Geri Dön

Optimization of collapsed mode cmut receiver for maximum off-resonance sensitivity

Çökme modu cmut alıcısının rezonans altı duyarlılık hassasiyet eniyileştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 517115
  2. Yazar: MANSOOR KHAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  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: 76

Özet

Kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çevirici (CMUT), üzerine kaplanmış bir metal elektrot ilesabit bir substrat üzerine asılı hareketli iletken bir plakaya sahiptir. Bu dairesel hareketli levhanın kenarları sabittir, ancak ortam yüklemesi veya hareketli plaka ve alt elektrot arasına uygulanan öngerilim etkisi altında hareket etmekte serbesttir. Bir akustik ortamın varlığında ve öngerilim uygulandığında, plakanın merkezi, boşluktaki elektrik alandan dolayı alt tabakaya doğru daha fazla sapmaktadır. Bu elektrik alanı ve ortam kuvveti, çökmemiş plaka çalışma modunun dengeli bölgesinde plaka geriyükleme kuvveti ile dengelenir. Öngerilim voltajı arttıkça, elektrostatik kuvvet, plaka geri yükleme kuvvetini yener ve plakanın merkezi aralarında ince bir yalıtım tabakası kalarak alt metal ile temas eder. Bu, plaka alt tabaka ile temas halinde kaldığı sürece CMUT'un çökme modu olarakadlandırılır. Bu çalışmada, herhangi bir öngerilim olmaksızın, alt elektrot ile kararlı bir temasoluşturmak için içi boş bir oyuk üzerinde atmosferik kuvvetle kolayca basılan ince bir CMUT plakası kullanıyoruz. CMUT'lar, piezoelektrikseramilere kıyasla bant genişliği ve yüksek hassasiyetle ölçüm yapabilmeleri sebebiyle sualtıakış ölçümleri, uçuş uygulamaları ve medikal ultrason görüntüleme gibi uygulamalarda yaygın olarakkullanılmaktadır.1-D CMUT dizileri kullanan ticari tarayıcıların da klinik yeterlilik kalitesinde görüntülerürettiği de bildirilmektedir. CMUT'lar son otuz yıl içerisinde tıbbi ultrason uygulamalarındaki başarılı kullanımına rağmen, çökmüş modu CMUT'un algılama duyarlılığını optimize etmek için yeterli çaba sarf edilmemiştir. Genellikle, daha yüksek kuplaj katsayısına ulaşmak ve gelen ultrason sinyalini, voltaj ön yükselteci kullanarak transduser açık devre alıcı voltaj sinyali (OCRV) veya transempedans yükselteci ile kısa devre alıcı akım sinyali (SCRC) olarak algılamak için CMUT'lara çökme voltajına yakın bir seviyede öngerilim uygulanır. Plakayı çöküş eşiğine yakın tutmak, herhangi bir mekanik parazit plağı çökertebileceği ve dönüştürücü hassasiyetini azaltabileceğinden dolayı oldukça zordur. Buçalışmada, rezonans-altı frekanslarda kararlı bir performans sağlayabilen ortam basıncı çöküşlü CMUT kullanımını öneriyoruz. Çökmüş bir CMUT plakası gelen ultrasona maruz kaldığında, alınan sinyal öngerilim voltajının fonksiyonu haline gelir. Öngerilme çökmüş plaka ve substrat arasındaki elektrik alan, temas merkezindeki küçük yalıtkan katman boşluğundan dolayı, çökmemiş plakadan dahabüyüktür. Bu çökmüş CMUT'ın, yüksek elektromekanik dönüş oranı ile birlikte giriş kapasitansının artmasını sağlar. Dolaysıyla, yüksek akustik çıkışı sayesinde, çökmüş CMUT'lar muadillerine kıyasla daha uygun bir tercih olmaktadır. İlk olarak, çökmüş CMUT'ın performansı ve öngerilim sinyali arasındaki bağlantıyı kurmak için, düşük sinyal koşullarında lineer eşdeğer devre modelini türettik ve kullandık. Çökmüş CMUT için, OCRV ve SCRC gelen basınca göre, toplu öğeli devre elemanları cinsinden normalize ettik. Farklı CMUT çalışma koşulları için, DC öngerilimin fonksiyonu olarak performans eğrilerini elde ettik. Simüle edilmiş SCRC performansını OCRV ile karşılaştırdık ve transempedans amplifi katörlü SCRC performansının elektriksel kayıplardan etkilenmediğini gösterdik. Daha sonra, herhangi bir CMUT çalışma koşulu veya geometrisi için SCRC performansını öngerilim ile optimize ettik. Model duyarlılığını karakterize etmek için anodik yonga plakası yapıştırma teknolojisine dayanan CMUT hücrelerini tasardık ve ürettik. Üretilmiş CMUT hücrelerini ölçmek ve deneysel olarak doğrulamak için bir transempedans yükselteç kullanıyoruz. Deneyler 50 – 65 volt arasında öngerilim uygulayarak, 100 kHz frekans değerinde $-$60 dB V/Pa hassasiyet seviyesinde gerçekleştirilmektedir.

Özet (Çeviri)

Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (CMUT) has a flexural conductive plate suspended over a fixed substrate with metal electrode deposited over it. This circular suspended plate is fixed at the rim but is free to move under ambient medium loading or applied bias between CMUT plate and bottom electrode. In presence of an acoustic medium, when the bias is applied the center of the plate deflects more towards the substrate owing to the electric field which is established in the cavity structure. This electric field and ambient force are balanced by plate restoring force in stable region of un-collapsed mode of plate operation. As bias is increased further, the electrostatic forces overwhelms the plate restoring force and the center of the plate contacts with the substrate with a thin insulation layer in between. We call this state, collapse mode of CMUT operation as long as the center of the plate stays in contact with the substrate. In this work, we etch small cavities and employ thin CMUT plate which is easily depressed by the atmospheric force over an evacuated cavity to produce a stable contact with the bottom electrode without any bias. CMUTs have widely been used as sensors in a wide range of applications such as underwater flow metering sensing, airborne applications, medical ultrasound imaging where CMUTs have been characterized for wide bandwidth and high sensitivity than piezoelectric ceramics. Commercial scanners using 1-D CMUT arrays are also reported to have produced clinical-quality images. Despite the success of CMUTs in medical ultrasound over the past three decades, to this day no effort has been made to optimize the receive sensitivity of a collapsed-mode CMUT. Traditional practice is to bias the CMUT plate close to collapse voltage to acheive higher coupling coefficent and sense the incoming ultrasound as an open circuit receive voltage (OCRV) signal of the transducer using a voltage pre-amplifier or short circuit receive current (SCRC) employing a transimpedance amplifier. Maintaining plate in the vicinity of collapse threshold is rather difficult as any mechanical disturbance may collapse the plate and compromise the sensitivity of the transducer. In this work we propose ambient pressure collapse CMUT transducer capable of providing a stable performance at off-resonance frequencies. When the plate of a collapsed CMUT is subjected to incoming ultrasound its receive signal becomes a strong function of bias. The electric field sustained between the biased collapsed plate and the substrate is larger than an un-collapsed plate owing to small insulation layer gap at the contact center. This results in an increased input capacitance of collapsed CMUT which together with higher electromechanical turns ratio makes collapsed CMUT a viable choice for a higher acoustic output than its conventional counterpart. First, we derive and use a linear-equivalent circuit model under small signal conditions to assess the performance of collapsed CMUT as a function of bias. We derive both OCRV and SCRC normalized to incident pressure for a collapsed CMUT in terms of lumped circuit elements. The performance curves as a function of DC bias for varying CMUT operating conditions are obtained. We compare SCRC performance with OCRV and show that simulated SCRC performance with a transimpedance amplifier is not impaired by electrical losses. We then optimize the SCRC performance with bias for any given CMUT operating conditions or geometry. To characterize the model sensitivity we design and fabricate CMUT cells based on anodic wafer technology. We employ a transimpedance amplifier to measure and verify experimentally through fabricated CMUT cells, -60 dB V/Pa sensitivity at 100 kHz when the CMUT is biased between 50 to 65 Volts.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    309417

    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

    İngilizce

    2011

    BiyomühendislikSabancı Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYHAN BOZKURT

  2. Tez No

    201809

    A finite elements based approach for fracture analysis of welded joints in construction machinery

    İş makinalarındaki kaynaklı bağlantıların sonlu elemanlara dayalı bir yaklaşımla kırılma analizi

    TANER KARAGÖZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SERKAN DAĞ

  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

    389348

    Dış basınca maruz takviyeli silindirik kabukların yapısal stabilitesinin incelenmesi

    An investigation on structural stability of ring stiffened cylindrical shells subjected to external pressure load

    BÜLENT FIRAT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. YALÇIN ÜNSAN

  5. Tez No

    910701

    Ardgermeli sürekli köprü tabliyelerinin yapısal davranışının incelenmesi

    Investigation of the structural behavior of horizontally curved posttensioned continous bridges

    ESRA NAMLI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TURGUT ÖZTÜRK

Geri Dön