WO2016129829A1 - 초음파 트랜스듀서, 이를 포함하는 초음파 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

초음파 트랜스듀서, 이를 포함하는 초음파 장치 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2016129829A1
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ultrasonic transducer
electrode
patterns
ultrasonic
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노용래
이원석
박연수
이형근
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    • 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
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    • 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, an ultrasonic apparatus including the same, and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an ultrasonic transducer for improving a beam shape in a width direction, an ultrasonic apparatus including the same, and a manufacturing method thereof.
  • MEMS Micro-Electro-Mechanical System
  • microelectromechanical systems micro machining or micro systems
  • MEMS technology has the advantage of enabling mass production of micro products at low cost by applying semiconductor microprocessing technology that structurally repeats processes such as deposition and etching, and with the advent of nano and system on chip (SoC) technology It is rising on this day.
  • semiconductor microprocessing technology that structurally repeats processes such as deposition and etching, and with the advent of nano and system on chip (SoC) technology It is rising on this day.
  • SoC system on chip
  • MEMS is the 21st century's most promising technology, comparable to semiconductor technology, which is the representative industrial technology of the 20th century.
  • the scope of application of MEMS technology is currently used in the biomedical fields such as biochips for deciphering gene information beyond the acceleration sensor or inkjet printer head of automobile airbag It is rapidly spreading to parts, optical parts, and micromechanical fields.
  • the ultrasound has been applied to a variety of uses, such as an ultrasonic diagnostic device for diagnosing a disease of the human body, an ultrasonic detector using ultrasonic waves, acupuncture therapy using ultrasonic waves, and other ultrasonic processing apparatus for mechanical micromachining.
  • the ultrasonic wave is an inaudible vibration sound wave generated by the piezoelectric effect, the frequency of which is about 17000 to 20000 Hz or more, can be irradiated directly to the human body non-invasive for the purpose of treating human disease, using thermal and / or mechanical effects It can also be used for the purpose of treatment of pain, treatment of bones and massage.
  • the ultrasonic apparatus using the ultrasonic wave includes an ultrasonic generator for generating the ultrasonic wave, a high frequency oscillator for generating the high frequency current for inputting a high frequency current to the ultrasonic generator, and a controller for controlling the high frequency oscillator. It is common to be.
  • a method of controlling the beam shape of the ultrasonic transducer generally uses a single focus lens (similar to solar focus using a magnifying glass).
  • a single focus lens similar to solar focus using a magnifying glass.
  • the sound waves are focused at a specific depth, only the beam width of the focused portion is narrowed, and the other portions have a problem in that the beam width is widened.
  • an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer for improving the beam shape in the width direction.
  • Another object of the present invention is to provide an ultrasonic device including the ultrasonic transducer.
  • Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the ultrasonic transducer.
  • Ultrasonic transducer piezoelectric for converting electrical energy into mechanical vibration to generate ultrasonic waves;
  • An upper electrode formed on the piezoelectric body to transfer the electrical energy to the piezoelectric body, the upper electrode including division patterns;
  • a matching layer formed on the upper electrode and formed of the same division patterns as the division patterns of the upper electrode;
  • a multifocal lens formed on the matching layer and having at least two curvatures to form multiple foci.
  • the division patterns of the upper electrode may be divided in the width direction of the ultrasonic transducer.
  • the split patterns of the upper electrode may have a symmetrical structure with respect to the length (azimuth) direction of the ultrasonic transducer.
  • a kerf may be formed between the division patterns of the upper electrode.
  • an adhesive may be filled in the kerf between the division patterns of the upper electrode.
  • the ultrasonic transducer may further include a ground sheet formed on the upper electrode.
  • the matching layer may include two or more layers.
  • the ultrasonic transducer may further include a lower electrode formed under the piezoelectric body.
  • the upper electrode and the lower electrode may include at least one of gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), and silver (Ag).
  • the ultrasonic transducer may further include a flexible printed circuit board (FPCB) formed under the lower electrode to apply electrical energy to the lower electrode.
  • FPCB flexible printed circuit board
  • the ultrasonic transducer may have a rectangular parallelepiped shape as a whole, the lower electrode may have a rectangular plate shape, and the upper electrode may have a slit rectangular planar shape.
  • the ultrasonic transducer may have a cylindrical shape as a whole, the lower electrode may have a circular plate shape, and the upper electrode may have a plurality of concentric planar shapes.
  • an ultrasound apparatus comprising: the ultrasound transducer; And a controller configured to control driving of the ultrasonic transducer by controlling electrical energy applied to the divided patterns of the upper electrode.
  • the ultrasonic apparatus may further include a main body unit coupling the ultrasonic transducer and the control unit.
  • the controller may simultaneously apply electrical energy to the split patterns of the upper electrode.
  • the controller may selectively apply electrical energy to a portion of the split patterns of the upper electrode.
  • the controller may independently control each division pattern of the division patterns of the upper electrode.
  • the ultrasound apparatus may be used as at least one of an ultrasound therapy apparatus, an ultrasound diagnostic apparatus, an ultrasound detection apparatus, and an ultrasound processing apparatus.
  • a method of manufacturing an ultrasound transducer including: forming a flexible printed circuit board (FPCB) on a substrate formed on a rear block; Stacking a piezoelectric material on which a lower electrode and an upper electrode are deposited on the flexible circuit board; Removing the upper electrode by separating the upper electrode in an elevation direction; Forming a ground sheet on the upper electrode; Forming a matching layer on the ground sheet; Separating the matching layer in the same pattern as the upper electrode; And forming a multifocal lens having at least two curvatures to form multiple foci on the matching layer.
  • FPCB flexible printed circuit board
  • the removing and separating the upper electrode in an elevation direction and separating the matching layer in the same pattern as the upper electrode may include removing the upper electrode and the matching layer by grinding. can do.
  • the present invention may be usefully applied to an ultrasound diagnostic device for diagnosing a disease of a human body, an ultrasound detector using ultrasound, an acupuncture therapy using ultrasound, and an ultrasonic processing device for other mechanical microprocessing.
  • the ultrasonic transducer according to the present invention includes a focusing lens array manufactured based on MEMS, the ultrasonic transducer can be mass-produced using a semiconductor manufacturing process and can easily manufacture a focused lens array having a desired fine and precise shape. In addition, product manufacturing by mass production can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the upper electrode of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a plan view of the upper electrode of the ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • 4a to 5b are waveform diagrams for showing the characteristics of the ultrasonic transducer according to the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart of a method of manufacturing an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the upper electrode of FIG. 1.
  • 3 is a plan view of the upper electrode of the ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic transducer 1 according to the invention improves the beam shape in the direction of elevation.
  • the ultrasonic transducer 1 according to the present invention includes a piezoelectric body 40, two or more upper electrodes 50 separated from each other, matching layers 70 and 80, and a multi-focal using lens. , 90).
  • the ultrasonic transducer 1 may include at least one of a rear block 10, a substrate (not shown), a flexible printed circuit board (FPCB) 20, a lower electrode 30, and a ground sheet 60. It may further include. Further, if necessary, some of the above components may be deleted or further include additional components.
  • FPCB flexible printed circuit board
  • the ultrasonic transducer 1 may be in the form of a chip manufactured using MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) technology.
  • MEMS Micro-Electro-Mechanical System
  • a transducer is a device for converting some form of energy received from one or more sources into another, for example, a speaker converts an electronegative signal into an audible air pressure wave, and a pickup converts the mechanical movement of the needle into electrical pressure. Is a converter. Therefore, the ultrasonic transducer corresponds to an ultrasonic transducer that converts electrical energy into ultrasonic waves.
  • the ultrasonic apparatus including the ultrasonic transducer 1 includes a control unit for controlling the driving of the ultrasonic transducer 1, and a main body unit may combine the ultrasonic transducer 1 and the control unit.
  • the main unit may also function as a cover that protects the ultrasonic transducer 1 from noise, physical contact, and the like from the outside.
  • ultrasonic waves When electrical energy is applied to the ultrasonic transducer 1, ultrasonic waves are generated, and the ultrasonic waves are projected on the human body to perform lipolysis or other purposes of treatment, diagnosis, or detection.
  • the main body unit includes a microprocessor constituting the control unit and a power supply circuit for supplying power to the ultrasonic transducer 1, and the microprocessor includes an input unit for receiving ultrasonic irradiation conditions and a display unit for displaying operating conditions. And a power supply unit for supplying power to each electric component.
  • the input unit inputs ultrasonic irradiation conditions such as ultrasonic frequency and ultrasonic irradiation time of a desired band as an operation unit.
  • the display unit may display the operating time of the ultrasonic wave, the output intensity of the current ultrasonic wave, and the frequency of the ultrasonic wave currently being irradiated.
  • the power supply unit may be configured as a battery for wireless operation or supply external power wired through an electric cable.
  • the ultrasonic transducer 1 is controlled by the controller, more specifically, the microprocessor.
  • the microprocessor may generate ultrasonic waves of a preset frequency band. The driving of the ultrasonic transducer 1 is controlled to be generated.
  • control unit may be configured to generate the ultrasonic transducer 1 so that the ultrasonic transducer 1 generates ultrasonic waves of the corresponding frequency band in any one band selected from among a plurality of band frequencies oscillated by the ultrasonic transducer 1.
  • the producer 1 is controlled.
  • the main body unit is provided with a high frequency oscillator for supplying a high frequency current to the ultrasonic transducer 1, the high frequency oscillator may be controlled by the controller.
  • the ultrasonic transducer 1 includes two electrodes for applying a current to the piezoelectric body 40 and the piezoelectric body 40, one of which is connected to the lower electrode 30. And the other electrode is formed by the upper electrode 50.
  • a high frequency current for example, a high frequency alternating current
  • the piezoelectric body 40 may be crystal, Rosell salt, barium titanate (BaTiO 3), artificial ceramic (PZT), or the like.
  • the piezoelectric body 40 may be a crystal plate made of a crystal, but is not limited thereto. Other known materials may also be used.
  • the upper electrode 50 and the lower electrode 30 may include at least one of gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), and silver (Ag).
  • the upper electrode 50 and the lower electrode 30 may be deposited to a thickness of about 0.1 ⁇ m or less, for example.
  • the ground sheet 60 and the flexible circuit board 20 are attached to the upper electrode 50 and the lower electrode 30, respectively, and apply electric energy to the piezoelectric body 40 when ultrasonic transmission is performed. It serves to detect electrical energy generated by sound pressure upon reception.
  • the matching layers 70 and 80 are formed of patterns having the same shape as the division patterns of the upper electrode 50.
  • the matching layers 70 and 80 may be formed of two or more layers.
  • the matching layers 70 and 80 are formed as a double layer including the first matching layer 70 and the second matching layer 80.
  • the multifocal lens 90 is formed on the matching layers 70 and 80 and has at least two curvatures to form multiple focal points.
  • the method of adjusting the beam shape of an ultrasonic transducer generally uses a single focus lens (similar to solar focus using a magnifying glass). Since the single focus focuses sound waves at a specific depth, only the beam width of the focused portion is narrowed, and the beam width of the other portion is widened.
  • the present invention uses a multifocal lens 90. Since the sound waves are focused at various depths, the beam width becomes uniform in the depth direction. However, a problem may arise in that the sidelobe level becomes high.
  • the upper electrode 50 is formed as a split electrode, thereby reducing the side lobe level by adjusting the effective length at which sound waves are generated. Therefore, in the prior art, since it is difficult to make the side lobe level and the beam width uniform, the present invention improves the beam shape by simultaneously applying the split electrode 50 and the multifocal lens 90.
  • the ultrasonic transducer 1 has a plurality of divided electrode (shaded electrode) structure in order to uniformly improve the beam shape in the width (elevation) direction. That is, the upper electrode 50 has a plurality of split patterns having tooth widths 55.
  • the division pattern of the upper electrode 50 is divided by the length of the upper electrode 50 of the upper layer of the piezoelectric body 40 to adjust the size of the portion where the sound wave is generated. This is because by dividing the upper electrode 50, the area of the entire area of the upper electrode 50 to which a current is applied can be increased or decreased.
  • the division patterns may be divided in a width direction of the ultrasonic transducer, and may be formed in a symmetrical structure around the azimuth direction of the ultrasonic transducer 1.
  • a current may be selectively applied to some or a plurality of division patterns of the upper electrode 50, and may be independently controlled.
  • the divided patterns forming the upper electrode 50 are provided on one surface of the piezoelectric body 40 to be separated from each other, and are arranged to be electrically divided.
  • the lower electrode 30 is disposed on the other side of the piezoelectric body 40. It is provided on the surface, for example, may be formed of a diaphragm.
  • the upper electrode 50 is connected to one electrode line of the wire for supplying a high frequency current
  • the lower electrode 30 is the flexible circuit board 20 of the ultrasonic transducer 1 in contact with the other electrode line of the wire. High frequency current can be applied through
  • the upper electrode 50 and the lower electrode 30 serve as a condenser, and the piezoelectric body 40 is It acts as the dielectric of the capacitor to determine the capacitance (C value) of the capacitor, and the C value determines the frequency of the ultrasonic waves.
  • the present invention provides a width of the upper electrode 50.
  • the change may be used to enable frequency modulation of the ultrasonic waves.
  • the present invention divides the upper electrode 50 into a plurality of split electrodes, and selectively modulates the width of the portion of the upper electrode 50 to which a current is applied, thereby enabling modulation of the frequency.
  • the application of the current to each of the divided electrodes can be controlled by controlling the application of the current to each of the divided electrodes. In other words, the application of the current to one of the divided electrodes and the application of the current to the plurality of divided electrodes may be selectively performed.
  • the upper electrode 50 is composed of a plurality of divided split electrodes 50a, 50b, 50c, 50d and 50e. Between the split electrodes 50a, 50b, 50c, 50d and 50e, a tooth width 55 is generated in the azimuth direction of the ultrasonic transducer 1, so that the split electrodes 50a and 50b are formed. , 50c, 50d, 50e).
  • the split electrodes 50a, 50b, 50c, 50d, and 50e have a pattern shape slit in the azimuth direction of the ultrasonic transducer 1.
  • the tooth width 55 between the split electrodes 50a, 50b, 50c, 50d, 50e may be constant, and the split electrodes 50a, 50b, 50c, 50d, 50e may be the ultrasonic transducer 1. It may have a symmetrical structure with respect to one line in the azimuth direction.
  • the ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention shown in Figure 3 has a cylindrical shape
  • the upper electrode 50 has a disk-shaped appearance
  • the split electrodes 50f, 50g It is electrically divided by at least one dividing circle in the shape of a silver ring between 50h and 50i.
  • the split electrodes 50f, 50g, 50h, and 50i are divided by the dividing source so as to be concentric, but the shape or the dividing method of the upper electrode 50 is not limited thereto.
  • the upper electrode 50 is divided by four concentric dividing circles having different diameters.
  • the branched electrode line branched from the main electrode line constituting the one electrode line may be connected to each of the divided electrodes, and the frequency of the ultrasonic wave may vary depending on whether current is applied through each of the branched electrode lines.
  • a switch for opening and closing each branch electrode line may be provided, and the switch is controlled by the controller.
  • a current may be applied to only a part of the split electrodes 50f, 50g, 50h, and 50i, and a current may be simultaneously applied to the split electrodes, and the split electrodes 50f, 50g, 50h, and 50i may be applied.
  • a current may be applied to the entirety of the split electrodes, but a current is applied to only a part of the split electrodes 50f, 50g, 50h, and 50i than when the current is applied to the split electrodes 50f, 50g, 50h, and 50i. In this case, the area to which the current is applied becomes smaller.
  • the frequency of the ultrasonic wave generated when the current is applied to only one divided electrode is higher than when the current is applied to all or a plurality of the divided electrodes 50f, 50g, 50h, and 50i.
  • a current may be selectively applied to at least one of the split electrodes 50f, 50g, 50h, and 50i, and various combinations of portions where the current is applied may be performed. Accordingly, the frequency of the ultrasound may be variously modulated.
  • ultrasonic waves may be irradiated to a constant region without being deflected from the same center even when the frequency is modulated.
  • the ultrasonic transducer 1 according to the present invention having the above-described configuration may be applied to ultrasonic apparatuses in various other areas in addition to the ultrasonic apparatus.
  • the present invention can provide a high-performance ultrasonic transducer by improving the beam shape in the width direction, and frequency modulation is also easy. Accordingly, the ultrasonic diagnostic apparatus for diagnosing a disease of a human body, an ultrasonic detector using ultrasonic waves, acupuncture therapy using ultrasonic waves, and other ultrasonic processing apparatuses for mechanical micromachining may be variously used.
  • the ultrasonic transducer according to the present invention includes a focusing lens array manufactured based on MEMS, the ultrasonic transducer can be mass-produced using a semiconductor manufacturing process and can easily manufacture a focused lens array having a desired fine and precise shape. In addition, product manufacturing by mass production can be reduced.
  • FIG. 4A is a beam pattern, which is a graph showing a normalized value of the magnitude of sound pressure according to an angle at a point 1 m away from the ultrasonic transducer 1.
  • the sound waves should be focused on the object under test because the sound wave measured in an undesired direction distorts the measurement signal when the size of the side lobe becomes high.
  • FIG. 4B is a graph showing the sound pressure propagated in the ultrasonic transducer 1 as a relative sound pressure value at a reference sound pressure of 1 ⁇ Pa in the depth direction. This can be said that the higher the sound pressure generated in the section where the beam is focused, the better the performance. This is because the higher the sound pressure generated, the more sound waves can be sent to the measurement object.
  • Figure 4c shows the sound pressure generated from the ultrasonic transducer (1) in the direction of the depth and width (elevation), where a contour corresponding to -3 dB converted to the relative sound pressure value based on the highest sound pressure at each depth Is a graph. This graph is for checking the beam width.
  • Table 1 below shows the numerical values according to the experimental results of FIGS. 4A to 4C.
  • the structure proposed in the present invention has a small side lobe compared to the prior art (Flat lens & whole electrod) and from the near field region (near field) It can be seen that the beam width is narrow and has a beam profile with a high sound pressure.
  • 5A and 5B illustrate a flat lens & whole electrode and a structure proposed in the present invention (multi-focusing lens & shaded electrode) for verifying the performance of the ultrasonic transducer 1 according to the present invention. It is a graph measuring the shape.
  • the structure proposed in the present invention has a narrow and uniform beam width compared to the prior art. Therefore, it can be seen that the ultrasonic transducer according to the present invention has the effect of uniformly improving the beam shape.
  • FIG. 6 is a flowchart of a method of manufacturing an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • an ultrasonic transducer having a configuration substantially the same as that of the ultrasonic transducer 1 of FIG. 1 may be manufactured. Accordingly, the same components as those of the ultrasonic transducer 1 of FIG. 1 are given the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted.
  • a flexible printed circuit board FPCB is formed on a substrate formed on a rear block (step S10).
  • the back block may be an oxide semiconductor capable of forming structures formed on the back block using MEMS technology.
  • it may be formed of silicon dioxide (SiO 2 ), and may further include a separate substrate.
  • the flexible printed circuit board FPCB may be a wiring board, and may include wiring and connection terminals used for supplying power from the outside, outputting signals to the outside, and the like.
  • the piezoelectric body on which the lower electrode and the upper electrode are deposited is laminated on the flexible circuit board (step S20).
  • the upper electrode and the lower electrode form two electrodes for applying an electrical signal, ie, a pulsed high frequency current, to the piezoelectric body.
  • a quartz plate may be used as an example of the piezoelectric body.
  • the upper electrode and the lower electrode may include at least one of gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), and silver (Ag).
  • Au gold
  • Pt platinum
  • Ti titanium
  • Au silver
  • the upper electrode and the lower electrode may be deposited to a thickness of about 0.1 ⁇ m or less. Can be.
  • the upper electrode is removed in a width (elevation) direction and separated (step S30).
  • the present invention divides the length of the upper electrode of the piezoelectric upper part in order to adjust the size of the portion in which the sound wave of the upper electrode is generated, thereby uniformly improving the beam shape in the direction of the ultrasonic transducer.
  • the upper electrode may be divided into electrodes by forming a kerf using a precision grinding machine.
  • the photoresist (PR) used in a semiconductor manufacturing process may be divided into a plurality of split electrodes through a photolithography process.
  • the manufacturing method is not limited thereto.
  • a ground sheet is formed on the upper electrode (step S40), and a matching layer is formed on the ground sheet (step S50).
  • the ground sheet and the matching layer may be stacked using an adhesive, and thus the tooth width formed between the divided patterns of the upper electrode may be filled with the adhesive.
