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KR101630759B1 - 초음파 변환기의 셀, 채널 및 이를 포함하는 초음파 변환기 - Google Patents

초음파 변환기의 셀, 채널 및 이를 포함하는 초음파 변환기 Download PDF

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KR101630759B1
KR101630759B1 KR1020100127871A KR20100127871A KR101630759B1 KR 101630759 B1 KR101630759 B1 KR 101630759B1 KR 1020100127871 A KR1020100127871 A KR 1020100127871A KR 20100127871 A KR20100127871 A KR 20100127871A KR 101630759 B1 KR101630759 B1 KR 101630759B1
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KR
South Korea
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thin film
ultrasonic transducer
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electrode
support
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김동균
신형재
정석환
정병길
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삼성전자주식회사
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Abstract

개시된 초음파 변환기의 셀은 기판과 지지부와 각각 이격되어 마련된 박막과 지지부와 박막을 연결하는 연결부를 포함할 수 있으며, 연결부는 탄성 변형되는 변형부를 포함할 수 있다. 그리고, 개시된 초음파 변환기의 채널은 복수 개의 초음파 변환기의 셀이 어레이 형태로 배열된 것이다. 또한, 개시된 초음파 변환기는 복수 개의 초음파 변환기의 채널이 어레이 형태로 마련된 것이다.

Description

초음파 변환기의 셀, 채널 및 이를 포함하는 초음파 변환기{Cell and channel of ultrasonic transducer, and ultrasonic transducer including the sames}
초음파 변환기의 셀, 채널 및 이를 포함하는 초음파 변환기에 관한 것이다.
미세가공 초음파 변환기(micromachined ultrasonic transducer, MUT)(이하, 초음파 변환기)는 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하거나, 반대로 초음파 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 장치이다. 초음파 변환기는 예를 들어, 의료 영상 진단 기기에 사용되고 있는데, 비침습적(non-invasive)으로 신체의 조직이나 기관의 사진이나 영상을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그리고, 초음파 변환기는 그 변환 방식에 따라서, 압전형 초음파 변환기(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, pMUT), 정전 용량형 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT), 자기형 초음파 변환기(magnetic micromachined ultrasonic transducer, mMUT) 등을 포함할 수 있다.
초음파 변환기의 셀, 채널 및 이를 포함하는 초음파 변환기를 제공한다.
개시된 초음파 변환기의 셀은
기판;
상기 기판 상에 마련된 지지부;
상기 기판과 상기 지지부와 각각 이격되어 마련된 박막; 및
상기 지지부와 상기 박막을 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
상기 연결부는 상기 지지부와 연결되는 지지부 접촉부, 상기 박막과 연결되는 박막 접촉부 및 상기 지지부 접촉부와 상기 박막 접촉부 사이에 마련되며, 탄성 변형되는 변형부를 포함할 수 있다.
상기 박막은 상기 변형부의 변형에 의해서, 상기 기판에 대해서 수직한 방향으로 진동할 수 있다.
상기 기판 상에 마련된 제1전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제1전극 상에 마련된 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 박막 상에 마련된 제2전극을 더 포함할 수 있다.
상기 연결부 상에 마련되고, 상기 제2전극에 전기적 신호를 인가하는 급전선을 더 포함할 수 있다.
상기 박막은 전도성 박막일 수 있다.
상기 연결부 상에 마련된 압전층을 더 포함할 수 있다.
상기 압전층의 하면에 마련된 제3전극과 상기 압전층의 상면에 마련된 제4전극을 더 포함할 수 있다.
상기 기판, 상기 지지부, 상기 박막 및 상기 연결부는 하나의 캐비티를 형성할 수 있다.
개시된 초음파 변환기의 채널은 상기 초음파 변환기의 셀을 복수 개 구비하고,
상기 복수 개의 초음파 변환기의 셀은 m x n(m, n은 1 이상의 자연수)의 어레이 형태로 마련될 수 있다.
개시된 초음파 변환기의 채널은
복수 개의 홈(recess)이 마련된 기판;
상기 복수 개의 홈에 각각 이격되어 마련된 복수 개의 박막; 및
상기 박막과 상기 홈 외곽의 지지부를 각각 연결하는 복수 개의 연결부를 포함할 수 있다.
상기 연결부는 상기 지지부와 연결되는 지지부 접촉부, 상기 박막과 연결되는 박막 접촉부 및 상기 지지부 접촉부와 상기 박막 접촉부 사이에 마련되며, 탄성 변형되는 변형부를 포함할 수 있다.
상기 박막은 상기 변형부의 변형에 의해서, 상기 기판에 대해서 수직한 방향으로 진동할 수 있다.
상기 복수 개의 홀 안에 각각 마련된 제1전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제1전극 상에 마련된 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 박막 상에 각각 마련된 제2전극을 더 포함할 수 있다.
상기 연결부 상에 마련되고, 상기 제2전극에 전기적 신호를 인가하는 급전선을 더 포함할 수 있다.
상기 박막은 전도성 박막일 수 있다.
상기 연결부 상에 각각 마련된 압전층을 더 포함할 수 있다.
상기 압전층의 하면에 마련된 제3전극과 상기 압전층의 상면에 마련된 제4전극을 더 포함할 수 있다.
상기 기판, 상기 지지부, 상기 복수 개의 박막 및 상기 복수 개의 연결부는 각각 하나의 캐비티를 형성할 수 있다.
개시된 초음파 변환기는 상기 초음파 변환기의 채널을 복수 개 포함하고,
상기 복수 개의 초음파 변환기의 채널은 m x n(m, n은 1 이상의 자연수)의 어레이 형태로 마련될 수 있다.
개시된 초음파 변환기의 셀은 박막이 기판에 대해서 수직한 방향으로 진동할 수 있다. 따라서, 개시된 초음파 변환기의 셀에서, 정전력과 부피 변화량이 증가하여, 초음파 변환기의 송신 출력과 수신 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1a는 개시된 초음파 변환기의 셀의 개략적인 평면도이며, 도 1b 및 도 1c는 개시된 초음파 변환기의 셀의 개략적인 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 비교예에 따른 초음파 변환기의 셀의 개략적인 단면도이고, 도 2c는 개시된 초음파 변환기의 셀의 개략적인 단면도이다.
도 3은 개시된 초음파 변환기의 셀의 변형예의 개략적인 단면도이다.
도 4는 개시된 초음파 변환기의 셀의 다른 변형예의 개략적인 단면도이다.
도 5는 개시된 초음파 변환기의 셀의 또 다른 변형예의 개략적인 단면도이다.
도 6a는 다른 개시된 초음파 변환기의 셀의 개략적인 평면도이고, 도 6b는 다른 개시된 초음파 변환기의 셀의 개략적인 단면도이다.
도 7은 개시된 초음파 변환기의 셀의 변형예의 개략적인 단면도이다.
도 8a는 개시된 초음파 변환기의 채널의 개략적인 평면도이고, 도 8b는 개시된 초음파 변환기의 채널의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 개시된 초음파 변환기의 셀, 채널 및 이를 포함하는 초음파 변환기에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성 요소의 크기는 설명의 명료성과 편의성을 위해서 과장되어 있을 수 있다.
도 1a는 개시된 초음파 변환기의 셀(100)의 평면도를 개략적으로 도시한 것이며, 도 1b는 도 1a의 AA'에서 바라본, 개시된 초음파 변환기의 셀(100)의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다. 그리고, 도 1c는 초음파 변환기의 셀(100)에 포함된 박막(50)이 진동하는 모습을 도시한 것이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 개시된 초음파 변환기의 셀(100)은 기판(10), 기판(10) 상에 마련된 지지부(40), 기판(10)과 지지부(40)와 각각 이격되어 마련된 박막(50) 및 지지부(40)와 박막(50)을 연결하는 연결부(70)를 포함할 수 있다. 그리고, 개시된 초음파 변환기의 셀(100)은 기판(10) 상에 마련되는 제1전극(20), 제1전극(20) 상에 마련되는 절연층(30)을 더 포함할 수 있다. 또한, 개시된 초음파 변환기의 셀(100)은 박막(50) 상에 마련되는 제2전극(60), 제2전극(60)과 연결되는 급전선(80)을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 개시된 초음파 변환기의 셀(100)은 정전용량형 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT)의 셀일 수 있다. 즉, 제1전극(20)과 제2전극(60)은 커패시터를 형성할 수 있다.
기판(10)은 통상 사용되는 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘(Si), 유리 등으로 형성될 수 있다. 그밖에, 기판(10)으로 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼 등이 사용될 수 있다. 기판(10)에는 지지부(40)가 형성될 수 있으며, 지지부(40)는 기판(10)과 일체로 형성될 수도 있다. 즉, 기판(10)을 에칭하여, 기판(10) 상에 지지부(40)를 형성할 수 있다.
제1전극(20)은 기판(10) 상에 마련될 수 있으며, 박막(50) 또는 제2전극(40)에 대응되는 기판(10) 상의 영역에 마련될 수 있다. 그리고, 제1전극(20)은 전도성 재료로 형성될 수 있으며 예를 들어, Cu, Al, Au, Cr, Mo, Ti, Pt 등으로 형성될 수 있다.
절연층(30)은 제1전극(20) 상에 마련될 수 있으며, 제1전극(20)과 제2전극(60)을 전기적으로 절연시킬 수 있다. 한편, 박막(50)이 전도성 재료로 형성되는 경우, 절연층(30)은 제1전극(20)과 전도성 박막(50)을 절연시킬 수 있다.
박막(50)은 기판(10) 및 지지부(40)와 각각 이격되어 마련될 수 있다. 즉, 박막(50)은 기판(10)과 지지부(40)로 형성된 홈(도 8b의 41) 상에 이격되어 마련될 수 있다. 박막(50)은 예를 들어, 실리콘(Si), 질화 실리콘(SixNy), 파릴렌(parylene) 등으로 형성될 수 있다. 박막(50)은 원형 또는 다각형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 아울러, 박막(50)은 기판(10), 지지부(40) 및 연결부(70)와 함께 하나의 캐비티(55)를 형성할 수 있으며, 캐비티(55)는 진공 상태일 수 있다.
연결부(70)는 지지부(40)와 박막(50)을 연결시킬 수 있으며, 예를 들어, 실리콘(Si), 질화 실리콘(SixNy), 파릴렌(parylene) 등으로 형성될 수 있다. 연결부(70)는 예를 들어, 튜브를 수평 방향에서 반으로 잘라놓은 형상일 수 있으며, 그 단면은 브릿지(bridge) 형태일 수 있다. 그리고, 연결부(70)는 박막 접촉부(71), 지지부 접촉부(73) 및 변형부(72)를 포함할 수 있다.
박막 접촉부(71)는 박막(50)의 상면과 연결되며, 박막(50)과 수직한 방향으로 연장되어 마련될 수 있다. 그리고, 박막 접촉부(71)는 박막(50)의 중심(C)을 기준으로 대칭적으로 마련될 수 있다. 즉, 도 1b에서 양쪽의 박막 접촉부(71)로부터 박막(50)의 중심(C)까지의 거리(r1, r2)는 서로 같을 수 있다. 박막 접촉부(71)로부터 박막(50)의 중심(C)까지의 거리(r1, r2)는 박막(50)의 반지름(r)보다 작거나 같을 수 있는데 예를 들어, 박막 접촉부(71)로부터 박막(50)의 중심(C)까지의 거리(r1, r2)는 박막(50)의 반지름(r)의 1/2일 수 있다(r1= r2 = 0.5r). 한편, 박막 접촉부(71)는 박막(50)의 상면에 제2전극(60)이 형성되는 경우에, 제2전극(60)의 상면과 연결될 수 있다. 지지부 접촉부(73)는 지지부(40)의 상면과 연결되며, 지지부(40)와 수직한 방향으로 연장되어 마련될 수 있다.
변형부(72)는 박막 접촉부(71)와 지지부 접촉부(73) 사이에 마련되며, 탄성 변형될 수 있다. 변형부(72)는 박막 접촉부(71)와 지지부 접촉부(73)를 연결하며, 기판(10) 내지 박막(50)과 평행하게 마련될 수 있다. 그리고, 변형부(72)는 탄성 재료로 형성될 수 있으며, 또는 그 얇은 두께에 의해서 탄성 변형될 수도 있다. 박막(50)은 변형부(72)의 탄성 변형에 의해서, 기판(10)에 대해서 수직한 방향으로 진동할 수 있다. 즉, 박막(50)은 피스톤과 같이 기판(10)에 대해서 상하로 움직일 수 있다. 따라서, 초음파 변환기의 셀(100)은 제1전극(20) 및 제2전극(60) 사이의 평균 정전력(electrostatic force)과 박막(50)의 진동에 의한 셀의 부피 변화량이 증가할 수 있다. 평균 정전력과 부피 변화량의 증가는 결국 초음파 변환기 셀(100)의 송신 출력과 수신 감도를 향상시킬 수 있다.
제2전극(60)은 박막(50) 상에 마련될 수 있으며, 박막(50)의 상면 내지 박막(50)의 하면에 마련될 수 있다. 제2전극(60)은 전도성 재료로 형성될 수 있으며 예를 들어, Cu, Al, Au, Cr, Mo, Ti, Pt 등으로 형성될 수 있다. 그리고, 급전선(80)이 지지부(40) 및 연결부(70) 상에 마련되고, 제2전극(60)까지 연장될 수 있다. 급전선(80)은 외부 전원(V)으로부터 제2전극(60)에 전기적 신호를 입력할 수 있다. 또한, 급전선(80)은 제1 및 제2전극(20, 60) 사이의 전기적 신호의 변화 예를 들어, 정전 용량의 변화를 외부로 전달할 수 있다. 여기에서, 외부 전원(V)은 DC 전압과 AC 전압을 포함할 수 있다. 한편, 박막(50)은 도핑된 실리콘(doped Si)과 같이 전도성 재료로 형성될 수 있는데, 이 경우에는 제2전극(60)은 생략될 수 있다. 이 경우에는, 제1전극(20)과 전도성 박막(50)이 커패시터를 형성할 수 있다. 이 경우, 급전선(80)은 전도성 박막(50)에 전기적 신호를 입력하거나, 제1전극(20)과 전도성 박막(50) 사이의 전기적 신호의 변화를 외부로 전달할 수 있다.
다음으로, 도 1c를 참조하여, 개시된 초음파 변환기의 셀(100)의 동작 원리를 설명한다. 먼저, 초음파 변환기의 셀(100)의 송신 원리를 설명한다. 제1 및 제2전극(20, 60)에 DC 전압(미도시)이 인가되면, 박막(50)은 제1 및 제2전극(20, 60) 사이의 정전력과 박막(50)에 미치는 중력이 평행을 이루는 높이에 위치할 수 있다. 제1 및 제2전극(20, 60)에 DC 전압(미도시)이 인가된 상태에서, 제1 및 제2전극(20, 60)에 AC 전압을 인가하면 제1 및 제2전극(20, 60) 사이의 정전력 변화에 의해서 박막(50)이 진동할 수 있다. 개시된 초음파 변환기의 셀(100)의 박막(50)은 박막(50) 자체가 변형되면서 진동하는 것이 아니라, 변형부(72)의 변형에 의해서 진동할 수 있다. 박막(50)의 가장자리가 지지부(40)에 직접 고정되지 않으므로, 박막(50)의 자유도가 증가할 수 있다. 따라서, 박막(50)은 활처럼 휘지않고, 기판(10)과 평행하게, 기판(10)에 대해서 수직한 방향으로 움직일 수 있다. 즉, 박막(50)은 기판(10)에 대해서 피스톤과 같이 상하로 움직일 수 있으며, 따라서 초음파 변환기의 셀(100)의 부피 변화량이 증가할 수 있다.
개시된 초음파 변환기의 셀(100)은 박막(50)이 진동할 때, 박막(50) 중심 및 절연층(30) 사이의 거리(d1)와 박막(50) 외곽 및 절연층(30) 사이의 거리(d2)는 서로 같을 수 있다. 따라서, 제1 및 제2전극(20, 60)에서 그 중심에서의 정전력은 그 외곽에서의 정전력과 서로 같을 수 있다. 즉, 제1 및 제2전극(20, 60) 사이에는 전극에서의 위치에 상관없이, 균일한 정전력이 분포될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2전극(20, 60) 사이의 평균 정전력이 증가할 수 있다. 이렇게 초음파 변환기의 셀(100)의 부피 변화량과 제1 및 제2전극(20, 60) 사이의 평균 정전력이 증가하여, 초음파 변환기의 셀(100)의 송신 출력이 증대될 수 있다.
초음파 변환기의 셀(100)의 수신 원리는 다음과 같다. 송신 때와 마찬가지로, 제1 및 제2전극(20, 60)에 DC 전압(미도시)이 인가되면, 박막(50)은 제1 및 제2전극(20, 60) 사이의 정전력과 박막(50)에 미치는 중력이 평행을 이루는 높이에 위치할 수 있다. 제1 및 제2전극(20, 60)에 DC 전압(미도시)이 인가된 상태에서, 외부로부터 물리적 신호, 예를 들어, 초음파가 박막(50)에 인가되면, 제1 및 제2전극(20, 60) 사이의 정전력이 변할 수 있다. 이 변화된 정전력을 감지하여 외부로부터의 초음파를 수신할 수 있다. 송신 때와 마찬가지로, 개시된 초음파 변환기의 셀(100)의 박막(50)은 기판(10)과 평행하게, 기판(10)에 대해서 수직한 방향으로 움직일 수 있다. 따라서, 초음파 변환기의 셀(100)의 부피 변화량과 제1 및 제2전극(20, 60) 사이의 평균 정전력이 증가하여, 초음파 변환기의 셀(100)의 수신 감도가 증대될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 비교예에 따른 초음파 변환기의 셀(1, 5)의 단면을 개략적으로 도시한 것이고, 도 2c는 개시된 초음파 변환기의 셀(100)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 여기에서, 각 박막(50)의 두께는 동일하며, 트렌치(55)에서의 박막과 연결부(70)의 두께는 박막(50) 두께의 1/2이다.
도 2a를 참조하면, 비교예에 따른 초음파 변환기의 셀(1)은 박막(50)의 가장자리가 지지부(40)에 고정되어, 구속된(clamped) 형태이다. 도 2b를 참조하면, 비교예에 따른 초음파 변환기의 셀(5)은 박막(50)의 가장자리가 지지부(40)에 고정되어, 구속된(clamped) 형태이나, 박막(50)의 가장자리에 트렌치(trench)(55)가 형성된다. 트렌치(55)는 초음파 변환기의 셀(5)의 박막(50)의 구속 조건을 완화시켜 줄 수 있다. 시뮬레이션(simulation) 결과, 도 2b의 초음파 변환기의 셀(5)의 부피 변화량이 도 2a의 초음파 변환기의 셀(1)의 부피 변화량보다 증가했다. 이와 함께, 도 2b의 초음파 변환기의 셀(5)의 평균 정전력도 도 2a의 초음파 변환기의 셀(1)의 평균 정전력보다 증가했다.
도 2c를 참조하면, 개시된 초음파 변환기의 셀(100)은 박막(50)이 지지부(40)에 직접 고정되지 않고, 연결부(70)를 통해서 지지부(40)에 고정될 수 있다. 따라서, 비교예의 초음파 변환기의 셀(1, 5)보다 박막(50)의 구속 조건이 더 완화될 수 있으며, 기판(10)에 대해서 피스톤과 같이 상하로 움직일 수 있다. 시뮬레이션 결과, 개시된 초음파 변환기의 셀(100)은 비교예의 초음파 변환기의 셀(1, 5)보다 부피 변화량과 평균 정전력이 더욱 증가했다. 따라서, 개시된 초음파 변환기의 셀(100)은 비교예의 초음파 변환기의 셀(1, 5)보다 송신 출력 및 수신 감도가 향상될 수 있다.
도 3은 변형예에 따른 초음파 변환기의 셀(110)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1b의 초음파 변환기의 셀(100)과의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 변형예에 따른 초음파 변환기의 셀(110)은 기판(10), 기판(10) 상에 마련된 지지부(40), 기판(10)과 지지부(40)와 각각 이격되어 마련된 박막(50) 및 지지부(40)와 박막(50)을 연결하는 연결부(70a)를 포함할 수 있다. 그리고, 개시된 초음파 변환기의 셀(110)은 기판(10) 상에 마련되는 제1전극(20), 제1전극(20) 상에 마련되는 절연층(30)을 더 포함할 수 있다. 또한, 개시된 초음파 변환기의 셀(110)은 박막(50) 상에 마련되는 제2전극(60)을 더 포함할 수 있다.
연결부(70a)는 지지부(40)와 박막(50)을 연결시킬 수 있으며, 예를 들어, 실리콘(Si), 질화 실리콘(SixNy), 파릴렌(parylene) 등으로 형성될 수 있다. 연결부(70a)는 예를 들어, 튜브를 반으로 잘라놓은 형상일 수 있으며, 그 단면은 브릿지(bridge) 형태일 수 있다. 연결부(70a)는 박막 접촉부(71a), 지지부 접촉부(73a) 및 변형부(72a)를 포함할 수 있다. 박막 접촉부(71a)는 박막(50)의 상면 또는 제2전극(60)의 상면과 연결되며, 박막(50)과 수직한 방향으로 연장되어 마련될 수 있다. 그리고, 박막 접촉부(71a)의 끝단은 박막(50)과의 접촉 면적을 크게 하는 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 박막 접촉부(71a)의 끝단은 좌우로 펼쳐진 형태를 가질 수 있다. 따라서, 박막(50)은 박막 접촉부(71a)와 견고히 결합하여, 고정될 수 있다. 그리고, 지지부 접촉부(73a)는 지지부(40)의 상면과 연결되며, 지지부(40)와 수직한 방향으로 연장되어 마련될 수 있다. 또한, 지지부 접촉부(73a)는 박막(50)에 의해서 연결부(70a)에 가해지는 하중을 견디기 위해서, 지지부(40) 상면에서 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 연결부(70a)에 가해지는 하중은 지지부 접촉부(73a)를 통해서 지지부(40)로 분산될 수 있다.
도 4는 다른 변형예에 따른 초음파 변환기의 셀(120)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1b 및 도 3의 초음파 변환기의 셀(100, 110)과의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 변형예에 따른 초음파 변환기의 셀(120)은 기판(10), 기판(10) 상에 마련된 지지부(40), 기판(10)과 지지부(40)와 각각 이격되어 마련된 박막(50) 및 지지부(40)와 박막(50)을 연결하는 연결부(70b)를 포함할 수 있다. 그리고, 개시된 초음파 변환기의 셀(120)은 기판(10) 상에 마련되는 제1전극(20), 제1전극(20) 상에 마련되는 절연층(30)을 더 포함할 수 있다. 또한, 개시된 초음파 변환기의 셀(120)은 박막(50) 상에 마련되는 제2전극(60)을 더 포함할 수 있다.
연결부(70b)는 예를 들어, 튜브를 반으로 잘라놓은 형상일 수 있으며, 그 단면은 도 4에 도시된 바와 같이 아치(arch) 형태일 수 있다. 아치형 연결부(70b)는 박막 접촉부(71b), 지지부 접촉부(73b) 및 변형부(72b)를 포함할 수 있다. 박막 접촉부(71b)는 박막(50)의 상면 또는 제2전극(60)의 상면과 연결되며, 곡면 형태로 마련될 수 있다. 그리고, 박막 접촉부(71b)의 끝단은 박막(50)과의 접촉 면적을 크게 하는 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 박막 접촉부(71b)의 끝단은 도 3의 박막 접촉부(71a)와 같이, 좌우로 펼쳐진 형태를 가질 수 있다. 따라서, 박막(50)은 박막 접촉부(71b)와 견고히 결합하여, 고정될 수 있다.
지지부 접촉부(73b)는 지지부(40)의 상면과 연결되며, 곡면 형태로 마련될 수 있다. 그리고, 지지부 접촉부(73b)는 박막(50)에 의해서 연결부(70)에 가해지는 하중을 견디기 위해서, 도 3의 지지부 접촉부(71a)와 같이, 지지부(40) 상면에서 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 연결부(70)에 가해지는 하중은 지지부 접촉부(73b)를 통해서 지지부(40)로 분산될 수 있다. 여기에서, 변형부(72b)도 곡면형태로 마련되어, 박막 접촉부(71b)와 지지부 접촉부(73b)를 연결할 수 있으며, 그 기능은 앞서 설명된 바와 같다.
도 5는 또 다른 변형예에 따른 초음파 변환기의 셀(130)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1b, 도 3 및 도 4의 초음파 변환기의 셀(100, 110, 120)과의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 변형예에 따른 초음파 변환기의 셀(130)은 기판(10), 기판(10) 상에 마련된 지지부(45), 기판(10)과 지지부(45)와 각각 이격되어 마련된 박막(50) 및 지지부(45)와 박막(50)을 연결하는 연결부(70c)를 포함할 수 있다. 그리고, 개시된 초음파 변환기의 셀(130)은 기판(10) 상에 마련되는 제1전극(20), 제1전극(20) 상에 마련되는 절연층(30)을 더 포함할 수 있다. 또한, 개시된 초음파 변환기의 셀(130)은 박막(50) 하면에 마련되는 제2전극(60)을 더 포함할 수 있다.
연결부(70c)는 지지부(45)와 박막(50)을 연결시킬 수 있으며, 예를 들어, 실리콘(Si), 질화 실리콘(SixNy), 파릴렌(parylene) 등으로 형성될 수 있다. 연결부(70c)의 단면은 도 5에 도시된 바와 같이, "ㄱ"자 형태일 수 있다. 그리고, 연결부(70c)는 박막 접촉부(71c), 지지부 접촉부(73c) 및 변형부(72c)를 포함할 수 있다. 박막 접촉부(71c)는 박막(50)의 상면과 연결되며, 박막(50)과 수직한 방향으로 연장되어 마련될 수 있다. 그리고, 박막 접촉부(71c)의 끝단은 박막(50)과의 접촉 면적을 크게 하는 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 박막 접촉부(71c)의 끝단은 도 3의 박막 접촉부(71a)와 같이, 좌우로 펼쳐진 형태를 가질 수 있다. 따라서, 박막(50)은 박막 접촉부(71c)와 견고히 결합하여, 고정될 수 있다.
