Development of MEMS Neuristors via Capacitive Micromachined Transducer Technology
Kapasitif Mikroişlenmiş Çevirgeç Teknolojisiyle MEMS Nöristörlerin Geliştirilmesi
- Tez No: 936544
- Danışmanlar: PROF. DR. BARIŞ BAYRAM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Teknoloji odaklı uygulamalara artan talep, önemli ölçüde hesaplama kaynakları gerektirmektedir. Ancak, geleneksel transistör tabanlı analog ve dijital elektronik sistemler, enerji verimliliği ve ölçeklenebilirlik açısından sınırlamalara sahiptir. Beyin esinli nöromorfik donanımlar umut vadeden bir alternatif sunsa da, mevcut memristör tabanlı nöristörler pratik kullanımlarını kısıtlayan güvenilirlik sorunlarını beraberinde getirmektedir. Bu çalışma, yeni nesil nöromorfik elektronikler için CMOS ile entegre edilebilir, ölçeklenebilir ve yüksek performanslı bir alternatif sunmak amacıyla kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çevirgeçler (CMUT) kullanan yeni bir MEMS tabanlı nöristör sunmaktadır. Bu tasarım, memristif elemanlara ihtiyaç duymadan eşik tabanlı spike üretimini mümkün kılarak güvenilirliği önemli ölçüde artırmaktadır. MEMS nöristör, katkılı polisilisyum çıkıntılar ile elde edilen CMUT çökme-kalkma histerezisini ve elektriksel temas başlangıç gerilimini (ECOV) belirleyen Fowler-Nordheim tünellemesini kullanmaktadır. Mikroüretilmiş CMUT tasarımları, ~40 V'luk ECOV değerinin aşılmasına bağlı olarak rezistif veya kapasitif modda çalışmaktadır. Çökme gerilimi ~77 V olan rezistif mod CMUT tasarımları, ortalama temas direnci 4.5 kΩ olan köpekbalığı yüzgeci tipi bir direnç davranışı sergilemektedir. Yay yumuşama etkisiyle, DC gerilimi 70-75.5 V aralığında uygulanarak rezonans frekansı 260-190 kHz aralığında ayarlanabilmektedir. Çökme gerilimi ~33 V olan kapasitif mod CMUT tasarımları ise 25-30 V DC gerilim ve 140-90 kHz frekans aralığında çalışmakta ve kalkma gerilimi ile ilişkili olarak uygulanan DC gerilime bağlı şekilde kısa ve uzun vadeli plastisite (STP, LTP) göstermektedir. Rezistif modda çalışan CMUT tasarımları doğrudan STP özelliği göstermektedir. Tasarım, deneysel ölçümler ve devre düzeyinde simülasyonlarla doğrulanmış; nöromorfik hesaplama için eşik-altı ve eşik-üstü tepkiler gösterilmiştir. MEMS nöristör, enerji verimli ve yüksek performanslı nöromorfik bilgi işlem sistemleri için önemli bir potansiyel taşımaktadır.
Özet (Çeviri)
The rapidly growing demand for technology-driven applications requires substantial computational resources, yet traditional transistor-based analog and digital electronics face significant energy efficiency and scalability limitations. Although brain-inspired neuromorphic hardware offers a promising alternative, existing memristor-based neuristors suffer from reliability challenges, limiting their practical application. This study introduces a novel MEMS-based neuristor utilizing capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs) to provide a CMOS-integrable, scalable, and high-performance alternative for next-generation neuromorphic electronics. This design achieves threshold-based spiking without relying on memristive elements, significantly improving reliability. The MEMS neuristor utilizes collapse-snapback hysteresis in CMUTs and Fowler-Nordheim tunneling, which determines the electrical contact onset voltage (ECOV), enabled by doped polysilicon dimples. The microfabricated CMUTs operate in two distinct modes, resistive and capacitive, depending on whether the ECOV (~40 V) is exceeded. Resistive mode CMUTs, with a collapse voltage of ~77 V, exhibit a shark fin-type resistance behavior with an average contact resistance of 4.5 kΩ. Due to the spring softening effect, their resonance frequency is tunable between 260-190 kHz via DC bias (70-75.5 V). Capacitive mode CMUTs, with a collapse voltage of ~33 V, operate between 140-90 kHz with a DC bias of 25-30 V and demonstrate short- and long-term plasticity (STP, LTP) depending on the DC bias relative to the snapback voltage. Resistive mode CMUTs inherently exhibit STP. The design is validated through experimental measurements and circuit-level simulations, confirming sub- and super-threshold responses essential for neuromorphic computing. The MEMS neuristor holds significant potential for energy-efficient and high-performance neuromorphic computing systems.
Benzer Tezler
- Development of MEMs technology based microwave and millimeter-wave components
MEMs teknolojisi tabanlı mikrodalga ve milimetrik dalga bileşenlerin geliştirilmesi
ÇAĞRI ÇETİNTEPE
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞİMŞEK DEMİR
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Development of an integrated resonant mems temperature sensor
Entegre rezonant mems sıcaklık duyargası geliştirilmesi
TALHA KÖSE
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Development of wearable pedometer by using 3-axis MEMS accelerometer
Üç eksenli MEMS ivme ölçer kullanılarak giyilebilir pedometrenin geliştirilmesi
OMAR MUTHANNA KHUDHUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGUN ERÇELEBİ
- Development of test structures and methods for characterization of mems materials
Mems malzemelerinin karakterizasyonu için test yapıları ve yöntemlerinin geliştirilmesi
ENDER YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SAHİR ARIKAN
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Development of electrochemical etch-stop techniques for integrated MEMS sensors
Entegre MEMS duyargaları için elektrokimyasal aşındırma-durdurma teknikleri geliştirilmesi
GÖZDE CEREN YAŞINOK
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN