WO2017095183A1 - 상이한 음향 임피던스의 물질들로 구성된 후면층을 갖는 초음파 변환자 및 그 제조 방법 - Google Patents

상이한 음향 임피던스의 물질들로 구성된 후면층을 갖는 초음파 변환자 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2017095183A1
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WO
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ultrasonic transducer
acoustic impedance
back layer
width
present
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PCT/KR2016/014104
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정종섭
지선미
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동국대학교 산학협력단
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features

Definitions

  • the present invention relates to an industrial or medical ultrasonic transducer, and more particularly, to a manufacturing method for manufacturing a lightweight or miniaturized ultrasonic transducer, and an ultrasonic transducer manufactured by the manufacturing method.
  • the general structure of the ultrasonic transducer is a stack structure consisting of a piezoelectric layer, a matching layer, and a backing layer.
  • Piezoelectric elements are a key component of ultrasonic transducers that generate piezoelectric and reverse piezoelectric effects.
  • an electrical signal is applied to the piezoelectric element, mechanical vibration is generated in the piezoelectric element to transmit acoustic energy into the medium, and when energy reflected in the medium is returned into the device, the internal structure may be converted into an electrical signal.
  • the matching layer of the ultrasonic transducer is attached to the front surface of the piezoelectric element to reduce the acoustic impedance difference between the piezoelectric element and the medium, and is made of 1/4 thickness of the wavelength to efficiently transmit acoustic energy by matching the phase of the signal. Enable to receive
  • the piezoelectric element can transmit or receive acoustic energy in both directions of the piezoelectric element.
  • the ultrasonic transducer needs to transmit and receive a lot of energy in the direction of the medium, which is a desired transmission direction, and suppress energy generated in the opposite direction as much as possible.
  • the rear layer is attached to the rear side of the piezoelectric element, i. Therefore, the rear layer attenuates the acoustic energy generated in the rear direction of the piezoelectric element, and serves to increase the resolution of the ultrasound image by shortening the reverberation.
  • the ideal back layer material is a material that is similar to the acoustic impedance of the piezoelectric element and has a high attenuation characteristic.
  • the acoustic impedance of the back layer has a value similar to the acoustic impedance of the piezoelectric element, so that the pulse length of the signal can be shortened, thereby widening the bandwidth.
  • the back layer material of a typical medical ultrasonic transducer has an acoustic impedance of about 3 to 8 Mrayl.
  • the backing layer is fabricated with a thick thickness to maximize the attenuation of acoustic energy entering the interior.
  • small transducers such as IVUS transducers, cMUTs, etc. used in portable systems such as wireless ultrasonic probes cannot be made thick enough so that the thickness of the transducers is thin. May not be sufficiently attenuated and reflected from the back layer and the air layer to be returned to the piezoelectric element and coupled to the transmitted / received signal, thereby causing a waveform distortion.
  • the energy efficiency of the transducer is lowered, so that the energy transferred into the back layer is relatively higher than the amount of energy transferred to the medium.
  • the problem of insufficient attenuation due to the thickness reduction of the back layer becomes more highlighted.
  • the rear layer structure of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention can effectively suppress the acoustic energy transferred into the rear layer, thereby minimizing echo signals that may occur in the rear layer due to the thickness reduction of the ultrasonic transducer.
  • Ultrasonic transducer back layer structure according to an embodiment of the present invention can cancel the phase of the echo signal generated in the rear layer by using the relative acoustic impedance relationship of the material, to mitigate the distortion of the transmission and reception signal due to the echo signal And minimize the thickness of the back layer.
  • an ultrasonic transducer back layer structure includes an echo signal of ultrasonic waves traveling from a high acoustic impedance material to a low acoustic impedance material and an echo signal of ultrasonic waves traveling from a low acoustic impedance material to a high acoustic impedance material. It uses the fixed / free end reflection principle that a phase difference of 180 degrees can occur. That is, the rear layer structure of the ultrasonic transducer proposed in the embodiment of the present invention provides a boundary surface where two reflection signals having opposite phases may occur due to the relative acoustic impedance up and down relationship of materials.
  • the back layer structure of the ultrasonic transducer according to the embodiment of the present invention has a high acoustic impedance, and two kinds of materials having low acoustic impedance are separated at half the ratio of the area of the bottom of the piezoelectric element and bonded to the bottom of the piezoelectric element. It is a structure in which a material having an intermediate acoustic impedance of two materials is attached behind two kinds of materials.
  • the material attached to the rear of the rear layer of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention should be a material having a relatively high sound absorption property.
  • an echo signal generated at an inner boundary surface of the rear layer may be suppressed due to a phase canceling action, and energy transmitted behind the boundary surface without being reflected may be suppressed. It can be absorbed by the material most attached to the back side. Therefore, the acoustic energy introduced into the back layer can be attenuated as much as possible without thickening the back layer of the ultrasonic transducer, thereby reducing distortion of the transmitted / received signal due to the echo signal and minimizing the thickness of the back layer.
  • the back layer structure of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention, by attaching a material having a high acoustic impedance and a low material to the bottom surface of the piezoelectric element, bandwidth and sensitivity may be improved than when each single material is attached. .
  • the transducer back layer structure according to an embodiment of the present invention to the ultrasonic transducer can reduce the ultrasonic transducer and contribute to the performance improvement of the small ultrasonic transducer.
  • an ultrasonic transducer may be provided in which a rear layer is formed on a bottom surface of a piezoelectric element and includes a plurality of materials having different acoustic impedances.
  • acoustic signals incident through the rear layer may be attenuated by the echo signal reflected at the boundary of a plurality of materials having different acoustic impedances by a phase difference.
  • the back layer of the ultrasonic transducer may include a first material, a second material and a third material having a different acoustic impedance, and the first material is bonded to a portion of the bottom surface of the piezoelectric element, and the second material The material is bonded to the rest of the bottom of the piezoelectric element and disposed in contact with the first material in parallel, the third material is continuously bonded to the bottom of the first material and the second material, and the first material, the second material and the first material.
  • the three materials may form the back layer by bonding.
  • the acoustic impedance of the first material is greater than the acoustic impedance of the second material and the third material
  • the acoustic impedance of the second material is less than the acoustic impedance of the first material and the third material
  • the acoustic impedance of the three materials may have an intermediate value between the acoustic impedances of the first material and the second material.
  • the first material may have a value with an acoustic impedance of about 10 Mrayl or more and 20 Mrayl or less
  • the second material may have a value with an acoustic impedance of about 2 Mrayl or more and 10 Mrayl or less.
  • any one of the first material, the second material and the third material in the back layer of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention may have a thickness adjusted such that the generation time of the echo signal is the same at each bonding surface.
  • the thickness of any one of the first material, the second material and the third material of the back layer according to an embodiment of the present invention may be determined by the following formula.
  • the acoustic impedance difference between the first material and the third material and the acoustic impedance difference between the second material and the third material may be about 2 Mrayl or more and 10 Mrayl or less.
  • the back layer structure of the ultrasonic transducer may be applied to any one of a single element type ultrasonic transducer, a multi element array ultrasonic transducer, and a composite ultrasonic transducer. .
  • a method for manufacturing a back layer of an ultrasonic transducer may be provided.
  • the method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of attaching the third material to the bottom of the first material in bulk form, the first material and the third material constituting the back layer of the ultrasonic transducer, wherein the third material is attached. Dicing the first material from the top surface to the bottom direction to form the tooth width, and filling and curing the second material in the formed tooth width.
  • some of the first material and the third material may be diced using a blade having a predetermined width.
  • the width of the blade according to an embodiment of the present invention may be set such that the sum value of the width of the remaining first material and the width of the tooth width after dicing is equal to the device pitch of the ultrasonic transducer of the multi-element type.
  • the width of the blade according to an embodiment of the present invention may be set to be equal to half of the width of the ultrasonic transducer of the single element type.
  • the method may further include cutting according to the size of the manufacturing target ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention may contribute to the weight reduction of a general B-mode image transducer or may be applied to a small transducer such as an IVUS transducer or a cMUT to improve the performance of the ultrasonic transducer.
  • FIG. 1 is a conventional cross-sectional structure of a medical ultrasound transducer, (a) shows a single device type transducer structure, (b) shows a multi-element (Array) type transducer structure.
  • FIG. 2 shows the results of the finite element method (FEM) simulation of the echo signal generated when the thickness of the back layer of the conventional ultrasonic transducer is reduced.
  • FEM finite element method
  • FIG 3 illustrates a back layer structure of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates a mechanism in which acoustic energy delivered to a back layer is attenuated by a back layer structure in accordance with one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates a finite element method (FEM) simulation result confirming that a phase difference of a signal occurs according to a relative acoustic impedance of a material.
  • FEM finite element method
  • FIG. 6 illustrates time and frequency axis waveforms that may appear when applying a back layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates a finite element method (FEM) simulation result comparing a case in which an existing back layer is applied in a thin thickness to an ultrasound transducer and a case in which the back layer is applied in the same thickness according to an embodiment of the present invention.
  • FEM finite element method
  • FIG. 8 illustrates a structure in which a back layer according to an embodiment of the present invention is applicable to various types of ultrasonic transducers, in which (a) is applied to an ultrasonic transducer of a multi-element type, and (b) is a single element.
  • the case of designing a type of ultrasonic conversion in the form of a composite is shown.
  • FIG. 9 is a method of manufacturing a back layer structure of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention, in which the sum of the width of the remaining first material and the width of the tooth width after dicing the blade width of the ultrasonic transducer of the multi-element type The manufacturing process at the same time as the element pitch is shown.
  • FIG. 10 illustrates a method of manufacturing a back layer structure of an ultrasonic transducer according to an exemplary embodiment of the present invention, in which a blade width is set to be equal to half the width of an ultrasonic transducer of a single element type.
  • an ultrasonic transducer may be provided in which a rear layer is formed on a bottom surface of a piezoelectric element and includes a plurality of materials having different acoustic impedances.
  • acoustic signals incident through the rear layer may be attenuated by the echo signal reflected at the boundary of a plurality of materials having different acoustic impedances by a phase difference.
  • the back layer of the ultrasonic transducer may include a first material, a second material and a third material having a different acoustic impedance, and the first material is bonded to a portion of the bottom surface of the piezoelectric element, and the second material The material is bonded to the rest of the bottom of the piezoelectric element and disposed in contact with the first material in parallel, the third material is continuously bonded to the bottom of the first material and the second material, and the first material, the second material and the first material.
  • the three materials may form the back layer by bonding.
  • the acoustic impedance of the first material is greater than the acoustic impedance of the second material and the third material
  • the acoustic impedance of the second material is less than the acoustic impedance of the first material and the third material
  • the acoustic impedance of the three materials may have an intermediate value between the acoustic impedances of the first material and the second material.
  • the first material may have a value with an acoustic impedance of about 10 Mrayl or more and 20 Mrayl or less
  • the second material may have a value with an acoustic impedance of about 2 Mrayl or more and 10 Mrayl or less.
  • any one of the first material, the second material and the third material in the back layer of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention may have a thickness adjusted such that the generation time of the echo signal is the same at each bonding surface.
  • the thickness of any one of the first material, the second material and the third material of the back layer according to an embodiment of the present invention may be determined by the following formula.
  • the acoustic impedance difference between the first material and the third material and the acoustic impedance difference between the second material and the third material may be about 2 Mrayl or more and 10 Mrayl or less.
  • the back layer structure of the ultrasonic transducer may be applied to any one of a single element type ultrasonic transducer, a multi element array ultrasonic transducer, and a composite ultrasonic transducer. .
  • a method for manufacturing a back layer of an ultrasonic transducer may be provided.
  • the method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of attaching the third material to the bottom of the first material in bulk form, the first material and the third material constituting the back layer of the ultrasonic transducer, wherein the third material is attached. Dicing the first material from the top surface to the bottom direction to form the tooth width, and filling and curing the second material in the formed tooth width.
  • some of the first material and the third material may be diced using a blade having a predetermined width.
  • the width of the blade according to an embodiment of the present invention may be set such that the sum value of the width of the remaining first material and the width of the tooth width after dicing is equal to the device pitch of the ultrasonic transducer of the multi-element type.
  • the width of the blade according to an embodiment of the present invention may be set to be equal to half of the width of the ultrasonic transducer of the single element type.
  • the method may further include cutting according to the size of the manufacturing target ultrasonic transducer.
  • FIG. 1 illustrates a conventional cross-sectional structure of a medical ultrasound transducer, (a) shows a single-element transducer structure, and (b) shows a multi-element type array transducer.
  • Ultrasonic transducers generally consist of a matching layer (1), a piezoelectric element (2), and a back layer (3), each having a structure sequentially stacked on top of each other such as a single element type transducer shown in FIG. have.
  • the multi-element type transducer shown in FIG. 1 (b) dicing a single piezoelectric element 2 to a predetermined width to form a kerf 4 and then acoustic impedance such as epoxy, etc.
  • the devices can be designed to operate independently.
  • Figure 2 shows the results of the finite element method (FEM) simulation of the echo signal generated when the thickness of the back layer of the conventional ultrasonic transducer is reduced.
  • the simulation uses a single-element ultrasonic transducer with a center frequency of 5.5 MHz with a bulk structure back layer (3).
  • the center frequency used in the simulation is arbitrarily determined, and the applicable frequency range is not limited in the present invention.
  • the back layer 3 material is one of the materials generally used to form the back layer 3 of the ultrasonic transducer.
  • the solid line represents a reception signal when the rear layer is applied to a thickness of about 10 mm (37 ⁇ )
  • the dotted line represents the reverberation signal (Ripple) generated when the thickness of the rear layer is reduced to 1 ⁇ .
  • the result is due to the reduced thickness of the back layer 3 that the acoustic energy transferred into the back layer 3 is not sufficiently attenuated and the signal is reflected and distorted in the received signal.
  • the higher the acoustic impedance is applied to the material of the back layer 3, the more the acoustic energy generated by the device is transmitted toward the back layer 3 than the medium, so the sensitivity of the received signal is lowered and the back layer is (3)
  • the problem of attenuation insufficiency increases.
  • the rear layer of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention is formed on the bottom surface of the piezoelectric element 2, and includes a plurality of materials having different acoustic impedances, and the acoustic energy incident through the rear layer is a plurality of different acoustic impedances.
  • the reflected signal reflected at the boundary of the material of the signal may be attenuated by being canceled by the phase difference.
  • a plurality of materials having different acoustic impedances constituting the back layer include a first material 6, a second material 7, and a third material 8, which includes a first material 6. May be joined to a portion of the bottom surface of the piezoelectric element 2.
  • the second material 7 is bonded with the rest of the bottom of the piezoelectric element 2, and can be placed in contact with the first material 6 in parallel with the third material 8 and the first material 6 and the first material 6. It can be continuously bonded to the bottom of the two materials (7).
  • the first material 6, the second material 7 and the third material 8 can form a back layer by bonding.
  • the acoustic impedance of the first material 6 is greater than the acoustic impedance of the second material 7 and the third material 8, and the acoustic impedance of the second material 7 is the first material. It is less than the acoustic impedance of (6) and the third material (8), the acoustic impedance of the third material (8) may have an intermediate value of the acoustic impedance of the first material (6) and the second material (7). . Meanwhile, the third material 8 may be made of a material having excellent sound absorption characteristics.
  • the back layer structure according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 3 is a structure for using the fixed / free end reflection principle in which the phase of the wave reflected at the boundary between the materials varies according to the relative acoustic impedance of the material. to be. That is, the phases of the reflected signal reflected at the boundary between the second material 7 and the third material 8 and the reflected signal reflected at the boundary between the first material 6 and the third material 8 are 180 degrees different from each other. The two reflected signals may cancel each other out.
  • FIG. 4 a specific mechanism in which acoustic energy is attenuated by the back layer structure according to the embodiment of the present invention is as shown in FIG. 4.
  • the acoustic energy transmitted and received through the piezoelectric element 2 is transferred into the back layer (9), and the reflected signals reflected at the inner boundary due to the thickness difference and the acoustic impedance difference of the back layer material are 180 degrees out of phase with each other. And offset (10). And the remaining energy transmitted in the rearward direction without being reflected at each interface is absorbed by the third material 8 which is the rear material 11. As a result, the acoustic energy transmitted to the inside of the back layer is mostly suppressed to minimize the echo signal back to the piezoelectric element 2.
  • FIG. 5 illustrates a finite element method (FEM) simulation result confirming that a phase difference of a signal occurs according to a relative acoustic impedance of a material.
  • FEM finite element method
  • FIG. 5 (a) shows the reflection signal reflected at the boundary between two materials when the material of low acoustic impedance is attached to the back of the piezoelectric element 2 and the material of high acoustic impedance is attached to the back of the material.
  • 5 (b) shows an echo signal reflected at the boundary between two materials when a material having a high acoustic impedance is attached to the back of the piezoelectric element 2 and a material having a low acoustic impedance is attached to the rear of the material as opposed to FIG. 5 (a). This is the result.
  • the dotted lines in the graphs of (a) and (b) represent the echo signals reflected from the inner boundary of the back layer containing the two materials with different acoustic impedances, and the two echo signals shown in (a) and (b). It can be seen that the phases are opposite to each other.
  • the first material 6 has a value with an acoustic impedance of about 10 Mrayl or more and 20 Mrayl or less
  • the second material 7 has a value with an acoustic impedance of about 2 Mrayl or more and 10 Mrayl or less. Can have Since this is not a value in a predetermined range, it is sometimes possible to use a material with an acoustic impedance value out of a given range.
  • the difference between the acoustic impedance values of the first material 6 and the third material 8 and the second material 7 and the third material 8 is about 2 Mrayl or more and 10 Mrayl or less, and the two differences are 2 Mrayl.
  • the similarity in the acoustic impedance difference at each junction can effectively cancel the echo signal.
  • the above values may use a material having an acoustic impedance value out of a given range. If the difference in acoustic impedance at the two junctions is large or due to the nature of the materials, the amplitude of the two echo signals generated is significantly different, the effective offset by adjusting the ratio of the first material 6 to the third material 8 May cause
  • any one of the first material 6, the second material 7 and the third material 8 has a thickness adjusted such that the generation time of the echo signal is the same at each joint surface. Can be. Because the speed of sound is different for each material, it is necessary to control the thickness of the material in order for the echo signal at each boundary to occur at the same time.
  • the thickness d of the material contained in the back layer to each boundary can be expressed as the product of the sound velocity c of each material and the time t of the reflection signal generation time of the inner boundary of the back layer.
  • the echo signal generation time t is a constant that can be arbitrarily determined.
  • the sound velocities of the first material 6 and the second material 7 are 1000 m / s and 2000 m / s, respectively, an echo signal of the two materials occurs at the same time of 1 ⁇ s.
  • the first material 6 should have a thickness of 0.5 mm
  • the second material 7 should have a thickness of 1 mm.
  • FIG. 6 illustrates time and frequency axis waveforms that may appear when applying a back layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 (a) is a waveform of each of the case where only the first material 6 and the third material 8 and only the second material 7 and the third material 8 are applied
  • FIG. 6 (c) is a result waveform when the first material 6, the second material 7, and the third material 8 are applied to the entire back layer structure according to the embodiment of the present invention.
  • 6 (a) and 6 (b) it can be seen that the echo signal (indicated by dotted lines) generated in the back layer generated in both cases is canceled and minimized in the waveform of FIG. 6 (c).
  • the thickness of the back layer applied in the simulation is about 1 mm (5 ⁇ ), and the first material 6 has a density of 5105 kg / m 3 and a sonic speed of 1865 m / s.
  • a third material (8) is the density 3200 kg / m 3
  • the acoustic velocity 1850 m / s the attenuation value of 110 dB / mm (@ 30 MHz ) Phosphorus silver epoxy was applied.
  • FIG. 7 illustrates a finite element method (FEM) simulation result in which a conventional back layer is applied to an ultrasonic transducer and a back layer according to an embodiment of the present invention is compared.
  • FEM finite element method
  • the structure of the back layer of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention may be applicable to any one of a single element type ultrasonic transducer, a multi element array ultrasonic transducer, and a composite ultrasonic transducer.
  • a single back layer structure according to an embodiment of the present invention may be applied per device to an ultrasonic transducer of a multi-element type.
  • FIG. 8 (b) it is also applicable to designing a single device transducer in a composite form.
  • the back layer according to an embodiment of the present invention is possible for various structural applications, it can be applied to various types of ultrasonic transducer.
  • the first material 6 and the third material 8 constituting the back layer of the ultrasonic transducer may be used. Attaching the third material 8 to the bottom of the first material 6 in bulk form, and dicing the first material 6 to which the third material 8 is attached from the top surface to the bottom surface direction; Step 13 of forming tooth width 4 may include filling 14 of the formed tooth width 4 with the second material 7 and curing it.
  • the back layer of the ultrasonic transducer fabricated by the method 12, 13, 14 is attached to the back of the piezoelectric element for the multi-element transducer as shown in FIGS. 9 and 10.
  • the method may include attaching 16 to the rear surface of the piezoelectric element for the transducer in the form of a single device or a composite, and may further include cutting 17 corresponding to the size of the ultrasonic transducer to be manufactured.
  • a portion of the first material 6 and the third material 8 can be diced using a blade 19 having a predetermined width.
  • the width of the blade 19 is the sum of the width of the remaining first material 6 and the width of the tooth width 4 after dicing of the ultrasonic transducer of the multi-element type. It may be set to be equal to the width, in the case of Figure 10 may be set to be equal to half of the width of the ultrasonic transducer of the single element type. On the other hand, it is also possible to match the width of the blade 19 set in Figs.
  • back block structure according to the embodiment of the present invention may be manufactured through various processes, such as manufacturing a mold or using various precision machines.

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Abstract

본 발명은 상이한 음향 임피던스의 복수의 물질들로 구성된 후면층을 갖는 초음파 변환자 및 그 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 후면층에는 음향 임피던스가 상이한 제1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질이 포함될 수 있으며, 제 1 물질은 압전소자의 저면의 일부분과 접합되고, 제 2 물질은 압전소자의 저면의 나머지 부분과 접합되고 제 1 물질과 나란히 배치되어 접촉되며, 제 3 물질은 제 1 물질과 제 2 물질의 저면에 연속적으로 접합되고, 제 1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질은 접합에 의하여 후면층을 형성할 수 있다. 본 발명에 따른 초음파 변환자의 후면층 구조에 의하면, 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들의 경계에서 반사된 반향신호가 위상 차이에 의해 상쇄됨으로써 후면층을 통해 입사한 음향 에너지가 감쇠될 수 있으므로, 초음파 변환자의 경량화 또는 소형화를 목적으로 한 초음파 변환자를 제작할 수 있다.

Description

상이한 음향 임피던스의 물질들로 구성된 후면층을 갖는 초음파 변환자 및 그 제조 방법
본 발명은 산업용 또는 의료용 초음파 변환자에 관한 기술로, 경량화 또는 소형화된 초음파 변환자를 제작하기 위한 제조 방법 및 그 제조 방법에 의하여 제조된 초음파 변환자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들로 구성된 후면층을 갖는 초음파 변환자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
초음파 변환자의 일반적인 구조는 압전소자층 (Piezoelectric layer), 정합층 (Matching layer), 그리고 후면층 (Backing layer)으로 이루어진 스택 (Stack) 구조이다. 압전소자는 압전효과 (Piezoelectric effect)와 역 압전효과 (Reverse piezoelectric effect)를 발생시키는 초음파 변환자의 핵심 구성요소이다. 압전소자에 전기적 신호를 인가하면 압전소자에 기계적 진동이 발생하여 매질 내로 음향 에너지가 전달되고, 매질 내에서 반사된 에너지가 소자 내로 되돌아오면 전기적 신호로 변환되어 매질 내부 구조를 영상화할 수 있다.
초음파 변환자의 정합층은 압전소자의 전면에 부착되어 압전소자와 매질 간의 음향 임피던스 (Acoustic impedance) 차이를 줄이고, 파장의 1/4 두께로 제작되어 신호의 위상을 맞춤으로써 음향 에너지를 효율적으로 송신하거나 수신할 수 있게 한다.
압전소자는 압전소자의 양 방향으로 음향 에너지를 송신하거나 수신할 수 있는데, 초음파 변환자가 높은 성능을 가지기 위해서는 원하는 전달 방향인 매질 방향으로 많은 에너지를 송수신하고 그 반대 방향으로 발생한 에너지를 최대한 억제해야 한다. 이러한 효과를 얻기 위하여 압전소자의 후면 즉, 매질의 반대 방향 측에 후면층을 부착한다. 따라서 후면층은 압전소자의 후면 방향으로 발생한 음향 에너지를 감쇠시키고, 진동 (Reverberation)을 짧게 함으로써 초음파 영상의 해상도를 높이는 역할을 한다.
이상적인 후면층 물질은 압전소자의 음향 임피던스와 유사하고 감쇠 특성이 높은값을 가지는 물질이다. 후면층의 음향 임피던스가 압전소자의 음향 임피던스와 유사한 값을 가질수록 압전소자와 후면층 물질 사이의 경계에서 반사되는 에너지가 적기 때문에 신호의 펄스 길이 (Pulse-length)를 짧게 할 수 있어 대역폭을 넓게 할 수 있다는 장점이 있으나, 신호의 민감도 (Sensitivity)를 감소시키는 문제가 발생하게 된다. 따라서 일반적인 의료용 초음파 변환자의 후면층 물질은 약 3 ~ 8 Mrayl의 음향 임피던스를 갖는다.
일반적으로 후면층은 내부로 들어온 음향 에너지를 최대한 감쇠시키기 위하여 두꺼운 두께로 제작된다. 그러나 무선 초음파 프로브와 같이 휴대성이 중요한 시스템에 사용되는 변환자나 IVUS 변환자, cMUT 등과 같은 소형 변환자는 후면층 두께를 충분히 두껍게 할 수 없으므로 두께가 얇게 제작되는데, 이러한 경우 후면층 내부로 들어온 음향 에너지가 충분히 감쇠되지 못하고 후면층과 공기층에서 반사되어 압전소자로 되돌아가 송수신 신호에 결합됨으로써 파형이 왜곡되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 높은 음향 임피던스의 후면층 물질을 적용할 경우에는, 변환자의 에너지 전달 효율 (Transmit efficiency)이 낮아져 후면층 내부로 전달되는 에너지가 매질로 전달되는 에너지 양보다 상대적으로 많기 때문에, 후면층 내부에서 발생할 수 있는 반향 신호의 크기가 증가하므로 후면층의 두께 감소로 인한 감쇠 불충분의 문제가 더욱 부각되게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층 구조는 후면층 내부로 전달된 음향 에너지를 효율적으로 억제하여, 초음파 변환자의 두께 감소로 인하여 후면층에 발생할 수 있는 반향 신호를 최소화 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자 후면층 구조는 물질의 상대적 음향 임피던스 관계를 이용하여 후면층 내에서 발생되는 반향 신호의 위상을 상쇄시킬 수 있어, 반향 신호로 인한 송수신 신호의 왜곡을 완화시키고 후면층의 두께를 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자 후면층 구조는 높은 음향 임피던스 물질에서 낮은 음향 임피던스 물질로 진행하는 초음파의 반향 신호와 낮은 음향 임피던스 물질에서 높은 음향 임피던스 물질로 진행하는 초음파의 반향 신호가 서로 180도(°)의 위상차가 발생할 수 있다는 고정단/자유단 반사 원리를 이용한 것이다. 즉, 물질의 상대적 음향 임피던스 상하 관계에 의해 위상이 서로 반대가 되는 두 반향신호가 발생할 수 있는 경계면을 두는 것이 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 초음파 변환자의 후면층 구조이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층 구조는 음향 임피던스가 높고, 낮은 두 종류의 물질이 압전소자 저면의 면적 중 절반 비율로 각각 분리하여 압전소자 저면에 접합되고, 접합된 두 물질들의 중간 음향 임피던스를 갖는 물질이 두 종류의 물질들 뒤에 부착되는 구조이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층 가장 뒤에 부착되는 물질은 비교적 흡음 특성이 높은 물질이어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자 후면층에 따르면 후면층의 내부 경계면에서 발생하는 반향 신호는 위상 상쇄 작용으로 인해 억제될 수 있으며, 반사되지 않고 경계면 뒤로 전달된 에너지는 초음파 변환자 후면층 가장 뒷면에 부착된 물질에 의해 흡수될 수 있다. 따라서 초음파 변환자의 후면층을 두껍게 하지 않고도 후면층 내부로 들어온 음향 에너지를 최대한 감쇠시킬 수 있기 때문에 반향 신호로 인한 송수신 신호의 왜곡을 완화시키고 후면층의 두께를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자 후면층 구조에 의하면 음향 임피던스가 높은 물질과 낮은 물질을 압전소자 저면에 부착함으로써 각각의 단일 물질을 부착한 경우보다 대역폭 및 민감도를 향상 시킬 수 있다. 결과적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 변환자 후면층 구조를 초음파 변환자에 적용함으로써 초음파 변환자를 경량화 할 수 있고 소형 초음파 변환자의 성능 개선에 기여할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로써, 후면층이 압전소자의 저면에 형성되고, 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들을 포함하는 초음파 변환자가 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자에 의하면 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들의 경계에서 반사된 반향 신호가 위상 차이에 의해 상쇄됨으로써 후면층을 통해 입사한 음향 에너지가 감쇠될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층에는 음향 임피던스가 상이한 제1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질이 포함될 수 있으며, 제 1 물질은 압전소자의 저면의 일부분과 접합되고, 제 2 물질은 압전소자의 저면의 나머지 부분과 접합되고 제 1 물질과 나란히 배치되어 접촉되며, 제 3 물질은 제 1 물질과 제 2 물질의 저면에 연속적으로 접합되고, 제 1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질은 접합에 의하여 후면층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로써, 제 1 물질의 음향 임피던스는 제 2 물질과 제 3 물질의 음향 임피던스보다 크고, 제 2 물질의 음향 임피던스는 제 1 물질과 제 3 물질의 음향 임피던스보다 작으며, 제 3 물질의 음향 임피던스는 제 1 물질과 제 2 물질의 음향 임피던스의 중간 값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예로써, 제 1 물질은 음향 임피던스가 대략 10 Mrayl 이상 20 Mrayl 이하인 값을 가질 수 있고, 제 2 물질은 음향 임피던스가 대략 2 Mrayl 이상 10 Mrayl 이하인 값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층에서 제 1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질 중 어느 하나는 각각의 접합면에서 반향 신호의 발생시간이 동일하도록 조절된 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 후면층의 제 1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질 중 어느 하나의 두께는 아래의 수식에 의하여 결정될 수 있다.
Figure PCTKR2016014104-appb-I000001
(d: 두께, t: 상수, c: 각각의 물질의 음속)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 물질과 제 3 물질의 음향 임피던스 차이와 제 2 물질과 제 3 물질의 음향 임피던스 차이는 약 2 Mrayl 이상 10 Mrayl 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층 구조는 단일 소자 타입의 초음파 변환자, 다중 소자 (Array) 타입의 초음파 변환자 및 복합체 형태의 초음파 변환자 중 어느 하나의 변환자에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로써, 초음파 변환자의 후면층 제조 방법이 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 초음파 변환자의 후면층을 구성하기 위한 제 1 물질과 제 3 물질을 벌크 형태로 제 3 물질을 제 1 물질의 저면에 부착하는 단계, 제 3 물질이 부착된 제 1 물질을 상면으로부터 저면 방향으로 다이싱하여 치폭을 형성하는 단계, 형성된 치폭에 제 2 물질을 채우고 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 제 1 물질 및 제 3 물질의 일부는 소정의 폭을 갖는 블레이드를 이용하여 다이싱될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 폭은 다이싱 후 잔여 제 1 물질의 폭과 치폭의 폭의 합산 값이 다중 소자 타입의 초음파 변환자의 소자 간격 (Pitch)과 동일하도록 설정될 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 폭은 단일 소자 타입의 초음파 변환자 폭의 절반과 동일하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법으로 제작된 초음파 변환자의 후면층을 다중 소자 변환자용 압전소자의 후면에 부착하거나 단일 소자 또는 복합체 형태의 변환자용 압전소자의 후면에 부착하는 단계를 포함할 수 있으며, 경우에 따라 제작 목표 초음파 변환자의 크기에 상응하게 컷팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자 후면층의 구조는 후면층 내부로 전달된 음향 에너지를 효율적으로 억제할 수 있기 때문에 얇은 두께의 후면층을 적용하는 경우에도 초음파 변환자의 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자는 일반 B-mode 영상용 변환자의 경량화에 기여하거나, 또는 IVUS 변환자, cMUT 등과 같은 소형 변환자에 적용되어 초음파 변환자의 성능을 개선시킬 수 있다.
도 1은 의료용 초음파 변환자의 기존의 단면 구조로, (a)는 단일 소자 타입의 변환자 구조, (b)는 다중 소자 (Array) 타입의 변환자 구조를 나타낸다.
도 2는 기존의 초음파 변환자의 후면층 두께를 감소시켰을 때 발생하는 반향신호에 대하여 FEM (Finite Element Method) 시뮬레이션 한 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층 구조에 의하여 후면층에 전달된 음향 에너지가 감쇠되는 메커니즘을 도시한다.
도 5는 물질의 상대적 음향 임피던스에 따라 신호의 위상차가 발생하는 사실을 확인한 FEM (Finite Element Method) 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층을 적용했을 때 나타날 수 있는 시간 축 및 주파수 축 파형을 나타낸다.
도 7은 초음파 변환자에 기존의 후면층을 얇은 두께로 적용한 경우와 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층을 같은 두께로 적용한 경우를 비교한 FEM (Finite Element Method) 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층을 여러 타입의 초음파 변환자에 적용가능한 구조를 나타내는 것으로, (a)는 다중 소자 타입의 초음파 변환자에 적용한 경우이며, (b)는 단일 소자 타입의 초음파 변환를 복합체 형태로 설계한 경우를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층 구조를 제조하는 방법으로, 블레이드 폭을 다이싱 후 잔여 제 1 물질의 폭과 치폭의 폭의 합산 값이 다중 소자 타입의 초음파 변환자의 소자 간격 (Pitch)과 동일하도록 설정한 경우의 제조 과정을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층 구조를 제조하는 방법으로, 블레이드 폭을 단일 소자 타입의 초음파 변환자 폭의 절반과 동일하도록 설정한 경우를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예로써, 후면층이 압전소자의 저면에 형성되고, 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들을 포함하는 초음파 변환자가 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자에 의하면 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들의 경계에서 반사된 반향 신호가 위상 차이에 의해 상쇄됨으로써 후면층을 통해 입사한 음향 에너지가 감쇠될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층에는 음향 임피던스가 상이한 제1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질이 포함될 수 있으며, 제 1 물질은 압전소자의 저면의 일부분과 접합되고, 제 2 물질은 압전소자의 저면의 나머지 부분과 접합되고 제 1 물질과 나란히 배치되어 접촉되며, 제 3 물질은 제 1 물질과 제 2 물질의 저면에 연속적으로 접합되고, 제 1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질은 접합에 의하여 후면층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로써, 제 1 물질의 음향 임피던스는 제 2 물질과 제 3 물질의 음향 임피던스보다 크고, 제 2 물질의 음향 임피던스는 제 1 물질과 제 3 물질의 음향 임피던스보다 작으며, 제 3 물질의 음향 임피던스는 제 1 물질과 제 2 물질의 음향 임피던스의 중간 값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예로써, 제 1 물질은 음향 임피던스가 대략 10 Mrayl 이상 20 Mrayl 이하인 값을 가질 수 있고, 제 2 물질은 음향 임피던스가 대략 2 Mrayl 이상 10 Mrayl 이하인 값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층에서 제 1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질 중 어느 하나는 각각의 접합면에서 반향 신호의 발생시간이 동일하도록 조절된 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 후면층의 제 1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질 중 어느 하나의 두께는 아래의 수식에 의하여 결정될 수 있다.
Figure PCTKR2016014104-appb-I000002
(d: 두께, t: 상수, c: 각각의 물질의 음속)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 물질과 제 3 물질의 음향 임피던스 차이와 제 2 물질과 제 3 물질의 음향 임피던스 차이는 약 2 Mrayl 이상 10 Mrayl 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층 구조는 단일 소자 타입의 초음파 변환자, 다중 소자 (Array) 타입의 초음파 변환자 및 복합체 형태의 초음파 변환자 중 어느 하나의 변환자에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로써, 초음파 변환자의 후면층 제조 방법이 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 초음파 변환자의 후면층을 구성하기 위한 제 1 물질과 제 3 물질을 벌크 형태로 제 3 물질을 제 1 물질의 저면에 부착하는 단계, 제 3 물질이 부착된 제 1 물질을 상면으로부터 저면 방향으로 다이싱하여 치폭을 형성하는 단계, 형성된 치폭에 제 2 물질을 채우고 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 제 1 물질 및 제 3 물질의 일부는 소정의 폭을 갖는 블레이드를 이용하여 다이싱될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 폭은 다이싱 후 잔여 제 1 물질의 폭과 치폭의 폭의 합산 값이 다중 소자 타입의 초음파 변환자의 소자 간격 (Pitch)과 동일하도록 설정될 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 폭은 단일 소자 타입의 초음파 변환자 폭의 절반과 동일하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법으로 제작된 초음파 변환자의 후면층을 다중 소자 변환자용 압전소자의 후면에 부착하거나 단일 소자 또는 복합체 형태의 변환자용 압전소자의 후면에 부착하는 단계를 포함할 수 있으며, 경우에 따라 제작 목표 초음파 변환자의 크기에 상응하게 컷팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 의료용 초음파 변환자의 기존의 단면 구조로, (a)는 단일 소자 타입의 변환자 (Single-Element Transducer) 구조, (b)는 다중 소자 타입의 변환자 (Array Transducer) 구조를 나타낸다. 초음파 변환자는 일반적으로 정합층(1), 압전소자(2), 후면층(3)으로 이루어져 있으며, 도 1 (a)에서 도시된 단일 소자 타입의 변환자와 같이 각각 순차적으로 적층된 구조를 이루고 있다. 도 1 (b)에 도시된 다중 소자 타입의 변환자는 단일 압전소자(2)를 일정한 폭으로 다이싱 (Dicing)하여 치폭(Kerf)(4)을 형성한 후, 에폭시(Epoxy)등과 같이 음향 임피던스가 낮고 감쇠 특성이 높은 비전도성 물질로 채워 여러 개의 다중 소자로 분리시킨 다음, 압전소자(2) 위에는 정합층(1), 아래에는 FPCB (Flexible Printed Circuit Board)(5)와 후면층(3)을 순차적으로 적층시킴으로써 소자가 독립적으로 동작할 수 있도록 설계된다.
도 2는 기존의 초음파 변환자의 후면층 두께를 감소시켰을 때 발생하는 반향신호에 대하여 FEM (Finite Element Method) 시뮬레이션 한 결과를 나타낸다. 시뮬레이션에서는 기존의 벌크 (Bulk) 구조 후면층(3)을 갖는 중심주파수가 5.5 MHz인 단일 소자 초음파 변환자를 사용하였다. 시뮬레이션에서 사용한 중심주파수는 임의로 결정된 것으로, 본 발명에서는 적용 가능한 주파수 범위가 제한되어 있지 않다. 도 2 (a)와 도 2 (b)의 시뮬레이션 결과는 각각 실버에폭시 (E-solder3022, 음향 임피던스: 5.9 Mrayl, 감쇠계수: 110 dB/mm (@ 30 MHz))와 에폭시/20% 텅스텐 혼합물 (Epotek301/20% tungsten powder composite, 음향 임피던스: 8.6 Mrayl, 감쇠계수: 31 dB/mm (@ 30 MHz))을 후면층(3) 물질로 적용한 경우의 결과에 해당한다. 상기 후면층(3) 물질은 초음파 변환자의 후면층(3)을 구성하는데 일반적으로 사용되는 물질 중 하나이다.
도 2에서 실선은 후면층을 약 10 mm(37λ) 두께로 적용한 경우의 수신신호이고, 점선은 후면층 두께를 1λ로 줄였을 때 발생하는 잔향 신호(Ripple)를 나타내는 것이다. 상기 결과는 감소된 두께의 후면층(3)으로 인해 후면층(3) 내로 전달된 음향 에너지가 충분히 감쇠되지 못하고 신호가 반사되어 수신 신호에 섞여 왜곡되었기 때문에 나타나는 것이다. 또한, 음향 임피던스가 높은 값을 후면층(3) 물질에 적용할수록 소자에서 발생한 음향 에너지가 매질보다 후면층(3) 방향으로 상대적으로 많이 전달되기 때문에 수신신호의 민감도 (Sensitivity)가 낮아지고 후면층(3) 내 감쇠 불충분 문제가 증가한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층 구조를 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층은 압전소자(2)의 저면에 형성되고, 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들을 포함하며, 후면층을 통해 입사한 음향 에너지는 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들의 경계에서 반사된 반향 신호가 위상 차이에 의해 상쇄됨으로써 감쇠될 수 있다.
도 3을 참조하면, 후면층을 구성하는 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들에는 제 1 물질(6), 제 2 물질(7) 및 제 3 물질(8)이 포함되는데, 제 1 물질(6)은 압전소자(2)의 저면의 일부분과 접합될 수 있다. 제 2 물질(7)은 압전소자(2)의 저면의 나머지 부분과 접합되고, 제 1 물질(6)과 나란히 배치되어 접촉될 수 있고 제 3 물질(8)은 제 1 물질(6)과 제 2 물질(7)의 저면에 연속적으로 접합될 수 있다. 따라서 제 1 물질(6), 제 2 물질(7) 및 제 3 물질(8)은 접합에 의하여 후면층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 물질(6)의 음향 임피던스는 제 2 물질(7)과 제 3 물질(8)의 음향 임피던스보다 크고, 제 2 물질(7)의 음향 임피던스는 제 1 물질(6)과 제 3 물질(8)의 음향 임피던스보다 작으며, 제 3 물질(8)의 음향 임피던스는 제 1 물질(6)과 제 2 물질(7)의 음향 임피던스의 중간 값을 가질 수 있다. 한편, 제 3 물질(8)은 흡음 특성이 우수한 물질로 이루어질 수 있다.
도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층 구조는 물질의 상대적 음향 임피던스 상하관계에 따라 물질 사이의 경계에서 반사되는 파의 위상이 달라지는 고정단 / 자유단 반사 원리를 이용하기 위한 구조이다. 즉 제 2 물질(7)과 제 3 물질(8)의 경계에서 반사된 반향 신호와 제 1 물질(6)과 제 3 물질(8)의 경계에서 반사된 반향 신호의 위상이 서로 180° 차이나게 되어 반사된 두 신호는 서로 상쇄될 수 있다.
즉, 다시 말해서 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층 구조에 의하여 음향 에너지가 감쇠되는 구체적인 메커니즘은 도 4에 도시한 것과 같다.
압전소자(2)를 통해 송수신된 음향 에너지가 후면층 내부로 전달되고(9), 후면층 물질의 두께 차이와 음향 임피던스 차이에 의해 내부 경계면에서 반사된 반향 신호들은 서로 위상이 180° 차이에 나게 되어 상쇄된다(10). 그리고 각 경계면에서 반사되지 않고 후면 방향으로 전달된 나머지 에너지는 후방 물질인 제 3 물질(8)에 의해 흡수된다(11). 결과적으로 후면층 내부로 전달된 음향 에너지는 대부분 억제되어 압전소자(2)로 되돌아가는 반향 신호를 최소화할 수 있다.
도 5는 물질의 상대적 음향 임피던스에 따라 신호의 위상차가 발생하는 사실을 확인한 FEM (Finite Element Method) 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 5(a)는 압전소자(2) 후면에 낮은 음향 임피던스의 물질을 부착하고 이 물질 후면에 높은 음향 임피던스의 물질을 부착한 경우에, 두 물질 경계에서 반사되는 반향신호를 본 결과이고, 도 5(b)는 도 5(a)와 반대로 압전소자(2) 후면에 높은 음향 임피던스의 물질을 부착하고 그 물질 후면에 낮은 음향 임피던스의 물질을 부착한 경우에, 두 물질 경계에서 반사되는 반향신호를 본 결과이다. (a)와 (b)의 그래프 중 점선으로 표시한 부분은 서로 다른 음향 임피던스의 두 물질이 포함된 후면층 내부 경계에서 반사된 반향신호를 나타내는데, (a)와 (b)에서 나타난 두 반향신호는 위상이 서로 반대인 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 물질(6)은 음향 임피던스가 대략 10 Mrayl 이상 20 Mrayl 이하인 값을 갖고, 제 2 물질(7)은 음향 임피던스가 대략 2 Mrayl 이상 10 Mrayl 이하인 값을 가질 수 있다. 이는 정해진 범위의 값이 아니므로 경우에 따라 제시 범위를 벗어난 음향 임피던스 값의 물질을 사용할 수 있다.
또한, 제 1 물질(6)과 제 3 물질(8), 그리고 제 2 물질(7)과 제 3 물질(8)의 음향 임피던스 값 차이는 약 2 Mrayl 이상 10 Mrayl 이하이며, 두 차이는 2 Mrayl 이내로 각 접합면에서의 음향 임피던스 차이가 유사할수록 반향신호의 상쇄가 효과적으로 가능해 질 수 있다. 상기 값들도 경우에 따라 제시 범위를 벗어난 음향 임피던스 값의 물질을 사용할 수 있다. 두 접합면에서의 음향 임피던스 차이가 크거나 물질들의 성질에 의하여, 발생한 두 반향 신호의 진폭이 큰 차이를 보일 경우, 제 1물질(6)과 제 3물질(8)의 비율을 조정함으로써 효율적인 상쇄를 일으킬 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 물질(6), 제 2 물질(7) 및 제 3 물질(8) 중 어느 하나는 각각의 접합면에서 반향 신호의 발생시간이 동일하도록 조절된 두께를 가질 수 있다. 물질마다 음속이 다르기 때문에 각 경계에서의 반향 신호가 같은 시간에 발생하기 위해서는 물질의 두께 조절이 필요하기 때문이다. 각 경계까지의 후면층에 포함된 물질의 두께 d는 각 물질의 음속 c와 후면층 내부 경계의 반향 신호 발생 시간 t의 곱으로 표현 할 수 있는데, 수식은 아래와 같다.
Figure PCTKR2016014104-appb-I000003
다만, 반향 신호 발생 시간 t는 임의로 결정 가능한 상수이다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제 1 물질(6)과 제 2 물질(7)의 음속이 각각 1000 m/s, 2000 m/s라고 하면, 두 물질의 반향 신호가 1 μs의 동일한 시간에 발생하여 두 반향 신호가 서로 상쇄되기 위해서는 제 1 물질(6)이 0.5 mm, 제 2 물질(7)이 1 mm의 두께를 가져야 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층을 적용했을 때 나타날 수 있는 시간 축 및 주파수 축 파형을 나타낸다. 도 6 (a)는 제 1 물질(6)과 제 3 물질(8)만을, 도 6 (b)는 제 2 물질(7)과 제 3 물질(8)만을 적용한 경우 각각에 대한 파형이고, 도 6 (c)는 제 1 물질(6), 제 2 물질(7), 제 3 물질(8)을 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층 구조 전체에 적용했을 경우에 해당하는 결과 파형이다. 도 6 (a), 도 6 (b)의 두 경우에 발생한 후면층 내부에 발생한 반향 신호(점선으로 표시한 부분)가 도 6 (c)의 파형에서는 상쇄되어 최소화 된 것을 확인할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층 구조를 적용함으로써 도 6 (a)의 경우보다 주파수대역에서 향상된 민감도, 도 6 (b)의 경우보다 향상된 -6dB 대역폭 (Bandwidth, BW)의 신호를 얻을 수 있다. 본 발명의 일 실시예로써 시뮬레이션에 적용한 후면층 두께는 약 1 mm(5λ)이고, 제 1 물질(6)은 밀도 5105 kg/m3, 음속 1865 m/s인 에폭시/텅스텐 혼합물, 제 2 물질(7)은 밀도 1150 kg/m3, 음속 2650 m/s인 에폭시, 제 3 물질(8)은 밀도 3200 kg/m3, 음속 1850 m/s, 감쇄 값 110 dB/mm(@30 MHz)인 실버에폭시를 적용하였다.
