Airborne CMUT cell design
Havada çalışan CMUT hücreleri
- Tez No: 360992
- Danışmanlar: PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN, PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- 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 mikroislenmis ultrasonik ceviriciler (CMUT) de dahil havada ultrasonik calsmalar icin kullanlan butun ceviriciler frekansta genis bant elde etmek icin kayp mekanizmas kullanmaktadrlar. CMUT'lar havadaki uygulamalarnda diger teknolojilerden farkl olarak yuksek verim gosterirler, dusuk karakteristik empedansa sahip olduklar icin verimli tasarmlarda da genis bantl calsma ozelligine sahiptirler. Genis bantl CMUT tasarm icin sistematik bir metot olmad gndan bahsedilen bu avantajlarndan tam olarak faydalanlamamaktadr. Bu calsmada, havada calsan CMUT dizayn icin bir metot anlatlmaktadr. Toplu eleman devre modeli ve harmonik dengeleme (HB) yaklasm uygulanmstr. Bu metot CMUT'lardan maksimum guc elde etmek icin optimize edilmistir. Havada calsan CMUT'lar dusuk radyasyon empedans sebebi ile mekanik ksmda dar bantl karakteristige sahiptirler. Bu calsma tek tonda frekans analizleri icin kstlanmstr. Elektriksel taraftan giris sinyali olarak dogru akm (DA) olmadan frekans calsma frekansnn yarsnda sinusoidal sinyal kullandk. Havada calsan CMUT'lar icin ust plakann butun hareket alann (CMUT boslugunun tamamn) kullanan yeni bir mod tanmladk. Bu maximum genlik hareketine ozel bir frekansta en kucuk voltaj genligi ile ulastk ve bu yeni moda Minimum Voltajda Surme Modu (MVDM) adn verdik. Denklestirilmis devre modeli kullanarak havada calsan CMUT hucreleri icin dizayn temellerini calstk ve ckarlan dizayn hede erini uretilen CMUT'lar ile dogruladk. Havadaki uygulamalar icin silikon kullanlms ust plakaya sahip CMUT'larn performans snrlar incelendi. Deneysel olarak, calsma frekansnn yars kullanlarak calstrlan 2.05 mm yarcapl CMUT hucresinden 71 V uygulayarak 73.7 kHz'te 78.9 dB//20Pa@1m kaynak seviyesi elde ettik. Bulunan kalite faktoru 120'dir. CMUT'larda genis bant (dusuk kalite faktoru) elde edebilmek icin, uretimlerinin ince plaka ile yaplmas gerekir. Dusuk kalite faktorlu CMUTlar ortam basncndan cok fazla etkilenir ve boylece plaka bukulmesi fazla olur. Bu da plakann yapldg malzeme sertliginin artsna sebep olur. Bu sertlik devre modelinde kullanlan dogrusal olmayan ka{pasitans ile modellenir. Tezde, kapasitanstan kaynaklanan ve kuvvetten kaynaklanan dogrusal olmama ozelligi incelenmi s, CMUT'lar icin her zaman kuvvetten kaynaklanan dogrusal olmama ozelliginin baskn oldugu gosterilmistir. Tam dogru calsan bir model tabanl karakterizasyon yontemi admitans olcumlerinin benzesim sonuclaryla tutarllk gostermesi icin kullanlms esdeger devre bu uyusmann olacag sekilde modi ye edilmistir. Modi ye edilen modelde yeni elemanlar gercekte kayplar modellemek icin kullanlmstr. Ayrca modelde kullanlan parametreler rezonans frekansnn yerini ve genligini bulabilmek icin degistirilmistir.
Özet (Çeviri)
All transducers used in airborne ultrasonic applications, including capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs), incorporate loss mechanisms to have reasonably wide frequency bandwidth. However, CMUTs can yield high eciency in airborne applications and unlike other technologies, they o er wider bandwidth due to their low characteristic impedance, even for ecient designs. Despite these advantages, achieving the full potential is challenging due to the lack of a systematic method to design a wide bandwidth CMUTs. In this thesis, we present a method for airborne CMUT design. We use a lumped element circuit model and harmonic balance (HB) approach to optimize CMUTs for maximum transmitted power. Airborne CMUTs have narrowband characteristic at their mechanical part, due to low radiation impedance. In this work, we restrict the analysis to a single frequency and the transducer is driven by a sinusoidal voltage with half of the frequency of operation frequency, without any dc bias. We propose a new mode of airborne operation for CMUTs, where the plate motion spans the entire gap. We achieve this maximum swing at a speci c frequency applying the lowest drive voltage and we call this mode of operation as Minimum Voltage Drive Mode (MVDM). We present equivalent circuit-based design fundamentals for airborne CMUT cells and verify the design targets by fabricated CMUTs. The performance limits for silicon membranes for airborne applications are derived. We experimentally obtain 78.9 dB//20Pa@1m source level at 73.7 kHz, with a CMUT cell of radius 2.05 mm driven by 71 V sinusoidal drive voltage at half the frequency. The measured quality factor is 120. CMUTs can achieve a large bandwidth (low quality factor level) as they can be manufactured to have thin plates. Low-quality-factor airborne CMUTs experience increased ambient pressure and therefore a larger membrane de ection. This e ect increases the sti ness of the plate material and can be considered by nonlinear compliance in the circuit model. We study the interaction of the compliance nonlinearity and nonlinearity of transduction force and show that transduction overwhelms the compliance nonlinearity. To match the simulation results with the admittance measurements we implement a very accurate model-based characterization approach where we modify the equivalent circuit model. In the modi ed circuit model, we introduced new elements to include loss mechanisms. Also, we changed the dimension parameters used in the simulation to compensate the di erence in the resonance frequency and amplitude.
Benzer Tezler
- Electrically unbiased and half frequency driven waterborne 16x16-element 2-D phased array CMUT
Beslemesiz ve yarı frekansta sürülen sualtı 16x16-elemanlı 2-B fazlı dizin CMUT
KEREM ENHOŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
- 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
- Radiation impedance of capacitive micromachined ultrasonic transducers
Kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çeviricilerin radyasyon empedansı
MUHAMMED NİYAZİ ŞENLİK
Doktora
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- Design, fabrication and operation of a very high intensity CMUT transmit array for beam steering applications
Yüksek yoğunluklu CMUT iletim dizilerinin ışın yönlendirme uygulamarı için tasarımı, üretimi ve kullanımı
TALHA MASOOD KHAN
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. HAYRETTİN KÖYMEN
- Lumped element modeling of circular cmut in collapsed mode
Dairesel cmut için çökme modu eşdeğer devre modeli
ELİF AYDOĞDU
Doktora
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN