KR20200130470A - 압전 송수신기들을 갖는 이미징 디바이스들 - Google Patents

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KR20200130470A
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엑소 이미징, 인크.
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Abstract

미세가공 초음파 변환기(MUT)(400). MUT는, 기판(402); 기판(402)으로부터 현수된 멤브레인; 멤브레인(406) 상에 배치된 하부 전극(408); 하부 전극(408) 상에 배치된 압전층(410); 및 압전층(410) 상에 배치된 비대칭 상부 전극(412, 722)을 포함한다. 축(742)을 따른 비대칭 전극(722)의 면적 밀도 분포는 복수의 국부 최대값들(702)을 갖고, 복수의 국부 최대값들(735, 737)의 위치들은, 진동 공명 주파수에서의 복수의 안티 노달 포인트들(516, 517)이 위치된 위치들(726, 728)과 일치한다.

Description

압전 송수신기들을 갖는 이미징 디바이스들
본 발명은, 이미징 디바이스들, 더 구체적으로 미세가공 초음파 변환기(micromachined ultrasound transducer; MUT)들을 갖는 이미징 디바이스들에 관한 것이다.
인체의 내부 장기(internal organ)들을 이미징하고 내부 장기들의 이미지들을 디스플레이하기 위한 비간섭 이미징 시스템(non-intrusive imaging system)은 신호들을 인체에 송신하고 장기들로부터 반사된 신호들을 수신한다. 일반적으로, 이미징 시스템에 사용되는 용량성 변환(cMUT) 또는 압전 변환(pMUT)과 같은 변환기들이 송수신기들로 지칭되고 송수신기들 중 일부는 광음향(photo-acoustic) 또는 초음파 효과들을 기반으로 한다.
일반적으로, MUT는 2개 이상의 전극들을 포함하고 전극들의 토폴로지(topology)가 MUT의 전기적 성능 및 음향적 성능 둘 다에 영향을 준다. 예를 들어, pMUT에 의해 생성되는 음압(acoustic pressure)의 진폭이 전극들의 사이즈가 증가함에 따라 증가하여, 이에 의해 pMUT의 음향적 성능을 향상시킨다. 그러나, 전극들의 사이즈가 증가함에 따라, 캐패시턴스도 증가하여 pMUT의 전기적 성능을 저하시킨다. 다른 예시에서, pMUT의 진동 공명 주파수(vibrational resonance frequency)에서의 음압의 진폭이 전극들의 형태(shape)에 의해 영향받는다. 이와 같이, 변환기들의 음향적 성능 및 전기적 성능 둘 다를 증대시키기 위해 전극들을 설계하기 위한 방법들에 대한 필요성이 있다.
실시예들에서, 미세가공 초음파 변환기(MUT)는 비대칭 상부 전극(asymmetric top electrode)을 포함한다. 축을 따른 비대칭 전극의 면적 밀도 분포(areal density distribution)는 복수의 국부 최대값들(local maxima)을 갖고, 복수의 국부 최대값들의 위치들은, 진동 공명 주파수에서의 복수의 안티 노달 포인트(anti-nodal point)들이 위치된 위치들과 일치한다.
실시예들에서, 미세가공 초음파 변환기(MUT)는 대칭 상부 전극을 포함한다. 축을 따른 대칭 전극의 면적 밀도 분포는 복수의 국부 최대값들을 갖고, 복수의 국부 최대값들의 위치들은, 진동 공명 주파수에서의 복수의 안티 노달 포인트들이 위치된 위치들과 일치한다.
실시예들에서, 변환기 어레이는 복수의 미세가공 초음파 변환기(MUT)들을 포함한다. 복수의 MUT들 각각은 비대칭 상부 전극을 포함한다.
실시예들에서, 이미징 디바이스는 복수의 미세가공 초음파 변환기(MUT)들을 갖는 변환기 어레이를 포함한다. 복수의 MUT들 각각은 대칭 상부 전극을 포함한다. 축을 따른 대칭 전극의 면적 밀도 분포는 복수의 국부 최대값들을 갖고 복수의 국부 최대값들의 위치들은, 진동 공명 주파수에서의 복수의 안티 노달 포인트들이 위치된 위치들과 일치한다.
본 발명의 실시예들에 대한 참조들이 이루어질 것이며, 그 예시들이 첨부 도면들에 예시될 수 있다. 이 도면들은 예시적이도록 의도되며, 제한적인 것은 아니다. 본 발명이 일반적으로 이 실시예들의 맥락(context)으로 설명되지만, 본 발명의 범위를 이 특정 실시예들에 제한하도록 의도되는 것은 아니라는 점이 이해되어야 한다.
도면 (또는 "도") 1은 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시의 실시예들에 따른 이미저(imager)의 개략도를 도시한다.
도 3a는 본 개시의 실시예들에 따른 송수신기 어레이의 측면도를 도시한다.
도 3b는 본 개시의 실시예들에 따른 송수신기 타일(transceiver tile)의 상면도를 도시한다.
도 4a는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT의 상면도를 도시한다.
도 4b는 본 개시의 실시예들에 따른, 도 4a에서의 방향(4-4)을 따라 취해진, MUT의 단면도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5e는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT들의 진동 모드 형태들을 도시한다.
도 6a는 본 개시의 실시예들에 따른 주파수의 함수로서의 MUT의 음향 응답(acoustic response)의 도표(plot)를 도시한다.
도 6b는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT의 상면도를 도시한다.
도 6c는 본 개시의 실시예들에 따른 상부 전극의 면적 밀도 분포를 도시한다.
도 7a는 본 개시의 실시예들에 따른 주파수의 함수로서의 MUT의 음향 응답의 도표를 도시한다.
도 7b는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT의 상면도를 도시한다.
도 7c는 본 개시의 실시예들에 따른 상부 전극의 면적 밀도 분포를 도시한다.
도 8a는 본 개시의 실시예들에 따른 주파수의 함수로서의 MUT의 음향 응답의 도표를 도시한다.
도 8b는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT의 상면도를 도시한다.
도 8c는 본 개시의 실시예들에 따른 상부 전극의 면적 밀도 분포를 도시한다.
도 9a는 본 개시의 실시예들에 따른 주파수의 함수로서의 MUT의 음향 응답의 도표를 도시한다.
도 9b는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT의 상면도를 도시한다.
도 9c는 본 개시의 실시예들에 따른 상부 전극의 면적 밀도 분포를 도시한다.
도 10a는 본 개시의 실시예들에 따른 주파수의 함수로서의 MUT의 음향 응답의 도표를 도시한다
도 10b는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT의 상면도를 도시한다.
도 10c는 본 개시의 실시예들에 따른 상부 전극의 면적 밀도 분포를 도시한다.
이하의 설명에서, 설명의 목적들을 위해, 특정 상세사항들이 본 개시의 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 본 개시가 이 상세사항들 없이 실시될 수 있다는 점이 당업자에게 명백해질 것이다. 또한, 당업자는, 아래에서 설명되는 본 개시의 실시예들이 프로세스, 장치, 시스템, 또는 디바이스와 같은 다양한 방식들로 구현될 수 있다는 점을 인식할 것이다.
도면들에 도시된 엘리먼트들/컴포넌트들은 본 개시의 예시적인 실시예들의 예이며 본 개시를 모호하게 하는 것을 피하도록 의미된다. "일 실시예" "바람직한 실시예", "실시예", 또는 "실시예들"에 대한 명세서에서의 참조는, 실시예와 관련하여 설명되는 특정 피처, 구조물, 특성, 또는 기능이 본 개시의 적어도 하나의 실시예에 포함되고 하나보다 많은 실시예에 있을 수 있다는 점을 의미한다. 명세서에서의 다양한 위치들에서의 문구들 "일 실시예에서", "실시예에서", 또는 "실시예들에서"의 출현들은, 반드시 모두 동일한 실시예 또는 실시예들을 참조하는 것은 아니다. 용어들 "포함한다", "포함하는", "포괄한다", 및 "포괄하는"은 개방형 용어들로 이해되어야 하고 그에 따르는 임의의 목록들은 예시들이며 열거된 항목들에 제한되도록 의미되는 것은 아니다. 본원에서 사용되는 임의의 표제(heading)들은 구조적 목적들만을 위한 것이며 설명 또는 청구범위의 범위를 제한하는데 사용되어서는 안된다. 또한, 명세서에서의 다양한 위치들에서의 특정 용어들의 사용은 예시를 위한 것이며 제한적으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 본 개시의 실시예들에 따른 이미징 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은, 송신 모드/프로세스에서 압력파(pressure wave)들(122)을 생성하고 심장과 같은 내부 장기(112)를 향해 송신하며 내부 장기로부터 반사된 압력파들을 수신하는 이미저(120); 및 통신 채널(130)을 통해 이미저에 신호들을 전송하고 수신하는 디바이스(102)를 포함할 수 있다. 실시예들에서, 내부 장기(112)는 이미저(120)를 향해 압력파들(122)의 일부를 반사할 수 있고, 이미저(120)는 수신 모드/프로세스에서, 반사된 압력파들을 캡처할 수 있고 전기 신호들을 생성할 수 있다. 이미저(120)는 디바이스(102)에 전기 신호들을 전달할 수 있고 디바이스(102)는 전기 신호들을 사용하여 디스플레이/스크린(104) 상에 장기 또는 타겟의 이미지들을 디스플레이할 수 있다.
실시예들에서, 이미저(120)는 동물의 내부 장기들의 이미지를 얻기 위해 사용될 수도 있다. 이미저(120)는 또한, 도플러 모드 이미징에서와 같이 동맥(artery)들 및 정맥(vein)들에서의 혈류(blood flow)의 방향 및 속도를 결정하고 조직 경도(tissue stiffness)를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 압력파(122)는, 인간/동물 신체를 통해 이동할 수 있고 내부 장기들, 조직 또는 동맥들 및 정맥들에 의해 반사될 수 있는 음파(acoustic wave)들일 수 있다.
실시예들에서, 이미저(120)는 휴대형 디바이스일 수 있고 디바이스(102)와, (802.11 프로토콜과 같은 프로토콜을 사용하여) 무선으로 또는 (USB2, USB 3, USB 3.1, USB-C, 및 USB 선더볼트와 같은) 케이블을 통해, 통신 채널(130)을 통해 신호들을 통신할 수 있다. 실시예들에서, 디바이스(102)는 사용자에게 이미지들을 디스플레이할 수 있는 셀 폰 또는 아이패드와 같은 모바일 디바이스, 또는 고정형 컴퓨팅 디바이스일 수 있다.
실시예들에서, 타겟 장기의 이미지를 전개(develop)하기 위해 하나보다 많은 이미저가 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 이미저가 타겟 장기를 향해 압력파들을 전송할 수 있으면서 제 2 이미저가 타겟 장기로부터 반사된 압력파들을 수신할 수 있고 수신된 파형들에 응답하여 전하(electrical charge)들을 전개할 수 있다.
도 2는 본 개시의 실시예들에 따른 이미저(120)의 개략도를 도시한다. 실시예들에서, 이미저(120)는 초음파 이미저일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이미저(120)는, 압력파들을 송신하고 수신하기 위한 송수신기 타일(들)(210); 압력파들의 전파 방향(propagation direction)을 설정하고/하거나 압력파들을 포커싱하기 위한 렌즈로서 동작하고 또한 송수신기 타일과 인체(110) 사이의 음향 임피던스 계면(acoustic impedance interface)으로서 기능하는 코팅층(들)(212); 송수신기 타일(들)(210)을 제어하기 위한 그리고 범프(bump)들에 의해 송수신기 타일(210)에 커플링된 ASIC 칩(또는, 짧게 ASIC)과 같은 제어 유닛(202); 이미저(120)의 컴포넌트들을 제어하기 위한 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array; FPGA)들(214); 신호들을 프로세싱/컨디셔닝하기 위한, 아날로그 프론트 엔드(Analogue Front End; AFE)와 같은 회로(들)(215); 송수신기 타일들(210)에 의해 생성되고 회로(215)를 향해 전파하는 파형들을 흡수하기 위한 음향 흡수기층(203); 하나 이상의 포트(216)를 통해, 디바이스(102)와 같은 외부 디바이스와 데이터를 통신하기 위한 통신 유닛(208); 데이터를 저장하기 위한 메모리(218); 이미저의 컴포넌트들에 전력을 제공하기 위한 배터리(206); 및 타겟 장기들의 이미지들을 디스플레이하기 위한 선택적인 디스플레이(217)를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 디바이스(102)는 디스플레이/스크린을 가질 수 있다. 그러한 경우, 디스플레이가 이미저(120)에 포함되지 않을 수 있다. 실시예들에서, 이미저(120)는 포트들(216) 중 하나를 통해 디바이스(102)로부터 전력을 수신할 수 있다. 그러한 경우, 이미저(120)가 배터리(206)를 포함하지 않을 수 있다. 이미저(120)의 컴포넌트들 중 하나 이상이 하나의 일체형 전자 엘리먼트로 결합될 수 있다는 점에 유념해야 한다. 마찬가지로, 이미저(120)의 각각의 컴포넌트가 하나 이상의 전자 엘리먼트로 구현될 수 있다.
실시예들에서, 사용자는, 코팅층(212)과 인체(110) 사이의 계면에서의 임피던스 매칭이 향상될 수 있도록, 즉 계면에서의 압력파(122)의 손실이 감소되고 이미저(120)를 향해 이동하는 반사된 파형의 손실이 또한 계면에서 감소되도록 인체(110)가 코팅층(212)과의 직접 접촉을 이루기 전에 인체(110)의 피부에 젤(gel)을 도포할 수 있다. 실시예들에서, 송수신기 타일들(210)은 기판 상에 마운팅될 수 있고 음향 흡수기층에 부착될 수 있다. 이 층은, 그렇지 않으면 반사될 수 있고 이미지의 품질에 지장을 줄 수 있는, 반대 방향으로 방출되는 임의의 초음파 신호들을 흡수한다.
아래에서 논의되는 바와 같이, 코팅층(212)은, 단지 변환기로부터 신체로의 또한 그 반대로의 음향 신호들의 송신을 최대화하기 위한 평평한 매칭층(flat matching layer)만일 수 있다. 빔 포커스는, 제어 유닛(202)에 전자적으로 구현될 수 없기 때문에, 이 경우에 필요되지 않는다. 이미저(120)는 반사된 신호를 장기의 이미지를 생성하기 위해 사용할 수 있고 결과들은 장기(112)의 이미지들과 함께 또는 장기(112)의 이미지들 없이 도시되는 그래프들, 도표들, 및 통계자료(statistics)와 같은 다양한 포맷으로 스크린 상에 디스플레이될 수 있다.
실시예들에서, ASIC와 같은 제어 유닛(202)은 송수신기 타일들과 함께 하나의 유닛으로 조립(assemble)될 수 있다. 다른 실시예들에서, 제어 유닛(202)은 이미저(120) 외측에 위치될 수 있고 케이블을 통해 송수신기 타일(210)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 실시예들에서, 이미저(120)는 컴포넌트들(202 내지 215)을 동봉(enclose)하는 하우징 및 컴포넌트들에 의해 생성되는 열 에너지를 방산(dissipate)하기 위한 열 방산 메커니즘을 포함할 수 있다.
도 3a는 본 개시의 실시예들에 따른 송수신기 어레이(200)의 측면도를 도시한다. 도 3b는 본 개시의 실시예들에 따른 송수신기 타일(210)의 상면도를 도시한다. 실시예들에서, 어레이(200)는 하나 이상의 송수신기 타일(210)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 송수신기 어레이(200)는 미리 결정된 방식으로 배열된 하나 이상의 송수신기 타일(210)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 송수신기 타일들(또는, 짧게 타일들)(210)은 커브형 송수신기 어레이를 또한 형성하기 위해 물리적으로 구부러질 수 있고 이미저(120)에 배치될 수 있다. 이미저(120)가 임의의 적절한 수의 타일들을 포함할 수 있고 타일들이 임의의 적절한 방식으로 배열될 수 있으며, 각각의 타일(210)이 송수신기 기판(304) 상에 배치되는 임의의 적절한 수의 압전 엘리먼트들(302)을 포함할 수 있다는 점이 당업자에게 명백해야 한다. 기판(304) 상에, 동작 동안 송수신기 타일(210)의 온도를 모니터링하기 위해 하나의 온도 센서(320) 또는 다수의 온도 센서들(320)이 위치될 수 있다. 실시예들에서, 송수신기 어레이(200)는 기판으로부터 제조된 미세가공 어레이일 수 있다.
도 4a는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT(400)의 상면도를 도시한다. 도 4b는, 본 개시의 실시예들에 따른, 라인(4-4)을 따라 취해진, 도 4a에서의 MUT(400)의 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, MUT는, 기판(402)으로부터 현수(suspend)된 멤브레인층(membrane layer)(406); 멤브레인층(또는, 짧게 멤브레인)(406) 상에 배치된 하부 전극(O)(408); 하부 전극(O)(408) 상에 배치된 압전층(410); 및 압전층(410) 상에 배치된 상부 전극(X)(412)을 포함할 수 있다.
실시예들에서, 기판(402) 및 멤브레인(406)은 하나의 모놀리식 바디(monolithic body)일 수 있고 멤브레인(406)을 규정하기 위해 캐비티(cavity)(404)가 형성될 수 있다. 실시예들에서, 캐비티(404)는, 멤브레인(406)의 진동을 제어하기 위한 미리 결정된 압력 또는 음향 감쇠 재료(acoustic damping material)로 가스와 함께 채워질 수 있다. 실시예들에서, 상부 전극(412)의 투사 영역(projection area)의 기하학적 형태는 pMUT(400)의 동적 성능 및 캐패시턴스 크기를 제어하도록 구성될 수 있다.
실시예들에서, 각각의 MUT(400)는 pMUT일 수 있고 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AlN, Sc-AlN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성된 압전층을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 각각의 MUT(400)는 cMUT일 수 있다. 도 4a에서, 각각의 MUT(400)는 직사각형 형태를 갖도록 도시된다. 실시예들에서, 각각의 MUT는 MUT(400)의 상부로부터 보았을 때 타원형 형태를 갖는 상부 전극을 포함할 수 있다. 이후부터, 용어 상부 전극(412)의 형태는 상부 전극을 x-y 평면에 투사시킴으로써 획득된 상부 전극의 2차원 형태를 지칭한다. 또한, 상부 전극의 형태는, 형태가 2개의 라인들(450 및 452)에 대해 대칭이면 대칭이라고 불리우는데, 여기서 라인들(450 및 452)은 각각 x축 및 y축과 평행하고 x축 상의 상부 전극의 중간 포인트를 통과한다. 또한, 이후부터, x축은 상부 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장된다. 상부 전극이 정사각형, 원형, 직사각형, 및 타원형 등과 같은 다른 적절한 대칭 형태를 가질 수 있다는 점이 당업자에게 명백해야 한다.
도 5a 내지 도 5e는 본 개시의 실시예들에 따른 5개의 진동 모드들(500, 510, 520, 530, 및 540)을 도시한다. 도 5a 내지 도 5e에서, MUT들(502, 512, 522, 532, 및 542) 각각은 예시의 목적을 위해 단일 라인에 의해 표현되는데, 여기서 각각의 단일 라인은 MUT에서의 층들의 스택의 곡률(curvature)을 도시한다. 동작 동안, 멤브레인(406), 하부 전극(408), 압전층(410), 및 상부 전극(412)을 갖는 층들의 스택은 수직 방향으로 단일 바디로서 이동할 수 있고, x-z 평면 상에서 단일 라인의 곡률을 갖도록 변형될 수 있다. 또한, 상이한 진동 모드들에 대응하는 라인들(502, 512, 522, 532, 및 542)은 상이한 진동 모드들에서의 스택의 곡률들을 도시한다.
실시예들에서, 5개의 진동 모드들(500, 510, 520, 530, 및 540)은 각각 5개의 진동 공명 주파수들(f1, f2, f3, f4, 및 f5)과 연관될 수 있다. 도 5a 내지 도 5e에, 5개의 진동 모드들만이 도시된다. 그러나, MUT가 5개보다 많은 진동 공명 모드들(또는, 짧게 진동 모드들)에서 동작할 수 있다는 점이 당업자에게 명백해야 한다.
도 5a에서, MUT(502)는 제 1 진동 모드(500)에서 동작할 수 있는데, 여기서 화살표(504)는 MUT(502)(더 구체적으로, 층들의 스택)가 제 1 모드(500)에서 수직 방향으로 이동하는 것을 나타낸다. 실시예들에서, 제 1 진동 모드(500)는 대칭일 수 있는데, 즉 모드 형태가 MUT의 중앙 라인(506)에 대해 대칭이다. 실시예들에서, MUT(502)의 상부 전극의 형태는 대칭일 수 있고 상부 전극(412)의 형태와 유사할 수 있다.
도 5c에서, MUT(522)는 제 3 진동 모드(520)에서 동작할 수 있다. 실시예들에서, 제 3 진동 모드(520)는 대칭일 수 있는데, 즉 모드 형태가 중앙 라인(506)에 대해 대칭이다. 이후부터, 용어 대칭 진동 모드는, 안티 노달 포인트들(가령, 525, 526, 및 527)(즉, 피크 진폭들)의 위치들이 중앙 라인(506)에 대해 대칭으로 배열된 진동 모드를 지칭하고, 중앙 라인(506)은 x축과 평행하고 x축 상의 MUT의 중간 포인트를 통과하는 라인을 나타낸다. 마찬가지로, 용어 비대칭 진동 모드는, 안티 노달 포인트들(가령, 도 5b에서의 516 및 517)의 위치들이 중앙 라인(506)에 대해 비대칭으로 배열된 진동 모드를 지칭한다.
제 3 진동 모드(520)에서, MUT(522)는 2개의 노달 포인트들 및 3개의 안티 노달 포인트들(또는, 동등하게 3개의 피크 진폭 포인트들)(525, 526, 및 527)을 가질 수 있다. 실시예들에서, MUT(522)의 상부 전극의 형태는 대칭일 수 있고 상부 전극(412)의 형태와 유사할 수 있다.
도 5e에서, MUT(542)는 제 5 진동 모드(540)에서 동작할 수 있다. 실시예들에서, 제 5 진동 모드(540)는 대칭일 수 있는데, 즉 모드 형태가 중앙 라인(506)에 대해 대칭이다. 제 5 진동 모드에서, MUT(542)는 4개의 노달 포인트들 및 5개의 안티 노달 포인트들(즉, 5개의 피크 진폭 포인트들)(544, 545, 546, 547, 및 548)을 가질 수 있다. 실시예들에서, MUT(542)의 상부 전극의 형태는 대칭일 수 있고 상부 전극(412)의 형태와 유사할 수 있다.
실시예들에서, 상부 전극이 대칭 형태를 가지면, MUT들은 대칭 진동 모드들(500, 520 및 540)에서 동작할 수 있다. 실시예들에서, 상부 전극의 기하학적 형태는, MUT가 하나 이상의 비대칭 진동 모드뿐만 아니라 대칭 진동 모드에서 진동할 수 있도록 변경될 수 있다. 도 5b에서, MUT(512)는 비대칭 제 2 진동 모드(510)에서 동작할 수 있다. 비대칭 제 2 진동 모드에서, MUT(512)는 1개의 노달 포인트 및 2개의 안티 노달 포인트들(또는, 동등하게 2개의 피크 진폭 포인트들)(516 및 517)을 가질 수 있다. MUT(512)에 대응하는 상부 전극의 형태는 도 7a 내지 도 7c와 함께 설명된다.
도 5d에서, MUT(532)는 비대칭 제 3 진동 모드(530)에서 동작할 수 있다. 도시된 바와 같이, 진동 모드(530)는 중앙 라인(506)에 대해 비대칭일 수 있다. 비대칭 제 3 진동 모드에서, MUT(532)는 2개의 노달 포인트들 및 3개의 안티 노달 포인트들(또는, 동등하게 3개의 피크 진폭 포인트들)(534, 535, 및 537)을 가질 수 있다. 실시예들에서, 비대칭 제 3 진동 모드(530)의 피크 진폭(539)은 대칭 제 3 진동 모드(520)의 피크 진폭(529)보다 높을 수 있다. 일반적으로, 비대칭 진동 모드(가령, 530)는 동일한 순서의 대칭 진동 모드(가령, 520)보다 높은 피크 진폭을 가질 수 있다.
일반적으로, 주파수에서 각각의 MUT에 의해 생성되는 음압파의 에너지를 지칭하는 음압 성능은, 주파수에서 MUT의 피크 진폭이 증가함에 따라 증가할 수 있다. 도 5c 및 도 5d에 도시된 바와 같이, 비대칭 진동 모드는 동일한 순서의 대칭 진동 모드보다 높은 피크 진폭을 가질 수 있다. 이와 같이, 비대칭 진동 모드에서 동작하는 MUT는 동일한 순서의 대칭 진동 모드에서 동작하는 MUT보다 높은 음파 성능을 양산할 수 있다. 또한, 대칭 진동 모드의 주파수는 동일한 순서의 비대칭 진동 모드의 주파수와 상이할 수 있다. 이와 같이, 실시예들에서, 각각의 MUT의 진동 공명 주파수는, 대칭 모드로부터 동일한 순서의 비대칭 모드로(또는 그 반대로) 스위칭함으로써 조정(tune)될 수 있다.
도 6a는 본 개시의 실시예들에 따른 상부 전극(622)을 갖는 MUT(620)의 음향 응답의 도표(600)를 도시한다. 도 6b는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT(620)의 상면도를 도시한다. 도 6b에서, 높이(H 641)는 상부 전극의 수직 치수를 나타내고, 도 6c는 본 개시의 실시예들에 따른 x축(642)을 따른 높이(H 641)의 분포(660)(즉, 면적 밀도 분포)를 도시한다. 예시의 목적을 위해, 도 5a에서의 진동 모드(500)가 도표(660)에 도시된다. 도시된 바와 같이, 상부 전극(622)의 투사 영역은 타원형 형태를 갖고, 여기서 타원형 형태는 중앙 라인(630) 및 x축(642) 둘 다에 대해 대칭인데, 즉 상부 전극의 형태가 대칭이다. 이와 같이, MUT(620)는 대칭 진동 모드들(f1, f3 및 f5)에서 강한 음향 응답을 가질 수 있다. 또한, MUT(620)는, 원형들(612 및 614)에 의해 나타내어진 바와 같이, 비대칭 진동 모드들[510(f2) 및 530(f4)]에서 매우 약한 음향 응답을 가질 수 있다.
실시예들에서, 높이(H 641)가 최대인 위치(625)는, 진동 모드(500)의 안티 노달 포인트(즉, 피크 진폭)가 발생하는 위치(503)와 동일하다. 결과로서, MUT(620)는 원형(602)에 의해 나타내어진 바와 같이, 주파수(f1)에서 가장 강한 음향 응답을 가질 수 있고, 여기서 f1은 제 1 대칭 진동 모드(500)에 대응한다.
도 7a는 본 개시의 실시예들에 따른 상부 전극(622)을 갖는 MUT(720)의 음향 응답의 도표(700)를 도시한다. 도 7b는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT(720)의 상면도를 도시한다. 도 7b에서, 높이(H 741)는 상부 전극의 수직 치수를 나타낸다. 도 7c는 본 개시의 실시예들에 따른 x축(742)을 따른 높이(H 741)의 분포(760)(또는, 동등하게 면적 밀도 분포)를 도시한다. 예시의 목적을 위해, 도 5b에서의 진동 모드(510)가 면적 분포 도표(760)에 도시된다. 위에서 논의된 바와 같이, 용어 높이 및 면적 밀도는, 높이 분포(760)가 x축(742)을 따른 상부 전극(722)의 면적 밀도의 분포를 나타낼 수 있기 때문에 상호교환적으로 사용된다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 상부 전극(722)의 형태는, 상부 전극(722)이 x축 상의 상부 전극의 중간 포인트를 통과하는 중앙 라인(730)에 대해 대칭이 아니기 때문에 비대칭일 수 있다. 결과로서, MUT(720)는 대칭 진동 모드들(f1, f3, 및 f5) 및 비대칭 진동 모드들(f2 및 f4) 둘 다에서 동작할 수 있다. 실시예들에서, 면적 밀도 분포(760)의 국부 최대값들(H1 735 및 H2 737)의 위치들(726 및 728)은, 각각 진동 모드(510)의 안티 노달 포인트들(516 및 517)과 일치한다. 결과로서, MUT(720)는 원형(702)에 의해 나타내어진 바와 같이, 주파수(f2)에서 가장 강한 음향 응답을 가질 수 있다.
실시예들에서, L1 731에 대한 L2 733의 비율은, 면적 밀도 분포의 국부 최대값들의 위치들(726 및 728)을 제어하기 위해 조절(adjust)될 수 있다. 예를 들어, L1 731에 대한 L2 733의 비율은 1.05보다 클 수 있다. 실시예들에서, H2 737에 대한 H1 735의 비율은, 주파수(f2)에서의 음향 응답을 제어하기 위해 조절될 수 있다. 예를 들어, 높이(H2 737)에 대한 높이(H1 735)의 비율은 1.05보다 클 수 있다.
실시예들에서, 상부 전극(722)의 면적 밀도(760)의 분포는 MUT(720)의 음향 응답에 영향을 줄 수 있다. 도 9a 내지 도 9c와 함께 설명되는 바와 같이, 상부 전극(722)의 면적 밀도 분포는, 음향 응답이 주파수(f4)에서 최대값을 갖도록 수정(modify)될 수 있다.
도 8a는 본 개시의 실시예들에 따른 상부 전극(822)을 갖는 MUT(820)의 음향 응답의 도표(800)를 도시한다. 도 8b는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT(820)의 상면도를 도시한다. 도 8c는 x축(843)을 따른 상부 전극(822)의 높이(H 841)의 분포(860)(또는, 동등하게 면적 밀도의 분포)를 도시한다. 예시의 목적을 위해, 도 5c에서의 대칭 진동 모드(520)가 도표(860)에 또한 도시된다. 도시된 바와 같이, 상부 전극(822)은, x축(843) 및 중앙 라인(830) 둘 다에 대해 대칭이기 때문에 대칭일 수 있고, 결과로서, MUT(820)는 대칭 진동 모드들(f1, f3, 및 f5)에서 강한 음향 응답을, 그리고 원형들(804 및 806)에 의해 나타내어진 바와 같이, 비대칭 진동 모드들(f2 및 f4)에서 매우 약한 음향 응답을 가질 수 있다.
도시된 바와 같이, 면적 밀도 분포(860)는 3개의 위치들(824, 825, 및 826)에서 국부 최대값들을 가질 수 있다. 또한, 이 3개의 위치들(824, 825, 및 826)은 각각, 제 3 대칭 진동 모드(520)의 안티 노달 포인트들이 위치된 위치들(525, 526, 및 527)과 일치한다. 결과로서, MUT(820)는 원형(802)에 의해 나타내어진 바와 같이, 주파수(f3)에서 가장 강한 음향 응답을 가질 수 있다.
실시예들에서, L4 846에 대한 L3 844의 비율은, 면적 밀도 분포의 국부 최대값의 위치(824)를 제어하기 위해 조절될 수 있다. 예를 들어, L3 844에 대한 L4 846의 비율은 10 이상일 수 있다. 실시예들에서, H4 852에 대한 H3 850의 비율은, 주파수(f2)에서의 음향 응답을 제어하기 위해 조절될 수 있다. 예를 들어, H3 850에 대한 H4 852의 비율은 1.05 이상일 수 있다.
도 9a는 본 개시의 실시예들에 따른 상부 전극(922)을 갖는 MUT(920)의 음향 응답의 도표(900)를 도시한다. 도 9b는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT(920)의 상면도를 도시한다. 도 9c는 x축(943)을 따른 높이(H 941)의 분포(960)를 도시한다. 예시의 목적을 위해, 도 5d에서의 비대칭 진동 모드(530)가 높이(또는 면적 밀도) 분포 도표(960)에 또한 도시된다. 도시된 바와 같이, 상부 전극(922)은 중앙 라인(930)에 대해 비대칭일 수 있고, 결과로서, MUT(920)는 대칭 진동 모드들(f1, f3, 및 f5) 및 비대칭 진동 모드들(f2 및 f4) 둘 다를 가질 수 있다. 또한, 실시예들에서, 음향 응답은, 원형(902)에 의해 나타내어진 바와 같이, 비대칭 진동 주파수(f4)(530)에서 가장 강할 수 있다.
실시예들에서, 면적 밀도 분포(960)는 3개의 위치들(924, 925, 및 926)에서 국부 최대값들을 가질 수 있다. 또한, 이 3개의 위치들(924, 925, 및 926)은, 진동 모드(530)의 안티 노달 포인트들이 위치된 위치들(534, 535, 및 537)과 일치할 수 있다. 결과로서, MUT(920)는 원형(902)에 의해 나타내어진 바와 같이, 주파수(f4)에서 가장 강한 음향 응답을 가질 수 있다.
도 10a는 본 개시의 실시예들에 따른 상부 전극(1022)을 갖는 MUT(1020)의 음향 응답의 도표(1000)를 도시한다. 도 10b는 본 개시의 실시예들에 따른 MUT(1020)의 상면도를 도시한다. 도 10c는 x축(1043)을 따른 높이(H 1041)의 분포(1060)를 도시한다. 예시의 목적을 위해, 도 5e에서의 대칭 진동 모드(540)가 도표(1060)에 또한 도시된다. 도시된 바와 같이, 상부 전극(1022)은, x축(1043) 및 중앙 라인(1030) 둘 다에 대해 대칭이기 때문에 대칭일 수 있고, 결과로서, MUT(1020)는 대칭 진동 모드들(f1, f3, 및 f5)에서 강한 음향 응답을, 그리고 비대칭 진동 모드들(f2 및 f4)에서 매우 약한 음향 응답을 가질 수 있다. 또한, 음향 응답은 원형(1002)에 의해 나타내어진 바와 같이, 제 5 대칭 진동 모드(f5)에서 가장 강하다.
실시예들에서, 면적 밀도 분포(1060)는 5개의 위치들(1024, 1025, 1026, 1027, 및 1028)에서 국부 최대값들을 가질 수 있다. 또한, 이 5개의 위치들(1024, 1025, 1026, 1027, 및 1028)은, 진동 모드(540)의 피크 진폭들이 위치된 위치들(544, 545, 546, 547, 및 548)과 일치할 수 있다. 결과로서, MUT(1020)는 주파수(f5)에서 가장 강한 음향 응답을 가질 수 있다.
실시예들에서, 도 6a 내지 도 10c와 함께 설명된 바와 같이, 대칭 상부 전극은 대칭 진동 모드들에서 강한 음향 응답을, 그리고 비대칭 진동 모드들에서 매우 약한 음향 응답을 가질 수 있다. 또한, 실시예들에서, 비대칭 상부 전극은 대칭 진동 모드 및 비대칭 진동 모드 둘 다에서 강한 음향 응답을 가질 수 있다. 실시예들에서, 진동 모드에서의 음향 응답을 증가시키기 위해, 상부 전극의 면적 밀도 분포는, 진동 모드(들)의 안티 노달 포인트(들)가 위치된 위치(들)에 면적 밀도 분포의 국부 최대값들(또는 최대값)이 위치되도록 조절될 수 있다.
예시의 목적을 위해, 5개의 진동 모드들(f1 내지 f5)만이 도 6a 내지 도 10c에 도시된다. 그러나, MUT가 5개보다 많은 진동 모드들을 가질 수 있다는 점이 당업자에게 명백해야 한다. 또한, 도 6a 내지 도 10c에서 설명된 바와 유사한 방식으로 더 높은 진동 모드들에서 음향 응답의 크기를 제어하기 위해 면적 밀도 분포가 조절될 수 있다는 점이 당업자에게 명백해야 한다.
도 3b에서의 MUT들(302) 각각이 압전 미세가공 초음파 변환기(piezoelectric micromachined ultrasound transducer; pMUT)일 수 있다는 점에 유념해야 한다. 그러나, 송수신기 타일(210)이 용량성 미세가공 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasound transducer; cMUT)들의 어레이를 포함할 수 있다는 점, 즉 압전 엘리먼트들(302)이 cMUT들에 의해 대체될 수 있다는 점이 당업자에게 명백해야 한다. 그러한 경우, cMUT의 상부 전극은, cMUT의 음향 응답이 도 6a 내지 도 10c와 함께 설명된 원리들에 기반하여 다양한 진동 공명 주파수들에서 제어되도록, 상부 전극들(622, 722, 822, 922, 및 1022)의 형태들 중 하나와 유사한 형태를 가질 수 있다.
본 발명이 다양한 변형들 및 대안적인 형식들에 대한 여지가 있는 한편, 그 특정 예시들이 도면들에 도시되어 있고 본원에서 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명이 개시된 특정 형식들에 제한되는 것은 아니며, 반대로, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 내에 있는 모든 변형들, 등가물들, 및 대안들을 커버하는 것이라는 점이 이해되어야 한다.

Claims (27)

  1. 미세가공 초음파 변환기(micromachined ultrasonic transducer; MUT)에 있어서,
    비대칭 전극
    을 포함하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비대칭 전극은 제 1 축 및 제 2 축 중 적어도 하나에 대해 비대칭이고, 상기 제 1 축은 상기 제 2 축에 법선이며, 상기 제 1 축 및 상기 제 2 축 중 하나는, 상기 비대칭 전극이 가장 긴 치수(dimension)를 갖는 방향을 따라 연장되는 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  3. 제 1 항에 있어서, 축을 따른 상기 비대칭 전극의 면적 밀도 분포(areal density distribution)는 복수의 국부 최대값들(local maxima)을 갖고, 상기 복수의 국부 최대값들의 위치들은 진동 공명 주파수(vibrational resonance frequency)에서의 복수의 안티 노달 포인트(anti-nodal point)들이 위치된 위치들과 일치하는 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 MUT는 용량성 미세가공 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasound transducer; cMUT)인 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 MUT는 압전 미세가공 초음파 변환기(piezoelectric micromachined ultrasound transducer; pMUT)인 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  6. 제 6 항에 있어서,
    기판;
    상기 기판으로부터 현수(suspend)된 멤브레인(membrane);
    상기 멤브레인 상에 배치된 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 배치된 압전층; 및
    상기 압전층 상에 배치된 상부 전극
    을 더 포함하고,
    상기 상부 전극은 상기 비대칭 전극인 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 압전층은, PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AlN, Sc-AlN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성되는 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  8. 미세가공 초음파 변환기(MUT)에 있어서,
    대칭 전극
    을 포함하고,
    축을 따른 상기 대칭 전극의 면적 밀도 분포는 복수의 국부 최대값들을 갖고, 상기 복수의 국부 최대값들의 위치들은 진동 공명 주파수에서의 복수의 안티 노달 포인트들이 위치된 위치들과 일치하는 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 축은, 상기 대칭 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장되는 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 진동 공명 주파수는 대칭 진동 모드를 갖는 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 MUT는 용량성 미세가공 초음파 변환기(cMUT)인 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 MUT는 압전 미세가공 초음파 변환기(pMUT)인 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  13. 제 12 항에 있어서,
    기판;
    상기 기판으로부터 현수된 멤브레인;
    상기 멤브레인 상에 배치된 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 배치된 압전층; 및
    상기 압전층 상에 배치된 상부 전극
    을 더 포함하고,
    상기 상부 전극은 상기 대칭 전극인 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 압전층은, PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AlN, Sc-AlN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성되는 것인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  15. 이미징 디바이스에 있어서,
    복수의 미세가공 초음파 변환기(MUT)들을 포함하는 변환기 어레이
    를 포함하고,
    상기 복수의 MUT들 각각은,
    비대칭 전극
    을 포함하는 것인, 이미징 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 비대칭 전극은 제 1 축 및 제 2 축 중 적어도 하나에 대해 비대칭이고, 상기 제 1 축은 상기 제 2 축에 법선이며, 상기 제 1 축 및 상기 제 2 축 중 하나는, 상기 비대칭 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장되는 것인, 이미징 디바이스.
  17. 제 15 항에 있어서, 축을 따른 상기 비대칭 전극의 면적 밀도 분포는 복수의 국부 최대값들을 갖고, 상기 복수의 국부 최대값들의 위치들은 진동 공명 주파수에서의 복수의 안티 노달 포인트들이 위치된 위치들과 일치하는 것인, 이미징 디바이스.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 복수의 MUT들 각각은 용량성 미세가공 초음파 변환기(cMUT)인 것인, 이미징 디바이스.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 복수의 MUT들 각각은 압전 미세가공 초음파 변환기(pMUT)인 것인, 이미징 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 복수의 MUT들 각각은,
    기판;
    상기 기판으로부터 현수된 멤브레인;
    상기 멤브레인 상에 배치된 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 배치된 압전층; 및
    상기 압전층 상에 배치된 상부 전극
    을 더 포함하고,
    상기 상부 전극은 상기 비대칭 전극인 것인, 이미징 디바이스.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 압전층은, PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AlN, Sc-AlN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성되는 것인, 이미징 디바이스.
  22. 이미징 디바이스에 있어서,
    복수의 미세가공 초음파 변환기(MUT)들을 포함하는 변환기 어레이
    를 포함하고,
    상기 복수의 MUT들 각각은,
    대칭 전극
    을 포함하며,
    축을 따른 상기 대칭 전극의 면적 밀도 분포는 복수의 국부 최대값들을 갖고, 상기 복수의 국부 최대값들의 위치들은 진동 공명 주파수에서의 복수의 안티 노달 포인트들이 위치된 위치들과 일치하는 것인, 이미징 디바이스.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 진동 공명 주파수는 대칭 진동 모드를 갖는 것인, 이미징 디바이스.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 복수의 MUT들 각각은 용량성 미세가공 초음파 변환기(cMUT)인 것인, 이미징 디바이스.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 복수의 MUT들 각각은 압전 미세가공 초음파 변환기(pMUT)인 것인, 이미징 디바이스.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 복수의 MUT들 각각은,
    기판;
    상기 기판으로부터 현수된 멤브레인;
    상기 멤브레인 상에 배치된 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 배치된 압전층; 및
    상기 압전층 상에 배치된 상부 전극
    을 더 포함하고,
    상기 상부 전극은 상기 대칭 전극인 것인, 이미징 디바이스.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 압전층은, PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AlN, Sc-AlN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성되는 것인, 이미징 디바이스.
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