도 7은 초음파 변환자에 기존의 후면층을 적용한 경우와 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층을 적용한 경우를 비교한 FEM (Finite Element Method) 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 7에서 위의 그래프는 기존의 벌크 (Bulk) 형태의 후면층을 적용한 경우의 시뮬레이션 결과이며, 아래 그래프는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층 구조를 적용한 경우의 시뮬레이션 결과이다. 비교를 위하여 두 경우의 후면층 두께 및 최종 음향 임피던스는 동일하다. 점선에서 표시된 그래프부분을 살펴보면, 기존의 후면층 구조에서 발생하는 반향 신호가 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층 구조에서는 최소화 된 것을 확인 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층의 구조는 단일 소자 타입의 초음파 변환자, 다중 소자 (Array) 타입의 초음파 변환자 및 복합체 형태의 초음파 변환자 중 어느 하나의 변환자에 적용 가능할 수 있다. 도 8 (a)에 도시된 바와 같이 하나의 소자 당 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층 구조 하나를 적용한 형태로 다중 소자 타입의 초음파 변환자에 적용할 수 있다. 도 8 (b)에 도시된 형태와 같이 단일 소자 변환자를 복합체 (Composite) 형태로 설계할 경우에도 적용 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 후면층은 이 외에도 다양한 구조적 응용이 가능하며, 여러 타입의 초음파 변환자에 적용 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 후면층 제조 방법은 도 9, 도 10에 도시된 바와 같이, 초음파 변환자의 후면층을 구성하기 위한 제 1 물질(6)과 제 3 물질(8)을 벌크 형태로 제 3 물질(8)을 제 1 물질(6)의 저면에 부착하는 단계(12), 제 3 물질(8)이 부착된 제 1 물질(6)을 상면으로부터 저면 방향으로 다이싱하여 치폭(4)을 형성하는 단계(13), 형성된 치폭(4)에 제 2 물질(7)을 채우고 경화시키는 단계(14)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법(12, 13, 14)으로 제작된 초음파 변환자의 후면층을 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 다중 소자 변환자용 압전소자의 후면에 부착(15)하거나, 단일 소자 또는 복합체 형태의 변환자용 압전소자의 후면에 부착하는 단계(16)를 포함할 수 있으며, 제작 목표 초음파 변환자의 크기에 상응하게 컷팅하는 단계(17)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 물질(6) 및 제 3 물질(8)의 일부는 소정의 폭을 갖는 블레이드(19)를 이용하여 다이싱될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드(19)의 폭은 도 9의 경우에는 다이싱 후 잔여 제 1 물질(6)의 폭과 치폭(4)의 폭의 합산 값이 다중 소자 타입의 초음파 변환자의 폭과 동일하도록 설정할 수 있고, 도 10의 경우에는 단일 소자 타입의 초음파 변환자 폭의 절반과 동일하도록 설정될 수 있다. 한편 얇은 두께의 블레이드(19)를 연속적으로 여러 번 반복 동작시킴으로써 도 9, 도 10에서 설정된 블레이드(19) 폭을 맞출 수도 있다.
그 밖에도 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 블록 구조는 몰드 (Mold)를 제작하거나 여러 정밀 기계를 이용하는 등 다양한 공정을 거쳐 제작될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 초음파 변환자에 있어서,
    상기 초음파 변환자의 후면층은 압전소자의 저면에 형성되고, 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들을 포함하며,
    상기 후면층을 통해 입사한 음향 에너지는 상기 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들의 경계에서 반사된 반향 신호가 위상 차이에 의해 상쇄됨으로써 감쇠되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 후면층에 포함되고 상기 음향 임피던스가 상이한 복수의 물질들에는 제 1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질이 포함되며,
    상기 제 1 물질은 상기 압전소자의 저면의 일부분과 접합되고,
    상기 제 2 물질은 상기 압전소자의 저면의 나머지 부분과 접합되고, 상기 제 1 물질과 나란히 배치되어 접촉되며,
    상기 제 3 물질은 상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질의 저면에 연속적으로 접합되고, 상기 제 1 물질, 제 2 물질 및 제 3 물질은 상기 접합에 의하여 상기 후면층을 형성하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 물질의 음향 임피던스는 상기 제 2 물질과 상기 제 3 물질의 음향 임피던스보다 크고, 상기 제 2 물질의 음향 임피던스는 상기 제 1 물질과 상기 제 3 물질의 음향 임피던스보다 작으며, 상기 제 3 물질의 음향 임피던스는 상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질의 음향 임피던스의 중간 값을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 음향 임피던스가 10 Mrayl 이상 20 Mrayl 이하인 값을 갖고, 상기 제 2 물질은 음향 임피던스가 2 Mrayl 이상 10 Mrayl 이하인 값을 갖고, 상기 제 3 물질은 상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질의 음향 임피던스의 중간 값을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 물질, 상기 제 2 물질 및 상기 제 3 물질 중 어느 하나는 각각의 접합면에서 상기 반향 신호의 발생시간이 동일하도록 조절된 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 두께는 아래의 수식에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
    Figure PCTKR2016014104-appb-I000004
    (d: 두께, t: 상수, c: 각각의 물질의 음속)
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 물질과 상기 제 3 물질의 음향 임피던스 차이와 상기 제 2 물질과 상기 제 3 물질의 음향 임피던스 차이는 각각 2 Mrayl 이상 10 Mrayl 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 변환자의 후면층의 구조는 단일 소자 타입의 초음파 변환자, 다중 소자 (Array) 타입의 초음파 변환자 및 복합체 형태의 초음파 변환자 중 어느 하나의 변환자에 적용 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
  9. 초음파 변환자의 후면층 제조 방법에 있어서,
    상기 초음파 변환자의 후면층을 구성하기 위한 제 1 물질과 제 3 물질을 벌크 형태로 상기 제 3 물질을 상기 제 1 물질의 저면에 부착하는 단계;
    상기 제 3 물질이 부착된 상기 제 1 물질을 상면으로부터 저면 방향으로 다이싱하여 치폭을 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 치폭에 제 2 물질을 채우고 경화시키는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 물질 및 상기 제 3 물질의 일부는 소정의 폭을 갖는 블레이드를 이용하여 다이싱되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자의 후면층 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 블레이드의 폭은 다이싱 후 잔여 제 1 물질의 폭과 치폭의 폭의 합산 값이 다중 소자 타입의 초음파 변환자의 소자 간격과 동일하도록 설정된 폭인 것을 특징으로 하는 초음파 변환자의 후면층 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 블레이드의 폭은 단일 소자 타입의 초음파 변환자 폭의 절반과 동일하도록 설정된 폭인 것을 특징으로 하는 초음파 변환자의 후면층 제조 방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법으로 제작된 초음파 변환자의 후면층을 다중 소자 변환자용 압전소자의 후면에 부착하거나 단일 소자 또는 복합체 형태의 변환자용 압전소자의 후면에 부착하는 단계; 및
    제작 목표 초음파 변환자의 크기에 상응하게 컷팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자의 후면층 제조 방법.
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