Radiation impedance of capacitive micromachined ultrasonic transducers
Kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çeviricilerin radyasyon empedansı
- Tez No: 255969
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2010
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 64
Özet
Kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çeviriciler (cMUT) ultrasonik sinyallerinyayımında ve alımında kullanılmaktadırlar. Cihaz, yüzey mikroişleme teknolo-jisi ile üretilmiş dairesel zarlardan imal edilmiştir. Ultrasonik çevirici pazarınıdomine eden piezoelektrik çeviriciler ile karşılaştırıldıklarında daha geniş bantgenişliğine sahip olmakla birlikte daha düşük yayım gücü ile daha düşük alımhassasiyetine sahiptirler. Ticarileştirilebilmeleri için bu eksikliklerinin giderilmesiya da piezoelektrik çeviricilerin kötü çalıştığı veya .çalışamadığı alanlarda uygu-lamalar bulmaları gerekmektedir. Bu tezde, bu yollardan ikincisi, »ceviricininradyasyon rezistansını en yüksek hale getirerek geniş bantlı, yüksek verimlive yüksek yayım gücüne sahip havada çalışan cMUT'ların tasarımı amacıylaizlenmiştir.Radyasyon empedansı çeviricinin çevresindeki ortam ile olan etkileşiminitanımlamaktadır. Gerçek kısmı, radyasyon rezistansı, ortama yayımlanan gücünbir ölçüsü iken sanal kısmı, radyasyon reaktansı, çevirici yüzeyinde çalkalananortamı gÄostermektedir. Şu anda cMUT'ların radyasyon empedansı iyi bir şekildebilinmemektedir. _ Ilk adım olarak, dairesel zara sahip cMUT'ların hız prfillerikullanılarak paralel rezonans frekansına kadarki radyasyon empedansları su vehava uygulamaları için hesaplanmıştır. Sonuçlar sonlu eleman simülasyonları iledo¸grulanmıştır. Ç alışma altıgen bir yapı oluşturacak şekilde hücrelerden mey-dana gelen bir dizinin radyasyon empedansını hesaplamak için genişletilmiştir.Radyasyon empedansının hücreler arasındaki mesafenin kuvvetli bir fonksi-yonu oldu¸gu bulunmuştur. Su uygulamalarında simetrik olmayan modlarınuyarılmasının mümkün oldu¸gu gÄosterilmiştir.Daha yüksek bir radyasyon rezistansı bant genişli¸giyle birlikte verimi veyayım gücünü arttırmaktadır. En yo¸gun yerleşim düzeninde, hücreler arasındakimesafe dalgaboyunun 1.25 katı oldu¸gu zaman radyasyon rezistansı ince zarlariçin en yüksek de¸gerine ulaşmaktadır. Hava uygulamaları için, cihaz boyut-ları küçültülerek cMUT ve hava arasındaki empedans uyumsuzlu¸gu azaltılıpbant genişli¸gi arttırılabilmektedir. Ä Obür yandan, bu seçim radyasyon rezis-tansının de¸gerini azaltması nedeniyle verimi ve yayım gücünü düşürmektedir.ince zara sahip cMUT'ların dizi içerisindeki yerleşimi düzenlenerek radyasyonrezistansının en iyileştirilebileceği gösterilmiştir. Adil bir analiz yapabilmekiçin, aynı alana sahip diziler karılaştırılmıştır. Cihazların çalışma frekanslarıve çökme voltajları sabit tutulmuştur. Bant genişliği ve yayım gücündeki i-yileşme üç ve bir buçuk kat daha yüksek olabilmektedir. Bu metod cMUT'laralmaç olarak kullanıldıklarında da gürültü performanslarını iyileştirmektedir.Gürültü performansı, hücreler kümelendirilip farklı almaçlara bağlandığında dahada arttırılabilmektedir. Sonuçlar herhangi bir cihaz boyutu ve malzeme özelliğiiçin kullanılabilmeleri amacıyla normalize grafikler halinde sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Capacitive micromachined ultrasonic transducers (cMUTs) are used to transmitand receive ultrasonic signals. The device is constructed from circular membranesfabricated with surface micromachining technology. They have wider bandwidthwith lower transmit power and lower receive sensitivity compared to the piezo-electric transducers, which dominate the ultrasonic transducer market. In orderto be commercialized, they must overcome these drawbacks or ¯nd new applica-tion areas, where piezoelectric transducers perform poorly or cannot work. In thisthesis, the latter approach, ¯nding a new application area, is followed to designwide band and highly e±cient airborne transducers with high output power bymaximizing the radiation resistance of the transducer.The radiation impedance describes the interaction of the transducer with thesurrounding medium. The real part, radiation resistance, is a measure of theamount of the power radiated to the medium; whereas the imaginary part, ra-diation reactance, shows the wobbled medium near the transducer surface. Theradiation impedance of cMUTs are currently not well-known. As a ¯rst step,the radiation impedance of a cMUT with a circular membrane is calculated ana-lytically using its velocity pro¯le up to its parallel resonance frequency for boththe immersion and the airborne applications. The results are veri¯ed by ¯niteelement simulations. The work is extended to calculate the radiation impedanceof an array of cMUT cells positioned in a hexagonal pattern. The radiationimpedance is determined to be a strong function of the cell spacing. It is shownthat excitation of nonsymmetric modes is possible in immersion applications.A higher radiation resistance improves the bandwidth as well as the e±ciencyand the transmit power of the cMUT. It is shown that a center-to-center cell spac-ing of 1.25 wavelength maximizes the radiation resistance for the most compactarrangement, if the membranes are not too thin. For the airborne applications,the bandwidth can be further increased by using smaller device dimensions, whichdecreases the impedance mismatch between the cMUT and the air. On the otherhand, this choice leads to degradation in both e±ciency and transmit power dueto lowered radiation resistance. It is shown that by properly choosing the ar-rangement of the thin membranes within an array, it is possible to optimize theradiation resistance. To make a fair analysis, same size arrays are compared. Theoperating frequency and the collapse voltage of the devices are kept constant. Theimprovement in the bandwidth and the transmit power can be as high as threeand one and a half times, respectively. This method may also improve the noise¯gure when cMUTs are used as receivers. A further improvement in the noise¯gure is possible when the cells are clustered and connected to separate receivers.The results are presented as normalized graphs to be used for arbitrary devicedimensions and material properties.
Benzer Tezler
- Design and implementation of capacitive micromachined ultrasonic transducers for high intensity focused ultrasound
Yoğunluklu odaklanmış yüksek frekanslı ses tedavisi için kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik dönüştürücülerin tasarımı ve gerçekleştirilmesi
FEYSEL YALÇIN YAMANER
Doktora
İngilizce
2011
BiyomühendislikSabancı ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYHAN BOZKURT
- Nonlinear modelling of an immersed transmitting capacitive micromachined ultrasonic transducer for harmonic balance analysis
Suyla yüklenmiş kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çeviricilerin harmonik denge analizi için doğrusal olmayan modeli
HÜSEYİN KAĞAN OĞUZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
- Optimization of Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers (CMUTs) for a high- frequency medical ultrasonic imaging system
Yüksek frekans tıbbi ultrasonik görüntüleme sistemleri için Kapasitif Mikroişlenmiş Ultrasonik Dönüştürücülerin (CMUTs) optimizasyonu
REZA PAKDAMAN ZANGABAD
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. AYHAN BOZKURT
- Circuit theory based modeling and analysis of CMUT arrays
CMUT dizinlerinin devre teorisi tabanlı modellenmesi ve analizi
HÜSEYİN KAĞAN OĞUZ
Doktora
İngilizce
2013
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- Designing, fabrication and post-fabrication characterization of half-frequency driven 16 x 16 waterborne transmit cmut array
Yarı frekansta sürülen sualtı 16 x 16 elemanlı cmut dızının dızaynı, fabrıkasyonu ve fabrıkasyon sonrası karakterızasyonu
YUSUPH ABUBAKAR ABHOO
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. HAYRETTİN KÖYMEN