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
- Tez No: 665139
- Danışmanlar: Prof. Dr. HAYRETTİN KÖYMEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- 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: 119
Özet
Kapasitif Mikro İşlenmiş Ultrasonik Dönüştürücüler (CMUT), basınç sinyallerini iletmek veya almak için kullanılan ve ultrasonik sensör, tıbbi görüntüleme, doğru biyometrik algılama, parametrik hoparlörler ve daha birçok alan gibi çeşitli amaçlara uygulanabilen mikro ölçekli elektromekanik cihazlardır. İletim CMUT dönüştürücüleri için, uygulamaya bağlı olarak iletim gücünü yoğunlaştırmak için farklı boyutlar ve dizi konfigürasyonları kullanılır. Bu çalışmada tasarlanan yarı frekansla çalışan su bazlı iletici CMUT dizisi, yüksek çözünürlüklü volümetrik tıbbi görüntüleme amacıyla kullanılacak. Bu, güç çıkışını en üst düzeye çıkarmaya öncelik veren, hüzme biçimlendirilebilir bölgeyi en üst düzeye çıkaran düşük yan çubuklarla yönlendirici bir radyasyon modeli elde eden bir tasarımla gerçekleştirildi. Bu çalışmada, odaklanmış yönlendirilebilir bir hüzme elde etmek için odaklanmış hüzmenin yönlendirilmesi ile ilgili sorunlar da çözülmüştür. Bu çalışma, güç çıkışını iyileştirmek, hüzmeleme ve odaklanmış iletim yeteneklerini tanıtmak ve yüksek çözünürlüklü volümetrik tıbbi görüntüleme amacına uygun olmak için daha önce tasarlanmış yarı frekans tahrikli havadan iletim CMUT'tan bir ilerlemedir. Güç çıkışını iyileştirmek için, statik çöküntüyü telafi eden bir tasarım yapıldı. Statik çöküntüyü dengeleme, CMUT'u DC ön gerilim voltajı olmadan çalıştıracak şekilde tasarlayarak, tam aralık salınımına izin vererek ve giriş frekansının iki katı çıkış sinyali vererek sağlandı. Bu özellik, hücrenin düşük voltaj seviyelerinde yüksek güç çıkışı üretmesini sağlarken aynı zamanda hücreyi çökmeden çok yüksek voltajlarla çalıştırma avantajını da beraberinde getirir. CMUT, 7.5 MHz'de çalışacak ve hacimsel aktarım için maksimum 16 x 16 dizi anlamına gelen maksimum 256 kanala izin veren DiPhAS tarafından çalıştırılacak şekilde seçildi. Işıma örüntüsü ve Rayleigh mesafesi hem yarıçap, frekans hem de aralık mesafesinin fonksiyonları olduğundan, tasarım optimizasyonu, yukarıdaki tüm tercihler aynı anda dikkate alınarak bulunmuştur. Hücrelerin yarıçapları 80 µm, plaka kalınlığı 15 µm, boşluk yüksekliği 117 nm ve aralık 192 µm olarak belirlendi. Dizi tasarımı, büyük sinyal eşdeğer devre modeli ve radyasyon empedans matrisi fenomeni kullanılarak gerçekleştirildi. Simülasyonlar, bu tasarımla, maksimize edilen Rayleigh mesafesinin 45,3 mm ve yan lobun -17,4 dB olduğunu gösterdi. Simülasyonlarda, 150 VPP girişli hücre başına 425 kPa'ya kadar tekli hücrelerle çok yüksek basınç çıktıları elde edilebilirken, yalnızca 10 VPP girişli dizi düzlem dalga iletimi tarafından 1.5MPa'a kadar iletim yapıldığı ve iletilen hüzme 0 dereceye odaklandığında bu değerin 2 katına kadar çıktığı görülmüştür. Üretim, tüm işlemin sadece iki litografi maskesi gerektirdiği gofret kaplama ve flip-chip bağlama teknikleriyle yapıldı. Üretimden sonra, dönüştürücünün veriminin, dizinin % 8.75'i olduğunu belirlemek için testler yapıldı, ardından fonksiyonel hücreleri ve rezonans frekans kaymasını karakterize etmek için empedans analizi yapıldı. Dönüştürücü, su geçirmez bir şekilde muhafaza edildi ve su bazlı iletim, hücre başına ortalama 1625 Pa'ya ulaşan mutabakat aralığındaki tasarım simülasyonları ile performansı karakterize etmek ve karşılaştırmak için ayrı hücrelerle yapıldı. Fonksiyonel hücreler daha sonra 10 VPP ile düzlem dalga iletimi için kullanıldı ve rezonans frekansında 397 kPa çıkış basıncı elde edildi. Ölçüm sonuçları, daha iyi sonuçlar için verimi iyileştirmek ve yüksek çözünürlüklü 3D tıbbi görüntüleme için kullanabilmek için aktif alanı telafi ederek tasarımın daha da geliştirilebileceğini gösterdi.
Özet (Çeviri)
Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers (CMUT) are micro-scaled electromechanical devices which are used to either transmit or receive pressure signals and applicable for various purposes such as ultrasonic sensor, medical imaging, accurate biometric sensing and parametric speakers. For transmitting CMUT transducer, different sizes and array configurations are used to intensify the transmission power depending on the application. The half-frequency driven waterborne transmitting CMUT array designed in this work is to be used for high resolution volumetric medical imaging purpose. This was accomplished by a design which prioritizes maximizing the power output, achieving a directive radiation pattern with low sidelobes which maximizes the beamformable region. In this work, the issues with steering of the focused beam are also resolved to achieve a focused steerable beam. This work is an advancement from the earlier designed half-frequency driven airborne transmit CMUT to improve power output, introduce the beamforming and focused transmission capabilities and be applicable for high resolution volumetric medical imaging purpose. To improve the power output, the design was made to compensate for the static depression. Compensating for static depression was achieved by designing to operate the CMUT without DC bias voltage which allows for full-gap swing and giving output signal of twice the input frequency. This property allows the cell to produce high power output with low voltage levels but also brings the advantage of operating the cell with very high voltages without collapsing. The CMUT was chosen to be operating at 7.5 MHz and be driven by Digital Phased Array System (DiPhAS) which allowed to have maximum of 256 channels which for volumetric transmission meant a maximum of 16 x 16 array. Since the radiation pattern and Rayleigh distance are both the functions of radius, frequency and the pitch, the design optimization was found while considering all the above preferences simultaneously. The cells' radii were determined to be 80 µm, the plate thickness was 15 µm, the gap height was found to be 117 nm and the pitch was 192 µm. The array designing was carried out using the large-signal equivalent circuit model and the radiation impedance matrix phenomenon. The simulations showed that with this design, the maximized Rayleigh distance was 45.3 mm and the sidelobe of -17.4 dB. In simulations, very high pressure outputs were achievable with individual cells up to 425 kPa per cell with 150 VPP input while up to 1.5 MPa was emitted by the array plane wave transmission with only 10 VPP input and almost doubles when the transmitted beam was focused at zero degrees. Fabrication was done by the wafer boding and flip-chip bonding techniques where the whole process required only two lithography masks. After fabrication, the tests were performed to identify the yield of the transducer was 18.75% of the array then impedance analysis was done to characterize the functional cells and resonance frequency drift. The transducer was cased in a water-tight manner and the waterborne transmission were done with individual cells to characterize and compare the performance with the design simulations which were in the range of agreement achieving an average of 1625 Pa per cell. The functional cells were then used for plane wave transmission with 10 VPP and the output pressure of 397 kPa was achieved at resonance frequency. The measurement results showed that the design could further be improved by compensating the active area to improve the yield for better results and be able to use it for high resolution 3D medical imaging.
Benzer Tezler
- Yaparak öğrenme ve dijital fabrikasyonun kesişimi: Kendi aracını tasarlamak
The intersection of learning by doing and digital fabrication: Designing your own tool
EKİN ÜNLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEMA ALAÇAM
- Moment aktaran kaynaklı birleşimlerde kullanılan kaynak yöntemlerinin birleşim performansına etkisi ve düşük çevrimli yorulma davranışları
The effect of welding methods applied in moment frames welded joints on joint performance and low cycle fatigue behavior
HÜDAİ KAYA
Doktora
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN
- Sayısal fabrikasyonun güncel mimarlık pratiğine yansımalarını mimarlık ofisleri üzerinden okuma deneyimi
The experience of reading the digital fabrication on architectural practice through the architectural offices
BARIŞ ÇAĞLAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELTEM AKSOY
- Değişken kapasiteli yandan tahrikli elektrostatik mikromotor tasarımı
Başlık çevirisi yok
ERTUĞRUL DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. R. NEJAT TUNÇAY
- Architectural form exploration by soft computing: The case of post-disaster shelter
Esnek hesaplama aracılığıyla mimari biçim arayışları: Afet sonrası barınak örneği
FÜSUN CEMRE KARAOĞLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMA ALAÇAM