[논문]공기 중 광대역 초음파 방사용 압전 박막 기반 초소형 초음파 트랜스듀서의 설계

안홍민; 진재혁; 문원규

doi:10.7776/ask.2020.39.2.087

공기 중 광대역 초음파 방사용 압전 박막 기반 초소형 초음파 트랜스듀서의 설계
Design of piezoelectric micro-machined ultrasonic transducer for wideband ultasonic radiation in air 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.39 no.2, 2020년, pp.87 - 97

안홍민 (포항공과대학교 기계공학과) , 진재혁 (포항공과대학교 기계공학과) , 문원규 (포항공과대학교 기계공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 공기 중 광대역 초음파 방사용 압전 박막 기반 초소형 초음파 트랜스듀서(piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducer, pMUT)의 설계 연구가 진행되었다. 하나의 트랜스듀서로 광대역을 달성하는 방법 중 하나는 다공진 시스템으로 설계하는 것이다. 새로운 pMUT은 박막 구조의 앞면과 뒷면에 적절한 음향 구조를 추가하여 다공진 시스템을 구현하도록 설계되었다. 박막 앞쪽은 도파관 구조로 모델링된 방사 파트로, 박막 뒷쪽은 음향 공동으로 모델링된 패키징 파트로 이루어져있다. 박막 파트, 방사 파트, 패키징 파트로 구성된 새로운 pMUT은 집중 변수 모델로 설계되었으며, 최종적으로 유한요소해석으로 검증되었다. 최종 설계된 pMUT은 102 kHz ~ 132 kHz (-3 dB)의 주파수 대역을 달성하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the design of piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducer (pMUT) for wideband ultrasonic radiation in air was investigated. One of the methods to achieve wide frequency bandwidth in single device is modeling the transducer to multi-resonance system. The new pMUT was designed as a multi-resonance system with the addition of a suitable acoustic structure to the front and back of a thin film structure. A new pMUT consisting of thin film parts, radiation parts, and packaging parts is designed with a Lumped Parameter Model (L.P.M). Finally, it was validated as a Finite Element Method (FEM) simulation. The final designed pMUT achieved a frequency band of 102 kHz ~ 132 kHz (-3 dB).

주제어

표/그림 (27)

그림 Fig. 2. Lumped parameter model of new single pMUT unit.
그림 Fig. 3. Schematic of volume velocity of single pMUT unit.
그림 Fig. 1. (Color available online) Schematic of single pMUT module.
그림 Fig. 4. Lumped parameter model of membrane part.
그림 Fig. 5. Flexural mode transducer with radius a and thickness t.
그림 Fig. 6. Lumped parameter model of radiation part.
그림 Fig. 7. Impedance of opened waveguide.
그림 Fig. 8. Lumped parameter model of packaging part.
그림 Fig. 9. Impedance of closed waveguide.
그림 Fig. 10. Lumped parameter model of whole pMUT.
그림 Fig. 11. Impedance and admittance curve of designed membrane part.
그림 Fig. 12. Impedance and admittance curve of designed radiation part.
그림 Fig. 13. Impedance and admittance curve of designed membrane part with radiation part assembled.
표 Table 1. Properties of SiO₂.
표 Table 2. Properties of air.
그림 Fig. 14. Reactance curve of packaging part and mem-brane/waveguide part.
그림 Fig. 15. Impedance and admittance curve of pMUT with all part assembled.
그림 Fig. 16. Volume velocity ratio of designed single pMUT unit.
그림 Fig. 17. Normalized volume velocity of designed single pMUT unit.
그림 Fig. 18. (Color available online) Internal stress distribution of membrane by finite element simulation.
그림 Fig. 19. (Color available online) (a) Center displacement depends on radius of PZT and (b) resonance frequency of membrane depends on thickness of PZT by finite element simulation.
표 Table 3. Properties of PZT-5H.
그림 Fig. 22. Sound pressure level by finite element si-mulation.
그림 Fig. 21. Volume velocity by finite element simulation.
그림 Fig. 20. (Color available online) Finite element model of single pMUT unit.
표 Table 4. Tuned design parameters.
표 Fig. 23. (Color available online) Fabrication concepts of designed pMUT: (a) The bonding surface of both wafers, (b) the cross section schematics of both wafers, (c) the 3D schematics of Au-Sn eutectic bonding.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	새로운 pMUT 소자의 구조는?	새로운 pMUT 소자는 축대칭의 원형 박막 기반으로 가장 일반적인 pMUT의 형태이다.[6,7] 기존의 단일pMUT 소자는 직접적인 박막 파트의 공기 중 방사만 고려하였으며, 그 외의 음향학적 구조를 고려하지 않았다.
	광대역 트랜스듀서가 사용된 예시와 장점은?	광대역 트랜스듀서는 다양한 분야에서 장점을 갖는다. 예를 들어 수중통신 분야에서 광대역 수중 트랜스듀서는 넓은 대역폭으로 인해 한 번에 더 많은 정보 전달이 가능하다.[1] 의료용 초음파 분야에서도 광대역 트랜스듀서는 더 많은 종류의 영상을 획득할 수 있다.[2] 그리고 일반적인 라우드 스피커 유닛의 경우, 10 kHz정도의 가청 주파수 대역을 갖는다.
	단일 초소형 초음파 트랜스듀서 소자의 장점은?	설계된 단일 pMUT 소자는 최종적으로 유한요소해석을 통해 보정되었으며, 최종 설계된 pMUT소자의 –3 dB 대역은 102 kHz ~ 132 kHz로 약 30 kHz의 대역폭을 달성하였다. 기존 연구는 서로 다른 공진을 갖는 두 개의 pMUT소자를 배열하여, 역 위상 구동을 통해 광대역을 확보하였으나, 본 논문의 소자는 단일 pMUT소자로 광대역을 확보할 수 있었다. 따라서 out-of-phase 구동을 위한 별도의 신호처리와 그를 위한 회로 및 별도의 전극 분리를 생략할 수 있으며, 이를 위한 공간도 절약할 수 있다.따라서 이는 휴대용 파라메트릭 어레이 라우드 스피커의 적용 분야에 유리할 뿐만 아니라 광대역을 요구로 하는 다양한 분야의 적용에도 유리할 것으로 기대된다.

참고문헌 (12)

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