WO2016126041A1 - 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서 - Google Patents

음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서 Download PDF

Info

Publication number
WO2016126041A1
WO2016126041A1 PCT/KR2016/000851 KR2016000851W WO2016126041A1 WO 2016126041 A1 WO2016126041 A1 WO 2016126041A1 KR 2016000851 W KR2016000851 W KR 2016000851W WO 2016126041 A1 WO2016126041 A1 WO 2016126041A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
active element
ultrasonic transducer
acoustic impedance
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2016/000851
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
노용래
이원석
우정동
배범석
이형근
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Industry Academic Cooperation Foundation of KNU
Original Assignee
Industry Academic Cooperation Foundation of KNU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Industry Academic Cooperation Foundation of KNU filed Critical Industry Academic Cooperation Foundation of KNU
Publication of WO2016126041A1 publication Critical patent/WO2016126041A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/005—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers using a piezoelectric polymer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
    • B06B1/0618—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile of piezo- and non-piezoelectric elements, e.g. 'Tonpilz'
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer, and more particularly, to an ultrasonic transducer for dispersing heat with the thermal conductivity of an aluminum layer adjacent to an active element and improving the acoustic characteristics by forming a boundary surface of the matching layer in a composite structure.
  • the ultrasound diagnosis apparatus is an apparatus for imaging an internal tissue of a subject by using an ultrasonic signal reflected by shooting an ultrasonic signal on the subject.
  • the ultrasound diagnosis apparatus may transmit ultrasound signals to a diagnosis part of the subject and then obtain ultrasound information of the diagnosis part by receiving ultrasound signals reflected from boundaries of tissues inside the subject having different acoustic impedances. Can be.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus includes an ultrasonic transducer for transmitting the ultrasonic signal to the subject and receiving the ultrasonic signal reflected by the subject.
  • Conventional ultrasonic transducers may be composed of various layers including a lens, an acoustic matching layer, an active element, and a back layer.
  • Conventional ultrasonic transducers form an acoustic matching layer that effectively propagates ultrasonic waves between an active element and a lens so that a difference in acoustic impedance between each element does not occur during the transmission of ultrasonic waves.
  • the acoustic matching layer may be composed of a plurality of layers to reduce the difference in acoustic impedance.
  • the acoustic matching layer is composed of a plurality of layers, a plurality of acoustic matching layers having different acoustic impedances are laminated stepwise.
  • Ultrasonic transducers are made of materials having high acoustic impedance and low material having different volume ratios, and then stacked in the order of high volume ratio to produce matching layers so that the acoustic impedance changes sequentially.
  • Such an acoustic matching layer has a disadvantage in that the arrangement of each layer is difficult and the manufacturing cost and time of the acoustic matching layer are high.
  • the lens is heated by heat generated by active elements and heat due to multiple reflections, thereby increasing the surface temperature of the lens and causing the transmission power and performance of the ultrasonic transducer to be limited.
  • an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer that improves acoustic characteristics by dispersing heat with the thermal conductivity of the aluminum layer adjacent to the active element and forming the interface of the matching layer in a composite structure.
  • An active element including at least one piezoelectric element
  • the matching layer is formed of a plurality of layers each having a different acoustic impedance size, generated in the active element
  • the metal layer further comprises a metal layer for dissipating heat, wherein the metal layer forms a metal on one surface of the active element or forms a metal on one surface of the layer having the largest acoustic impedance among at least one layer constituting the matching layer.
  • An active element including at least one piezoelectric element
  • a flexible printed circuit board formed on one surface of the active element
  • a matching layer having a multilayer structure that matches a difference in acoustic impedance between an active element formed on one surface of the ground sheet and an object to be inspected, wherein the matching layer is formed on an upper surface of the ground sheet to disperse heat generated from the active element;
  • a second layer composed of a second material having a second impedance value
  • a third layer formed between the first layer and the second layer, wherein the first material and the second material are combined to reduce a change in acoustic impedance of the first layer and the second layer.
  • the present invention generates heat generated by the active element and the heat generated by the multiple reflection due to the metal layer of aluminum in a position adjacent to the active element, thereby improving heat dissipation characteristics of the ultrasonic transducer.
  • the present invention improves the sensitivity and bandwidth of the ultrasonic transducer when the ultrasonic signal is transmitted to the object under test through the composite structure and the metal layer at the interface between the first material and the second material.
  • the present invention has an effect that the manufacturing process is easy and inexpensive because the thickness of the ultrasonic transducer is manufactured by manufacturing the matching layer of the ultrasonic transducer through precision grinding and polishing.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an ultrasonic transducer for improving acoustic and thermal characteristics according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the ultrasonic transducer to improve the acoustic and thermal characteristics according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer for improving acoustic and thermal characteristics according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the ultrasonic transducer to improve the acoustic and thermal characteristics according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing the configuration of an ultrasound diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a manufacturing method of an ultrasonic transducer according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a method of manufacturing an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 and 9 are graphs showing the performance difference of the ultrasonic transducer according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing a temperature change of the acoustic lens with time when the thermal conductivity of the matching layer according to an embodiment of the present invention.
  • matching layer 162, 162a, 162b metal layer
  • first layer 166 third layer
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the ultrasonic transducer to improve the acoustic and thermal characteristics according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an ultrasonic transducer to improve the acoustic and thermal characteristics according to a first embodiment of the present invention It is sectional drawing which shows the structure of a producer.
  • Ultrasonic transducer 100 to improve the acoustic and thermal characteristics is a backing layer (110), the substrate (Substrate) 120, a flexible printed circuit board (Flexible Printed Circuit Board, FPCB) 130, an active element 140, a ground sheet 150, a matching layer 160, and an acoustic lens 170.
  • a backing layer 110
  • the substrate Substrate
  • FPCB Flexible Printed Circuit Board
  • the ultrasonic transducer 100 may be a single element transducer having a single element or an array transducer composed of a plurality of elements.
  • Types of array transducers include linear arrays, convex arrays, phased arrays, and the like.
  • the present invention relates to single element transducers and all types of array transducers. Applicable Hereinafter, the case of the array type transducer will be described.
  • the back layer 110 is configured such that the acoustic impedance is well matched with the active element 140.
  • the back layer 110 may be configured to have sound attenuation characteristics which are excellent sound absorption characteristics.
  • the back layer 110 having excellent sound absorbing properties not only reduces the pulse width of the ultrasonic waves by suppressing free vibration of the active element 140 formed on the front surface, but also occurs in the active element 140 so that ultrasonic waves propagate unnecessarily to the rear surface. Blocking the image effectively prevents image distortion.
  • the back layer 110 may be formed of one or a plurality of layers using a material having excellent sound absorption characteristics.
  • the back layer 110 minimizes the reflection of the ultrasonic wave generated from the active element 140 in the direction of the back layer 110, which is an unwanted direction.
  • the upper surface of the rear layer 110 is coupled to the substrate 120, and the flexible printed circuit board 130 is coupled to the upper surface of the substrate 120.
  • the back layer 110 may exchange electrical signals with the active element 140 positioned on the upper surface of the flexible printed circuit board 130.
  • the substrate 120 is disposed between the active element 140 and the rear layer 110 to block or attenuate the ultrasonic signal propagated in the rear layer 110 direction.
  • the FPCB 130 is formed on the rear surface of the active element 140 and is electrically connected to the active element 140 to apply a voltage to the active element 140.
  • the active element 140 generates an ultrasonic signal, transmits the ultrasonic signal to the object under test, and receives the ultrasonic signal reflected from the object under test.
  • the active element 140 is composed of a single layer or a plurality of layers, and when the active element 140 has a stacked structure, it is possible to reduce acoustic impedance and reduce capacitance compared to the structure having the active element 140 of a single layer. You can increase it.
  • the active element 140 generates an ultrasonic signal when energy is applied, such as by applying an electrical signal from the FPCB 130.
  • the type of the active element 140 may vary depending on the type of the ultrasonic transducer, and is typically composed of a piezoelectric element.
  • the piezoelectric element has a property that a voltage is generated when a mechanical pressure is applied through a piezoelectric effect, and a mechanical deformation occurs when a voltage is applied.
  • the piezoelectric element is made of a piezoelectric ceramic such as lead zirconate titanate (PZT), a single crystal, a composite piezoelectric composite of these materials and a polymer material, or a polymer material represented by polyvinylidene fluoride (PVDF). It may be formed of a piezoelectric body or the like.
  • the ground sheet 150 is formed between the active element 140 and the matching layer 160, and the matching layer 160 provides an electrical signal with the active element 140 through the ground sheet 150. I can receive it.
  • the matching layer 160 is disposed between the active element 140 and the object under test to mediate the acoustic impedance difference between the two components.
  • the matching layer 160 matches the acoustic impedance between the active element 140 and the object under test to transmit ultrasonic waves generated by the active element 140 to the object under test or to reduce the loss of the reflected signal reflected back by the object under test.
  • the matching layer 160 serves as a buffer for reducing problems such as image distortion due to a sudden change in acoustic impedance between the active element 140 and the object under test.
  • the acoustic impedance of the piezoelectric element, which is the active element 140 is about 30 MRayl, whereas the acoustic impedance of the soft tissue, which is the subject, is about 1.5 MRayl.
  • the ultrasonic waves generated by the active element 140 or the ultrasonic waves reflected by the inspected object do not penetrate the interface between the active element 140 and the inspected object and are mostly reflected or scattered.
  • the acoustic impedance of the matching layer 160 should satisfy the square root of the product of the acoustic impedance of the object and the acoustic impedance of the active element 140 (DeSilet formula).
  • the present invention uses the matching layer 160 to laminate a plurality of layers.
  • the matching layer 160 has a structure in which two or more layers are stacked.
  • the reason why the matching layer 160 is formed of a plurality of layers is that the difference in acoustic impedance between the active element 140 and the human tissue under test is relatively large, so that the matching layer is formed of a single material layer. Because it is difficult.
  • the matching layer 160 includes a metal layer 162, a first layer 164, a third layer 166, and a second layer 168.
  • the matching layer 160 of the present invention is composed of four layers, but is not limited thereto, and the number of layers constituting the matching layer 160 is not limited if necessary.
  • the metal layer 162 is formed at a position adjacent to the active element 140 and has the largest acoustic impedance than the first layer 164, the second layer 168, and the third layer 166.
  • the acoustic impedance value decreases.
  • the metal layer 162 distributes heat by dissipating heat generated by the active element 140 and heat generated by multiple reflections, and thus does not transmit heat to the surface of the ultrasonic transducer 100, that is, the acoustic lens.
  • the acoustic lens 170 is a part directly contacting the human body, which is a test object, due to the temperature decrease due to the metal layer 162.
  • the surface temperature of the ultrasonic transducer 100 should be lowered in the transmission signal in a proportional relationship with the magnitude of the ultrasonic signal transmitted from the main body.
  • the surface temperature of the ultrasonic transducer 100 can be lowered by the metal layer 162 dispersing heat while maintaining the level of the transmission signal.
  • the metal layer 162 may be a metal material such as copper, gold, silver, or aluminum, a metal compound such as magnesium oxide or zinc oxide, and preferably aluminum is used in terms of thermal conductivity and durability.
  • the metal layer 162 may be selected or mixed with at least one metal raw material to adjust acoustic impedance and thermal conductivity.
  • the metal layer 162 may be a thermal conductor.
  • the thermal conductor may be a PGS graphite sheet of graphite, copper, aluminum, or a polymer film, graphite, carbon nanotubes, aluminum nitride, boron nitride, silicon carbide, beryllium oxide, or a combination thereof.
  • the first layer ML1 164 is composed of a single first material
  • the second layer ML2 168 is composed of a single second material
  • the third layer 166 is formed of a first layer ( A matching layer in which a plurality of materials are mixed is formed in a mixed form of the first material of 164 and the second material of the second layer 168.
  • the matching layer 160 made of a single material will be referred to as ML (Matching Layer), and the matching layer 160 containing a plurality of materials will be referred to as a composite.
  • ML Manufacturing Layer
  • the first material and the second material have different acoustic impedances.
  • the first material in the lower stage has a higher acoustic impedance than the second material in the upper stage.
  • the lower layer of the first layer ML1 164 is made of a material having a relatively large impedance (eg, about 6 to 9 Mrayls) and is a high impedance matching layer.
  • the upper layer second layer (ML2) 168 is a low impedance matching layer made of a material having a relatively small acoustic impedance (for example, about 2 to 3 Mrayls).
  • the third layer 166 is formed in a complex structure at the interface between the first layer 164 and the second layer 168.
  • the third layer 166 combines the first material of the first layer 164 and the second material of the second layer 168 to reduce the difference in acoustic impedance between the first material and the second material. That is, the variation of the acoustic impedance between the first layer 164 and the second layer 168 is reduced by the third layer 166.
  • the first material and the second material are alternately arranged in a sawtooth shape.
  • the third layer 166 is not limited to a sawtooth shape and may have various shapes such as a polyhedron, a circle, a horn, a pillar, and the like.
  • the metal layer 162 is formed by depositing on one surface of the first layer of the matching layer, and using the deposition method of the present invention instead of a general method of bonding or the like, the metal layer 162 may not be subjected to complicated processes such as grinding and cutting.
  • the thickness can be controlled precisely and thickly.
  • the metal layer 162 is formed by thick film deposition on one surface of the first layer 164.
  • the metal layer 162 may have a thicker thickness than the thin film deposition.
  • the thickness of the metal layer 162 may be about 50 to 200 nm, in the case of thick film deposition, the thickness of the metal layer 162 may be about 300 ⁇ m and the thickness may be increased.
  • the ultrasonic transducer 100 having a thick thickness of the metal layer 162 through thick film deposition is easier to manufacture than the ultrasonic transducer 100 having a thin thickness of the metal layer 162.
  • the acoustic lens 170 is positioned at the outermost side of the ultrasonic transducer 100, which is the upper surface of the matching layer 160. Ultrasonic waves passing through the matching layer 160 through the acoustic lens 170 are connected to the inspected object or focused on the ultrasonic signal transmitted to the inspected object.
  • the acoustic lens 170 may be configured to allow ultrasonic waves to pass through without loss or to minimize loss, and to minimize loss due to reflection / rereflection at the interface.
  • the acoustic impedance Z lens of the acoustic lens 170 may be the same as or similar to that of the human soft tissue.
  • the amplitude of the change in the acoustic impedance varies stepwise and discontinuously between layers.
  • the acoustic impedance magnitudes Z ML2 , Z Compsite , and Z ML1 increase step by step toward the second layer 168, the third layer 166, and the first layer 164, but are not linear continuous.
  • the change in acoustic impedance can be adjusted according to the components of the materials constituting the third layer 166 and their combination.
  • the third layer 166 adjusts the gap between the first material and the second material, the width of the first material and the second material, and the thickness of the layer in consideration of the change width of the acoustic impedance.
  • the metal layer 162 is formed by thick film deposition on one surface of the active element 140 to have a thick thickness.
  • the metal layer 162 is formed by thick film deposition on one surface of the layer having the largest acoustic impedance among the layers constituting the matching layer 160.
  • the metal layer 162 may be formed thicker than the first layer 164, the second layer 168, and the third layer 166.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the ultrasonic transducer to improve the acoustic and thermal characteristics according to the second embodiment of the present invention
  • Figure 4 is to improve the acoustic and thermal characteristics according to the third embodiment of the present invention It is sectional drawing which shows the structure of an ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic transducer may include a back layer 110, a substrate 120, a flexible printed circuit board 130, an active element 140, a metal layer 162a, and a ground.
  • the sheet 150 includes a matching layer 160 and an acoustic lens 170.
  • the ultrasonic transducer 100 according to the second embodiment will not be described in the same configuration and will be described based on the differences.
  • a metal layer 162a is formed on one surface of the active element 140 to disperse heat generated from the active element 140, and the matching layer 160 is formed by stacking a plurality of layers.
  • the matching layer 160 includes a metal layer 162a, a first layer 164 made of a single first material, a second layer 168 made of a single second material, and a first layer 164. And a third layer 166 in which a plurality of materials are mixed in a mixed form of the first material and the second material of the second layer 168.
  • the matching layer 160 adjacent to the active element 140 is composed of a metal layer 162a having high thermal conductivity to dissipate heat generated by the ultrasonic transducer 100 to generate heat.
  • the ultrasonic transducer 100 may include a back layer 110, a substrate 120, a flexible printed circuit board 130, an active element 140, and a ground sheet ( 150, a matching layer 160, and an acoustic lens 170.
  • the matching layer 160 is composed of a plurality of layers, a metal layer 162b, a first layer 164a made of a single first material, and a second material made of a single second material having a smaller impedance than the first material. And a third layer 166a formed between the layer 164 and the first layer 164a and the second layer 164, the first material and the second material combined therewith, and having a smaller impedance than the second material.
  • a fourth layer 168 composed of a single third material and a fifth layer 166 in which the second material and the third material are combined.
  • the matching layer 160 includes a metal layer 162b, a first layer 164a, a third layer 164, a second layer 166a, a fourth layer 168, and a fifth layer 166 sequentially stacked.
  • FIG. 5 is a view showing the configuration of an ultrasound diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasound diagnosis apparatus 10 includes an ultrasound transducer 100, a beamformer 20, an image processor 30, and an outputter 40.
  • the ultrasonic transducer 100 may be formed of a plurality of devices 100-1, 100-2,..., 100-n.
  • the ultrasonic transducer 100 includes a matching layer 160 having at least four layers, and the matching layer 160 includes N materials (N ⁇ 2) for matching the acoustic impedance between the active element 140 and the object under test. Integer) to form 2N layers each having a different acoustic impedance level.
  • the matching layer 160 of the ultrasonic transducer 100 may include a metal layer 162, a first layer 164 made of a first material, and a second material having an impedance value different from that of the first material.
  • the second layer 168 is formed between the first layer 164 and the second layer 168, and combines the first material and the second material between the first layer 164 and the second layer 168.
  • a third layer 166 to reduce the change in acoustic impedance variation.
  • the beamformer 20 drives the ultrasonic transducer 100 to transmit an ultrasonic signal to the inspected object, and processes a reflected signal returned from the inspected object to generate a beam signal.
  • the image processor 30 receives the beam signal from the beamformer 20 and generates an ultrasound image.
  • the output unit 40 displays the ultrasound image generated by the image processor 30 to the outside.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an ultrasonic transducer according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a method of manufacturing an ultrasonic transducer according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the ML1 200 having a sheet shape having a predetermined thickness is generated through a polishing process for the first material (S100).
  • a plurality of grooves are formed in the ML1 200 through precision processing such as dicing (S102).
  • the second material is poured into the grooves of the ML1 200 in which the plurality of grooves are formed, thereby forming a composite 210 in which the first material and the second material are combined (S104). Further, the second material is further loaded into the composite 210, and the thickness thereof is adjusted through a polishing process to form ML2 220 formed of the second material on the composite (S106).
  • a metal layer 230 made of a metal for dispersing heat of the active element 140 is formed on one surface of the ML1 200 (S108).
  • the metal layer 230 thick-deposits a metal on one surface of a layer having the largest acoustic impedance level among at least one layer constituting the matching layer.
  • the metal layer 230 may bond aluminum of a predetermined thickness to one surface of the composite 210.
  • the matching layer may be formed of the metal layer 230, the complex 210 combined with the first material and the second material as the ML1 200 composed of the first material on the metal layer 230, and the second material on the complex 210.
  • the configured ML2 220 is formed.
  • the thickness of the matching layer becomes thin, making it difficult to manufacture.
  • the present invention is easy to manufacture because the thickness is overall thickened by the above-described process.
  • FIG 8 and 9 are graphs showing the performance difference of the ultrasonic transducer according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a result of calculating acoustic characteristics when applying a double matching layer (DML), a triple matching layer (TML), and an aluminum composite matching layer (ACML) to a phased array having a center frequency of 4 MHz.
  • DML double matching layer
  • TML triple matching layer
  • ACML aluminum composite matching layer
  • DML is a mating layer formed of two layers
  • TML is a mating layer formed of three layers
  • ACML is a mating layer of the present invention, in which a metal layer of aluminum, a first material and a second material are alternately serrated.
  • the matching layer is formed of a composite array.
  • the non-bandwidth is the widest, and the ultrasonic waves generated by the active element 140 are transmitted to the inspected object through the composite structure and the metal layer at the interface between the first material and the second material. It can be seen that the sensitivity and bandwidth of the ultrasonic transducer 100 are improved.
  • Table 1 are graphs comparing normalize magnitudes with respect to frequencies of DML, TML, and ACML. As shown in Figure 9, in the case of the ultrasonic transducer of the present invention it can be seen that the normal size is larger in a wider range. Accordingly, the ultrasonic transducer 100 of the present invention has a wider bandwidth and improved sensitivity.
  • FIG. 10 is a view showing a temperature change of the acoustic lens with time when the thermal conductivity of the matching layer according to an embodiment of the present invention.
  • a matching layer adjacent to the active element 140 is formed of a composite in which a metal layer of aluminum, a first material, and a second material are alternately arranged in a sawtooth shape, and is formed by heat and multiple reflections generated by the active element 140.
  • the generated heat is not dispersed and heat is not transferred to the acoustic lens 170. Accordingly, the surface temperature of the ultrasonic transducer 100, that is, the temperature of the acoustic lens 170 is lowered.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

초음파 트랜스듀서는 능동소자에 인접한 알루미늄 층의 열전도로 열을 분산시키고 정합층의 경계면을 복합체 구조로 형성하여 음향특성을 향상시킨다. 본 발명은 능동소자와 인접한 위치에 알루미늄의 금속층으로 인하여 능동소자에서 발생한 열 및 다중 반사에 의해 발생한 열을 발열시켜 초음파 트랜스듀서의 열 분산 특성이 향상된다. 본 발명은 초음파 신호가 제1 물질과 제2 물질 사이의 경계면에 복합체 구조와 금속층을 통해 피검사체로 전달되는 경우 초음파 트랜스듀서의 감도(Sensitivity) 및 대역폭(Bandwidth)이 향상된다.

Description

음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서
본 발명은 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 능동소자에 인접한 알루미늄 층의 열전도로 열을 분산시키고 정합층의 경계면을 복합체 구조로 형성하여 음향특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.
초음파 진단장치는 초음파 신호를 피검사체에 쏘아 반사된 초음파 신호로 피검사체의 내부 조직을 영상화하는 장치이다. 초음파 진단장치는 피검사체의 진단 부위에 초음파 신호를 송신한 후, 서로 다른 음향 임피던스(Acoustic Impedance)를 갖는 피검사체 내부의 조직들의 경계로부터 반사된 초음파 신호를 수신함으로써 진단 부위의 영상 정보를 획득할 수 있다.
초음파 진단장치는 초음파 신호를 피검사체로 송신하고 피검사체로 반사된 초음파 신호를 수신하기 위한 초음파 트랜스듀서(Ultrasonic Transducer)가 포함된다.
종래의 초음파 트랜스듀서는 렌즈, 음향정합층, 능동소자, 후면층을 포함한 다양한 층으로 구성될 수 있다.
종래의 초음파 트랜스듀서는 초음파의 전달시 각 소자 간의 음향 임피던스의 차이가 발생하지 않도록 능동소자와 렌즈 사이에 초음파를 효율적으로 전반시키는 음향정합층을 형성한다.
이러한 음향정합층은 음향 임피던스의 차이를 경감하도록 복수개의 층으로 구성할 수도 있다.
음향정합층을 복수개의 층으로 구성하는 경우, 다른 음향 임피던스를 갖는 복수의 음향정합층을 단계적으로 적층된다.
초음파 트랜스듀서는 음향 임피던스가 높은 재료와 낮은 재료를 부피비가 각각 다르게 여러 층으로 제작한 후, 부피비가 높은 순서로 적층시켜 정합층을 제작하면 음향 임피던스가 순차적으로 변하게 된다.
이러한 음향정합층은 각 층의 배열이 어렵고 음향정합층의 제작 비용 및 시간이 많이 소요되는 단점이 있다.
종래의 초음파 트랜스듀서는 능동소자에서 발생한 열과 다중 반사로 인한 열로 렌즈가 가열되어 렌즈의 표면 온도가 올라가며, 초음파 트랜스듀서의 전송 파워 및 성능을 제한하는 원인이 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 능동소자에 인접한 알루미늄 층의 열전도로 열을 분산시키고 정합층의 경계면을 복합체 구조로 형성하여 음향특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는,
적어도 하나의 압전소자를 포함하는 능동소자; 및
능동소자의 상부에 형성되어 능동소자와 피검사체 간의 음향 임피던스 차이를 정합하는 다층 구조의 정합층을 포함하고, 정합층은 각각 서로 다른 음향 임피던스 크기를 가지는 다수개의 층으로 형성되며, 능동소자에서 발생하는 열을 분산시키는 금속층을 더 포함하며, 금속층은 능동소자의 일면에 금속을 형성하거나 정합층을 구성하는 적어도 하나의 층 중에서 음향 임피던스 크기가 가장 큰 층의 일면에 금속을 형성한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는,
적어도 하나의 압전소자를 포함하는 능동소자;
능동소자의 일면에 형성되는 연성 인쇄회로기판;
능동소자의 타면에 형성되는 접지 시트;
접지 시트의 일면에 형성되는 능동소자와 피검사체 간의 음향 임피던스 차이를 정합하는 다층 구조의 정합층을 포함하고, 정합층은 접지 시트의 상부면에 형성되어 능동소자에서 발생하는 열을 분산시키는 금속층;
금속층의 일면에 형성되어 제1 임피던스 값을 가지는 제1 물질로 구성된 제1층;
제2 임피던스 값을 가지는 제2 물질로 구성된 제2층; 및
제1층과 제2층 사이에 형성되고 제1 물질과 제2 물질이 결합되어 제1층 및 제2층의 음향 임피던스의 변화폭을 줄이는 제3층을 포함한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 능동소자와 인접한 위치에 알루미늄의 금속층으로 인하여 능동소자에서 발생한 열 및 다중 반사에 의해 발생한 열을 발열시켜 초음파 트랜스듀서의 열 분산 특성이 향상된다.
본 발명은 초음파 신호가 제1 물질과 제2 물질 사이의 경계면에 복합체 구조와 금속층을 통해 피검사체로 전달되는 경우 초음파 트랜스듀서의 감도(Sensitivity) 및 대역폭(Bandwidth)이 향상된다.
본 발명은 정밀 연삭과 연마 가공을 통해 초음파 트랜스듀서의 정합층을 제조하여 두께가 전체적으로 두꺼워지므로 제조 공정이 용이하고 저렴해지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 진단 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 성능 차이를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 정합층의 열 전도도 변화시에 시간에 따른 음향렌즈의 온도 변화를 나타낸 도면이다.
<부호의 설명>
100: 초음파 트랜스듀서 110: 후면층
120: 기판 130: 연성 인쇄회로기판
140: 능동소자 150: 접지 시트
160: 정합층 162, 162a, 162b: 금속층
164: 제1층 166: 제3층
168: 제2층 170: 음향렌즈
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발 명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서의 구성을 나타낸 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서(100)는 후면층(Backing Layer)(110), 기판(Substrate)(120), 연성 인쇄회로기판(Flexible Printed Circuit Board, FPCB)(130), 능동소자(Active Element)(140), 접지시트(Ground Sheet, GRS)(150), 정합층(160) 및 음향렌즈(170)를 포함한다.
초음파 트랜스듀서(100)는 소자(Element)가 단일 개인 단일 소자 트랜스듀서(Single Element Transducer)이거나, 소자가 다수 개로 구성된 배열형 트랜스듀서(Array Transducer)일 수 있다. 어레이 트랜스듀서의 종류는 직선 배열형(Linear Array), 곡선 배열형(Convex Array), 위상 배열형(Phased Array) 등을 포함하며, 본 발명은 단일 소자 트랜스듀서와 모든 형태의 배열형 트랜스듀서에 적용 가능하다. 이하에서는 배열형 트랜스듀서의 경우를 중심으로 설명한다.
후면층(110)은 음향 임피던스가 능동소자(140)와 잘 매칭되도록 구성된다. 후면층(110)은 우수한 흡음 특성인 음향 감쇠 특성을 가지도록 구성될 수 있다.
우수한 흡음 특성을 가진 후면층(110)은 전면에 형성되는 능동소자(140)의 자유 진동을 억제하여 초음파의 펄스 폭을 감소시킬 뿐만 아니라 능동소자(140)에서 발생하여 후면으로 초음파가 불필요하게 전파되는 것을 차단함으로써 영상 왜곡이 생기는 것을 효과적으로 방지한다.
후면층(110)은 흡음 특성이 우수한 재질의 물질을 사용하여 하나 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
후면층(110)은 능동소자(140)로부터 발생한 초음파 신호가 원치 않는 방향인 후면층(110) 방향으로 전파되어 그 반사파가 되돌아 오는 것을 최소화한다.
후면층(110)의 상부면은 기판(120)이 결합하며, 기판(120)의 상부면에는 연성 인쇄회로기판(130)이 결합된다.
후면층(110)은 연성 인쇄회로기판(130)의 상부면에 위치하는 능동소자(140)와 상호 전기적 신호를 주고 받을 수 있다.
기판(120)은 후면층(110) 방향으로 전파되는 초음파 신호를 차단 또는 감쇠시키기 위해서 능동소자(140)와 후면층(110)의 사이에 배치된다.
FPCB(130)는 능동소자(140)의 후면에 형성되고 능동소자(140)의 전기적으로 연결되어 능동소자(140)에 전압을 인가시킨다.
능동소자(140)는 초음파 신호를 발생시켜 피검사체로 전송하고, 피검사체로부터 반사되는 초음파 신호를 수신한다.
능동소자(140)는 단일 층 또는 다수의 층으로 구성되며, 능동소자(140)가 적층 구조를 가지는 경우, 단일 층의 능동소자(140)를 갖는 구조에 비해 음향 임피던스를 줄일 수 있고 정전용량을 증대시킬 수 있다.
능동소자(140)는 FPCB(130)로부터 전기신호가 인가되는 등의 방법으로 에너지가 가해지면 초음파 신호를 발생한다. 능동소자(140)의 종류는 초음파 트랜스듀서의 종류에 따라서 달라질 수 있는데, 통상적으로 압전소자(Piezoelectric Element)로 구성된다.
압전소자는 압전효과를 통해 기계적인 압력이 가해지면 전압이 발생하고, 전압이 인가되면 기계적인 변형이 발생하는 성질을 가진다. 압전소자들의 형상이나 배열되는 패턴에 특별한 제한은 없다. 압전소자는 티탄산 지르콘산 납(Lead Zirconate Titanate: PZT) 계 등의 압전 세라믹, 단결정, 이들 재료와 고분자 재료를 복합한 복합 압전체, 또는 폴리불화비닐리덴(PolyVinyliDene Fluoride: PVDF)로 대표되는 고분자 재료의 압전체 등으로 형성될 수 있다.
접지 시트(Ground Sheet)(150)는 능동소자(140)와 정합층(160)의 사이에 형성되고 정합층(160)은 접지 시트(150)를 통해 능동소자(140)와 상호 전기적 신호를 주고 받을 수 있다.
정합층(160)은 능동소자(140)와 피검사체 사이에 배치되어 두 구성요소 사이의 음향 임피던스 차이를 중재한다.
정합층(160)은 능동소자(140)와 피검사체 간 음향 임피던스를 정합하여 능동소자(140)에서 발생한 초음파를 피검사체로 전달하거나 피검사체에 의하여 반사되어 되돌아오는 반사 신호의 손실을 저감시킨다. 정합층(160)은 능동소자(140)와 피검사체 간 음향 임피던스의 급격한 변화에 따른 영상 왜곡 등의 문제를 감소시키는 완충 역할을 한다.
통상적으로 능동소자(140)인 압전소자의 음향 임피던스는 약 30MRayl 정도인데 반하여 피검사체인 인체 연부조직(Soft Tissue)의 음향 임피던스는 약 1.5MRayl 정도이다.
만일 정합층(160)이 없다면, 능동소자(140)에서 발생한 초음파 또는 피검사체에서 반사된 초음파는 능동소자(140)와 피검사체의 경계면을 투과하지 못하고 대부분 반사되거나 산란된다.
효과적으로 음향 임피던스 차이의 중재를 위해서는 정합층(160)의 음향 임피던스가 피검사체의 음향 임피던스와 능동소자(140)의 음향 임피던스의 곱의 제곱근을 만족해야 하는 것으로 알려져 있다(DeSilet 공식). 그런데, 단일 층 구조로서 DeSilet 공식을 만족하면서 동시에 작은 신호 감쇄 등과 같은 정합층(160)의 요건을 충족하는 적당한 소재가 없다. 따라서, 본 발명은 다수개의 층을 적층하는 정합층(160)을 사용한다.
정합층(160)은 2층 이상의 복수개의 층으로 적층된 구조이다. 복수개의 층으로 정합층(160)을 구성하는 이유는 능동소자(140)와 피검사체인 인체조직 사이의 음향 임피던스 차이가 상대적으로 크기 때문에 요구되는 특성을 정합층을 단일 물질의 층으로 형성하는 것이 어렵기 때문이다.
정합층(160)은 금속층(162), 제1층(164), 제3층(166) 및 제2층(168)을 포함한다.
본 발명의 정합층(160)은 4개의 층으로 구성하고 있지만 이에 한정하지 않으며 필요에 따라 정합층(160)을 구성하는 층 수를 한정되지 않는다.
금속층(162)은 능동소자(140)와 인접한 위치에 형성하고 제1층(164), 제2층(168), 제3층(166)보다 음향 임피던스의 크기가 가장 크다.
정합층(160)은 금속층(162)에서 제1층(164), 제3층(166), 제2층(168) 순으로 멀어질수록 음향 임피던스 값이 작아진다.
금속층(162)은 능동소자(140)에서 발생한 열 및 다중 반사에 의해 발생한 열을 분산시켜 발열시켜 초음파 트랜스듀서(100)의 표면, 즉 음향렌즈까지 열을 전달시키지 않는다.
음향렌즈(170)는 금속층(162)으로 인하여 온도가 내려가며 피검사체인 인체에 직접적으로 닿는 부분이므로 열 발생을 줄이는 것이 좋다.
일반적으로 초음파 트랜스듀서(100)의 표면 온도는 본체에서 송신되는 초음파 신호의 크기와 비례 관계에 있어 송신신호의 레벨을 낮추어야 한다. 그러나 본 발명에 의하면 송신신호의 레벨은 그대로 유지한 채 열을 분산시키는 금속층(162)에 의해 초음파 트랜스듀서(100)의 표면 온도를 낮출 수 있다.
열을 분산시키는 금속층(162) 구조에 의해 초음파 트랜스듀서(100)의 표면 온도가 낮추어짐은 이하의 도 10의 실험 결과를 통해 확인할 수 있다.
금속층(162)은 구리, 금, 은, 알루미늄 등의 금속물질, 산화 마그네슘, 산화 아연 등의 금속 화합물일 수 있으며 바람직하게는 열전도도나 내구성 측면에서 알루니늄을 사용하는 것이 좋다.
금속층(162)은 적어도 하나 이상의 금속 원료가 선택 또는 혼합되어 음향 임피던스 및 열 전도도가 조절될 수 있다. 금속층(162)은 열 도전체일 수 있다. 열 도전체는 구리, 알루미늄, 고분자 필름을 그래파이트화한 PGS 그래파이트 시트, 그래파이트, 카본나노 튜브, 질화 알루미늄, 붕소 나이트 라이드, 탄화규소, 산화 베릴륨 등이거나, 이들의 결합 형태일 수 있다.
제1층(ML1)(164)은 단일의 제1 물질로 구성되고 제2층(ML2)(168)은 단일의 제2 물질로 구성되며 제3층(Composite)(166)은 제1층(164)의 제1 물질과 제2층(168)의 제2 물질의 혼합된 형태로 다수의 물질이 섞여 있는 정합층을 형성한다.
이하에서는 단일 물질로 구성된 정합층(160)을 ML(Matching Layer)라 표기하고, 다수의 물질이 섞여 있는 정합층(160)을 복합체(Composite)라고 표기한다.
이때, 제1 물질과 제2 물질은 음향 임피던스가 서로 상이하다.
상위단에 있는 제2 물질보다 하위단에 있는 제1 물질이 음향 임피던스가 더 크다.
예를 들어, 하위단인 제1층(ML1)(164)은 상대적으로 큰 임피던스(예컨대, 약 6 내지 9Mrayls)를 갖는 물질로 구성되어 고 임피던스 정합층(High Impedance Matching Layer)이다. 상위단인 제2층(ML2)(168)은 상대적으로 작은 음향 임피던스(예컨대, 약 2 내지 3Mrayls)를 갖는 물질로 구성되어 저 임피던스 정합층(Low Impedance Matching Layer)이다.
제3층(Composite)(166)은 제1층(164)과 제2층(168)의 경계면에 복합체 구조로 형성된다.
제3층(166)은 제1층(164)의 제1 물질과 제2층(168)의 제2 물질을 결합하여 제1 물질과 제2 물질 간 음향 임피던스 차이를 줄인다. 즉, 제3층(166)에 의해 제1층(164)과 제2층(168) 간의 음향 임피던스의 변화폭이 줄어들게 된다.
제3층(166)은 제1 물질과 제2 물질이 교대로 톱니 형태로 배열된다. 제3층(166)은 톱니 형태에 한정하지 않으며 다면체, 원형, 뿔 형, 기둥 형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
금속층(162)은 정합층의 제1층의 일면에 증착되어 형성되고 일반적인 접착 등의 가공 방법 대신에 본 발명의 증착 방법을 사용하면, 연삭 및 절삭 등의 복잡한 과정을 거치지 않고도 금속층(162)의 두께를 정밀하고도 두껍게 제어할 수 있다.
다른 실시예로서 금속층(162)은 제1층(164)의 일면에 후막 증착하여 형성한다. 후막 증착의 경우, 박막 증착에 비해 금속층(162)의 두께를 두껍게 형성할 수 있다.
예를 들면, 박막 증착의 경우, 금속층(162)의 두께가 50 내지 200nm 정도라고 한다면 후막 증착의 경우, 금속층(162)의 두께가 약 300μm로 두껍게 증착이 가능하다.
후막 증착을 통한 금속층(162)의 두께가 두꺼운 초음파 트랜스듀서(100)는 금속층(162)의 두께가 얇은 초음파 트랜스듀서(100)에 비해 제작이 용이하다.
음향렌즈(170)는 정합층(160)의 상부면인 초음파 트랜스듀서(100)의 최외곽에 위치한다. 음향렌즈(170)를 통해 정합층(160)을 통과한 초음파를 피검사체에 접속시키거나 피검사체에 전달되는 초음파 신호를 집속시킨다. 음향렌즈(170)는 초음파가 손실 없이 또는 손실을 최소화하고 투과할 수 있도록 하며, 경계면에서의 반사/재반사에 따른 손실을 최소화하도록 구현된다.
이를 위해 음향렌즈(170)의 음향 임피던스(Zlens)가 인체 연부조직의 음향 임피던스와 같거나 유사할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 깊이(Depth)에 따른 음향 임피던스(Z) 그래프를 살펴보면, 층 간에 단계적이고 불연속적으로 음향 임피던스 변화폭이 변화한다.
음향 임피던스 크기(ZML2, ZCompsite, ZML1)는 제2층(168), 제3층(166), 제1층(164)으로 내려갈수록 단계적으로 증가하나, 선형의 연속적인 형태는 아니다.
음향 임피던스 변화폭은 제3층(166)을 구성하는 물질들의 성분과 그 배합에 따라 조절 가능하다. 제3층(166)은 음향 임피던스의 변화폭을 고려하여 제1 물질과 제2 물질 간의 간격, 제1 물질과 제2 물질의 너비 및 층의 두께가 조절된다.
금속층(162)은 능동소자(140)의 일면에 두꺼운 두께를 가지도록 후막 증착하여 형성한다.
또한, 다른 실시예로 금속층(162)은 정합층(160)을 구성하는 층 중에 음향 임피던스 크기가 가장 큰 층의 일면에 후막 증착하여 형성한다. 금속층(162)은 제1층(164), 제2층(168), 제3층(166)보다 더 두껍게 형성할 수 있다.
금속층(162)은 두께가 일정한 정도로 두꺼울수록 초음파 트랜스듀서(100)의 제조가 용이하며 열 분산 효율을 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는 후면층(110), 기판(120), 연성 인쇄회로기판(130), 능동소자(140), 금속층(162a), 접지 시트(150), 정합층(160) 및 음향렌즈(170)를 포함한다.
제2 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 전술한 제1 실시예의 초음파 트랜스듀서(100)와 비교하여 동일한 구성의 설명을 생략하고 차이점을 중심으로 설명한다.
능동소자(140)의 일면에는 능동소자(140)에서 발생하는 열을 분산시키는 금속층(162a)을 형성하고 정합층(160)은 다수개의 층을 적층하여 형성한다.
정합층(160)은 금속층(162a)과, 단일의 제1 물질로 구성되는 제1층(164)과, 단일의 제2 물질로 구성되는 제2층(168)과, 제1층(164)의 제1 물질과 제2층(168)의 제2 물질의 혼합된 형태로 다수의 물질이 섞여 있는 제3층(Composite)(166)을 포함한다.
능동소자(140)와 인접한 정합층(160)이 열전도도가 높은 금속층(162a)으로 구성되어 초음파 트랜스듀서(100)에서 발생하는 열을 분산시켜 발열시킨다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 후면층(110), 기판(120), 연성 인쇄회로기판(130), 능동소자(140), 접지 시트(150), 정합층(160) 및 음향렌즈(170)를 포함한다.
정합층(160)은 복수개의 층들로 구성하는데, 금속층(162b), 단일의 제1 물질로 구성된 제1층(164a)과, 제1 물질보다 임피던스 크기가 작은 단일의 제2 물질로 구성된 제2층(164)과 제1층(164a)과 제2층(164) 사이에 형성되고 제1 물질과 제2 물질이 결합된 제3층(166a)을 포함하며, 제2 물질보다 임피던스 크기가 작은 단일의 제3 물질로 구성된 제4층(168)과, 제2 물질과 제3 물질이 결합된 제5층(166)을 포함한다.
정합층(160)은 금속층(162b), 제1층(164a), 제3층(164), 2층(166a), 제4층(168), 제5층(166)이 순차적으로 적층되고, 상위층으로 갈수록 음향 임피던스 값이 작아지며, 층 간에 단계적이며 불연속적으로 음향 임피던스 폭이 변화한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 진단 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 진단 장치(10)는 초음파 트랜스듀서(100), 빔포밍부(20), 영상 처리부(30) 및 출력부(40)를 포함한다.
초음파 트랜스듀서(100)는 다수의 소자(100-1,100-2,…,100-n)로 이루어질 수 있다. 초음파 트랜스듀서(100)는 적어도 4개층 구조의 정합층(160)을 포함하며, 정합층(160)은 능동소자(140)와 피검사체 간의 음향 임피던스를 정합하기 위한 N개의 물질(N≥2인 정수)을 이용하여 각각 서로 다른 음향 임피던스 크기를 가지는 2N개의 층을 구성한다.
예를 들어, 초음파 트랜스듀서(100)의 정합층(160)은 금속층(162)과, 제1 물질로 구성된 제1층(164)과, 제1 물질과는 다른 임피던스 값을 가지는 제2 물질로 구성된 제2층(168)과, 제1층(164)과 제2층(168) 사이에 형성되고 제1 물질과 제2 물질을 결합하여 제1층(164)과 제2층(168) 간 음향 임피던스 변화 폭을 줄이는 제3층(166)을 포함한다.
빔포밍부(20)는 초음파 트랜스듀서(100)를 구동하여 초음파 신호를 피검사체에 송신하고 피검사체로부터 되돌아오는 반사신호를 처리하여 빔 신호를 생성한다.
영상 처리부(30)는 빔포밍부(20)로부터 빔 신호를 수신하여 초음파 영상을 생성한다. 출력부(40)는 영상 처리부(30)를 통해 생성된 초음파 영상을 외부로 디스플레이한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 물질을 대상으로 연마 공정 등을 통해 소정의 두께를 갖는 시트(sheet) 형상의 ML1(200)을 생성한다(S100). 다이싱(dicing) 등의 정밀 가공을 통해 ML1(200)에 다수의 홈을 형성한다(S102).
이어서, 다수의 홈이 생성된 ML1(200)의 홈에 제2 물질을 부어 채워 제1 물질과 제2 물질이 결합한 복합체(Composite)(210)를 형성한다(S104). 그리고, 복합체(210)에 제2 물질을 더 적재하고, 연마 공정 등을 통해 그 두께를 조절하여 복합체 위에 제2 물질로 구성된 ML2(220)를 형성한다(S106).
ML1(200)의 일면에 능동소자(140)의 열을 분산시키기 위한 금속으로 이루어진 금속층(230)을 형성한다(S108). 금속층(230)은 정합층을 구성하는 적어도 하나의 층 중에서 음향 임피던스 크기가 가장 큰 층의 일면에 금속을 후막 증착한다.
다른 실시예의 금속층(230)은 복합체(210) 일면에 일정한 두께의 알루미늄을 접착할 수도 있다.
이에 따라 정합층은 금속층(230)과, 금속층(230) 위에 제1 물질로 구성된 ML1(200)과 제1 물질과 제2 물질이 결합한 복합체(210)와, 복합체(210) 위에 제2 물질로 구성된 ML2(220)가 형성된다.
일반적으로 중심 주파수가 높은 초음파 트랜스듀서(100)의 경우 정합층의 두께가 얇아지기 때문에 제작이 어렵다. 그러나 본 발명은 전술한 프로세스에 의해 그 두께가 전체적으로 두꺼워지므로 제작이 용이하다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 성능 차이를 나타낸 그래프이다.
도 8은 중심 주파수 4MHz인 Phased Array에 DML(Double Matching Layer), TML(Triple Matching Layer), ACML(Aluminum Composite Matching Layer)을 각각 적용하였을 때 음향 특성을 계산한 결과이다.
DML은 정합층을 2개의 층으로 형성한 것이고, TML은 정합층을 3개의 층으로 형성한 것이며, ACML은 본 발명의 정합층으로서 알루미늄의 금속층과 제1 물질과 제2 물질이 교대로 톱니 형태로 배열된 복합체로 정합층을 형성한 것이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, ACML의 경우 비대역폭이 가장 넓고, 능동소자(140)에서 발생한 초음파가 제1 물질과 제2 물질 사이의 경계면에 복합체 구조와 금속층을 통해 피검사체로 전달되는 경우 초음파 트랜스듀서(100)의 감도(Sensitivity) 및 대역폭(Bandwidth)이 향상됨을 확인할 수 있다.
도 9 및 [표 1]는 DML, TML, ACML의 주파수(Frequency)에 대한 정규 크기(Normalize Magnitude)를 비교한 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 초음파 트랜스듀서의 경우 더 넓은 범위에서 정규 크기가 크게 나타남을 알 수 있다. 이에 따라 본 발명의 초음파 트랜스듀서(100)는 대역폭이 넓어지며 감도가 향상된다.
Figure PCTKR2016000851-appb-T000001
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 정합층의 열 전도도 변화시에 시간에 따른 음향렌즈의 온도 변화를 나타낸 도면이다.
도 10은 DML, TML, ACML의 정합층을 가진 초음파 트랜스듀서(100)를 비교한 결과, 본 발명의 정합층인 ACML의 경우 온도가 가장 낮게 형성됨을 확인할 수 있다.
본 발명은 능동소자(140)와 인접한 정합층이 알루미늄의 금속층과 제1 물질과 제2 물질이 교대로 톱니 형태로 배열된 복합체로 형성되어 능동소자(140)에서 발생하는 열 및 다중 반사에 의해 발생한 열을 분산시켜 음향렌즈(170)까지 열을 전달하지 않는다. 이에 따라 초음파 트랜스듀서(100)의 표면 온도 즉 음향렌즈(170)의 온도가 내려간다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

  1. 적어도 하나의 압전소자를 포함하는 능동소자; 및
    상기 능동소자의 상부에 형성되어 상기 능동소자와 피검사체 간의 음향 임피던스 차이를 정합하는 다층 구조의 정합층을 포함하고, 상기 정합층은 각각 서로 다른 음향 임피던스 크기를 가지는 다수개의 층으로 형성되며, 상기 능동소자에서 발생하는 열을 분산시키는 금속층을 더 포함하며,
    상기 금속층은 상기 능동소자의 일면에 금속을 형성하거나 상기 정합층을 구성하는 적어도 하나의 층 중에서 음향 임피던스 크기가 가장 큰 층의 일면에 금속을 형성하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정합층은,
    제1 임피던스 값을 가지는 제1 물질로 구성된 제1층;
    제2 임피던스 값을 가지는 제2 물질로 구성된 제2층; 및
    상기 제1층과 상기 제2층 사이에 형성되고 상기 제1 물질과 상기 제2 물질이 결합되어 상기 제1층 및 제2층의 음향 임피던스의 변화폭을 줄이는 제3층을 포함하며, 상기 금속층은 상기 제1층의 일면에 후막 증착되어 형성하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 정합층은 상기 금속층, 상기 제1층, 상기 제3층, 상기 제2층의 순차적으로 적층되고, 상위층으로 갈수록 음향 임피던스 값이 작아지며, 층 간에 단계적이며 불연속적으로 음향 임피던스 폭이 변화하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3층은 상기 제1층의 제1 물질과 상기 제2층의 제2 물질이 교대로 톱니 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속층의 두께는 상기 정합층을 구성하는 다른 각 층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 구리, 금, 은, 알루미늄의 금속물질, 금속 화합물, 적어도 하나 이상의 금속 원료가 선택 또는 혼합되어 음향 임피던스 및 열전도도가 조절되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2층의 상부면에 적층되어 제3 임피던스 값을 가지는 제3 물질로 구성된 제4층;
    제4 임피던스 값을 가지는 제4 물질로 구성된 제5층; 및
    상기 제3층과 상기 제4층 사이에 형성되고 상기 제3 물질과 상기 제4 물질이 결합되어 상기 제4층 및 제5층의 음향 임피던스의 변화폭을 줄이는 제6층을 더 포함하며, 상기 금속층, 상기 제1층, 상기 제3층, 상기 제2층, 상기 제4층, 상기 제6층, 상기 제5층이 순차적으로 적층되고, 상위층으로 갈수록 음향 임피던스 값이 작아지며, 층 간에 단계적이며 불연속적으로 음향 임피던스 폭이 변화하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 능동소자의 일면에 형성하는 연성 인쇄회로기판; 및
    상기 금속층과 상기 능동소자의 사이에 형성된 접지 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  9. 적어도 하나의 압전소자를 포함하는 능동소자;
    상기 능동소자의 일면에 형성되는 연성 인쇄회로기판;
    상기 능동소자의 타면에 형성되는 접지 시트;
    상기 접지 시트의 일면에 형성되는 상기 능동소자와 피검사체 간의 음향 임피던스 차이를 정합하는 다층 구조의 정합층을 포함하고, 상기 정합층은 상기 접지 시트의 상부면에 형성되어 상기 능동소자에서 발생하는 열을 분산시키는 금속층;
    상기 금속층의 일면에 형성되어 제1 임피던스 값을 가지는 제1 물질로 구성된 제1층;
    제2 임피던스 값을 가지는 제2 물질로 구성된 제2층; 및
    상기 제1층과 상기 제2층 사이에 형성되고 상기 제1 물질과 상기 제2 물질이 결합되어 상기 제1층 및 제2층의 음향 임피던스의 변화폭을 줄이는 제3층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
PCT/KR2016/000851 2015-02-06 2016-01-27 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서 Ceased WO2016126041A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2015-0018638 2015-02-06
KR1020150018638A KR20160096935A (ko) 2015-02-06 2015-02-06 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016126041A1 true WO2016126041A1 (ko) 2016-08-11

Family

ID=56564324

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2016/000851 Ceased WO2016126041A1 (ko) 2015-02-06 2016-01-27 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20160096935A (ko)
WO (1) WO2016126041A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12047017B2 (en) 2018-08-17 2024-07-23 Herrmann Ultraschalltechnik Gmbh & Co. Kg Ultrasonic vibration device having a first and a second piezo sensor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030082303A (ko) * 2002-04-17 2003-10-22 주식회사 프로소닉 배열형 초음파 변환기
US20030231549A1 (en) * 2002-05-15 2003-12-18 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Acoustic matching member, ultrasonic transducer, ultrasonic flowmeter and method for manufacturing the same
JP2006101204A (ja) * 2004-09-29 2006-04-13 Fuji Photo Film Co Ltd 音響整合層及びその製造方法、並びに、超音波トランスデューサ
KR20130030226A (ko) * 2011-09-16 2013-03-26 제너럴 일렉트릭 캄파니 초음파 트랜스듀서를 위한 열적 전송 및 음향 정합층
US20130090561A1 (en) * 2011-04-21 2013-04-11 Koichi KUSUKAME Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030082303A (ko) * 2002-04-17 2003-10-22 주식회사 프로소닉 배열형 초음파 변환기
US20030231549A1 (en) * 2002-05-15 2003-12-18 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Acoustic matching member, ultrasonic transducer, ultrasonic flowmeter and method for manufacturing the same
JP2006101204A (ja) * 2004-09-29 2006-04-13 Fuji Photo Film Co Ltd 音響整合層及びその製造方法、並びに、超音波トランスデューサ
US20130090561A1 (en) * 2011-04-21 2013-04-11 Koichi KUSUKAME Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic device
KR20130030226A (ko) * 2011-09-16 2013-03-26 제너럴 일렉트릭 캄파니 초음파 트랜스듀서를 위한 열적 전송 및 음향 정합층

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12047017B2 (en) 2018-08-17 2024-07-23 Herrmann Ultraschalltechnik Gmbh & Co. Kg Ultrasonic vibration device having a first and a second piezo sensor

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160096935A (ko) 2016-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2015005586A1 (en) Ultrasonic probe and manufacturing method thereof
US7441321B2 (en) Method of manufacturing ultrasound transducer device having acoustic backing
US6784600B2 (en) Ultrasonic membrane transducer for an ultrasonic diagnostic probe
US7694406B2 (en) Method for forming a composite structure of backing material for use in a transducer assembly
JP4043882B2 (ja) 可変の音響インピーダンスを有する超音波変換器ウェハー
WO2016137023A1 (ko) 복합 구조의 정합층을 가진 초음파 트랜스듀서 및 그 제조방법
JP4524719B2 (ja) アレイ型超音波振動子
US5644085A (en) High density integrated ultrasonic phased array transducer and a method for making
JP4181103B2 (ja) 超音波プローブおよび超音波診断装置
CN1677706A (zh) 传感元件的隔离方法和装置
US5722137A (en) Method for making a high density interconnect for an ultrasonic phased array
CN112118791A (zh) 集成超声换能器
CN1897876A (zh) 超声探头
CN102497938A (zh) 带有整体的电连接的超声波成像转换器声学叠层
CN101128944A (zh) 多层超声换能器及其制造方法
JP2011229976A (ja) 超音波探触子および超音波画像装置
US11583259B2 (en) Thermal conductive layer for transducer face temperature reduction
JP4118115B2 (ja) 超音波プローブ
WO2016126041A1 (ko) 음향특성 및 열특성을 향상시키는 초음파 트랜스듀서
WO2016117721A1 (ko) 열 분산 향상을 위한 흡음층을 가진 초음파 트랜스듀서
JP2007158468A (ja) 超音波探触子および超音波画像装置
CN221730630U (zh) 一种冷却层背衬换能器结构
WO2016137022A1 (ko) 금속층을 가진 정합층을 포함하는 초음파 트랜스듀서 및 그 제조방법
KR101605162B1 (ko) 연성 인쇄회로기판의 금속층이 두꺼운 초음파 트랜스듀서 및 그 제조방법
WO2016085014A1 (ko) 다계층 초음파 트랜스듀서 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16746782

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16746782

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1