택(30)을 형성한다. 이하의 설명에서, 스택의 하부 표면(34)은 관심 영역을 향하고, 상부 표면(32)은 완성된 트랜스듀서 초음파 조작자를 향하여 근접하게 향한다.
충전 재료(24)가 경화되면, 스택(30)의 상부 표면(32) 및 하부 표면(34)은 임의의 여분의 에폭시를 제거하고 설명되는 바와 같이 다수의 추가 가공 단계에 대한 평탄한 기준을 제공하기 위해 랩핑(lapped), 접지(ground) 또는 그렇지 않으면 평평하게 만들어진다.
상부 및 하부 표면이 랩핑된 상태에서, 커프 컷은 엑시머(excimer) 또는 다른 패터닝 레이저로 PZT 시트(20)에서 생성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 커프 컷(40)은 한 에지에서 다른 에지로 PZT 시트(20)의 전체 폭에 걸쳐 절단된다. 프레임(10)이 정렬 탭 또는 기점(14)을 포함하는 경우, 커프 컷은 PZT 시트의 각 단부로부터 떨어진 위치에서 시작하여 정렬 탭(14) 근처에 위치한 비활성 영역(42 및 44)을 형성한다. 이러한 방식으로, 트랜스듀서 소자의 단부는 에폭시 충전 갭에 의해 프레임(10)의 내부 에지로 부터 분리된다. 정렬 탭(14)이 사용되지 않으면, 전체 PZT 시트가 다이싱되어 트랜스듀서 소자를 형성 할 수 있다. 충전 재료(24)의 에폭시는 PZT보다 부드럽기 때문에, 트랜스듀서 소자는 경화된 충전 재료(24)에 효과적으로 부유한다. 전술한 바와 같이, 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷은 프레임의 일 측면 상의 충전 재료에서 시작하여 PZT 시트(20)의 전체 폭을 가로 질러 PZT 시트의 다른 측면 상의 충전 재료(24)까지 계속 될 수 있다.
일 실시예에서, 커프 컷은 제조되는 트랜스듀서의 원하는 중심 주파수에 따라 트랜스듀서 소자를 형성하기에 충분한 원하는 피치 및 깊이로 배치된다. 일부 실시예에서, 트랜스듀서 소자는 PZT의 전체 폭을 가로 질러 연장되는 하위 다이스 커프 컷에 의해 분리 된 2 개의 전기적으로 연결된 하위 소자를 포함한다. 일 실시예에서, 하위 다이스 커프 컷은 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷과 동일한 깊이를 갖는다. 그러나, 하위 다이스 커프 컷은 PZT의 최종 두께까지 완전히 연장되지 않도록 주 커프보다 얕은 깊이로 절단될 수 있다. 다른 실시예에서, 트랜스듀서 소자는 임의의 하위 다이스 커프 컷을 포함하지 않을 수 있다.
트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷과 하위 다이스 소자(사용되는 경우)가 레이저에 의해 만들어진 후에, 커프 컷은 도 4에 도시된 바와 같이 에폭시 재료(48)로 채워진다. 일 실시예에서, 커프 컷을 채우는 데 사용되는 에폭시 재료는 도핑된 가요성 EPO-TEK 301 에폭시이다.
일 실시예에서, 에폭시 재료(48)는 커프 컷의 바닥에 공기가 갇히지 않도록 진공 하에서 부품에 도포된다. 액체 에폭시를 도포한 다음, 부품을 비교적 고압(예를 들어, 100+ psi) 하에 두어 액체 에폭시를 커프 컷 내로 유도하고 경화시킨다.
커프 컷 내의 에폭시(48)가 경화 된 후, 스택의 바닥 표면(34)은 랩핑되거나, 접지 되거나 평평하게 만들어 진다. 다음에, 금 또는 금 + 크롬과 같은 접착성 금속과 같은 전도성 재료의 접지층(60)이 스퍼터링(sputtering) 또는 유사한 기술에 의해 스택의 전면에 도포된다. 전도성 접지층(60)은 다이싱 된 PZT의 전면, 프레임(10)의 전면 및 프레임(10)과 PZT 시트의 에지 사이에 놓여 있는 에폭시 충전 재료(24)의 전면을 덮는다(트랜스듀서가 사용 중일 때 볼 수 있음).
전도성 접지층(60)이 도포된 후, 하나 이상의 정합층(M1, M2 및 M3)(도시된 실시예에서 나타남) 및 렌즈(L1)가 도 5에 도시된 바와 같이 스택의 전면에 적용된다. 사용되는 정합층의 수는 PZT의 음향 임피던스와 렌즈 재료의 음향 임피던스 사이의 불일치에 의존한다. 도시된 실시예에서, 3 개의 정합층(M1, M2 및 M3)이 스택의 전면에 사용된다. 일 실시예에서, 정합층 각각은 필요한 트랜스듀서 성능을 달성하기 위해 음향 성능을 변경하도록 분말로 도핑된 에폭시 재료를 포함한다.
일 실시예에서, 전도성 접지층(60) 위에 도포되는 정합층(M1)은 텅스텐 분말로 도핑된 EPO-TEK 301 에폭시 층을 포함한다.
일 실시예에서, 정합층(M2)은 정합층(M1)의 표면 위에 도포되고 텅스텐 분말 및 실리콘 카바이드(SiC) 나노 입자로 도핑된 EPO-TEK 301 에폭시 층을 포함한다.
일 실시예에서, 정합층(M3)은 정합층(M2)의 표면 위에 도포되고 실리콘 카바이드(SiC) 나노 입자로 도핑된 EPO-TEK 301 에폭시 층을 포함한다.
일 실시예에서, 각각의 정합층은 바람직하게는 트랜스듀서의 중심 작동 주파수에서 1/4 파장의 홀수 배인 두께를 갖는다. 대부분의 경우, 두께는 1, 3, 5 또는 7 1/4 파장 두께 중 하나이다. 그러나, 이것은 트랜스듀서의 원하는 음향 특성에 따라 달라질 수 있다. 이들 정합층은 단지 예시적인 것이며 트랜스듀서의 원하는 작동 주파수, 사용되는 렌즈 재료 등에 따라 다른 정합층 조성물이 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 원하는 음향 임피던스를 달성하기 위해 정합층이 어떻게 입자로 도핑될 수 있는 방법에 대한 세부 사항은 초음파 트랜스듀서 설계 분야의 당업자에게 공지된 것으로 간주된다.
각각의 정합층이 도포되고 경화된 후, 스택의 전면은 원하는 두께를 달성하고 전면을 평평하게 유지하기 위해 랩핑된다. 일부 실시예에서, 커프 컷(62)은 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷 및 하위 다이싱 커프 컷(사용되는 경우) 모두와 정렬되도록 레이저로 경화된 정합층에서 절단된다. 다른 실시예에서, 커프 컷(62)은 하위 다이스 커프 컷이 아닌 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷과만 정렬되도록 정합층에서 만들어 질 수 있다. 일 실시예에서, 커프 컷(62)은 정합층(M3-M1)을 통해 연장되고 접지 층과 트랜스듀서 소자 사이의 연결 손실 없이 접지층(60)을 통해 부분적으로 또는 완전히 연장될 수 있다. 일단 생성되면, 정합층의 커프 컷(62)은 PZT 재료의 커프 컷을 채우는 동일한 충전 에폭시 재료로 채워진다.
정합층이 커프 컷팅, 필링 및 랩핑된 후, 렌즈 재료는 정합층에 접합된다. 고주파 위상-배열에서, 커프 컷(96)은 도 6a에 도시된 바와 같이 정합층(렌즈의 전방에 배치된 정합층(M4 및 M5) 포함)에서 커프 컷(62)과 정렬되는 렌즈(80)에 형성된다. 일부 실시예에서, 렌즈(80) 및 정합층(M4 및 M5)은 트랜드듀서 소자 커프 컷 및 하위 다이스 커프 컷 모두와 정렬되는 커프 컷(96)을 포함한다. 다른 실시예에서, 렌즈 및 정합층(M4 및 M5)은 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷과 정렬된 커프 컷만을 포함한다. 일부 실시예에서, 커프 컷은 렌즈 및 외부 정합층 재료로 만들어지고 정합층에 렌즈를 장착하기 전에 채워진다. 다른 실시예에서, 렌즈 및 외부 정합층은 먼저 트랜스듀서 스택에 접합되고 그 후에 커프 컷 및 충전될 수 있다. 곡률부(98)는 렌즈의 전면으로 가공되어 렌즈가 원하는 깊이의 평면에서 초음파를 집속시킨다.
일부 실시예에서, 함몰부 또는 만입부(72)는 채워진 커프 컷(62) 사이의 위치에서 최상위 정합층(예를 들어 M3)으로 레이저 가공되어, 이에 의해 도 6b에 가장 잘 도시된 바와 같이 PZT 시트의 폭을 가로 질러 연장되는 채워진 커프의 상단에 다수의 지지 빔 또는 릿지(74)를 형성한다. 빔(74)은 PZT 시트의 폭을 가로 질러 렌즈(80)를 지지한다. 빔(74)은 렌즈가 스택에 고정될 때 렌즈(80)의 후면과 최상위 정합층 사이의 일정한 거리를 유지하는 것을 돕는 것으로 여겨진다. 빔/릿지(74)가 없으면, 렌즈(80)가 렌즈의 둘레 주위에서만 지지되는 경우, 둘이 함께 고정됨에 따라 중심 영역과 최상위 정합층 사이의 거리가 변할 수 있다. 공차가 매우 타이트한 고주파 배열에서, 빔/릿지(74)를 갖는 것은 능동 소자의 전체 영역에 걸쳐 렌즈-대-트랜스듀서(lens-to-transducer) 거리를 일관되게 보장하는 것을 도울 수 있다. 최상위 정합층이 채워진 커프 컷을 포함하지 않으면, 릿지(74)는 정합층의 어느 곳에서나 형성 될 수 있고 하부 정합층의 채워진 커프 컷 사이에 형성되지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 최상위 정합층(M3)에 사용된 동일한 재료가 렌즈(80)를 스택에 접착시키기 위해 사용된다. 만입부(72)는 얕고, 최상위 정합층(M3)에 사용된 동일한 재료가 렌즈(80)를 정합층에 고정시키기 위한 접착제로서 사용되기 때문에, 본드 라인에서 최소의 음향 불연속성이 존재한다.
렌즈를 스택에 부착한 후, 렌즈 정합층이 도포되기 전에 트랜스듀서의 원하는 초점 길이에 따른 17mm의 곡률 반경 또는 다른 반경이 렌즈 재료로 가공된다. 렌즈의 전면에는 두 개의 정합층(M4, M5)이 도포된다. 일 실시예에서, 렌즈 상의 정합층(M4, M5)은 렌즈 재료 내로 기계 가공되는 반경과 동일한 곡률 반경을 갖는 맨드릴 상에 도포된 도핑 또는 분말 로딩된 에폭시 재료로 제조된다. 맨드릴은 원하는 정합층의 적절한 두께만큼 렌즈 층으로부터 이격되어 맨드릴은 정합층에서 원하는 곡률을 형성한다.
트랜스듀서가 위상-배열처럼 잘 작동하기 위해서는 렌즈 전면에서 각 소자에 의해 생성된 에너지의 빔 패턴이 측면 구성 요소가 인접한 소자로부터의 빔의 측면 구성 요소와 결합하여 효과적으로 빔을 조종할 수 있도록 충분히 넓어야 한다. 일 실시예에서, 빔 패턴은 신호 전력에서 -6dB를 초과하는 정상으로부터 +/- 45 도의 에너지를 갖는다.
저주파 트랜스듀서의 경우, 그러한 트랜스듀서를 만들수 있는 렌즈 재료를 사용할 수 있다. 그러나, 고주파수에서는 이러한 재료의 물리적 특성이 트랜스듀서 설계에 적합하지 않게 한다. 예를 들어, 실리콘 재료는 물에 가까운 음향 임피던스로 인해 종종 저주파 트랜스듀서의 렌즈 재료로 사용된다. 그러나, 실리콘에서 초음파의 흡수는 주파수와 15 MHz+에서 기하 급수적으로 증가하며, 재료의 흡수가 너무 커서 효과적인 렌즈로 사용될 수 없다. 이러한 흡수를 극복하기 위해, 폴리메틸펜텐(polymethylpentene, 상표명 TPX로 판매됨) 및 가교 폴리스티렌(cross-linked polystyrene, 상표명 Rexolite로 판매됨)과 같은 고주파 초음파 렌즈에 더 단단한 재료가 종종 사용된다. 비-위상배열(non-phased arrays)에는 허용되지만, 이러한 재료는 스넬의 법칙(Snell's law)으로 인해 위상-배열에 사용하기가 어렵다.
스넬의 법칙에 따르면, 더 빠른 재료에서 더 느린 재료로 전달되는 에너지는 인터페이스의 법선을 향해 구부러지는 경향이 있다. 이것은 빔 에너지의 일부가 법선으로 부터 멀어 지는 각도로 연장되는 것이 바람직한 경우 위상-배열에 대한 잘못된 방향이다. 스넬의 법칙 효과를 보상하기 위해, 모든 에너지가 내부적으로 반사되는 렌즈 재료의 임계 각도에 빠르게 접근하는 더 큰 입사각으로 에너지가 공급되어야 한다. 초음파 트랜스듀서에서, 하나의 트랜스듀서 소자로부터 내부적으로 반사된 에너지는 스퓨리어스 신호가 이웃하는 소자(neighboring elements)에서 생성되게 할 수 있다. 또한, 그러한 내부 반사와 관련된 위상 수차는 다수의 인접한 트랜스듀서 소자로부터의 신호로 빔 포밍(beamforming)을 수행하는 것을 거의 불가능하게 한다.
개시된 기술의 일부 실시예에 따른 위상 배열 트랜스듀서 설계는 렌즈의 측면 또는 측면 방향과 비교하여 전방으로 이방성 음속을 갖도록 구성된 렌즈를 포함한다. 일 실시예에서, 렌즈는 렌즈의 커프 컷을 채우는 재료의 음속보다 훨씬 빠른 음속을 갖는 재료로 만들어진다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 렌즈(80)는 폴리벤즈이미다졸 시트(상표명 CelazoleTM으로 판매)를 포함한다. 렌즈(80)(및 사용되는 경우 외부 정합층)는 레이저로 패턴화되어 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷 또는 개별 트랜스듀서 소자 및 하위 다이스 커프 컷을 형성하는 커프 컷과 정렬되는 다수의 커프 컷(96)을 형성한다. Celazole은 높은 음속을 가지고 있고, 녹지 않고 커프 컷을 미세 피치(예를 들어 20+ MHz 위상배열의 경우 40μm 이하)로 절단할 때 사용되는 레이저의 열을 견딜 수 있기 때문에 고주파 렌즈 재료로 유용하다. 또한, Celazole은 트랜스듀서 스택의 최상위 정합층의 에폭시에 직접 접합될 수 있어 접착제의 시아노아크릴레이트(CA) 층이 필요하지 않다.
일 실시예에서, 렌즈(80)의 커프 컷(96) 및 최외각 정합층(M4 및 M5)은 분말 충전 에폭시 또는 RTV 60 실리콘과 같은 렌즈 재료의 음속보다 훨씬 느린 음속을 갖는 재료로 채워진다.
일부 실시예에서, 렌즈(80)는 또한 렌즈 재료의 임피던스를 물에 일치시키는 하나 이상의 정합층(M4 및 M5)을 전면에 포함한다. M4 및 M5는 렌즈의 곡률과 일치하고 정렬되는 곡률을 갖도록 형성된다. 일부 실시예에서, 외부 정합층(M4, M5)은 렌즈 재료(80)에 형성된 커프 컷(96)을 계속하기 위해 레이저로 다이싱되고 렌즈 재료의 커프 컷을 채우는 동일한 재료로 채워진다. 다른 실시예에서, 렌즈(80)의 전면 상의 정합층은 M4 및 M5 중 하나 또는 둘 모두에서 커프 컷을 생략할 수 있다.
이러한 구성에 의해, 렌즈(80)의 커프 컷(96) 사이의 렌즈 재료는 렌즈 내에 측 방향으로 확산되는 에너지가 적고 초음파 트랜스듀서 소자로부터의 에너지를 직진 방향으로 채널링하는 다수의 미니 도파관(mini-waveguides)을 형성한다. 일 실시예에서, 트랜스듀서 스택의 축 방향으로 렌즈를 통한 음속은 렌즈를 통해 측방향으로 또는 렌즈의 전면과 평행한 방향으로의 음속보다 더 크다.
트랜스듀서를 위상 배열로 사용하지 않을 경우, 렌즈(및 사용되는 경우 정합층)를 커프 컷팅 할 필요가 없다.
일부 실시예에서, 추가의 커프 컷은 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 것들과 함께 PZT 층으로 레이저 가공될 수 있다. 도 7은 여러 가지 가능한 하위 다이싱 패턴을 보여준다. 패턴(150)은 트랜스듀서 소자가 단일 하부 다이스 커프 컷에 의해 그 중심을 따라 길이 방향으로 분할되는 통상적인 하위 다이스 패턴이다. 이 하위 다이스 커프 컷은 트랜스듀서 소자와 길이가 같다. 당업자에게 이해될 바와 같이, 트랜스듀서 소자의 폭/높이 비는 PZT에서 측면 진동 모드를 최소화하기 위해 약 0.6의 "골든 비(golden ratio)"보다 작거나 같아야 한다. 개시된 기술의 일부 실시예에서, 엑시머 UV 레이저는 대략 6 μm의 커프 라인을 절단할 수 있다. 40 미크론 소자 피치 및 70-80 미크론 PZT 두께에서, 이 비율은 중앙 하위 다이스 커프 컷을 사용하지 않고도 충족될 수 있다.
다른 하위 다이스 패턴은 특정 트랜스듀서 응용에 유용할 수 있다. 패턴(154)은 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷에 대해 예각(예를 들어, 약 55도)으로 절단되는 다수의 평행 하위 다이스 커프 컷을 포함한다. 도시된 실시 예에서, 평행 하위 다이스 커프 컷은 40 미크론 폭 트랜스듀서 소자에 대해 28 미크론 간격으로 이격되지만 다른 간격이 사용될 수 있다.
제 3 하위 다이스 패턴(158)은 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷의 방향에 대해 각도(예를 들어, 55 및 125도)로 컷팅된 상이한 각도의 평행 컷의 세트를 교대함으로써 형성된다. 결과는 교대로 배향된 삼각형 PZT 기둥 세트이며, 각각 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷과 정렬된 베이스 및 트랜스듀서 소자의 폭인 높이를 갖는다. 도시된 실시 예에서, 각각의 이러한 삼각형은 40 미크론 피치의 소자를 갖는 트랜스듀서에 대해 56 미크론 길이 및 40 미크론(커프 폭 미만) 높이인 베이스를 갖는다.
트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷에 수직인 하위 다이스 커프 컷으로 제 4 패턴(162)이 만들어진다. 이 패턴에서, 다수의 직사각형 PZT 기둥은 예를 들어 28 미크론의 높이 및 트랜스듀서 소자의 폭과 동일한 폭(예를 들어, 도시된 실시예에서 40 미크론)으로 형성된다.
제 5 패턴(166)은 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷에 대해 예각(예를 들어 45도)으로 배향되는 복수의 평행 컷 커프 컷에 의해 형성되고 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷에 수직인 커프 컷과 이격되는 하위 다이스 커프 컷으로 만들어진다. 이 패턴은 트랜스듀서 소자에서 빗변이 서로 마주 보는 여러 개의 교차 직각 삼각형을 형성한다. 도시된 실시예에서, 직각 삼각형의 다리는 길이가 40 미크론이다.
커프 컷의 제 6 패턴(170)은 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷에 대해 60 및 120도에서 커프 컷을 형성함으로써 트랜스듀서 소자에서 다수의 교대로 배향된 정삼각형을 형성한다.
도 8은 PZT 층의 하위 다이스 커프 컷에 대응하도록 정합층(M1-M5) 및 렌즈에 형성될 수 있는 다수의 가능한 하위 다이스 커프 컷을 도시한다.
패턴 (180)은 한 쌍의 하위 다이싱 된 소자를 형성하는 단일 커프 컷을 갖는 패턴(150)에 대응한다. 패턴(182)은 직각 삼각형 패턴(166)에 대응한다. 패턴(184)은 교대 삼각형 패턴(158)에 대응하는 반면, 패턴(186)은 교대 정삼각형 패턴(170)에 대응한다.
전술한 바와 같이, 일부 경우에, 정합층은 PZT 층의 하위 다이스 커프 컷과 일치되는 커프 컷을 포함한다. 다른 실시예에서, 정합층은 PZT 층의 모든 하위 다이스 커프 컷보다 적은 수를 포함하고 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프 컷과 일치하는 커프 컷만을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 렌즈(80)가 트랜스듀서 스택에 접합된 상태에서, 트랜스듀서 스택의 후면 또는 근위 측이 제조될 수 있다. 먼저, PZT 층 및 프레임은 트랜스듀서의 원하는 작동 주파수에 따라 원하는 두께로 랩핑된다. 이어서, 도 9에 가장 잘 도시된 바와 같이, 전도성 지지 프레임(160)은 전도성 에폭시 접착제로 트랜스듀서 스택(150)의 후면 또는 근위 측에 고정된다. 프레임(160)은 바람직하게는 전도성이고 몰리브덴과 같은 PZT와 유사한 CTE를 갖는 금속으로 만들어진다. 도시된 예에서, 트랜스듀서 스택(150)은 4.5mm의 높이 치수 및 7.6mm의 방위각 또는 폭 치수를 갖는다. 지지 프레임은 노출된 개별 PZT 트랜스듀서 소자의 후면에 접근할 수 있는 개방 영역(162)을 갖는다. 지지 프레임(160)은 트랜스듀서 소자에 전기 신호를 전달하는 트레이스(도시되지 않음)를 갖는 하나 이상의 가요성 회로(170)를 지지한다. 일 실시예에서, 제 1 가요성 회로는 모든 짝수 번호 트랜스듀서 소자에 연결된 트레이스를 가지며, 프레임(160)의 반대측에 있는 제 2 가요성 회로(도시되지 않음)는 모든 홀수 번호 트랜스듀서 소자에 연결된 트레이스를 갖는다. 일부 실시예에서, 단일 가요성 회로는 짝수 및 홀수 트랜스듀서 소자 모두에 대한 트레이스를 포함한다.
가요성 회로(170)의 접지면(도시되지 않음)은 전도성 에폭시 등으로 트랜스듀서 후면의 전도성 지지 프레임(160)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 지지 프레임(160)은 트랜스듀서 스택의 전면 상의 공통 접지 전극(60)과 가요성 회로의 접지면 사이의 전도성 경로의 일부로서 작용한다. PZT 시트를 둘러싼 프레임이 전도성이면(예를 들어 흑연 또는 몰리브덴) 프레임 자체는 전도성 경로의 일부가 된다. 프레임이 비전도성(예를 들어 알루미나)인 경우, 트랜스듀서 스택의 전면에 있는 공통 접지 전극과 프레임 사이에 전도성 경로가 포함된다. 도 10은 차례로 전도성 지지 프레임(160)에 연결되는 프레임의 전면과 프레임의 후면 사이에 도체를 형성하기 위해 전도성 에폭시로 채워질 수 있는 긴 치수를 따라 한 쌍의 컷 아웃(200)을 갖는 프레임(10)의 실시 예를 도시한다. 전도성 경로를 제공하기 위한 다른 메커니즘은 PZT 소자의 전면 상의 공통 접지 전극 및 전도성 지지 프레임(160) 또는 가요성 회로의 접지 전극을 연결하는 프레임 또는 전도성 포일, 와이어 등을 통한 비아(via)를 포함할 수 있다.
전도성 지지 프레임(160)이 트랜스듀서 스택에 고정되면, 전기 경로는 가요성 회로에서 트레이스의 노출된 부분과 대응하는 개별 트랜스듀서 소자 사이에 만들어진다.
일 실시예에서, 가요성 회로(170)의 트레이스가 트랜스 듀서 요소에 전기적으로 연결될 수 있도록 트랜스듀서 소자의 근위 측에 전도성 경로가 형성된다. 일부 실시예에서, 경로는 입자로 채워진 에폭시로 프레임(160)의 개방된 면을 채우고, 트랜스듀서 소자로부터 가요성 회로의 상응하는 트레이스까지 레이저로 에폭시의 채널을 생성하고, 채널을 금 또는 금 플러스 크롬으로 도금하고, 다음으로 원하지 않는 영역에서 금을 제거하고 레이저로 도금된 금속 경로를 청소함으로써 생성된다. 개시된 기술의 일부 실시예에 따라 트랜스듀서 소자와 가요성 회로의 트레이스 사이의 전도성 경로를 생성하는데 사용되는 적합한 패터닝 프로세스에 대한 설명은 일반적으로 소유된 미국 특허 공개 번호 2017-0144192 A1 및 미국 특허 번호 8,316,518을 참조하며, 이들은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
트랜스듀서 소자와 가요성 회로의 트레이스 사이에 연결이 이루어지면, 기재 층(backing layer)(도시되지 않음)이 트랜스듀서 소자 뒤의 어셈블리에 고정된다. 도 11 및 12는 PZT 층을 갖는 트랜스듀서 스택, PZT 층을 둘러싸는 프레임 및 다수의 정합층을 통해 스택에 결합된 렌즈를 도시한 트랜스듀서 어셈블리의 단면도이다.
개시된 실시예는 고주파 위상배열 트랜스듀서에 적합한 소자 간격을 도시하지만, 압전 시트, 주변 프레임, 정합층 및 렌즈를 포함하는 트랜스듀서의 구조는 비 위상 배열(non-phased array) 트랜스듀서나 저주파 트랜스듀서에 사용될 수 있다. 또한, 더 낮은 주파수에서 사용될 경우, TPX 또는 Rexolite와 같은 다른 렌즈 재료가 사용될 수 있다. 트랜스듀서가 위상배열로 설계되지 않은 경우 이러한 렌즈 재료는 절단되지 않을 수 있다.
이상으로부터, 본 발명의 특정 실시 예가 예시의 목적으로 본 명세서에서 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 개시된 트랜스듀서 설계는 더 낮은 주파수(예를 들어, 2-15 MHz)에서 동작하도록 스케일링 될 수 있다. 또한, 개시된 기술의 양태는 보다 통상적인 초음파 트랜스듀서 설계에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위에 의한 것을 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims (20)

  1. 위상 배열 초음파 트랜스듀서로서,
    열팽창 계수를 갖는 압전 재료의 시트;
    상기 압전 재료의 시트의 외주를 둘러싸는 프레임 ― 상기 프레임은 상기 압전 재료의 열 팽창 계수와 유사한 열 팽창 계수를 가짐―;
    상기 압전 재료의 시트의 외주와 상기 프레임 사이의 충전 재료 ― 상기 압전 재료의 시트는 다수의 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 다수의 커프 컷을 포함함 ―; 및
    하나 이상의 정합층을 통해 압전 재료의 시트에 고정된 렌즈 ― 상기 렌즈 및 하나 이상의 정합층은 압전 재료의 커프 컷과 정렬되는 채워진 커프 컷을 포함하여 상기 렌즈의 전면에 수직인 방향으로의 렌즈의 음속이 상기 렌즈의 전면과 평행한 방향으로의 렌즈의 음속보다 큼 ―;을 포함하는,
    위상 배열 초음파 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈는 폴리벤즈이미다졸로 만들어지는,
    위상 배열 초음파 트랜스듀서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 렌즈의 전면 상에 하나 이상의 정합층을 더 포함하는,
    위상 배열 초음파 트랜스듀서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 렌즈와 상기 압전 재료 사이의 하나 이상의 정합층에서의 커프 컷은 상기 렌즈의 전면 상의 하나 이상의 정합층을 통해 연장되는,
    위상 배열 초음파 트랜스듀서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 렌즈 및 상기 렌즈의 전면 상의 하나 이상의 정합층은 상기 초음파 트랜스듀서의 초점 거리를 형성하도록 반경을 갖는,
    위상 배열 초음파 트랜스듀서.
  6. 초음파 트랜스듀서로서,
    열팽창 계수를 갖는 압전 재료;
    상기 압전 재료의 외주를 둘러싸는 프레임 ― 상기 프레임은 상기 압전 재료의 상기 열 팽창 계수와 유사한 열 팽창 계수를 가짐 ―;
    상기 프레임과 상기 압전 재료의 외주 사이에 배치된 충전 재료 ― 상기 압전 재료는 다수의 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 다수의 커프 컷을 포함함 ―; 및
    하나 이상의 정합층을 통해 상기 압전 재료에 고정된 렌즈;를 포함하는,
    초음파 트랜스듀서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 소자는 상기 압전 재료의 폭 만큼 연장되어 상기 트랜스듀서 소자는 상기 압전 재료와 상기 프레임 사이에서 상기 충전 재료와 맞 물리는 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는,
    초음파 트랜스듀서.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 프레임은 알루미나로 만들어진,
    초음파 트랜스듀서.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 프레임은 흑연으로 만들어진,
    초음파 트랜스듀서.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 프레임은 몰리브덴으로 만들어진,
    초음파 트랜스듀서.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 프레임은 전도성이며, 상기 압전 재료의 트랜스듀서 소자와 상기 트랜스듀서 소자의 영역에서의 상기 프레임의 내부 에지 사이의 간극을 유지하는 하나 이상의 간격 소자를 포함하는,
    초음파 트랜스듀서.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 프레임은 비전도성이고, 상기 프레임을 통해 연장되어 상기 트랜스듀서 소자의 원위 측 상의 공통 전극으로부터 상기 트랜스듀서의 근위 측으로의 전도성 경로를 형성하는 하나 이상의 비아(via)를 포함하는,
    초음파 트랜스듀서.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 압전 재료에서 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 상기 커프 컷과 정렬되는 다수의 커프 컷을 포함하고, 상기 렌즈의 음속은 상기 렌즈의 전면과 평행한 방향보다 상기 렌즈의 전면에 수직인 방향으로 더 큰,
    초음파 트랜스듀서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 렌즈의 커프 컷은 실리콘으로 채워지는,
    초음파 트랜스듀서.
  15. 제19항에 있어서,
    상기 압전 재료에서 상기 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 상기 커프 컷과 정렬되는 커프 컷을 포함하는 상기 렌즈 상에 하나 이상의 정합층을 더 포함하는,
    초음파 트랜스듀서.
  16. 초음파 트랜스듀서로서,
    다수의 개별 트랜스듀서 소자를 형성하는 다수의 커프 컷을 포함하는 압전 재료; 및
    하나 이상의 정합층을 통해 상기 압전 재료에 고정된 렌즈;를 포함하고,
    상기 하나 이상의 정합층은 상기 렌즈에 결합하는 최상위 정합층을 포함하고, 상기 최상위 정합층은 상기 정합층의 외부 표면을 가로 질러 상기 렌즈를 지지하는 그 외부 표면 상에 다수의 릿지를 포함하는,
    초음파 트랜스듀서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 최상위 정합층의 릿지는 상기 최상위 정합층의 채워진 커프 컷 사이에 형성되는,
    초음파 트랜스듀서.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 최상위 정합층은 에폭시로 형성되고, 상기 렌즈는 동일한 에폭시로 상기 최상위 정합층에 접합되는,
    초음파 트랜스듀서.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 렌즈는 폴리벤즈이미다졸로 만들어지는,
    초음파 트랜스듀서.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 하나 이상의 정합층에서의 커프 컷 및 상기 압전 재료의 커프 컷과 정렬되는 다수의 커프 컷을 포함하는,
    초음파 트랜스듀서.
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