KR20230146725A - Ultrasound sensor and controlling method of the same based on silicon photonic ring resonator and cantilever structure - Google Patents

Ultrasound sensor and controlling method of the same based on silicon photonic ring resonator and cantilever structure Download PDF

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KR20230146725A
KR20230146725A KR1020220045462A KR20220045462A KR20230146725A KR 20230146725 A KR20230146725 A KR 20230146725A KR 1020220045462 A KR1020220045462 A KR 1020220045462A KR 20220045462 A KR20220045462 A KR 20220045462A KR 20230146725 A KR20230146725 A KR 20230146725A
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KR
South Korea
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membrane
ultrasonic sensor
optical waveguide
loop resonator
plane
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KR1020220045462A
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유재석
한상윤
유경식
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재단법인대구경북과학기술원
한국과학기술원
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Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서는 광이 통과하도록 설정된 직선 형태의 광 도파로, 광이 통과하도록 설정되고, 광 도파로가 위치한 평면과 평행한 방향으로 광 도파로에서 이격하여 위치하는 제1 루프(loop) 공진기, 적어도 일부가 제1 루프 공진기와 이격하여 위치하는 제1 멤브레인 및 광 도파로의 일단으로 광을 입사시키는 광 송신부를 포함하고, 제1 멤브레인은 광 도파로에서 먼 방향인 제1 멤브레인의 일단을 축으로 하는 외팔 구조를 가지고, 외부의 음압에 의하여 제1 멤브레인이 일단을 축으로 진동하여 제1 멤브레인의 적어도 일부가 제1 루프 공진기와 이격 거리가 변화할 수 있다.An ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure includes a straight optical waveguide set to allow light to pass through, a first loop set to allow light to pass through, and positioned away from the optical waveguide in a direction parallel to the plane where the optical waveguide is located. loop) resonator, including a first membrane, at least a portion of which is positioned spaced apart from the first loop resonator, and an optical transmitter for incident light onto one end of the optical waveguide, wherein the first membrane has one end of the first membrane facing away from the optical waveguide. It has a cantilever structure with an axis, and the first membrane vibrates about one end of the membrane due to external sound pressure, so that the distance between at least a part of the first membrane and the first loop resonator may change.

Description

실리콘 포토닉 링 공진기 및 캔틸레버 구조에 기반한 초음파 센서 및 그 제어 방법{ULTRASOUND SENSOR AND CONTROLLING METHOD OF THE SAME BASED ON SILICON PHOTONIC RING RESONATOR AND CANTILEVER STRUCTURE}Ultrasonic sensor and control method based on silicon photonic ring resonator and cantilever structure {ULTRASOUND SENSOR AND CONTROLLING METHOD OF THE SAME BASED ON SILICON PHOTONIC RING RESONATOR AND CANTILEVER STRUCTURE}

본 개시는 초음파 센서 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광 마이크로 링 공진기와 외팔(캔틸레버) 구조의 멤브레인에 기반한 초음파 센서 및 그 동작 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to an ultrasonic sensor and a method of operating the same, and more specifically, to an ultrasonic sensor based on an optical microring resonator and a membrane having a cantilever structure and a method of operating the same.

의료 영상에서 초음파 촬영이 널리 사용되고 있고, 초음파 진단 영상 장치(Ultrasound diagnostic imaging device) 및 광-음향 영상 진단 장치(Photo-acoustic diagnostic imaging device)는 인체에서 반사되거나 생성된 초음파를 초음파 센서에서 수신하여 전기적 신호로 변화시킨다.Ultrasound imaging is widely used in medical imaging, and ultrasonic diagnostic imaging devices and photo-acoustic diagnostic imaging devices receive ultrasonic waves reflected or generated from the human body from an ultrasonic sensor and electrically Transform it into a signal.

초음파 센서의 소자(element)로서 압전 변환기(piezo-electric transducers), 미세 가공 초음파 변환기(micro-machined ultrasound transducers; MUT)가 사용되고 있다.Piezo-electric transducers and micro-machined ultrasound transducers (MUT) are used as elements of ultrasonic sensors.

혈관 및 식도의 내시경에서 광-음향 영상을 획득하려는 시도가 계속되고 있고, 이를 위해서는 초음파 센서의 소자의 소형화가 필수이다. 또한, 소자의 소형화에도 불구하고 소자 개수는 증가되고 있으므로 각 소자의 전기적 신호를 수신하기 위한 배선의 증가는 현실적으로 제작 및 운영에 여전히 큰 문제를 가지고 있다. 예를 들어, 초음파 2차원 프로브의 경우 각 소자와 연결되는 배선이 1,000개를 넘을 수 있다.Attempts to acquire photo-acoustic images from vascular and esophageal endoscopes are continuing, and for this purpose, miniaturization of ultrasonic sensor elements is essential. In addition, despite the miniaturization of devices, the number of devices is increasing, so the increase in wiring for receiving electrical signals from each device still poses a major problem in production and operation. For example, in the case of an ultrasonic two-dimensional probe, there may be more than 1,000 wires connected to each element.

MUT 기반의 초음파 센서는 전기 배선이나 매칭 회로가 없다는 것에 장점이 있으나, 높은 전기 임피던스로 인해 신호 대 잡음비(Signal-to-noise ratio; SNR)가 낮고 결과적으로 영상의 비트 해상도(image bit depth)가 낮다는 문제점이 있다.MUT-based ultrasonic sensors have the advantage of not requiring electrical wiring or matching circuits, but due to high electrical impedance, the signal-to-noise ratio (SNR) is low and, as a result, the image bit resolution (image bit depth) is low. There is a problem with it being low.

선행기술 1은 광 공진 기술에 기반한 초음파 센서 기술을 개시하고 있다. 선행기술 1은 실리콘 칩의 음향 멤브레인에 통합된 광학 마이크로 링 공진기에 기반한 초음파 압전 변환기를 개시하고 있다.Prior art 1 discloses ultrasonic sensor technology based on optical resonance technology. Prior Art 1 discloses an ultrasonic piezoelectric transducer based on an optical micro-ring resonator integrated into the acoustic membrane of a silicon chip.

선행기술 1의 도파로(waveguide)와 링 공진기(ring resonator)가 멤브레인의 상부 표면에 통합되어, 외부의 압력에 의해 멤브레인의 처짐 변형으로 인해 광 공진기의 형태 변화가 발생하고 이로 인한 광 공진의 변화에 기반한다.The waveguide and ring resonator of prior art 1 are integrated on the upper surface of the membrane, and the shape of the optical resonator changes due to deflection of the membrane due to external pressure, and the resulting change in optical resonance occurs. It is based on

하지만, 선행기술 1은 멤브레인 상부 표면, 특히 필수적으로 지지 구조가 없는 멤브레인의 상부 표면에 링 공진기를 통합 제조해야 하므로, 제조 공정상 난이도가 높다는 문제점이 있다. However, prior art 1 has the problem of high difficulty in the manufacturing process because the ring resonator must be integrated and manufactured on the upper surface of the membrane, especially the upper surface of the membrane that essentially has no support structure.

또한, 선행기술 1은 외부의 압력에 대응하여 민감도(sensitivity)를 높이거나 음압-광학 변환의 세밀한 설계를 위해서는 필수적으로 멤브레인의 처짐 변형 정도를 변화시켜야 하는데, 멤브레인의 처짐 변형 정도를 세밀하게 변경하거나 설계자가 원하는 방향으로 제어하기 어려운 문제점이 있다. In addition, prior art 1 essentially requires changing the degree of sagging deformation of the membrane in order to increase sensitivity in response to external pressure or detailed design of sound pressure-optical conversion. There is a problem that it is difficult to control it in the direction desired by the designer.

선행기술 1: S.M. Leinders et al., "A sensitive optical micro-machined ultrasound sensor(OMUS) based on a silicon photonic ring resonator on an acoustical membrane", Scientific Reports, 5, Article number: 14328, 2015년 9월Prior art 1: S.M. Leinders et al., "A sensitive optical micro-machined ultrasound sensor (OMUS) based on a silicon photonic ring resonator on an acoustical membrane", Scientific Reports, 5, Article number: 14328, September 2015

본 개시의 일 실시 예는 광 공진에 기반한 초음파 센서 및 그 동작 방법을 제공한다. One embodiment of the present disclosure provides an ultrasonic sensor based on optical resonance and a method of operating the same.

본 개시의 다른 실시 예는 광학적 특성을 세밀하고 용이하게 변경 가능한 초음파 센서 및 그 동작 방법을 제공한다.Another embodiment of the present disclosure provides an ultrasonic sensor whose optical properties can be precisely and easily changed and a method of operating the same.

본 개시의 다른 실시 예는 광학적 특성 및 기계적 특성을 세밀하고 용이하게 변경 가능한 초음파 센서 및 그 동작 방법을 제공한다.Another embodiment of the present disclosure provides an ultrasonic sensor whose optical properties and mechanical properties can be changed in detail and easily, and a method of operating the same.

본 개시의 다른 실시 예는 실리콘 공정에 의해 용이하게 제작 가능한 초음파 센서를 제공한다.Another embodiment of the present disclosure provides an ultrasonic sensor that can be easily manufactured using a silicon process.

본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서는 광이 통과하도록 설정된 직선 형태의 광 도파로, 광이 통과하도록 설정되고, 광 도파로가 위치한 평면과 평행한 방향으로 광 도파로에서 이격하여 위치하는 제1 루프(loop) 공진기, 적어도 일부가 제1 루프 공진기와 이격하여 위치하는 제1 멤브레인 및 광 도파로의 일단으로 광을 입사시키는 광 송신부를 포함하고, 제1 멤브레인은 광 도파로에서 먼 방향인 제1 멤브레인의 일단을 축으로 하는 외팔 구조를 가지고, 외부의 음압에 의하여 제1 멤브레인이 일단을 축으로 진동하여 제1 멤브레인의 적어도 일부가 제1 루프 공진기와 이격 거리가 변화할 수 있다.An ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure includes a straight optical waveguide set to allow light to pass through, a first loop set to allow light to pass through, and positioned away from the optical waveguide in a direction parallel to the plane where the optical waveguide is located. loop) resonator, including a first membrane, at least a portion of which is positioned spaced apart from the first loop resonator, and an optical transmitter for incident light onto one end of the optical waveguide, wherein the first membrane has one end of the first membrane facing away from the optical waveguide. It has a cantilever structure with an axis, and the first membrane vibrates about one end of the membrane due to external sound pressure, so that the distance between at least a part of the first membrane and the first loop resonator may change.

본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서 제어 방법은 각 단계의 적어도 일부가 프로세서에 의해 제어되는 단계로서, 광이 통과하도록 설정된 직선 형태의 광 도파로의 일단으로 광을 입사시키는 단계 및 광 도파로가 위치한 평면과 평행한 방향으로 광 도파로에서 이격하여 위치하면서 광이 통과하도록 설정된 루프 공진기와 이격하여 위치하는 멤브레인이 외부의 음압에 의하여 광 도파로에서 먼 방향인 멤브레인의 일단을 축으로 하여 진동하고, 멤브레인의 진동으로 인한 광 도파로의 타단에서 출사하는 광의 세기 변화를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.An ultrasonic sensor control method according to an embodiment of the present disclosure includes steps in which at least part of each step is controlled by a processor, including the step of incident light onto one end of a straight optical waveguide set to allow light to pass through, and The membrane, which is located away from the optical waveguide in a direction parallel to the plane and away from the loop resonator set to allow light to pass through, vibrates with the end of the membrane in the direction away from the optical waveguide as its axis due to external sound pressure, and the membrane's It may include measuring a change in the intensity of light emitted from the other end of the optical waveguide due to vibration.

본 개시의 실시 예에 따른 초음파 센서는 광 공진에 기반하여 초음파 측정의 민감도를 향상시킬 수 있다.The ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure can improve the sensitivity of ultrasonic measurement based on optical resonance.

본 개시의 실시 예에 따른 초음파 센서는 광학적 특성 또는 기계적 특성을 용이하고 세밀하게 설계 변형 가능하여, 다양한 응용 분야에 적합하게 설계 가능하다.The ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure can easily and precisely modify optical properties or mechanical properties, and thus can be designed to be suitable for various application fields.

본 개시의 실시 예에 따른 초음파 센서는 실리콘 공정에 의하여 용이하게 제작 가능함으로써, 생산 재현성이 높다.The ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure can be easily manufactured using a silicon process, and thus has high production reproducibility.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서가 구동하기 위한 환경을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서의 사시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서의 광학 공진 특성을 보여주는 실험 결과이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서를 옆면에서 바라본 측면도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서를 옆면에서 바라본 측면도이다.
도 9는 본 개시의 다른 실시 예들에 따른 초음파 센서를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서를 옆면에서 바라본 측면도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 캔틸레버의 설계 변경을 통한 민감도 특성을 보여주는 실험 결과이다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서의 대역폭 특성을 보여주는 실험 결과이다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 셀 어레이 구조의 초음파 상부에서 바라본 평면도이다.
도 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서의 제어 방법을 설명하는 흐름도이다.
Figure 1 is a diagram showing an environment for driving an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 2 is a perspective view of an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 3 is a top plan view of an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 4 is an experiment result showing the optical resonance characteristics of an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 5 is a top plan view of an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 6 is a side view of an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure, as seen from the side.
Figure 7 is a top plan view of an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 8 is a side view of an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure, as seen from the side.
Figure 9 is a top plan view of an ultrasonic sensor according to other embodiments of the present disclosure.
Figure 10 is a side view of an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure, as seen from the side.
Figure 11 is an experiment result showing sensitivity characteristics through a change in the design of a cantilever according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 12 is an experiment result showing the bandwidth characteristics of an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 13 is a plan view of the cell array structure according to an embodiment of the present disclosure as seen from the top of the ultrasonic wave.
Figure 14 is a flowchart explaining a control method of an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the attached drawings. However, identical or similar components will be assigned the same reference numbers regardless of reference numerals, and duplicate descriptions thereof will be omitted. The suffixes “module” and “part” for components used in the following description are given or used interchangeably only for the ease of preparing the specification, and do not have distinct meanings or roles in themselves. Additionally, in describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed descriptions will be omitted. In addition, the attached drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, and the technical idea disclosed in this specification is not limited by the attached drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention are not limited. , should be understood to include equivalents or substitutes.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms containing ordinal numbers, such as first, second, etc., may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected to or connected to the other component, but that other components may exist in between. It should be. On the other hand, when it is mentioned that a component is “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that there are no other components in between.

도 1을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서를 구동하기 위한 환경을 설명한다.An environment for driving an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 1 .

본 개시의 실시 예에 따른 초음파 센서는 초음파 영상 진단 장치(3000)에 전기적, 기계적으로 연결된 초음파 프로브(200)의 센서 어레이(1000)로서 동작할 수 있다. 센서 어레이(1000)는 복수의 셀(100)을 포함할 수 있고, 각 셀은 아래의 실시 예들에 따라 광 공진(photonic resonance)에 기반한 링 공진기(ring resonator) 및 캔틸레버 구조(cantilever structure)의 멤브레인의 광학적/기계적 특성에 의하여 외부의 초음파 음압을 전기적 신호로 변환할 수 있다.The ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure may operate as the sensor array 1000 of the ultrasonic probe 200 electrically and mechanically connected to the ultrasonic imaging device 3000. The sensor array 1000 may include a plurality of cells 100, and each cell may include a ring resonator based on photonic resonance and a membrane of a cantilever structure according to the embodiments below. External ultrasonic sound pressure can be converted into an electrical signal due to its optical/mechanical properties.

센서 어레이(1000)는 복수의 광 도파로를 가질 수 있고, 각 광 도파로와 근접하게 위치한 복수의 셀(100)들이 광학적으로 연결될 수 있다. 각 셀(100)들은 링 공진기와 멤브레인을 포함할 수 있고, 아래에서 자세히 설명한다. 광학적인 연결은 물리적으로 연결된 구조는 아니지만 광 공진에 의해서 광 도파로의 광이 광학적으로 연결된 셀(예를 들어, 셀에 포함된 링 공진기)로 전파될 수 있음을 의미한다.The sensor array 1000 may have a plurality of optical waveguides, and a plurality of cells 100 located close to each optical waveguide may be optically connected. Each cell 100 may include a ring resonator and a membrane, which are described in detail below. The optical connection is not a physically connected structure, but means that light from the optical waveguide can propagate to an optically connected cell (for example, a ring resonator included in the cell) by optical resonance.

센서 어레이(1000)의 동일한 광 도파로에 근접하게 배치되어 광학적으로 연결된 복수의 셀(100)들 중 적어도 두 개의 셀은 둘레의 길이가 서로 다른 링 공진기를 포함할 수 있다.Among the plurality of cells 100 disposed close to and optically connected to the same optical waveguide of the sensor array 1000, at least two cells may include ring resonators having different peripheral lengths.

센서 어레이(1000)의 동일한 광 도파로에 근접하게 배치되어 광학적으로 연결된 복수의 셀(100)들 중 적어도 두 개의 셀은 면적이 서로 다른 멤브레인을 포함할 수 있다.Among the plurality of cells 100 disposed close to and optically connected to the same optical waveguide of the sensor array 1000, at least two cells may include membranes with different areas.

센서 어레이(1000)의 서로 다른 광 도파로에 각각 근접하게 배치되어 광학적으로 연결된 복수의 셀(100)들 중 적어도 두 개의 셀은 둘레의 길이가 같은 링 공진기 또는 면적이 같은 멤브레인을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광이 입사하는 광 도파로의 일단을 기준으로 서로 다른 광 도파로에 대하여 각각 동일한 순서에 위치한 셀들(예를 들어, 도 1의 동일한 색상의 셀들)은 둘레의 길이가 같은 링 공진기 또는 면적이 같은 멤브레인을 포함할 수 있다. Among the plurality of cells 100 disposed in close proximity to each other and optically connected to different optical waveguides of the sensor array 1000, at least two cells may include ring resonators with the same peripheral length or membranes with the same area. For example, cells located in the same order for different optical waveguides based on one end of the optical waveguide through which light enters (e.g., cells of the same color in FIG. 1) are ring resonators with the same circumference length or area. It may include such a membrane.

도 2를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 센서를 설명한다. 도 2는 센서 어레이(1000)의 셀 하나를 보여주거나 단일 셀로 구성된 센서일 수 있다. 도 2는 초음파 센서의 일부 레이어(예를 들어, 상부 레이어들)가 부분적으로 제거된 사시도이다. 도 3은 도 2의 초음파 센서를 광 도파로(110)와 제1 루프 공진기(120)가 위치하는 기판(140)의 상부에서 수직한 방향인 Z축을 따라 본 평면도를 간략하게 나타낸 도면이다.An ultrasonic sensor according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 2 . Figure 2 shows one cell of the sensor array 1000, or the sensor may be comprised of a single cell. Figure 2 is a perspective view with some layers (eg, top layers) of an ultrasonic sensor partially removed. FIG. 3 is a schematic plan view of the ultrasonic sensor of FIG. 2 viewed along the Z-axis, which is a vertical direction, from the top of the substrate 140 where the optical waveguide 110 and the first loop resonator 120 are located.

초음파 센서는 광이 통과하도록 설정된 직선 형태의 광 도파로인 제1 도파로(110), 광이 통과하도록 설정되고, 광 도파로(110)가 위치한 평면에서, 평면을 따라 평행한 방향으로 광 도파로(110)에서 이격(d1)하여 위치하는 링 형태의 제1 루프(loop) 공진기(120)를 포함한다.The ultrasonic sensor includes a first waveguide 110, which is a straight optical waveguide set to allow light to pass through, and an optical waveguide 110 in a direction parallel to the plane, in a plane where the optical waveguide 110 is located, and set to allow light to pass through. It includes a first loop resonator 120 in the form of a ring positioned at a distance d1 from .

광 도파로(110)와 제1 루프 공진기(120)는 기판(140)의 동일한 평면 상에 위치하고, 해당 평면은 본 명세서에서 X축 및 Y축이 이루는 평면으로 이해될 수 있고, 평면과 수직인 축을 Z축으로 설명한다. 광 도파로(110)를 통해 이동하는 광은 Y축을 따라 전파되는 것으로 설명한다.The optical waveguide 110 and the first loop resonator 120 are located on the same plane of the substrate 140, and in this specification, the plane can be understood as a plane formed by the X and Y axes, and the axis perpendicular to the plane is This is explained in terms of the Z axis. Light traveling through the optical waveguide 110 is explained as propagating along the Y-axis.

광 도파로(110) 및 제1 루프 공진기(120) 사이에는 공기 또는 다른 유전 물질 등의 유체가 존재할 수 있고, 해당 물질을 변경하거나 해당 물질의 전자기 특성을 변경하거나, 광 도파로(110)와 제1 루프 공진기(120)의 이격 거리를 변경함으로써, 광 도파로(110)를 전파하는 광의 전파 특성이 변화될 수 있다. 일 실시 예에서 광 도파로(110)는 기판(140)에서 220 nm의 높이를 가지고 형성될 수 있다.A fluid such as air or another dielectric material may exist between the optical waveguide 110 and the first loop resonator 120, and may change the material or change the electromagnetic properties of the material, or change the material between the optical waveguide 110 and the first loop resonator 120. By changing the separation distance of the loop resonator 120, the propagation characteristics of light propagating through the optical waveguide 110 can be changed. In one embodiment, the optical waveguide 110 may be formed to have a height of 220 nm on the substrate 140.

초음파 센서는 광 도파로(110)의 일단으로 광을 입사시키는 광 송신부(150)를 포함한다. The ultrasonic sensor includes an optical transmitter 150 that transmits light to one end of the optical waveguide 110.

초음파 센서는 상기 일단에서 먼 방향의 광 도파로(110)의 타단에서 출사하는 광을 측정하는 광 수신부(160)를 더 포함할 수 있고, 이 경우 광 수신부(160)는 미리 설정된 제1 파장에서 광 도파로(110)의 타단에서 출사하는 광의 세기(intensity)의 변화를 측정할 수 있다. The ultrasonic sensor may further include an optical receiver 160 that measures light emitted from the other end of the optical waveguide 110 in a direction away from the one end, and in this case, the optical receiver 160 receives light at a preset first wavelength. A change in the intensity of light emitted from the other end of the waveguide 110 can be measured.

초음파 센서는 제1 멤브레인(130)을 포함할 수 있고, 제1 멤브레인(130)의 적어도 일부는 제1 루프 공진기(120)와 소정의 거리를 이격하여 위치할 수 있다.The ultrasonic sensor may include a first membrane 130, and at least a portion of the first membrane 130 may be positioned at a predetermined distance away from the first loop resonator 120.

도 3을 참조하면, 일 실시 예에서, 기판(140)으로부터 수직한 방향인 Z축에서 볼 때 제1 멤브레인(130)의 적어도 일부는 제1 루프 공진기(120)와 중첩하면서 제1 루프 공진기(120)와 이격하여 위치할 수 있다. Referring to FIG. 3, in one embodiment, when viewed in the Z-axis, which is a direction perpendicular to the substrate 140, at least a portion of the first membrane 130 overlaps the first loop resonator 120 and includes a first loop resonator ( It can be located away from 120).

도 5를 참조하면, 일 실시 예에서, 기판(140)으로부터 수직한 방향인 Z축에서 볼 때 제1 루프 공진기(120)와 중첩하지 않고, 제1 멤브레인(130)의 적어도 일부는 기판(140)의 평면과 평행한 방향으로 제1 루프 공진기(120)와 이격하여 위치할 수 있다. Referring to FIG. 5 , in one embodiment, when viewed from the Z-axis in a direction perpendicular to the substrate 140, it does not overlap the first loop resonator 120, and at least a portion of the first membrane 130 is aligned with the substrate 140. ) may be positioned spaced apart from the first loop resonator 120 in a direction parallel to the plane.

제1 멤브레인(130)은 기판(140)으로부터 수직한 방향인 Z축에서 볼 때 소정의 면적을 갖는 평면 형태의 멤브레인으로 구현될 수 있다. 다른 실시 예에서, 제1 멤브레인(130)의 일부에 함몰부(dimple) 또는 공동부(cavity)가 형성될 수 있다. 공동부는 평면 형태의 멤브레인의 상부 공간과 하부 공간을 연통 시키는 관통 구조일 수 있다. 함몰부, 공동부를 형성하는 경우 함몰부, 공동부의 크기 등의 설계를 통해 센싱 가능한 초음파의 주파수 특성을 결정할 수 있고, 제1 멤브레인(130)의 외압에 대한 캔틸레버의 댐핑 등의 기계적 특성 또한 변화시킬 수 있다.The first membrane 130 may be implemented as a planar membrane having a predetermined area when viewed from the Z-axis, which is a direction perpendicular to the substrate 140. In another embodiment, a dimple or cavity may be formed in a portion of the first membrane 130. The cavity may be a penetrating structure that communicates the upper space and lower space of the planar membrane. When forming a depression or cavity, the frequency characteristics of ultrasonic waves that can be sensed can be determined through the design of the size of the depression or cavity, and mechanical properties such as damping of the cantilever against the external pressure of the first membrane 130 can also be changed. You can.

광역의 스펙트럼을 갖는 광이 광 도파로(110)를 통해 전송되면 광 스펙트럼의 일부가 광 도파로(110)와 인접한 부분의 제1 루프 공진기(120)로 결합되어, 광 도파로(110)의 타단에서 측정된 광의 스펙트럼은 도 4의 점선과 같이 제1 루프 공진기(120)의 공명으로 인해 특정 파장()에서 광의 세기가 감소되는 현상을 확인할 수 있다.When light with a wide spectrum is transmitted through the optical waveguide 110, part of the optical spectrum is combined into the first loop resonator 120 adjacent to the optical waveguide 110 and measured at the other end of the optical waveguide 110. The spectrum of the light has a specific wavelength ( ), a phenomenon in which the intensity of light is reduced can be seen.

제1 멤브레인(130)이 없다고 가정하면, 제1 루프 공진기(120)로 인한 광 도파로(110)의 광 세기가 감소하는 특정 파장()과 제1 루프 공진기(120)의 둘레 길이(l)는 <수학식 1>과 같은 관계를 갖는다.Assuming that there is no first membrane 130, a specific wavelength ( ) and the circumferential length (l) of the first loop resonator 120 have the same relationship as <Equation 1>.

m은 정수이고, 는 제1 루프 공진기(120)의 유효 굴절률(index of refraction)이다.m is an integer, is the effective index of refraction of the first loop resonator 120.

제1 멤브레인(130)이 제1 루프 공진기(120)와 적절한 간격으로 가깝게 이격하여 위치함으로써 제1 멤브레인(130)은 제1 루프 공진기(120)의 둘레 길이(l)가 일부 늘어난 것과 것과 같은 효과를 가져오고, 제1 멤브레인(130)이 없을 때와 비교하여 광 세기가 감소하는 특정 파장은 다를 수 있다.By positioning the first membrane 130 at an appropriate distance from the first loop resonator 120, the first membrane 130 has the same effect as partially increasing the circumferential length (l) of the first loop resonator 120. , and the specific wavelength at which the light intensity decreases compared to when the first membrane 130 is not present may be different.

이 경우, 제1 루프 공진기(120)와 근접하게 이격하여 위치한 제1 멤브레인(130)으로 인해 제1 루프 공진기(120)의 둘레 길이(l)가 증가한 효과를 가져오고, 그 결과 광 도파로(110)의 광 세기가 감소하는 파장을 공진 파장()이라고 할 수 있다. 공진 파장()은 제1 멤브레인(130)과 제1 루프 공진기(120) 사이의 이격 거리의 변화에 따라서 변화한다. In this case, the circumferential length (l) of the first loop resonator 120 increases due to the first membrane 130 located close to the first loop resonator 120, and as a result, the optical waveguide 110 The wavelength at which the light intensity decreases is the resonance wavelength ( ) can be said. Resonant wavelength ( ) changes according to the change in the separation distance between the first membrane 130 and the first loop resonator 120.

도 3을 참조하면, 광역의 스펙트럼을 갖는 광이 광 도파로(110)를 통해 전송되면 광 스펙트럼 중 공진 파장과 같은 광 스펙트럼의 일부가 광 도파로(110)와 인접한 부분의 제1 루프 공진기(120)로 전파되어, 광 도파로(110)의 타단에서 측정된 광은 공진 파장에 대응하는 파장의 광 세기가 낮아진다. 하지만, 제1 멤브레인(130)은 광 도파로(110)의 일단으로 입사한 광이 직접적으로 제1 멤브레인(130)으로 전파되지 않을 정도로 멀리 이격되어 위치한다. 하지만, 제1 멤브레인(130)은 제1 루프 공진기(120)와 근접하게 이격하여 위치함으로써 제1 루프 공진기(120)의 유효 둘레 길이가 변화하는 효과로서 광 도파로(110)의 광 전파 특성에 영향을 미친다.Referring to FIG. 3, when light with a wide spectrum is transmitted through the optical waveguide 110, a portion of the optical spectrum, such as the resonance wavelength, is transmitted to the first loop resonator 120 adjacent to the optical waveguide 110. As the light propagates and is measured at the other end of the optical waveguide 110, the light intensity of the wavelength corresponding to the resonance wavelength is lowered. However, the first membrane 130 is positioned so far apart that light incident on one end of the optical waveguide 110 does not propagate directly to the first membrane 130. However, the first membrane 130 is located close to and spaced apart from the first loop resonator 120, thereby changing the effective peripheral length of the first loop resonator 120, thereby affecting the light propagation characteristics of the optical waveguide 110. It's crazy.

제1 멤브레인(130)은 광 도파로(110)에서 먼 방향인 일단을 축으로 평면의 구조가 진동 가능한 외팔 구조(cantilever ctructure)를 가진다. 기판(140)의 적어도 일부(142)는 Z축 방향으로 적어도 일부가 함몰된 함몰부를 가지거나, 기판(140)의 상부 공간과 하부 공간을 연통 시키는 관통 구조인 공동부(cavity)를 포함할 수 있다. 제1 멤브레인(130)은 외팔 구조를 가짐으로써 외부의 음압에 의하여 기판의 함몰부 또는 공동부에서 Z축 방향으로 일단을 축으로 하여 상하 진동하고, 제1 멤브레인(130)의 진동으로 인하여 제1 루프 공진기(120)와 이격 거리가 변화할 수 있다.The first membrane 130 has a cantilever structure capable of vibrating in a plane structure with one end facing away from the optical waveguide 110 as its axis. At least a portion 142 of the substrate 140 may have a depression in which at least a portion of the substrate 140 is depressed in the Z-axis direction, or may include a cavity that is a penetrating structure that communicates the upper space and the lower space of the substrate 140. there is. The first membrane 130 has a cantilever structure and vibrates up and down with one end in the Z-axis direction in the depression or cavity of the substrate due to external negative pressure, and the vibration of the first membrane 130 causes the first membrane 130 to vibrate. The separation distance from the loop resonator 120 may vary.

본 명세서에서 외팔 구조는 어느 일단이 기판(140)과 연결되어 고정되어 있고 타단은 고정되지 않은 형태로서, 보(beam)의 형태만을 의미하지 않고 기판(140)과 수직한 Z축에서 바라볼 때 소정의 면적을 가지는 구조가 일단이 기판(140)에 고정되어 있는 형태를 포함한다.In this specification, the cantilever structure has one end connected and fixed to the substrate 140 and the other end is not fixed, and does not only mean the shape of a beam, but when viewed from the Z axis perpendicular to the substrate 140. A structure having a predetermined area includes one end fixed to the substrate 140.

도 4를 참조하면, 제1 멤브레인(130)과 제1 루프 공진기(120)로 인한 공진 파장()은 제1 멤브레인(130)의 진동으로 인한 제1 루프 공진기(120) 사이의 이격 거리의 변화에 따라서 변화한다. 초음파가 센서로 입사에 따른 외부의 음압은 최초에 제1 멤브레인(130)의 적어도 일부를 일단을 축으로 하여 제1 루프 공진기(120) 방향으로 가까워지게 한다. 따라서, 제1 루프 공진기(120)의 둘레 길이는 더 길어진 효과가 발생하게 되고 공진 파장()은 도 4의 점선과 같이 이동하게 된다. 도 4에서 제1 멤브레인(130)이 제1 루프 공진기(120)의 상부 방향으로 일정하게 이격하여 위치할 때(de-coupled) 공진 파장()은 1550nm 였지만, 초음파의 외압으로 인하여 일 순간 제1 루프 공진기(120)와 가까워진 경우(coupled) 공진 파장()은 1551.5nm로 이동한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 광 도파로(110)의 타단에서 출사되는 광에 대하여 미리 설정된 측정 파장()에서 광의 세기 변화를 측정하면, 도 4에서 보듯이 제1 멤브레인(130)이 제1 루프 공진기(120)와 가까워 짐으로써 측정 파장()에서 광의 세기가 증가된다. 측정 파장()에서의 광의 세기 변화는 초음파의 외압(acoustic pressure)으로 인한 것이므로, 이를 초음파의 크기로 인식하여, 광의 세기 변화에 기반하여 전기적 신호를 생성함으로써 초음파 센서를 구현할 수 있다.Referring to FIG. 4, the resonance wavelength due to the first membrane 130 and the first loop resonator 120 ( ) changes according to the change in the separation distance between the first loop resonators 120 due to the vibration of the first membrane 130. The external sound pressure caused by the incident ultrasonic waves on the sensor initially causes at least a portion of the first membrane 130 to approach the first loop resonator 120 with one end as the axis. Accordingly, the circumferential length of the first loop resonator 120 becomes longer, and the resonance wavelength ( ) moves like the dotted line in Figure 4. In Figure 4, when the first membrane 130 is positioned at regular intervals (de-coupled) in the upper direction of the first loop resonator 120, the resonance wavelength ( ) was 1550 nm, but when it became close (coupled) to the first loop resonator 120 for a moment due to the external pressure of ultrasonic waves, the resonance wavelength ( ) can be confirmed to have moved to 1551.5nm. Therefore, a preset measurement wavelength ( ), when measuring the change in light intensity, as shown in FIG. 4, the first membrane 130 approaches the first loop resonator 120, thereby increasing the measurement wavelength ( ), the intensity of light increases. Measurement wavelength ( ), the change in intensity of light is due to the external pressure (acoustic pressure) of ultrasonic waves, so an ultrasonic sensor can be implemented by recognizing this as the size of ultrasonic waves and generating an electrical signal based on the change in intensity of light.

도 5 및 도 6을 참조하여 초음파 센서의 일 실시 예를 설명한다. 앞에서 설명한 부분과 중복되는 부분을 자세한 설명을 생략한다.An example of an ultrasonic sensor will be described with reference to FIGS. 5 and 6 . Detailed descriptions of parts that overlap with those explained previously will be omitted.

도 5를 참조하면, 일 실시 예에서, 기판(140a)으로부터 수직한 방향인 Z축에서 볼 때 제1 루프 공진기(120a)와 중첩하지 않고, 제1 멤브레인(130a)의 적어도 일부는 기판(140a)의 평면과 평행한 방향으로 제1 루프 공진기(120a)와 이격하여 위치할 수 있고, A-A'의 절단면을 따라 Y축에서 바라본 측면도는 도 6과 같을 수 있다. Referring to FIG. 5, in one embodiment, when viewed from the Z-axis in a direction perpendicular to the substrate 140a, it does not overlap the first loop resonator 120a, and at least a portion of the first membrane 130a is aligned with the substrate 140a. ) may be positioned spaced apart from the first loop resonator 120a in a direction parallel to the plane, and a side view viewed from the Y axis along the cutting plane A-A' may be as shown in FIG. 6.

제1 멤브레인(130a)은 Y축에서 바라볼 때 소정의 두께를 가지는 위상 이동기(phase shifter)(136a), 위상 이동기(136a)와 기판에 고정된 축을 연결하는 캔틸레버(134a)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 캔틸레버(134a)의 두께(h)는 위상 이동기(136a)의 두께보다 얇을 수 있고, 캔틸레버(134a)의 적어도 일부는 제1 루프 공진기(120a)의 상부면보다 낮은 높이에 형성될 수 있다. The first membrane 130a may include a phase shifter 136a having a predetermined thickness when viewed from the Y axis, and a cantilever 134a connecting the phase shifter 136a and an axis fixed to the substrate. . In one embodiment, the thickness h of the cantilever 134a may be thinner than the thickness of the phase shifter 136a, and at least a portion of the cantilever 134a may be formed at a lower height than the upper surface of the first loop resonator 120a. You can.

기판(140a)의 적어도 일부(142a)는 함몰부 또는 공동부를 가지고, 제1 멤브레인(130a)은 함몰부 또는 공동부에서 초음파의 외압으로 인한 상하 진동하여, 제1 루프 공진기(120a)와의 이격 거리(d3)가 변화할 수 있다. 제1 멤브레인(130a)의 위상 이동기(136a)는 중립적인 위치(A1)에서 초음파의 외압으로 인하여 아래 방향으로 이동했다가 캔틸레버(134a)의 탄성으로 인하여 상측 위치(A2)로 이동하는 진동 운동을 할 수 있다. 도 5 및 6의 구조를 가지는 제1 멤브레인(130a)으로 인한 공진 파장()은 도 4와 달리 초음파의 외압으로 인하여 제1 멤브레인(130a)과 제1 루프 공진기(120a)와의 거리가 멀어지게 되므로 오히려 낮은 파장 영역으로 이동할 수 있음을 통상의 기술자는 이해할 수 있다.At least a portion 142a of the substrate 140a has a depression or cavity, and the first membrane 130a vibrates up and down in the depression or cavity due to the external pressure of ultrasonic waves, thereby increasing the separation distance from the first loop resonator 120a. (d3) can change. The phase shifter 136a of the first membrane 130a moves downward due to the external pressure of ultrasonic waves in the neutral position A1 and then moves to the upper position A2 due to the elasticity of the cantilever 134a. can do. Resonant wavelength ( ), unlike FIG. 4, can move to a lower wavelength range because the distance between the first membrane 130a and the first loop resonator 120a increases due to the external pressure of ultrasonic waves.

일 실시 예에서, 제1 멤브레인(130a)의 캔틸레버(134a) 및 위상 이동기(136a)는 기판(140a)에서 수직한 방향에서 볼 때 각각 소정의 면적을 가질 수 있다. 기판(140a)에서 수직한 방향에서 볼 때 각각 소정의 면적은 위상 이동기(136a)는 제1 면이고, 캔틸레버(134a)는 제2 면을 가질 수 있다. In one embodiment, the cantilever 134a and the phase shifter 136a of the first membrane 130a may each have a predetermined area when viewed in a direction perpendicular to the substrate 140a. When viewed in a direction perpendicular to the substrate 140a, the phase shifter 136a may have a first surface and the cantilever 134a may have a second surface.

위상 이동기(136a)는 제1 면과 캔틸레버(134a)의 제2 면은 기하학적 형태(geometrical shape)가 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 위상 이동기(136a)는 제1 면에는 공동부가 형성되지 않고, 캔틸레버(134a)에는 함몰(dimple) 구조가 형성될 수 있다. 또는, 캔틸레버(134a)는 캔틸레버(134a)의 상부 공간과 하부 공간을 연통시키는 복수의 관통 구조(132a)를 포함할 수 있다. The first surface of the phase shifter 136a and the second surface of the cantilever 134a may have different geometrical shapes. For example, a cavity may not be formed on the first side of the phase shifter 136a, and a dimple structure may be formed on the cantilever 134a. Alternatively, the cantilever 134a may include a plurality of penetrating structures 132a that communicate with the upper space and lower space of the cantilever 134a.

캔틸레버(134a)의 관통 구조(132a), 함몰부 구조의 실험과 세밀한 설계를 통하여 초음파의 외압에 의한 캔틸레버(134a)의 움직임을 제어할 수 있다. 또한, 캔틸레버(134a)의 관통 구조(132a), 함몰부 구조의 설계 구조에 기반한 진동 특성에 따라 센싱 가능한 초음파의 주파수 특성을 결정할 수 있다. 예를 들어, 관통 구조(132a)가 적을수록 센싱 초음파 주파수는 좁은 대역을 센싱할 수 있고, 관통 구조(132a)가 많을수록 주변의 공기 또는 유체에 대한 진동 저항이 적으므로 넓은 대역의 초음파 주파수를 센싱할 수 있다. The movement of the cantilever 134a due to the external pressure of ultrasonic waves can be controlled through experiments and detailed design of the penetrating structure 132a and the recessed structure of the cantilever 134a. In addition, the frequency characteristics of ultrasonic waves that can be sensed can be determined according to the vibration characteristics based on the design structure of the penetrating structure 132a and the recessed structure of the cantilever 134a. For example, the fewer penetrating structures 132a, the narrower the sensing ultrasonic frequency band can be sensed, and the more penetrating structures 132a, the less vibration resistance to surrounding air or fluid, allowing sensing of a wider band of ultrasonic frequencies. can do.

캔틸레버(134a) 및 위상 이동기(136a)는 서로 다른 특성을 가지는 물질로 구현될 수 있다. 예를 들어, 광 손실(optical loss), 굴절률(refractive index), 탄성(elasticity), 광 분산(optical dispersion), 점성(viscosity) 또는 밀도(density) 중 어느 하나가 서로 다른 물질로 구성될 수 있다.The cantilever 134a and the phase shifter 136a may be implemented with materials having different characteristics. For example, optical loss, refractive index, elasticity, optical dispersion, viscosity, or density may be made of different materials. .

도 7 및 도 8을 참조하여 초음파 센서의 다른 실시 예를 설명한다. 앞에서 설명한 부분과 중복되는 부분을 자세한 설명을 생략한다.Another example of an ultrasonic sensor will be described with reference to FIGS. 7 and 8 . Detailed descriptions of parts that overlap with those explained previously will be omitted.

제1 멤브레인(130b)은 기판(140b)에서 수직한 방향인 Z축에서 볼 때 제1 루프 공진기(120b)의 적어도 일부와 중첩하고, 제1 멤브레인(130b)의 적어도 일부는 기판(140b)에서 수직한 방향으로 제1 루프 공진기(120b)와 소정의 거리(d2)만큼 이격하여 위치할 수 있고, A-A'의 절단면을 따라 Y축에서 바라본 측면도는 도 8과 같을 수 있다. The first membrane 130b overlaps at least a portion of the first loop resonator 120b when viewed in the Z-axis, which is a direction perpendicular to the substrate 140b, and at least a portion of the first membrane 130b is visible from the substrate 140b. It may be positioned at a predetermined distance d2 from the first loop resonator 120b in the vertical direction, and a side view viewed from the Y-axis along the cutting plane A-A' may be as shown in FIG. 8.

도 8을 참조하면, 제1 멤브레인(130b)은 Y축에서 바라볼 때 소정의 두께를 가지는 위상 이동기(136b), 위상 이동기(136b)와 기판에 고정된 축을 연결하는 캔틸레버(134b)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 캔틸레버(134a)의 적어도 일부는 제1 루프 공진기(120a)의 상부면보다 낮은 높이에 형성되고, 위상 이동기(136)의 적어도 일부는 제1 루프 공진기(120a)의 상부면보다 높은 위치에 형성될 수 있다. 위상 이동기(136b)의 적어도 일부는 기판(140b)과 평행한 Y축을 따라 소정의 거리(d3)만큼 이격될 수 있다.Referring to FIG. 8, the first membrane 130b may include a phase shifter 136b having a predetermined thickness when viewed from the Y axis, and a cantilever 134b connecting the phase shifter 136b and an axis fixed to the substrate. You can. In one embodiment, at least a portion of the cantilever 134a is formed at a height lower than the upper surface of the first loop resonator 120a, and at least a portion of the phase shifter 136 is positioned higher than the upper surface of the first loop resonator 120a. can be formed in At least a portion of the phase shifter 136b may be spaced apart by a predetermined distance d3 along the Y-axis parallel to the substrate 140b.

기판(140b)의 적어도 일부(142b)는 함몰부 또는 공동부를 가지고, 제1 멤브레인(130b)은 함몰부 또는 공동부에서 초음파의 외압으로 인한 상하 진동하여, 제1 루프 공진기(120b)와의 이격 거리(d2 및 d3)가 변화할 수 있다. 제1 멤브레인(130b)의 위상 이동기(136b)는 중립적인 위치(A1)에서 초음파의 외압으로 인하여 제1 루프 공진기(120b)의 상부면 사이의 이격 거리(d2)가 가까워지는 아래 방향으로 이동했다가 캔틸레버(134b)의 탄성으로 인하여 상측 위치(A2)로 이동하는 진동 운동을 할 수 있다. 도 8에서 캔틸레버(134b)의 탄성으로 인한 제1 멤브레인(130b)의 위치 A2는 설명을 위하여 과장된 것임을 통상의 기술자는 이해할 수 있다. 도 7 및 8의 구조를 가지는 제1 멤브레인(130b)으로 인한 공진 파장()은 도 4와 같을 수 있다.At least a portion 142b of the substrate 140b has a depression or cavity, and the first membrane 130b vibrates up and down in the depression or cavity due to the external pressure of ultrasonic waves, thereby increasing the separation distance from the first loop resonator 120b. (d2 and d3) can vary. The phase shifter 136b of the first membrane 130b moved from the neutral position A1 in a downward direction where the separation distance d2 between the upper surfaces of the first loop resonator 120b became closer due to the external pressure of ultrasonic waves. Due to the elasticity of the cantilever 134b, it can perform a oscillating movement moving to the upper position A2. Those skilled in the art can understand that the position A2 of the first membrane 130b due to the elasticity of the cantilever 134b in FIG. 8 is exaggerated for explanation. Resonant wavelength ( ) may be the same as Figure 4.

제1 멤브레인(130b)의 캔틸레버(134b)는 상부 공간 및 하부 공간을 관통하여 연결하는 구조(132b)를 포함할 수 있다. 이의 효과는 도 5 및 6을 참조하여 설명한 것처럼, 캔틸레버(134b)의 관통 구조(132b), 함몰부 구조의 실험과 세밀한 설계를 통하여 초음파의 외압에 의한 캔틸레버(134b)의 움직임을 제어할 수 있고, 센싱 가능한 초음파의 주파수 특성을 결정할 수 있다.The cantilever 134b of the first membrane 130b may include a structure 132b that penetrates and connects the upper space and the lower space. As explained with reference to FIGS. 5 and 6, the movement of the cantilever 134b due to the external pressure of ultrasonic waves can be controlled through experiments and detailed design of the penetration structure 132b and the recessed structure of the cantilever 134b. , the frequency characteristics of ultrasonic waves that can be sensed can be determined.

도 8 및 9를 참조하여 제1 멤브레인(130b)의 위상 이동기(136b)의 다른 실시 예들을 설명한다.Other embodiments of the phase shifter 136b of the first membrane 130b will be described with reference to FIGS. 8 and 9.

제1 멤브레인(130b)의 일단은 기판(140b)에 고정되어 진동 운동의 축으로 작용하고, 일단의 반대 방향의 타단에 위치한 위상 이동기(136b)는 제1 루프 공진기(120b)의 상부면과 이격 거리(d2)를 유지 하면서 제1 루프 공진기(120b)의 둘레의 적어도 일부를 따르는 형태일 수 있다. 이를 기판(140b)의 수직 방향인 Z축에서 바라보면, 도 9 (a)와 같이 위상 이동기(136b1)의 일부가 제1 루프 공진기(120b)의 둘레를 따르는 형태이거나, 도 9 (b)와 같이 위상 이동기(136b2)의 전부가 제1 루프 공진기(120b)의 둘레를 따르는 형태일 수 있다. 위상 이동기(136b)가 도 9 (b)와 같은 형태인 경우, 제1 루프 공진기(120b)의 둘레 길이가 늘어나는 효과가 더 증대하므로, 초음파의 외압에 따른 공진 파장()의 변화 및 측정 파장()에서의 광 세기 변화가 더 커질 수 있다. 따라서, 초음파에 대한 민감도가 증가할 수 있다.One end of the first membrane 130b is fixed to the substrate 140b and acts as an axis of vibration movement, and the phase shifter 136b located at the other end in the opposite direction is spaced apart from the upper surface of the first loop resonator 120b. It may be in a form that follows at least a portion of the circumference of the first loop resonator 120b while maintaining the distance d2. When viewed from the Z-axis, which is the vertical direction of the substrate 140b, a portion of the phase shifter 136b1 follows the circumference of the first loop resonator 120b, as shown in FIG. 9 (a), or as shown in FIG. 9 (b). Likewise, the entire phase shifter 136b2 may have a shape that follows the circumference of the first loop resonator 120b. When the phase shifter 136b has the shape shown in FIG. 9 (b), the effect of increasing the circumferential length of the first loop resonator 120b is further increased, so the resonance wavelength ( ) and the measurement wavelength ( ), the change in light intensity may be greater. Therefore, sensitivity to ultrasound may increase.

일 실시 예에서, 위상 이동기(136b1, 136b2)는 함몰된 구조 또는 관통된 구조를 포함할 수 있고, 함몰된 구조 또는 관통된 구조의 크기 또는 개수는 캔틸레버(134b1, 134b2)의 함몰된 구조 또는 관통된 구조의 크기 또는 개수와 다를 수 있다. 위상 이동기(136b1, 136b2)는 함몰된 구조 또는 관통된 구조의 설계에 따라 포토닉 크리스털(photonic crystal) 효과로 인하여 광학적 및/또는 기계적 효과가 커질 수 있다.In one embodiment, the phase shifters 136b1 and 136b2 may include recessed structures or penetrating structures, and the size or number of recessed structures or penetrating structures may be determined by the recessed structures or penetrating structures of the cantilevers 134b1 and 134b2. The size or number of structures may be different. The optical and/or mechanical effects of the phase shifters 136b1 and 136b2 may increase due to the photonic crystal effect depending on the design of the recessed or perforated structure.

도 10을 참조하여 초음파 센서의 다른 실시 예를 설명한다. 앞에서 설명한 부분과 중복되는 부분을 자세한 설명을 생략한다.Another example of an ultrasonic sensor will be described with reference to FIG. 10 . Detailed descriptions of parts that overlap with those explained previously will be omitted.

일 실시 예에서 제1 멤브레인은 기판에서 수직한 방향인 Z축에서 볼 때 제1 루프 공진기(120c)의 적어도 일부와 중첩하고, 제1 멤브레인의 적어도 일부는 기판에서 수직한 방향으로 제1 루프 공진기(120c)와 소정의 거리(d2)만큼 이격하여 위치할 수 있고, 기판에서 평행한 방향으로 제1 루프 공진기(120c)와 소정의 거리(d3, d4)만큼 이격하여 위치할 수 있다. 즉, 제1 멤브레인의 위상 이동기(136c)는 제1 루프 공진기(120c)의 3개 면과 소정의 거리(d2, d3, d4)를 두고 이격하도록 위치할 수 있다. 따라서, 제1 루프 공진기(120c)의 둘레 길이가 늘어나는 효과가 더 증대하므로, 초음파의 외압에 따른 공진 파장()의 변화 및 측정 파장()에서의 광 세기 변화가 더 커질 수 있다. 따라서, 초음파에 대한 민감도가 증가할 수 있다.In one embodiment, the first membrane overlaps at least a portion of the first loop resonator 120c when viewed from the Z-axis, which is a direction perpendicular to the substrate, and at least a portion of the first membrane overlaps the first loop resonator 120c in a direction perpendicular to the substrate. It may be positioned at a predetermined distance (d2) apart from (120c), and may be positioned at a predetermined distance (d3, d4) away from the first loop resonator (120c) in a direction parallel to the substrate. That is, the phase shifter 136c of the first membrane may be positioned to be spaced apart from the three surfaces of the first loop resonator 120c at a predetermined distance (d2, d3, d4). Therefore, the effect of increasing the circumferential length of the first loop resonator 120c is further increased, so the resonance wavelength ( ) and the measurement wavelength ( ), the change in light intensity may be greater. Therefore, sensitivity to ultrasound may increase.

도 10을 참조하여 초음파 센서의 캔틸레버 설계 구조에 따른 민감도 실험 결과를 설명한다.With reference to FIG. 10, the results of a sensitivity test according to the cantilever design structure of the ultrasonic sensor will be described.

앞에서 설명한 것처럼 캔틸레버의 관통 구조, 함몰부 구조의 실험과 세밀한 설계를 통하여 초음파의 외압에 의한 캔틸레버의 움직임을 제어할 수 있을 뿐 아니라, 캔틸레버의 두께(t) 및 길이(l)에 따라 초음파 센싱의 민감도를 제어할 수 있다. As explained previously, through experiments and detailed design of the cantilever's penetrating structure and recessed structure, not only can the movement of the cantilever due to the external pressure of ultrasonic waves be controlled, but also the ultrasonic sensing can be controlled according to the thickness (t) and length (l) of the cantilever. Sensitivity can be controlled.

캔틸레버의 두께(t) 및 길이(l)에 따른 센싱 초음파의 중심 주파수()는 <수학식 2>와 같은 관계를 갖고, 초음파 민감도(S: sensitivity)는 <수학식 3>과 같은 관계를 가짐을 도 11의 실험 결과로 확인할 수 있고, 그 결과 캔틸레버의 두께(t) 및 길이(l)를 적합하게 설계함으로써 검사 영역에 따른 초음파 중심 주파수에 대한 초음파 센싱의 민감도를 제어할 수 있다.The center frequency of the sensing ultrasound ( ) has the same relationship as <Equation 2>, and ultrasonic sensitivity (S) has the same relationship as <Equation 3>. It can be confirmed from the experimental results of FIG. 11 that the thickness (t) of the cantilever is By appropriately designing the length (l), the sensitivity of ultrasonic sensing to the ultrasonic center frequency according to the inspection area can be controlled.

도 12를 참조하여 초음파 센서의 측정 주파수 밴드 대역폭 실험 결과를 설명한다.The results of the measurement frequency band bandwidth experiment of the ultrasonic sensor will be described with reference to FIG. 12.

본 명세서의 실시 예들에 따른 초음파 센서의 광 도파로, 루프 공진기, 멤브레인(위상 이동기, 캔틸레버)은 기판에 증착, 식각 등의 반도체 공정을 통하여 구현될 수 있다. 따라서, 매우 좁은 영역에 다수의 셀을 포함하는 셀 어레이 구조로 제작 가능하고, 생산 재현성이 뛰어난 효과를 가진다. The optical waveguide, loop resonator, and membrane (phase shifter, cantilever) of the ultrasonic sensor according to the embodiments of the present specification may be implemented on a substrate through semiconductor processes such as deposition and etching. Therefore, it is possible to manufacture a cell array structure containing a large number of cells in a very narrow area, and has excellent production reproducibility.

도 15를 참조하면, 일 실시예에서, 초음파 센서는 광 기판(1540) 상면에 형성된 도파로(1510)와 도파로(1510)에 근접하게 위치한 루프 공진기(1520), 기판(1540)으로부터 수직한 방향인 Z축에서 볼 때 멤브레인의 적어도 일부는 루프 공진기(1520)와 중첩하면서 루프 공진기(1520)와 이격하여 위치할 수 있다. 멤브레인은 초음파 음압으로 인해 상하 방향으로 진동하는 캔틸레버(1534) 구조를 가질 수 있다. 초음파 센서는 캔틸레버(1534) 상면에 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등의 탄성을 갖는 물질로 구성된 확산층(dissipative layer)(1550)을 포함할 수 있다. 확산층(1550)의 추가를 통해 종래의 PZT 기반 초음파 프로브에 비해 대역폭(bandwidth)을 도 12의 실험 결과와 같이 비약적으로 향상시킬 수 있다. 탄성체인 확산층(1550)을 캔틸레버(1534) 상면에 추가하는 경우 확산층의 음향 임피던스로 인해 초음파 외압으로 인한 캔틸레버(1534) 진동의 기계적인 감쇠 특성을 변형 가능하고, 캔틸레버(1534) 진동의 기계적 감쇠는 주파수 영역의 대역폭을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.확산층(1550)은 캔틸레버(1534)가 형성되는 층의 상면에 PDMS 등을 도포한 후 경화시키고, 이를 에칭하여 캔틸레버(1534) 및 확산층(1550)을 동시에 형성할 수 있다. 확산층(1550)은 앞서 다른 도면들을 참조하여 설명한 실시 예들에서도 유사한 방식으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 15, in one embodiment, the ultrasonic sensor includes a waveguide 1510 formed on the upper surface of the optical substrate 1540, a loop resonator 1520 located close to the waveguide 1510, and a direction perpendicular to the substrate 1540. When viewed from the Z-axis, at least a portion of the membrane may overlap the loop resonator 1520 and be positioned spaced apart from the loop resonator 1520 . The membrane may have a cantilever 1534 structure that vibrates up and down due to ultrasonic sound pressure. The ultrasonic sensor may include a dissipative layer 1550 made of an elastic material such as polydimethylsiloxane (PDMS) on the upper surface of the cantilever 1534. By adding the diffusion layer 1550, the bandwidth can be dramatically improved compared to the conventional PZT-based ultrasonic probe, as shown in the experimental results of FIG. 12. When an elastic diffusion layer 1550 is added to the upper surface of the cantilever 1534, the mechanical attenuation characteristics of the cantilever 1534 vibration caused by ultrasonic external pressure can be modified due to the acoustic impedance of the diffusion layer, and the mechanical attenuation of the cantilever 1534 vibration is The effect of increasing the bandwidth of the frequency domain can be obtained. The diffusion layer 1550 is formed by applying PDMS, etc. to the upper surface of the layer where the cantilever 1534 is formed, curing it, and etching the cantilever 1534 and the diffusion layer 1550. can be formed simultaneously. The diffusion layer 1550 may be formed in a similar manner in the embodiments previously described with reference to other drawings.

도 13을 참조하여 셀 어레이 구조의 초음파 센서를 설명한다.An ultrasonic sensor with a cell array structure will be described with reference to FIG. 13.

초음파 센서는 복수의 광 도파로를 포함할 수 있고, 그 중 하나의 광 도파로(1310)는 복수의 셀과 광학적으로 연결될 수 있다. 동일한 광 도파로에 광학적으로 연결된 복수의 셀 중 적어도 두 개의 셀(1320, 1330)은 각각 둘레의 길이가 서로 다른 링 공진기(1322, 1332) 및 기판과 수직한 방향에서 바라볼 때 서로 면적이 다른 멤브레인(1324, 1334)을 포함할 수 있다. The ultrasonic sensor may include a plurality of optical waveguides, and one of the optical waveguides 1310 may be optically connected to a plurality of cells. Among the plurality of cells optically connected to the same optical waveguide, at least two cells (1320, 1330) each have ring resonators (1322, 1332) with different circumferential lengths and membranes with different areas when viewed in a direction perpendicular to the substrate. May include (1324, 1334).

각 셀은 둘레의 길이가 서로 다른 링 공진기(1322, 1332)를 포함하므로, 광 도파로에서 전파되는 광 스펙트럼과 공진하는 공진 파장(,)이 서로 다를 수 있다.Since each cell includes ring resonators 1322 and 1332 with different circumference lengths, the resonant wavelength ( , ) may be different.

초음파 센서는 광 도파로(1310)의 타단에서 출사하는 광을 측정하는 광 수신부를 더 포함할 수 있고, 이 경우 광 수신부는 광 도파로(1310)의 타단에서 출사하는 광의 세기의 변화를 각 셀마다 다른 측정 파장(,)에서 측정할 수 있다. 따라서, 각 셀마다 초음파 음압의 크기를 별개로 측정할 수 있다.The ultrasonic sensor may further include an optical receiver that measures light emitted from the other end of the optical waveguide 1310. In this case, the optical receiver measures the change in intensity of light emitted from the other end of the optical waveguide 1310 in a different manner for each cell. Measurement wavelength ( , ) can be measured. Therefore, the level of ultrasonic sound pressure can be measured separately for each cell.

각 셀의 멤브레인(1324, 1334)은 기판의 평면에 수직한 Z축에서 바라볼 때, 멤브레인(1324, 1334)의 적어도 일부가 각 링 공진기(1322, 1332)의 일부를 덮지 않는 도 5 및 6과 같은 형태로 구현되거나, 각 링 공진기(1322, 1332)의 일부를 덮는 도 7 및 8과 같은 형태로 구현될 수 있다.5 and 6, wherein at least a portion of the membrane 1324, 1334 does not cover a portion of each ring resonator 1322, 1332 when viewed in the Z-axis perpendicular to the plane of the substrate. It may be implemented in a form like , or it can be implemented in a form like FIGS. 7 and 8 that covers part of each ring resonator (1322, 1332).

멤브레인(1324, 1334)은 링 공진기(1322, 1332)와 근접하여 위치하는 위상 이동기, 위상 이동기와 기판에 고정된 축을 연결하는 캔틸레버를 포함할 수 있다. 위상 이동기 및/또는 캔틸레버의 적어도 일부에는 앞에서 설명한 것처럼 일부에 함몰부 또는 상부 공간과 하부 공간을 연통 시키는 관통 구조인 공동부가 형성될 수 있다. 위상 이동기와 캔틸레버에 관통 구조가 형성되는 경우 서로 관통 구조의 기하학적 구조가 다를 수 있다. 예를 들어, 관통 구조의 지름 또는 관통 구조의 개수 중 적어도 어느 하나가 서로 다를 수 있다.The membranes 1324 and 1334 may include a phase shifter positioned in close proximity to the ring resonators 1322 and 1332, and a cantilever connecting the phase shifter and an axis fixed to the substrate. As described above, at least a portion of the phase shifter and/or cantilever may be formed with a depression or a cavity, which is a penetrating structure that communicates the upper space and the lower space. When a penetrating structure is formed in the phase shifter and the cantilever, the geometry of the penetrating structure may be different. For example, at least one of the diameter of the penetrating structure or the number of penetrating structures may be different.

도 14를 참조하여 초음파 센서의 제어 방법을 설명한다.The control method of the ultrasonic sensor will be described with reference to FIG. 14.

초음파 센서는 도 1과 같은 초음파 본체(3000)의 프로세서로부터 제어 신호가 초음파 프로브(2000)로 전송되는 것일 수 있다. 또는 프로세서의 제어 신호를 받은 초음파 프로브(2000)가 수신한 제어 신호에 맞도록 초음파 센서 어레이(1000) 및 광 송신부, 광 수신부를 제어하는 것일 수 있다.The ultrasonic sensor may be one that transmits a control signal from the processor of the ultrasonic body 3000 as shown in FIG. 1 to the ultrasonic probe 2000. Alternatively, the ultrasonic probe 2000, which has received a control signal from the processor, may control the ultrasonic sensor array 1000, the optical transmitter, and the optical receiver to match the received control signal.

프로세서는 직선 형태의 광 도파로의 일단으로 복수의 스펙트럼을 갖는 광을 입사시킨다(S110). 이후 광 도파로에 입사된 광 스펨트럼의 일부는 광 도파로가 위치한 평면에서 광 도파로에서 이격하여 위치하는 루프 공진기로 전파될 수 있다. 루프 공진기로 전파되는 광의 파장은 루프 공진기의 둘레 길이에 기반할 수 있고 <수학식 1>에 따를 수 있다. 루프 공진기과 근접하게 이격하여 위치하면서 루프 공진기의 유효 둘레 길이에 영향을 미치는 멤브레인이 초음파의 음압에 의하여 기판에 고정된 일단을 축으로 진동(상하 운동)하면서 루프 공진기와의 이격 거리가 변화할 수 있다. 멤브레인은 광 도파로의 일단으로 입사된 광이 직접적으로 전파되지 않도록 광 도파로와 멀리 이격되어 위치한다.The processor injects light with a plurality of spectra into one end of the linear optical waveguide (S110). Afterwards, a portion of the optical spectrum incident on the optical waveguide may propagate to a loop resonator located away from the optical waveguide in the plane where the optical waveguide is located. The wavelength of light propagating to the loop resonator may be based on the circumferential length of the loop resonator and may follow Equation 1. The separation distance from the loop resonator may change as the membrane, which is located close to the loop resonator and affects the effective circumferential length of the loop resonator, vibrates (moves up and down) around one end fixed to the substrate by the sound pressure of ultrasonic waves. . The membrane is positioned far away from the optical waveguide so that light incident on one end of the optical waveguide does not propagate directly.

프로세서는 광 도파로의 타단으로 출사하는 광의 특정 파장에서의 세기를 측정하고(S120), 그 세기 변화를 초음파 음압의 크기와 연관시켜서 출력을 생성할 수 있다.The processor may measure the intensity at a specific wavelength of light emitted from the other end of the optical waveguide (S120) and generate an output by relating the change in intensity to the level of ultrasonic sound pressure.

프로세서는 초음파 센서 어레이(1000)에 포함된 복수의 셀 중 적어도 서로 다른 두 개의 셀에서의 초음파 음압의 크기를 결정하기 위하여, 서로 다른 파장에서 광의 세기 변화를 측정하고, 서로 다른 파장에서 측정된 광의 세기 변화에 기반하여 초음파 음압의 크기를 각 셀마다 결정할 수 있다.The processor measures changes in the intensity of light at different wavelengths to determine the magnitude of ultrasonic sound pressure in at least two different cells among the plurality of cells included in the ultrasonic sensor array 1000, and changes the intensity of light measured at different wavelengths. Based on the intensity change, the level of ultrasonic sound pressure can be determined for each cell.

전술한 본 개시는, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 각 장치의 프로세서를 포함할 수도 있다.The present disclosure described above can be implemented as computer-readable code on a program-recorded medium. Computer-readable media includes all types of recording devices that store data that can be read by a computer system. Examples of computer-readable media include HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Disk), SDD (Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, etc. There is. Additionally, the computer may include a processor for each device.

한편, 상기 프로그램은 본 개시를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.Meanwhile, the program may be specially designed and configured for the present disclosure, or may be known and usable by those skilled in the art of computer software. Examples of programs may include not only machine language code such as that created by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

본 개시의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 개시에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. In the specification (particularly in the claims) of the present disclosure, the use of the term “above” and similar referential terms may refer to both the singular and the plural. In addition, when a range is described in the present disclosure, the invention includes the application of individual values within the range (unless there is a statement to the contrary), and each individual value constituting the range is described in the detailed description of the invention. It's the same.

본 개시에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 개시가 한정되는 것은 아니다. 본 개시에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 개시를 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 개시의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 인자(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.Unless there is an explicit order or description to the contrary regarding the steps constituting the method according to the present disclosure, the steps may be performed in any suitable order. The present disclosure is not necessarily limited by the order of description of the steps above. The use of any examples or illustrative terms (e.g., etc.) in the present disclosure is merely to describe the present disclosure in detail, and unless limited by the claims, the scope of the present disclosure is limited by the examples or illustrative terms. It doesn't work. In addition, those skilled in the art will recognize that various modifications, combinations and changes may be made according to design conditions and factors within the scope of the appended claims or their equivalents.

따라서, 본 개시의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 개시의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present disclosure should not be limited to the above-described embodiments, and the scope of the patent claims described below as well as all scopes equivalent to or equivalently changed from the claims are within the scope of the spirit of the present disclosure. It will be said to belong to

100: 셀
110, 110a, 110b: 광 도파로
120, 120a, 120b: 루프 공진기
130, 130a, 130b: 멤브레인
132, 132a, 132b: 관통 구조
140, 140a, 140b: 기판
142, 142a, 142b: 함몰부 또는 공동부
150: 광 송신부
160: 광 수신부
1000: 센서 어레이
2000: 초음파 프로브
3000: 초음파 본체
100: cell
110, 110a, 110b: optical waveguide
120, 120a, 120b: loop resonator
130, 130a, 130b: Membrane
132, 132a, 132b: Penetrating structure
140, 140a, 140b: substrate
142, 142a, 142b: depression or cavity
150: Optical transmitter
160: Optical receiver
1000: sensor array
2000: Ultrasound probe
3000: Ultrasonic body

Claims (20)

광이 통과하도록 설정된 직선 형태의 광 도파로;
광이 통과하도록 설정되고, 상기 광 도파로가 위치한 평면과 평행한 방향으로 상기 광 도파로에서 이격하여 위치하는 제1 루프(loop) 공진기;
적어도 일부가 상기 제1 루프 공진기와 이격하여 위치하는 제1 멤브레인; 및
상기 광 도파로의 일단으로 광을 입사시키는 광 송신부를 포함하고,
상기 제1 멤브레인은 상기 광 도파로에서 먼 방향인 상기 제1 멤브레인의 일단을 축으로 하는 외팔 구조를 가지고, 외부의 음압에 의 하여 상기 제1 멤브레인이 일단을 축으로 진동하여 상기 제1 멤브레인의 적어도 일부가 상기 제1 루프 공진기와 이격 거리가 변화하는,
초음파 센서.
A straight optical waveguide configured to allow light to pass through;
a first loop resonator configured to allow light to pass through and positioned away from the optical waveguide in a direction parallel to a plane where the optical waveguide is located;
a first membrane, at least a portion of which is positioned spaced apart from the first loop resonator; and
It includes an optical transmitter that makes light incident on one end of the optical waveguide,
The first membrane has a cantilever structure with one end of the first membrane as its axis in the direction away from the optical waveguide, and the first membrane vibrates about one end of the first membrane due to external sound pressure, causing at least one end of the first membrane to vibrate. In some cases, the separation distance from the first loop resonator changes,
Ultrasonic sensor.
제1 항에 있어서,
상기 광 도파로의 일단으로 입사된 광의 스펙트럼 일부는 상기 제1 루프 공진기로 전파되고,
상기 제1 멤브레인은 상기 광 도파로의 일단으로 입사된 광이 전파되지 않도록 상기 광 도파로와 이격되어 위치하는,
초음파 센서.
According to claim 1,
A portion of the spectrum of light incident on one end of the optical waveguide propagates to the first loop resonator,
The first membrane is positioned spaced apart from the optical waveguide to prevent light incident to one end of the optical waveguide from propagating.
Ultrasonic sensor.
제1 항에 있어서,
상기 제1 멤브레인의 상기 일단의 반대 방향의 타단은 소정의 이격 거리를 가지면서 상기 제1 루프 공진기의 둘레의 적어도 일부를 따르는 형태인,
초음파 센서.
According to claim 1,
The other end of the first membrane in the opposite direction to the one end has a shape that follows at least a portion of the circumference of the first loop resonator with a predetermined separation distance,
Ultrasonic sensor.
제1 항에 있어서,
상기 제1 멤브레인의 적어도 일부는 상기 평면에서 수직한 방향으로 상기 제1 루프 공진기와 이격하여 위치하고,
상기 평면으로부터 수직한 방향에서 볼 때, 상기 제1 멤브레인의 적어도 일부는 상기 제1 루프 공진기의 적어도 일부와 중첩되고,
상기 제1 멤브레인은 상기 제1 멤브레인의 일단을 축으로 하는 진동에 따라 상기 제1 루프 공진기와 상기 평면에서 수직한 방향의 이격 거리가 변화하는,
초음파 센서.
According to claim 1,
At least a portion of the first membrane is positioned spaced apart from the first loop resonator in a direction perpendicular to the plane,
When viewed in a direction perpendicular to the plane, at least a portion of the first membrane overlaps with at least a portion of the first loop resonator,
The first membrane has a separation distance between the first loop resonator and the plane perpendicular to the plane according to vibration centered on one end of the first membrane.
Ultrasonic sensor.
제4 항에 있어서,
상기 제1 멤브레인은,
상기 평면에서 수직한 방향으로 상기 제1 루프 공진기와 이격하여 위치하는 위상 이동기(phase shifter); 및
캔틸레버의 적어도 일부가 상기 제1 루프 공진기의 상부면보다 낮은 높이에 형성된 상기 캔틸레버를 포함하는,
초음파 센서.
According to clause 4,
The first membrane is,
a phase shifter positioned spaced apart from the first loop resonator in a direction perpendicular to the plane; and
At least a portion of the cantilever includes the cantilever formed at a lower height than the upper surface of the first loop resonator,
Ultrasonic sensor.
제5 항에 있어서,
상기 위상 이동기 및 상기 캔틸레버는 상기 평면에서 수직한 방향으로 서로 두께가 다른,
초음파 센서.
According to clause 5,
The phase shifter and the cantilever have different thicknesses in a direction perpendicular to the plane,
Ultrasonic sensor.
제5 항에 있어서,
상기 위상 이동기 및 상기 캔틸레버는 광 손실(optical loss), 굴절률(refractive index), 탄성(elasticity), 광 분산(optical dispersion), 점성(viscosity) 또는 밀도(density) 중 어느 하나가 서로 다른 물질로 구성되는,
초음파 센서.
According to clause 5,
The phase shifter and the cantilever are made of materials that have different optical loss, refractive index, elasticity, optical dispersion, viscosity, or density. felled,
Ultrasonic sensor.
제5 항에 있어서,
상기 위상 이동기 및 상기 캔틸레버는 각각 상기 평면에서 수직한 방향에서 볼 때 소정의 면적을 가지는 제1 면 및 제2 면을 가지고,
상기 위상 이동기의 상기 제1 면 및 상기 캔틸레버의 상기 제2 면은 기하학적 형태(geometrical shape)가 서로 다른,
초음파 센서.
According to clause 5,
The phase shifter and the cantilever each have a first surface and a second surface having a predetermined area when viewed in a direction perpendicular to the plane,
The first side of the phase shifter and the second side of the cantilever have different geometrical shapes,
Ultrasonic sensor.
제5 항에 있어서,
상기 상기 캔틸레버는 상기 평면에서 수직한 방향에서 볼 때 소정의 면적을 가지고, 상기 평면을 기준으로 상기 상기 캔틸레버의 상부 공간과 하부 공간을 연통시키는 복수의 관통 구조를 포함하는,
초음파 센서.
According to clause 5,
The cantilever has a predetermined area when viewed in a direction perpendicular to the plane, and includes a plurality of penetrating structures that communicate the upper space and lower space of the cantilever with respect to the plane,
Ultrasonic sensor.
제1 항에 있어서,
상기 평면의 적어도 일부는 함몰된 함몰부 또는 상기 평면의 상부 공간과 하부 공간을 연통 시키는 관통 구조인 공동부(cavity)를 포함하고,
상기 제1 멤브레인은 상기 함몰부 또는 상기 공동부에서 외부의 음압에 의하여 상기 제1 멤브레인의 일단을 축으로 하여 진동하도록 설정된,
초음파 센서.
According to claim 1,
At least a portion of the plane includes a recessed depression or a cavity, which is a penetrating structure that communicates the upper space and the lower space of the plane,
The first membrane is set to vibrate around one end of the first membrane as an axis by external negative pressure in the depression or the cavity,
Ultrasonic sensor.
제1 항에 있어서,
광이 통과하도록 설정되고, 상기 광 도파로가 위치한 상기 평면과 평행한 방향으로 상기 광 도파로 및 상기 제1 루프 공진기에서 이격하여 위치하는 제2 루프 공진기; 및
적어도 일부가 상기 제2 루프 공진기와 이격하여 위치하는 제2 멤브레인을 더 포함하고,
상기 제2 멤브레인은 상기 광 도파로에서 먼 방향인 상기 제2 멤브레인의 일단을 축으로 하는 외팔 구조를 가지고, 외부의 음압에 의 하여 상기 제2 멤브레인이 일단을 축으로 진동하여 상기 제2 멤브레인의 적어도 일부가 상기 제1 루프 공진기와 이격 거리가 변화하는,
초음파 센서.
According to claim 1,
a second loop resonator configured to allow light to pass through and positioned spaced apart from the optical waveguide and the first loop resonator in a direction parallel to the plane where the optical waveguide is located; and
Further comprising a second membrane, at least a portion of which is positioned spaced apart from the second loop resonator,
The second membrane has a cantilever structure with one end of the second membrane as its axis in the direction away from the optical waveguide, and the second membrane vibrates about one end of the second membrane due to external sound pressure, causing at least one end of the second membrane to vibrate. In some cases, the separation distance from the first loop resonator changes,
Ultrasonic sensor.
제11 항에 있어서,
상기 제2 루프 공진기의 둘레 길이는 상기 제1 루프 공진기의 둘레 길이와 서로 다른,
초음파 센서.
According to claim 11,
The circumferential length of the second loop resonator is different from the circumferential length of the first loop resonator,
Ultrasonic sensor.
제11 항에 있어서,
미리 설정된 제1 파장 및 제2 파장에서 상기 광 도파로의 타단에서 출사하는 광의 세기 변화를 측정하는 광 수신부를 더 포함하고,
상기 제1 파장 및 제2 파장은 서로 다른,
초음파 센서.
According to claim 11,
It further includes an optical receiver that measures a change in the intensity of light emitted from the other end of the optical waveguide at a preset first wavelength and a second wavelength,
The first wavelength and the second wavelength are different from each other,
Ultrasonic sensor.
제11 항에 있어서,
상기 평면으로부터 수직한 방향에서 볼 때 상기 제1 멤브레인이 상기 제1 루프 공진기와 중첩되는 제1 부분 및 상기 제2 멤브레인이 상기 제2 루프 공진기와 중첩되는 제2 부분은, 상기 평면을 기준으로 상기 제1 멤브레인 및 상기 제2 멤브레인의 상부 공간과 하부 공간을 연통시키는 복수의 관통 구조를 포함하는,
초음파 센서.
According to claim 11,
When viewed in a direction perpendicular to the plane, a first portion where the first membrane overlaps the first loop resonator and a second portion where the second membrane overlaps the second loop resonator are, with respect to the plane, Comprising a plurality of penetrating structures communicating the upper space and lower space of the first membrane and the second membrane,
Ultrasonic sensor.
제14 항에 있어서,
상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 관통 구조는 기하학적 구조가 서로 다른,
초음파 센서.
According to claim 14,
The penetrating structures of the first part and the second part have different geometric structures,
Ultrasonic sensor.
제15 항에 있어서,
상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 관통 구조는 서로 관통 구조의 지름 또는 관통 구조의 개수 중 어느 하나가 서로 다른,
초음파 센서.
According to claim 15,
The penetrating structures of the first part and the second part are different from each other in either the diameter of the penetrating structure or the number of penetrating structures,
Ultrasonic sensor.
제1 항에 있어서,
상기 제1 루프 공진기는 상기 평면에 접하지 않은 적어도 3개의 면을 포함하고,
외부의 음압에 의하여, 상기 제1 멤브레인은 상기 제1 루프 공진기의 상기 평면에 접하지 않은 면들 중 적어도 2개의 면과 이격 거리가 변화하면서 진동하는,
초음파 센서.
According to claim 1,
The first loop resonator includes at least three surfaces that are not in contact with the plane,
Due to external sound pressure, the first membrane vibrates while the separation distance from at least two surfaces of the first loop resonator that are not in contact with the plane changes.
Ultrasonic sensor.
각 단계의 적어도 일부가 프로세서에 의해 제어되는 단계로서,
광이 통과하도록 설정된 직선 형태의 광 도파로의 일단으로 광을 입사시키는 단계; 및
상기 광 도파로가 위치한 평면과 평행한 방향으로 상기 광 도파로에서 이격하여 위치하면서 광이 통과하도록 설정된 루프(loop) 공진기와 이격하여 위치하는 멤브레인이 외부의 음압에 의하여 상기 광 도파로에서 먼 방향인 상기 멤브레인의 일단을 축으로 하여 진동하고, 상기 멤브레인의 진동으로 인한 상기 광 도파로의 타단에서 출사하는 상기 광의 세기 변화를 측정하는 단계를 포함하는,
초음파 센서의 제어 방법.
Steps in which at least a portion of each step is controlled by a processor,
Injecting light into one end of a straight optical waveguide configured to allow light to pass through; and
The membrane is located away from the optical waveguide in a direction parallel to the plane where the optical waveguide is located and away from a loop resonator set to allow light to pass through. The membrane is located in a direction away from the optical waveguide due to external sound pressure. Vibrating one end of the membrane as an axis, and measuring a change in the intensity of the light emitted from the other end of the optical waveguide due to the vibration of the membrane,
Control method of ultrasonic sensor.
제18 항에 있어서,
서로 대응되는 상기 루프 공진기 및 상기 멤브레인은 하나의 셀(cell)을 구성하고, 상기 셀은 복수인,
초음파 센서의 제어 방법.
According to clause 18,
The loop resonator and the membrane corresponding to each other constitute one cell, and the cells are plural,
Control method of ultrasonic sensor.
제19 항에 있어서,
상기 광의 세기 변화를 측정하는 단계는,
서로 다른 파장에서 광의 세기 변화를 측정하는 단계; 및
서로 다른 파장에서 측정된 광의 세기 변화에 기반하여 상기 음압의 크기를 각 셀마다 결정하는 단계를 포함하고,
서로 다른 파장은 서로 다른 셀과 연관되도록 설정된,
초음파 센서의 제어 방법.
According to clause 19,
The step of measuring the change in intensity of light is,
measuring changes in light intensity at different wavelengths; and
A step of determining the level of the sound pressure for each cell based on changes in the intensity of light measured at different wavelengths,
Different wavelengths are set to be associated with different cells,
Control method of ultrasonic sensor.
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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
선행기술 1: S.M. Leinders et al., "A sensitive optical micro-machined ultrasound sensor(OMUS) based on a silicon photonic ring resonator on an acoustical membrane", Scientific Reports, 5, Article number: 14328, 2015년 9월

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