KR20220082808A - 음향 변환기 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
음향 변환기 어레이 및 그 제조 방법. 제1 금속층은 공통 전극을 형성하기 위해 압전 복합체의 제1 면에 증착되고 제2 금속층은 상기 반대 면(obverse side) 상에 제공된다. 상기 제2 금속층의 부분들이 제거되어 복수의 개별 전극들이 생성된다. 제3 금속층은 상기 복수의 개별 전극들 상에 증착될 수 있고, 상기 제3 금속층은 상기 제2 금속층보다 더 두껍다. 상기 개별 전극들은 상기 압전 복합체를 지나 상기 높이 방향으로 연장하여 전극 리드들을 생성한다. 금속층들은 리소그래피, 와이어프레임 또는 포일 시트에 의해 제공될 수 있다.
Description
본 출원은 2019년 10월 17일에 출원된 영국 출원 번호 GB1915002.8에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 전체가 참조로 여기에 통합된다.
본 개시는 음향 변환기들, 특히 압전 변환기들에 관한 것으로, 이는 파이프들, 우물들(wells) 또는 제조된 부품과 같은 구조의 의료 검사 및 비파괴 검사를 위한 이미징 프로브들에 통합될 수 있다.
압전 변환기들은 비파괴 검사(non-destructive testing, NDT), 및 물체 또는 구조를 변환기에 의해 전송된 음파들로 해석하고(또는, 초음파 처리하고)(sonifying) 표면 특징과 내부 특징으로부터 음향 반사를 수신하는 물체와 구조의 검사에 종종 사용된다. 수신된 반사는 변환기에 의해 전기 신호로 변환되고, 신호들은 음향 이미지 프로세서에 의해 처리된다.
초음파 변환기들은 더 짧은 파장들의 물체 특징을 조사하여 더 높은 분해능(sub mm)에서 검사를 가능하게 한다. 수십 또는 수백 개의 변환기 요소들의 어레이들이 함께 제조될 수 있다. 음향 변환기들을 만드는 방법에는 여러 가지가 있다. Schlumberger의 "다운홀 측정 도구용 음향 센서"라는 명칭의 특허 출원 US20050000279A1은 하나의 제조 방법을 개시한다.
도 2는 단일 PZT / 에폭시 복합 슬래브(single PZT / epoxy composite slab)(22)가 얇은 금층들(23, 25)로 상부 및 하부면들(또는, 상부 및 하부 측면들)에 코팅되는 공지된 변환기 스택을 도시한다. 개별 전극들은 상부 금층(25)을 통해 다이싱한 다음 리드들(24)을 땜납(solder)(29)으로 각 전극에 솔더링(또는, 납땜)함으로써 정의된다.
변환기 스택이 만들어지면, 전기 리드들을 전극들에 납땜해야 한다. 이것은 이러한 방식으로 형성된 변환기들의 결함들로 이어진다. 고해상도 어레이들에서 요소들와 리드들의 미세한 간격은 작업을 어렵게 만들고 인접 요소들 간의 단락 가능성을 높인다. 땜납(29)과 압전의 리드-커버링(납 피복)(lead-covering)은 송신기 또는 수신된 신호들에 이상(anomalies)을 생성한다. 변환기에 납땜하는 데 사용되는 열은 퀴리 온도(Curie temperature)를 초과할 때 압전 효과에 영향을 줄 수 있다. 본 발명자들은 또한 고온, 고압 및 화학적 존재와 같은 특정 적대적 환경에서의 작동이 땜납 접합부(solder joint)에 균열을 유발할 수 있음을 관찰하였다.
고온과 고압을 견딜 수 있는 보다 견고한 음향 변환기 및 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 공통 전극을 형성하기 위해 압전 복합체의 제1 면 상에 제1 금속층을 증착하는 단계; 상기 제1 면에 수직인 상기 복합체의 면들(또는, 측면들) 상에 상기 압전 복합체 기판에 인접한 지지 구조물을 제공하는 단계; 포토리소그래피를 사용하여 상기 지지 구조물 및 상기 제1 면에 대향하는 상기 압전 복합체의 제2 면 상에 제2 금속층을 증착하는 단계; 상기 제2 금속층의 부분들(또는, 일부들)을 선택적으로 제거하여 복수의 개별 전극들을 생성하는 단계; 상기 복수의 개별 전극들 상에 제3 금속층을 증착하는 단계로서, 상기 제3 금속층은 상기 제2 금속층보다 두껍고 전극 리드들을 생성하기 위해 상기 압전 복합체를 지나 [상기 요소(또는, 소자)의 길이(또는, 세로) 방향으로] 연장하는 단계; 및 상기 압전 복합체 및 금속층들로 구성된 변환기 스택으로부터 상기 지지 구조물을 분리하는 단계를 포함하는 음향 변환기 어레이의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 압전 복합체 기판을 제공하는 단계; 상기 압전 복합체 기판의 제1 면(또는, 일측)에 제1 금속층을 증착하여 공통 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 면에 대향하는 압전 복합체의 제2 면에 제2 금속층을 증착하는 단계; 상기 제2 금속층을 제3 금속층으로 커버하고 연결하는 단계로서, 상기 제3 금속층은 상기 제2 금속층보다 두껍고 상기 압전 복합체를 지나 [상기 복합체의 폭(또는, 가로) 방향으로] 연장하는 단계; 및 상기 제2 및 제3 금속층들의 부분들을 제거하여 복수의 개별 전극들을 생성하는 단계를 포함하는 음향 변환기 어레이의 제조 방법이 제공된다.
방법들은 적어도 2개의 개별 기판들 또는 적어도 2개의 어레이들용 크기의 기판을 제공한 다음 상기 기판들 너머로 연장하는 두꺼운 전극들을 증착 및 형성함으로써 단일 배치(single batch)에서 적어도 2개의 어레이들을 제조하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 압전 복합체; 공통 전극을 정의하는 상기 압전 복합체의 제1 면 상의 제1 금속층; 상기 제1 면에 대향하는 압전 복합체의 제2 면 상의 제2 금속층; 상기 제1 금속층에 연결되고 상기 압전 복합체를 지나 연장하는 제2 금속층을 포함하는 음향 변환기 어레이가 제공되되, 상기 제2 금속층은 제1 금속층보다 두꺼우며, 상기 금속층들은 복수의 개별 전극들을 정의하도록 형성된다.
따라서 고온과 고압을 견딜 수 있는 보다 견고한 변환기를 만드는 것이 가능하다.
본 발명의 다양한 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 명백할 것이다. 도면은 반드시 축척에 맞춰진 것은 아니며, 대신에 본 발명의 다양한 실시예의 원리를 설명하는 데 중점을 둔다.
도 1은 바람직한(preferred) 실시예에 따른 변환기 스택의 단면도이다.
도 2는 종래 기술의 장치에 따른 변환기 스택의 단면도이다.
도 3은 단일 금속층 어드레서블 전극(single metal layer addressable electrode)을 갖는 실시예에 따른 변환기 스택의 단면도이다.
도 4a는 리소그래피의 다양한 초기 단계들에서의 변환기들의 평면도이다.
도 4b는 리소그래피의 다양한 후기 단계들에서의 변환기들의 평면도이다.
도 5는 오버레이되고 다이싱된 와이어프레임을 갖는 변환기 스택의 측면도이다.
도 6a는 다이싱 전 와이어프레임의 평면도이다.
도 6b는 다이싱 전 어드레서블 전극들의 확대 평면도이다.
도 7a는 다이싱 후 와이어프레임의 평면도이다.
도 7b는 다이싱 후 어드레서블 전극들의 확대 평면도이다.
도 8은 변환기에 대한 포토리소그래피 프로세스(과정)의 단계 세트이다.
도 9는 변환기 어레이를 만들기 위한 흐름도이다.
도 10a는 변환기 어레이를 갖는 원추형 프로브(conical probe)의 예시이다.
도 10b는 변환기 어레이를 갖는 방사형 프로브(radial probe)의 예시이다.
도 11은 관형(tubular)의 다운홀 음향 프로브의 단면도이다.
유사한 참조 번호들은 다음 키를 갖는 유사한 구성 요소들을 나타낸다:
2 조사할 표면;
10 장치;
11 스캔 라인;
12 음향 변환기 어레이;
15 절두원추형 마운트(frustoconical mount);
21 매칭층(matching layer);
22 압전 복합체(piezoelectric composite);
23 공통 전극;
24 연장 / 리드 부분;
25 얇은 전극;
26 두꺼운 전극;
27 전극 부분(또는, 전극부);
28 백킹층(backing layer);
29 땜납(또는, 솔더)(solder);
30 와이어프레임(wireframe);
37 지지 구조물;
42 다이싱된 압전 복합체(diced piezoelectric composite);
43 포토 레지스트(photo resist);
44 UV 마스크;
45 에칭 영역들(etched areas);
46 큐어링된 포토 레지스트(cured photo resist);
47 얇은 금속 시드층;
48 두꺼운 금속 전기 도금층;
49 백본 / 지지 프레임(backbone / support frame);
51 금속 포일(metal foil);
53 커팅 라인(cutting line);
54 (전도성) 접착제;
55 레이저;
59 다이싱 소우(dicing saw)
도 1은 바람직한(preferred) 실시예에 따른 변환기 스택의 단면도이다.
도 2는 종래 기술의 장치에 따른 변환기 스택의 단면도이다.
도 3은 단일 금속층 어드레서블 전극(single metal layer addressable electrode)을 갖는 실시예에 따른 변환기 스택의 단면도이다.
도 4a는 리소그래피의 다양한 초기 단계들에서의 변환기들의 평면도이다.
도 4b는 리소그래피의 다양한 후기 단계들에서의 변환기들의 평면도이다.
도 5는 오버레이되고 다이싱된 와이어프레임을 갖는 변환기 스택의 측면도이다.
도 6a는 다이싱 전 와이어프레임의 평면도이다.
도 6b는 다이싱 전 어드레서블 전극들의 확대 평면도이다.
도 7a는 다이싱 후 와이어프레임의 평면도이다.
도 7b는 다이싱 후 어드레서블 전극들의 확대 평면도이다.
도 8은 변환기에 대한 포토리소그래피 프로세스(과정)의 단계 세트이다.
도 9는 변환기 어레이를 만들기 위한 흐름도이다.
도 10a는 변환기 어레이를 갖는 원추형 프로브(conical probe)의 예시이다.
도 10b는 변환기 어레이를 갖는 방사형 프로브(radial probe)의 예시이다.
도 11은 관형(tubular)의 다운홀 음향 프로브의 단면도이다.
유사한 참조 번호들은 다음 키를 갖는 유사한 구성 요소들을 나타낸다:
2 조사할 표면;
10 장치;
11 스캔 라인;
12 음향 변환기 어레이;
15 절두원추형 마운트(frustoconical mount);
21 매칭층(matching layer);
22 압전 복합체(piezoelectric composite);
23 공통 전극;
24 연장 / 리드 부분;
25 얇은 전극;
26 두꺼운 전극;
27 전극 부분(또는, 전극부);
28 백킹층(backing layer);
29 땜납(또는, 솔더)(solder);
30 와이어프레임(wireframe);
37 지지 구조물;
42 다이싱된 압전 복합체(diced piezoelectric composite);
43 포토 레지스트(photo resist);
44 UV 마스크;
45 에칭 영역들(etched areas);
46 큐어링된 포토 레지스트(cured photo resist);
47 얇은 금속 시드층;
48 두꺼운 금속 전기 도금층;
49 백본 / 지지 프레임(backbone / support frame);
51 금속 포일(metal foil);
53 커팅 라인(cutting line);
54 (전도성) 접착제;
55 레이저;
59 다이싱 소우(dicing saw)
도면들을 참조하여 음향 변환기에 대한 바람직한 실시예들, 그 구성 요소(composition) 및 구성(construction)이 설명된다. 변환기는 1차원 어레이로 배열된 복수의 변환기 요소들을 포함한다. 각 변환기 요소 상의 개별 전극들은 드라이브 회로의 와이어들과 전기적 및 기계적으로 연결하기 위해 아래에 있는 압전 복합체(underlying piezoelectric composite)를 지나 연속층(continuous layer)으로 연장한다. 개별 전극은 단일의 두꺼운 금속층일 수 있거나 적어도 2개의 금속층들(시드층(들) 및 두꺼운 금속층(들))을 포함할 수 있다.
음향 스택에 공통적인 다른 층들 외에도, 제조는 금속층들을 추가하는 다양한 기술을 결합한 다음 부분들(또는, 일부)을 선택적으로 제거하여 요소들에 대한 개별 전극들을 형성하는 것을 포함하고, 그 부분들은 압전 복합체 너머로 연장한다(또는, 확장된다). 일부 방법들은 지지 구조물을 사용하여 층들을 증착한다.
변환기 어레이(Transducer Array)
변환기(12)에 의해 생성된 음파의 주파수는 일반적으로 200 kHz ~ 30 MHz 범위이고, 유체 유형, 우물의 속도(velocities in the well), 및 이미징 장치가 움직이는 속도를 포함한 여러 요인들에 기초하여 디자인될 수 있다. 대부분의 용도에서, 파동 주파수는 1~10 MHz 사이에서 작동하는 초음파이다. 더 높은 주파수(더 짧은 파장)는 각 피처(또는, 특징)(feature)에서 뚜렷한 반사를 되돌려 표면의 더 미세한 피처(finer features)를 구별할 수 있다.
변환기 어레이의 개별 요소들의 수는 생성된 이미지들의 해상도에 영향을 준다. 일반적으로, 각 변환기 어레이는 32~2048개의 요소들, 바람직하게는 128~1024개의 요소들로 구성된다. 비교적 많은 수의 요소들을 사용하면 물체의 고해상도 이미지(fine resolution image)가 생성된다. 이러한 어레이들을 구동하고 캡처하는 회로들도 일반적으로 사용 가능하다.
도 2는 공통 전극(23), 압전 복합체 슬래브(piezoelectric composite slab)(22), 상부 전극(20), 및 매칭층(matching layer)(21)을 포함하는 공지된 방법에 따라 제조된 예시적인 변환기 스택의 측면도이다. 요소(또는, 소자)가 개별적으로 활성화될 수 있도록 전기 리드(24)가 땜납(29)에 의해 상부 전극(25)에 부착된다. 땜납(29) 및 리드(24) 근처의 요소의 부분은 솔더링이 퀴리 온도(Curie temperature)를 초과한 곳에서 불규칙한 기하학적 구조와 손실된 압전 효과로 인해 음향 이상을 방출할 것이다.
따라서, 바람직한 변환기 및 제조 방법에서, 전극은 요소의 높이(elevation)를 가로질러 실질적으로 연속적으로 배치되고, 높이 방향(elevation direction)으로 압전 기판을 지나 연장한다. 따라서 솔더링 또는 클램핑에 의한 리드들 연결은 압전 영역에서 멀리 떨어져 있다. 바람직하게는 연장 부분(24)은 적어도 2mm만큼 변환기의 높이 방향으로 복합체를 지나 연장한다.
도 1은 요소들의 배열이 페이지(page)로 연장하는(또는, 확장되는) 단일 요소에 대한 변환기 스택의 측면도를 보여준다. 압전 복합체(22)는 어레이에 대한 공통 전극(23)으로서 작용하는 전도성 재료로 제1 주 표면(first major surface) 상에서 커버된다. 대향하는 제2 표면은 어드레서블 (얇은) 전극들(addressable (thin) electrodes)(25)을 형성하기 위해 요소별로 제2 전도성 재료로 커버된다. 이들 전극은 복합체(22)의 압전 포스트(piezoelectric posts)를 활성화하여 제1 및 제2 표면들 모두에 일반적으로 수직으로 진동한다.
전극 표면들 중 하나는 조사 대상 물체를 향하도록 설계된 프로브 내의 투과 표면(transmit surface)으로 지정될 수 있으며 다른 전극 표면은 후면으로 지정된다. 백킹층(backing layer)(28)이 이 후면에 연결되어, 구조 및 음향 감쇠(damping)를 변환기에 제공하고/하거나 변환기를 프로브에 고정하기 위한 접착력을 제공할 수 있다. 백킹층(28)은 전도성(예를 들어, 텅스텐 함침된 에폭시(tungsten-impregnated epoxy)) 또는 비전도성(예를 들어, 유리 충전 PEEK(glass-filled PEEK))일 수 있다.
매칭층(matching layer)(21)은 투과 표면을 커버하고(또는, 덮고) 바람직하게는 렌즈와 복합체(composite)의 기하학적 평균인 음향 임피던스 값과 변환기의 설계 파장의 1/4의 두께를 갖도록 설계된다. 이것은 음향파가 최대 에너지와 최소한의 인공물(artefacts)로 매칭층을 통해 전달될 수 있도록 하기 위한 것이다. 매칭층은 Al2O3 충전물(filling)이 있는 에폭시일 수 있다.
예를 들어, 스택은 0.3 mm 두께의 복합체; 10 mm 두께의 백킹층; 0.6 미크론(micron) 두께의 스퍼터링된 얇은 전극; 및 15 내지 40 미크론 두께의 두꺼운 전극을 포함한다.
간결함을 위해, 복합체(22)는 현재 상업적으로 이용 가능한 에폭시와 같은 더 부드러운 재료의 매트릭스로 둘러싸인 플레이트(plate)의 두께를 통해 다이싱된 압전 포스트로 만들어진 플레이트로 제공된다고 가정한다. 이것은 모든 포스트의 결과적인 진동이 플레이트의 주요 표면에 정상적으로(normal) 작용하도록 한다. 복합체는 일반적으로 사용 가능한 2-2 또는 1-3 PZT일 수 있다.
도 1의 스택은 얇은 전극층(25) 또는 그 일부와 전기적으로 접촉하는 두꺼운 전도층(26)을 추가로 포함한다. 따라서 각 요소에 대한 전체 전극은 제1 얇은 층(25)과 제2 두꺼운 층(26)으로 구성된다. 일반적으로, 층(26)은 층(25)보다 적어도 한 자릿수(10배)(order of magnitude) 더 두껍다. 두 층 모두는 밑에 있는 압전 재료(underlying piezoelectric material)를 활성화하기 위해 각 변환기 요소의 높이를 가로질러 연장되고, 층(26)은 압전 복합체를 지나 연장되어 일반적으로 리드 부분(24)을 형성하기 위해 높이 치수(elevation dimension)의 방향으로 계속된다.
층들(25, 26)은 전도성 물질, 일반적으로 금속으로 만들어지며 동일한 물질일 수 있다. 이러한 물질(또는, 재료)에 대한 좋은 선택에는 금, 크롬, 은, 구리 및 니켈이 포함된다. 선택은 아래에 설명된 바와 같이 공정의 주어진 단계에서 물질의 비용과 제조 가능성에 의해 주도될 수 있다.
일반 제조(General Manufacture)
알려진 방법과 유사하게, 본 발명의 변환기 어레이는 층들로 구성되어 해당 재료가 필요하지 않은 층의 영역을 제거한다. 도 4a는 압전 복합체 플레이트(piezoelectric composite plate)(22)로 시작하는 제조의 초기 단계를 도시하며, 양쪽 주요 표면이 평평하게 접지되어 있다(ground). 플레이트는 일반적으로 단일 어레이에 비해 상당히 넓기 때문에, 복합체의 복수 스트립들(plural strips)(42)을 다이싱한 다음(2단계) 베이스 상에 이격되어 배치되고, 바람직하게는 제자리에 고정(또는, 유지)되고 일시적이고 희생적인 지지대(temporary, sacrificial support)(37)에 의해 분리된다(3단계). 지지 물질(또는, 지지 재료)는 왁스, 금속, 에폭시 또는 플라스틱 프레임일 수 있다. 지지 구조물은 복합체 스트립들을 유지하기 위해 내부에 공극(voids)을 가질 수 있다. 지지 물질은 스트립들을 제자리에 고정할 뿐만 아니라 금속 원자를 수용하고 복합체 스트립들을 지나 연장하는(또는, 확장되는) 전극층을 지지하는 방법을 제공한다. 지지 구조물은 복합체(또는, 합성물)에 인접하게 배치되거나 복합체 주위에 성형된(molded) 다음 복합체와 함께 접지하여(ground) 동일 평면으로 만드는 재료일 수 있다.
대안적인 실시예에서, 압전 복합체 스트립들(42)은 활성 사용(active use)에서(또는, 현재 사용 중인) 변환기에 필요한 것보다 더 넓다. 이 추가의 '희생(sacrificial)' 부분은 금속층(들)(25 및/또는 26)을 수용하고 지지하기 위한 지지체(support)를 제공하고, '희생' 부분은 연장 부분(24)을 나타내기 위해 제조 공정의 단부(또는, 끝)를 향해 기계 가공된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 전도성 물질의 얇은 층(47)은 전극들(23, 25)로서 복합체 표면들의 상부 및 하부에 그리고 지지체(37) 상에 증착된다. 이러한 층들은 일반적으로 상업적으로 이용 가능한 압전 복합체로 수행되는 것과 같이 공정 초기에 복합체 플레이트에 추가될 수 있다. 복합체는 전도성이 없기 때문에, 얇은 전극층들을 추가하기 위해 진공 증착(물리적 / 화학적 기상 증착, 증발 증착 및 스퍼터링을 포함하는), 포일 시트 또는 얇은 와이어 프레임(thin wireframe)의 침지(immersion) 또는 접착(adhesion)에 의한 무전해 도금과 같은 형태의 무전해 증착이 사용된다. 이 층(47)은 얇고(즉, 0.2 um 내지 3 um) 약할 수 있지만 목적은 복합체와 후속 층들(subsequent layers) 사이에(의) 본드(또는, 결합)(bond)를 형성하는 것이다. 얇은 층(또는, 박막)(47)은 실제로 여러 하위층(sublayers) 또는 연속적으로 변화하는 상이한 금속층을 포함할 수 있다.
얇은 층들(47)의 상부에, 두꺼운 전극층(48)이 추가되어 상승된 온도 및 압력에서 강도(strength) 및 견고성(robustness)을 제공한다. 이 층은 플렉스 회로 와이어에 연결될 수 있는 전극 리드 부분(24)을 제공하기 위해 복합체 스택을 지나 연장하는 전극(26)을 형성한다. 지지체(37)는 특히 어드레서블 요소가 존재하거나 형성될 때 연장된 부분을 증착 및 유지하기 위한 접지(ground)를 제공한다.
대안적으로, 공통 전극층(23)은 접착층(28), 바람직하게는 도전성 접착층으로 코팅되어 디바이스(장치)에 조립될 때 공통 전극이 전기 리드에 의해 쉽게 접촉될 수 있다. 공통 전극은 두께가 0.6 um일 수 있고 복합체와 함께 제공될 수 있다.
전극층(26)은 각각이 연장된 부분(24)을 갖는 별도의 전극들(separate electrodes)로 미리 형성되거나, 얇은 전극에 층이 결합된 후에 형성된다. 도 4b의 중간 단계는 (에칭 또는 다이싱에 의해) 영역들(45)을 제거하여 각 압전 요소(또는, 압전 소자) 상에 온전한 전극들(intact electrodes)(26)을 남기는 것을 예시한다. 보다 바람직하게는, 전극들(26)이 (에칭 또는 삭마(ablation)에 의해) 패턴화되어 복합체 상에(의) 부분(27)보다 좁은 연장 부분들(24)을 형성한다(도 7b 참조). 이렇게 좁혀지면 나중에(subsequent) 전기 리드들에 쉽게 연결하거나 회로에 트레이스(traces)를 생성하기 위해 리드들 사이에 더 많은 공간이 생성된다(아래 참조). 예를 들어, 어레이는 변환기 요소들(따라서 전극 부분(27))을 분리하는 75um에 불과한 400um의 피치를 가질 수 있어 솔더링 또는 클램핑을 매우 어렵게 만든다. 따라서, 연장 부분들(24)은 적어도 250um의 분리를 생성하기 위해 150um 미만으로 좁아질 수 있다.
변환기 요소들의 수, 피치(pitch) 및 구동 주파수 λ는 이미징 품질에 영향을 미친다. 음향 변환기들에서, 유용한 규칙은 격자 로브(grating lobes)를 최소화하기 위해 피치가 λ/2 및 λ 범위에 있어야 한다는 것이다. 따라서, 일 실시예에서, 300 μm(λ와 동일) 이격된 128개의 요소들이 수중에서 5 MHz로 구동될 수 있다. 매우 고해상도 어레이에서, 피치는 150um일 수 있다.
변환기 어레이들은 지지체를 제거함으로써(즉, 왁스를 녹이거나 프레임을 잡아당김으로써) 분리될 수 있다. 도 4b의 마지막 단계에 도시된 바와 같이, 복수 어레이들(12)은 하나의 배치(batch)로 만들어졌다. 강성(rigidity)을 위해, 연장 부분들은 측면 '백본(backbone)' 부분(49)에 의해 함께 연결될 수 있고, 전기 리드들에 연결할 때 절단된다(도 8의 백본(49) 참조).
매칭층(21)은 별도로 성형(molded), 접지(ground) 및 형성(shaped)된 후 두꺼운 전극(26)에 본딩(또는, 접합)된다. 그 다음, 복수 어레이들은 지지체(37)로부터 제거되고 서로 분리될 수 있다.
어레이들은 형성(formation) 후 백킹층에 본딩(또는, 결합)된다. 그런 다음 이 평평한 스택(flat stack)은 일반적으로 원뿔(cone) 또는 링(ring)과 같은 장치의 하우징 모양과 일치하도록 형성된다. 플렉스 회로(flex-circuit)의 리드들은 솔더링 또는 초음파 용접(ultrasonic welding)으로 개별 연장된(또는, 확장된) 부분에 연결된다. 렌즈는 유정보어(wellbore)의 유체와 유사한 임피던스 값을 갖도록 선택된 물질을 사용하여 매칭층에 연결한다.
포일 박판(Foil lamination):
도 5는 전극(26)을 위한 포일 시트를 사용하는 어레이의 측면을 제공한다. 포일(51)은 스택(또는, 적층체)(23/22/25)의 상단에 바람직하게는 전도성 접착제(54)에 의해 본딩(또는, 접합)되는 얇고 가단성 있는(malleable) 금속 시트이고, 단부(끝) 부분들은 세라믹(22)을 지나 연장한다. 접착제는 B-스테이지 에폭시와 같은 에폭시를 포함할 수 있고, 얇은 전극층(25)을 포일(51)에 전기적으로 결합하기 위해 은 또는 다른 전도성 입자를 포함(contain)할 수 있다. 이것은 50-미크론 두께의 에폭시와 15-미크론 두께의 포일로 구성될 수 있다. 적절한 접착제의 예는 LoctiteTM AblestikTM CF 3350, Mereco'sTM MetacaseTM 401 및 Rogers Corporation'sTM CoolSpanTM TECA 필름이다.
포일(51)은 본딩 전에 형성된 개별 전극들을 가질 수 있다(도 6a에 도시된 와이어프레임과 유사). 공통 커넥터(common connector)(49)는 조립하는 동안 요소들을 함께 유지하기 위한 백본을 제공하고, 이 백본은 전극들이 본딩(또는, 접합)된 후 다이싱 또는 커팅(또는, 절단)에 의해 라인들(53)에 표시된 바와 같이 제거된다.
대안적으로, 개별 전극들은 본딩 후에 포일에 형성되고, 각 전극은 복합체를 지나 연장하는 부분을 포함한다. 전극들은 화학적 에칭, 레이저 절제(laser ablation) 또는 다이싱에 의해 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저(55)는 절제(ablation)에 의해 포일의 돌출 단부들(overhanging ends)을 통해 전극들을 패턴화한다. 돌출 부분(overhanging portion)은 레이저 커팅(또는, 절단) 중에 필요한 경우 지지 심(support shims)(미도시)에 의해 지지될 수 있다. 호일(51)은 얇은 전극들(25)보다 더 두껍고 강한 개별 두꺼운 전극들/리드들(26)을 형성하기 위해 소우(59)에 의해 다이싱된다. 이 단계에서 커프(또는, 절단)(kerfs)는 층들(또는, 레이어들)(25, 26, 54)을 통해 만들어지고 소량은 복합체(또는, 합성물)(22)로 만들어진다. 커프의 깊이는 10 - 200um일 수 있다. 이것은 복합체를 별도의 변환기 요소로 분리하고, 이에 본딩된 전극들(26)에 의해 개별적으로 어드레서블(addressable)하다.
별도의 와이어프레임(Separate Wireframe)
바람직한 실시예에서, 와이어프레임(30)은 별도로 제조될 수 있고 얇은 전극(25)을 갖는 다이싱된 복합체 상에 적층될 수 있다. 도 6a/6b에 도시된 바와 같이, 별도로 제조된 와이어프레임(30)은 백본(49)에 의해 함께 연결된 미리 형성된 리드들(24)의 어레이를 포함할 수 있다. 리드들(24)은 복합체를 다이싱함으로써 생성된(또는, 생성될) 각 변환기 요소에 정렬되도록 이격되고 크기가 조정된다. 각 리드의 단부(또는, 끝) 부분은 얇은 전극(25)의 단부(또는, 끝)에서 초음파 용접(ultrasonically welded) 또는 납땜(soldered)될 수 있다.
