Емкостный микромеханический ультразвуковой преобразователь

Емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи ( CMUT ) являются относительно новой концепцией в области ультразвуковых преобразователей . Большинство коммерческих ультразвуковых преобразователей сегодня основаны на пьезоэлектричестве . В CMUT передача энергии происходит за счет изменения емкости . CMUT изготавливаются на кремнии с использованием методов микрообработки. сформирована полость 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 переменного тока сигнал подается на смещенные электроды, вибрирующая мембрана будет генерировать ультразвуковые волны в интересующей среде. Таким образом, он работает как передатчик . С другой стороны, если ультразвуковые волны воздействовать на мембрану смещенного CMUT, он будет генерировать переменный сигнал при изменении емкости CMUT. Таким образом, он работает как приемник ультразвуковых волн. ^{[ 1 ]}

Поскольку CMUT представляют собой микромашинные устройства, с использованием этой технологии легче создавать двумерные массивы преобразователей. Это означает, что большое количество CMUT может быть включено в массив преобразователей, обеспечивающий большую полосу пропускания по сравнению с другими технологиями преобразователей. Добиться высокочастотной работы с использованием CMUT проще из-за его меньших размеров. ^{[ 2 ]} Частота срабатываний зависит от размера ячейки (полости мембраны) и жесткости материала, используемого в качестве мембраны. Поскольку он построен на кремнии, интеграция электроники для CMUT будет проще по сравнению с другими технологиями преобразователей. Свойства использования на высоких частотах с широкой полосой пропускания делают его хорошим выбором для использования в качестве датчика в медицинской визуализации , особенно при внутрисосудистом ультразвуковом исследовании (ВСУЗИ). Благодаря более широкой полосе пропускания его можно использовать для визуализации второй гармоники . Также были проведены некоторые эксперименты по использованию CMUT в качестве гидрофонов .

Методы изготовления

Микрообработка жертвенной разделительной поверхности

Микрообработка поверхности является традиционным способом изготовления CMUT. ^{[ 3 ]} Основные ограничения этого метода включают сложный производственный процесс создания и герметизации каналов травления/дренажа жертвенного материала; необходимость в каналах жертвенного выпуска уменьшает доступное пространство для преобразователей, тем самым снижая достижимую способность генерации звука; ограниченный контроль толщины слоев в процессе производства; ограниченная толщина полости из-за остатков жидкости внутри полости клетки, что может вызвать слипание между верхней и нижней частями клетки, если клетка недостаточно толстая. ^{[ 3 ]}

Склеивание пластин

Соединение пластин – самый популярный метод. В этом методе CMUT строится из двух отдельных пластин, которые позже соединяются для получения ячеек с полостями.

Сваривание

Сварка пластин. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Многопользовательский процесс MUMPS (polyMUMPS). Сообщалось, что CMUT, изготовленные в многопользовательских MUMPS, имеют пониженные характеристики, например, относительно низкую резонансную частоту. ^{[ 8 ]}

Анодное соединение

При анодной сварке пластины герметизируются при высокой температуре и в присутствии электрического поля. ^{[ 9 ]}

Процесс сверху вниз

В этом методе изготовление осуществляется в обратном порядке по сравнению с традиционным способом. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} Структурная мембрана изготовлена из нитрида кремния LPCVD, но весь процесс является низкотемпературным, поэтому он совместим с CMOS. На излучающей поверхности прибора отсутствуют отверстия травления. Контактные площадки находятся на задней стороне 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). ^{[ 12 ]}

Интеграция с электрическими цепями

Как упоминалось ранее, одним из существенных преимуществ CMUT перед пьезоэлектрическими преобразователями является возможность интеграции CMUT с электрическими цепями, используя существующие методы производства.

Бенчмаркинг

Производительность CMUT оценивается с помощью экспериментов по улавливанию тона и импульсного эха, а однородность работы проверяется на воздухе и в погружении. В эксперименте по улавливанию тона преобразователь проверяется с помощью гидрофона , а в эксперименте по импульсному эхо преобразователь используется как для передачи, так и для приема, при этом измеренный сигнал сравнивается с откликом гидрофона.

Приложения

Технология CMUT-on-CMOS и процесс флип-чипа обеспечивают тесную интеграцию CMUT с внешней электроникой, что необходимо для миниатюрных устройств медицинской визуализации , таких как IVUS .

Ссылки

^ «Общее описание и преимущества CMUT» . Стэнфордский университет. Архивировано из оригинала 20 июля 2011 года . Проверено 7 февраля 2011 г.
^ Оралкан, О.; Эргун, А.С.; Джонсон, Дж.А.; Караман, М.; Демирчи, У.; Кавиани, К.; Ли, TH; Хури-Якуб, Б.Т. (2002). «Емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи: массивы нового поколения для акустической визуализации?» (PDF) . Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 49 (11): 1596–1610. дои : 10.1109/TUFFC.2002.1049742 . ПМИД 12484483 . S2CID 17896227 . Архивировано из оригинала (PDF) 18 марта 2012 года . Проверено 8 февраля 2011 г.
^ Jump up to: ^а ^б Эргун, А.С.; Хуанг, Ю; Чжуан, X (2005). «Емкостные микромеханические ультразвуковые преобразователи: технология изготовления». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 52 (12): 2242–58. дои : 10.1109/tuffc.2005.1563267 . ПМИД 16463490 . S2CID 3155087 .
^ Юнли Хуан; Эргун, А.С.; Хаггстрем, Э.; Бади, Миннесота; Хури-Якуб, Б.Т. (2003). «Изготовление емкостных микромашинных ультразвуковых преобразователей с использованием технологии сварки пластин». Журнал микроэлектромеханических систем . 12 (2): 128–137. дои : 10.1109/JMEMS.2003.809968 . S2CID 73596830 .
^ Логан, А.; Да, JTW (2009). «Изготовление емкостных микромашинных ультразвуковых преобразователей с использованием нового процесса соединения пластин на основе нитрида кремния». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 56 (5): 1074–1084. дои : 10.1109/TUFFC.2009.1141 . ПМИД 19473926 . S2CID 12058311 .
^ Мидтбо, К.; Роннеклеев А.; Ван, DT (2006). «Изготовление и характеристика CMUT, реализованных методом соединения пластин». 2006 Симпозиум IEEE по ультразвуку . стр. 938–941. дои : 10.1109/ULTSYM.2006.249 . ISBN 1-4244-0201-8 . S2CID 20519164 .
^ Парк, КК; Ли, HJ; Купник, М.; Оралкан, О.; Хури-Якуб, Б.Т. (2008). «Изготовление емкостных микромашинных ультразвуковых преобразователей с прямой сваркой пластин и технологией LOCOS». 2008 г. 21-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам . стр. 339–342. дои : 10.1109/MEMSYS.2008.4443662 . ISBN 978-1-4244-1792-6 . S2CID 9508355 .
^ 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 . ПМЦ 2783530 . ПМИД 19640557 .
^ Олькум, Селим; Огуз, Каган; Сенлик, Мухаммад Н.; Яманер, Ф. Ялчин; Бозкурт, Айхан; Отцы, Абдулла; Коймен, Хайреттин (2009). «Емкостные микромеханические подводные преобразователи на пластинах». 2009 Международный симпозиум по ультразвуку IEEE . стр. 976–979. дои : 10.1109/ULTSYM.2009.5441699 . hdl : 11693/28638 . ISBN 978-1-4244-4389-5 . S2CID 7143784 .
^ Коппа, А.; Чианчи, Э.; Фольетти, В.; Калиано, Дж.; Паппалардо, М. (2007). «Создание CMUT для приложений обработки изображений сверху вниз». Микроэлектронная инженерия . 84 (5–8): 1312–1315. дои : 10.1016/j.mee.2007.01.211 .
^ Каронти, Алессандро; Коппа, Андреа; Савой, Алессандро; Лонго, Кристина; Гатта, Филипп; Маути, Барбара; Корбо, Антонио; Калабрезе, Беатрис; Боллино, Джулио; Пас, Алехандро; Калиано, Джозуэ; Паппалардо, Массимо (2008). «Криволинейный емкостный микромашинный ультразвуковой преобразователь (CMUT), изготовленный с использованием обратного процесса». Симпозиум IEEE по ультразвуку 2008 г. стр. 2092–2095. дои : 10.1109/ULTSYM.2008.0517 . ISBN 978-1-4244-2428-3 . S2CID 6900919 .
^ Патент US7790490.

См. также

PMUT , аналогичная технология на основе пьезоэлектричества.

Внешние ссылки

Как ультразвук стал маленьким в IEEE Spectrum
Программное обеспечение для моделирования для ультразвукового распространения с помощью CMUT:
- Поле-II
- Фокус

[General-1] «Общее описание и преимущества CMUT» . Стэнфордский университет. Архивировано из оригинала 20 июля 2011 года . Проверено 7 февраля 2011 г.

[2] Оралкан, О.; Эргун, А.С.; Джонсон, Дж.А.; Караман, М.; Демирчи, У.; Кавиани, К.; Ли, TH; Хури-Якуб, Б.Т. (2002). «Емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи: массивы нового поколения для акустической визуализации?» (PDF) . Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 49 (11): 1596–1610. дои : 10.1109/TUFFC.2002.1049742 . ПМИД 12484483 . S2CID 17896227 . Архивировано из оригинала (PDF) 18 марта 2012 года . Проверено 8 февраля 2011 г.

[ErgunAS2005-3] Jump up to: ^а ^б Эргун, А.С.; Хуанг, Ю; Чжуан, X (2005). «Емкостные микромеханические ультразвуковые преобразователи: технология изготовления». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 52 (12): 2242–58. дои : 10.1109/tuffc.2005.1563267 . ПМИД 16463490 . S2CID 3155087 .

[4] Юнли Хуан; Эргун, А.С.; Хаггстрем, Э.; Бади, Миннесота; Хури-Якуб, Б.Т. (2003). «Изготовление емкостных микромашинных ультразвуковых преобразователей с использованием технологии сварки пластин». Журнал микроэлектромеханических систем . 12 (2): 128–137. дои : 10.1109/JMEMS.2003.809968 . S2CID 73596830 .

[5] Логан, А.; Да, JTW (2009). «Изготовление емкостных микромашинных ультразвуковых преобразователей с использованием нового процесса соединения пластин на основе нитрида кремния». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 56 (5): 1074–1084. дои : 10.1109/TUFFC.2009.1141 . ПМИД 19473926 . S2CID 12058311 .

[6] Мидтбо, К.; Роннеклеев А.; Ван, DT (2006). «Изготовление и характеристика CMUT, реализованных методом соединения пластин». 2006 Симпозиум IEEE по ультразвуку . стр. 938–941. дои : 10.1109/ULTSYM.2006.249 . ISBN 1-4244-0201-8 . S2CID 20519164 .

[7] Парк, КК; Ли, HJ; Купник, М.; Оралкан, О.; Хури-Якуб, Б.Т. (2008). «Изготовление емкостных микромашинных ультразвуковых преобразователей с прямой сваркой пластин и технологией LOCOS». 2008 г. 21-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам . стр. 339–342. дои : 10.1109/MEMSYS.2008.4443662 . ISBN 978-1-4244-1792-6 . S2CID 9508355 .

[LiuOakley2009-8] 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 . ПМЦ 2783530 . ПМИД 19640557 .

[9] Олькум, Селим; Огуз, Каган; Сенлик, Мухаммад Н.; Яманер, Ф. Ялчин; Бозкурт, Айхан; Отцы, Абдулла; Коймен, Хайреттин (2009). «Емкостные микромеханические подводные преобразователи на пластинах». 2009 Международный симпозиум по ультразвуку IEEE . стр. 976–979. дои : 10.1109/ULTSYM.2009.5441699 . hdl : 11693/28638 . ISBN 978-1-4244-4389-5 . S2CID 7143784 .

[10] Коппа, А.; Чианчи, Э.; Фольетти, В.; Калиано, Дж.; Паппалардо, М. (2007). «Создание CMUT для приложений обработки изображений сверху вниз». Микроэлектронная инженерия . 84 (5–8): 1312–1315. дои : 10.1016/j.mee.2007.01.211 .

[11] Каронти, Алессандро; Коппа, Андреа; Савой, Алессандро; Лонго, Кристина; Гатта, Филипп; Маути, Барбара; Корбо, Антонио; Калабрезе, Беатрис; Боллино, Джулио; Пас, Алехандро; Калиано, Джозуэ; Паппалардо, Массимо (2008). «Криволинейный емкостный микромашинный ультразвуковой преобразователь (CMUT), изготовленный с использованием обратного процесса». Симпозиум IEEE по ультразвуку 2008 г. стр. 2092–2095. дои : 10.1109/ULTSYM.2008.0517 . ISBN 978-1-4244-2428-3 . S2CID 6900919 .

[12] Патент US7790490.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]