  • the matching layer is separated in the same pattern as the upper electrode (step S60). Separation of the mating layer may also be performed using a precision grinding machine. In this case, the ground sheet is not cut.
  • the filling of the tooth width filler may be further performed to fill the openings formed between the patterns of the matching layer.
  • a multifocal lens is formed on the matching layer (step S70).
  • the multifocal lens has at least two curvatures to form a multifocal.
  • the ultrasonic transducer according to the present invention improves beam shape by simultaneously applying a split electrode and a multifocal lens.
  • the present invention improves the beam shape in the width direction of the ultrasonic transducer, it suppresses variations in beam shape and suppresses mismatching of the variable capacitor regarding acoustic characteristics such as frequency characteristics and phase. Accordingly, the ultrasonic diagnostic apparatus for diagnosing a disease of a human body, an ultrasonic detector using ultrasonic waves, acupuncture therapy using ultrasonic waves, and other ultrasonic processing apparatuses for mechanical micromachining may be variously used.

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  • Signal Processing (AREA)
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Abstract

초음파 트랜스듀서는, 전기 에너지를 기계적 진동으로 변환하여 초음파를 발생시키는 압전체; 상기 압전체 상부에 형성되어 상기 전기 에너지를 상기 압전체로 전달하고, 분할 패턴들을 포함하는 상부 전극; 상기 상부 전극 상에 형성되고, 상기 상부 전극의 분할 패턴들과 동일한 분할 패턴들로 형성되는 정합층; 및 상기 정합층 상에 형성되고, 다중 초점을 형성하기 위해 적어도 두 개 이상의 곡률을 갖는 다초점 렌즈를 포함한다. 이에 따라, 폭 방향의 빔 형상을 개선하여 고성능의 초음파 트랜스듀서를 제공할 수 있다.

Description

초음파 트랜스듀서, 이를 포함하는 초음파 장치 및 이의 제조 방법
본 발명은 초음파 트랜스듀서, 이를 포함하는 초음파 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폭 방향의 빔 형상을 개선하기 위한 초음파 트랜스듀서, 이를 포함하는 초음파 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기술은 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공하여 초미세 기계구조물을 만드는 기술로서 미소전기기계 시스템(마이크로 머시닝 또는 마이크로 시스템)이라고 불린다.
MEMS 기술은 구조적으로 증착과 식각 등의 과정을 반복하는 반도체 미세공정기술을 적용하여 저렴한 비용으로 초소형 제품의 대량생산을 가능하게 하는 장점이 있어, 나노 및 시스템온칩(SoC) 기술의 등장과 함께 중요성이 날로 부각되고 있다.
MEMS는 20세기의 대표적인 산업기술인 반도체 기술에 버금가는 21세기 최대 유망 기술로, 현재 MEMS 기술의 응용 범위는 자동차 에어백의 가속도 센서나 잉크젯 프린터 헤드 등에서 벗어나 유전자 정보 해독을 위한 바이오칩 등 생명의료 분야, 무선부품, 광부품, 미세기계 분야로 급속히 확산되고 있다.
한편, 초음파는 인체의 질병을 진단하는 초음파 진단기나 초음파를 이용한 초음파 탐지기, 초음파를 이용한 침술치료요법, 기타 기계적 미세가공을 위한 초음파 가공장치 등 그 용도가 다양하게 적용되고 있다.
상기 초음파는 압전효과에 의해 발생되는 불가청 진동음파로서 주파수가 약 17000 내지 20000 Hz 이상이며, 인체질환을 치료할 목적으로 비침습적으로 인체에 직접 조사될 수 있고, 열효과 및/또는 기계적 효과를 이용하여 통증의 치료나 뼈의 치료 및 마사지 등의 목적으로 사용될 수도 있다.
상기 초음파를 이용한 초음파 기기는, 상기 초음파를 발생시키기 위한 초음파 발생부와 상기 초음파 발생부에 고주파 전류를 입력하기 위하여 상기 고주파 전류를 발생시키는 고주파 발진부 및 상기 고주파 발진부를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것이 일반적이다.
그러나, 초음파의 빔이 균일하지 못한 문제가 있어 균일한 빔 형상을 형성하기 위해 다양한 시도들이 있어왔다. 구체적으로, 초음파 트랜스듀서의 빔 형상을 조절하는 방법에는 일반적으로 단일초점 렌즈(돋보기를 이용한 태양광 집속과 유사)를 사용한다. 그러나, 단일초점의 경우, 특정 깊이에 음파를 집속시키기 때문에, 집속되는 부분의 빔폭만 좁아지고 그 외 부분은 빔폭이 넓어지는 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 폭 방향의 빔 형상을 개선하기 위한 초음파 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는, 전기 에너지를 기계적 진동으로 변환하여 초음파를 발생시키는 압전체; 상기 압전체 상부에 형성되어 상기 전기 에너지를 상기 압전체로 전달하고, 분할 패턴들을 포함하는 상부 전극; 상기 상부 전극 상에 형성되고, 상기 상부 전극의 분할 패턴들과 동일한 분할 패턴들로 형성되는 정합층; 및 상기 정합층 상에 형성되고, 다중 초점을 형성하기 위해 적어도 두 개 이상의 곡률을 갖는 다초점 렌즈를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 상부 전극의 분할 패턴들은 상기 초음파 트랜스듀서의 폭(elevation) 방향으로 분할될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 상부 전극의 분할 패턴들은 상기 초음파 트랜스듀서의 길이(azimuth) 방향을 중심으로 대칭 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 상부 전극의 분할 패턴들 사이에 치폭(kerf)이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 상부 전극의 분할 패턴들 사이의 치폭(kerf)에는 접착제가 충진될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서는, 상기 상부 전극 상에 형성된 그라운드 시트(ground sheet)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 정합층은 두 개 이상의 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서는, 상기 압전체의 하부에 형성된 하부 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 금(Au), 백금(Pt), 티탄(Ti), 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서는, 상기 하부 전극의 하부에 형성되어 상기 하부 전극에 전기 에너지를 인가하는 연성회로기판(FPCB)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서는 전체적으로 직육면체 모양을 가지며, 상기 하부 전극은 사각판 형상이고, 상기 상부 전극은 슬릿된 직사각형 평면 형상일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서는 전체적으로 원기둥 모양을 가지며, 상기 하부 전극은 원형판 형상이고, 상기 상부 전극은 복수개의 동심원 평면 형상일 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 초음파 장치는, 상기 초음파 트랜스듀서; 및 상기 상부 전극의 분할 패턴들에 인가되는 전기 에너지를 제어하여 상기 초음파 트랜스듀서의 구동을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 초음파 장치는, 상기 초음파 트랜스듀서와 상기 제어부를 결합하는 본체 유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 상부 전극의 분할 패턴들에 동시에 전기 에너지를 인가할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 상부 전극의 분할 패턴들의 일부에 선택적으로 전기 에너지를 인가할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 상부 전극의 분할 패턴들의 각 분할 패턴을 독립적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 초음파 장치는, 초음파 치료 장치, 초음파 진단 장치, 초음파 탐지 장치, 초음파 가공 장치 중 적어도 하나로 사용될 수 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 제조 방법은, 후면 블록 상에 형성된 기판 위에 연성회로기판(FPCB)을 형성하는 단계; 상기 연성회로기판 상에 하부 전극 및 상부 전극이 증착된 압전체를 적층하는 단계; 상기 상부 전극을 폭(elevation) 방향으로 제거하여 분리하는 단계; 상기 상부 전극 상에 그라운드 시트(ground sheet)를 형성하는 단계; 상기 그라운드 시트 상에 정합층을 형성하는 단계; 상기 정합층을 상기 상부 전극과 동일한 패턴으로 분리하는 단계; 및 상기 정합층 상에 다중 초점을 형성하기 위해 적어도 두 개 이상의 곡률을 갖는 다초점 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 상부 전극을 폭(elevation) 방향으로 제거하여 분리하는 단계 및 상기 정합층을 상기 상부 전극과 동일한 패턴으로 분리하는 단계는, 상기 상부 전극 및 상기 정합층을 연삭하여 제거할 수 있다.
이와 같은 초음파 트랜스듀서에 따르면, 폭 방향의 빔 형상을 개선하여 고성능의 초음파 트랜스듀서를 제공할 수 있다. 이에 따라, 인체의 질병을 진단하는 초음파 진단기나 초음파를 이용한 초음파 탐지기, 초음파를 이용한 침술치료요법, 기타 기계적 미세가공을 위한 초음파 가공장치 등에 유용하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는 멤스 기반으로 제조된 집속렌즈 어레이를 포함하여 구성되므로, 반도체 제조공정을 이용하여 대량생산이 가능하고 원하는 미세하고 정밀한 형상의 집속렌즈 어레이를 용이하게 제조할 수 있으며, 대량생산에 의한 제품제조가 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 단면도이다.
도 2는 도 1의 상부 전극의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 상부 전극의 평면도이다.
도 4a 내지 도 5b는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 특성을 나타내기 위한 파형도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 제조 방법의 흐름도이다.
<부호의 설명>
1: 초음파 트랜스듀서 10: 후면 블록
20: 연성회로기판 30: 하부 전극
40: 압전체 50: 상부 전극
55: 치폭 60: 그라운드 시트
70: 제1 정합층 80: 제2 정합층
90: 다초점 렌즈
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 단면도이다. 도 2는 도 1의 상부 전극의 평면도이다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 상부 전극의 평면도이다.
본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(1)는 폭(elevation) 방향의 빔 형상을 개선한다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(1)는 압전체(40), 분리되어 형성된 두 개 이상의 상부 전극(50), 정합층(70, 80) 및 다초점 렌즈(Multi-Focusing lens, 90)를 포함한다.
또한, 상기 초음파 트랜스듀서(1)는 후면 블록(10), 기판(미도시), 연성회로기판(FPCB, 20), 하부 전극(30), 그라운드 시트(ground sheet, 60) 중 적어도 하나의 구성을 더 포함할 수 있다. 나아가, 필요에 따라 상기 구성 중 일부를 삭제하거나 추가 구성을 더 포함할 수도 있다.
상기 초음파 트랜스듀서(1)는 멤스(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System) 기술을 이용하여 제조되는 칩 형태일 수 있다.
여기서, 트랜스듀서(transducer)는 하나 이상의 소스로부터 수신하는 어떤 형태의 에너지를 다른 형태로 바꾸는 장치로서, 예를 들면 스피커는 전기음성 신호를 가청공기 압력파로 바꾸고, 픽업은 바늘의 기계적 움직임을 전기적 압력으로 바꾸는 변환기이다. 따라서, 상기 초음파 트랜스듀서란 전기 에너지를 초음파로 변환하는 초음파 변환기에 해당된다.
상기 초음파 트랜스듀서(1)를 포함하는 초음파 장치는, 상기 초음파 트랜스듀서(1)의 구동을 제어하는 제어부를 포함하며, 본체 유닛이 상기 초음파 트랜스듀서(1)와 제어부를 결합할 수 있다. 상기 본체 유닛은 외부로부터 노이즈, 물리적 접촉 등으로부터 상기 초음파 트랜스듀서(1)를 보호하는 커버의 기능도 겸할 수 있다.
상기 초음파 트랜스듀서(1)에 전기 에너지가 인가되면 초음파가 발생되고, 상기 초음파는 인체에 투사되어 지방분해나 기타 다른 목적의 치료나 진단 또는 탐지기능을 수행하게 된다.
상기 본체 유닛에는 상기 제어부를 구성하는 마이크로 프로세서 및 상기 초음파 트랜스듀서(1)로 전원을 공급하기 위한 전원공급 회로가 구비되고, 상기 마이크로 프로세서에는 초음파 조사조건을 입력받는 입력부와 운전조건을 표시하는 표시부 및 각 전장부품에 전원공급을 위한 전원부 등의 구성이 전기적으로 연결되어 형성될 수 있다.
상기 입력부는 조작부로서 원하는 대역의 초음파 주파수와 초음파의 조사시간 등과 같은 초음파 조사조건이 입력된다. 그리고, 상기 표시부에는 초음파의 작동시간과 현재 초음파의 출력강도, 현재 조사되고 있는 초음파의 주파수 등이 표시될 수 있다. 또한 상기 전원부는 무선작동을 위해 배터리로 구성되거나 전기 케이블을 통해 유선으로 외부전원을 공급할 수도 있다.
그리고 상기 제어부, 보다 상세하게는 상기 마이크로 프로세스에 의해 상기 초음파 트랜스듀서(1)가 제어되는데, 예를 들면 상기 입력부를 통해 원하는 대역의 주파수가 설정되면, 상기 마이크로 프로세서가 기설정된 주파수 대역의 초음파가 발생되도록 상기 초음파 트랜스듀서(1)의 구동을 제어한다.
다시 말해서, 상기 제어부는, 상기 초음파 트랜스듀서(1)에 의해 발진 가능한 복수 대역의 주파수 중에서 선택된 어느 하나의 대역에서 상기 초음파 트랜스듀서(1)가 해당 주파수 대역의 초음파를 발생시킬 수 있도록 상기 초음파 트랜스듀서(1)를 제어한다.
또한, 상기 본체 유닛에는 상기 초음파 트랜스듀서(1)에 고주파 전류를 공급하기 위한 고주파 발진기가 구비되며, 상기 고주파 발진기는 상기 제어부에 의해 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(1)는, 상기 압전체(40)와 상기 압전체(40)에 전류를 인가하기 위한 두 전극을 포함하여 구성되는데, 상기 두 전극 중 일측 전극은 하부 전극(30)에 의해 형성되고, 다른 전극은 상부 전극(50)에 의해 형성된다.
따라서, 상기 하부 전극(30)과 상기 상부 전극(50)이 전기적으로 개방되어 상기 양 전극부를 통해 상기 압전체(40)에 고주파 전류, 예를 들어 고주파 교류전류가 인가되면, 상기 압전체(40)가 압축과 팽창을 반복하는 기계적 진동에 의해 초음파가 발생된다.
상기 압전체(40)는 수정, 로셀염, 티탄산바륨(BaTiO3), 인공세라믹(PZT) 등이 사용될 수 있다. 일 실시예로서, 상기 압전체(40)는 수정으로된 수정판이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 그 외 공지된 다른 재질도 사용 가능하다.
상기 상부 전극(50)과 상기 하부 전극(30)은 금(Au), 백금(Pt), 티탄(Ti), 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 상부 전극(50)과 상기 하부 전극(30)은 예를 들어 약 0.1 ㎛ 이하의 두께로 증착될 수 있다.
상기 그라운드 시트(60) 및 상기 연성회로기판(20)는 각각 상기 상부 전극(50)과 상기 하부 전극(30) 상에 부착되는데, 초음파 송신시 상기 압전체(40)에 전기 에너지를 인가하고, 초음파 수신시 음압에 의해 발생되는 전기 에너지를 감지하기 위한 역할을 한다.
상기 정합층(70, 80)은 상기 상부 전극(50)의 분할 패턴들과 동일한 모양의 패턴들로 형성된다. 상기 정합층(70, 80)은 두 개 이상의 층으로 구성될 수 있으며, 본 실시예에서는 제1 정합층(70) 및 제2 정합층(80)으로 구성된 이중층으로 형성되는 것으로 도시하였다.
상기 다초점 렌즈(90)는 상기 정합층(70, 80) 상에 형성되고, 다중 초점을 형성하기 위해 적어도 두 개 이상의 곡률을 갖는다. 초음파 트랜스듀서의 빔 형상을 조절하는 방법에는 일반적으로 단일초점 렌즈(돋보기를 이용한 태양광 집속과 유사)를 사용한다. 단일초점의 경우 특정 깊이에 음파를 집속시키기 때문에, 집속되는 부분의 빔폭만 좁아지고 그 외 부분은 빔폭이 넓어지는 문제점이 있다.
이것을 보완하고자, 본 발명은 다초점 렌즈(90)를 사용하였는데, 여러 깊이에서 음파의 집속이 이루어지기 때문에 깊이 방향으로 빔폭이 균일해지는 효과가 발휘된다. 그러나, 부엽 레벨(sidelobe level)이 높아지는 문제점이 발생될 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 상기 상부 전극(50)을 분할 전극으로 형성하여, 음파가 발생되는 유효길이를 조절하여 부엽 레벨을 줄였다. 따라서, 종래 기술로는 부엽 레벨과 빔폭을 균일하게 만드는 것이 어렵기 때문에, 본 발명은 분할 전극(50)과 다초점 렌즈(90)를 동시에 적용하여 빔 형상을 개선한다.
본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(1)는 폭(elevation) 방향의 빔 형상을 균일하게 개선하기 위해, 상기 상부 전극(50)은 복수개로 분할된 분할 전극(shaded electrode) 구조를 갖는다. 즉, 상기 상부 전극(50)은 치폭(kerf, 55)이 형성된 복수개의 분할 패턴을 갖는다.
상기 상부 전극(50)의 분할 패턴은 음파가 발생되는 부분의 크기를 조절하기 위해 압전체(40) 상층부의 상부 전극(50)의 길이를 나눈 것이다. 상기 상부 전극(50)을 분할함으로써, 상기 상부 전극(50)의 전체 면적 중 전류가 인가된 부분의 넓이를 증감 가능하기 때문이다.
상기 분할 패턴들은 상기 초음파 트랜스듀서의 폭(elevation) 방향으로 분할되며, 상기 초음파 트랜스듀서(1)의 길이(azimuth) 방향을 중심으로 대칭 구조로 형성될 수 있다. 상기 상부 전극(50)의 분할 패턴들의 일부 또는 복수의 부분에 선택적으로 전류가 인가될 수 있으며, 독립적으로 제어가 가능하다.
이로서, 상기 상부 전극(50)을 형성하는 분할 패턴들은 상기 압전체(40)의 일측 표면에 상호 분리되게 구비되어 전기적으로 상호 분할되게 배치되며, 상기 하부 전극(30)은 상기 압전체(40)의 타측 표면에 구비되는데, 예를 들어 진동판으로 형성될 수 있다.
상기 상부 전극(50)은 고주파 전류를 공급하기 위한 전선의 일측 전극선에 연결되고, 상기 하부 전극(30)은 상기 전선의 타측 전극선에 접점된 상기 초음파 트랜스듀서(1)의 연성회로기판(20)를 통해 고주파 전류를 인가 받을 수 있다.
상기 상부 전극(50)과 상기 하부 전극(30)에 고주파 전류가 공급되면, 상기 상부 전극(50)과 상기 하부 전극(30)이 콘덴서(condenser)의 역할을 하며, 상기 압전체(40)는 상기 콘덴서의 유전체로서 역할을 하여 콘덴서의 용량(C값)을 결정하며, 상기 C값이 초음파의 주파수를 결정하게 된다.
그리고 상기 상부 전극(50)과 상기 하부 전극(30) 사이의 거리가 일정하다고 가정하면, 상기 전극판의 넓이에 의해 초음파의 주파수가 영향을 받으므로, 본 발명은 상기 상부 전극(50)의 넓이 변화를 이용하여 초음파의 주파수 변조를 가능하게 할 수도 있다.
따라서, 본 발명은 상기 상부 전극(50)를 복수개의 분할 전극들로 분할하고, 상기 상부 전극(50) 중 전류가 인가된 부분의 넓이를 선택적으로 조절함으로써, 주파수의 변조가 가능해진다. 또한, 각 분할 전극에 대한 전류의 인가를 제어하여 상기 분할 전극들에 대한 선택적인 전류의 인가도 가능해진다. 다시 말해서, 상기 상부 전극(50) 중에서 하나의 분할전극에 대한 전류의 인가와 복수개의 분할전극들에 대한 전류의 인가가 선택적으로 수행될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 상부 전극(50)의 평면도로서, 상기 상부 전극(50)은 분리된 복수개의 분할 전극들(50a, 50b, 50c, 50d, 50e)로 구성된다. 상기 분할 전극들(50a, 50b, 50c, 50d, 50e)의 사이는 상기 초음파 트랜스듀서(1)의 길이(azimuth) 방향으로 치폭(kerf, 55)이 생성되어, 상기 분할 전극들(50a, 50b, 50c, 50d, 50e)을 분리한다. 상기 분할 전극들(50a, 50b, 50c, 50d, 50e)은 상기 초음파 트랜스듀서(1)의 길이(azimuth) 방향으로 슬릿된 패턴 형상을 가진다.
상기 분할 전극들(50a, 50b, 50c, 50d, 50e) 사이의 치폭(55)은 일정할 수 있고, 상기 분할 전극들(50a, 50b, 50c, 50d, 50e)은 상기 초음파 트랜스듀서(1)의 길이(azimuth) 방향의 일 선을 기준으로 대칭 구조를 가질 수 있다.
다른 실시예로서, 도 3에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는 원기둥 모양을 가지며, 상기 상부 전극(50)은 원판형 형상의 외관을 가지며, 분할 전극들(50f, 50g, 50h, 50i) 사이의 은 링(ring)형상으로 된 적어도 하나의 분할원에 의해 전기적으로 분할된다.
그리고, 평면에서 보면 상기 분할 전극들(50f, 50g, 50h, 50i)은 동심을 이루도록 상기 분할원에 의해 분할되는데, 상기 상부 전극(50)의 형상이나 분할방식이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서 상기 상부 전극(50)는 상호 직경이 다른 4개의 동심 분할원들에 의해 분할된다.
여기서 상기 각 분할 전극에는 상기 일측 전극선을 이루는 주전극선에서 분지된 분지전극선이 연결되고, 상기 분지전극선들 각각을 통한 전류의 인가가 이루어지는지 여부에 따라 초음파의 주파수가 달라질 수 있다. 이를 위하여 도시되지는 않았으나, 상기 각 분지전극선의 개폐를 위한 스위치가 구비될 수 있으며, 상기 스위치는 상기 제어부에 의해 제어된다.
따라서, 상기 분할 전극들(50f, 50g, 50h, 50i)의 일부에만 전류가 인가될 수도 있고, 상기 분할 전극들에 동시에 전류가 인가될 수도 있으며, 상기 분할 전극들(50f, 50g, 50h, 50i) 전체에 전류가 인가될 수도 있는데, 상기 분할 전극들(50f, 50g, 50h, 50i) 전체에 전류가 인가되는 경우보다 상기 분할 전극들(50f, 50g, 50h, 50i)의 일부에만 전류가 인가되는 경우에 전류가 인가된 넓이가 더 작아지게 된다.
그리고, 상기 분할 전극들(50f, 50g, 50h, 50i) 전체 또는 복수개에 전류가 인가되는 경우보다 하나의 분할 전극에만 전류가 인가되는 경우에 발생되는 초음파의 주파수가 더 높게 된다. 물론, 상기 분할 전극들(50f, 50g, 50h, 50i) 중 적어도 하나에 선택적으로 전류가 인가되어 전류가 인가되는 부분의 다양한 조합이 가능하며, 이에 따라 초음파의 주파수가 다양하게 변조될 수 있다.
그리고, 상기 분할 전극들(50f, 50g, 50h, 50i)이 동심을 이룸으로써, 주파수가 변조된 경우에도 초음파가 동일 중심에서 편향되지 않고 일정한 영역으로 조사될 수 있다. 상술한 구성을 가지는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(1)는 초음파 장치 이외에도 다른 다양한 영역의 초음파 기기에 적용될 수 있다.
본 발명은 폭 방향의 빔 형상을 개선하여 고성능의 초음파 트랜스듀서를 제공할 수 있으며, 주파수 변조도 용이하다. 이에 따라, 인체의 질병을 진단하는 초음파 진단기나 초음파를 이용한 초음파 탐지기, 초음파를 이용한 침술치료요법, 기타 기계적 미세가공을 위한 초음파 가공장치 등 그 용도가 다양하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는 멤스 기반으로 제조된 집속렌즈 어레이를 포함하여 구성되므로, 반도체 제조공정을 이용하여 대량생산이 가능하고 원하는 미세하고 정밀한 형상의 집속렌즈 어레이를 용이하게 제조할 수 있으며, 대량생산에 의한 제품제조가 절감될 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 특성을 종래 기술과 비교하여 설명한다.
도 4a는 빔 패턴(beam pattern)으로, 초음파 트랜스듀서(1)로부터 반경 1 m 떨어진 지점에서 각도에 따른 음압의 크기를 정규값(normalized value)으로 나타낸 그래프이다.
이는 부엽(sidelobe level)을 확인하기 위한 것으로, 주엽(main lobe)를 기준으로 부엽(sidelobe)의 크기가 작을수록 성능이 좋다는 것을 의미한다. 피측정물에 음파를 집속하여야 하는데, 부엽의 크기기 높게 되면 원하지 않은 방향에서 측정된 음파가 측정신호를 왜곡시키기 때문이다.
도 4b는 초음파 트랜스듀서(1)에서 전파되는 음압을 깊이 방향(depth)에서 기준음압 1 μPa으로 상대 음압값(level)으로 표시한 그래프이다. 이는 빔이 집속되는 구간에서 발생되는 음압이 높을수록 좋은 성능을 가진다고 할 수 있다. 발생되는 음압이 높을수록 많은 음파를 피측정물로 보낼 수 있기 때문이다.
도 4c는 초음파 트랜스듀서(1)로부터 발생된 음압을 깊이 및 폭(elevation) 방향으로 나타내었는데, 이때 각 깊이에서 가장 높은 음압을 기준으로 상대 음압값으로 환산하고 -3 dB에 해당되는 등고선(contour)으로 나타낸 그래프이다. 이 그래프는 빔폭을 확인하기 위한 것이다.
아래의 표 1은 도 4a 내지 도4c의 각 실험결과에 따른 수치를 나타낸다.
Condition Flat lens & whole electrode Multi-Focusing lens & shaded electrode
Sidelobe level -13.0 dB -20.2 dB
Focal range 189 mm 93.2 mm
Min. beamwidth 4.94 mm 2.04 mm
도 4a 내지 도 4c 및 표 1에 따라, 본 발명에서 제안된 구조(Multi-Focusing lens & shaded electrode)는 종래 기술(Flat lens & whole electrod)과 비교하여 부엽이 작고 근거리음장 영역(near field)부터 빔폭이 좁고 음압이 높은 빔 형상(beam profile)을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(1)의 성능 검증을 위해 종래 기술(flat lens & whole electrode)과 본 발명에서 제안된 구조(multi-focusing lens & shaded electrode)를 제작하여 빔 형상을 측정한 그래프이다.
측정된 빔 형상에서 확인할 수 있듯이, 종래 기술에 비해 본 발명에서 제안된 구조가 좁고 균일한 빔폭을 가지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는 빔 형상을 균일하게 개선시키는 효과가 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 제조 방법의 흐름도이다.
본 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 제조 방법은, 도 1의 초음파 트랜스듀서(1)와 실질적으로 동일한 구성의 초음파 트랜스듀서를 제조할 수 있다. 따라서, 도 1의 초음파 트랜스듀서(1)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 제조 방법은, 후면 블록 상에 형성된 기판 위에 연성회로기판(FPCB)을 형성한다(단계 S10).
상기 후면 블록은 상기 후면 블록 상에 형성되는 구조물들을 MEMS 기술을 이용하여 형성할 수 있는 산화물 반도체일 수 있다. 예를 들어, 이산화규소(SiO2)로 형성될 수 있으며, 별도의 기판을 더 포함할 수도 있다.
상기 연성회로기판(FPCB)은 배선기판으로서, 외부로부터 전력 공급, 외부로의 신호 출력 등에 이용되는 배선 및 접속 단자를 포함할 수 있다.
상기 연성회로기판 상에 하부 전극 및 상부 전극이 증착된 압전체를 적층한다(단계 S20). 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 상기 압전체에 전기적 신호, 즉 펄스형의 고주파 전류를 인가하는 두 전극을 형성하는데, 상기 압전체의 예로는 수정판이 사용될 수 있다.
상기 상부 전극과 상기 하부 전극은 금(Au), 백금(Pt), 티탄(Ti), 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있으며, 예를 들어 약 0.1 ㎛ 이하의 두께로 증착될 수 있다.
이후, 상기 상부 전극을 폭(elevation) 방향으로 제거하여 분리한다(단계 S30).
본 발명은 상기 상부 전극의 음파가 발생되는 부분의 크기를 조절하기 위해 압전체 상층부의 상부 전극의 길이를 나누어, 초음파 트랜스듀서의 폭(elevation) 방향의 빔 형상을 균일하게 개선한다.
상기 상부 전극은 정밀 연삭기를 이용하여 치폭(kerf)을 형성시켜 전극을 분할할 수 있다. 다른 방법으로는, 상기 압전체의 표면에 구리(Cu)를 코팅한 후, 반도체 제조공정에 사용되는 포토 레지스트(PR)를 이용하여 포토 리소그라피(Photolithography) 공정을 통해 다수개의 분할전극으로 분할될 수 있으나, 그 제조방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
이어, 상기 상부 전극 상에 그라운드 시트(ground sheet)를 형성하고(단계 S40), 상기 그라운드 시트 상에 정합층을 형성한다(단계 S50). 상기 그라운드 시트 및 정합층은 접착제를 이용하여 적층할 수 있으며, 이에 따라 상기 상부 전극의 분할 패턴들 사이에 형성된 치폭은 접착제로 충진될 수 있다.
상기 정합층이 생성되면, 상기 정합층을 상기 상부 전극과 동일한 패턴으로 분리한다(단계 S60). 정합층의 분리 역시 정밀 연삭기를 이용하여 연삭공정을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 그라운드 시트는 절단되지 않는다.
상기 정합층의 패턴들 사이에 형성된 개구를 메우기 위해 치폭 충진제를 충전하는 단계를 더 거칠 수 있다.
이후, 상기 정합층 상에 다초점 렌즈를 형성한다(단계 S70). 상기 다초점 렌즈는 다중 초점을 형성하기 위해 적어도 두 개 이상의 곡률을 갖는다.
본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는 분할 전극과 다초점 렌즈를 동시에 적용하여 빔 형상을 개선한다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 초음파 트랜스듀서의 폭 방향의 빔 형상을 개선하므로, 빔 형상의 편차를 억제함과 함께, 주파수 특성, 위상 등의 음향 특성에 관한 가변 콘덴서의 미스 매칭을 억제한다. 이에 따라, 인체의 질병을 진단하는 초음파 진단기나 초음파를 이용한 초음파 탐지기, 초음파를 이용한 침술치료요법, 기타 기계적 미세가공을 위한 초음파 가공장치 등 그 용도가 다양하게 적용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 전기 에너지를 기계적 진동으로 변환하여 초음파를 발생시키는 압전체;
    상기 압전체 상부에 형성되어 상기 전기 에너지를 상기 압전체로 전달하고, 분할 패턴들을 포함하는 상부 전극;
    상기 상부 전극 상에 형성되고, 상기 상부 전극의 분할 패턴들과 동일한 분할 패턴들로 형성되는 정합층; 및
    상기 정합층 상에 형성되고, 다중 초점을 형성하기 위해 적어도 두 개 이상의 곡률을 갖는 다초점 렌즈를 포함하는, 초음파 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극의 분할 패턴들은 상기 초음파 트랜스듀서의 폭(elevation) 방향으로 분할된, 초음파 트랜스듀서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상부 전극의 분할 패턴들은 상기 초음파 트랜스듀서의 길이(azimuth) 방향을 중심으로 대칭 구조를 갖는, 초음파 트랜스듀서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 상부 전극의 분할 패턴들 사이에 치폭(kerf)이 형성되는, 초음파 트랜스듀서.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 상부 전극의 분할 패턴들 사이의 치폭(kerf)에는 접착제가 충진되는, 초음파 트랜스듀서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극 상에 형성된 그라운드 시트(ground sheet)를 더 포함하는, 초음파 트랜스듀서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 정합층은 두 개 이상의 층을 포함하는, 초음파 트랜스듀서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압전체의 하부에 형성된 하부 전극을 더 포함하는, 초음파 트랜스듀서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 금(Au), 백금(Pt), 티탄(Ti), 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는, 초음파 트랜스듀서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 하부 전극의 하부에 형성되어 상기 하부 전극에 전기 에너지를 인가하는 연성회로기판(FPCB)을 더 포함하는, 초음파 트랜스듀서.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는 전체적으로 직육면체 모양을 가지며, 상기 하부 전극은 사각판 형상이고, 상기 상부 전극은 슬릿된 직사각형 평면 형상인, 초음파 트랜스듀서.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는 전체적으로 원기둥 모양을 가지며, 상기 하부 전극은 원형판 형상이고, 상기 상부 전극은 복수개의 동심원 평면 형상인, 초음파 트랜스듀서.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 기재된 초음파 트랜스듀서; 및
    상기 상부 전극의 분할 패턴들에 인가되는 전기 에너지를 제어하여 상기 초음파 트랜스듀서의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는, 초음파 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서와 상기 제어부를 결합하는 본체 유닛을 더 포함하는, 초음파 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 상부 전극의 분할 패턴들에 동시에 전기 에너지를 인가하는, 초음파 장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 상부 전극의 분할 패턴들의 일부에 선택적으로 전기 에너지를 인가하는, 초음파 장치.
  17. 제13항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 상부 전극의 분할 패턴들의 각 분할 패턴을 독립적으로 제어하는, 초음파 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    초음파 치료 장치, 초음파 진단 장치, 초음파 탐지 장치, 초음파 가공 장치 중 적어도 하나로 사용되는, 초음파 장치.
  19. 후면 블록 상에 형성된 기판 위에 연성회로기판(FPCB)을 형성하는 단계;
    상기 연성회로기판 상에 하부 전극 및 상부 전극이 증착된 압전체를 적층하는 단계;
    상기 상부 전극을 폭(elevation) 방향으로 제거하여 분리하는 단계;
    상기 상부 전극 상에 그라운드 시트(ground sheet)를 형성하는 단계;
    상기 그라운드 시트 상에 정합층을 형성하는 단계;
    상기 정합층을 상기 상부 전극과 동일한 패턴으로 분리하는 단계; 및
    상기 정합층 상에 다중 초점을 형성하기 위해 적어도 두 개 이상의 곡률을 갖는 다초점 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는, 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 상부 전극을 폭(elevation) 방향으로 제거하여 분리하는 단계 및 상기 정합층을 상기 상부 전극과 동일한 패턴으로 분리하는 단계는,
    상기 상부 전극 및 상기 정합층을 연삭하여 제거하는, 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
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