Nonlinear modelling of an immersed transmitting capacitive micromachined ultrasonic transducer for harmonic balance analysis

Sonlu eleman methodu (SEM) kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çeviricilerin (KMUÇ) geçici dinamik rejim analizinde kullanılmakta ve özellikle de membranlar doğrusal olmayan şekilde sürüldüğünde faydalıdır. Geçici rejim SEM analizi, DC gerilim altında çok düşük AC uyarımda dahi KMUÇ'un şiddetli bir şekilde doğrusal olmayan davranış sergilediğini göstermektedir. SEM'in başlıca dezavantajlarından bir tanesi, simulasyon için aşırı zaman gerektirmesidir. Diğer taraftan, Harmonik Denge (HD) analizi, doğrusal olmayan devrelerin denge durumundaki tepkisinin doğru tahminini çok hızlı sağlamaktadır. KMUÇ'un mekanik kısmını modellemek için Mason'ın eşdeğer devresi yaygın olarak kullanılmaktadır. Fakat, özellikle, daldırılmış bir KMUÇ için Mason'ın mekanik LC kısmını katı bir pistonun radyasyon empedansı ile sonlandırmak uygun değildir. Geçici rejim SEM analizini kullanarak membran davranışını araştırdık ve membran hareketinin seri rezonans civarındaki birçok harmoniklerinin yanlarından tutturulmuş bir ışıyıcı olarak modellenebildiğini bulduk. Devre elemanı olarak ortalama hız yerine, membran yüzeyindeki hız dağılımının etkin değerini dikkate aldık. Bu tanım ile membran ağırlığının kinetik enejisi modeldeki ile aynıdır. Yanlarından tutturulmuş bir ışıyıcı için kuvvet ve akım denklemlerini türettik ve ticari bir HD simülatörü kullanarak bunları modelde uyguladık. Olağan modele göre, SEM ile önerilen eşdeğer model arasında çok daha iyi uyuşma gözlemledik.