Process development for microfabrication of phase reversal CMUT devices for structural health monitoring and development of dynamic characterization processes for mems applications

Eğer uygun bir şekilde tasarlanırsa, Kapasitif Mikroişlemeli Ultrasonik Transdüserler (CMUT'lar), piezoelektrik transdüserlere kıyasla düşük maliyet, küçük boyut, düşük empedans ve çevre dostu olma gibi avantajlı özellikler sunar. Bu avantajlı özellikler, CMUT cihazlarının tıbbi uygulamalar ve tahribatsız test (NDT) uygulamaları gibi geniş ve oldukça çaşitli alanlarda kullanılmasını sağlar. Tıbbi uygulamalar için yoğun bir şekilde geliştirilen CMUT cihazları ve teknolojileri, aynı zamanda CMUT cihazlarının büyük altyapılar için Yapısal Sağlık İzleme (SHM) uygulamalarında kullanılmasının önünü açmıştır. Köprüler veya demiryolları gibi altyapılarda meydana gelen ani değişimlerin ürettiği sinyallerin sürekli izlenmesi, bu yapıların sağlığı hakkında önemli bilgiler verebilir. Yerel (lokal) gerinim enerjisinin hızlı bir şekilde serbest bırakılması, Akustik Emisyon (AE) dalgaları oluşturur ve bu durum, bir yapının sağlık durumu hakkında önemli bir göstergedir. AE dalga sinyallerinin tespit edilmesi, darbe, çatlak oluşumu veya çatlak büyümesi gibi hasar oluşumu hakkında önemli ipuçları verebilir. AE dalgaları geniş bir frekans aralığına yayıldığından, bu tür AE dalgalarının algılanması da geniş bantta yapılmalıdır ve sensörlerin bu bant içerisinde oldukça hassas olması tercih edilir. Gerçek hayatta uygulanabilir gelişmeler için, gerçek hayat uygulamasının ortamının asıl konu ile ilgisi olmayabilecek birçok nedenden dolayı çok gürültülü olabileceği de göz önünde bulundurulmalıdır, bu da sıkı bir şekilde kontrol edilen laboratuvar ortamında geliştirilen CMUT'ların gerçek hayat uygulamaları için pratik olmamasına neden olabilir. Gürültü genellikle tespit edilmesi gerekmeyen çeşitli olaylar tarafından üretilen parazit gürültülerden kaynaklanabilir. Yanlış değerlendirmeleri önlemek için, gürültü parazitleri ile ilgili akustik emisyon (AE) sinyalleri arasında ayrım yapmak önemlidir, çünkü önemli miktarda gürültünün varlığı, yapısal hasarla ilişkili AE dalgalarının tespit edilebilirliğini engelleyebilir. Bu CMUT prototipi mikroüretim çalışması için süreç geliştirme aşamasında, geniş bant CMUT tasarımında yeni bir yaklaşım ve mekanik titreşim dalga frekanslarının geniş bir yelpazesini tespit etmek ve istenmeyen gürültüyü azaltmak için faz terslemesi (PR) kullanan benzersiz bir CMUT kombinasyonu tanıtan bir araştırma ekibi ile iş birliği yaptık. İki CMUT hücresinin en basit kombinasyonu dikkate alınarak yapılan teorik çalışma ve FEM simülasyonları, bir hücrenin elektrik akımı fazını tersine çevirmenin, hava sönümlemesi altında çalışan CMUT'lar için gürültü reddi açısından düşük frekans ve yüksek frekans durma bantları oluşturabileceğini gösterdi. Bu tez çalışmasının temel amacı, PR-CMUT cihazlarının teorik tasarım ile gerçek dünya uygulaması arasındaki boşluğu doldurmak için mikrofabrikasyon süreçlerini geliştirmektir. Yonga ölçeğinde seri üretimle uyumlu üretilebilirlik için tasarlanan bu PR-CMUT dizileri, 200-250 kHz ve 200-300 kHz frekans aralıklarında düz bir geçiş bandına ve ilgili frekans aralıklarının her iki tarafında iki geliştirilmiş durma bandına sahiptir. Bu PR-CMUT cihazlarının mikrofabrikasyon için gerekli fotolitografi maskeleri, uyumlu malzeme seçimleri ve mikrofabrikasyon süreç akışları (entegrasyon süreçleri), kullandığımız temioda yeterlilikleri dikkate alınarak tasarlandı. Cihazların mikrofabrikasyonu birçok kez denendi ve bu süreçlerde karşılaşılan sorunlara paralel olarak mikrofabrikasyon süreç akışları güncellendi ve PR-CMUT cihazları birçok kez üretilmeye çalışıldı. Birim süreçler ve birçok entegrasyon süreci geliştirildi ve tamamlandı. Gelecek mikrofabrikasyon çalışmalarında uygulanacak olası çözümler belirlendi. Ayrıca, dairesel geometrili CMUT tekli membranlarının dinamik karakterizasyonu ZYGO Optik Profilometre kullanılarak araştırıldı. Bu ölçüm aracı (ZYGO) ile CMUT cihazının dairesel membranı dinamik olarak hareket ederken (titreşim yaparken) CMUT cihazı membran hareketlerini kesin olarak ölçmek mümkündür. ZYGO Optik Profilometre ile elde edilen sonuçlar, empedans analizörü sonuçları ile karşılaştırıldı. Dairesel membran CMUT cihazının rezonans frekansının ZYGO Optik Profilometre ile gözlemlenebileceği gösterildi. Ayrıca, bu tez çalışmasındaki sonuçlara dayanarak, bu PR-CMUT MEMS (MikroElektrikMekanik Sistem) cihazlarının gerçekleştirilmesi ve karakterizasyonu için daha fazla gelişim sağlanması adına gelecekteki çalışmalar önerildi.\par Bu tez çalışmasının temel amacı, PR-CMUT cihazlarının teorik tasarımı ile gerçek dünya uygulaması arasındaki boşluğu doldurmak için PR-CMUT cihazlarını mikroyapım süreçleri geliştirerek üretmektir. Yonga ölçekli seri uyumlu üretilebilirlik için tasarlanan bu PR-CMUT dizileri, 200-250 kHz ve 200-300 kHz frekans aralıklarında düz bir geçiş bandına ve her iki tarafta da geliştirilmiş iki durdurma bandına sahiptir. Bu PR-CMUT cihazlarının mikrofabrikasyonu için gerekli fotolitografi maskeleri, malzeme seçimleri ve mikrofabrickasyon işlem akışı, UNAM temiz oda tesisinin yetenekleri göz önünde bulundurularak tasarlandı. Cihazların mikrofabrikasyonu birçok kez denendi ve bu süreçte karşılaşılan sorunlar doğrultusunda mikrofabrikasyon işlem akışı değiştirildi ve PR-CMUT cihazları farklı iterasyonlarla üretilmeye çalışıldı. Zaman kısıtlamaları nedeniyle, çalışan bir PR-CMUT üretimi tamamlanamadı, ancak birim süreçler tamamlandı ve bir sonraki üretimde uygulanacak çözümler belirlendi. Ek olarak, CMUT cihazlarının dinamik karakterizasyonu ZYGO Optik Profilometre kullanılarak incelendi. Bu ölçüm aracıyla, CMUT cihazın zarı dinamik olarak hareket ederken CMUT cihaz zarı yer değiştirmeleri hassas bir şekilde ölçülebilir. Elde edilen sonuçlar empedans analizörü sonuçlarıyla karşılaştırıldığında, CMUT cihazının rezonans frekansının ZYGO Optik Profilometre ile elde edilebileceği gösterildi. Ayrıca, bu ölçümlerden elde edilen diğer sonuçların anlamlı bilgi elde etmek için daha fazla incelenmesi gerektiği sonucuna varıldı.