Емкостный микромашинный ультразвуковой преобразователь - Capacitive micromachined ultrasonic transducer

А емкостный микромашинный ультразвуковой преобразователь (CMUT) - относительно новая концепция в области ультразвуковые преобразователи. Большинство коммерческих ультразвуковых преобразователей сегодня основаны на пьезоэлектричество. CMUT - это преобразователи, в которых преобразование энергии происходит из-за изменения емкость. CMUT построены на кремний с использованием техники микрообработки. В кремниевом корпусе образуется полость. субстрат, а тонкий слой, подвешенный наверху полости, служит мембрана на котором металлизированный слой действует электрод вместе с кремниевой подложкой, которая служит нижним электродом.

Если AC сигнал применяется через пристрастный электроды, вибрирующая мембрана будет производить ультразвуковые волны в среде интереса. Таким образом, он работает как передатчик. С другой стороны, если ультразвуковые волны воздействуют на мембрану преобразователя 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 большое количество преобразователей CMUT может быть включено в матрицу преобразователей, обеспечивая большую пропускная способность по сравнению с другими технологиями датчиков. Достичь высокочастотной работы с помощью преобразователя CMUT проще из-за его меньших размеров.[2] Частота срабатывания 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 в медицинская визуализация, особенно в внутрисосудистое ультразвуковое исследование (ВСУЗИ). Благодаря более широкой полосе пропускания его можно было использовать в изображение второй гармоники. Также были проведены некоторые эксперименты по использованию CMUT в качестве гидрофоны.

Методы изготовления

Микрообработка протекторной поверхности

Микрообработка поверхности это традиционный способ изготовления CMUT.[3] Основные ограничения этого метода включают сложный производственный процесс для создания и герметизации каналов травления / дренажа расходуемого 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, что может вызвать прикол между верхней и нижней частями ячейки, если ячейка недостаточно толстая.[4]

Склеивание пластин

Склеивание пластин - самый популярный метод. В этом методе CMUT создается 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

В анодное соединение, 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] Конструкционная 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.

Сравнительный анализ

Производительность CMUT проверенный с помощью экспериментов с улавливанием тона и эхо-импульсом, а также проверяют равномерность работы в воздухе и в погружении. В эксперименте с перехватом звука преобразователь проверяется с помощью гидрофон, а в эксперименте импульс-эхо преобразователь используется как для передачи, так и для приема при сравнении измеренного сигнала с откликом гидрофона.

Приложения

Технология CMUT-on-CMOS и процесс flip-chip позволяют тесную интеграцию CMUT с внешней электроникой, что необходимо для миниатюрных устройств. медицинская визуализация устройства, такие как ВСУЗИ.

Рекомендации

  1. ^ «Общее описание и преимущества CMUT». Стэндфордский Университет. Архивировано из оригинал 20 июля 2011 г.. Получено 7 февраля 2011.
  2. ^ «Емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи: матрицы нового поколения для акустической визуализации» (PDF). IEEE Transactions on UFFC, Vol.49, опубликовано в ноябре 2002 г. Архивировано из оригинал (PDF) 18 марта 2012 г.. Получено 8 февраля 2011.
  3. ^ A. S. Ergun, Y. Huang, X. Zhuang, O. Oralkan, G. G. Yaralioglu, B. T. Khuri-Yakub, "Емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи: технология изготовления", IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 52, стр. 2242-2258, 2005.
  4. ^ 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.
  5. ^ Ю. Хуанг, А. С. Эргун, Э. Хэггстром, М. Х. Бадин и Б. Т. Хури-Якуб, "Изготовление емкостных микромашинных ультразвуковых преобразователей с использованием технологии соединения пластин", J. MEMS, vol. 12. С. 128-137, 2003.
  6. ^ А. Логан, Дж. Т. В. Йео, "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.
  7. ^ K. Midtbø, A. Rønnekleiv и D. T. Wang, "Изготовление и определение характеристик CMUT, реализованных путем соединения пластин", Proc. IEEE Ultrason. Symp., Т. 1, 2006, стр. 938-941.
  8. ^ К. К. Парк, Х. Дж. Ли, М. Купник, О. Оралкан и Б. Т. Хури-Якуб, «Изготовление емкостных микромашинных ультразвуковых преобразователей с прямым соединением пластин и технологией LOCOS», 2008 IEEE MEMS Conf., Стр. 339-342, 2008.
  9. ^ Лю, Джессика; Окли, Клайд; Шандас, Робин (2009). «Емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи, использующие коммерческий многопользовательский процесс MUMP: возможности и ограничения». Ультразвук. 49 (8): 765–773. Дои:10.1016 / j.ultras.2009.06.003. ISSN  0041-624X. ЧВК  2783530. PMID  19640557.
  10. ^ С. Олкум, К. Огуз, М. Н. Сенлик, Ф. Ю. Яманер, А. Бозкурт, А. Аталар и Х. Коймен, «Подводные микромашинные емкостные преобразователи с пластинчатым соединением», Симпозиум IEEE по ультразвуку, 2009, стр. 976-979, 2009.
  11. ^ А. Коппа, Э. Чианчи, В. Фольетти, Г. Калиано и М. Паппалардо, "Построение CMUT для приложений обработки изображений сверху вниз", Microelect. Англ., Т. 84, стр. 1312-1314, 2007.
  12. ^ 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 », IEEE Ultrasonics Symposium, 2008, стр. 2092-2095, 2008.
  13. ^ Патент US7790490

внешняя ссылка

  • Программное обеспечение для моделирования распространения ультразвука с CMUT: