Recently, the demand for healthcare has increased. Thus, research has been increased in the device for diagnosis and treatment. Especially, demand for wearable medical monitoring the real-time physiological data has increased. In case of a simple treatment, research indicated available handheld devices is increasing rather than depend on the doctor. Previous studies use the RF (Radio Frequency) for the wireless power transmission, in-body network communication and the implanted device. . The RF that is commonly used, rarely used in medical equipment. The RF signal is absorbed into the human tissue at a RF, cannot pass through the human tissue. The problems by disrupting the cells internal to damage to the human body are generated RF that is mainly used. To avoid this disadvantages, ultrasound is used for medical application. Ultrasound has good propagation characteristics in the human tissue. And ultrasound does not damage the human tissue. From these reasons, the leading manufacturers in the world are making ultrasound medical equipment. However, ultrasound device is made of ceramic. Because of the nature of the ceramic transducer is a conventional ultrasound diagnostic device. Thus, the system has large size and high operating voltage. These drawbacks cannot be applied to handheld device used for wearable medical device. The advantage that low operating voltage, high integration and MEMS transducer with the convenience of operating circuit implementation, has emerged as a new option that is used in handheld device.
In this thesis, we designed the beamforming system using MEMS transducer. The target performance that the ultrasonic stimulation and a wireless power transmission is the intensity more than 10 W/cm2 and the focal depth more than 1.7 cm.
The system is designed in two types. The first is phase shifter. The proposed phase shifter consists of the phase shifter, variable gain amplifier and 0°/180° phase shifter, and it drives MEMS transducer array. The proposed phase shifter utilizes the RC phase shifter with capacitor bank technique. The VGA is conven-tional op-amp with parallel feedback resistors because of the wide range voltage of the VGA input signal. The 0°/180° phase shifter utilizes the two types of op-amp input port that inverting input and non-inverting input. The digital beamforming system consists of ARM processor and driving circuit. The ARM processor generates time delayed signal. The driving circuit consists of a comparator, a level shifter and a driver amplifier, and it converts the digital signal to an analog signal with a high voltage.
The phase shifter designed in 180 nm CMOS, the chip size of the phase shifter is 1111 x 993 μm2 and is 842 x 993 μm2 without I/O pads. The phase shifter achieves 14 dB of gain, with an rms phase error at 2.75° at a target frequency of 2 MHz. The ultrasound beam focusing performance using MATLAB simula-tion is max. phase error = 5.6°, max. instantaneous intensity = 16.02 W/cm2, 3-dB average intensity = 11.60 W/cm2 and focal dimension 0.4 x 1.6 mm2 at 9 mm focal point. The digital beamforming system using ARM processor a has 10 nsec of the time resolution. The ultrasound beam focusing performance using MATLAB simulation is max. time delay error = 12 nsec, max. instantaneous intensity = 16.56 W/cm2, max. intensity pulse average = 9.63 W/cm2 and focal dimension 0.38 x 1.5 mm2 at 9 mm focal point. The focal depth reaches 1.7 cm, but the intensity is below 10 W/cm2.
As a result, the proposed beamforming system proved the usefulness at the ultrasound beam focusing for wireless power transducer.
최근 들어 건강에 대한 관심이 급속하게 증가하고 있으면 지속적으로 관찰과 처리가 가능한 Wearable medical device에 대한 연구가 늘어나고 있다. 지금처럼 의사들에게 의존하기 보다는 간단한 처치의 경우에 휴대용 장치의 이용이 가능한 연구가 늘어나고 있다. 기존의 연구들은 RF를 이용하여 전력전송, 인체통신, 인체내부에 장착된 센서와의 통신을 하고 있다. 하지만 주로 사용되는 RF는 내부세포를 교란시켜서 인체에 손상시키는 문제점들이 발생하고 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 많은 연구가 이뤄지고 있으며 초음파가 가장 많이 연구되고 있는 대안이다. 초음파는 전파와 달리 매질이 있는 곳을 더 잘 진행되기 때문에 의료 영역에서 사용이 적합하다. 그리고 초음파는 인체의 조직에 나쁜 영향을 끼치지 않는다. 이러한 이유로 초음파는 영상출력, 무선전력 전송, 조직 자극에 이용되고 있다. 하지만 이러한 초음파 장비는 세라믹 트랜스듀서를 사용한다. 세라믹 트랜스듀서의 특성 때문에 기존의 초음파 장비는 높은 전압과 시스템의 크기가 커진다. 이러한 단점은 wearable medical device에 사용되는 휴대용 장치에 적용하기 힘들다. 낮은 동작전압, 높은 집적도 그리고 동작회로 구현의 편리함을 가진 MEMS 트랜스듀서가 휴대용 장비에 사용될 새로운 대안으로 떠오르고 있다.
본 논문에서는 MEMS 트랜스듀서를 이용한 빔포밍 시스템을 설계한다. 이 시스템을 이용해서 무선전력 전송과 신경자극을 목표로 하였다. 이러한 적용을 고려하여1.7 cm 이상의 초점거리, 10W/cm2 이상의 세기, 3 mm2 이하의 초점크기를 목표로 설계한다.
시스템은 두 가지 방식으로 설계한다. 첫 번째는 위상 이동기를 이용한 방법이다. 제안된 위상 이동기는 2MHz를 목표 주파수로 하여 동작하며 위상 이동기, 가변 이득 증폭기, 0°/180° 위상 이동기로 구성된다. 제안된 위상 이동기 저항 - 커패시터를 응용한 구조이다. 그리고 가변 이득 증폭기는 기존의 연산 증폭기에 조정 가능한 병렬 궤환 저항을 이용해서 이득을 증가시킨다. 0°/180° 위상 이동기는 연산 증폭기의 반전 입력와 비반전 입력을 이용해서 위상을 이동시킨다. 두 번째는 마이크로프로세서를 이용한 방법이다. 마이크로프로세서는 시간지연 신호를 자유롭게 변경 가능하다. 제안된 시간지연 회로는 비교기, 전압 이동기 그리고 파워 증폭기로 구성된다. 디지털 신호를 고출력의 아날로그 신호로 변환한다.
제안된 위상 이동기의 칩 사이즈는 1111 x 993 μm2 으로 설계되었다. 위상 이동기는 전체 0° ~ 360°를 11.25° 씩 위상을 이동한다. 그리고 14 dB의 이득, 2.75° 의 위상 결함을 가진다. MATLAB 시뮬레이션에서 초음파 빔 집속 특성은 16.02 W/cm2 의 순시 출력, 11.60 W/cm2의 평균 출력 그리고0.4 x 1.6 mm2 의 초점크기를 가진다. 시간지연 회로는 10 nsec의 시간 분해능과 12 nsex의 최대 시간지연 오류를 가진다. MATLAB 시뮬레이션에서 초음파 빔 집속 특성은 16.56 W/cm2 의 순시 출력, 9.63 W/cm2의 평균 출력 그리고0.38 x 1.5 mm2 의 초점크기를 가진다. 그리고 두 가지 시스템은 초점 깊이는 10 W/cm2이상일때, 최대 1.7 cm이다. 결과적으로, 제안된 빔포밍 시스템은 초음파 빔 집속에 적용 가능하다는 것을 확인하였다.
