Optimization of collapsed mode cmut receiver for maximum off-resonance sensitivity

Kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çevirici (CMUT), üzerine kaplanmış bir metal elektrot ilesabit bir substrat üzerine asılı hareketli iletken bir plakaya sahiptir. Bu dairesel hareketli levhanın kenarları sabittir, ancak ortam yüklemesi veya hareketli plaka ve alt elektrot arasına uygulanan öngerilim etkisi altında hareket etmekte serbesttir. Bir akustik ortamın varlığında ve öngerilim uygulandığında, plakanın merkezi, boşluktaki elektrik alandan dolayı alt tabakaya doğru daha fazla sapmaktadır. Bu elektrik alanı ve ortam kuvveti, çökmemiş plaka çalışma modunun dengeli bölgesinde plaka geriyükleme kuvveti ile dengelenir. Öngerilim voltajı arttıkça, elektrostatik kuvvet, plaka geri yükleme kuvvetini yener ve plakanın merkezi aralarında ince bir yalıtım tabakası kalarak alt metal ile temas eder. Bu, plaka alt tabaka ile temas halinde kaldığı sürece CMUT'un çökme modu olarakadlandırılır. Bu çalışmada, herhangi bir öngerilim olmaksızın, alt elektrot ile kararlı bir temasoluşturmak için içi boş bir oyuk üzerinde atmosferik kuvvetle kolayca basılan ince bir CMUT plakası kullanıyoruz. CMUT'lar, piezoelektrikseramilere kıyasla bant genişliği ve yüksek hassasiyetle ölçüm yapabilmeleri sebebiyle sualtıakış ölçümleri, uçuş uygulamaları ve medikal ultrason görüntüleme gibi uygulamalarda yaygın olarakkullanılmaktadır.1-D CMUT dizileri kullanan ticari tarayıcıların da klinik yeterlilik kalitesinde görüntülerürettiği de bildirilmektedir. CMUT'lar son otuz yıl içerisinde tıbbi ultrason uygulamalarındaki başarılı kullanımına rağmen, çökmüş modu CMUT'un algılama duyarlılığını optimize etmek için yeterli çaba sarf edilmemiştir. Genellikle, daha yüksek kuplaj katsayısına ulaşmak ve gelen ultrason sinyalini, voltaj ön yükselteci kullanarak transduser açık devre alıcı voltaj sinyali (OCRV) veya transempedans yükselteci ile kısa devre alıcı akım sinyali (SCRC) olarak algılamak için CMUT'lara çökme voltajına yakın bir seviyede öngerilim uygulanır. Plakayı çöküş eşiğine yakın tutmak, herhangi bir mekanik parazit plağı çökertebileceği ve dönüştürücü hassasiyetini azaltabileceğinden dolayı oldukça zordur. Buçalışmada, rezonans-altı frekanslarda kararlı bir performans sağlayabilen ortam basıncı çöküşlü CMUT kullanımını öneriyoruz. Çökmüş bir CMUT plakası gelen ultrasona maruz kaldığında, alınan sinyal öngerilim voltajının fonksiyonu haline gelir. Öngerilme çökmüş plaka ve substrat arasındaki elektrik alan, temas merkezindeki küçük yalıtkan katman boşluğundan dolayı, çökmemiş plakadan dahabüyüktür. Bu çökmüş CMUT'ın, yüksek elektromekanik dönüş oranı ile birlikte giriş kapasitansının artmasını sağlar. Dolaysıyla, yüksek akustik çıkışı sayesinde, çökmüş CMUT'lar muadillerine kıyasla daha uygun bir tercih olmaktadır. İlk olarak, çökmüş CMUT'ın performansı ve öngerilim sinyali arasındaki bağlantıyı kurmak için, düşük sinyal koşullarında lineer eşdeğer devre modelini türettik ve kullandık. Çökmüş CMUT için, OCRV ve SCRC gelen basınca göre, toplu öğeli devre elemanları cinsinden normalize ettik. Farklı CMUT çalışma koşulları için, DC öngerilimin fonksiyonu olarak performans eğrilerini elde ettik. Simüle edilmiş SCRC performansını OCRV ile karşılaştırdık ve transempedans amplifi katörlü SCRC performansının elektriksel kayıplardan etkilenmediğini gösterdik. Daha sonra, herhangi bir CMUT çalışma koşulu veya geometrisi için SCRC performansını öngerilim ile optimize ettik. Model duyarlılığını karakterize etmek için anodik yonga plakası yapıştırma teknolojisine dayanan CMUT hücrelerini tasardık ve ürettik. Üretilmiş CMUT hücrelerini ölçmek ve deneysel olarak doğrulamak için bir transempedans yükselteç kullanıyoruz. Deneyler 50 – 65 volt arasında öngerilim uygulayarak, 100 kHz frekans değerinde $-$60 dB V/Pa hassasiyet seviyesinde gerçekleştirilmektedir.