Circuit theory based modeling and analysis of CMUT arrays
CMUT dizinlerinin devre teorisi tabanlı modellenmesi ve analizi
- Tez No: 346141
- Danışmanlar: PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN, PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Science and Technology, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: CMUT, toplu öğeli doğrusal olmayan eşdeğer devre modeli, büyük işaret modeli, küçük işaret modeli, çökmemiş çalışma modu, dizin, karşılıklı akustik bağlaşım, öz ve karşılıklı radyasyon empedansları, indirgenmiş radyasyon empedans matrisi, CMUT, lumped element nonlinear equivalent circuit model, large signal model, small signal model, uncollapsed mode of operation, array, mutual acoustic coupling, self and mutual radiation impedances, reduced radiation impedance matrix
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 90
Özet
Birçok ultrasonik teknoloji uygulamasında, güçlü, geniş frekans bantlı ve hüzmeleme açısından iyi performansa sahip akustik sinyallerin yayınlanabilmesi için geniş kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çevirici (CMUT) dizinlerinin kullanılması gerekmektedir. CMUT'ların karakteristik özelliklerinden en iyi şekilde faydalanabilmek için çok sayıda CMUT hücresini beraber analiz edebilen araçlar kullanılmalıdır. Bu sebeple, sonlu eleman analizi (FEA) araçları sayısal olarak ağır işledikleri için çok sayıda CMUT hücresi içeren dizinlerde tercih edilmezler ve genellikle de kullanımları pratik olarak mümkün değildir. Bazı FEA simülasyonlarında uzun 1-D CMUT dizin elemanlarının sonsuz uzunlukta olduğu varsayılarak basitleştirilmiş modeller yapılmış olsa da sonuçları yanıltıcı olmuştur. Bu tür modellerde elemanın sadece tek bir periyodik kısmı modellenerek simetri yüzeylerine katı sınır koşulları uygulanmaktadır. Böylece dizindeki herbir hücrenin elektriksel olarak aynı fazda sürüldüğü varsayılır ve periyodik kısım için elde edilen sonuçlar bütün eleman boyunca aynı kabul edilir. Fakat, bu basitleştirilmiş FEA modelleri CMUT hücreleri arasındaki karşılıklı akustik etkileşimlerin önemli etkilerini göz ardı ettiklerinden dolayı doğru sonuçlar verememektedir. Bu çalışmamızda, çökmemiş dairesel CMUT hücreleri için doğrusal olmayan bir eşdeğer devre modeli geliştirdik. CMUT dizinlerindeki karşılıklı akustik etkileşimleri inceledik ve bu olgunun dizin performansı üzerinde oldukça etkili olduğunu gösterdik. Bu etkileşimler, dizindeki her hücrenin bulunduğu ortamda yarattığı basınç alanının diğer hücrelerin üzerine etkimesi ile gerçekleşmektedir. Bu etkiyi araştırmak için dizindeki herbir hücrenin eşdeğer devresini, bütün hücre çiftleri arasındaki karşılıklı radyasyon empedanslarına ek olarak, öz radyasyon empedanslarını da içeren bir matrise bağladık. Böylece geniş dizinlerin performans analizi devre simülatörleri ile kolaylıkla çözülebilen bir devre teorisi problemi haline dönüşmüş oldu. Yüzey mikroişleme teknolojisi sayesinde maliyet ve birçok fiziksel sınırlama sorunu çözülerek geniş CMUT dizinlerinin yığınlar halinde üretilmesi mümkün kılınmıştır. Tasarımcılar olası birçok farklı dizin konfigürasyonunu dikkate almak durumundadır. Yaklaşık son yirmi yıldır uygun tasarım ve analiz araçlarının eksikliği yüzünden dizin performansının tam olarak incelenebilmesi mümkün olamamıştır. önerilen bu model ile çok sayıda çökmemiş CMUT hücresinden oluşan dizinlerin doğrusal frekans ve doğrusal olmayan geçici rejim analizleri hızlı bir şekilde yapılabilmektedir. Çok geniş CMUT dizinleri yüzlerce hücre içeren onlarca elemandan oluşabidiği için hızlı sonuç veren devre teorisi teknikleri ile dahi analiz süreleri oldukça uzayabilmektedir. Problemi ufak parçalara ayırmak için dizinde bulunan elemanlardan sadece birkaçını elektriksel olarak sürdük ve geri kalanları bir öngerilime maruz bırakarak elektriksel bağlantılarını bir yük ile sonlandırdık. Daha sonra sürülmeyen elemanların sürülenler üzerindeki etkisini hesaba katarak bütün elemanların sürüldüğü duruma göre çok daha ufak boyutlu bir indirgenmiş radyasyon empedans matrisi elde ettik. Böylece sadece sürülen elemanlar bu indirgenmiş radyasyon empedansı matrisi ile hücreleri bağlaşım halindeyken simüle edilebilmektedir. Bu sayede küçük işaret koşullarında az sayıdaki eleman gruplarının tepkileri ayrı ayrı hesaplanabilir ve üstdüşüm prensibi kullanılarak bütün elemanların aynı anda sürüldüğü durumdaki tüm tepkiyi bulmak için toplanabilir. Bu yöntem, büyük bir karmaşık simetrik matrisin tersinin alınması kaydıyla, simülasyondaki hücre sayısını ve dolayısıyla da radyasyon empedans matrisinin boyutunu önemli ölçüde azaltmaktadır.
Özet (Çeviri)
Many ultrasonic technology applications require capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs) to be used in the form of large arrays to attain better performance in terms of powerful, broadband and beam-formed radiated acoustic signals. To entirely benefit from its important characteristics, it is necessary to use analysis tools that are capable of handling multiple CMUT cells. In this regard, finite element analysis (FEA) tools become unfit for use because in arrays with large number of cells it is computationally very cumbersome and often practically impossible. Although, some simplification had been done by assuming long 1-D CMUT array elements as infinitely long, the results of these FEA simulations are misleading. In these models only a single periodic portion is modeled and rigid boundary conditions are applied at the symmetry planes. All the cells are assumed to be electrically driven in phase with the rest of the cells and the solution obtained for this portion is extended over the entire element. However, these simple models are not exact, because they exclude the important effects of mutual acoustic interactions between the cells. In this work, we developed an accurate nonlinear equivalent circuit model for circular uncollapsed CMUT cells. We investigated the effects of mutual acoustic interactions in uncollapsed CMUT arrays and showed that the performance of the array is highly influenced with this phenomenon. These mutual acoustic interactions rise through the immersion medium caused by the pressure field generated by each cell acting upon the others. To study its effects, we connected each cell in the array to a radiation impedance matrix that contains the mutual radiation impedance between every pair of cells, in addition to their self radiation impedances. Hence, analysis of the performance of a large array became a circuit theory problem and can be scrutinized with circuit simulators. Surface micromachining technology enables batch fabrication of large CMUT arrays, which resolves cost issues and many physical limitations. Designers have to consider a great number of different array configurations. For nearly two decades, the lack of appropriate design and analysis tools prevented the investigation of array performance. By using the proposed model, one can very rapidly obtain the linear frequency and nonlinear transient responses of arrays with a large number of uncollapsed CMUT cells. Although, we use rapid circuit theory techniques, efficient analysis of very large arrays is still challenging, since a typical CMUT array may contain many tens of elements with hundreds of cells in each, which makes it computationally cumbersome. To partition the problem, we electrically drive a small number of elements in the array and keep the rest undriven but biased and with their electrical ports terminated with a load. The radiation impedance matrix can be partitioned and rearranged to represent these loads in a reduced form. In this way, only the driven elements can be simulated by coupling their cells through this reduced radiation impedance matrix. Under small signal regime, the separately calculated responses of element clusters can be added by using the superposition principle to find the total response. This method considerably reduces the number of cells and the size of the actual radiation impedance matrix, at the expense of calculating the inverse of a large complex symmetric matrix.
Benzer Tezler
- Modeling and analysis of nonstationary low-frequency noise in electronic circuit simulation
Elektronik devre simülasyonunda durağan olmayan alçak frekanslı gürültünün modellenmesi ve analizi
AHMET GÖKÇEN MAHMUTOĞLU
Doktora
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER DEMİR
- Hopfıeld tipi sinir ağlarının global kararlılık analizi
Global stability analysis of hopfield-type neural networks
AYŞE NUR GÜNEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mühendislik BilimleriVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiYapay Zeka ve Robotik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUZAFFER ATEŞ
- Memristör simülatörü ve uygulamaları
Memristor simulator and applications
ZEHRA GÜLRU ÇAM TAŞKIRAN
Doktora
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HERMAN SEDEF
- Physical Based Modeling of the Electrochemical Impedance of Lithium-Ion Batteries
Lityum-iyon bataryaların elektrokimyasal empedansının fiziksel modeli
ONGUN BORA SABAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
EnerjiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ ARSLAN
DOÇ. DR. MUSTAFA FAZIL SERİNCAN
- Sıçan alt ekstremite akut iskemi reperfüzyon modelinde oluşturulan oksidatif stres hasarına karşı intravenöz glutatyonun olası koruyucu etkileri
Possible protective effects of intravenous glutathione against the oxidative stress induced in hind limb ischemia-reperfusion injury model in rats
MERT MERİÇ
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2024
Biyokimyaİstanbul ÜniversitesiKalp ve Damar Cerrahisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM UFUK ALPAGUT