Process development for microfabrication of phase reversal CMUT devices for structural health monitoring and development of dynamic characterization processes for mems applications
Yapısal sağlık izleme için fazı tersine çeviren CMUT cihazlarının mikroüretimi için süreç geliştirilmesi ve MEMS uygulamaları için dinamik karakterizasyon süreçlerinin geliştirilmesi
- Tez No: 898128
- Danışmanlar: PROF. ABDULLAH ATALAR, DR. MEHMET YILMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 167
Özet
Eğer uygun bir şekilde tasarlanırsa, Kapasitif Mikroişlemeli Ultrasonik Transdüserler (CMUT'lar), piezoelektrik transdüserlere kıyasla düşük maliyet, küçük boyut, düşük empedans ve çevre dostu olma gibi avantajlı özellikler sunar. Bu avantajlı özellikler, CMUT cihazlarının tıbbi uygulamalar ve tahribatsız test (NDT) uygulamaları gibi geniş ve oldukça çaşitli alanlarda kullanılmasını sağlar. Tıbbi uygulamalar için yoğun bir şekilde geliştirilen CMUT cihazları ve teknolojileri, aynı zamanda CMUT cihazlarının büyük altyapılar için Yapısal Sağlık İzleme (SHM) uygulamalarında kullanılmasının önünü açmıştır. Köprüler veya demiryolları gibi altyapılarda meydana gelen ani değişimlerin ürettiği sinyallerin sürekli izlenmesi, bu yapıların sağlığı hakkında önemli bilgiler verebilir. Yerel (lokal) gerinim enerjisinin hızlı bir şekilde serbest bırakılması, Akustik Emisyon (AE) dalgaları oluşturur ve bu durum, bir yapının sağlık durumu hakkında önemli bir göstergedir. AE dalga sinyallerinin tespit edilmesi, darbe, çatlak oluşumu veya çatlak büyümesi gibi hasar oluşumu hakkında önemli ipuçları verebilir. AE dalgaları geniş bir frekans aralığına yayıldığından, bu tür AE dalgalarının algılanması da geniş bantta yapılmalıdır ve sensörlerin bu bant içerisinde oldukça hassas olması tercih edilir. Gerçek hayatta uygulanabilir gelişmeler için, gerçek hayat uygulamasının ortamının asıl konu ile ilgisi olmayabilecek birçok nedenden dolayı çok gürültülü olabileceği de göz önünde bulundurulmalıdır, bu da sıkı bir şekilde kontrol edilen laboratuvar ortamında geliştirilen CMUT'ların gerçek hayat uygulamaları için pratik olmamasına neden olabilir. Gürültü genellikle tespit edilmesi gerekmeyen çeşitli olaylar tarafından üretilen parazit gürültülerden kaynaklanabilir. Yanlış değerlendirmeleri önlemek için, gürültü parazitleri ile ilgili akustik emisyon (AE) sinyalleri arasında ayrım yapmak önemlidir, çünkü önemli miktarda gürültünün varlığı, yapısal hasarla ilişkili AE dalgalarının tespit edilebilirliğini engelleyebilir. Bu CMUT prototipi mikroüretim çalışması için süreç geliştirme aşamasında, geniş bant CMUT tasarımında yeni bir yaklaşım ve mekanik titreşim dalga frekanslarının geniş bir yelpazesini tespit etmek ve istenmeyen gürültüyü azaltmak için faz terslemesi (PR) kullanan benzersiz bir CMUT kombinasyonu tanıtan bir araştırma ekibi ile iş birliği yaptık. İki CMUT hücresinin en basit kombinasyonu dikkate alınarak yapılan teorik çalışma ve FEM simülasyonları, bir hücrenin elektrik akımı fazını tersine çevirmenin, hava sönümlemesi altında çalışan CMUT'lar için gürültü reddi açısından düşük frekans ve yüksek frekans durma bantları oluşturabileceğini gösterdi. Bu tez çalışmasının temel amacı, PR-CMUT cihazlarının teorik tasarım ile gerçek dünya uygulaması arasındaki boşluğu doldurmak için mikrofabrikasyon süreçlerini geliştirmektir. Yonga ölçeğinde seri üretimle uyumlu üretilebilirlik için tasarlanan bu PR-CMUT dizileri, 200-250 kHz ve 200-300 kHz frekans aralıklarında düz bir geçiş bandına ve ilgili frekans aralıklarının her iki tarafında iki geliştirilmiş durma bandına sahiptir. Bu PR-CMUT cihazlarının mikrofabrikasyon için gerekli fotolitografi maskeleri, uyumlu malzeme seçimleri ve mikrofabrikasyon süreç akışları (entegrasyon süreçleri), kullandığımız temioda yeterlilikleri dikkate alınarak tasarlandı. Cihazların mikrofabrikasyonu birçok kez denendi ve bu süreçlerde karşılaşılan sorunlara paralel olarak mikrofabrikasyon süreç akışları güncellendi ve PR-CMUT cihazları birçok kez üretilmeye çalışıldı. Birim süreçler ve birçok entegrasyon süreci geliştirildi ve tamamlandı. Gelecek mikrofabrikasyon çalışmalarında uygulanacak olası çözümler belirlendi. Ayrıca, dairesel geometrili CMUT tekli membranlarının dinamik karakterizasyonu ZYGO Optik Profilometre kullanılarak araştırıldı. Bu ölçüm aracı (ZYGO) ile CMUT cihazının dairesel membranı dinamik olarak hareket ederken (titreşim yaparken) CMUT cihazı membran hareketlerini kesin olarak ölçmek mümkündür. ZYGO Optik Profilometre ile elde edilen sonuçlar, empedans analizörü sonuçları ile karşılaştırıldı. Dairesel membran CMUT cihazının rezonans frekansının ZYGO Optik Profilometre ile gözlemlenebileceği gösterildi. Ayrıca, bu tez çalışmasındaki sonuçlara dayanarak, bu PR-CMUT MEMS (MikroElektrikMekanik Sistem) cihazlarının gerçekleştirilmesi ve karakterizasyonu için daha fazla gelişim sağlanması adına gelecekteki çalışmalar önerildi.\par Bu tez çalışmasının temel amacı, PR-CMUT cihazlarının teorik tasarımı ile gerçek dünya uygulaması arasındaki boşluğu doldurmak için PR-CMUT cihazlarını mikroyapım süreçleri geliştirerek üretmektir. Yonga ölçekli seri uyumlu üretilebilirlik için tasarlanan bu PR-CMUT dizileri, 200-250 kHz ve 200-300 kHz frekans aralıklarında düz bir geçiş bandına ve her iki tarafta da geliştirilmiş iki durdurma bandına sahiptir. Bu PR-CMUT cihazlarının mikrofabrikasyonu için gerekli fotolitografi maskeleri, malzeme seçimleri ve mikrofabrickasyon işlem akışı, UNAM temiz oda tesisinin yetenekleri göz önünde bulundurularak tasarlandı. Cihazların mikrofabrikasyonu birçok kez denendi ve bu süreçte karşılaşılan sorunlar doğrultusunda mikrofabrikasyon işlem akışı değiştirildi ve PR-CMUT cihazları farklı iterasyonlarla üretilmeye çalışıldı. Zaman kısıtlamaları nedeniyle, çalışan bir PR-CMUT üretimi tamamlanamadı, ancak birim süreçler tamamlandı ve bir sonraki üretimde uygulanacak çözümler belirlendi. Ek olarak, CMUT cihazlarının dinamik karakterizasyonu ZYGO Optik Profilometre kullanılarak incelendi. Bu ölçüm aracıyla, CMUT cihazın zarı dinamik olarak hareket ederken CMUT cihaz zarı yer değiştirmeleri hassas bir şekilde ölçülebilir. Elde edilen sonuçlar empedans analizörü sonuçlarıyla karşılaştırıldığında, CMUT cihazının rezonans frekansının ZYGO Optik Profilometre ile elde edilebileceği gösterildi. Ayrıca, bu ölçümlerden elde edilen diğer sonuçların anlamlı bilgi elde etmek için daha fazla incelenmesi gerektiği sonucuna varıldı.
Özet (Çeviri)
If appropriately designed, Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers (CMUTs) offer advantageous properties such as low cost, small size, low impedance, and environmental friendliness, over piezoelectric transducers. These advantageous properties of CMUTs enable the CMUT devices to be employed in a large area of applications, such as medical applications and non-destructive testing (NDT) applications. CMUT devices and technologies that are heavily developed for medical applications also shed light on the development of CMUT devices to be used in Structural Health Monitoring (SHM) applications for civil infrastructures. Continuous monitoring of the signals produced by the sudden changes happening within civil infrastructures such as bridges or railways may give crucial information about the health of these structures. The rapid release of localized strain energy, which generates Acoustic Emission (AE) waves, is an important indicator of the state of the health of a structure. Detecting AE wave signals may give significant clues about damage formation such as impact, crack initiation, or crack growth. Because AE waves are scattered among a broad range of frequencies, sensing of such AE waves should also be done in broadband, and sensors are preferred to be highly sensitive among such band. For real-life applicable developments, it should be also considered that the environment of the real-life application may be very noisy due to many unrelated reasons, which makes employment of the CMUTs developed in a tightly controlled laboratory environment unpractical for the real-life applications. The noise may often be induced by the noise interferences that are produced by a variety of events that are not needed to be detected. To prevent misjudgments, it is important to differentiate between noise interferences and relevant AE signals, as the presence of significant noise can hinder the detectability of AE waves associated with structural damage. In this process development for CMUT prototype microfabrication study, we collaborated with a group of researchers who have introduced a new approach to designing broadband CMUTs, as well as a unique type of CMUT combination that uses phase-reversal (PR) of generated electrical current for detecting a wide range of mechanical vibration wave frequencies and reducing unwanted noise. By considering the simplest combination of two CMUT cells, the theoretical study, supported by FEM simulations, demonstrated that reversing the electrical current phase of one cell can create low-frequency and high-frequency stopbands for noise rejection, which is applicable for CMUTs operating in air damping. The primary objective of this thesis study is to develop microfabrication processes to microfabricate PR-CMUT devices to bridge the gap between theoretical design and real-world application of PR-CMUT devices. These PR-CMUT arrays that are designed for wafer-scale batch-compatible manufacturability have a flat passband in the 200-250 kHz and 200-300 kHz frequency ranges and two improved stopbands on both sides of the relevant frequency ranges. The photolithography masks, compatible material selections, and microfabrication process flows (integration processes) required for the microfabrication of these PR-CMUT devices were designed considering the capabilities of our cleanroom facility. Microfabrication of the devices was tried multiple times, and in line with the problems encountered in these processes, the microfabrication process flows were updated and the PR-CMUT devices were tried to be produced in multiple iterations. Unit processes, and multiple integration processes were developed and completed. Possible solutions to be implemented in the future microfabrication studies were determined. Additionally, dynamic characterization of individual circular geometry CMUT membranes were explored using a ZYGO Optical Profilometer. With this measurement tool (ZYGO), it is possible to measure CMUT device membrane displacements precisely when the membrane of the CMUT device is moving (vibrating) dynamically. Results obtained from ZYGO Optical Profilometer tool were compared with the impedance analyzer results. It was shown that the resonance frequency of a circular membrane CMUT device can be observed with the ZYGO Optical Profilometer. Furthermore, based on the conclusions from the studies in this thesis, future studies are suggested for further development towards realization and characterization of these PR-CMUT MEMS (MicroElectroMechanical System) devices.
Benzer Tezler
- Development and microfabrication of capacitive micromachined ultrasound transducers with diamond membranes
Elmas membranlı kapasitif mikroüretilmiş ultrason çevirgeçlerin geliştirilmesi ve üretilmesi
MEHMET CEZAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
YRD. DOÇ. DR. BARIŞ BAYRAM
- Mikrobolometre uygulamaları için tungsten katkılı vanadyum oksit ince filmlerinin sentezi
Tungsten doped vanadium oxide thin films synthesis for microbolometer applications
ÖZER ÇELİK
Doktora
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
DOÇ. MEMED DUMAN
- An integrated electromagnetic micro-turbo-generator supported on encapsulated microball bearings
Enkapsüle mikrobilya rulmanlar ile desteklenmiş entegre elektromanyetik mikro-turbo-jeneratör
MUSTAFA İLKER BEYAZ
Doktora
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUniversity of Maryland College ParkElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REZA GHODSSİ
- Batch-compatible micromanufacturing of a CMUT array for optoacoustic imaging of tissue-like phantoms
Doku benzeri fantomların optoakustik görüntülenmesi için CMUT dizilerinin toplu mikro üretimi
DOĞU KAAN BUĞRA ÖZYİĞİT
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Mühendislik Bilimleriİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET YILMAZ
- Novel cochlear electrode array development using microfabrication techniques
Mikrofabrikasyon teknikleri kullanılarak yenilikçi koklear elektrot dizini geliştirilmesi
GÜLÇİN ŞEFİYE AŞKIN
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER