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
- Tez No: 573014
- Danışmanlar: PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- 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: 184
Özet
Kapasitif mikroişlenmiş ultrasonic çeviriciler (CMUT), genellikle ayrı elemanlar veya birbirine bağlı alt dizinler halinde, farklı çalışma modlarıyla kullanılmaktadır. Daha once doğru akım (DA) kullanılmayan, havada çalışan, CMUT elemanı için tasarım prosedürü ve ölçümleri sunulmuştur. DA olmayan çalışma modunda CMUT membrane çökme olmadan, alt taş ile arasındaki boşluğun tamamını salınım için kullanabilmektedir. Elde edilen akustik çıkıştaki sinyalin frekansı, elektriksel girişteki sinusoidal alternatif akım sinyalin iki katıdır. Düşük sürme voltajlarında büyük membrane salınımları elde edilebilmektedir. Bu çalışmada, DA kullanılmayan CMUT dizinlerinin tasarım prosedürleri sunulmuştur. Tasarımlar simülasyonlar ve üretilen CMUT dizinleri ile yapılan deneylerle doğrulanmıştır. Hüzmelemeye ilişkin problemler çözümlenmiştir. Bu operasyon modunun dizin olarak kullanılması çok daha yüksek akustik çıkış gücü elde edilmesine olanak sağlamaktadır. Darbe genişlik modülasyonu (PWM) sinyali elektriksel giriş olarak kullanılarak daha iyi sinyal iletimi sağlanması hedeflenmiştir. CMUT'ların tasarım sürecinde büyük işaret modeli kullanılmıştır. Hacimsel iletim yapabilmek için 16×16 (256 eleman) fazlı dizin konfigürasyonu kullanılmıştır. Tasarım prosedürü, Rayleigh uzunluğu ve yığın eleman modeli parametreleri dikkate alınarak oluşturulmuştur. Bu prosedür rezonans frekansları 7.5 MHz ve 18.5 MHz olan iki farklı dizin için uygulanmıştır. Farklı görev döngüleriyle Gauss dağılımlı ton darbesi, sürekli sinusoidal ve PWM sinyalleri kullanılarak harmonik dengeleme ve zaman alanı simülasyonları yapılmıştır. Doğrulama amacıyla bu simülasyonların sonuçları hüzmeleme analizi yapabilen yazılımlara girdi olarak verilmiştir. Simülasyonlara karşılık gelecek şekilde deneysel ölçümler de ultrason ölçüm cihazı kullanılarak elde edilmiştir. 7.5 MHz için tasarlanan CMUT dizinindeki elemanların boyutları 80 µm yarıçap, 15 µm membran kalınlığı, 171 nm efektif açıklık yüksekliği ve 192 µm iki eleman merkezleri arası açıklık olarak belirlenmiştir. Dizin tasarımına gore 45.3 mm Rayleigh uzunluğu ve -17.4 dB yankulak seviyesi elde edilmiştir. Belirlenen bu özelliklere göre CMUT dizini gofret ölçeğinde yığın fabrikasyon uyumlu üretim tekniği benimsenerek üretilmiştir. Üretim sürecinde konvansiyonel litografi adımları için kullanılmak üzere sadece iki litografi maskesi kullanılmıştır. Salınım yapan membran anodic gofret yapıştırma tekniği ile üretilmiş, fabrike edilen CMUT dizinleri fiskeli yonga teknolojisi kullanılarak baskılı devre kartlarına yapıştırılmıştır. MEMS teknikleriyle üretilen ve konvansiyonel makro ölçekle üretilen devre kartlarına entegre edilen bu yeni cihazın ölçümleri ultrason ölçüm cihazı kullanılarak tamamlanmıştır. Simülasyon sonuçlarını doğrulamak adına basınç ölçümleri alınmıştır.
Özet (Çeviri)
Capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUT) are typically used as arrays consisting of separate cells or interconnected sub arrays, and these cells have several operation modes. Design procedure and measurements have been previously presented for an airborne CMUT cell without a DC bias. In unbiased mode, the plate motion spans the entire gap without collapsing. The frequency of sinusoidal electrical input signal is half of the resulting acoustical output signal. A large plate swing can be obtained at low excitation voltages using the entire remaining gap. In this work, a design procedure of arrays with unbiased operation mode is derived. Designs are validated by means of simulations and measurements on fabricated CMUTs. The problems associated with beamforming are resolved. Use of this operation mode in an array configuration enables larger acoustical power output. A better transmitted signal waveform definition is obtained when pulse width modulation (PWM) is employed. In the design process of CMUTs, large-signal equivalent circuit model is used. In order to have volumetric transmission, a 16×16 (256 elements) phased array configuration is chosen. A design procedure is presented considering the radiation pattern, Rayleigh distance and the parameters of the lumped-element model. This procedure is applied for designing two arrays, with resonance frequencies at 7.5 MHz and at 18.5 MHz. Harmonic balance and transient analyses are carried out with Gaussian enveloped tone burst, transient sinusoidal and PWM signals with different duty cycles. Outputs of these simulations are fed in beamforming toolboxes for further verification. Corresponding experimental measurements are conducted on an ultrasound measurement system. The dimensions of the CMUT elements in the array are determined as 80 µm element radius, 15 µm plate thickness, and 171 nm effective gap height at 7.5 MHz, where the center-to-center inter-element pitch is set at 192 µm. The array is designed such that it has maximum Rayleigh distance of 45.3 mm, while having a maximum sidelobe level of −17.4 dB. According to these specifications, CMUT array is manufactured using wafer scale batch compatible production. Only two lithography masks, which require conventional photolithography steps, are used in production. The vibrating plate is constructed with anodic wafer bonding and the fabricated CMUT array chip is integrated to PCB with flip-chip bonding. Measurements are conducted for this novel device by integrating the CMUT array chip manufactured with MEMS techniques and conventional macro scale manufactured PCB by using impedance analyser.
Benzer Tezler
- 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
- Age of information and unbiased federated learning in energy harvesting error-prone channels
Hataya açık kanallar üzerinde enerji hasadı ile tarafsız federe öğrenme ve bilgi yaşı
ZEYNEP ÇAKIR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF TUĞÇE CERAN ARSLAN
- Genelleştirilmiş en küçük kareler yöntemi ve bir uygulama
Generalized least squares method and one application
BAHAR DİREM
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İstatistikAnadolu Üniversitesiİstatistik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMBİYA AĞAOĞLU
- Kassal dayanıklılık antrenmanında yeni bir yaklaşım: Yorgunlukta kuvvet üretme modeli
A new approach to muscular endurance training: A model of force production in fatigue
FATİH KAYA
- KOAH hastalarında solunum sistemi parametrelerinin kestirimi
Estimation of the respiratory system parameters of COPD patients
GÖRKEM SERT
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYDIN AKAN