이 연결은 약하고 압전 효과에 영향을 미칠 수 있지만, 최소한의 겹침(overlap)으로 이러한 단부들을 연결한 다음 리드(24)와 얇은 전극(25) 상(또는, 위)에 두꺼운 등각층(thick conformal layer)을 전기 도금하여 연결을 강화함으로써 최소화할 수 있다. 와이어프레임과 복합체는 백본(49)에 연결된 캐소드(또는, 음극)과 함께 구리 이온 배스(bath)에 배치된다. 전기 도금된 층은 두꺼운 전극(26)이 된다.
와이어프레임은 15-40um 구리 포일과 같은 얇은 전도성 물질층으로 만들어진다. 스택에 연결하기 전에 바람직하게는 에칭, 커팅 또는 레이저 절제에 의해 전극들 주변의 전도성 물질의 원하지 않는 영역들(undesired areas)이 제거된다.
리소그래피(Lithography):
전극들은 또한 도 8과 같이 추가적 포토리소그래피에 의해 생성될 수 있다. 다이싱된 에폭시 충전 복합체(diced, epoxy-filled composite)(22)로 시작하여, 네거티브 레지스트(negative resist)(43)가 복합체 상부 표면(22) 및 지지체(37) 상에 스핀 코팅된다. 지지체(37)는 복합체를 둘러싸서 제자리에 유지하고 전극 연장 부분(24)을 구축하기 위한 기판을 제공한다. 클리어-필드 마스크(44)는 레지스트를 선택적으로 경화(cure)시키기 위해 UV 조명이 적용되는 복합체 상에 배치된다. 경화되지 않은 영역들은 전극(25)에 의해 커버될(또는, 덮일) 영역들을 정의하고, 이 영역은 리드들을 함께 연결하는 넓은 전극 부분, 좁은 연장된(또는, 확장된) 리드 부분 및 백본(49)을 포함하도록 패턴화될 수 있다. 경화되지 않은 포토레지스트는 세제(detergent)(예: 2% 테트라메틸암모늄 하이드록시드(Tetramethylammonium hydroxide))로 씻어낸다.
얇은 금속층(47)은 예를 들어 현존하는 레지스트, 지지체 및 복합체 상에 기상 증착(vapor deposition)에 의해 무전해 증착된다. 금속은 구리, 크롬, 금 또는 합성물(또는, 복합체)과 지지체에 본드(또는, 결합)을 형성할 수 있는 조합일 수 있다.
두꺼운 금속층(48)은 전체 전극(26)을 생성하기 위해 얇은 금속층(47)에 전기 도금된다. 이 두꺼운 금속층(48)은 얇은 층(47)에 전도성 및 기계적으로 결합되고 실질적으로 층(47)(각 전극(25) 위)을 커버한다(또는, 덮는다). 따라서 리드(24)에 인가된 전압은 전체 전극과 그 아래의 복합체 물질에 에너지를 공급하고, 균일한 피복(covering)은 파동이 금속층들을 통해 일관되게 전달되도록 보장한다. 백본(49)은 구리와 같은 금속 이온을 함유하는 전기 도금 배스(electroplating bath)의 캐소드에 대한 전기적 연결을 제공할 수 있다. 포토레지스트층은 경화 및 미경화 상의 금속이 가교(bridged)되지 않도록 전기 도금층들(47, 48)보다 충분히 두꺼운 것이 바람직하다. 유사하게, 금속 이온 농도 및 전기 도금 속도는 개별 전극들 사이에서 브리징(bridging)이 발생하지 않을 정도로 충분히 낮아야 한다.
아세톤은 경화된 포토레지스트를 제거하는 데 사용될 수 있고, 이는 또한 그에 부착된 얇고 두꺼운 금속층들을 제거한다. 연장 리드들(24)을 갖는 완전한 스택은 이어서 회로에 대한 솔더링(또는, 납땜) 및 백본(49)의 절단을 위해 지지체(37)로부터 제거된다.
단일 전극층(Single electrode layer)
특정 바람직한 실시예에서 개별 전극들은 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 층(26)으로 형성된다. 여기서 두꺼운 층(26)은 전기 리드들을 변환기 스택에 연결하는 기계적 강도를 제공할 뿐만 아니라 파동이 통과할 수 있는 균일한 층을 제공한다. 금속층(26)은 무전해 도금, 진공 증착(VD) 또는 접착제층(54)을 사용하여 복합체의 상부에 직접 포일 또는 와이어프레임을 본딩(또는, 접합)함으로써 형성될 수 있다. 모든 경우에, 전극은 회로 커넥터의 개별 리드들에 연결하기 위해 높이 방향으로 복합체를 지나 연장한다(또는, 확장된다). 금속층(26)의 두께는 10-40um일 수 있다.
유리하게는 이 방법을 사용하여 만들어진 특정 변환기들은 파동이 이동할 수 있는 더 일관된 층을 만들고 제공하는 것이 더 간단할 것이다.
곡선 배열(Curved array)
원추형 방사형 변환기 어레이는 절두원추형 표면(frustoconical surface)에 어레이 백킹(또는, 지지대)을 놓아 방사형 바깥쪽(face radial-outward)과 부분적으로 길이 방향(partially longitudinally)(예: 다운홀 또는 업홀)을 향하는 요소를 정렬한다(도 10a 참조). 평평한 라미네이트 구조에서 이러한 어레이를 만드는 것은 특정 기하학적 문제를 나타낸다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 평면에서 만곡된 평평한 와이어프레임이 제공될 수 있고, 스택이 생성된 후 장치의 절두원추형 마운팅(frustoconical mounting)(15) 주위에 등각 형상이 형성된다. 완전한 원형 어레이는 원뿔 주위의 개별 부분들을 커버하기 위해 둘 이상의 곡선 섹션들로 구성될 수 있다(예: 도 6a에 표시된 섹션당 180°). 그런 다음 각각은 단일 어레이로 작동하도록 플렉스 회로에 배선된다.
이 경우, 평평한 스택에 대한 다이싱 작업은 스택에 대해 1도의 분수만큼 다이싱 소우(또는, 톱)의 상대 각도를 변경함으로써 이루어질 수 있다. 이 프로세스는 바람직하게는 스택을 유지하기 위한 지그(jig)를 사용하고 -45°에서 +45°까지의 복수 각도로 인덱싱된다.
회로(Circuit)
이 장치는 회로 기판(circuit board), 전기 부품(electrical components), 및 단자 커넥터(terminal connectors)로 구성된다. 단자 커넥터는 복합체 스택으로부터 원위 단부(end distal)에서 연장 부분(24)에 연결된 도체 트레이스를 갖는 플렉스 회로일 수 있다. 이 회로에는 전기 부품, 신호 조건부 부품, ADC, 드라이버, 프로세서가 있을 수 있다. 이것은 유리하게 특정 전기 부품을 변환기에 가능한 한 가깝게 배치하여 추가 노이즈의 도입을 줄이고 프로브의 나머지 부분에 대한 연결을 단순화한다. 다른 구성 요소는 극한의 환경 조건으로부터 보호하기 위해 장치의 가압 하우징 내에 있다.
일 제조 실시예에서, 회로 트레이스는 예를 들어 리소그래피에 의해 개별 요소(또는, 소자) 전극들과 함께 배치된다.
애플리케이션(Applications)
본 발명의 구성 및 제조의 변환기들은 건강 검진(medical examination), 우물(또는, 유정)(wells) 및 파이프라인(pipelines)과 같은 응용 분야에 사용되는 다양한 프로브에 사용될 수 있다. 도 11은 우물 및 파이프에 사용되며 위상 배열로 작동 가능한 변환기 배열을 포함하는 이미징 장치(또는, 영상 장치)를 묘사한다. 현재의 변환기들은 고압 또는 고온과 같은 물리적 변형(strains)이 큰 응용 분야에서 특히 유용하며 일반적으로 사용 중에 전극들이 분리된다(break apart).
도 11은 우물 또는 파이프(2)에 배치 가능한 이미징 장치(10)를 도시한다. 이미징 장치(10)는 일반적으로 적어도 하나의 초음파 변환기(12) 및 선택적으로 하나 이상의 센트럴라이저(centralizers)(20)를 포함한다. 우물 또는 파이프(2)는 물, 기름 또는 가스를 운반하거나 접근하는 데 사용할 수 있다. 이 용어는 케이스가 있는 우물, 케이스가 없는 우물, 열린 구멍, 시추공(boreholes), 수도관, 송유관, 배관, 및 보일러 튜브를 포함하기 위한 것이다.
도 10a/10b에 도시된 바와 같이, 방사형 변환기는 장치 본체 주위에서 방사상으로 분리된 변환기 요소(12)의 1D 어레이이다. 변환기의 기하학적 구조(렌즈 및 반사경(reflector) 포함)는 펄스를 바깥쪽으로 향하게 하여 유정, 파이프 또는 제조된 부품의 표면을 해석한다(또는, 초음파 처리한다)(sonify).
어레이가 두께 프로브로 알려진 순수한 방사 방향을 향할 때 반사는 표면과 벽의 결함까지의 거리를 나타낸다. 20~40°의 원뿔 각도에서 절두원추형 표면에 방사형 어레이가 형성되면, 파면이 부분적으로 길이 축(longitudinal axis)을 향하여 초점이 맞춰진 지점에서 표면 및 깊이 형상을 반사한다.
위의 장치 및 방법은 명확성을 위해 특정 모델 및 과학적 이론을 사용하여 설명되었지만, 본 발명은 이러한 이론의 정확성 또는 이러한 이론을 준수하는 실시예로 제한되지 않는다.
"상부(top)", "하부(bottom)", "원위(distal)", "근접한(proximate)", "인접한(adjacent)", "아래(below)", "상(또는, 위)(above)", "위쪽(upper)"과 같은 용어는 도면에 묘사된 바와 같이 또는 표면 자료를 참조하여 변환기 스택 요소의 상대적인 위치를 설명할 때 단순화를 위해 여기에서 사용된다. 본 발명이 바람직한 실시예 및 이의 바람직한 용도와 관련하여 기술되고 예시되었지만, 당업자가 이해하는 바와 같이 본 발명의 전체 의도된 범위 내에서 수정 및 변경이 이루어질 수 있으므로 그렇게 제한되지 않는다.
Claims (29)
- 음향 변환기들의 어레이의 제조 방법에 있어서,
압전 복합체(piezoelectric composite)의 제1 면에 제1 금속층을 증착하여 공통 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 면에 대향하는 상기 압전 복합체의 제2 면에 제2 금속층을 증착하는 단계;
제3 금속층으로 상기 제2 금속층을 커버하는 단계로서, 상기 제3 금속층은 상기 제2 금속층보다 두껍고 상기 압전 복합체를 지나 상기 변환기들의 높이 방향(elevation direction)으로 연장하는 연장 부분을 포함하는, 제2 금속층을 커버하는 단계; 및
상기 연장 부분에 전기 리드(electric lead)를 각각 구비하는 복수의 개별 전극들을 정의하기 위해 상기 제2 면 상의 상기 금속층들의 부분들을 선택적으로 제거하는 단계;를 포함하는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
선택적으로 제거된 상기 부분들은 상기 제2 금속층 및 제3 금속층에 대해 상이한 기술들을 사용하여 제거되는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제3 금속층은 전기 도금 또는 접착제를 이용하여 포일(foil)을 본딩하여 상기 제2 금속층에 증착되는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제3 금속층은 공통 지지 프레임으로부터 연장하는 복수의 전기 리드들을 정의하는 와이어프레임을 포함하고,
상기 제2 금속층을 커버하는 단계는 상기 와이어프레임을 상기 제2 금속층에 본딩한 후 상기 공통 지지 프레임을 제거하는 단계를 포함하는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 금속층을 커버하는 단계는 상기 제2 금속층의 에지에서 와이어들을 본딩하는 단계, 및 상기 와이어들 및 제2 금속층 상에 금속을 전기 도금하여 상기 제3 층을 형성하는 단계를 포함하고,
바람직하게는 상기 와이어들은 도전성 접착제, 납땜, 및 초음파 용접 중 하나에 의해 상기 제2 금속층에 본딩되는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제3 금속층은 접착제에 의해 상기 제2 금속층에 본딩된 후 제2 및 제3 금속층들을 함께 선택적으로 제거하여 상기 복수의 개별 전극들을 생성하도록 처리되는 포일 시트인, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 금속층의 두께는 15-40um인, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 음향 변환기들의 어레이의 제조 방법에 있어서,
압전 복합체(piezoelectric composite)의 제1 면에 제1 금속층을 증착하여 공통 전극을 형성하는 단계;
상기 압전 복합체를 지나 상기 변환기들의 높이 방향으로 연장하는 연장 부분을 포함하는 제2 금속층을 상기 제1 면에 대향하는 상기 압전 복합체의 제2 면에 증착하는 단계; 및
상기 제2 금속층의 부분들을 선택적으로 제거하여 상기 연장 부분에 전기 리드를 각각 갖는 복수의 개별 전극들을 정의하는 단계;를 포함하는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연장 부분은 상기 압전 복합체 기판에 인접한 지지 구조물 상에 증착되고,
상기 지지 구조물은 상기 연장 부분을 노출시키기 위해 나중에 제거되는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연장 부분은 상기 압전 복합체의 희생 부분(sacrificial portion) 상에 증착되고 상기 제2 면 상의 금속층들에 대한 지지 구조물로서 작용하고,
상기 희생 부분은 상기 연장 부분을 노출시키도록 기계 가공되는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
선택적으로 제거된 상기 부분들은 포토리소그래피 및 에칭; 레이저 에칭; 및 다이싱 소우(dicing saw) 중 적어도 하나에 의해 제거되는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 금속층은 진공 증착 또는 무전해 도금에 의해 증착되는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
다운홀 이미징 툴(downhole imaging tool)에 맞도록 백킹층(backing layer)을 성형하는 단계, 및 상기 공통 전극을 상기 백킹층에 본딩하는 단계를 더 포함하는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 면 상의 금속층들의 부분들을 선택적으로 제거하는 단계는 상기 연장 부분의 폭보다 넓은 상기 복합체 상에 위치된 부분을 포함하도록 상기 개별 전극들을 패턴화하는, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 제8 항에 있어서,
상기 제2 금속층은 접착제에 의해 상기 복합체에 본딩된 포일 시트인, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 제8 항에 있어서,
상기 제2 금속층의 두께는 15-40um인, 음향 변환기 어레이의 제조 방법. - 음향 변환기 어레이에 있어서,
압전 복합체;
공통 전극을 정의하는 상기 압전 복합체의 제1 면 상의 제1 금속층;
상기 제1 면에 대향하는 압전 복합체의 제2 면 상의 제2 금속층; 및
상기 제2 금속층에 도전적으로 연결되고 상기 제2 금속층을 실질적으로 커버하고, 상기 압전 복합체를 지나 상기 변환기의 높이 방향으로 연장하는 제3 금속층;을 포함하고,
상기 제3 금속층은 상기 제2 금속층보다 더 두껍고,
상기 제2 층 및 제3 층은 복수의 개별 전극들을 정의하도록 형성되는, 음향 변환기 어레이. - 제17 항에 있어서,
상기 제3 금속층은 전착된 포일(electrodeposited foil)인, 음향 변환기 어레이. - 제17 항에 있어서,
상기 제3 금속층은 압연 포일(rolled foil)인, 음향 변환기 어레이. - 제17 항에 있어서,
상기 제3 금속층은 전기 도금층(electroplated layer)인, 음향 변환기 어레이. - 제17 항에 있어서,
상기 제2 금속층 및 제3 금속층 사이에 접착제를 더 포함하는, 음향 변환기 어레이. - 음향 변환기 어레이에 있어서,
압전 복합체;
공통 전극을 정의하는 상기 압전 복합체의 제1 면 상의 제1 금속층;
상기 제1 면에 대향하는 압전 복합체의 제2 면 상의 제2 금속층;을 포함하고,
상기 제2 금속층은 상기 압전 복합체를 지나 상기 변환기의 높이 방향으로 연장하고 복수의 개별 전극들을 정의하도록 형성되는, 음향 변환기 어레이. - 제17 항 내지 제22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개별 전극들을 커버하는 매칭층(matching layer)을 더 포함하는, 음향 변환기 어레이. - 제17 항 내지 제23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공통 전극을 커버하는 백킹층을 더 포함하는, 음향 변환기 어레이. - 제17 항 내지 제24 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 금속층은 0.2 um 내지 3 um의 두께를 갖는, 음향 변환기 어레이. - 제17 항 내지 제25 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개별 전극들은 15 um 내지 40 um의 두께를 갖는, 음향 변환기 어레이. - 제17 항 내지 제26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속층들은 구리, 금, 니켈, 및 은 중 하나 이상을 포함하는, 음향 변환기 어레이. - 제17 항 내지 제27 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복합체 상에 위치된 상기 개별 전극들의 부분은 상기 연장 부분의 폭보다 더 넓은, 음향 변환기 어레이. - 제22 항에 있어서,
상기 제2 금속층과 상기 복합체의 상기 제2 면 사이에 접착제를 더 포함하는, 음향 변환기 어레이.
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