| عنوان فارسی مقاله: | ترانسدیوسر فراصوت میکروماشین شده خازنی : نظریه و تکنولوژی |
| عنوان انگلیسی مقاله: | Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers Theory and Technology |
| دانلود مقاله انگلیسی: | برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf اینجا کلیک نمائید |
| سال انتشار | 2003 |
| تعداد صفحات مقاله انگلیسی | 9 صفحه |
| تعداد صفحات ترجمه مقاله | 29 صفحه |
| مجله | مهندسی هوافضا |
| دانشگاه | استنفورد کشور آمریکا |
| کلمات کلیدی | – |
| نشریه ASCE | ASCE |
فهرست مطالب:
چکیده
مقدمه
اصل عملیاتی و راه اندازی
ولتاژ فروپاشی
مدل مدار معادل الکتریکی
ضریب کوپلینگ الکترومکانیکی
پهنای باند فرکانس
تکنولوژی ساخت
مشخصات الکتریکی و صوتی
اندازه گیری امپدانس ورودی الکتریکی
فرافرستادن در هوا
اندازه گیریهای پالس اکو در حالت غوطه وری
کاربردها
نتیجه گیری
بخشی از ترجمه:
ترانسدیوسرهای فراصوت میکروماشین شده خازنی (CMUT) ، که در حدود یک دهه قبل معرفی شدند، آلترناتیو و راهکار خوبی برای ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک مرسوم و متداول در جنبه های مختلف مثلاً حساسیت، کارایی انتقال و پهنای باند محسوب می شوند. در این مقاله، راجع به اصول کار ترانسدیوسر خازنی بحث می کنیم که زیرمبنا و پایه این جنبه هامحسوب می شوند. بسیاری از ویژگیهای کلیدی ترانس دیوسر فراصوت خازنی ، با تکنولوژی میکروماشینکاری به جریان افتاده اند. میکروماشین کاری به ما امکان کاهش ابعاد وسیله را داده و ترانسدیوسر خازنی تولید می کند که قابل قیاس با همتایان پیزوالکتریکشان عمل می کنند. فرایند ساخت به طور مختصر توضیح داده شده و عملکرد ترانسدیوسر CMUT با تشریح نتایج مشخصات مورد ارزیابی قرار گرفته است. در این راستا نشان داده شده است که کارایی ترانسداکشن تعریف شده بر طبق ضریب کوپلینگ الکترومکانیکی می تواند به ولتاژ عملیاتی و طراحی درست وسیله نزدیک باشد. همچنین نشان داده شده است که CMUT در کاربردهای غوطه ور سازی پهنای باند بزرگ (123 درصد پهنای باندکسری) فراهم می کند که به رزولاسیون محوری و زمانی بالا ترجمه می شود. بالاخره، با نشان دادن مثالهای تصویربرداری در هوا و در حالت غوطه ورسازی، امکان استفاده از CMUT شرح داده شده است.
عناوین موضوعی پایگاه داده CE : ترانسدیوسرها، ساخت، تکنیک های تصویربرداری، تجهیزات الکترونیکی
مقدمه
ترانسدیوسرهای الکترواستاتیکی در تحریک و برانگیختگی و تشخیص امواج صوتی کاربرد طولانی مدتی داشته اند. مکانیسم بنیادی ترانسداکشن، ارتعاش صفحه نازک تحت نیروهای الکترواستاتیکی می باشد. بسیاری از دستگاهها در مقیاس میکرو، از این مکانیسم برای تولید و مشاهده امواج صوتی استفاده می کنند. میکروفون ترانسدیوسر ، شناخته شده ترین مثال می باشد. در ساده ترین شکل این دستگاه، غشای فلزی نازکی بالای الکترود عقبی کشیده شده و بدین طریق شکاف کوچکی تشکیل می شود. این ساختار یک خازن را تشکیل می دهد که بار آن را ولتاژ مستقیم تامین شده از طریق رزیستور بزرگ، تامین می کند. زمانی که دستگاه در معرض امواج صوتی قرار می گیر، ارتفاع شکاف با فرکانس فیلد فشار ورودی، مدوله می شود. این مسئله باعث تغییر در ظرفیت دستگاه شده و یک ولتاژ خروجی متناسب با دامنه فیلد تولید می کند. از ساختار خازن می توان برای تولید امواج صوتی نیز استفاده نمود. اگر غشای بایاسی توسط یک ولتاژ متناوب تحریک شده باشد، آنگاه فیلد هارمونیک در محیط حامل صوت تولید می شود.
حسن و مزیت مهم دستگاههای الکترواستاتیکی در مقایسه با تیپ های دیگر ترانسدیوسرها، مثلاً پیزوالکتریک و مغناطیسی ، تطبیق ذاتی امپدانس بین ترانسدیوسر و محیط اطراف می باشد. امپدانس مکانیکی پائین غشا معمولاً ناچیز است. این مسئله سبب کوپلینگ بسیار کارآمد امواج صوتی در(از) محیط حامل صوت می شود.
پیشرفتهای اخیر در تکنیک های میکروماشین کاری سیلیکونی ، امکان ساخت ترانسدیوسرهای الکترواستاتیکی بر مبنای سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) را فراهم آورده است. قابلیت مینیاتورسازی یا کوچک سازی پروسه میکروماشین کاری سیلیکون ، ساخت دستگاههای فعال در فرکانس های فراصوتی (اولتراسونیک) را ممکن ساخت. این دستگاهها ترانسدیوسرهای اولتراسونیک میکروماشین شده خازنی (CMUT) نامیده می شوند. CMUT ها از غشاهای نازک و کوچکی ساخته شده اند که با پست های عایق روی سوبسترا سیلیکون رسانا معلق شده اند. قطر غشا از 10 تا صدها میکرومتر متغیر می باشد. شکاف بین غشا و سوبسترا ، خلاء مهر و موم شده یا به صورت مهر و موم نشده رها شده بوده و می تواند به اندازه کوچک باشد. غشاها رسانا بوده یا با الکترود رسانا پوشیده شده اند و اساساً خازن های کوچکی به همراه سوبسترا ایجاد می کنند. این ساختار به ترانسدیوسرهای بسیار کارآمدی می انجامد که از لحاظ کارایی و پهنای باند می توانند با همتایان پیزوالکتریکشان رقابت کنند.
غشاهای کوچک و نازک سازنده ترانسدیوسر CMUT ، برروی سوبسترای سیلیکونی میکروماشین می شوند. میکروماشین کاری حاصل تکنولوژی تولید مدار مجتمع به عنوان وسیله ای برای ساخت سیستم های میکروالکترومکانیکی است و به همین خاطر دارای همه توانایی های تکنولوژی مدار مجتمع می باشد. این تواناییها عبارتنداز، ساخت دسته ای یا گروهی ، و سطح بالای ادغام و مقیاس پذیری. بنابراین با این تکنولوژی، ساخت دسته ای و گروهی آرایه های ترانسدیوسر با دانسیته بالا، و همچنین المان های واحد میسر شده است. به علاوه، مقیاس پذیری توانایی ساخت ترانسدیوسرهایی با اندازه ها و اشکال گوناگون را فراهم می آورد. از آنجایی که پاسخ ترانسدیوسر عمدتاً برطبق اندازه و شکل غشاها تعیین می شود، در نتیجه مقیاس پذیری به توانایی ساخت طیف وسیعی از وسایل برای راه اندازی در بازه ها و رژیم های مختلف فرکانس ترجمه می شود.
مقاله حاضر کار انجام شده روی CMUT ها را به طور خلاصه بیان می کند. در بخش بعدی، اصل راه اندازی و نظریه پایه مطرح شده است.
شکل 1. شمایی از سطح مقطع غشا
به علاوه، راجع به مدل یک بعدی که بتوان از آن برای محاسبه پارامترهای پایه وسیله مثلاً ظرفیت خازنی، ولتاژ فروپاشی و ضریب کوپلینگ الکترومکانیکی استفاده نمود، بحث خواهد شد. در بخش تکنولوژی ساخت، جزئیات اصول و تکنیک های ساخت شرح داده خواهد شد. راجع به روشهای توصیف مشخصات و ارتباط آنها با عملکرد وسیله در بخش توصیف مشخصات الکتریکی و صوتی بحث خواهد شد. پس از بحث راجع به کاربردهای CMUT ها در بخش کاربردها، نتایج بدست می آید.
بخشی از مقاله انگلیسی:
Introduction
Electrostatic transducers have long been in use for sound wave excitation and detection ~Kuhl 1954; Hunt 1982!. The fundamental mechanism of the transduction is the vibration of a thin plate under electrostatic forces. Many macroscale devices use this mechanism for generating and sensing sonic waves. A condenser microphone is the most well-known example. In the simplest form of this device, a thin metal membrane is stretched above a
back electrode forming a small gap. This structure constitutes a capacitor, which is charged by a dc voltage applied through a large resistor. When the device is exposed to sound waves, the gap height is modulated at the same frequency of the incoming pressure field. This induces a change in the device capacitance,generating an output voltage proportional to the amplitude of the field. The capacitor structure can also be used to generate sound waves. If the biased membrane is driven by an ac voltage, a harmonic field is generated in the sound-bearing medium. The striking advantage of the electrostatic devices compared to the other types of transducers such as piezoelectric and magnetostrict is the inherent impedance match between the transducer and the surrounding medium. The low-mechanical impedance of the membrane is usually negligible. This results in very efficient coupling of the sound waves into and from the sound-bearing medium. Recent advances in the silicon micromachining techniques enabled the fabrication of microelectro-mechanical systems ~MEMS! based electrostatic transducers ~Haller and Khuri-Yakub 1996; Soh et al. 1996; Ladabaum et al. 1998!. Miniaturization capability of the silicon micromachining process made the fabrication
of devices working at ultrasonic frequencies possible.These devices are called capacitive micromachined ultrasonic transducers ~CMUTs!. CMUTs are made of small and thin membranes that are suspended over a conductive silicon substrate by insulating posts. The diameter of the membrane ranges from 10 mm to hundreds of micrometers. The gap between the membrane and the substrate is vacuum sealed or left unsealed at will and it can be as small as 500 Å. The membranes are either conductive or coated with a conductive electrode and essentially create small capacitors together with the substrate. This structure results in very efficient transducers that can compete with their piezoelectric counterparts in terms of efficiency and bandwidth. The small and thin membranes that constitute the CMUT transducer are micromachined onto a silicon substrate. Micromachining has evolved from the integrated circuit manufacturing technology as a means of fabricating microelectromechanical systems,and therefore has all the abilities that the integrated circuit technology has. These abilities include, but are not limited to,batch fabrication, and a high level of integration and scalability.Thus, with this technology, batch fabrication of high-density transducer arrays, as well as single elements are enabled. In addition,the scalability provides the ability to fabricate transducers with a wide range of size and shapes. Because the transducer response is primarily determined by the size and the shape of the membranes, scalability translates into the ability to fabricate a wide range of devices for operation at different frequency spansand regimes. This paper summarizes the work that has been done on CMUTs. In the next section, the principle of operation and underlying theory are presented. In addition, the one-dimensional model that can be used to calculate basic device parameters such as capacitance, collapse voltage, and electromechanical coupling coefficient, will be discussed. In the section, ‘‘Fabrication Technology,’’ the details of the fabrication principles and techniques will be described. The characterization procedures and their relevance to the device performance are discussed in the section,
‘‘Electrical and Acoustical Characterization.’’ After the discussion on the applications of the CMUTs in the section, ‘‘Applications,’’
conclusions are drawn. Principle of Operation CMUTs are made of thin membranes which are essentially parallel plate capacitors with a gap between the plates. Fig. 1 is a schematic drawing of the cross section of a typical membrane. The conductive silicon wafer on which the membrane is fabricated make up one of the plates of the capacitor. The other plate of the capacitor is the metal electrode on top of the membrane. The membrane is supported with insulating posts. The membrane is generally made of an insulating material, most commonly silicon
nitride (Si3N4), and coated with a metal electrode. However, the membrane can be made of a conductive material in which case the metal top electrode is not necessary. Optionally, the top electrode can be coated with an insulating material such as lowtemperature silicon dioxide ~LTO! to provide electrical isolation from the surrounding medium.
| عنوان فارسی مقاله: | ترانسدیوسر فراصوت میکروماشین شده خازنی : نظریه و تکنولوژی |
| عنوان انگلیسی مقاله: | Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers Theory and Technology |