Емкостной микромеханического ультразвуковой преобразователь ( CMUT ) является относительно новой концепцией в области ультразвуковых преобразователей . Большинство коммерческих ультразвуковых преобразователей сегодня основаны на пьезоэлектричестве . CMUT - это преобразователи, в которых преобразование энергии происходит из-за изменения емкости . CMUT построены на кремнии с использованием методов микрообработки. Полость формируется в кремниевой подложке , а тонкий слой, подвешенный наверху полости, служит мембраной, на которой металлизированный слой действует как электрод.вместе с кремниевой подложкой, которая служит нижним электродом.
Если сигнал переменного тока подается на смещенные электроды, вибрирующая мембрана будет создавать ультразвуковые волны в интересующей среде. Таким образом, он работает как передатчик . С другой стороны, если ультразвуковые волны воздействуют на мембрану CMUT со смещением, он будет генерировать переменный сигнал при изменении емкости CMUT. Таким образом, он работает как приемник ультразвуковых волн. [1]
Поскольку преобразователи CMUT представляют собой микромашинные устройства, с помощью этой технологии проще создавать двумерные массивы преобразователей. Это означает, что в массив преобразователей можно включить большое количество преобразователей, обеспечивающих большую полосу пропускания по сравнению с другими технологиями преобразователей. Достичь высокочастотной работы с помощью преобразователя CMUT проще из-за его меньших размеров. [2] Частота работы зависит от размера ячейки (полости мембраны) и от жесткости материала, используемого в качестве мембраны. Поскольку он построен на кремнии, интеграция электроники для преобразователей CMUT будет проще по сравнению с другими технологиями преобразователей. Свойства для использования на высоких частотах с большой полосой пропускания делают его хорошим выбором для использования в качестве преобразователя при медицинской визуализации , особенно при внутрисосудистом ультразвуковом исследовании (ВСУЗИ). Из-за его более широкой полосы пропускания его можно было использовать для визуализации второй гармоники . Также были проведены эксперименты по использованию преобразователей CMUT в качестве гидрофонов .
Методы изготовления
Микрообработка протекторной поверхности
Микрообработка поверхности - традиционный способ изготовления преобразователей частоты. [3] Основные ограничения этого метода включают сложный производственный процесс для создания и герметизации каналов травления / дренажа жертвенного материала; необходимость в проточных каналах уменьшает доступное пространство для преобразователей, тем самым уменьшая достижимую способность генерации звука; ограниченный контроль толщины слоев в процессе изготовления; ограниченная толщина полости из-за остатков жидкости внутри полости ячейки, которые могут вызвать трение между верхней и нижней частями ячейки, если ячейка недостаточно толстая. [4]
Склеивание пластин
Склеивание пластин - самый популярный метод. В этом методе CMUT строится из двух отдельных пластин, которые позже соединяются для получения ячеек с полостями.
Фьюжн-склеивание
Склеивание пластин плавлением. [5] [6] [7] [8]
Многопользовательский процесс MUMPS (polyMUMPS). Сообщалось, что преобразователи CMUT, изготовленные в многопользовательских MUMPS, имеют пониженные характеристики, например относительно низкую резонансную частоту. [9]
Анодное соединение
При анодном соединении пластины запаиваются при высокой температуре и в присутствии электрического поля. [10]
Нисходящий процесс
В этом методе изготовление осуществляется в обратном порядке по сравнению с традиционным способом. [11] [12] Структурная мембрана изготовлена из нитрида кремния LPCVD, но весь процесс низкотемпературный, поэтому она совместима с CMOS. На излучающей поверхности устройства нет отверстия для травления. Контактные площадки находятся на задней панели устройства без использования сквозных переходников в кремнии, а кремниевая подложка полностью удалена. Специальная акустическая подложка используется для улучшения акустических характеристик устройства. В процессе используется несколько масок (7-8). [13]
Интеграция с электрическими цепями
Как упоминалось ранее, одним из значительных преимуществ преобразователей CMUT перед пьезоэлектрическими преобразователями является возможность интеграции преобразователей CMUT с электрическими цепями с использованием существующих методов производства.
Бенчмаркинг
Производительность CMUT является протестированной с помощью питч-улов и эхо-импульсных экспериментов, и однородность работы проверяется на воздухе и при погружении. В эксперименте по ловле тангажа датчик проверяется с помощью гидрофона , а в эксперименте с эхосигналом датчик используется как для передачи, так и для приема, при этом измеренный сигнал сравнивается с откликом гидрофона.
Приложения
Технология CMUT-on-CMOS и процесс перевернутого кристалла обеспечивают тесную интеграцию CMUT с внешней электроникой, что необходимо для миниатюрных медицинских устройств визуализации , таких как ВСУЗИ .
Рекомендации
- ^ «Общее описание и преимущества CMUT» . Стэндфордский Университет. Архивировано из оригинала 20 июля 2011 года . Проверено 7 февраля 2011 года .
- ^ «Емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи: матрицы нового поколения для акустической визуализации» (PDF) . IEEE Transactions на UFFC, Vol.49, опубликованного ноябрь 2002 года в архиве от оригинала (PDF) на 18 марта 2012 года . Проверено 8 февраля 2011 года .
- ^ С. ergün, Ю. Хуан, X. Чжуан, О. Oralkan, GG Yaralioglu и BT Хури-Якуб, "емкостный микромеханического Ультразвуковые преобразователи: технология изготовления," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 52, стр. 2242-2258, 2005.
- ^ Ergun, AS; Хуанг, Y; Чжуан, X (2005). «Емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи: технология изготовления». IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control . 52 (12): 2242–58. PMID 16463490 .
- ^ Ю. Хуанг,С. Эргюн, Е. Haeggstrom, МН Бадьины и ВТ Хури-Якуб, «фабрикации Емкостных микромеханические ультразвуковые преобразователи с Вафельным-Bonding Technology», J. МЭМС, т. 12. С. 128-137, 2003.
- ^ А. Логан, JTW Yeow, "Изготовление емкостных микромашинных ультразвуковых преобразователей с помощью нового процесса соединения пластин на основе нитрида кремния", IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 56, стр. 1074-1084, 2009.
- ^ K. Midtbø, A. Rønnekleiv и DT Wang, "Изготовление и определение характеристик CMUT, реализованных путем соединения пластин", Proc. IEEE Ultrason. Symp., Т. 1, 2006, стр. 938-941.
- ^ KK Park, HJ Ли, М. Kupnik, O.Oralkan и BT Хури-Якуб, "фабрикации емкостных микромеханические Ультразвуковые преобразователи с прямым вафельным-Bonding и ЛОКОС технологией," 2008 IEEE MEMS Conf., Стр. 339-342, 2008 .
- ^ Лю, Джессика; Окли, Клайд; Шандас, Робин (2009). «Емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи, использующие коммерческий многопользовательский процесс MUMP: возможности и ограничения» . Ультразвук . 49 (8): 765–773. DOI : 10.1016 / j.ultras.2009.06.003 . ISSN 0041-624X . PMC 2783530 . PMID 19640557 .
- ^ С. Олькум, К. Огуз, М. Н. Сенлик, Ф. Яманер, А. Бозкурт, А. Аталар и Х. Коймен, «Подводные микромашинные емкостные преобразователи с пластинчатым соединением», Симпозиум IEEE по ультразвуку, 2009, стр. 976-979, 2009.
- ^ А. Коппа, Э. Чианчи, В. Фольетти, Г. Калиано и М. Паппалардо, "Построение CMUT для приложений визуализации сверху вниз", Microelect. Англ., Т. 84, стр. 1312-1314, 2007.
- ^ А. Каронти, А. Коппа, А. Савойя, К. Лонго, П. Гатта, Б. Маути, А. Корбо, Б. Калабрезе, Г. Боллино, А. Пас, Г. Калиано и М. Паппалардо, «Матрица криволинейных емкостных микромашинных ультразвуковых преобразователей (CMUT), изготовленная с использованием обратного процесса», 2008 IEEE Ultrasonics Symposium, стр. 2092-2095, 2008.
- ^ Патент US7790490
Внешние ссылки
- Программное обеспечение для моделирования распространения ультразвука с CMUT:
- Поле-II
- ФОКУС