Electrically unbiased and half frequency driven waterborne 16x16-element 2-D phased array CMUT

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.