지지부 접촉부(73c)는 지지부(45)의 상면과 연결되며, 지지부(45)의 상면과 팽행하게 연장되어 마련될 수 있다. 여기에서, 기판(10) 상의 지지부(45)는 앞서 설명된 지지부(40)보다 높게 형성될 수 있다. 그리고, 지지부 접촉부(73c)는 박막(50)에 의해서 연결부(70)에 가해지는 하중을 견디기 위해서, 도 3의 지지부 접촉부(71a)와 같이, 지지부(45) 상면에서 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 연결부(70)에 가해지는 하중은 지지부 접촉부(73c)를 통해서 지지부(45)로 분산될 수 있다. 여기에서, 변형부(72c)는 박막(50)에 수직하게 연장된 박막 접촉부(71b)와 지지부(45)와 평행하게 연장된 지지부 접촉부(73b)를 연결할 수 있으며, 그 기능은 앞서 설명된 바와 같다.
도 6a는 다른 개시된 초음파 변환기의 셀(200)의 평면도를 개략적으로 도시한 것이며, 도 6b는 도 6a의 BB'에서 바라본, 다른 개시된 초음파 변환기의 셀(200)의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다. 앞서 설명된 초음파 변환기의 셀(100, 110, 120, 130)과의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 개시된 초음파 변환기의 셀(200)은 기판(10), 기판(10) 상에 마련된 지지부(40), 기판(10)과 지지부(40)와 각각 이격되어 마련된 박막(50) 및 지지부(40)와 박막(50)을 연결하는 연결부(70)를 포함할 수 있다. 그리고, 개시된 초음파 변환기의 셀(200)은 연결부(70) 상에 마련된 제3전극(25), 제3전극(25) 상에 마련된 압전층(90) 및 압전층(90) 상에 마련된 제4전극(65)을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 개시된 초음파 변환기의 셀(200)은 압전형 초음파 변환기(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, pMUT)의 셀일 수 있다. 즉, 제3전극(25)과 제4전극(65)은 압전형 커패시터를 형성할 수 있다.
제3전극(25)은 연결부(70)에 포함된 변형부(72) 상에 마련될 수 있다. 그리고, 제4전극(65)은 압전층(90) 상에 마련될 수 있다. 제3 및 제4전극(25, 65)은 전도성 재료로 형성될 수 있으며 예를 들어, Cu, Al, Au, Cr, Mo, Ti, Pt 등으로 형성될 수 있다. 제3 및 제4전극(25, 65)에는 외부 전원(V)으로부터 전기적 신호가 인가될 수 있으며, 예를 들어, AC 전압이 인가될 수 있다.
압전층(90)은 제3전극(25) 상에 마련될 수 있으며, 압전 재료로 형성될 수 있다. 상기 압전 재료는 예를 들어, ZnO, AlN, PZT(lead zirconate titanate), PbTiO3, PLT(La-modified PbTiO3) 등을 포함할 수 있다.
개시된 초음파 변환기의 셀(200)이 송신하는 경우, 압전층(90)은 평면 방향으로 팽창하거나 수축할 수 있다. 즉, 압전층(90)은 외부에서 인가된 전기적 신호에 의해서, 기판(10)과 평행한 방향으로 팽창하거나 수축할 수 있다. 이렇게 압전층(90)의 팽창력과 수축력은 그 하부에 마련된 변형부(72)가 탄성 변형되도록 만들 수 있다. 변형부(72)가 변형되면, 박막(50)이 기판(10)에 대해서 수직한 방향으로 진동할 수 있다. 따라서, 개시된 초음파 변환기의 셀(200)로부터 물리적 신호 예를 들어, 초음파가 출력될 수 있다.
개시된 초음파 변환기의 셀(200)이 수신하는 경우, 외부로부터 인가된 물리적 신호 예를 들어, 초음파가 박막(50)을 진동하게 할 수 있다. 박막(50)이 진동하면, 변형부(72)가 변형될 수 있다. 그리고, 변형부(72) 위에 마련된 압전층(90)이 변형부(72)의 변형에 따라서 수축하거나 팽창될 수 있다. 따라서, 압전층(90)은 외부로부터 인가된 힘에 의해서 수축 또는 팽창하여, 전기적 신호를 발생할 수 있다.
개시된 초음파 변환기의 셀(200)은 박막(50)이 기판(10)에 대해서 피스톤과 같이 수직 방향으로 진동하여, 셀(200)의 부피 변화량이 증가할 수 있다. 그리고, 부피 변화량의 증가는 결국 초음파 변환기 셀(200)의 송신 출력과 수신 감도를 향상시킬 수 있다.
도 7은 변형예에 따른 초음파 변환기의 셀(210)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1b, 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6b의 초음파 변환기의 셀(100, 110, 120, 130, 200)과의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 개시된 초음파 변환기의 셀(210)은 기판(10), 기판(10) 상에 마련된 지지부(45), 기판(10)과 지지부(45)와 각각 이격되어 마련된 박막(50) 및 지지부(45)와 박막(50)을 연결하는 연결부(70c)를 포함할 수 있다. 그리고, 개시된 초음파 변환기의 셀(210)은 연결부(70c) 상에 마련된 제3전극(25), 제3전극(25) 상에 마련된 압전층(90) 및 압전층(90) 상에 마련된 제4전극(65)을 더 포함할 수 있다.
연결부(70c)는 지지부(45)와 박막(50)을 연결시킬 수 있으며, 예를 들어, 실리콘(Si), 질화 실리콘(SixNy), 파릴렌(parylene) 등으로 형성될 수 있다. 연결부(70c)의 단면은 도 7에 도시된 바와 같이, "ㄱ"자 형태일 수 있다. 연결부(70c)는 박막 접촉부(71c), 지지부 접촉부(73c) 및 변형부(72c)를 포함할 수 있다. 박막 접촉부(71c)는 박막(50)의 상면과 연결되며, 박막(50)과 수직한 방향으로 연장되어 마련될 수 있다. 그리고, 박막 접촉부(71c)의 끝단은 박막(50)과의 접촉 면적을 크게 하는 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 박막 접촉부(71c)의 끝단은 도 3의 박막 접촉부(71a)와 같이, 좌우로 펼쳐진 형태를 가질 수 있다. 따라서, 박막(50)은 박막 접촉부(71c)와 견고히 결합하여, 고정될 수 있다.
지지부 접촉부(73c)는 지지부(45)의 상면과 연결되며, 지지부(45)의 상면과 팽행하게 연장되어 마련될 수 있다. 여기에서, 기판(10) 상의 지지부(45)는 앞서 설명된 지지부(40)보다 높게 형성될 수 있다. 그리고, 지지부 접촉부(73c)는 박막(50)에 의해서 연결부(70c)에 가해지는 하중을 견디기 위해서, 도 3의 지지부 접촉부(71a)와 같이, 지지부(45) 상면에서 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 연결부(70c)에 가해지는 하중은 지지부 접촉부(73c)를 통해서 지지부(45)로 분산될 수 있다. 여기에서, 변형부(72c)는 박막(50)에 수직하게 연장된 박막 접촉부(71b)와 지지부(45)와 평행하게 연장된 지지부 접촉부(73b)를 연결할 수 있으며, 그 기능은 앞서 설명된 바와 같다.
다음으로, 초음파 변환기 셀을 포함하는 초음파 변환기의 채널에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.
도 8a는 개시된 초음파 변환기의 채널(300)의 평면도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 8b는 도 8a의 CC'에서 바라본, 개시된 초음파 변환기의 채널(300)의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 개시된 초음파 변환기의 채널(300)은 앞서 설명된 초음파 변환기의 셀(100)을 복수 개 구비하고, 복수 개의 초음파 변환기의 셀(100)은 m x n(m, n은 1 이상의 자연수)의 어레이 형태로 마련될 수 있다. 도 8a에는 복수 개의 초음파 변환기의 셀(100)이 예시적으로, 3 x 3의 어레이 형태로 배열된 것이 도시되어 있다. 여기에서, 개시된 초음파 변환기의 채널(300)은 앞서 설명된 그 밖의 초음파 변환기의 셀(110, 120, 130, 200, 210) 중에서 선택된 적어도 하나의 셀을 복수 개 구비할 수 있다.
개시된 초음파 변환기의 채널(300)은 복수 개의 홈(recess)(41)이 마련된 기판(10), 복수 개의 홈(41)에 각각 이격되어 마련된 복수 개의 박막(50) 및 박막(50)과 홈(41) 외곽의 지지부(40)를 각각 연결하는 복수 개의 연결부(70)를 포함할 수 있다. 그리고, 개시된 초음파 변환기의 채널(300)은 기판(10) 상에 마련되는 제1전극(20), 제1전극(20) 상에 마련되는 절연층(30)을 더 포함할 수 있다. 또한, 개시된 초음파 변환기의 채널(300)은 박막(50) 상에 마련되는 제2전극(60), 제2전극(60)과 연결되는 급전선(미도시)을 더 포함할 수 있다. 기판(10), 지지부(40), 복수 개의 박막(50) 및 복수 개의 연결부(70)는 각각 하나의 캐비티(55)를 형성할 수 있다. 여기에서, 개시된 초음파 변환기의 채널(300)은 정전용량형 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT)의 채널일 수 있다. 즉, 제1전극(20)과 제2전극(60)은 커패시터를 형성할 수 있다.
개시된 초음파 변환기의 채널(300)은 이에 포함된 박막(50)이 기판(10)에 대해서 수직하게 움직일 수 있으므로, 각 초음파 변환기의 셀(도 1b의 100)의 평균 정전력과 부피 변화량이 증가할 수 있다. 따라서, 초음파 변환기의 채널(300)의 송신 출력과 수신 감도가 향상될 수 있다.
한편, 제1 및 제2전극(20, 60) 대신에, 도 6b에 도시된 바와 같이, 연결부(70) 상에 마련된 제3전극(25), 제3전극(25) 상에 마련된 압전층(90) 및 압전층(90) 상에 마련된 제4전극(65)을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 개시된 초음파 변환기의 채널(300)은 압전형 초음파 변환기(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, pMUT)의 채널일 수 있다. 즉, 제3전극(25)과 제4전극(65)은 압전형 커패시터를 형성할 수 있다.
다음으로, 개시된 초음파 변환기(미도시)는 앞서 설명된 초음파 변환기의 채널(300)을 복수 개 포함할 수 있으며, 복수 개의 초음파 변환기의 채널(도 8b의 300)은 m x n(m, n은 1 이상의 자연수)의 어레이 형태로 배열될 수 있다. 도 8b를 참조하면, 개시된 초음파 변환기는 이에 포함된 박막(50)이 기판(10)에 대해서 수직하게 움직일 수 있으므로, 각 초음파 변환기의 셀(도 1b의 100)의 평균 정전력과 부피 변화량이 증가할 수 있다. 따라서, 초음파 변환기의 채널(300)의 송신 출력과 수신 감도가 향상되며, 결국 개시된 초음파 변환기의 송신 출력과 수신 감도가 향상될 수 있다.
이러한 본 발명인 초음파 변환기의 셀, 채널 및 이를 포함하는 초음파 변환기는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 기판 20: 제1전극
30: 절연층 40: 지지부
50: 박막 60: 제2전극
70: 연결부 90: 압전층
100, 110, 120, 130, 200, 210: 개시된 초음파 변환기의 셀
300: 개시된 초음파 변환기의 채널

Claims (24)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 마련된 지지부;
    상기 기판과 상기 지지부와 각각 이격되어 마련된 박막; 및
    상기 지지부와 상기 박막을 연결하는 연결부를 포함하며,
    상기 박막의 가장자리가 상기 박막과 상기 연결부의 접촉 지점을 지나도록 상기 박막이 상기 지지부를 향해 상기 연결부 아래로 연장된, 초음파 변환기의 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 지지부와 연결되는 지지부 접촉부, 상기 박막과 연결되는 박막 접촉부 및 상기 지지부 접촉부와 상기 박막 접촉부 사이에 마련되며, 탄성 변형되는 변형부를 포함하는 초음파 변환기의 셀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 박막은 상기 변형부의 변형에 의해서, 상기 기판에 대해서 수직한 방향으로 진동하는 초음파 변환기의 셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상에 마련된 제1전극을 더 포함하는 초음파 변환기의 셀.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1전극 상에 마련된 절연층을 더 포함하는 초음파 변환기의 셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 상에 마련된 제2전극을 더 포함하는 초음파 변환기의 셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연결부 상에 마련되고, 상기 제2전극에 전기적 신호를 인가하는 급전선을 더 포함하는 초음파 변환기의 셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막은 전도성 박막인 초음파 변환기의 셀.
  9. 기판;
    상기 기판 상에 마련된 지지부;
    상기 기판과 상기 지지부와 각각 이격되어 마련된 박막;
    상기 지지부와 상기 박막을 연결하는 연결부; 및
    상기 연결부 상에 마련된 압전층;을 포함하는 초음파 변환기의 셀.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 압전층의 하면에 마련된 제3전극과 상기 압전층의 상면에 마련된 제4전극을 더 포함하는 초음파 변환기의 셀.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판, 상기 지지부, 상기 박막 및 상기 연결부는 하나의 캐비티를 형성하는 초음파 변환기의 셀.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중에서 어느 한 항에 따른 초음파 변환기의 셀을 복수 개 구비하고,
    상기 복수 개의 초음파 변환기의 셀은 m x n(m, n은 1 이상의 자연수)의 어레이 형태로 마련되는 초음파 변환기의 채널.
  13. 복수 개의 홈(recess)이 마련된 기판;
    상기 복수 개의 홈에 각각 이격되어 마련된 복수 개의 박막; 및
    상기 박막과 상기 홈 외곽의 지지부를 각각 연결하는 복수 개의 연결부를 포함하며,
    상기 박막의 가장자리가 상기 박막과 상기 연결부의 접촉 지점을 지나도록 상기 박막이 상기 지지부를 향해 상기 연결부 아래로 연장된, 초음파 변환기의 채널.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 지지부와 연결되는 지지부 접촉부, 상기 박막과 연결되는 박막 접촉부 및 상기 지지부 접촉부와 상기 박막 접촉부 사이에 마련되며, 탄성 변형되는 변형부를 포함하는 초음파 변환기의 채널.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 박막은 상기 변형부의 변형에 의해서, 상기 기판에 대해서 수직한 방향으로 진동하는 초음파 변환기의 채널.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수 개의 홀 안에 각각 마련된 제1전극을 더 포함하는 초음파 변환기의 채널.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1전극 상에 마련된 절연층을 더 포함하는 초음파 변환기의 채널.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수 개의 박막 상에 각각 마련된 제2전극을 더 포함하는 초음파 변환기의 채널.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 연결부 상에 마련되고, 상기 제2전극에 전기적 신호를 인가하는 급전선을 더 포함하는 초음파 변환기의 채널.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 박막은 전도성 박막인 초음파 변환기의 채널.
  21. 복수 개의 홈(recess)이 마련된 기판;
    상기 복수 개의 홈에 각각 이격되어 마련된 복수 개의 박막; 및
    상기 박막과 상기 홈 외곽의 지지부를 각각 연결하는 복수 개의 연결부; 및
    상기 연결부 상에 각각 마련된 압전층;을 포함하는 초음파 변환기의 채널.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 압전층의 하면에 마련된 제3전극과 상기 압전층의 상면에 마련된 제4전극을 더 포함하는 초음파 변환기의 채널.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판, 상기 지지부, 상기 복수 개의 박막 및 상기 복수 개의 연결부는 각각 하나의 캐비티를 형성하는 초음파 변환기의 채널.
  24. 제 13 항 내지 제 23 항 중에서 어느 한 항에 따른 초음파 변환기의 채널을 복수 개 포함하고,
    상기 복수 개의 초음파 변환기의 채널은 m x n(m, n은 1 이상의 자연수)의 어레이 형태로 마련되는 초음파 변환기.
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