Design of a mems membrane based on fresnel zone plate pattern for a fiber optic mems microphone
Fiber optik mems mikrofon için fresnel bölge plakası tabanlı mems diyafram tasarımı
- Tez No: 831719
- Danışmanlar: PROF. DR. BARIŞ BAYRAM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Fiber optik MEMS mikrofonların diğer mikrofon türlerine göre birçok avantajı vardır. Bu tez çalışmasında, Fresnel Bölge Plakalarının (FZP) desenleri temel alınarak tasarlanmış MEMS diyaframlar, kapasitif mikroüretilmiş ultrasonic çevirgeçler (CMUT'lar) ele alınmıştır. Bu tezin amacı, gelen ışığı FZP'lerin kırınım özelliğini kullanarak yansıtıldıktan sonra membranın üzerine odaklamaktır. Optik simülasyonlar Zamanda-Sonlu-Farklar-Yöntemi (FDTD) kullanılarak yapılmıştır. Birim Fresnel desenlerine ilişkin simülasyon sonuçları, belirli bir odak aralığı için ve farklı düzeylerde desenleri olmayan membranlara göre daha büyük elektrik alan yoğunluğunu göstermektedir. Odak uzaklığı birim desene göre 8 – 60 μm arasında değişirken, elektrik alan şiddetindeki artış oranı büyüklük ölçüsünde yaklaşık olarak %2 – %40 arasında değişmektedir. Önerilen çift-halkalar ve tek-delik – tek-halka birim desenlerle kırınıma uğrayan ışıklar, çoklu odaklar sayesinde değişen odak uzaklığına göre plato biçimli odak karakteristiği oluşturur. Öte yandan tek-delik birim desen en fazla iki tepe şeklinde odak karakteristiği oluşturmakta ve uzunluk odak uzunluğundan küçük veya büyük seçildiğinde elektrik alan şiddet düzeyi azalmaktadır. Sonuç olarak önerilen tasarımlarla iki farklı odak özelliği elde edilmiştir. Bu sonuçlar ışığında PolyMUMPs işlemi için mikrofabrikasyon maskeleri çizilmiştir. Mekanik simülasyonlar Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) kullanılarak yapılmıştır. Önerilen tasarımlarda rezonans frekansları ince (1.5 μm) ve kalın (3.5 μm) olanlar için sırasıyla 135 kHz ve 295 kHz olan iki farklı diyafram tipi bulunmaktadır. Her ikisi de 20 kHz'den düşük olan duyulabilir aralığı kapsar. Kalın olanın tepkisi daha düz iken, ince olanın duyarlılığı daha yüksektir. Duyarlılığın öncelendiği uygulamalar için ince, düz yanıtın öncelendiği uygulamalarda ise kalın olan diyaframlar kullanılabilir. Duyulabilir frekans aralığında çalışabilecek tasarımlar elde edilmiştir. 𝑅𝑠 ve 𝐶𝑠 model parametreleri DC ve frekansa bağlı durumlar için simule edilmiştir. Bu tez, fiber optik MEMS mikrofon diyaframlar için optik olarak geliştirilmiş tasarımlar önermektedir.
Özet (Çeviri)
Fiber optic MEMS microphones have several advantages compared with other types of microphones. In this thesis work, MEMS membranes, CMUTs, are designed based on patterns of Fresnel Zone Plates (FZP). The main objective of the thesis is to focus the incoming light above the membrane by utilizing the diffraction characteristic of FZPs on reflected lights. Optical simulations are done with the Finite-Difference-Time-Domain (FDTD) method. Optical simulation results on unit Fresnel patterns show greater electric field intensity concerning the membranes without patterns for a specific focal range and at different levels. While the focal length changes between 8 – 60 μm to the unit pattern, the increasing ratio in the electric field intensity changes between approximately %2 - %40 in magnitude vise. The diffracted lights by the proposed double-rings and single-hole – single-ring unit patterns form plateau shaped focus characteristics with the changing focal length thanks to multiple foci. On the other hand, single-hole unit pattern forms at most two peaks shaped focus characteristics, and the electric field intensity level decreases when the length is chosen smaller or greater than the focal length. As a result, two different focus characteristics are achieved with the proposed designs. The microfabrication masks are drawn in the light of these results for the PolyMUMPs process. Mechanical simulations are done with Finite-Element-Method (FEM). There are two types of membranes for proposed designs whose resonance frequencies are 135 kHz and 295 kHz respectively for thin (1.5 μm) and thick (3.5 μm). Both cover the audible range, which is less than 20 kHz. While the thick one has a more flat response, the thin one has higher responsivity. Thin membranes can be used in applications where sensitivity is prioritized, and thick membranes can be used in applications where flat response is prioritized. Designs that can operate in the audible frequency range are achieved. The 𝑅𝑠 and 𝐶𝑠 model parameters are simulated for both DC and frequency-dependent cases. This thesis proposes optically improved designs for fiber optic MEMS microphone membranes.
Benzer Tezler
- MEMS sensor platform for vital monitoring under mri and intraocular pressure measurement
Yaşamsal işaretlerin ve göz içi basıncın ölçülmesine yönelik MEMS basınç ölçer platformunun geliştirilmesi
PARVIZ ZOLFAGHARI
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Implementing and testing a novel refreshable Braille display system (RBDS) utilizing micro-electro-mechanical systems (MEMS) technology
Başlık çevirisi yok
LEVENT YOBAŞ
Doktora
İngilizce
2001
BiyomühendislikCase Western Reserve UniversityBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DOMINIQUE M. DURAND
- Piezoelektrik ile tetiklenen valfsiz mikro pompa tasarımı, üretimi ve akışkan debisini etkileyen faktörlerin belirlenmesi
Design, fabrication and defining factors affecting fluid flow rate of valveless piezoelectric-triggered micropump
SEVDA ŞİMŞEK
Doktora
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Design and fabrication of fiber optic integrated sensor microsystem for interventional medical devices
Girişimsel tıbbi cihazlar için fiber optik tümleşik algılayıcı mikrosistem tasarımı ve üretimi
OĞUZ KAAN ERDEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
BiyomühendislikBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARDA DENİZ YALÇINKAYA
- Optimization of piezo-fiber scanning architecture for low voltage, 3D and unwarped actuation
Alçak gerilimli, 3B taramalı, eğriliği düzeltilmiş piezoelektrik fiber tarama mimarisi
RAMIN KHAYATZADEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. Dr. ONUR FERHANOĞLU