Geri Dön

Deep collapse mode capacitive micromachined ultrasonic transducers

Derin çökme modunda kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çeviriciler

PDF İndir

  1. Tez No: 277009
  2. Yazar: SELİM OLÇUM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ABDULLAH ATALAR, PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Kapasitif Mikroislenmis Ultrasonik Çeviriciler, CMUT, MEMS, Esdeger Devre, Çökme Modu, Derin Çökme, Mikro-fabrikasyon, Dairesel PlakalarınBükülmesi, Sualtı CMUT, Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers, CMUT, MEMS, Equivalent circuit, Collapse mode, Deep collapse, Microfabrication, Sacrificial releaseprocess, Deflection of circular plates, Underwater CMUT
  7. Yıl: 2010
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 144

Özet

Kapasitif Mikroislenmis Ultrasonik Çeviriciler (CMUT), yüzey üzerinde askıda duran,mikro-elektromekanik (MEMS) zar yapılarıdır. CMUT'ların mekanik zara vealttasa entegre olmak üzere iki adet elektrotları bulunur. Elektrotlara uygulananelektriksel sinyaller sayesinde uyarılan zar, hareket eder ve ortama akustik dalgalaryayar. CMUT'ların, piezoelektrik çeviricilerle karsılastırıldıklarında, genis bantlıolmaları gibi ve üretim teknolojisinin getirdigi (çok elemanlı diziler, CMOS uyumlulugu,seri üretim) avantajları vardır. Üretim ve elektronik entegrasyon ile ilgiliteknolojik zorluklar ve problemler geçtigimiz 15 yıl içerisinde çözülmüs ve birçokuygulama CMUT'lar kullanılarak basarı ile sonuçlandırılmıstır. Fakat CMUT'larınticarilesmesi henüz gerçeklesmemistir. Her nekadar zar yapılarının özelligi sayesindegenis bantlı olsalar da, piezoelektriklere göre üstün bir sinyal-gürültü oranı veçalısma derinligi elde edilebilmesi için çıkıs güçlerinin artırılması gerekmektedir.Bu tezde, CMUT'ların fizigi ve fonksyonları ile ilgili daha genis kapsamlı biranaliz sunuyoruz. Bu analizi kullanarak CMUT çıkıs güçlerinin önemli ölçüde arttırılabileceginindeneyini yapıyoruz. Literatürde, CMUT'ların bükülme profillerininanalitik bagıntıları sadece çökmemis zarlar için verilmektedir. Fakat, çökmüs bir zarkullanılarak daha fazla bir toplam bükülme elde edilebilir. Zarın çökmüs haldekihareketi kontrol edilerek, çeviricinin çıkıs gücü arttırılabilir. Bu tezde, yuvarlakzarlar için bükülme profilinin analitik bagıntıları çökmüs ve çökmemis halde ikentüretilmistir. Bu profiller kullanılarak, zar üzerine etki eden kuvvetler bulunmus vebir elektriksel darbe uygulandıgında, zarın ortama yayacagı enerji hesaplanmıstır.Sonuç olarak, çökme geriliminin çok üzerinde olusan dogrusal olmayan kuvvetlerkullanılarak, zarın yayacagı akustik enerjinin önemli ölçüde arttırılabilecegi belirlenmistir.Elde edilen analitik bagıntılar kullanılarak dogrusal olmayan bir esdeger dev-remodeli gelistirilmistir. Bu model kullanılarak yürütülen benzetimler ile herhangi birelektriksel uyarı ile yayın yapan bir CMUT'ın mekanik davranısı belirlenebilmektedir.Öte yandan, model, farklı zar boyutlarını ve malzeme özelliklerini de kullanabilmekteve zar hareketini, zarın çökmüs ve çökmemis iken belirleyebilmektedir.Ayrıca, CMUT'ların hizterez özelligi de model tarafından öngörülebilmektedir.Dogrusal olmayan bu model, bir SPICE devre benzetimi kullanılarak uygulanmısve modelin dogrulugu sonlu eleman metodu (FEM) kullanılarak sınanmıstır. Bunagöre, zarın DC gerilimler altında duragan bükülmesi %3'ten daha iyi bir hassasiyetile belirlenebilmistir. Diger taraftan, zara yüksek gerilimli bir darbe uygulandıgındaolusan basınç dalga sekli, %5'ten daha iyi bir hassasiyet ile hesaplanabilmektedir.Gelistirilen esdeger devre modeli kullanılarak, CMUT zarlarının dinamiklerinianlayabiliyoruz. Olusturulan fiziksel anlayıs temel alınarak, CMUT'lardan istenenfrekansta genis bantlı ve yüksek güçte bir basınç darbesi elde etmek amacıyla derinçökme modunu öneriyoruz. Bu yeni mod ile CMUT'ların çıkıs güçlerinin önemliölçüde arttırılabilecegi, benzetim modelleri (esdeger devre ve FEM) kullanılarak vedeneysel olarak gösterilmistir. Deneyler, Bilkent Üniversitesi'nde üretilen CMUT'larkullanılarak gerçeklestirilimistir. 160V genliginde bir elektriksel darbe kullanılarak,yaklasık 7 MHz etrafında 100% oransal bantlı ve 3.5 MPa'dan daha büyük basınçdarbeleri ölçülmüstür. Öte yandan derin çökme modunu eniyilestiren CMUT boyutlarıve elektriksel darbe özellikleri belirlenmistir. Deneysel sonuçlar ve benzetimsonuçları karsılastırılmıs ve sonuçların uyumlu oldugu anlasılmıstır. Bu tez sonucundaanlasılmıstır ki, derin çökme modu kullanılarak CMUT'ların çıkıs güçlerikontrollü bir sekilde ve önemli miktarlarda arttırılabilir ve dolayısıyla piezoelektrikçeviricilere karsı daha güçlü bir rakip olabilirler.

Özet (Çeviri)

Capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs) are suspended microelectromechanicalmembrane structures with a moving top electrode and a rigid substrateelectrode. The membrane is actuated by electrical signals applied between theelectrodes, resulting in radiated pressure waves. CMUTs have several advantagesover traditional piezoelectric transducers such as their wider bandwidth and microfabricationmethodology. CMUTs as microelectromechanical systems (MEMS), arefabricated using CMOS compatible processes and suitable for batch fabrication. Lowcost production of large amount of CMUTs can be fabricated using already establishedintegrated circuit (IC) technology infrastructure. Contrary to piezoelectrics,fabricating large 2-D arrays populated with transducer elements using CMUTs islow-cost. The technological challenges of CMUTs regarding the fabrication andintegration issues were solved during the past 15 years, and their successful operationhas been demonstrated in many applications. However, commercialization ofCMUTs is still an overdue passion for CMUT community. The bandwidth of theCMUTs are inherently superior to their piezoelectric rivals due to the nature ofthe suspended membrane structure, however, their power output capability must beimproved to achieve superior signal-to-noise ratio and penetration depth.In this thesis, we gave a comprehensive discussion about the physics and functionalityof CMUTs and showed both theoretically and experimentally that theirpower outputs can be increased substantially. Using the conventional uncollapsedmode of CMUTs, where the suspended membrane vibrates freely, the lumped displacementof the membrane is limited. Limited displacement, unfortunately, limitsthe power output of the CMUT. However, a larger lumped displacement is possiblein the collapsed state, where the membrane gets in contact with the substrate. Bycontrolling the movement of the membrane in this state, the power output of theviviiCMUTs can be increased. We derived the analytical expressions for the profile ofa circular CMUT membrane in both uncollapsed and collapsed states. Using theprofiles, we calculated the forces acting on the membrane and the energy radiated tothe medium during an applied electrical pulse. We showed that the radiated energycan be increased drastically by utilizing the nonlinear forces on the membrane, wellbeyond the collapse voltage.Using the analytical expressions, we developed a nonlinear electrical equivalentcircuit model that can be used to simulate the mechanical behavior of a transmittingCMUT under any electrical excitation. Furthermore, the model can handle differentmembrane dimensions and material properties. It can predict the membrane movementin the collapsed state as well as in the uncollapsed state. In addition, it predictsthe hysteretic snap-back behavior of CMUTs, when the electric potential across acollapsed membrane is decreased. The nonlinear equivalent circuit was simulatedusing SPICE circuit simulator, and the accuracy of the model was tested using finiteelement method (FEM) simulations. Better than 3% accuracy is achieved for thestatic deflection of a membrane as a function of applied DC voltage. On the otherhand, the pressure output of a CMUT under large signal excitation is predictedwithin 5% accuracy.Using the developed model, we explained the dynamics of a CMUT membrane.Based on our physical understanding, we proposed a new mode of operation, thedeep collapse mode, in order to generate high power acoustic pulses with largebandwidth (>100% fractional) at a desired center frequency. We showed both bysimulation (FEM and equivalent circuit) and by experiments that the deep collapsemode increases the output pressure of a CMUT, substantially. The experimentswere performed on CMUTs fabricated at Bilkent University by a sacrificial releaseprocess. Larger than 3.5MPa peak-to-peak acoustic pulses were measured on CMUTsurface with more than 100% fractional bandwidth around 7 MHz using an electricalpulse amplitude of 160 Volts. Furthermore, we optimized the deep collapse modein terms of CMUT dimensions and parameters of the applied electrical pulse, i.e.,amplitude, rise and fall times, pulse width and polarity. The experimental resultswere compared to dynamic FEM and equivalent circuit simulations. We concludedthat the experimental results are in good agreement with the simulations. We believethat CMUTs, with their high transmit power capability in the deep collapse modecan become a strong competitor to piezoelectrics.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    39550

    Karayolu köprülerinin sismik boyutlandırılmasıyla ilgili bazı yönetmeliklerin incelenmesi, karşılaştırılması ve uygulamalar

    Investigations and comparisons on some rugulations for seismic design of highway bridges and applications

    ŞÜKRÜ EROL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. METİM AYDOĞAN

  2. Tez No

    763977

    Feature enhancement with deep generative models in deep Bayesian active learning

    Bayes derin aktif öğrenmede derin üretici modeller ile öznitelik iyileştirme

    PINAR EZGİ DUYMUŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ŞEYDA ERTEKİN BOLELLİ

  3. Tez No

    875094

    Dolgu duvarların asma katlı çerçeveli betonarme yapıların davranışı üzerindeki etkisi

    Effect of the infill wall of structure with mezzanine floor on structural behaviour

    VESSAM ALMANNAA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUHAMMET ZEKİ ÖZYURT

  4. Tez No

    323935

    Geotechnical risk assessment for buildings adjacent to deep excavations

    Derin kazılara komşu yapılar için geoteknik risk analizleri

    ZEYNEP ASLAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DERİN URAL

  5. Tez No

    737768

    Derin kazılarda duvar ve zemin deplasmanlarına etki eden faktörler

    Factors affecting wall and ground displacement in deep excavations

    MERVE KAHRAMAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV

Geri Dön