KR20220074980A - 압전 송수신기를 갖는 이미징 디바이스 - Google Patents

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Abstract

미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT, micromachined ultrasonic transducer)(402) 어레이(400). 어레이(400)는 제1 행 및 제2 행을 갖고, 제1 행 내의 MUT(402)는 수평 방향(403)에서 수평 피치(430)만큼 동일하게 이격되고, 제2 행 내의 MUT(402)는 수평 방향에서 수평 피치(430)만큼 동일하게 이격된다. 제2 행 내의 MUT(702b)는 제1 행 내의 MUT(702a)에 대해 수평 방향을 따라 제1 수평 거리(706)만큼 시프팅되고, 제1 행 내의 MUT(702a)에 대해 수직 방향(405)을 따라 제1 수직 거리(708)만큼 시프팅된다. 제1 수평 거리(706)는 0보다 더 크고 수평 피치(430)보다 더 작다. 제1 수직 거리(708)는 MUT의 수평 폭(712)의 10분의 1에서부터 MUT의 수직 높이(714)의 절반까지의 범위이다.

Description

압전 송수신기를 갖는 이미징 디바이스{IMAGING DEVICES HAVING PIEZOELECTRIC TRANSCEIVERS}
본 발명은 이미징 디바이스에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT, micromachined ultrasound transducer)에 관한 것이다.
인체의 내장을 이미징하고 내장의 이미지를 디스플레이하기 위한 비침습적 이미징 시스템은 인체에 신호를 송신하고 내장으로부터 반사되는 신호를 수신한다. 통상적으로, 이미징 시스템에서 사용되는 트랜스듀서는 송수신기로서 지칭되며 송수신기의 일부는 광-음향 또는 초음파 효과에 기초한다. 일반적으로, 송수신기는 이미징, 그리고 의료 이미징, 파이프 내의 유량 측정, 스피커, 마이크로폰, 쇄석술, 치료를 위한 조직 가열, 및 수술을 위한 고강도 집속 초음파(HIFU, highly intensive focused ultrasound)와 같은 다른 응용예를 위해 사용된다.
미세가공 기술의 진보는 센서 및 액추에이터가 효율적으로 기판 상에 통합되도록 한다. 특히, 정전용량 트랜스듀서를 사용하거나(cMUT) 압전 트랜스듀서를 사용하는(pMUT) 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT)는, 큰 폼 팩터를 갖는 종래의 MUT에 비해 특히 이롭다. 도 1은 종래 시스템에서의 2차원 직선형(rectilinear) 송수신기 어레이(50)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 송수신기 어레이(50)는, 송신 모드/프로세스에서 압력파를 생성 및 송신하고 수신 모드/프로세스에서 수신된 압력파에 응답하여 전하를 발생시키는 MUT(52) 세트를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, MUT(52)는 x 방향 및 y 방향으로 균일하게 이격되며, 즉, x 방향(또는 y 방향)을 따른 하나의 MUT로부터 이웃하는 MUT까지의 거리는 어레이 전체에 걸쳐 동일하다. MUT(52)는 제한된 수의 진동 공명을 갖는 경향이 있으며, 즉, MUT 어레이(52)는 주파수 도메인에서 제한된 대역폭을 가질 수 있다. 일반적으로, MUT(52)가 더 넓은 대역폭을 가질수록, MUT(52)는 더 정교한 동작 모드에서 동작할 수 있고 송수신기 어레이(50)는 더 나은 이미지를 생성할 수 있다. 그러므로, 향상된 음향 성능을 위한 증가된 대역폭을 갖는 MUT를 설계하기 위한 강한 요구가 존재한다.
실시예에서, 트랜스듀서 어레이는, 비대칭 배열 내에 배열된 복수의 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT)를 포함한다.
실시예에서, 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT) 어레이는, 제1 및 제2 행을 갖는 2차원 어레이 내에 배열된 MUT를 포함하며, 제1 행 내의 MUT는 수평 방향에서 수평 피치만큼 동일하게 이격되고, 제2 행 내의 MUT는 수평 방향에서 수평 피치만큼 동일하게 이격된다. 제2 행 내의 MUT는 제1 행 내의 MUT에 대해 수평 방향을 따라 제1 수평 거리만큼 시프팅되고, 제1 행 내의 MUT에 대해 수직 방향을 따라 제1 수직 거리만큼 시프팅된다. 제1 수평 거리는 0보다 더 크고 수평 피치보다 더 작다. 제1 수직 거리는 복수의 MUT 중의 MUT의 수평 폭의 10분의 1에서부터 MUT의 수직 높이의 절반까지의 범위이다.
실시예에서, 이미징 시스템은, 압력파를 생성하고 외부 압력파를 전기 신호로 변환하기 위한 송수신기 타일, 및 송수신기 타일을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다. 송수신기 타일은 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT) 어레이를 포함하고, 어레이는, 제1 및 제2 행을 갖는 2차원 어레이 내에 배열된 MUT를 포함하며, 제1 행 내의 MUT는 수평 방향에서 수평 피치만큼 동일하게 이격되고, 제2 행 내의 MUT는 수평 방향에서 수평 피치만큼 동일하게 이격된다. 제2 행 내의 MUT는 제1 행 내의 MUT에 대해 수평 방향을 따라 제1 수평 거리만큼 시프팅되고, 제1 행 내의 MUT에 대해 수직 방향을 따라 제1 수직 거리만큼 시프팅된다. 제1 수평 거리는 0보다 더 크고 수평 피치보다 더 작다. 제1 수직 거리는 복수의 MUT 중의 MUT의 수평 폭의 10분의 1에서부터 MUT의 수직 높이의 절반까지의 범위이다.
본 발명의 실시예가 언급될 것이며, 이들의 예시는 첨부 도면에 도시될 수 있다. 이들 도면은 예시적이도록 의도되며, 제한하도록 의도되지 않는다. 본 발명은 일반적으로 이들 실시예의 맥락에서 설명되지만, 본 발명의 범위를 이들 특정 실시예로 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
도면(또는 "도") 1은 종래 시스템에서의 2차원 직선형 송수신기 어레이를 도시한다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 이미징 시스템을 도시한다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 이미저(imager)의 개략적 도면을 도시한다.
도 4는 본 개시의 실시예에 따른 비대칭(또는 스태거형(staggered)) 직선형 송수신기 어레이를 도시한다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른 MUT 어레이의 확대도를 도시한다.
도 6은 본 개시의 실시예에 따른 MUT 어레이의 확대도를 도시한다.
도 7은, 본 개시의 실시예에 따른, 스태거형 구성으로 배열된 두 쌍의 직사각형 MUT와 패드를 도시한다.
도 8a 내지 도 8d는, 본 개시의 실시예에 따른, 도 7의 7-7 방향을 따라 취해진, MUT의 진동 모드 형상 세트를 도시한다.
도 9는 본 개시의 실시예에 따른 비대칭 어레이의 주파수 응답 플롯을 도시한다.
도 10은, 본 개시의 실시예에 따른, 앙각(elevation angle)의 함수로서의 MUT 어레이의 음향 빔 패턴 응답의 플롯을 도시한다.
도 11은, 본 개시의 실시예에 따른, 스태거형 구성으로 배열된 두 쌍의 타원형 MUT와 패드를 도시한다.
도 12는 본 개시의 실시예에 따른 비대칭(또는 스태거형) 직선형 송수신기 어레이를 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 본 개시의 실시예에 따른 예시적 MUT의 평면도 및 단면도를 도시한다.
설명의 목적을 위하여, 다음의 설명에서는, 본 개시의 이해를 제공하기 위해 특정한 세부사항이 설명된다. 그러나, 본 개시는 이들 세부사항 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 당업자는, 아래에 설명된 본 개시의 실시예는, 프로세스, 장치, 시스템, 또는 디바이스와 같은 다양한 방식으로 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
도면에 도시된 요소/컴포넌트는 본 개시의 예시적인 실시예를 예시하며, 본 개시를 모호하게 하는 것을 피하도록 의도된다. 본 명세서에서 "한 실시예", "선호되는 실시예", "실시예", 또는 "실시예들"에 대한 언급은, 해당 실시예와 연결되어 설명되는 특정한 특징, 구조, 특성, 또는 기능이 본 개시의 적어도 하나의 실시예에 포함되고 하나보다 더 많은 실시예 내에 있을 수 있다는 것을 의미한다. 본 명세서 내의 다양한 곳에서의 "한 실시예에서", "실시예에서", 또는 "실시예들에서"라는 구절의 등장은, 모두가 필연적으로 동일한 실시예 또는 실시예들을 언급하는 것은 아니다. "~을(를) 포함한다", "~을(를) 포함하는", "~을(를) 구비한다", 및 "~을(를) 구비하는"이라는 용어는 개방적인 용어인 것으로 이해되어야 하며, 그에 앞서는 임의의 목록은 예이고, 해당 나열된 항목으로 제한되도록 의도되지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 임의의 표제는 오직 체계화의 목적을 위한 것이며, 설명 또는 청구항의 범위를 제한하기 위해 사용되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서 내의 다양한 곳에서의 특정한 용어의 사용은 예시를 위한 것이며 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 이미징 시스템(100)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은, 송신 모드/프로세스에서 압력파(122)를 생성하고, 심장과 같은 내장(112)을 향해 송신하는 이미저(120); 및 통신 채널(130)을 통해 이미저에 신호를 전달하는 디바이스(102)를 포함할 수 있다. 실시예에서, 내장(112)은 압력파(122)의 일부를 이미저(120)를 향해 반사시킬 수 있으며, 이미저(120)는 수신 모드/프로세스에서 반사된 압력파를 캡처하고 전기 신호를 생성할 수 있다. 이미저(120)는 디바이스(102)에 전기 신호를 전달할 수 있으며, 디바이스(102)는 전기 신호를 사용하여 디스플레이/화면(104) 상에 인간 장기의 이미지를 디스플레이할 수 있다.
이미저(120)는 동물의 내장의 이미지를 획득하기 위해서도 사용될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 압력파(122)는, 인체/동물체를 통해 이동할 수 있고 내장에 의해 반사될 수 있는 음파, 초음파, 또는 광음파일 수 있다는 것에 또한 유의해야 한다.
실시예에서, 이미저(120)는 휴대형 디바이스일 수 있고, 무선으로 또는 케이블을 통하여, 통신 채널(130)을 통해 디바이스(102)와 신호를 주고받을 수 있다. 실시예에서, 디바이스(102)는, 셀룰러 폰 또는 iPad와 같은 모바일 디바이스, 또는 사용자에게 이미지를 디스플레이할 수 있는 정지형 컴퓨팅 디바이스일 수 있다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 이미저(120)의 개략적 도면을 도시한다. 실시예에서, 이미저(120)는 초음파 이미저일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이미저(120)는, 압력파를 송신 및 수신하기 위한 송수신기 타일(210); 압력파를 포커싱하기 위한 렌즈로서 동작하고 송수신기 타일과 인체(110) 사이의 임피던스 계면으로서 또한 기능하는 코팅층(212); 송수신기 타일(210)을 제어하기 위한, ASIC 칩과 같은 제어 유닛(202); 이미저(120)의 컴포넌트를 제어하기 위한 마이크로프로세서(214); 하나 이상의 포트(230)를 통해, 디바이스(102)와 같은 외부 디바이스와 데이터를 주고받기 위한 통신 유닛(208); 데이터를 저장하기 위한 메모리(218); 이미저의 컴포넌트에 전력을 제공하기 위한 배터리(206); 및 선택적으로, 타겟 내장의 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이(216)를 포함할 수 있다.
실시예에서, 디바이스(102)는 디스플레이/화면을 가질 수 있다. 그러한 경우, 디스플레이는 이미저(120) 내에 포함되지 않을 수 있다. 실시예에서, 이미저(120)는 하나 이상의 포트(230)를 통해 디바이스(102)로부터 전력을 받을 수 있다. 그러한 경우, 이미저(120)는 배터리(206)를 포함하지 않을 수 있다. 이미저(120)의 컴포넌트 중 하나 이상은 하나의 통합형 전기 요소로 결합될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 마찬가지로, 이미저(120)의 각 컴포넌트는 하나 이상의 전기 요소 내에 구현될 수 있다.
실시예에서, 코팅층(212)과 인체(110) 사이의 임피던스 정합이 개선될 수 있도록, 즉, 계면에서의 전력 손실이 감소되도록, 사용자는 코팅층(212) 상에 젤을 도포할 수 있다.
도 4는, 본 개시의 실시예에 따른 MUT(402)를 포함하는 비대칭(또는 스태거형) 직선형 송수신기 어레이(400)의 확대도를 도시한다. 실시예에서, 어레이(400)는 송수신기 타일(210) 내에 포함될 수 있다. 어레이 음향 성능의 이익을 가져오기 위해 MUT(402)는 스태거형 구성으로 배열될 수 있다. 이후 본 명세서에서, 스태거형(또는 비대칭) 어레이라는 용어는 MUT 어레이를 지칭하며, 제1 행 내의 MUT는 제2 열 내의 MUT에 대해 x 방향(403)으로 시프팅된다. 실시예에서, 행 내의 MUT는 수평 거리(피치) P1(430)만큼 동일하게 이격될 수 있고 열 내의 MUT는 수직 거리(피치) P2(432)만큼 동일하게 이격될 수 있다.
실시예에서, 각 MUT(402)는 pMUT일 수 있고, PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AlN, Sc-AlN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성된 압전층을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 각 MUT(402)는 cMUT일 수 있다. 도 4에서, 각 MUT(402)는 직사각형 형상을 갖도록 도시되어 있다. 더 구체적으로, 각 MUT는, 직사각형 투영 영역을 갖는 상단 전극을 포함할 수 있다. 상단 전극은, 정사각형, 원, 타원, 난형 등과 같은 다른 적합한 기하학적 형상을 가질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 예시의 목적을 위하여, 본 출원의 도면에서, 각 MUT는 상단 전극의 기하학적 형상에 의해 상징적으로 나타나 있다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른 MUT 어레이(500)의 확대도를 도시한다. 실시예에서, 어레이(500)는 도 4의 어레이의 부분(404)에 대응할 수 있다. 도시된 바와 같이, 어레이(500)는 MUT(502) 및 전기 패드(504)를 포함할 수 있다. 실시예에서, MUT(502) 및 패드(504)는 스태거형 구성으로 배열된다. 실시예에서, 각 전기 패드(504)는 MUT(502) 중 하나 이상을, ASIC 또는 전기 기판(도 5에 도시되지 않음)과 같은 기판에 전기적으로 커플링시킬 수 있으며, 기판은 MUT(502)에 전기 신호를 전송하거나 그로부터 전기 신호를 수신하기 위한 전자부품을 포함할 수 있다. 실시예에서, 기판은 MUT 어레이 아래에 배치될 수 있고 각 패드(504)는 수직 방향으로(즉, 종이에 수직인 방향으로) 연장될 수 있다. MUT(502)와 패드(504) 사이의 다른 전기 연결은 도 5에 도시되어 있지 않지만, MUT(502)를 패드(504)에 전기적으로 연결시키기 위해 트레이스 및 와이어와 같은 적합한 전기 연결이 사용될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하리라는 것에 유의해야 한다.
도 6은 본 개시의 실시예에 따른 MUT 어레이(600)의 확대도를 도시한다. 실시예에서, 어레이(600)는 도 4의 어레이의 부분(404)에 대응할 수 있다. 실시예에서, MUT(602)는 스태거형 또는 비대칭 구성으로 배열될 수 있으며, 또한 각 MUT의 배향에 대해 특정한 양의 임의성이 도입될 수 있다. 실시예에서, 임의성은 MUT(602) 사이의 누화를 감소시킴으로써 이미저에 대한 음향 신호 향상을 가져온다. 실시예에서, 임의로 회전된 MUT(602)는 x-y 평면 상에 남을 수 있으며, 각 전기 패드(604)는 MUT 어레이(500) 내의 패드 위치와 비슷한 방식으로 배치될 수 있다.
도 7은, 본 개시의 실시예에 따른, 스태거형 구성으로 배열된 두 쌍의 MUT(702)와 패드(704)를 도시한다. 예시의 목적을 위하여, 각 MUT는, MUT의 상단 전극의 투영 영역인 직사각형에 의해 나타나 있다. 실시예에서, 도 7의 두 개의 MUT(702a 및 702b)는 MUT 어레이(400) 내의 두 개의 이웃하는 MUT일 수 있다. 도시된 바와 같이, MUT(702a 및 702b)는 x 방향에서 수평 거리 HD(706)만큼 이격되고 y 방향에서 수직 거리 VD(708)만큼 이격될 수 있다. 각 MUT(702)는, 폭 W(712) 및 높이 H(714)를 갖는 직사각형 형상을 가질 수 있다. 실시예에서, 수평 거리 HD(706)는 0보다 더 크고 MUT의 수평 폭(712)의 4배보다 더 작고 x 방향의 피치보다 더 작을 수 있다.
종래의 MUT 어레이(50)와는 다르게, 실시예에서, MUT(702a 및 702b)는 스태거형 구성으로 배열될 수 있으며, 즉, 제1 행 내의 MUT(702a)와 패드(704a) 쌍은 제2 행 내의 MUT(702b)와 패드(704b) 쌍에 대해 x 방향을 따라 시프팅될 수 있다. 스태거형 구성의 결과로서, MUT 어레이(400)는 하나 이상의 비대칭 진동 모드(또는 축약하여 비대칭 모드)를 가질 수 있으며, 종래의 MUT 어레이(50)보다 더 넓은 대역폭을 초래한다. MUT 어레이(400)가 더 넓은 대역폭을 가짐에 따라서, MUT 어레이는 더 정교한 동작 모드에서 동작될 수 있다.
일반적으로, MUT 어레이 내의 MUT의 개수 밀도는, MUT 어레이에 의해 생성되는 이미지의 해상도에 영향을 미칠 수 있다. 종래의 MUT 어레이(50)에서, MUT의 개수 밀도는, MUT 사이의 수평 거리(또는 등가적으로 수평 피치)를 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 그러나, 종래의 MUT 어레이에서, 수평 피치가 감소됨에 따라서 두 개의 이웃하는 MUT 사이의 상호 임피던스 또한 증가될 수 있으며, 이는 개수 밀도의 증가에 의해 획득되는 장점을 무효화할 수 있다. 이후 본 명세서에서, 상호 임피던스는 두 개의 MUT 사이의 음향 커플링을 지칭한다. 대조적으로, 실시예에서, 대각선 거리 P(730)가 MUT(702a와 702b) 사이의 유효 간격일 수 있다. 그러므로, 실시예에서, 상호 임피던스는, 동일한 수평 간격 HD(706)를 갖는 종래의 대칭 MUT 어레이보다 더 작을 수 있다. 다르게 말하면, 스태거링 구성은, 상호 임피던스를 유의미하게 증가시키지 않으면서 개수 밀도가 증가되도록 할 수 있다.
실시예에서, 도 8a 내지 도 9와 관련하여 설명되는 바와 같이, 수직 거리(708)는, 비대칭 모드의 주파수 및 진동 모드에서의 음향 압력과 같은 진동의 비대칭 모드의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 이후 본 명세서에서, 음향 압력이라는 용어는, 각 MUT에 의해 생성되는 음향 전력의 레벨을 지칭한다. 실시예에서, 수직 거리(708)는 바람직하게는 폭(712)의 10분의 1보다 더 크고 높이(714)의 절반보다 더 작을 수 있다. 실시예에서, VD(708)가 높이(714)의 절반보다 더 작은 수치까지 증가함에 따라서, 비대칭 모드에서의 음향 압력 진폭은 증가될 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는, 본 개시의 실시예에 따른, 도 7의 7-7 방향을 따라 취해진, MUT(702b)의 진동 모드 형상 세트를 도시한다. 예시의 목적을 위하여, 도 8a 내지 도 8d에서 MUT(702b)는 단일 선에 의해 나타나 있다. 그러나, MUT는 층 스택을 포함할 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 도시된 바와 같이, 도 8a 및 도 8c는 제1 및 제3 공명 주파수에서의 MUT(702b)의 제1 진동 모드(801) 및 제3 진동 모드(807)를 각각 나타내며, 화살표(804)는 MUT(702b)의 움직임의 방향을 나타낸다. 실시예에서, 제1 및 제3 진동 모드는 대칭일 수 있으며, 즉, 각 모드 형상은 MUT(702b)의 중심선(820)에 대해 대칭이다. 실시예에서, 대칭 모드는, MUT가 스태거링되지 않을 때에도 생성될 수 있으며, 즉, 대칭 MUT 어레이(50)는 도 8a 및 도 8c에서의 대칭 진동 모드를 가질 수 있다.
실시예에서, 도 8b 및 도 8d는 MUT(702b)의 제2 및 제4 공명 주파수에서의 제2 진동 모드(805) 및 제4 진동 모드(809)를 각각 도시한다. 도시된 바와 같이, 제2 및 제4 진동 모드는 비대칭일 수 있으며, 즉, MUT는 중심선(820)에 대해 대칭이 아니다. 실시예에서, 진동 모드의 비대칭성은, 도 4에 도시된 바와 같이, MUT를 스태거형(비대칭) 구성으로 배열함으로써 획득될 수 있다.
일반적으로, 주파수에서 각 MUT에 의해 생성되는 음향 압력파의 에너지를 지칭하는 음향 압력 성능은, 해당 주파수에서 MUT의 피크 진폭이 증가함에 따라서 증가될 수 있다. 실시예에서, 동일한 차수에서 진동할 때, 비대칭 모드는 대칭 모드보다 더 넓은 대역폭을 가능케 할 수 있다. 예를 들어, 제3 모드(807)와 제4 모드(809)는 동일한 차수, 즉, 동일한 수의 마디점을 가질 수 있으며, 제3 모드(807)의 피크 진폭(840)은 제4 모드(809)의 피크 진폭(842)보다 더 작다.
도 9는 본 개시의 실시예에 따른 비대칭 MUT 어레이(400)의 주파수 응답 플롯(900)을 도시한다. 도 9에서, 곡선(912)은, 주파수의 함수로서의 어레이(400)의 응답(y 축)을 도시하며, 응답은, 송신 모드 동안 어레이에 의해 생성되는 압력파의 피크 진폭 또는 수신 모드 동안 발생되는 전하를 지칭한다. 도 9에서, 곡선(910)은, 주파수의 함수로서의 대칭 어레이(50)의 응답을 도시한다.
도시된 바와 같이, 스태거형 MUT 어레이(400)는 주파수(914) 근처에서 공명 진동 모드를 가질 수 있으며, 주파수(914)는 또한 대칭 MUT 어레이(50)의 공명 진동 모드일 수 있다. 실시예에서, 도 7의 스태거형 MUT 어레이(400)는 주파수(916)에서 추가적인 공명 주파수를 가질 수 있으며, 이는 비대칭 공명 주파수로서 지칭된다. 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 진동의 대칭 모드와 비대칭 모드 둘 다를 사용하면, 음향 응답의 이득이 증가될 수 있고, 대역폭이 개선될 수 있으며, 왜냐하면 MUT 어레이(400)는 중심 대칭 주파수(914)와 비대칭 고주파수(916) 둘 다에서 동작될 수 있기 때문이다.
주파수 응답 곡선(912)은 어레이(400) 내의 MUT 모두로부터의 기여를 포함할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 스태거형 MUT 어레이(400) 내의 각 MUT는 동일한 주파수 응답 특성을 가질 수 있기 때문에, 각 MUT는, 곡선(912)과 유사한 주파수 응답 곡선을 가지며, 즉, 비대칭 어레이(400) 내의 각 MUT는 중심 대칭 주파수(914)와 비대칭 주파수(916) 둘 다에서 공명 주파수를 가질 수 있다.
실시예에서, 이미저(120)에 의해 송신되는 압력파를 특정 각도로 지향시키기 위해 빔포밍 기법이 사용될 수 있으며, 즉, MUT 어레이(400)로부터의 압력파는, 특정 각도(즉, 빔포밍 방향)의 압력파는 보강 간섭(constructive interference)을 거치고 다른 압력파는 상쇄 간섭을 거치는 방식으로 결합될 수 있다. 실시예에서, 빔포밍 방향을 조향하기 위해, 제어 유닛(202)은, MUT 어레이(400)에 의해 생성되는 압력파의 위상 및/또는 진폭을 제어할 수 있다. 도 10은, 본 개시의 실시예에 따른, 앙각의 함수로서의 MUT 어레이의 음향 빔 패턴 응답의 플롯을 도시한다. 도 10에서, 각 곡선은, 앙각의 함수로서의 MUT 어레이의 음향 응답(y 축)을 도시하며, 음향 응답은, 송신 모드 동안 MUT 어레이에 의해 생성된 압력파의 피크 진폭(또는 수신 모드 동안 발생된 전하)을 지칭하고, 앙각은 빔포밍 방향에 대한 각거리를 지칭한다.
일반적으로, 관심 방향(1020) 외부의 잡음의 차단을 지칭하는 지향성은 빔포밍에서의 신호대 잡음 비에 영향을 미친다. (이후 본 명세서에서, 관심 방향이라는 용어는, 빔포밍 방향 주위의 프리셋 각도 범위를 지칭한다.) 도 10에서, 곡선(1002)은, 1.5MHz의 주파수에서의 비대칭(스태거형) MUT 어레이(예를 들어 400)와 대칭(비스태거형) 어레이(예를 들어 50) 둘 다에 대한 정규화된 전력 지향성을 나타낼 수 있다. 곡선(1006a 및 1006b)은 3.0MHz의 주파수에서의 비대칭 및 대칭 어레이의 지향성을 각각 도시한다. 도시된 바와 같이, 대칭 MUT 어레이는 1.5MHz 및 3.0MHz의 주파수에서 비대칭 MUT 어레이와 유사한 빔 패턴을 갖는다.
곡선(1004a 및 1004b)은 5.7MHz의 주파수에서의 비대칭 및 대칭 어레이의 빔 패턴을 각각 도시한다. 도시된 바와 같이, 비대칭 어레이는 대칭 어레이보다 더 높은(개선된) 지향성을 가지며, 이는 개선된 신호대 잡음 비 및 이미지 품질을 초래한다. 예를 들어, 곡선(1004a 및 1004b)은, 관심 방향(1020) 외부에 있는 영역(1010a 및 1010b)을 갖는다. 영역(1010b)에서의 전력 레벨은 영역(1010a)에서의 전력 레벨보다 더 낮으므로, 비대칭 어레이는 개선된 신호대 잡음 비를 가질 수 있으며, 이는 이어서 이미지 품질을 개선시킨다.
실시예에서, 어레이(400) 내의 MUT의 상단 전극은, 원, 타원, 난형 등과 같은 상이한 기하학적 형상을 가질 수 있다. 도 11은, 본 개시의 실시예에 따른, 스태거형 구성으로 배열된 두 쌍의 타원형 MUT와 원형 패드를 도시한다. 도시된 바와 같이, MUT(1102)는 x 방향에서 수평 거리 HD(1106)만큼 이격되고 y 방향에서 수직 거리 VD(1108)만큼 분리될 수 있다. 각 MUT(1102)는, 폭 W(1112) 및 높이 H(1114)를 갖는 타원형 형상을 가질 수 있다.
종래의 MUT 어레이(50)와는 다르게, 실시예에서, MUT(1102a 및 1102b)는 스태거형 구성으로 배열될 수 있으며, 즉, 제1 행 내의 MUT(1102a)와 패드(1104a) 쌍은 제2 행 내의 MUT(1102b)와 패드(1104b) 쌍에 대해 x 방향을 따라 시프팅될 수 있다. 실시예에서, 수직 거리(1108)는 바람직하게는 수평 폭(1112)의 10분의 1보다 더 크고 수직 높이(1114)의 절반보다 더 작을 수 있다. 실시예에서, VD(1108)가 수직 높이(1114)의 절반까지 증가함에 따라서, 비대칭 모드에서의 음향 압력 진폭은 증가될 수 있다.
스태거형 구성의 결과로서, 도 11에서의 스태거형 구성을 갖는 MUT 어레이는 도 7에서의 스태거형 구성을 갖는 MUT 어레이와 유사한 장점을 가질 수 있으며, 즉, 도 11에서의 스태거형 MUT 어레이는 비스태거형 MUT 어레이에 비해 개선된 대역폭, 이미지 해상도, 시야, 음향 압력, 및 MUT 사이의 상호 임피던스를 가질 수 있다. 실시예에서, MUT는 수평 거리(1106)만큼 이격될 수 있으며, 수평 거리 HD(1106)는 0보다 더 크고 MUT의 수평 폭(1112)의 4배보다 더 작고 x 방향의 피치보다 더 작을 수 있다.
도 12는, 본 개시의 실시예에 따른 MUT(1202)를 포함하는 비대칭(또는 스태거형) 직선형 송수신기 어레이(1200)의 확대도를 도시한다. 어레이 음향 성능의 이익을 가져오기 위해 MUT(1202)는 스태거형 구성으로 배열될 수 있다. 도시된 바와 같이, 각 행 내의 MUT는 수평 거리(피치)만큼 동일하게 이격될 수 있고 각 열 내의 MUT는 수직 거리(피치)만큼 동일하게 이격될 수 있다. 실시예에서, 제2 행 내의 MUT는 제1 행 내의 MUT에 대해 x 방향(1203)을 따라 제1 수평 거리만큼 시프팅될 수 있고, 제3 행 내의 MUT는 제1 행 내의 MUT에 대해 x 방향을 따라 제2 수평 거리만큼 시프팅될 수 있으며, 제1 및 제2 수평 거리는 0보다 더 크고 수평 피치 P1보다 더 작을 수 있다.
도 13a는 본 개시의 실시예에 따른 예시적 MUT(1300)의 평면도를 도시한다. 도 13b는, 본 개시의 실시예에 따른, 13-13 선을 따라 취해진, 도 13a에서의 MUT(1300)의 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, MUT는, 기판(1302)으로부터 서스펜딩된 멤브레인층(1306); 멤브레인층(또는, 축약하여 멤브레인)(1306) 상에 배치된 하단 전극(O)(1308); 하단 전극(O)(1308) 상에 배치된 압전층(1310); 및 압전층(1310) 상에 배치된 상단 전극(X)(1312)을 포함할 수 있다. 실시예에서, 전기 전도성 물질로 충전된 비아일 수 있는 전기 패드(1314)는, 하단 전극(O)(1308)이 전기 전도체(1320)에 전기적으로 연결될 수 있도록 형성될 수 있다. 실시예에서, 전기 전도체(1322)는 상단 전극(1312)에 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예에서, 전기 전도체(1320 및 1322)는, 금속층을 패터닝함으로써 형성된 전기 와이어 또는 트레이스일 수 있다. 실시예에서, 패드(1314) 및 상단 전극(1312)은 패드(704 또는 1104) 및 MUT(702 또는 1102)에 각각 대응할 수 있다.
실시예에서, 기판(1302) 및 멤브레인(1306)은 하나의 모놀로식 바디일 수 있고 공동(1304)은 멤브레인(1306)을 규정하도록 형성될 수 있다. 실시예에서, 멤브레인(1306)의 진동을 제어하기 위해, 공동(1304)은, 미리 결정된 압력의 가스 또는 음향 감쇠 물질로 충전될 수 있다.
송수신기 어레이(400 및 1200) 내의 MUT는 도 13a에서의 MUT(1300)와는 다른 구성을 가질 수 있다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 각 MUT는 하나보다 더 많은 상단 전극을 가질 수 있다. 도 4 내지 도 7(또는 도 11 내지 도 12)에서의 각 직사각형(또는 타원)은 MUT를 상징적으로 나타내며, MUT는 하나 이상의 상단 전극을 가질 수 있고, 상단 전극은, 원, 직사각형, 타원 등과 같은 적합한 기하학적 형상을 가질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명은 다양한 수정예 및 대안적 형태의 여지가 있지만, 이들의 특정 예가 도면에 도시되고 본 명세서에 상세히 설명되었다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정한 형태로 제한되어서는 안 되며, 반대로, 본 발명은 첨부된 청구범위에 속하는 모든 수정예, 등가물, 및 대안을 커버해야 한다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (19)

  1. 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT)들의 어레이에 있어서,
    제1 및 제2 행들을 갖는 2차원 어레이로 배열되는 복수의 MUT들 - 상기 제1 행 내의 MUT들은 수평 방향으로 수평 피치만큼 동일하게 이격되고, 상기 제2 행 내의 MUT들은 상기 수평 방향으로 상기 수평 피치만큼 동일하게 이격됨 - 을 포함하고,
    상기 제2 행 내의 MUT들은 상기 제1 행 내의 MUT들에 대해 제1 수평 거리만큼 상기 수평 방향을 따라 시프팅되고, 상기 제1 행 내의 MUT들에 대해 제1 수직 거리만큼 수직 방향을 따라 시프팅되고,
    상기 제1 수평 거리는 0보다 크고 상기 수평 피치보다 작고, 상기 제1 수직 거리는 상기 복수의 MUT들의 MUT의 수평 폭의 10분의 1로부터 상기 MUT의 수직 높이의 절반까지의 범위이고,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는 상기 수직 방향에 대해 임의의 각도만큼 회전되는, MUT들의 어레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 어레이는 제3 행을 갖고, 상기 제3 행 내의 MUT들은 상기 제1 행 내의 MUT들에 대해 제2 수평 거리만큼 상기 수평 방향을 따라 시프팅되고, 상기 제2 수평 거리는 0보다 크고 상기 제1 수평 거리보다 작은, MUT들의 어레이.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는 전극을 포함하고, 상기 전극의 투영 영역의 형상은 i) 직사각형, ii) 타원, iii) 원, 또는 iv) 이들의 조합들, 중 하나인, MUT들의 어레이.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT의 수직 높이는 상기 MUT의 수평 폭보다 큰, MUT들의 어레이.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는 하나 이상의 비대칭 진동 모드를 갖는, MUT들의 어레이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서인, MUT들의 어레이.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는, PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AlN, Sc-AlN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3　중 적어도 하나로 형성되는 압전층을 포함하는, MUT들의 어레이.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 어레이의 동작 대역폭은 MUT들의 2차원 대칭 어레이의 동작 대역폭보다 넓은, MUT들의 어레이.
  9. 이미징 시스템에 있어서,
    압력파를 생성하고 외부 압력파를 전기 신호로 변환하기 위한 송수신기 타일; 및
    상기 송수신기 타일을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하고,
    상기 송수신기 타일은 제1항의 상기 어레이를 포함하는, 이미징 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 2차원 어레이는 제3 행을 갖고, 상기 제3 행 내의 MUT들은 상기 제1 행 내의 MUT들에 대해 제2 수평 거리만큼 상기 수평 방향을 따라 시프팅되고, 상기 제2 수평 거리는 0보다 크고 상기 제1 수평 거리보다 작은, 이미징 시스템.
  11. 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT)들의 어레이에 있어서,
    제1 및 제2 행들을 갖는 2차원 어레이로 배열되는 복수의 MUT들 - 상기 제1 행 내의 MUT들은 수평 방향으로 수평 피치만큼 동일하게 이격되고, 상기 제2 행 내의 MUT들은 상기 수평 방향으로 상기 수평 피치만큼 동일하게 이격됨 - 을 포함하고,
    상기 제2 행 내의 MUT들은 상기 제1 행 내의 MUT들에 대해 제1 수평 거리만큼 상기 수평 방향을 따라 시프팅되고, 상기 제1 행 내의 MUT들에 대해 제1 수직 거리만큼 수직 방향을 따라 시프팅되고,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT의 수직 높이는 상기 MUT의 수평 폭보다 크고,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는 상기 수직 방향에 대해 임의의 각도만큼 회전되는, MUT들의 어레이.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는 전극을 포함하고, 상기 전극의 투영 영역의 형상은 i) 직사각형, ii) 타원, iii) 원, 또는 iv) 이들의 조합들, 중 하나인, MUT들의 어레이.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는 하나 이상의 비대칭 진동 모드를 갖는, MUT들의 어레이.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서인, MUT들의 어레이.
  15. 이미징 시스템에 있어서,
    압력파를 생성하고 외부 압력파를 전기 신호로 변환하기 위한 송수신기 타일; 및
    상기 송수신기 타일을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하고,
    상기 송수신기 타일은 제11항의 상기 어레이를 포함하는, 이미징 시스템.
  16. 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT)들의 어레이에 있어서,
    제1 및 제2 행들을 갖는 2차원 어레이로 배열되는 복수의 MUT들 - 상기 제1 행 내의 MUT들은 수평 방향으로 수평 피치만큼 동일하게 이격되고, 상기 제2 행 내의 MUT들은 상기 수평 방향으로 상기 수평 피치만큼 동일하게 이격됨 - 을 포함하고,
    상기 제2 행 내의 MUT들은 상기 제1 행 내의 MUT들에 대해 제1 수평 거리만큼 상기 수평 방향을 따라 시프팅되고, 상기 제1 행 내의 MUT들에 대해 제1 수직 거리만큼 수직 방향을 따라 시프팅되고,
    상기 어레이의 동작 대역폭은 MUT들의 2차원 대칭 어레이의 동작 대역폭보다 넓고,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는 상기 수직 방향에 대해 임의의 각도만큼 회전되는, MUT들의 어레이.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는 하나 이상의 비대칭 진동 모드를 갖는, MUT들의 어레이.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 MUT들의 각 MUT는 압전 미세가공 초음파 트랜스듀서인, MUT들의 어레이.
  19. 이미징 시스템에 있어서,
    압력파를 생성하고 외부 압력파를 전기 신호로 변환하기 위한 송수신기 타일; 및
    상기 송수신기 타일을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하고,
    상기 송수신기 타일은 제16항의 상기 어레이를 포함하는, 이미징 시스템.
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