Airborne CMUT cell design
Havada çalışan CMUT hücreleri
- Tez No: 360992
- Danışmanlar: PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN, PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kapasitif mikroi slenmi s ultrasonik ceviriciler (CMUT) de dahil havada ultrasonik cal smalar i cin kullan lan b ut un ceviriciler frekansta geni s bant elde etmek i cin kay p mekanizmas kullanmaktad rlar. CMUT'lar havadaki uygulamalar nda di ger teknolojilerden farkl olarak y uksek verim g osterirler, d u s uk karakteristik empedansa sahip olduklar i cin verimli tasar mlarda da geni s bantl cal sma ozelli gine sahiptirler. Geni s bantl CMUT tasar m i cin sistematik bir metot olmad g ndan bahsedilen bu avantajlar ndan tam olarak faydalan lamamaktad r. Bu cal smada, havada cal san CMUT dizayn i cin bir metot anlat lmaktad r. Toplu eleman devre modeli ve harmonik dengeleme (HB) yakla s m uygulanm st r. Bu metot CMUT'lardan maksimum g u c elde etmek i cin optimize edilmi stir. Havada cal san CMUT'lar d u s uk radyasyon empedans sebebi ile mekanik k s mda dar bantl karakteristi ge sahiptirler. Bu cal sma tek tonda frekans analizleri i cin k s tlanm st r. Elektriksel taraftan giri s sinyali olarak do gru ak m (DA) olmadan frekans cal sma frekans n n yar s nda sin usoidal sinyal kulland k. Havada cal san CMUT'lar i cin ust plakan n b ut un hareket alan n (CMUT bo slu gunun tamam n ) kullanan yeni bir mod tan mlad k. Bu maximum genlik hareketine ozel bir frekansta en k uc uk voltaj genligi ile ula st k ve bu yeni moda Minimum Voltajda S urme Modu (MVDM) ad n verdik. Denkle stirilmi s devre modeli kullanarak havada cal san CMUT h ucreleri i cin dizayn temellerini cal st k ve c kar lan dizayn hede erini uretilen CMUT'lar ile do grulad k. Havadaki uygulamalar i cin silikon kullan lm s ust plakaya sahip CMUT'lar n performans s n rlar incelendi. Deneysel olarak, cal sma frekans n n yar s kullan larak cal st r lan 2.05 mm yar capl CMUT h ucresinden 71 V uygulayarak 73.7 kHz'te 78.9 dB//20Pa@1m kaynak seviyesi elde ettik. Bulunan kalite fakt or u 120'dir. CMUT'larda geni s bant (d u s uk kalite fakt or u) elde edebilmek i cin, uretimlerinin ince plaka ile yap lmas gerekir. D u s uk kalite fakt orl u CMUTlar ortam bas nc ndan cok fazla etkilenir ve b oylece plaka b uk ulmesi fazla olur. Bu da plakan n yap ld g malzeme sertli ginin art s na sebep olur. Bu sertlik devre modelinde kullan lan do grusal olmayan ka{pasitans ile modellenir. Tezde, kapasitanstan kaynaklanan ve kuvvetten kaynaklanan do grusal olmama ozelli gi incelenmi s, CMUT'lar i cin her zaman kuvvetten kaynaklanan do grusal olmama ozelli ginin bask n oldu gu g osterilmi stir. Tam do gru cal san bir model tabanl karakterizasyon y ontemi admitans ol c umlerinin benze sim sonu clar yla tutarl l k g ostermesi i cin kullan lm s e sdeger devre bu uyu sman n olacag sekilde modi ye edilmi stir. Modi ye edilen modelde yeni elemanlar gercekte kay plar modellemek i cin kullan lm st r. Ayr ca modelde kullan lan parametreler rezonans frekans n n yerini ve genli gini bulabilmek i cin de gi stirilmi stir.
Özet (Çeviri)
All transducers used in airborne ultrasonic applications, including capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs), incorporate loss mechanisms to have reasonably wide frequency bandwidth. However, CMUTs can yield high e ciency in airborne applications and unlike other technologies, they o er wider bandwidth due to their low characteristic impedance, even for e cient designs. Despite these advantages, achieving the full potential is challenging due to the lack of a systematic method to design a wide bandwidth CMUTs. In this thesis, we present a method for airborne CMUT design. We use a lumped element circuit model and harmonic balance (HB) approach to optimize CMUTs for maximum transmitted power. Airborne CMUTs have narrowband characteristic at their mechanical part, due to low radiation impedance. In this work, we restrict the analysis to a single frequency and the transducer is driven by a sinusoidal voltage with half of the frequency of operation frequency, without any dc bias. We propose a new mode of airborne operation for CMUTs, where the plate motion spans the entire gap. We achieve this maximum swing at a speci c frequency applying the lowest drive voltage and we call this mode of operation as Minimum Voltage Drive Mode (MVDM). We present equivalent circuit-based design fundamentals for airborne CMUT cells and verify the design targets by fabricated CMUTs. The performance limits for silicon membranes for airborne applications are derived. We experimentally obtain 78.9 dB//20Pa@1m source level at 73.7 kHz, with a CMUT cell of radius 2.05 mm driven by 71 V sinusoidal drive voltage at half the frequency. The measured quality factor is 120. CMUTs can achieve a large bandwidth (low quality factor level) as they can be manufactured to have thin plates. Low-quality-factor airborne CMUTs experience increased ambient pressure and therefore a larger membrane de ection. This e ect increases the sti ness of the plate material and can be considered by nonlinear compliance in the circuit model. We study the interaction of the compliance nonlinearity and nonlinearity of transduction force and show that transduction overwhelms the compliance nonlinearity. To match the simulation results with the admittance measurements we implement a very accurate model-based characterization approach where we modify the equivalent circuit model. In the modi ed circuit model, we introduced new elements to include loss mechanisms. Also, we changed the dimension parameters used in the simulation to compensate the di erence in the resonance frequency and amplitude.
Benzer Tezler
- Designing, fabrication and post-fabrication characterization of half-frequency driven 16 x 16 waterborne transmit cmut array
Yarı frekansta sürülen sualtı 16 x 16 elemanlı cmut dızının dızaynı, fabrıkasyonu ve fabrıkasyon sonrası karakterızasyonu
YUSUPH ABUBAKAR ABHOO
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. HAYRETTİN KÖYMEN
- Electrically unbiased and half frequency driven waterborne 16x16-element 2-D phased array CMUT
Beslemesiz ve yarı frekansta sürülen sualtı 16x16-elemanlı 2-B fazlı dizin CMUT
KEREM ENHOŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
- Radiation impedance of capacitive micromachined ultrasonic transducers
Kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çeviricilerin radyasyon empedansı
MUHAMMED NİYAZİ ŞENLİK
Doktora
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- Design, fabrication and operation of a very high intensity CMUT transmit array for beam steering applications
Yüksek yoğunluklu CMUT iletim dizilerinin ışın yönlendirme uygulamarı için tasarımı, üretimi ve kullanımı
TALHA MASOOD KHAN
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
Prof. Dr. HAYRETTİN KÖYMEN
- Lumped element modeling of circular cmut in collapsed mode
Dairesel cmut için çökme modu eşdeğer devre modeli
ELİF AYDOĞDU
Doktora
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN