KR100781467B1 - 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파트랜스듀서 - Google Patents

공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파트랜스듀서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이(parametric transmitting array)를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스(MEMS ; Micro Electro Mechanical Systems) 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)에 관한 것이다.
본 발명은, 공기중에서 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정하는데 이용될 수 있는 초음파 트랜스듀서로서, 두개의 초음파를 공기중에 고압으로 발생시켜 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 형성하여 고지향성의 차음(f d=f 1-f 2) 펄스가 만들어지도록 하기 위해 두개의 초음파 주파수(f 1, f 2)에서 각각 공진 주파수를 갖는 두 종류의 f 1 공진형 단위 액추에이터(112a)와 f 2 공진형 단위 액추에이터(112b)가 규칙적으로 교차 배열되어 형성되게 되는 초음파 액추에이터부(110)와, 상기 장애물에서 반사되어 되돌아오는 초음파 펄스 신호를 감지하기 위해 차음의 주파수(f d=f 1-f 2)에서 공진 주파수를 갖는 단위 센서(122)로 이루어지는 초음파 센서부(120)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 제공되는 초음파 트랜스듀서를 이용하여 실질적으로 고지향성을 갖는 거리측정이 가능하게 되므로, 장애물의 공간적 위치를 명확히 구분할 수 있는 초음파 거리측정이나 고해상도의 공간 맵핑(mapping)이 가능하도록 할 수 있게 되며, 각종 산업용 및 가정용 로봇에 적용할 경우 공간 분해능을 향상시킬 수 있어 해당 로봇의 성능 향상에 크게 기여할 수 있는 효과가 있게 된다.
초음파, 거리, 측정, 파라메트릭, 어레이, 트랜스듀서, 액추에이터, 센서, 차음, 공기, 멤스, MUT, pMUT, 압전체

Description

공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서{MEMS BASED MULTIPLE RESONANCES TYPE ULTRASONIC TRANSDUCER FOR RANGING MEASUREMENT WITH HIGH DIRECTIONALITY USING PARAMETRIC TRANSMITTING ARRAY IN AIR}
도 1은 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용하는 거리측정 방식을 설명하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 거리 측정용 pMUT형 초음파 트랜스듀서를 개략적으로 보여주는 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 거리 측정용 pMUT형 초음파 트랜스듀서의 단위 액추에이터 및 단위 센서의 동일한 적층구조를 보여주는 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서에서 서로 다른 공진 주파수를 갖는 두 종류의 단위 액추에이터를 배열하는 방법들을 설명하는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서에서 단위 액추에이터 및 단위 센서의 멤브레인부의 여러 구조를 설명하는 도면,
도 6은 도 5의 여러 구조에서의 멤브레인부의 움직임을 설명하는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서에서 접속단자들을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 초음파 액추에이터부에서의 직렬형 전극연결 방법을 설명하는 개략도,
도 9는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 초음파 액추에이터부에서의 두가지 병렬형 전극연결 방법을 설명하는 개략도,
도 10은 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 실질 장착을 위해 결합되는 하우징을 설명하기 위한 도면,
도 11a 내지 도 11h는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 제조방법을 순차적으로 보여주는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 초음파 트랜스듀서 110 : 초음파 액추에이터부
112a : f 1 공진형 단위 액추에이터 112b : f 2 공진형 단위 액추에이터
114a : 라이닝 패턴 114b : 접속단자
120 : 초음파 센서부 122 : 단위 센서
124a : 라이닝 패턴 124b : 접속단자
130 : 상부측 하우징 140 : 하부측 하우징
200a : 기판부 200a-1 : 고정지지부
200a-2 : 멤브레인부 200b : 절연층
200c : 하부전극 200d : 압전체
200e : 상부전극 300 : SOI 웨이퍼
300a : 중간산화층 300b : 산화층
302 : 하부전극 304 : 압전체
306 : 상부전극 308 : 절연층
310 : 라이닝 패턴
본 발명은 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이(parametric transmitting array)를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스(MEMS ; Micro Electro Mechanical Systems) 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초음파 거리측정 방식에 적합하게 이용될 수 있는 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.
본 발명은 본 출원인이 기출원한 대한민국 특허 출원번호 10-2004-0042299호의 "공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리측정장치 및 방법"과 이를 기초한 미합중국 특허 출원번호 10/960,083호 및 일본국 특허 출원번호 2005-169938호의 "Ultrasonic ranging system and method thereof in air by using parametric array"에 적용될 수 있는 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)에 대한 것임 을 밝힌다.
여기서, "초음파 트랜스듀서"란, 초음파를 이용한 펄스(pulse)-에코(echo) 거리측정 방식에서 송신기인 초음파 액추에이터(actuator)와 수신기인 초음파 센서(sensor)를 합하여 표현하는 용어이다.
먼저, 파라메트릭 트랜스미팅 어레이(parametric transmitting array)를 이용한 초음파 거리측정 방식에 대해 도 1을 참조로 설명하기로 한다.
고주파 발생기인 초음파 액추에이터에서 주파수 성분이 2개(f 1, f 2)인 고압의 초음파 펄스(1차 발생파, primary wave)를 같은 방향으로 발생시키면, 발생된 초음파 펄스가 진행하면서 비선형 현상에 의해 거리측정을 위한 2차 발생파(secondary wave)인 고지향성의 차음(difference frequency tone)(f d=f 1-f 2) 펄스를 형성시키게 되고, 이 차음 펄스가 진행하면서 장애물에 반사된 후 되돌아오게 되면, 이 반사 펄스를 초음파 센서로서 수신하게 된다.
이때, 거리측정에서 요구되는 펄스 신호를 발생시키고 또한 감지하기 위하여 초음파 액츄에이터와 초음파 센서가 합쳐진 것이 초음파 트랜스듀서이다.
종래의 초음파 트랜스듀서에는 구동 방식에 따라서 보이스 코일형(voice coil transducer), 정전용량형(capacitive transducer), 압전형(piezo-electric transducer), 전자기력형(magnetostrictive transducer), 초소형 가공기술(MEMS ; Micro Electro Mechanical Systems)을 통해 제조되는 MUT(Micro-machined Ultrasonic Transducer)형 등이 있다.
이 중, 현재 거리측정에서 가장 보편적으로 이용되고 있는 것으로는 압전형과 정전용량형 트랜스듀서가 있으며, 압전형의 경우에는 주로 송신용 액추에이터와 수신용 센서가 분리되게 되고, 정전용량형의 경우에는 송수신을 겸하는 형태가 많이 이용되고 있다.
한편, 초소형 가공기술을 이용하여 제조되는 MUT형에서 구동물질로서 압전체를 이용하게 되는 트랜스듀서를 pMUT(piezo-electric Micromachined Ultrasonic Transducer)형이라고 하는데, 초소형 가공기술의 특성상 고주파수를 지닌 초음파 트랜스듀서에 적합하게 되고, 단위 초음파 발생기의 크기가 작으므로 출력 향상을 위해서 일반적으로 작은 단위 초음파 발생기 다수개를 배열하게 된다.
그러나, 이상과 같은 현재까지 알려진 초음파 트랜스듀서들은 전술한 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용하는 거리측정 방식에 대해서는 그 적용이 적합하지 않은데, 그 이유와 극복 방안 등을 이하에서 초음파 액추에이터 부분과 초음파 센서 부분으로 나누어서 설명하기로 한다.
초음파 액추에이터
파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 형성하여 차음을 발생시키기 위하여 초음파 액추에이터는 두개의 주파수를 지닌 초음파를 동일한 방향으로 발생시킬 수 있어야 하고(조건 Ⅰ), 또한 공기의 미약한 비선형 특성으로 인해 고효율로 차음을 발생시킬 수 있어야 하는데, 즉 좋은 차음 발생효율을 위해서는 1차로 발생파(p 0=p 1=p 2)가 큰 음압으로 발생되어야 하고(조건 Ⅱ), 트랜스듀서의 크기가 커야 하며(조건 Ⅲ), 두개의 고주파의 주파수 차(f d=f 1-f 2)가 커야만 한다(조건 Ⅳ).
그러나, 공기중에서의 거리측정에의 실질적인 활용을 가능하도록 하기 위해서는 몇가지 제약이 따르게 되는데, 즉 로봇과 같은 소형시스템에의 적용을 위해 트랜스듀서의 크기가 매우 작아져야 하기 때문에 전술한 조건 Ⅲ에 위배되게 되고, 또한 공기중에서 초음파의 감쇄효과는 주파수의 제곱에 비례하게 되므로 두개의 주파수 차이를 키우는 데에도 한계가 있게 되어 전술한 조건 Ⅳ에도 위배되게 된다.
따라서, 조건 Ⅰ을 가지면서 조건 Ⅱ를 극대화할 수 있는 방식으로 초음파 액추에이터를 설계할 수 있어야 하며, 즉 작으면서도 두개의 주파수에서 고출력을 낼 수 있는 초음파 액추에이터를 제공할 수 있어야 한다.
그러나, 종래의 것들은 모두 단일 공진형태에 대한 것으로서 두개의 주파수 대역에서 충분한 출력을 제공할 수 없을 뿐더러, 크기를 작게 설계하면 방사면적이 작아져 출력이 매우 작아지게 되기 때문에 그 적용이 사실상 불가능하였다.
초음파 센서
종래의 초음파 거리측정 방식에서는 액추에이터에서 발생되는 발생파와 센서에서 측정되는 측정파의 주파수가 같기 때문에, 초음파 센서의 경우 액추에이터와 같은 주파수에서 공진이 발생하도록 되어 있다.
그러나, 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용하는 거리측정 방식에서는 액추에이터에서 1차적으로 발생된 초음파와 초음파 센서에서 측정되는 초음파의 주파수 대역이 서로 크게 다르게 되므로, 종래의 것을 적용하기란 매우 어려운 실정이 다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정에 적합하게 이용될 수 있으며, 그 초음파 액추에이터 부분과 초음파 센서 부분이 초소형 가공기술(MEMS)을 통해 동시에 일체화되도록 제조될 수 있는 pMUT형 초음파 트랜스듀서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서는, 공기중에서 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정하는데 이용될 수 있는 초음파 트랜스듀서로서, 두개의 초음파를 공기중에 고압으로 발생시켜 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 형성하여 고지향성의 차음(f d=f 1-f 2) 펄스가 만들어지도록 하기 위해 두개의 초음파 주파수(f 1, f 2)에서 각각 공진 주파수를 갖는 두 종류의 f 1 공진형 단위 액추에이터(112a)와 f 2 공진형 단위 액추에이터(112b)가 규칙적으로 교차 배열되어 형성되게 되는 초음파 액추에이터부(110)와, 상기 장애물에서 반사되어 되돌아오는 초음파 펄스 신호를 감지하기 위해 차음의 주파수(f d=f 1-f 2)에서 공진 주파수를 갖는 단위 센서(122)로 이루어지는 초음파 센서부(120)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 목적과 여러가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서를 개략적으로 보여주는 평면도이다.
본 발명에 따르면, 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용하는 거리측정을 위해 두개의 주파수 f 1, f 2 성분을 1차적으로 공기중에 펄스형태로 강력하게 발생시킬 수 있도록 f 1, f 2의 두개의 공진 주파수를 각각 갖는 두 종류의 작은 초음파 액추에이터들(112a, 112b)을 교차 배열하여 초음파 액추에이터를 형성함과 아울러, 차음 주파수, f d=f 1-f 2에서 공진을 갖어 장애물로부터 반사되어 되돌아오는 초음파 펄스에 대한 측정 감도가 높으면서 1차적으로 발생된 f 1, f 2 성분의 영입은 줄일 수 있는 초음파 센서를 구비하는 초음파 트랜스듀서(100)가 제공되게 된다.
즉, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는, 두개의 초음파를 공기중에 고압으로 발생시켜 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 형성하여 고지향성의 차음(f d=f 1-f 2) 펄스가 만들어지도록 하기 위해 두개의 초음파 주파수(f 1, f 2)에서 각각 공진 주파수를 갖는 두 종류의 단위 액추에이터(112a, 112b)가 서로 규칙적으로 교차 배열되어 형성되게 되는 초음파 액추에이터부(110)와, 장애물에서 반사되어 되돌아오는 초음파 펄스 신호를 감지하기 위한 적어도 하나 이상의 단위 센서(122)로 이루어지는 초음파 센서부(120)를 구비하게 된다.
그리고, 초음파 액추에이터부(110)의 단위 액추에이터(112a, 112b)간을 전기적으로 연결하기 위한 라이닝 패턴(lining pattern)(114a)과 해당 라이닝 패턴(114a)의 단부에 대해 외부와 전기적으로 접속될 수 있는 접속단자(114b)가 구비되게 되며, 또한 초음파 센서부(120)의 각 단위 센서(122)에 대해서도 각각 라이닝 패턴(124a)과 그에 대한 접속단자(124b)가 구비되게 된다.
여기서, 기본적으로 초음파 액추에이터부(110)와 초음파 센서부(120)는 완전히 독립적으로 구동되고 초음파 액추에이터부(110)의 구동을 위해 인가되는 전기적 신호가 초음파 센서부(120)로 바로 영입되지 않도록 하기 위해 서로 전기적으로 완전히 분리되게 되며, 또한 초음파 센서부(120)의 각 단위 센서(122)도 각기 완전히 분리되게 된다.
한편, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 기본적으로 초소형 가공기술(MEMS ; Micro Electro Mechanical Systems)을 통해 매우 얇은 박판형태로 제조될 수 있는 MUT(Micro-machined Ultrasonic Transducer)형이되, 공진을 이용하여 원하는 초음파 대역에서 높은 출력을 확보할 수 있도록 구동물질로서 압전체를 이 용하게 되므로 pMUT(piezo-electric Micromachined Ultrasonic Transducer)형이 되게 된다.
그리고, 그 제조에 있어, 초음파 액추에이터부(110)와 초음파 센서부(120)는 동일한 기판(예컨대, 웨이퍼(wafer))상에 일체화되도록 제조될 수 있으며, 초음파 액추에이터부(110)와 초음파 센서부(120)는 동일한 적층구조를 갖도록 형성될 수 있게 된다.
즉, f 1 공진형 단위 액추에이터(112a)와 f 2 공진형 단위 액추에이터(112b) 및 단위 센서(122)는 모두 동일한 적층구조를 갖게 되고, 이에 따라 하나의 기판을 이용하여 한번의 MEMS 공정을 통해 제조될 수 있게 된다.
도 3은 단위 액추에이터 및 단위 센서의 동일한 적층구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도면을 참조하면, 외각부는 보다 두껍게 형성되어 고정지지부(200a-1)로 형성되고 중심부는 매우 얇은 멤브레인(membrane)부(200a-2)로 형성되어 해당 멤브레인부(200a-2)가 상하로 진동하게 되는 기판부(200a)와, 기판부(200a)의 상면상에 필요에 따라 형성되어 절연시키게 되는 절연층(200b)과, 절연층(200b)상에 형성되는 하부전극(200c)과, 이 하부전극(200c)상에 형성되어 인가되는 전압에 따라 상하로 진동되어 기판부(200a)의 멤브레인(membrane)부(200a-2)가 진동되도록 하게 되는 압전체(200d)와, 이 압전체(200d)상에 형성되어 전술한 하부전극(200c)과 함께 그들 사이의 압전체(200d)에 대해 소정의 전압을 인가하게 되는 상부전극(200e)으 로 이루어지게 된다.
여기서, 상부전극(200e) 및 하부전극(200c)은 전기적 연결을 위하여 전술한 라이닝 패턴(114a, 124a)과 연결되게 된다.
기판부(200a)는 주로 실리콘(Si) 웨이퍼를 이용하여 제조될 수 있으며, 해당 실리콘 웨이퍼의 기판부(200a)는 동적으로 패시브(passive)하므로 액티브(active)한 구동체인 압전체(200d)를 이용하여 기판부(200a)의 멤브레인부(200a-2)를 상하로 진동시켜 초음파가 발생되도록 하거나 되돌아오는 초음파를 검출하도록 하게 된다.
이때, 압전체(200d)의 기계적 상하 진동을 위하여 전압 필드를 가해 주어야 하므로, 그 상하부측의 전극(200c, 200e)을 통해 전압 신호를 인가하게 되며, 여기서 상부전극(200e)측이 +, 하부전극(200c)측이 그라운드(접지)로 되는 경우에는 위로 움직이게 되고, 상부전극(200e)측이 -, 하부전극(200c)측이 그라운드로 되는 경우에는 아래로 움직이게 되며, 즉 0볼트를 중심으로 사인(sine)파가 인가되게 된다면 멤브레인부(200a-2)의 상하 움직임은 해당 사인파 전압의 양과 극에 따라 상응되도록 위아래로 움직이게 된다.
따라서, 전술한 압전체(200d)와 상·하부전극(200c, 200e)을 합해 압전구동부라 할 수 있을 것이고, 멤브레인부(200a-2)와 압전체(200d)는 공기중 음향 임피던스 매칭(impedance matching), 즉 음향 발생효율이 좋은 초소형 방사판을 이루게 된다.
한편, 전술한 초음파 액추에이터부(110)를 구성하는 두 종류의 f 1 공진형 단위 액추에이터(112a)와 f 2 공진형 단위 액추에이터(112b)의 대표적인 배열방법들에 대해 도 4를 참조로 설명하기로 한다.
편의상, 도면에서는 f 1 공진형 단위 액추에이터(112a)를 작은 원형으로 도시하고, f 2 공진형 단위 액추에이터(112b)는 큰 원형으로 도시하였음을 밝힌다.
두 종류의 단위 액추에이터(112a, 112b)는 기본적으로 어느 한 종류의 단위 액추에이터(112a 또는 112b)를 배열한 후에, 그 사이 사이에 다른 종류의 단위 액추에이터(112b 또는 112a)를 배열하게 되며, 도 4와 같이 다양한 교차 배열 방법들이 있을 수 있다.
즉, (a) 사각형 구조의 교차 배열 방법, (b) 정육각형 구조의 교차 배열 방법, (c) 환형 구조의 교차 배열 방법 등이 있을 수 있다.
이 중, 특히 (b) 정육각형 구조의 교차 배열 방법이 음향 발생효율 및 발생 초음파의 동위상(in-phase)(만약, 동위상이 되지 않으면 서로 간섭 상쇄되게 됨)을 형성하는데 가장 좋은 방법이라 할 수 있다.
이와 같은 (b) 정육각형 구조의 교차 배열 방법에 있어서, 단위 액추에이터(112a, 112b)간의 음향 발생효율을 극대화하고 발생된 초음파의 위상을 일치시키기 위하여 그 배열은 상세하게 다음과 같이 실시될 수 있다.
즉, 어느 한 종류의 공진형 단위 액추에이터(112a 또는 112b)의 멤브레인 부(200a-2)의 반지름을 a1, 정육각형의 일 변의 길이를 d1, 그리고 구동 주파수에 해당하여 발생되는 초음파의 공기중 파장의 길이를 λ1이라 하면, 그들간의 관계는 다음의 수학식 1과 같을 수 있다.
Figure 112006050036925-pat00001
따라서, 상기 수학식 1을 이용하여 어느 한 종류의 공진형 단위 액추에이터(112a 또는 112b)를 정육각형으로 배열한 후에 그 사이 사이에 다른 종류의 공진형 단위 액추에이터(112b 또는 112a)를 또한 정육각형으로 배열하면 되게 되는 것이다.
한편, 전술한 멤브레인부(200a-2)의 구조는 도 5에 나타낸 바와 같이 여러가지가 있을 수 있다.
즉, (a) 일반 멤브레인형 구조, (b) 캔틸레버(cantilever)형 구조, (c) 피스톤(piston)형 구조 등이 있을 수 있다.
이 중, (a) 일반 멤브레인형 구조는 멤브레인부(200a-2)의 모든 외곽부분이 연결되는 것이고, (b) 캔틸레버형 구조와 (c) 피스톤형 구조는 그 일부 외곽부분이 절결되어 자유단으로 형성되는 것으로, (b) 캔틸레버형 구조는 다수 방향으로 구분시 일방향측만 연결되는 구조이고, (c) 피스톤형 구조는 다수 방향으로 구분시 꼭지점 부분만 연결되는 구조이다.
따라서, 멤브레인부(200a-2)의 구속 정도가 (a) 일반 멤브레인형 구조로부터 (b) 캔틸레버형 구조, (c) 피스톤형 구조로 갈수록 작아지게 되어 스프링상수가 줄어들게 되고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 각각 다른 진폭 분포를 갖는 진동을 형성시킬 수 있다.
이와 같이, 멤브레인부(200a-2)의 스프링상수를 변화시킴으로써, 단위 액추에이터(112a, 112b)에 비해 크게 낮은 공진 주파수를 갖는 단위 센서(122)의 경우에는 그 멤브레인부(200a-2)의 크기가 단위 액추에이터(112a, 112b)의 것과 동일 내지 유사한 상태에서 (a) 일반 멤브레인형 구조를 적용하지 않고 스프링상수가 낮은 (b) 켄티레버형 구조나 (c) 피스톤형 구조를 적용하는 것에 의해 그 공진 주파수를 낮출 수 있게 된다.
즉, 동일한 멤스 공정을 이용하여 초음파 트랜스듀서(100)를 전체적으로 제조하게 되므로, 초음파 액추에이터부(110)와 초음파 센서부(120)의 멤브레인부(200a-2)의 두께는 동일하게 되고, 따라서 동일한 두께의 멤브레인부(200a-2)에서 공진 주파수를 줄이는 방법으로는 크게 두가지를 고려할 수 있는데, 첫번째는 단위 센서(122)의 멤브레인부(200a-2)의 크기를 단위 액추에이터(112a, 112b)의 멤브레인부(200a-2)보다 크게 하는 방법이고, 두번째는 전술한 바와 같이 스프링상수가 낮은 멤브레인 구조를 채택하는 것이다.
한편, 본 발명에서는 초음파 센서부(120)가 차음의 주파수(f d=f 1-f 2)에서 공진 주파수를 갖어 차음 주파수에서 그 검출감도(즉, 수신감도)가 크게 향상되도록 하고, 후술하는 기계적 노치 필터(notch filter)의 기능도 가능하도록 하게 된다.
즉, 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 통해 발생되는 차음 성분은 비선형 현상에 의해 간접적으로 발생된 성분이기 때문에 장애물이 근거리에 있는 경우 음압이 1차 발생파인 f 1, f 2 성분에 비해 매우 작게 되고, 따라서 초음파 센서부(120)에서 검출하는 전기적 신호는 신호처리장치측으로 보내지기 전에 적절한 레벨로 증폭되게 되는 프리앰플리파잉(pre-amplifying) 과정을 거치게 되며, 이에 따라 증폭후 차음 주파수 성분과 함께 f 1, f 2 성분의 크기도 증폭되게 되어 신호처리장치측의 입력단자측에 과부하의 악영향을 줄 수 있게 되는데, 본 발명에서와 같이 차음 주파수에서 공진되도록 하게 되면, 차음 성분만이 민감하게 감응될 수 있고 f 1, f 2 성분의 감응 정도는 크게 줄일 수 있게 되는 것으로, 이와 같은 기능이 기계적 노치 필터이다.
한편, 전체적인 초음파 트랜스듀서(100)의 구성에서 초음파 센서부(120)는 중앙부에 하나가 설치되거나, 이와 다르게 외각부의 적절한 위치에 2개 이상 설치될 수 있다.
이때, 중앙부에 하나만 설치되는 경우에는 반사된 초음파 펄스를 단순히 검출하는 역할을 수행할 수 있는 것이고, 2개 이상 설치되는 경우에는 기본적인 검출 역할과 함께 추후 신호처리장치에서 연산을 통한 사이드로브(side lobe)나 외부 노이즈(noise)에 의한 간섭효과를 줄일 수 있게 되는 것으로, 즉 초음파 액추에이터의 특성상 중심방향 이외로 사이드로브도 발생되는데 2개 이상의 초음파 센서를 적 용하는 경우에는 측정된 신호를 분석하여 동시에 반사파의 신호가 입력되지 않는다면, 그 신호는 노이즈일 확률이 매우 높기 때문에 신호처리의 정확성을 높일 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명에 따르면, 초음파 거리측정용으로 원활히 이용될 수 있도록 초음파 트랜스듀서(100)의 전체 크기는 사각형 형태로 가정할 경우에 일 변의 크기가 약 30~50㎜ 정도로 구현될 수 있고, 원형 형태로 가정할 경우에는 직경이 약 30~60㎜ 정도로 구현될 수 있으며, 또한 차음 주파수 f d는 20~60㎑ 범위에서 선택될 수 있는데, 만약 차음 주파수 영역이 20㎑ 미만이 되면 일반적인 가청음과의 혼선이 발생될 수 있고, 60㎑를 초과하게 되면 감쇄효과가 지나치게 커져 거리측정에 이용될 수 없게 된다.
한편, 도 7을 참조하면, 단위 액추에이터(112a, 112b)간을 전기적으로 연결하는 라이닝 패턴(114a)의 단부에 외부와의 전기적 접속을 위해 구비되는 두개의 접속단자(114b)중, 하나는 압력신호가 인가되는 것이고, 다른 하나는 접지용이며, 단위 센서(122)에서는 두개의 접속단자(124b)중, 하나는 신호출력용이고, 다른 하나는 접지용이 되게 된다.
또한 한편, 도 8 및 도 9를 참조로, 초음파 액추에이터부(110)에서의 전술한 라이닝 패턴(114a)을 통한 전극연결 방법들에 대해 설명하기로 한다.
도 8의 경우는 직렬형 전극연결 방법에 대한 것으로, 하나의 단위 액추에이터(112a, 112b)의 상부전극(200e)을 다음의 단위 엑추에이터(112a, 112b)의 하부전 극(200c)에 연결하는 방법으로, 이 방법을 이용하면, 각각의 단위 엑추에이터(112a, 112b)를 지날 때마다 전기적 신호에서 위상차가 발생되게 되는데, 그 이유는 압전체는 전기적으로 보면 일종의 캐패시터(capacitor)와 동일한 특성을 보이기 때문이며, 따라서 이러한 전기적 위상차는 각각의 단위 엑추에이터(112a, 112b)의 진동 움직임에 있어 위상차(즉, 딜레이(delay))를 만들어 주게 되므로, 결국 배열된 단위 액추에이터들(112a, 112b)의 방사면에서 발생되는 음파 발생에 악영향을 주게 되므로, 사실상 이 직렬형 전극연결 방법은 그리 바람직하지 않게 된다.
도 9의 경우는 병렬형 전극연결 방법에 대한 것으로, 상부전극(200e)은 상부전극(200e) 끼리 하부전극(200c)은 하부전극(200c) 끼리 연결하는 방법으로, 상부전극(200e)에 동일한 신호를 인가하게 되면 모든 단위 엑추에이터(112a, 112b)는 이상적으로 같은 위상으로 움직이게 되며, 즉 배열된 모든 단위 엑추에이터(112a, 112b)의 방사면에서 동위상을 지니는 초음파가 발생되게 되므로, 매우 바람직할 수 있게 된다.
이러한 병렬형 전극연결 방법에는 또한 두가지 경우를 고려할 수 있는데, 그 첫번째는 f 1 공진형 단위 액추에이터(112a)와 f 2 공진형 단위 액추에이터(112b)를 구분하지 않고 모두 병렬형으로 연결하는 방법(도 9의 (a) 경우)으로, 이 경우는 접속단자(114b)의 하나의 입력단에 대해 두개의 주파수를 지닌 전기적 신호를 변조된 형태로 인가하게 되며, 이 경우에 따른 장점으로는 라이닝 패턴(114a)의 구조가 단순해질 수 있다는 점과 f 1 공진형 단위 액추에이터(112a)에서도 작게 나마 f 2 음 압이 동시에 발생되게 되므로 방사 출력이 커지게 된다는 점이다.
또 다른 병렬형 전극연결 방법으로는 f 1 공진형 단위 액추에이터(112a) 끼리만 병렬로 연결하고, 또한 f 2 공진형 단위 액추에이터(112b) 끼리만 병렬로 연결하는 방법(도 9의 (b) 경우)으로, 이 경우는 접속단자(114b)의 두개의 입력단에 대해 각기 다른 신호를 인가하게 되며, 이 경우에 따르면 라이닝 패턴(114a)이 복잡해지고 방사 출력이 작아진다는 단점이 있게 되므로, 그리 바람직하지 않게 된다.
한편, 초음파 트랜스듀서(100)는 그 실질적인 장착 사용을 위해, 도 10에 나타낸 바와 같이, 그 상하부측에 보호를 위한 별도의 하우징(housing)(130, 140)이 결합되게 된다.
바람직하게, 초음파 트랜스듀서(100)의 상면인 방사면상에 결합되는 상부측 하우징(130)은 그릴(grill)형으로 구비되어 초음파는 통과되도록 할 수 있으면서 적정 크기 이상의 먼지와 같은 이물질은 침입되지 못하도록 하게 되며, 초음파 트랜스듀서(100)의 후면상에 결합되는 하부측 하우징(140)은 발생되는 초음파를 흡수할 수 있도록 흡음이 가능한 재질로 이루어지게 된다.
한편, 이하에서는 도 11을 참조로, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(100)의 바람직한 일 실시예에 따른 제조방법을 순차적으로 설명하기로 한다.
먼저, 도 11a와 같이, 중간산화층(300a)이 중간에 개재되어 3층 적층 구조로 이루어진 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼(300)를 준비하며, 이 웨이퍼(300)는 상기한 초음파 트랜스듀서(100)의 기판부(200a)로 형성되게 되는데, 그 가장 상부층은 이후 기판부(200a)의 멤브레인부(200a-2)로 형성되게 되는 부분이고, 중간산화층(300a)은 딥에칭(deep etching) 등을 통해 하부측을 깊게 제거하여 상면측에 얇은 멤브레인부(200a-2)를 만들 때 에칭이 더 이상 진행되지 못하도록 차단하게 되는 부분이며, 가장 하부층은 기판부(200a)의 외곽 고정지지부(200a-1)로 형성되게 되는 부분이다.
다음으로, 도 11b와 같이, 최초의 SOI 웨이퍼(300)의 상면과 하면에 대해 산화층(300b)을 얇게 형성하여 반도체인 웨이퍼(300)가 완전히 절연되도록 하게 된다.
이어서, 도 11c와 같이, 웨이퍼(300) 상면상에 순차적으로 하부전극(302), 압전체(304), 상부전극(306)을 증착 등의 방법을 통해 형성하게 된다.
그리고, 도 11d와 같이, 형성된 상부전극(306), 압전체(304), 하부전극(302)의 불필요한 부분을 에칭 등을 통해 순차적으로 제거하여 패터닝(patterning)하게 된다.
이어서, 형성된 압전체(304)의 성능을 향상시키기 위해 어닐링(annealing) 열처리를 실시한 후, 도 11e와 같이, 상부전극(306)과 하부전극(302)을 절연시키기 위한 절연층(308)을 형성한 다음, 라이닝 패턴(310)이 형성될 부분의 해당 절연층(308)을 제거하여 패터닝하게 된다.
그 후, 도 11f와 같이, 라이닝 패턴(310)을 금속 코팅(coating)과 에칭 등의 방법을 통해 형성하게 된다.
다음으로, 도 11g와 같이, 웨이퍼(300) 하면상의 산화층을 에칭 등을 통해 제거한 다음, 딥에칭 등을 통해 웨이퍼(300) 하부측 중심부를 깊게 제거함으로써 그 중심부 상면측에 얇은 멤브레인부(200a-2)가 형성되도록 하게 되며, 이때 딥에칭시 중간에 개재된 중간산화층(300a)의 존재로 인해 해당 산화층(300a) 부분 이상은 에칭되지 않게 된다.
이어서, 도 11h와 같이, 중간에 개재된 중간산화층(300a)을 에칭 등을 통해 최종 제거함으로써 중심부의 멤브레인부(200a-2)가 완전하게 형성되도록 하게 된다.
이로써, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 제조될 수 있게 되는 것이다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
본 발명에 따르면, 제공되는 초음파 트랜스듀서를 통해 실질적으로 고지향성을 갖는 거리측정이 가능하게 되므로, 장애물의 공간적 위치를 명확히 구분할 수 있는 초음파 거리측정이나 고해상도의 공간 맵핑(mapping)이 가능하도록 할 수 있게 되며, 각종 산업용 및 가정용 로봇에 적용할 경우 공간 분해능을 향상시킬 수 있어 해당 로봇의 성능 향상에 크게 기여할 수 있는 효과가 달성될 수 있다.

Claims (19)

  1. 공기중에서 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정하는데 이용될 수 있는 초음파 트랜스듀서로서,
    두개의 초음파를 공기중에 고압으로 발생시켜 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 형성하여 고지향성의 차음(f d=f 1-f 2) 펄스가 만들어지도록 하기 위해 두개의 초음파 주파수(f 1, f 2)에서 각각 공진 주파수를 갖는 두 종류의 f 1 공진형 단위 액추에이터(112a)와 f 2 공진형 단위 액추에이터(112b)가 규칙적으로 교차 배열되어 형성되게 되는 초음파 액추에이터부(110)와,
    상기 장애물에서 반사되어 되돌아오는 초음파 펄스 신호를 감지하기 위해 차음의 주파수(f d=f 1-f 2)에서 공진 주파수를 갖는 단위 센서(122)로 이루어지는 초음파 센서부(120)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 액추에이터부(110)와 상기 초음파 센서부(120)는 동일한 기판부(200a)를 통해 박판형태로 일체화되도록 초소형 가공기술(MEMS)을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단위 액추에이터부(112a, 112b)와 상기 단위 센서(122)는 동일한 적층구조로 형성되며,
    그 적층구조는,
    외각부는 두껍게 고정지지부(200a-1)로 형성되고 중심부는 얇은 멤브레인부(200a-2)로 형성되어 상기 멤브레인부(200a-2)가 상하 진동하게 되는 기판부(200a)와,
    상기 기판부(200a)의 상면상에 형성되는 하부전극(200c)과,
    상기 하부전극(200c)상에 형성되어 인가되는 전압에 따라 상하 진동을 발생시켜 상기 멤브레인부(200a-2)가 진동되도록 하게 되는 압전체(200d)와,
    상기 압전체(200d)상에 형성되어 상기 하부전극(200c)과 함께 상기 압전체(200d)에 대해 전압을 인가하게 되는 상부전극(200e)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판부(200a)와 상기 하부전극(200c) 사이에 형성되어 상기 기판부(200a)를 절연시키게 되는 절연층(200b)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으 로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 액추에이터부(110)의 상기 단위 액추에이터(112a, 112b)간을 전기적으로 연결하는 라이닝 패턴(114a) 및 상기 라이닝 패턴(114a)에 대해 외부와 전기적으로 접속될 수 있는 접속단자(114b)와,
    상기 초음파 센서부(120)의 상기 각 단위 센서(122)에 대해 독립적으로 구비되는 라이닝 패턴(124a) 및 상기 라이닝 패턴(124a)에 대해 외부와 전기적으로 접속될 수 있는 접속단자(124b)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 f 1 공진형 단위 액추에이터(112a)와 상기 f 2 공진형 단위 액추에이터(112b)를 규칙적으로 교차 배열하는 방법은,
    (a) 사각형 구조의 교차 배열 방법, (b) 정육각형 구조의 교차 배열 방법, (c) 환형 구조의 교차 배열 방법중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 멤브레인부(200a-2)의 구조는,
    (a) 일반 멤브레인형 구조, (b) 캔틸레버(cantilever)형 구조, (c) 피스톤(piston)형 구조중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 초음파 액추에이터부(110)와 상기 초음파 센서부(120)의 상기 멤브레인부(200a-2)의 두께가 동일하는 경우,
    상기 초음파 센서부(120)에서의 공진 주파수를 상대적으로 낮추기 위해,
    상기 단위 센서(122)의 상기 멤브레인부(200a-2)의 크기를 상기 단위 액추에이터(112a, 112b)의 상기 멤브레인부(200a-2)의 크기보다 크게 하거나,
    상기 단위 센서(122)의 상기 멤브레인부(200a-2)의 구조가 상기 단위 액추에이터(112a, 112b)의 상기 멤브레인부(200a-2)의 구조에 비해 스프링상수가 낮은 것으로 하는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서(100)는,
    사각형 형태인 경우 일 변의 길이가 30~50㎜ 범위이고,
    원형 형태인 경우 직경이 30~60㎜ 범위인 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 차음 주파수 f d는,
    20~60㎑ 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 센서(122)는,
    중앙부에 하나가 구비되거나,
    외각부에 2개 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 단위 액추에이터(112a, 112b)간의 전극연결은,
    상기 하나의 단위 액추에이터(112a, 112b)의 상부전극(200e)을 다음의 상기 단위 엑추에이터(112a, 112b)의 하부전극(200c)에 연결하는 직렬형인 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 단위 액추에이터(112a, 112b)간의 전극연결은,
    상기 단위 액추에이터(112a, 112b)의 상기 상부전극(200e)은 그들끼리, 상기 하부전극(200c)은 그들끼리 연결하는 병렬형인 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 병렬형 전극연결은,
    상기 f 1 공진형 단위 액추에이터(112a)와 상기 f 2 공진형 단위 액추에이터(112b)를 구분하지 않고 모두 병렬형으로 연결하는 것인 것을 특징으로 하는 공 기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 병렬형 전극연결은,
    상기 f 1 공진형 단위 액추에이터(112a) 끼리만 병렬로 연결하고, 상기 f 2 공진형 단위 액추에이터(112b) 끼리만 병렬로 연결하는 것인 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서(100)의 보호를 위해 그 상하부측에 결합되는 하우징(130, 140)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 상부측 하우징(130)은 그릴(grill)형으로 구비되고,
    상기 하부측 하우징(140)은 흡음 가능한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서.
  18. 중간산화층(300a)이 중간에 개재된 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼(300)를 준비하는 단계와,
    상기 웨이퍼(300)의 상면과 하면에 대해 산화층(300b)을 얇게 형성하여 절연되도록 하는 단계와,
    상기 웨이퍼(300)의 상면상에 순차적으로 하부전극(302), 압전체(304), 상부전극(306)을 적층되도록 형성하는 단계와,
    상기 상부전극(306), 상기 압전체(304), 상기 하부전극(302)의 불필요한 부분을 순차적으로 제거하여 패터닝하는 단계와,
    상기 상부전극(306)과 상기 하부전극(302)을 절연시키기 위한 절연층(308)을 형성한 후, 라이닝 패턴(310)이 형성될 상기 절연층(308)의 위치 부분을 제거하여 패터닝하는 단계와,
    상기 라이닝 패턴(310)을 형성하는 단계와,
    상기 웨이퍼(300) 하면상의 상기 산화층(300b)을 제거한 후, 상기 웨이퍼(300) 하부측 중심부를 제거하여 그 중심부 상면측에 얇은 멤브레인부(200a-2)가 형성되도록 하는 단계와,
    상기 멤브레인부(200a-2)에 대응되는 상기 중간산화층(300a)을 제거하여 상기 멤브레인부(200a-2)가 완전하게 형성되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전체(304)를 형성한 후, 상기 압전체(304)의 성능 향상을 위해 어닐링(annealing) 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 트랜스미팅 어레이를 이용한 초지향성 초음파 거리측정을 위한 멤스 기반의 다공진 초음파 트랜스듀서의 제조방법.
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