KR20230163545A - 고조파 특성들이 있는 압전 트랜시버들을 갖는 이미징 디바이스 - Google Patents

고조파 특성들이 있는 압전 트랜시버들을 갖는 이미징 디바이스 Download PDF

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KR20230163545A
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해성 권
브라이언 버컴쇼
산딥 아카라주
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엑소 이미징, 인크.
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Abstract

본 발명은 제1 압전층 및 제2 압전층을 포함하는 미세가공 초음파 변환기(MUT)에 관한 것이다. 제1 압전층은 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된다. 제2 압전층은 제2 전극과 제3 전극 사이에 배치된다. 적어도 제1 전극은 제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖고, 그 중 하나 이상은 곡률 반경(R)으로 정의된다. 제1 축에 수직한 제2 축은 제1 축의 중간 지점을 통과한다. 제1 전극의 반폭은 제2 축의 방향으로 중간 지점으로부터 제1 전극의 외주까지 측정된 길이(L)로 정의된다. 제1 축을 따라 가장 좁은 지점에서 제1 전극의 전체 폭은 최대 2L이어서 제1 전극은 오목한 형상을 갖는다. R/L이 1보다 크다.

Description

고조파 특성들이 있는 압전 트랜시버들을 갖는 이미징 디바이스
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2021년 3월 31일자로 출원된 PCT출원 제PCT/US2021/025109호의 이익을 주장하고, 또한 2021년 3월 31일자로 출원된 미국 특허출원 제17/218,656호의 이익을 주장하며, 그 내용들은 본 출원에 그들 전체가 참조로 포함되었다.
본 발명은 이미징 디바이스(imaging device)들에 관한 것으로, 특히 기본 및 고조파 주파수(fundamental and harmonic frequency)들에서 구동될 때 향상된 압력 진폭 및 주파수 응답 동작을 나타내는 미세가공 초음파 변환기(micromachined ultrasound transducer; MUT)들을 갖는 이미징 디바이스들에 관한 것이다.
인체의 내부 장기(internal organ)들을 이미징하여 내부 장기들의 이미지들을 디스플레이하기 위한 비간섭 이미징 시스템(non-intrusive imaging system)은 신호들을 인체 내로 전송하고 장기들로부터 반사된 신호들을 수신한다. 일반적으로, 이미징 시스템에 사용되는 용량성 변환기(cMUT) 또는 압전 변환기(pMUT)와 같은 변환기들은 트랜시버(transceiver)들이라고 하고 트랜시버들 중 일부는 광음향(photo-acoustic) 또는 초음파 효과들에 기초한다.
일반적으로, MUT는 2개 이상의 전극들을 포함하고 전극들의 토폴로지(topology)는 MUT의 전기적 성능 및 음향적 성능 양자에 영향을 미친다. 예를 들어, pMUT에 의해 생성된 음압(acoustic pressure)의 진폭은 전극들의 사이즈가 증가함에 따라 증가하고, 이에 의해 pMUT의 음향적 성능을 향상시킨다. 그러나, 전극들의 사이즈가 증가함에 따라, 캐패시턴스(capacitance)도 증가하여 pMUT의 전기적 성능을 저하시킨다. 다른 예시에서, pMUT의 진동 공명 주파수(vibrational resonance frequency)에서의 음압의 진폭은 전극들의 형상(shape)에 의해 영향을 받는다. 이와 같이, 변환기들의 음향적 성능 및 전기적 성능 양자를 향상시키기 위해 전극들을 설계하기 위한 방법들에 대한 필요성이 있다.
일 양태에서, 미세가공 초음파 변환기(MUT)가 개시된다. MUT는 적어도 제1 압전층 및 제2 압전층을 포함한다. 제1 압전층은 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된다. 제2 압전층은 제2 전극과 제3 전극 사이에 배치된다. 적어도 제1 전극은 제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 제1 단부 또는 제2 단부 중 하나 이상은 곡률 반경(R)으로 정의된다. 제2 축은 제1 축의 중간 지점(midpoint)을 통과하고, 제2 축은 제1 축에 수직이다. 제1 전극의 반폭(half-width)은 제2 축의 방향으로 중간 지점으로부터 제1 전극의 외주(outer perimeter)까지 측정된 길이(L)로 정의된다. 제1 축을 따라 가장 좁은 지점에서 제1 전극의 전체 폭은 최대 2L이어서 제1 전극은 오목한 형상을 갖는다. R/L은 1보다 크다.
일부 실시예들에서, 제1 축은 제1 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
일부 실시예들에서, 제2 축은 제1 전극이 가장 짧은 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
일부 실시예들에서, 압전층은 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성된다.
일 양태에서, 미세가공 초음파 변환기(MUT)가 개시된다. MUT는 M개의 압전층들을 포함하는 복수의 압전층들을 포함한다. 또한, MUT는 N개의 전극들을 포함하는 복수의 전극들을 포함한다. 인덱스(index)(m)를 갖는 복수의 압전층들 중 하나의 압전층은 인덱스(m)를 갖는 제1 전극과 인덱스(m+1)를 갖는 제2 전극 사이에 배치된다. 인덱스(m)는 압전층의 수직 거리와 연관된다. 적어도 제1 전극은 제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 제1 단부 또는 제2 단부 중 하나 이상은 곡률 반경(R)으로 정의된다. 제2 축은 제1 축의 중간 지점을 통과한다. 제2 축은 제1 축에 수직이다. 제1 전극의 반폭은 제2 축의 방향으로 중간 지점으로부터 제1 전극의 외주까지 측정된 길이(L)로 정의된다. 제1 축을 따라 가장 좁은 지점에서 제1 전극의 전체 폭은 최대 2L이어서 제1 전극은 오목한 형상을 갖는다. R/L은 1보다 크다.
일부 실시예들에서, 제1 축은 제1 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
일부 실시예들에서, 제2 축은 제1 전극이 가장 짧은 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
일부 실시예들에서, MUT는 기판 및 기판으로부터 현수되는(suspending) 멤브레인(membrane)을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 압전층은 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성된다.
일부 실시예들에서, N = M + 1이다.
일 양태에서, 미세가공 초음파 변환기(MUT)가 개시된다. MUT는 적어도 제1 압전층 및 제2 압전층을 포함한다. 제1 압전층은 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된다. 제2 압전층은 제2 전극과 제3 전극 사이에 배치된다. 적어도 제1 전극은 제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 제1 단부 또는 제2 단부 중 하나 이상은 곡률 반경(R)으로 정의된다. 제2 축은 제1 축의 중간 지점을 통과하고, 제2 축은 제1 축에 수직이다. 제1 전극의 반폭은 제2 축의 방향으로 중간 지점으로부터 제1 전극의 외주까지 측정된 길이(L)로 정의된다. 제1 축을 따라 가장 넓은 지점에서 제1 전극의 전체 폭은 적어도 L의 2배이어서 제1 전극은 볼록한 형상을 갖는다. R/L은 1보다 작다.
일부 실시예들에서, 제1 축은 제1 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
일부 실시예들에서, 제2 축은 제1 전극이 가장 짧은 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
일부 실시예들에서, MUT는 기판 및 기판으로부터 현수된 멤브레인을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 압전층은 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성된다.
일 양태에서, 미세가공 초음파 변환기(MUT)가 개시된다. MUT는 M개의 압전층들을 포함하는 복수의 압전층들을 포함한다. 또한, MUT는 N개의 전극들을 포함하는 복수의 전극들을 포함한다. 인덱스(m)를 갖는 복수의 압전층들 중 하나의 압전층은 인덱스(m)를 갖는 제1 전극과 인덱스(m+1)를 갖는 제2 전극 사이에 배치된다. 인덱스(m)는 압전층의 수직 거리와 연관된다. 적어도 제1 전극은 제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 제1 단부 또는 제2 단부 중 하나 이상은 곡률 반경(R)으로 정의된다. 제2 축은 제1 축의 중간 지점을 통과한다. 제2 축은 제1 축에 수직이다. 제1 전극의 반폭은 제2 축의 방향으로 중간 지점으로부터 제1 전극의 외주까지 측정된 길이(L)로 정의된다. 제1 축을 따라 가장 넓은 지점에서 제1 전극의 전체 폭은 적어도 L의 2배이어서 제1 전극은 볼록한 형상을 갖는다. R/L은 1보다 작다.
일부 실시예들에서, 제1 축은 제1 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
일부 실시예들에서, 제2 축은 제1 전극이 가장 짧은 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
일부 실시예들에서, MUT는 기판 및 기판으로부터 현수되는 멤브레인을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 압전층은 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성된다.
일부 실시예들에서, N = M + 1이다.
실시예들에서, 미세가공 초음파 변환기(MUT)는 상부 전극을 포함한다. 상부 전극의 형상은 주축과 부축(major and minor axis)으로 정의되고, 주축과 부축은 원점(origin point)에서 교차한다. 상부 전극의 양쪽 원위 단부들, 즉 원점으로부터 주축 방향으로 가장 먼 상부 전극의 단부들은 곡률 반경(R)으로 정의된다. 상부 전극의 특성 폭(L)은 부축 방향(즉, 주축에 수직한)에서 원점으로부터 상부 전극 외부 에지 또는 둘레까지 측정된다. 특성 폭에 대한 곡률 반경의 비율(R/L)이 1보다 크면, 상부 전극은 중심의 폭에 비해 단부들에서 더 넓고, 전극은 일반적으로 오목한 기하학적 형상을 갖는다. 특성 폭에 대한 곡률 반경의 비율(R/L)이 1보다 작을 때, 상부 전극은 중심의 폭에 비해 단부들에서 더 좁고, 전극은 일반적으로 볼록한 기하학적 형상을 갖는다. 본 명세서에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 오목한 또는 볼록한 기하학적 형상으로 구성되든, 특정 R/L 값들을 갖는 또는 특정 값 범위들 내의 전극들은 이전의 전극 형상 설계들과 비교하여 기본 및 고조파 주파수들에서 구동될 때 바람직한 압력 진폭 및 주파수 응답 동작을 나타낸다. 축을 따른 오목한 또는 볼록한 전극의 면적 밀도 분포(areal density distribution)는 복수의 국부적 최대값들(local maxima)을 갖고, 복수의 국부적 최대값들의 위치들은 진동 공진 주파수에서 복수의 안티-노달 포인트(anti-nodal point)들이 배치되는 위치들과 일치한다.
실시예들에서, 미세가공 초음파 변환기(MUT)는 대칭적인 볼록한 상부 전극(symmetric convex top electrode)을 포함한다. 축을 따른 대칭적인 볼록한 전극의 면적 밀도 분포는 복수의 국부적 최대값들을 갖고, 복수의 국부적 최대값들의 위치들은 진동 공명 주파수에서 복수의 안티-노달 포인트들이 배치되는 위치들과 일치한다.
실시예들에서, 변환기 어레이는 복수의 미세가공 초음파 변환기(MUT)들을 포함한다. 복수의 MUT들 각각은 대칭적인 볼록한 상부 전극을 포함한다.
실시예들에서, 이미징 디바이스는 복수의 미세가공 초음파 변환기(MUT)들을 갖는 변환기 어레이를 포함한다. 복수의 MUT들 각각은 대칭적인 볼록한 상부 전극을 포함한다. 축을 따른 대칭적인 볼록한 전극의 면적 밀도 분포는 복수의 국부적 최대값들을 갖고 복수의 국부적 최대값들의 위치들은 진동 공명 주파수에서 복수의 안티-노달 포인트들이 배치되는 위치들과 일치한다.
실시예들에서, 미세가공 초음파 변환기(MUT)는 대칭적인 오목한 상부 전극을 포함한다. 축을 따른 대칭적인 오목한 전극의 면적 밀도 분포는 복수의 국부적 최대값을 갖고, 복수의 국부적 최대값들의 위치들은 진동 공명 주파수에서 복수의 안티-노달 포인트들이 배치되는 위치들과 일치한다.
실시예들에서, 변환기 어레이는 복수의 미세가공 초음파 변환기(MUT)들을 포함한다. 복수의 MUT들 각각은 대칭적인 오목한 상부 전극을 포함한다.
실시예들에서, 이미징 디바이스는 복수의 미세가공 초음파 변환기(MUT)들을 갖는 변환기 어레이를 포함한다. 복수의 MUT들 각각은 대칭적인 오목한 상부 전극을 포함한다. 축을 따른 대칭적인 오목한 전극의 면적 밀도 분포는 복수의 국부적 최대값들을 갖고, 복수의 국부적 최대값들의 위치들은 진동 공명 주파수에서 복수의 안티-노달 포인트들이 배치되는 위치들과 일치한다.
제1 양태에서, 미세가공 초음파 변환기(MUT)가 제공된다. MUT는 제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는 제1 전극을 포함한다. 제1 단부 또는 제2 단부 중 하나 이상은 곡률 반경(R)으로 정의된다. 제2 축은 제1 축의 중간 지점을 통과하고, 제2 축은 제1 축에 수직이다. 제1 전극의 반폭은 제2 축의 방향으로 중간 지점으로부터 제1 전극의 외주까지 측정된 길이(L)로 정의된다. 제1 축을 따라 가장 넓은 지점에서 제1 전극의 전체 폭은 적어도 L의 2배이어서 제1 전극은 볼록한 형상을 갖고 R/L이 1보다 작다.
실시예들에서, MUT는 용량성 미세가공 초음파 변환기(cMUT)이다.
실시예들에서, MUT는 압전 미세가공 초음파 변환기(pMUT)이다.
실시예들에서, 제1 축은 제1 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
실시예들에서, 제2 축은 제1 전극이 가장 짧은 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
실시예들에서, MUT는 기판; 기판으로부터 현수되는 멤브레인; 멤브레인 상에 배치된 제2 전극; 및 제1 전극 또는 제2 전극 중 하나 이상에 배치된 압전층을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 압전층은 제2 전극 상에 배치된 제1 압전층을 포함한다. 일부 실시예들에서, MUT는 제1 압전층 상에 배치된 제3 전극; 및 제3 전극 상에 배치된 제2 압전층을 더 포함하고, 제1 전극은 제2 압전층 상에 배치된다. 실시예들에서, 압전층은 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성된다.
다른 양태에서, 이미징 디바이스가 제공된다. 이미징 디바이스는 복수의 미세가공 초음파 변환기(MUT)들을 포함하는 변환기 어레이를 포함하고, 복수의 MUT들 각각은 볼록한 전극을 포함한다.
다른 양태에서, MUT가 제공된다. MUT는 제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는 제1 전극을 포함한다. 제1 단부 또는 제2 단부 중 하나 이상은 곡률 반경(R)으로 정의된다. 제2 축은 제1 축의 중간 지점을 통과하고, 제2 축은 제1 축에 수직이다. 제1 전극의 반폭은 제2 축의 방향으로 중간 지점으로부터 제1 전극의 외주까지 측정된 길이(L)로 정의된다. 제1 축을 따라 가장 좁은 지점에서 제1 전극의 전체 폭은 2L보다 적으므로 제1 전극은 오목한 형상을 갖고 R/L은 1보다 크다.
실시예들에서, MUT는 용량성 미세가공 초음파 변환기(cMUT)이다.
실시예들에서, MUT는 압전 미세가공 초음파 변환기(pMUT)이다.
실시예들에서, 제1 축은 제1 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
실시예들에서, 제2 축은 제1 전극이 가장 짧은 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
실시예들에서, MUT는 기판; 기판으로부터 현수되는 멤브레인; 멤브레인 상에 배치된 제2 전극; 및 제1 전극 또는 제2 전극 중 하나 이상에 배치된 압전층을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 압전층은 제2 전극 상에 배치된 제1 압전층을 포함한다. 일부 실시예들에서, MUT는 제1 압전층 상에 배치된 제3 전극; 및 제3 전극 상에 배치된 제2 압전층을 더 포함하고, 제1 전극은 제2 압전층 상에 배치된다. 실시예들에서, 압전층은 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성된다.
다른 양태에서, 이미징 디바이스가 제공된다. 이미징 디바이스는 복수의 미세가공 초음파 변환기(MUT)들을 포함하는 변환기 어레이를 포함하고, 복수의 MUT들 각각은 오목한 전극을 포함한다.
참조에 의한 통합
본 명세서에서 언급된 모든 간행물들, 특허들, 및 특허 출원들은 각각의 개별 간행물, 특허, 또는 특허 출원이 참조에 의해 포함되는 것으로 특정하고 그리고 개별적으로 지시된 경우와 동일한 정도로 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명의 실시예들에 대한 참조들이 이루어질 것이며, 그 예시들은 첨부된 도면들에 도시될 수 있다. 이 도면들은 예시를 위한 것으로, 제한하는 것은 아니다. 본 발명은 일반적으로 이러한 실시예들의 맥락에서 설명되지만, 본 발명의 범위를 이러한 특정 실시예들에 제한하려는 의도는 없다는 점을 이해해야 한다.
도면(또는 "도") 1은 본 개시 내용의 실시예들에 따른 이미징 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 이미저(imager)의 개략도를 도시한다.
도 3a는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 트랜시버 어레이(transceiver array)의 측면도를 도시한다.
도 3b는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 트랜시버 타일(transceiver tile)의 상면도를 도시한다.
도 4a는 본 개시 내용의 실시예들에 따른, 도 4b 및 도 4d의 방향 4-4를 따라 취한, 오목한 또는 볼록한 MUT에 적용 가능한 MUT의 단면도를 도시한다.
도 4b는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 오목한 MUT의 상면도를 도시한다.
도 4c는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 오목한 MUT의 대안적인 상면도를 도시한다.
도 4d는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 볼록한 MUT의 상면도를 도시한다.
도 4e는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 볼록한 MUT의 대안적인 상면도를 도시한다.
도 4f는 본 개시 내용의 실시예들에 따른, 도 4b 및 도 4d의 방향 4-4를 따라 취한, 오목한 또는 볼록한 MUT에 적용 가능한 다른 MUT의 단면도를 도시한다.
도 4g는 다수의 압전층들을 갖는 pMUT의 단면도를 도시한다.
도 4h는 반경(R)과 특성 반폭이 보이도록 표시된 도 4g의 단면의 보조 단면을 도시한다.
도 5a는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 오목한 구성을 갖는 MUT의 음향 응답의 플롯을 도시한다.
도 5b는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 볼록한 구성을 갖는 MUT의 음향 응답의 플롯을 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 오목한 및 볼록한 MUT들의 진동 모드 형상들을 도시한다.
도 7a는 단일-층 pMUT 디바이스들의 주파수 응답들과 비교하여 이중-층 pMUT의 주파수 응답의 플롯을 도시한다.
도 7b는 볼록한 형상의 전극들을 갖는 이중-층 pMUT의 주파수 응답과 비교하여 오목한 형상의 전극들을 갖는 이중-층 pMUT의 주파수 응답의 플롯을 도시한다.
도 7c는 볼록한 형상의 전극들을 갖는 이중-층 pMUT의 주파수 응답과 비교하여 볼록한 형상의 전극들을 갖는 이중-층 pMUT의 주파수 응답의 플롯을 도시한다.
하기 설명에서, 설명의 목적을 위해, 특정 세부 사항들은 본 개시 내용의 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 본 개시 내용이 이 세부 사항들 없이 실시될 수 있다는 점은 당업자에게는 명백할 것이다. 또한, 당업자는 하기에서 설명되는 본 개시 내용의 실시예들이 프로세스, 장치, 시스템, 또는 디바이스와 같은 다양한 방식들로 구현될 수 있다는 점을 인식할 것이다.
도면들에 도시된 요소들/구성 요소들은 본 개시 내용의 예시적인 실시예들의 예시이며 본 개시 내용을 모호하게 하는 것을 회피하도록 의미된다. "일 실시예", "적합한 실시예", "실시예", 또는 "실시예들"에 대한 명세서에서의 참조는 실시예와 관련하여 설명되는 특정 특징, 구조, 특성, 또는 기능이 본 개시 내용의 적어도 하나의 실시예에 포함되고 하나보다 많은 실시예에 있을 수 있다는 점을 의미한다. 명세서의 다양한 위치들에서 "일 실시예에서", "실시예에서", 또는 "실시예들에서"의 문구들의 출현들은 반드시 모두 동일한 실시예 또는 실시예들을 참조하는 것은 아니다. 용어들 "포함한다(include)", "포함하는", "포함한다(comprise)", 및 "포함하는"은 개방형 용어들로 이해되어야 하고 그에 따르는 임의의 목록들은 예시들이며 열거된 항목들에 제한되도록 의미하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 임의의 표제(heading)들은 조직적 목적들만을 위한 것이며 상세한 설명 또는 청구범위의 범위를 제한하기 위해 사용되어서는 안된다. 더욱이, 명세서의 다양한 위치들에서의 특정 용어들의 사용은 예시를 위한 것이며 제한적으로 해석되어서는 안된다.
개요(Overview)
다층 미세가공 초음파 변환기(MUT)가 개시된다. 다층 MUT는 압전층들이 전극들의 세트들 사이에 "샌드위치(sandwiched)"되는 방식으로, 서로 적층된 다수의 교번 압전층들 및 전극들(따라서, 다층 pMUT)을 포함할 수 있다. 따라서, 상부 층 또는 하부 층이 아닌 특정 전극은 제1 압전층 위와 제2 압전층 아래에 배치될 수 있는 2개의 압전층들에 의해 공유될 수 있다.
본 명세서에 개시된 특정 MUT 디바이스들이 2개의 압전층들과 3개의 전도성 층들, 또는 전극들을 포함하는 이중-층(dual-layer)이지만, 추가 층들을 갖는 MUT 디바이스들이 설계될 수 있다. 층들의 수가 증가함에 따라, 디바이스의 성능은 향상될 수 있다. 그러나, 층들의 수가 너무 많으면, 디바이스 내의 캐패시턴스는 증가할 수 있다. 그 결과, 신호 입력의 상승 시간이 느려져 성능을 저하시킬 수 있다. 일반적으로 M개의 압전층들을 갖는 MUT 디바이스는 N개의 전도성 층들을 가질 수 있고, 여기서 N은 M+1과 같다.
압전 변환기는 음파(acoustic wave)들을 매체(medium)에 전송하고 매체로부터 음파들을 수신하여 수신된 파형들을 전기 신호들로 변환할 수 있다. 압전 재료는 기계적으로 스트레스를 받으면 전하를 축적한다. 압전 재료는 또한 역압전 효과(reverse piezoelectric effect)도 나타낸다. 전기장이 압전 재료에 인가되면, 인가된 전기장은 기계적 변형(strain)을 일으킨다. 따라서, 압전 변환기가 교류(AC) 전압을 인가하여 전송(Tx) 모드로 구동되면, 진동 전압은 압전층을 진동시켜 음파를 생성하다. 이 파형은 압전층 아래에 배치된 기판층 내에서 공진하여 전송 전에 음파의 출력 전력을 증가시킬 수 있다. 수신(Rx) 모드에서 반사된 음파는 압전층에 기계적 스트레스를 발생시켜 전하를 축적하게 한다. 축적된 전하는 이미징 디바이스에서 판독될 수 있는 전기 신호를 생성할 수 있다.
추가 압전층들로 MUT 변환기를 보강하는 것은 AC 전압에 의해 스트레스를 받을 때 더 많은 진동을 생성하여 생성된 음파의 파워를 증가시킬 수 있고, 수신된 음파로부터의 스트레스에 반응하여 더 많은 전하를 축적할 수 있다. 따라서, 이러한 디바이스들은 단일-층 디바이스들보다 더 강력하고 더 민감할 수 있다.
따라서, 다수의 압전층들을 갖는 디바이스는 더 큰 출력 전력을 갖는 음파들을 생성할 수 있다. 다층 pMUT에 전압이 인가될 때 더 많은 진동이 생성되므로, 더 강력한 음파들이 생성될 수 있다. 반대로, 입사파(incident wave)는 다수의 압전층들에 스트레스를 주어 더 큰 신호를 생성할 수 있다.
추가 압전층들을 구현하는 것 이외에, 개시된 MUT 디바이스는 기본 주파수들 및 고조파들에서 구동될 때 바람직한 압력 진폭 및 주파수 응답을 나타내도록 형성되는 볼록한 또는 오목한 전극들을 사용할 수 있다.
본 개시 내용은 고주파수들에서 향상된 성능에 관한 정보를 제공할 수 있는 엔지니어링 파라미터(engineering parameter)인 MUT 종횡비(aspect ratio)를 정의한다. 종횡비는 전극의 긴 변의 길이를 그 특성 반폭(characteristic half-width)(전극의 중간 지점에서의 전극의 짧은 변의 폭)의 두 배로 나누어 계산할 수 있다. 따라서, 동일한 사이즈의 전극들의 경우, 볼록한 전극은 오목한 전극보다 더 작은 종횡비를 가질 수 있다.
본 개시 내용은 특정 종횡비들을 갖는 다층 MUT들이 증가된 음파 전력을 나타낼 수 있고, 따라서 고주파수에서 더 양호한 성능을 나타낼 수 있음을 제안한다. 다른 오목형 pMUT보다 더 큰 종횡비를 갖는 본 명세서에 개시된 다층 오목한 pMUT는 고주파수들에서 더 양호한 성능을 갖는 것으로 나타났다. 이 결과는 오목한 pMUT들에서 증가된 R/L와 향상된 고주파수 성능 사이의 일반적인 관계와 일치한다.
다층 MUT 디바이스
본 명세서에는 압전 MUT(pMUT 디바이스)일 수 있는 미세가공 초음파 변환기(MUT)가 개시된다.
MUT 디바이스는 적어도 2개의 압전층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, MUT 디바이스는 적어도 3개의 층들, 적어도 4개의 층들, 적어도 5개의 층들, 적어도 6개의 층들, 적어도 10개의 층들을 포함할 수 있다. MUT 디바이스는 최대 3개의 층들, 또는 최대 4개의 층들, 또는 최대 5개의 층들, 또는 최대 6개의 층들, 또는 최대 10개의 층들을 포함할 수 있다. MUT 디바이스는 3개와 6개 사이의 층들, 또는 4개와 7개 사이의 층들, 또는 5개와 8개 사이의 층들, 또는 6개와 9개 사이의 층들, 또는 7개와 10개 사이의 층들을 포함할 수 있다. 압전층들은 균일한 두께를 가질 수 있다. 압전층들은 두께가 균일하지 않을 수 있다. 압전층들은 모두 두께가 다를 수 있다. 압전층들의 서브세트(subset)들은 동일한 두께를 가질 수 있지만 다른 서브세트들과 두께가 다를 수 있다.
압전층은 두 개의 전극들, 즉 상부의 제2 전극과 하부의 제1 전극 사이에 배치될 수 있다. 디바이스 내의 각 압전층은 이러한 방식으로 2개의 전극들 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 층들이 전극들을 공유할 수 있으므로, 디바이스는 압전층들보다 하나 더 많은 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, MUT 디바이스는 적어도 3개의 전극들, 적어도 4개의 전극들, 적어도 5개의 전극들, 적어도 6개의 전극들, 적어도 10개의 전극들을 포함할 수 있다. MUT 디바이스는 최대 3개의 전극들, 또는 최대 4개의 전극들, 또는 최대 5개의 전극들, 또는 최대 6개의 전극들, 또는 최대 10개의 전극들을 포함할 수 있다. MUT 디바이스는 3개와 6개 사이의 전극들, 또는 4개와 7개 사이의 전극들, 또는 5개와 8개 사이의 전극들, 또는 6개와 9개 사이의 전극들, 또는 7개와 10개 사이의 전극들, 또는 8개와 11개 사이의 전극들을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 적어도 제1 전극은 제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 일부 실시예에서, 전극들 모두는 제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 다른 실시예들에서, 전극들의 절반 미만은 제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 다른 실시예들에서, 전극들의 절반 이상, 그러나 전체보다 적은 수는 제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는다.
전극 또는 전극들의 제1 단부 또는 전극 또는 전극들의 제2 단부 중 하나 이상은 곡률 반경(R)으로 정의될 수 있다. 제1 단부와 제2 단부는 원의 일부와 같은 형상일 수 있다. 제1 단부와 제2 단부는 동일한 곡률 반경(R)을 가질 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 제1 단부 및/또는 제2 단부는 타원형, 삼각형, 정사각형, 또는 직사각형의 부분들과 같은 형상을 추가로 가질 수 있지만, MUT의 성능을 저하시킬 수 있는 날카로운 에지를 사용하지 않을 수 있다. 제1 단부 및/또는 제2 단부는 상이하게 형성될 수 있다. 전극들은 모두 동일한 형상을 가질 수 있다. 다중 전극 MUT의 일부 전극들은 동일한 형상을 가질 수 있고 다른 전극들은 다른 형상일 수 있다. 전극들의 일부 또는 모두는 각각 다양한 형상들일 수 있다.
제1 축과 제2 축은 서로 수직 또는 서로에 대해 수직할 수 있다. 제2 축은 제1 축의 중간 지점을 통과할 수 있고, 및/또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
다층 MUT는 성능을 향상시키기 위해 특정 형상들을 갖는 전극들을 포함할 수 있다. MUT 전극은 긴 변과 짧은 변을 갖는 실질적으로 난형(ovular) 또는 장방형(oblong)일 수 있다. 전극의 폭은 전극의 긴 측면을 양분하는 축을 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 중간 지점에 가까울수록 전극은 긴 단부들보다 얇아서 오목한 형상을 만들 수 있다. 다른 실시예들에서, 전극은 긴 단부들보다 중간에서 더 두꺼워 볼록한 형상을 만들 수 있다.
전극의 반폭은 제2(또는 짧은) 축의 방향으로 중간 지점으로부터 전극의 외주까지 측정된 길이(L)로 정의될 수 있다. 전극들 모두는 동일한 L을 가질 수 있다. 전극들 중 한 세트는 동일한 L을 가질 수 있는 반면, 다른 전극들은 L에 대해 다양한 값을 가질 수 있다. 부가로, 전극들 중 일부 또는 모두는 L의 다수의 다양한 값들을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 축을 따라 가장 좁은 지점에서 전극의 전체 폭은 2L보다 작아서 전극은 오목한 형상을 갖는다. 전극은 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 제7, 제8, 제9, 제10, 또는 제11 전극 중 하나일 수 있다. 전극은 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 제7, 제8, 제9, 제10, 또는 제11 전극들 중 하나 이상일 수 있지만 전체보다는 작을 수 있다. 전극들 모두는 동일한 오목한 형상을 가질 수 있고, 그들의 제1 축들을 따라 가장 좁은 지점들에서의 전체 폭은 2L보다 작다.
일부 실시예들에서, 제1 축을 따라 가장 넓은 지점에서 전극의 전체 폭은 적어도 L의 2배이어서 전극은 볼록한 형상을 갖는다. 전극은 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 제7, 제8, 제9, 제10, 또는 제11 전극들 중 하나일 수 있다. 전극은 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 제7, 제8, 제9, 제10, 또는 제11 전극들 중 하나 이상일 수 있지만, 전체보다는 작을 수 있다. 전극들 모두는 동일한 볼록한 형상을 가질 수 있고, 그들의 제1 축들을 따라 가장 넓은 지점들에서 전체 폭들은 L의 2배보다 클 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 전극들은 대칭적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 전극은 제1 축 및/또는 제2 축에 대해 비대칭적일 수 있다.
전극이 볼록한 형상을 갖는 실시예들에서, R 대 L의 비율은 1보다 작을 수 있다. 예를 들어, 비율은 0.01보다 작고, 0.1보다 작고, 0.2보다 작고, 0.3보다 작고, 0.4보다 작고, 0.5보다 작고, 0.6보다 작고, 0.7보다 작고, 0.8보다 작고, 0.9보다 작고, 0.99보다 작고, 또는 0.999보다 작을 수 있다. 비율은 약 0.01보다 크고, 0.1보다 크고, 0.2보다 크고, 0.3보다 크고, 0.4보다 크고, 0.5보다 크고, 0.6보다 크고, 0.7보다 크고, 0.8보다 크고, 0.9보다 크고, 0.99보다 크고, 또는 0.999보다 클 수 있다. 비율은 0과 0.1 사이, 0.1과 0.2 사이, 0.2와 0.3 사이, 0.3과 0.4 사이, 0.4와 0.5 사이, 0.5와 0.6 사이, 0.6과 0.7 사이, 0.7과 0.8 사이, 0.8과 0.9 사이, 및 0.9와 1 사이일 수 있다.
전극이 오목한 형상을 갖는 실시예들에서, R 대 L의 비율은 1보다 클 수 있다. 예를 들어, 비율은 1.01보다 작고, 1.1보다 작고, 1.2보다 작고, 1.3보다 작고, 1.4보다 작고, 1.5보다 작고, 2보다 작고, 5보다 작고, 10보다 작고, 25보다 작고, 50보다 작고, 또는 100보다 작을 수 있다. 비율은 약 1.01보다 크고, 1.1보다 크고, 1.2보다 크고, 1.3보다 크고, 1.4보다 크고, 1.5보다 크고, 2보다 크고, 5보다 크고, 10보다 크고, 25보다 크고, 50보다 크고, 또는 100보다 클 수 있다. 비율은 1.0과 1.1 사이, 1.1과 1.2 사이, 1과 2 사이, 2와 5 사이, 5와 10 사이, 10과 25 사이, 25와 50 사이, 또는 50과 100 사이일 수 있다.
일부 실시예들에서, MUT는 또한 기판과 기판으로부터 현수되는 멤브레인을 포함한다. 기판은 반도체 재료를 포함할 수 있고, 또는 반도체 재료와 절연 재료의 다중 교번 층들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 기판은 실리콘 층을 포함할 수 있다. 기판은 또한 실리콘과 이산화규소의 교번 층들(즉, 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator: SOI) 기판)을 포함할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 기판은 게르마늄, 실리콘-게르마늄, 탄소 도핑 실리콘, 탄소 도핑 실리콘-게르마늄, 또는 다른 재료와 같은 반도체 재료들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판은 MUT의 교번 압전층들 및 전극들 아래에 배치된 캐비티(cavity)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 멤브레인은 음파의 전송 및 수신을 지원하도록 구성된 실리콘 층일 수 있다. 멤브레인은 AC 전압이 압전 소자들에 인가된 후, 압전 소자들로부터의 움직임에 반응하여 진동할 수 있고, 이는 결과적으로 대상체에 전송되는 음파를 생성할 수 있다. 음파가 반사되면, 음파는 멤브레인을 교란시켜 압전층에 스트레스를 가하여 전기 신호를 생성할 수 있다. 이러한 전기 신호들은 이미징 디바이스에 제공될 수 있다.
본 개시 내용의 실시예들에서, 제1 축은 전극의 가장 긴 치수를 따라 연장한다. 본 개시 내용의 실시예들에서, 제2 축은 전극의 가장 짧은 치수를 따라 연장한다.
본 개시 내용의 실시예들에서, 적어도 하나의 압전층은 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로서 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 압전 재료들 모두는 동일한 재료로 형성된다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 압전층은 전술한 재료들 중 하나의 복합체이다. 일부 실시예들에서, 제1 복수의 압전층들은 하나의 재료로 형성될 수 있고, 제2 복수의 압전층들은 다른 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 압전층들 모두는 이질적이다. 일부 실시예에서, 제1 복수의 압전층들은 균질하고(homogeneous), 제2 복수의 압전층들은 이질적이다(heterogeneous).
본 개시 내용의 실시예들에서, MUT 디바이스는 M개의 압전층들을 가질 수 있다. MUT 디바이스는 N개의 전극들을 가질 수 있다. 압전층이 2개의 전극들 사이에 "샌드위치"될 수 있고, 수 N은 M + 1과 같을 수 있다. 일반적으로, M-압전층 MUT 디바이스의 경우, 압전층을 1에서 M까지 인덱스할 수 있고, 여기서 1은 기판에 가장 가까운 층이고 M은 기판에서 가장 먼 층이다. 이 세트에서 압전층(m)의 경우, 인접한 전극들은 각각 기판에 더 가까운 전극과 더 먼 전극에 대해 m 및 m+1로 인덱스될 수 있다. 예를 들어, 제2 압전층에는 2의 인덱스가 제공될 수 있고, 그 아래와 위의 전극들은 각각 2와 3으로 인덱스될 수 있다.
도면들의 설명
도 1은 본 개시 내용의 실시예들에 따른 이미징 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 전송 모드/프로세스에서 심장과 같은 내부 장기(internal organ)(112)를 향해 압력파(pressure wave)들(122)을 생성하여 전송하고 내부 장기로부터 반사된 압력파들을 수신하는 이미저(imager)(120); 및 통신 채널(130)을 통해 이미저에 신호들을 전송하고 수신하는 디바이스(102)를 포함할 수 있다. 실시예들에서, 내부 장기(112)는 압력파들(122)의 일부를 이미저(120)를 향해 반사할 수 있고, 이미저(120)는 수신 모드/프로세스에서 반사된 압력파들을 캡처하여 전기 신호들을 생성할 수 있다. 이미저(120)는 전기 신호들을 디바이스(102)와 통신할 수 있고 디바이스(102)는 전기 신호들을 사용하여 디스플레이/스크린(104) 상에 장기 또는 타겟(target)의 이미지들을 디스플레이할 수 있다.
실시예들에서, 이미저(120)는 또한 동물의 내부 장기들의 이미지를 얻기 위해 사용될 수도 있다. 이미저(120)는 또한, 도플러 모드 이미징(Doppler mode imaging)에서와 같이 동맥(artery)들 및 정맥(vein)들에서의 혈류(blood flow)의 방향과 속도를 결정하고 또한 조직 경도(tissue stiffness)를 측정하기 위해 사용될 수도 있다. 실시예들에서, 압력파(122)는 인간/동물 몸체를 통해 이동할 수 있고 내부 장기들, 조직들 또는 동맥들과 정맥들에 의해 반사될 수 있는 음파(acoustic wave)들일 수 있다.
실시예들에서, 이미저(120)는 휴대형 디바이스일 수 있고, (802.11 프로토콜과 같은 프로토콜을 사용하여) 무선으로 또는 (USB 2, USB 3, USB 3.1, USB-C, 및 USB 선더볼트와 같은) 케이블을 통해, 신호들을 통신 채널(130)을 통해 디바이스(102)와 통신할 수 있다. 실시예들에서, 디바이스(102)는 사용자에게 이미지들을 디스플레이할 수 있는 셀 폰 또는 아이패드와 같은 모바일 디바이스, 또는 고정형 컴퓨팅 디바이스일 수 있다.
실시예들에서, 하나 이상의 이미저는 타겟 장기의 이미지를 전개(develop)하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 이미저는 타겟 장기를 향해 압력파들을 전송할 수 있는 한편 제2 이미저는 타겟 장기로부터 반사된 압력파들을 수신하여 수신된 파형들에 응답하여 전하(electrical charge)들을 전개할 수 있다.
도 2는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 이미저(120)의 개략도를 도시한다. 실시예들에서, 이미저(120)는 초음파 이미저일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이미저(120)는 압력파들을 전송하고 수신하기 위한 트랜시버 타일(transceiver tile)(들)(210); 압력파들의 전파 방향(propagation direction)을 설정하고 및/또는 압력파들을 포커싱하기 위한 렌즈로서 작동하고 또한 트랜시버 타일과 인체(110) 사이의 음향 임피던스 계면(acoustic impedance interface)으로서 기능하는 코팅층(들)(212); 트랜시버 타일(들)(210)을 제어하기 위한 그리고 범프(bump)들에 의해 트랜시버 타일(210)에 커플링되는 ASIC 칩(또는, 줄여서 ASIC)과 같은 제어 유닛(202); 이미저(120)의 구성 요소들을 제어하기 위한 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array; FPGA)들(214); 신호들을 프로세싱/컨디셔닝하기 위한, 아날로그 프론트 엔드(Analogue Front End; AFE)와 같은 회로(들)(215); 트랜시버 타일들(210)에 의해 생성되어 회로(215)를 향해 전파되는 파형들을 흡수하기 위한 음향 흡수기층(acoustic absorber layer)(203); 하나 이상의 포트(216)를 통해, 디바이스(102)와 같은 외부 디바이스와 데이터를 통신하기 위한 통신 유닛(208); 데이터를 저장하기 위한 메모리(218); 이미저의 구성 요소들에 전력을 제공하기 위한 배터리(206); 및 선택적으로 타겟 장기들의 이미지들을 디스플레이하기 위한 디스플레이(217)를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 디바이스(102)는 디스플레이/스크린을 가질 수 있다. 그러한 경우, 디스플레이는 이미저(120)에 포함되지 않을 수 있다. 실시예들에서, 이미저(120)는 디바이스(102)로부터 포트들(216) 중 하나를 통해 전력을 수신할 수 있다. 그러한 경우, 이미저(120)는 배터리(206)를 포함하지 않을 수 있다. 이미저(120)의 구성 요소들 중 하나 이상은 하나의 일체형 전기 요소로 결합될 수 있다는 점에 유념해야 한다. 마찬가지로, 이미저(120)의 각 구성 요소는 하나 이상의 전기 요소로 구현될 수 있다.
실시예들에서, 사용자는 코팅층(212)과 인체(110) 사이의 계면에서의 임피던스 매칭(impedance matching)이 향상될 수 있도록, 즉 계면에서의 압력파(122)의 손실이 감소되고 이미저(120)를 향해 이동하는 반사된 파형의 손실이 또한 계면에서 감소되도록 인체(110)가 코팅층(212)과 직접 접촉을 이루기 전에 인체(110)의 피부에 젤(gel)을 도포할 수 있다. 실시예들에서, 트랜시버 타일들(210)은 기판 상에 장착될 수 있고 음향 흡수기층에 부착될 수 있다. 이층은, 그렇지 않으면 반사될 수 있고 이미지의 품질에 영향을 미칠 수 있는, 반대 방향으로 방출되는 임의의 초음파 신호들을 흡수한다.
아래에서 논의되는 바와 같이, 코팅층(212)은 변환기로부터 신체로의 및 그 반대로의 음향 신호들의 전송을 최대화하기 위해 평평한 매칭층(flat matching layer)만일 수 있다. 빔 포커스는, 제어 유닛(202)에서 전자적으로 구현될 수 있기 때문에, 이 경우에 필요하지 않는다. 이미저(120)는 장기(112)의 이미지를 생성하기 위해 반사된 신호를 사용할 수 있고 결과들은 장기(112)의 이미지들과 함께 또는 장기(112)의 이미지들 없이 도시되는 그래프들, 도표들, 및 통계자료(statistics)들과 같은 다양한 포맷으로 스크린 상에 디스플레이될 수 있다.
실시예들에서, ASIC와 같은 제어 유닛(202)은 트랜시버 타일들과 함께 하나의 유닛으로 조립될 수 있다. 다른 실시예들에서, 제어 유닛(202)은 이미저(120) 외측에 배치될 수 있고 케이블을 통해 트랜시버 타일(210)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 실시예들에서, 이미저(120)는 구성 요소들(202 내지 215)을 둘러싸는(enclose) 하우징 및 구성 요소들에 의해 생성되는 열 에너지를 방산(dissipate)하기 위한 방열 메커니즘(heat dissipation mechanism)을 포함할 수 있다.
도 3a는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 트랜시버 어레이(200)의 측면도를 도시한다. 도 3b는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 트랜시버 타일(210)의 상면도를 도시한다. 실시예들에서, 어레이(200)는 하나 이상의 트랜시버 타일(210)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 트랜시버 어레이(200)는 미리 결정된 방식으로 배열된 하나 이상의 트랜시버 타일(210)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 트랜시버 타일들(또는, 줄여서 타일들)(210)은 커브형 트랜시버 어레이를 또한 형성하기 위해 물리적으로 구부러져서 이미저(120)에 배치될 수 있다. 이미저(120)가 임의의 적절한 수의 타일들을 포함할 수 있고 타일들이 임의의 적절한 방식으로 배열될 수 있으며, 각각의 타일(210)이 트랜시버 기판(304) 상에 배치되는 본 명세서에 더 상세히 설명된 바와 같은 오목한 또는 볼록한 형상을 갖는 임의의 적절한 수의 압전 소자들(302)을 포함할 수 있다는 점이 당업자에게는 명백하게 나타날 것이다. 기판(304) 상에는, 하나 또는 다수의 온도 센서(320)가 작동 중에 트랜시버 타일(210)의 온도를 모니터링하기 위해 배치될 수 있다. 실시예들에서, 트랜시버 어레이(200)는 기판으로부터 제조된 미세가공 어레이일 수 있다.
도 4a는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 MUT(400)의 단면도를 도시한다. 도 4a의 단면도는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 오목한 또는 볼록한 MUT에 적용가능하다. 도시된 바와 같이, 오목한 또는 볼록한 MUT는 기판(402)으로부터 현수된(suspend) 멤브레인층(membrane layer)(406); 멤브레인층(또는, 줄여서 멤브레인)(406) 상에 배치된 하부 전극(O)(408); 하부 전극(O)(408) 상에 배치된 압전층(410); 및 압전층(410) 상에 배치된 제2(즉, 상부) 전극(X)(412)을 포함할 수 있다.
실시예들에서, 기판(402)과 멤브레인(406)은 하나의 모놀리식 바디(monolithic body)일 수 있고 캐비티(cavity)(404)는 멤브레인(406)을 한정하기 위해 형성될 수 있다. 실시예들에서, 캐비티(404)는 멤브레인(406)의 진동을 제어하기 위해 미리 결정된 압력의 가스 또는 음향 감쇠 재료(acoustic damping material)로 채워질 수 있다. 실시예들에서, 상부 전극(412)의 투영 영역(projection area)의 기하학적 형상은 MUT(400)의 동적 성능 및 캐패시턴스 크기를 제어하기 위해 특징적인 기하학적 파라미터들을 갖는 일반적으로 오목한 또는 볼록한 형상으로 구성될 수 있다.
실시예들에서, 각 MUT(400)는 pMUT일 수 있고, PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성된 압전층을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 각 MUT(400)는 cMUT일 수 있다.
실시예들에서, 각 MUT(400)는 추가 전극들 및/또는 PZE 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4f에 도시된 바와 같이, MUT(400)(오목한, 볼록한, 또는 원하는 다른 형상일 수 있음)는 기판(402)으로부터 현수된 멤브레인층(406); 멤브레인층(또는, 줄여서 멤브레인)(406) 상에 배치된 제1 전극(O)(408); 제1 전극(O)(408) 상에 배치된 제1 압전층(410); 제1 압전층(410)에 배치된 제2 전극(414); 제2 전극(414) 상에 배치된 제2 압전층(410); 및 제2 압전층(410) 상에 배치된 제3 전극(X)(412)을 포함할 수 있다. 추가 압전층들(410) 및 전극들은 원하는 대로 부가될 수 있다. 적어도 일부 예시들에서, 추가 압전층들 및/또는 전극들(즉, "샌드위치되는" 전극들과 압전층들을)을 부가하는 것은 MUT(400)의 진폭/dB 출력을 증가시킨다.
도 4b 내지 도 4e 및 도 4g 내지 도 4h에서, 각각의 MUT(400)는 오목한 또는 볼록한 형상을 갖는 것으로 도시되어 있다. 실시예들에서, 각각의 오목한 MUT는 MUT(400)의 상부에서 볼 때 오목한 형상을 갖는 상부 전극을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 각각의 볼록한 MUT는 MUT(400)의 상부에서 볼 때 볼록한 형상을 갖는 상부 전극을 포함할 수 있다. 이하에서, 상부 전극(412)의 형상이라는 용어는 상부 전극을 x-y 평면상으로 투영하여 얻어진 상부 전극의 2차원 형상을 지칭한다. 또한, 상부 전극의 형상은 이 형상이 두 라인들(450, 452)에 대하여 대칭인 경우 대칭이라 하고, 여기서 라인들(450, 452)은 각각 x축과 y축에 평행하고, x축 상에서 상부 전극의 중간 지점을 통과한다. 또한, 이하에서, 본 명세서에서 주축이라고도 하는 x축은 상부 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다. 또한 본 명세서에서 부축이라고도 하는 y축은 x-y 평면에서 x축 또는 주축에 수직인 방향을 따라, 상부 전극이 가장 짧은 치수를 갖는 방향을 따라 연장한다.
도 4b 내지 도 4c 및 도 4g 내지 도 4h의 오목한 MUT인지 또는 도 4d 내지 도 4e의 볼록한 MUT인지에 대해, 상부 전극의 형상은 주축과 부축으로 정의되고, 여기서 주축과 부축은 원점에서 교차한다. 상부 전극의 양쪽 원위 단부들, 즉 본 명세서에서 전극의 "헤드(head)"라고도 하는 주축 방향으로 원점으로부터 가장 먼 상부 전극의 단부들은 곡률 반경(R)으로 정의된다. 또한 본 명세서에서 전극의 "풋(foot)"이라고 하는 상부 전극의 특성 반폭(characteristic half-width)은 부축의 방향(즉, 주축에 대해 수직한 방향)으로 원점으로부터 전극 외부 에지 또는 외주까지 측정된 길이(L)로 정의된다. 가장 좁은 지점(오목한 MUT인 경우) 또는 가장 넓은 지점(볼록한 MUT인 경우)에서 전극의 전체 폭은 L의 2배(즉, 2L)이다. 전극의 헤드와 풋 사이의 전극의 에지들은 곡선 또는 직선일 수 있다.
대안적으로, 전극들의 헤드들은 직선일 수 있고, 또는 완전히 원형이 아닌 다른 곡률 기하학적 형상들로 정의될 수 있다. 적어도 일부 예시들에서, 집중된 기계적 스트레스의 국부적 영역들을 생성하는 헤드 또는 다른 기하학적 형상들을 회피하는 것이 유리할 수 있고, 이는 헤드(또는 예를 들어, 풋)가 날카로운 지점에서 수렴하는 두 개의 직선들로 정의되는 경우 생성될 수 있는 바와 같이 국부적인 기계적 또는 재료적 고장 모드를 활성화할 수 있다.
일부 실시예들에서, 헤드는 원형일 필요는 없지만, 제한함 없이 포물선과 같은 비원형 곡률로 정의될 수도 있다. 원형 전극 헤드가 곡률 반경(R)으로 정의될 수 있는 반면, 포물선형 헤드의 관련 파라미터는 포물선 초점과 정점 사이의 거리의 두 배로 정의되는 포물선의 세미라투스 직장(semilatus rectum)일 수 있다. 더욱이, 헤드와 풋 사이의 둘레는 직선 또는 곡률로 정의될 수 있고 여전히 본 발명의 범위 내에 있을 수 있다.
도 4b 내지 도 4c 및 도 4g 내지 도 4h에 도시된 바와 같이, 특성 폭에 대한 곡률 반경의 비율(R/L)이 1보다 큰 경우, 상부 전극은 중심에서 또는 풋에서 그 폭과 비교하여 그 단부들 또는 헤드들에서 더 넓고, 전극은 일반적으로 오목한 기하학적 형상을 갖는다. 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 이러한 오목한 MUT 기하학적 형상의 변형들은 R/L이 1보다 큰 경우, 즉 R>L인 경우, R/L 비율을 변화시킴으로써 여전히 본 개시 내용의 범위 내에서 가능하다. 예를 들어, 43 마이크로미터의 헤드 곡률 반경(R)을 갖는 상부 전극의 경우, 대략 37 마이크로미터 내지 41 마이크로미터 사이의 적합한 풋 폭(L)은 본 개시 내용의 범위 내에 속할 것이고, 본 명세서에 추가로 설명되는 바와 같이 기본 및 고조파 주파수들에서 구동될 때 향상된 압력 진폭 및 주파수 응답 동작을 나타낸다. 반면에, R/L이 너무 커서 헤드 반경 또는 곡률(R)이 풋 폭(L)보다 훨씬 큰 경우, 상부 전극은 기본 및 고조파 주파수들에서 구동될 때 바람직한 압력 진폭 및 주파수 응답 동작을 나타내지 않을 수 있으며 심지어 구조적 결함을 경험할 수 있다.
도 4d 내지 도 4e에 도시된 바와 같이, 특성 폭에 대한 곡률 반경의 비율(R/L)이 1보다 작을 때, 상부 전극은 중심에서 그 폭과 비교하여 그 단부들에서 더 좁고, 전극은 일반적으로 볼록한 기하학적 형상을 갖는다. 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 이러한 볼록한 MUT 기하학적 형상의 변형들은 R/L이 1보다 작은 경우, 즉 R<L인 경우, R/L 비율을 변화시킴으로써 여전히 본 개시 내용의 범위 내에서 가능하다. 예를 들어, 43 마이크로미터의 헤드 곡률 반경(R)을 갖는 상부 전극의 경우, 대략 43.1 마이크로미터 내지 500 마이크로미터 사이의 적절한 풋 폭(L)은 본 개시 내용의 범위 내에 속할 것이고, 본 명세서에 추가로 설명되는 바와 같이 기본 및 고조파 주파수들에서 구동될 때 향상된 압력 진폭 및 주파수 응답 동작을 나타낸다. 반면에, R/L이 너무 작아서 헤드 반경 또는 곡률(R)이 풋 폭(L)보다 훨씬 작은 경우, 상부 전극은 기본 및 고조파 주파수들에서 구동될 때 바람직하지 않은 압력 진폭 및 주파수 응답 동작을 겪으며, 심지어 구조적 결함을 경험할 수 있다.
오목한 또는 볼록한 기하학적 형상으로 구성되든, 특정 R/L 값들을 갖는 또는 특정 R/L 값 범위들 내의 전극들은 이전의 전극 형상 설계들과 비교하여 기본 및 고조파 주파수들에서 구동될 때 바람직한 압력 진폭 및 주파수 응답 동작을 나타낸다. 축을 따른 오목한 또는 볼록한 전극의 면적 밀도 분포는 복수의 국부적 최대값들을 갖고, 복수의 국부적 최대값들의 위치들은 진동 공진 주파수에서 복수의 안티-노달 포인트(anti-nodal point)들이 배치되는 위치들과 일치한다. 일반적으로, 주파수에서 각각의 MUT에 의해 생성되는 음압파의 에너지를 나타내는 음압 성능은 MUT의 피크 진폭이 주파수에서 증가함에 따라 증가할 수 있다.
비율 또는 R/L은 MUT의 바람직한 동작에 의해 구동될 수 있다. 전극의 R/L 파라미터(따라서, 전극의 기하학적 형상)를 변경하는 것은 전극의 압력 진폭 및 주파수 응답 동작을 변화시킨다. 전극이 바람직한 압력 진폭 및/또는 주파수 응답 동작을 나타내는 한, R/L은 제한 없이 크거나 작을 수 있다. 변환기 최종 사용 사례(예를 들어, 산업, 의료 진단 등), 파워 요구 사항, 작동 모드 요구 사항 등과 같은 인자들에 의해 결정될 수 있는 특정 변환기의 설계 요구 사항들은 특정 R/L 기하학적 형상에 의해 나타나는 압력 진폭 및 주파수 응답이 허용 가능한지 또는 바람직한지 여부를 알려준다. 제조 및 재료 성능들과 같은 추가적인 고려 사항들은 바람직한 또는 사용 가능한 범위, 이용 가능한 R/L 범위들을 추가로 제한할 수 있다.
도 4g는 다수의 압전층들을 갖는 MUT의 단면도를 도시한다. 단면도는 MUT 디바이스의 기판으로부터 가장 먼(예를 들어, 가장 큰 수직 또는 z-거리) 전극을 도시한다. 상부에서 볼 때(예를 들어, MUT 위에서, MUT가 관찰자(viewer)로부터 음의 z 방향에 있는 경우), 상부 MUT 전극은 오목한 형상을 갖는다. 이 실시예에서, 상부 전극 아래의 전극들의 층들이 시야에서 보이지 않기 때문에 전극들 모두는 동일한 형상을 가질 수 있다. 이 실시예에서, 적어도 상부 전극은 x축과 y축에 대해 대칭적이다. 다른 실시예들에서, 상부 전극 아래에 배치된 전극들은 상이한 사이즈들을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 상부 전극 아래에 배치된 전극들은 상이한 형상들을 가질 수 있다.
전극 설계가 고주파수들에서 향상된 성능을 얻을 수 있는지 여부를 평가할 때, 본 개시 내용은 전극 종횡비(aspect ratio)를 정의한다. 종횡비 파라미터는 비율(R/L)과 관련이 있고, 특성 반폭의 2배(또는 L의 2배)에 대한 전극의 길이(상부 헤드의 팁(tip)에서 하부 헤드의 베이스(base)까지의 길이)의 비율로 정의된다. 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여, 도 4g의 오목한 실시예는 종횡비 7을 갖고, 도 4d의 볼록한 실시예는 종횡비 3을 가지며, 도 4b의 오목한 실시예는 종횡비 5를 갖는다. 일반적으로, 종횡비가 클수록 고주파수들에서 성능 증가와 상관관계가 있을 수 있다.
전극이 그 반경과 동일한 특성 반폭(L)을 갖는 경우, 전극은 볼록하거나 오목하기 보다는 스타디움 형상(stadium-shaped)일 수 있다. 주어진 길이의 전극은 오목한 전극으로서 더 높은 종횡비를 갖고, 스타디움 형상의 전극으로서 중간 종횡비를 가지며, 볼록한 전극으로서 더 낮은 종횡비를 갖는다. 종횡비의 사용은 더 긴 볼록한 전극 또는 전극들의 세트가 더 짧은 오목한 전극과 유사한 성능을 달성할 수 있음을 시사한다. 반대로, 더 작은 오목한 전극은 더 큰 볼록한 전극 대신에 사용될 수 있다.
도 4h는 반경(R)과 특성 반폭이 보이도록 표시된 도 4g의 단면의 보조 단면을 도시한다. 도 4c에서와 같이, R의 값은 L의 값보다 크다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 오목한 구성을 갖는 MUT와 볼록한 구성을 갖는 MUT의 음향 응답들의 예시적인 이상적 플롯(idealized plot)들(500, 510)을 도시한다. 도 5a는 R/L = 1을 갖는 MUT(502)와 비교하여 오목한 MUT(504)(예를 들어, R/L>1)에 대해 주파수에 따라 음향 파워(acoustic power)가 어떻게 변화하는지에 대한 이상적인 플롯(500)을 도시한다. 도 5b는 R/L = 1을 갖는 MUT(512)와 비교하여 볼록한 MUT(514)(예를 들어, R/L<1)에 대해 주파수에 따라 음향 파워가 어떻게 변화하는지에 대한 이상적인 플롯(510)을 도시한다. 오목한 MUT(504)에 대해 화살표 506으로 지시된 바와 같이, R/L이 증가함에 따라 파워-주파수 곡선(power-frequency curve)은 MUT(502)와 비교하여 오른쪽으로 이동한다. 볼록한 MUT(514)에 대해 화살표 516으로 지시된 바와 같이, R/L이 감소함에 따라 파워-주파수 곡선은 MUT(512)와 비교하여 위쪽으로 이동한다.
멤브레인(예를 들어, 실리콘 멤브레인)의 두께를 변경하거나, 또는 멤브레인의 주변부에 단일 또는 이중 노치를 추가하는 것을 포함하여(멤브레인이 캔틸레버 빔보다는 고정된 빔 또는 스프링처럼 작동하도록) 오목한 또는 볼록한 MUT 기하학적 형상에 대한 추가 수정들은 더욱 향상된 성능 특성들을 제공할 수 있다. 이러한 수정들의 예시들은 본 명세서에 참조를 위해 포함된 미국 특허 출원 번호 17/018,304호 및 15/820,319호에서 찾을 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 개시 내용의 실시예들에 따른 3개의 진동 모드들(600, 610, 620)을 도시한다. 도 6a 내지 도 6c에서, 오목하거나 볼록한 MUT들(602, 612, 622) 각각은 예시의 목적을 위해 단일 라인으로 도시되고, 각각의 단일 라인은 MUT에서의 스택의 층들(stack of layers)의 곡률을 도시한다. 작동 중에, 멤브레인(406), 하부 전극(408), 압전층(410), 및 상부 전극(412)을 갖는 스택의 층들은 수직 방향으로 단일 바디로서 이동할 수 있고, x-z 평면 상에서 단일 라인의 곡률을 갖도록 변형될 수 있다. 또한, 상이한 진동 모드들에 대응하는 라인들(602, 612, 622)은 상이한 진동 모드들에서의 스택의 곡률들을 도시한다. 일반적으로, 오목한 MUT와 볼록한 MUT의 공진 특성들은 서로 유사하지만, MUT가 오목형인지 볼록형인지에 따라 국부적 게인(local gain)이 달라질 수 있다. 일부 예시들에서, 볼록한 기하학적 형상 또는 오목한 기하학적 형상의 선택은 특정 관심 주파수들에서 달성된 게인 개선을 유도될 수 있다.
실시예들에서, 3개의 진동 모드들(600, 610, 620)은 각각 3개의 진동 공진 주파수들(F1, F2, 및 F3)과 연관될 수 있다. 도 6a 내지 도 6c에, 3개의 진동 모드들만이 도시되어 있다. 그러나, 오목한 또는 볼록한 MUT가 3개 이상의 진동 공명 모드들(또는 줄여서 진동 모드들)에서 작동할 수 있다는 점이 당업자에게는 명백하게 나타날 것이다.
도 6a에서, 오목한 또는 볼록한 MUT(602)는 제1 진동 모드(600)에서 작동할 수 있는데, 여기서 화살표 604는 MUT(602)(보다 구체적으로, 스택의 층들)가 제1 모드(600)에서 수직 방향으로 이동하는 것을 나타낸다. 실시예들에서, 제1 진동 모드(600)는 대칭적일 수 있는데, 즉 모드 형상이 MUT의 중심 라인(606)에 대해 대칭적이다. 실시예들에서, MUT(602)의 상부 전극의 형상은 도 4b 내지 도 4e에 도시된 바와 같이 대칭적일 수 있고 오목하거나 볼록할 수 있다.
도 6b에서, MUT(612)는 제2 진동 모드(610)에서 작동할 수 있다. 실시예들에서, 제2 진동 모드(610)는 대칭적일 수 있는데, 즉 모드 형상이 중심 라인(606)에 대해 대칭적이다. 이하, 대칭 진동 모드라는 용어는 안티-노달 포인트들(615, 616, 617)(즉, 피크 진폭들)의 위치들이 중심 라인(606)에 대해 대칭적으로 배열되고, 중심 라인(606)이 z축과 평행하고 z축 상에서 MUT의 중간 지점을 통과하는 라인을 나타내는 진동 모드를 지칭한다.
제2 진동 모드(610)에서, MUT(612)는 2개의 노달 포인트들 및 3개의 안티-노달 포인트들(또는 동등하게 3개의 피크 진폭 포인트들)(615, 616, 617)을 가질 수 있다. 실시예들에서, MUT(612)의 상부 전극의 형상은 도 4b 내지 도 4e에 도시된 바와 같이, 대칭적일 수 있고 오목하거나 볼록할 수 있다.
도 6c에서, MUT(622)는 제3 진동 모드(620)에서 작동할 수 있다. 실시예들에서, 제3 진동 모드(620)는 대칭적일 수 있고, 즉 모드 형상은 중심 라인(606)에 대해 대칭적이다. 제3 진동 모드에서, MUT(622)는 4개의 노달 포인트들 및 5개의 안티-노달 포인트(즉, 5개의 피크 진폭 포인트들)(624, 625, 626, 627, 628)을 가질 수 있다. 실시예들에서, MUT(622)의 상부 전극의 형상은 도 4b 내지 도 4e에 도시된 바와 같이 대칭적일 수 있고 오목하거나 볼록할 수 있다.
일반적으로, 주파수에서 각각의 MUT에 의해 생성된 음압파의 에너지를 나타내는 음압 성능은 MUT의 피크 진폭이 주파수에서 증가함에 따라 증가할 수 있다. 그러나, 동일한 또는 유사한 전체 면적의 볼록한 MUT에 비해, 오목한 MUT는 중심에 비해 원위 단부들에서 더 큰 국부적 면적 분포를 갖는다(즉, R>L). 결과적으로, 동일한 또는 유사한 면적의 볼록한 MUT에 비해, 오목한 MUT는 특히 고조파 주파수들에서 더 높은 음압 진폭을 출력할 수 있다.
도 3에서 MUT들(302) 각각은 압전 미세가공 초음파 변환기(piezoelectric micromachined ultrasound transducer; pMUT)일 수 있음에 유의해야 한다. 그러나, 트랜시버 타일(210)이 용량성 미세가공 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasound transducer; cMUT)들의 어레이를 포함할 수 있다는 점, 즉 압전 소자들(302)이 cMUT들로 대체될 수 있다는 점이 당업자에게는 명백할 것이다. 이러한 경우, cMUT의 상부 전극은 상부 전극들(412)의 형상들 중 하나와 유사한 형상을 가질 수 있어서, cMUT들의 음향 응답은 도 4b 내지 도 6c와 함께 설명된 원리들에 기초하여 다양한 진동 공명 주파수들에서 제어된다.
도 7a는 단일-층 pMUT 디바이스들의 주파수 응답들(720)과 비교하여 이중-층 pMUT의 주파수 응답(710)의 플롯(plot)을 도시한다. 고주파수들(약 5 내지 10 MHz 사이)에서, 이중-층 pMUT는 단일 압전층 pMUT들보다 더 큰 음향 파워(dB)를 갖는 음파를 생성한다.
도 7b는 볼록한 형상의 전극들을 갖는 이중-층 pMUT의 주파수 응답(750)과 비교하여 오목한 형상의 전극들을 갖는 이중-층 pMUT의 주파수 응답(740)의 플롯을 도시한다. 플롯으로부터 알 수 있는 바와 같이, 오목한 전극들을 갖는 pMUT는 볼록한 전극들을 갖는 pMUT보다 성능이 우수하여, 6MHz 내지 8MHz 사이의 관심 고주파 영역(760)에서 더 많은 파워를 갖는 음파를 생성한다.
도 7c는 볼록한 형상의 전극들을 갖는 이중-층 pMUT의 주파수 응답(760)과 비교하여 볼록한 형상의 전극들을 갖는 이중-층 pMUT의 주파수 응답(770)의 플롯을 도시한다. 플롯으로부터 알 수 있는 바와 같이, 이중-층 pMUT는 작동 주파수들 대부분에서 단일-층 pMUT보다 성능이 우수하다.
본 발명은 다양한 수정들 및 대안적인 형태들이 가능하지만, 그 특정 실시예들은 도면들에 도시되어 있고 본 명세서에 상세히 설명되어 있다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태들로 제한하는 것은 아니고, 반대로 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 모든 변경들, 등가물들, 및 대안들을 커버한다는 것을 이해해야 한다.
100: 이미징 시스템
110: 인체
112: 내부 장기
120: 이미저(이미징 디바이스)
130: 통신 채널
202: 제어 유닛
203: 음향 흡수기층
208: 통신 유닛
210: 트랜시버 타일
214: 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이
218: 메모리
302: 압전 소자
304: 트랜시버 기판
320: 온도 센서
404: 캐비티
406: 멤브레인층
408: 하부 전극
410: 압전층
412: 상부 전극

Claims (22)

  1. 미세가공 초음파 변환기(micromachined ultrasonic transducer; MUT)로서,
    적어도 제1 압전층(piezoelectric layer) 및 제2 압전층으로서, 상기 제1 압전층은 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고, 상기 제2 압전층은 상기 제2 전극과 제3 전극 사이에 배치되는, 상기 제1 압전층 및 상기 제2 압전층,
    제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 제1 전극을 포함하고,
    i. 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부 중 하나 이상은 곡률 반경(radius of curvature)(R)으로 정의되고,
    ⅱ. 제2 축은 상기 제1 축의 중간 지점(midpoint)을 통과하고, 상기 제2 축은 상기 제1 축에 수직이고,
    ⅲ. 상기 제1 전극의 반폭(half-width)은 상기 제2 축의 방향으로 상기 중간 지점으로부터 상기 제1 전극의 외주(outer perimeter)까지 측정된 길이(L)로 정의되고,
    ⅳ. 상기 제1 축을 따라 가장 좁은 지점에서 상기 제1 전극의 전체 폭은 최대 2L이어서 상기 제1 전극은 오목한 형상을 갖고, 및
    ⅴ. R/L은 1보다 큰, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 축은 상기 제1 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제2 축은 상기 제1 전극이 가장 짧은 치수를 갖는 방향을 따라 연장하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  4. 제1 항에 있어서,
    기판; 및
    상기 기판에 현수되는(suspending) 멤브레인(membrane)을 더 포함하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  5. 제4 항에 있어서, 상기 압전층은 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성되는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  6. 미세가공 초음파 변환기(MUT)로서,
    M개의 압전층들을 포함하는 복수의 압전층들;
    N개의 전극들을 포함하는 복수의 전극들로서,
    인덱스(index)(m)를 갖는 상기 복수의 압전층들 중 하나의 압전층은 인덱스(m)를 갖는 제1 전극과 인덱스(m+1)를 갖는 제2 전극 사이에 배치되고, 상기 인덱스(m)는 상기 압전층의 수직 거리와 연관되는, 상기 복수의 전극들;
    제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 제1 전극을 포함하고,
    i. 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부 중 하나 이상은 곡률 반경(R)으로 정의되고,
    ⅱ. 제2 축은 상기 제1 축의 중간 지점을 통과하고, 상기 제2 축은 상기 제1 축에 수직이고,
    ⅲ. 상기 제1 전극의 반폭은 상기 제2 축의 방향으로 상기 중간 지점으로부터 상기 제1 전극의 외주까지 측정된 길이(L)로 정의되고,
    ⅳ. 상기 제1 축을 따라 가장 좁은 지점에서 상기 제1 전극의 전체 폭은 최대 2L이어서 상기 제1 전극은 오목한 형상을 갖고, 및
    ⅴ. R/L은 1보다 큰, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  7. 제6 항에 있어서, 상기 제1 축은 상기 제1 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  8. 제6 항에 있어서, 상기 제2 축은 상기 제1 전극이 가장 짧은 치수를 갖는 방향을 따라 연장하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  9. 제6 항에 있어서,
    기판; 및
    상기 기판에 현수되는 멤브레인을 더 포함하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  10. 제i 항에 있어서, 상기 압전층은 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성되는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  11. 제6 항에 있어서, N = M + 1인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  12. 미세가공 초음파 변환기(MUT)로서,
    적어도 제1 압전층 및 제2 압전층으로서, 상기 제1 압전층은 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고, 상기 제2 압전층은 상기 제2 전극과 제3 전극 사이에 배치되는, 상기 제1 압전층 및 상기 제2 압전층,
    제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 제1 전극을 포함하고,
    i. 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부 중 하나 이상은 곡률 반경(R)으로 정의되고,
    ⅱ. 제2 축은 상기 제1 축의 중간 지점을 통과하고, 상기 제2 축은 상기 제1 축에 수직이고,
    ⅲ. 상기 제1 전극의 반폭은 상기 제2 축의 방향으로 상기 중간 지점으로부터 상기 제1 전극의 외주까지 측정된 길이(L)로 정의되고,
    ⅳ. 상기 제1 축을 따라 가장 넓은 지점에서 상기 제1 전극의 전체 폭은 적어도 L의 2배이어서 상기 제1 전극은 볼록한 형상을 갖고, 및
    ⅴ. R/L은 1보다 작은, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  13. 제12 항에 있어서, 상기 제1 축은 상기 제1 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  14. 제12 항에 있어서, 상기 제2 축은 상기 제1 전극이 가장 짧은 치수를 갖는 방향을 따라 연장하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  15. 제12 항에 있어서,
    기판; 및
    상기 기판에 현수되는 멤브레인을 더 포함하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  16. 제15 항에 있어서, 상기 압전층은 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성되는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  17. 미세가공 초음파 변환기(MUT)로서,
    M개의 압전층들을 포함하는 복수의 압전층들;
    N개의 전극들을 포함하는 복수의 전극들로서,
    인덱스(m)를 갖는 상기 복수의 압전층들 중 하나의 압전층은 인덱스(m)를 갖는 제1 전극과 인덱스(m+1)를 갖는 제2 전극 사이에 배치되고, 상기 인덱스(m)는 상기 압전층의 수직 거리와 연관되는, 상기 복수의 전극들;
    제1 축을 따라 제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 제1 전극을 포함하고,
    i. 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부 중 하나 이상은 곡률 반경(R)으로 정의되고,
    ⅱ. 제2 축은 상기 제1 축의 중간 지점을 통과하고, 상기 제2 축은 상기 제1 축에 수직이고,
    ⅲ. 상기 제1 전극의 반폭은 상기 제2 축의 방향으로 상기 중간 지점으로부터 상기 제1 전극의 외주까지 측정된 길이(L)로 정의되고,
    ⅳ. 상기 제1 축을 따라 가장 넓은 지점에서 상기 제1 전극의 전체 폭은 적어도 L의 2배이어서 상기 제1 전극은 볼록한 형상을 갖고, 및
    ⅴ. R/L은 1보다 작은, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  18. 제17 항에 있어서, 상기 제1 축은 상기 제1 전극이 가장 긴 치수를 갖는 방향을 따라 연장하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  19. 제17 항에 있어서, 상기 제2 축은 상기 제1 전극이 가장 짧은 치수를 갖는 방향을 따라 연장하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  20. 제17 항에 있어서,
    기판; 및
    상기 기판에 현수되는 멤브레인을 더 포함하는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  21. 제20 항에 있어서, 상기 압전층은 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AIN, Sc-AIN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3 중 적어도 하나로 형성되는, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
  22. 제17 항에 있어서, N = M + 1인, 미세가공 초음파 변환기(MUT).
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