Improved modeling of capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTS)

Kapasitif mikro işlenmiş ultrasonik dönüştürücüler akademide ve endüstride 20 yıldan fazla süredir yoğun olarak çalışılmaktadır. Geleneksel ultrasonic görüntüleme, piezoelektrik dönüştürücüler üzerine kurulmuştur. Ancak kapasitif mikro işlenmiş ultrasonik dönüştürücüler daha geniş frekans bantlı olmaları, kolay fabrikasyonu ve geniş 2 boyutlu üretilebilirliği, birleştirilmiş devreler ile uyumu, düşük maliyet özellikleri bakımından piezoelektrik dönüştürücülerden üstündür. Kapasitif mikro işlenmiş ultrasonik dönüştürücülerin sağladığı dizayn rahatlığı ile, düzgün olmayan şekiller dahil olmak üzere farklı boyut ve geometrilerde kompleks dönüştürücüler üretilebilir. Bu durum medical görüntüleme topluluğunda hızlı ve doğru modelleme araçları geliştirilmesi gereğini doğurmuştur. Bu tezde, kapasitif mikro işlenmiş ultrasonic dönüştürücüler için geliştirilmiş olan iki method; eş değer devre ve sonlu element modellerini gösterdik. Sınırlı element modelleri farklı membran geometrilerini değerlendirip bu dönüştürücülerin performansını doğru bir şekilde verir. Ancak, bu method eşdeğer devre modellerine kıyasla oldukça uzun sürmektedir ve seri simülasyonların gerekli olduğu optimizasyon için uygun değildir. Bundan dolayı optimizasyon için eş değer devreler tercih edilir. Bir çok eşdeğer devre modeli sunulmuştur. Ancak frekans bandını doğru bir şekilde elde edebilmek için kapasitif mikro işlenmiş ultrasonic dönüştürücü anti-rezonansının eş değer devre tarafından eklenmesi gerekir. Bu tezin ilk amacı Kapasitif mikro işlenmiş ultrasonik dönüştürücülerin frekans bandını ve anti-rezonans frekanslarını gösteren yeni bir devre tasarlamaktır. Tezin ikinci amacı ise akustik anjiyografi uygulamaları için ultra geniş frekans bantlı kapasitif mikro işlenmiş ultrasonik dönüştürücüler dizayn etmektir. Şuanda bu uygulama için çift frekanslı dönüştürücüler kullanılmaktadır. Bu işlemde iki set dönüştürücü kullanılır; Bir tanesi düşük frekansta ultrasonik dalga yollar, diğeri de ilk gönderilen dalganın hücreden gelen harmoniklerini algılar. Bu işlem dönüştürücülerin frekans bandının dikkatli şekilde ayarlanmasını gerektirir ve bundan dolayı oldukça komplekstir. Bazı bilgiler algılanamayan harmoniklerde kaybedilebilir. Diğer bir zorluk ise dönüştürücülerin ortak eksen üzerinde, alıcının oluşturulan ultrasonic dalgaların çoğunu algılayacağı biçimde yerleştirilmesidir. Bundan dolayı, eğer dönüştürücü frekans bandı yeterince geniş yapılabilirse, sadece bir tek dönüştürücü kullanılabilir ve böylece işlem daha az kompleks olur ayrıca daha fazla harmonic algılanabilir. Bundan dolayı tezin ikinci kısmı maksimum frekans bandı elde etmek için membrane geometrisini, boyutunu ve eletrot alanini optimize etmeye odaklanmıştır. Bu tez çerçevesinde, anti-rezonans frekansı üzerinde çalışarak yeni bir membrane geometrisi ortaya koyarak çok geniş bantlı dönüştürücü ortaya koyduk. Membran geometrisi düz olmadığı için bu tezin ilk kısmında geliştirdiğimiz eşdeğer devre bu dönüştürücü bandını doğru şekilde bulamamakta. Bundan dolayı tezin ikinci kısmında çok geniş frekans bandı elde etmek üzere farklı membran geometrileri dizaynı için sonlu elemet modeli kullandık.