| عنوان فارسی مقاله: | ترانسدیوسرهای فراصوتی میکروماشین شده خازنی: ترکیب بکاررفته نسل آتی برای تصویربرداری صوتی یا فوتو آکوستیک |
| عنوان انگلیسی مقاله: | Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers: Next-Generation Arrays for Acoustic Imaging |
| دانلود مقاله انگلیسی: | برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf اینجا کلیک نمائید |
| سال انتشار | 2002 |
| تعداد صفحات مقاله انگلیسی | 15 صفحه |
| تعداد صفحات ترجمه مقاله | 41 صفحه |
| مجله | فرا صوت، فروالکتریک و کنترل فرکانس |
| دانشگاه | – |
| کلمات کلیدی | – |
| نشریه IEEE | IEEE |
فهرست مطالب:
چکیده
۱ مقدمه
۲ آرایه های CMUT
A اصول عملیاتی
B ساخت
C پایایی، قابلیت اعتماد و بازده
۳ کار آزمایشی
A سیستم اکتساب داده
B فانتوم تست رزولاسیون
C تحلیل داده های اسکن A
۴ بازسازی تصویر
۵ تجزیه و تحلیل نتایج
۶ بحث
۷ نتایج
بخشی از ترجمه:
۱ مقدمه
برای تصویربرداری زیرآبی از زمان جنگ جهانی دوم، از دستگاههای صوتی استفاده شده است. استفاده از فراصوت در طب در سال ۱۹۳۰ شروع گردید. کریستال های پیزوالکتریک ( مثلاً نمک کوارتز) و مواد مغناطیسی (مثلاً نیکل)مواد هدایت و انتقال انتخابی تا دهه ۱۹۴۰ محسوب می شدند. تحقیق وسیع مواد در طول جنگ جهانی دوم ، نسل دوم این مواد ، یعنی سرامیک پیزوالکتریک (مثلاً نیترات باریوم، و زیرکونات تیتانات سرب) را تولید نمود. اسکن بخش الکترونیکی برای تشخیص فراصوت در اواخر دهه ۱۹۶۰ معرفی گردید. پیزوالکتریسیته کششی در فیلم های کششی و قطب دار پلی وینیلیدین فلورید (PVDF) ، یک نوع پلیمردر سال ۱۹۶۹ نشان داده شد.آرایه های خطی با اسکن الکترونیکی در دهه ۱۹۷۰ جایگزین اسکنرهای بخش مکانیکی با کانون ثابت شدند، که این مسئله رزولاسیون را بهبود و تشکیل تصویر را سریعتر نمود. جزئیات تاریخچه تکنولوژیهای تصویربرداری فراصوت و ترانسدیوسر در کتابهای مختلف یافت میشود.
در سالهای اخیر، پیشرفتهای صورت گرفته درتکنولوژی میکروالکترونیک و پردازش سیگنال دیجیتالی امکان پردازش حجم وسیعی از داده ها از آرایه های ترانسدیوسر با تعداد زیاد المان ها را فراهم آورده است. انعطاف پذیری سیستم های پردازش داده های دیجیتالی ، جرقه ای برای تلاشهای تحقیقاتی مهم در جهت توسعه الگوریتم های جدید به منظور بازسازی، بهبود و تحلیل تصاویر فراصوت زده است. اما توانایی و سودمندی این الگوریتم ها به کیفیت ( مثلاً SNR ، پهنای باند، و رنج و دامنه دینامیکی) سیگنال اکو اصلی بستگی داشته و ترانسدیوسر و الکترونیک نهایی مربوطه را به مهمترین مولفه های سیستم های تصویربرداری فراصوت تبدیل می کند.
در سرتاسر تاریخچه تصویربرداری فراصوت، ازکریستال های پیزوالکتریک، سرامیک ها، پلیمرها، و اخیراً مواد پیزوکامپوزیت برای تولید و تشخیص فراصوت استفاده شده است. اگرچه ایده ترانسدیوسرهای فراصوت (اولتراسوند) خازنی به اندازه ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک اولیه قدمت دارد، اما مواد پیزوالکتریک بر تکنولوژی ترانسدیسر فراصوت غالب بوده اند. دلیل شهرت نداشتن ترانسدیوسرهای خازنی، آن است که به مقاومت میدان الکتریکی در مرتبه میلیون ولت در سانتی متر نیاز می باشد، به گونه ای که نیروهای الکترواستاتیکی به بزرگی کیلوگرم در سانتی متر مربع حاصل خواهد شد، مطلبی که فیزیکدان فرانسوی برجسته در سال ۱۹۱۵ بیان نمود. اما پیشرفتهای اخیر در زمینه تکنولوژی میکروساخت ، امکان ساخت ترانسدیوسرهای فراصوت خازنی را فراهم آورده است که با ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک رقابت می کنند. به علاوه محاسن CMUT عبارتنداز: پهنای باند افزایش یا بهبود یافته، سهولت ساخت آرایه های بزرگ با اتصالات الکتریکی فردی و ادغام با الکترونیک.
تکنولوژی CMUT تعویض کم هزینه تکنولوژی ترانسدیوسر پیزوالکتریک نیست. بسیاری از ویژگیهای ذاتی در تکنولوژی CMUT پیشرفتهای انقلابی در تصویربرداری فراصوت به ارمغان آورده اند. در حال حاضرتصویربرداری حجمی بلادرنگ ، کانون توجه و تمرکز تحقیق گسترده در زمینه فراصوت را تشکیل می دهد. تحقق چنین سیستم هایی به طراحی و ساخت آرایه های ترانسدیوسر ۲ بعدی بستگی دارد. به خاطرمحدودیت های موجود در آرایه ترانسدیوسر موجود و تکنولوژیهای اتصال، مشکلاتی در جریان ساخت این آرایه ها وجود دارد. CMUT ها با استفاده از تکنولوژی ساخت مدار مجتمع (IC) سیلیکون استاندارد ساخته شده اند. این تکنولوژی امکان ساخت آرایه های بزرگ با استفاده از فوتولیتوگرافی ساده را فراهم می آورد. اتصالات الکتریکی فردی برای المان ها و عناصر ترانسدیوسر از طریق اتصالات ویفر فراهم شده اند. آرایه های CMUT دو بعدی با عنصر قبلاً با موفقیت ساخته و مشخص شده اند. این آرایه های ۲ بعدی را می توان با الکترونیک به شکل مدول مولتی چیپ (چند تراشه ای) ۳ بعدی با اتصال فلیپ- چیپ ادغام نمود.
7. نتایج
در این مقاله اولین تصاویر سکتور اسکن B آرایه فازدار اکو- پالس را با استفاده از آرایه CMUT خطی 1 بعدی ، 128 المانی مطرح کرده ایم. اگرچه راه اندازی آزمایشی بکاررفته در این مطالعه الزاماً بهینه نبود،اما کیفیت تصویر حاصل شده ، دوام تکنولوژی CMUT برای تصویربرداری اولتراسوند را نشان می دهد. نتایج مطرح شده در این مقاله، پهنای باند زیاد و حساسیت بالای CMUT ها از دیدگاه تصویربرداری را تائید می کنند.
در اینجا اثرات کراستاک بین المان های آرایه روی تصویر بازسازی شده را نیز به شکل مقدماتی مورد تحلیل قرار دادیم. با این کار، دو آرتیفکت ناشی از کراستاک بین المان های آرایه مشاهده کردیم: الگوهای روشنایی در میدان نزدیک و دم مشاهده شده بیش از 20dB پائین تر از لوب اصلی در PSF محوری بود. شناخت مکانیسم کراستاک و توصیه روشهایی برای کاهش هر چه بیشتر کراستاک موضوعات تحقیق فعلی هستند.
سپس کار را با اجرای تحقیق گسترده در طراحی ترانسدیوسر،الگوریتم های جهت دهی و شکل دهی پرتو، طراحی سیستم و طراحی مدار رابط ادامه می دهیم. تحقیق طراحی ترانسدیوسر شامل تحلیل کاهش کراستاک با روشهای المان محدود، به حداکثر رساندن توان خروجی صوتی برای دامنه های ولتاژ AC کوچک، و اصلاح هر چه بیشتر حساسیت دریافت می باشد. تحقیق سطح سیستم برای کاهش پیچیدگی سخت افزاری سیستم هایی با آرایه های 2 بعدی و 1 بعدی بزرگ ، بر طرح های شکل دهی و جهت دهی پرتوی زیرآرایه فازدار تاکید می کند. مدارهای نهایی بهینه شده و مبدل های آنالوگ به دیجیتالی موضوعات تحقیق سطح مدار می باشند.
بخشی از مقاله انگلیسی:
I. Introduction
Acoustical devices have been used for practical underwaterimaging applications since World War I. Useof ultrasound in medicine started in the 1930s. Piezoelectriccrystals (e.g., Rochelle salt and quartz) and magnetostrictivematerials (e.g., nickel) were the transductionmaterial of choice until the 1940s. The intense materialsresearch during World War II gave birth to the secondgeneration of transduction materials, the piezoelectricceramics (e.g., barium titanate and lead zirconate titanate).Electronic sector scanning for ultrasonic diagnosiswas introduced in the late 1960s. The tensile piezoelectricityin stretched and poled films of polyvinylidene fluoride(PVDF), a polymer, was demonstrated in 1969. Linear arrayswith electronic scanning started replacing fixed-focusmechanical sector scanners in the 1970s, providing greatlyimproved resolution and faster image formation. The detailsof the history of ultrasound imaging and transducertechnologies outlined can be found in several books [1], [2]and papers [3]–[5]. In recent years, advances in microelectronics and digitalsignal processing technology have enabled processinglarge amounts of data from transducer arrays with largeelement counts. The flexibility of digital data processingsystems has sparked significant research efforts to developnew algorithms to reconstruct, enhance, and analyze ultrasoundimages. However, the ability and usefulness of thesealgorithms depend on the quality (e.g., SNR, bandwidth,and dynamic range) of the original echo signal, making thetransducer and associated front-end electronics the mostcritical components of ultrasound imaging systems.Throughout the history of ultrasound imaging, piezoelectriccrystals, ceramics, polymers, and recently piezocompositematerials [6] have been used to generate anddetect ultrasound. Although the idea of capacitive ultrasoundtransducers is as old as the early piezoelectric transducers,piezoelectric materials have dominated ultrasonictransducer technology. The reason why capacitive transducershave not been popular is that electric field strengthson the order of a million volts per centimeter (106 V/cm)are required, so that electrostatic forces as large as a kilogram per square centimeter (kg/cm2) would be achieved,as the eminent French physicist Paul Langevin stated in1915 [2]. However, recent advances in microfabricationtechnology have made it possible to build capacitive ultrasoundtransducers competing with piezoelectric transducers.Moreover, CMUTs offer advantages of improved bandwidth,ease of fabrication of large arrays with individualelectrical connections, and integration with electronics [7].CMUT technology is not simply a low-cost replacementof piezoelectric transducer technology.Many featuresinherent in CMUT technology enable revolutionary advancesin ultrasound imaging. Currently, real-time volumetricimaging is the focus of extensive research in ultrasound[8]–[10]. The realization of such systems dependson design and fabrication of 2-D transducer arrays. Thereare difficulties in fabricating these arrays due to limitationsin the existing transducer array and interconnecttechnologies. CMUTs are fabricated using standard siliconintegrated circuit (IC) fabrication technology. This technologymakes it possible to fabricate large arrays usingsimple photolithography. Individual electrical connectionsto transducer elements are provided by through-wafer interconnects.Two-dimensional CMUT arrays with as manyas 128×128 elements already have been successfully fabricatedand characterized [11]. These 2-D arrays can beintegrated with electronics in the form of a 3-D multichipmodule by flip-chip bonding [12].Another enabling feature inherent to CMUT technologyis wide bandwidth. A wideband transducer does not simplyincrease the resolution, but it also enables the designof new image modalities and analysis tools. A prominentarea of research in medical ultrasound is tissue harmonicimaging, in which energy is transmitted at a fundamentalfrequency and an image is formed from the energy at thesecond harmonic [13]. In current harmonic imaging systems,the transmit frequency is set to 2/3 of the centerfrequency and the receive frequency is set to 4/3 of thecenter frequency of the transducer, resulting in suboptimaloperation both in transmit and receive [14]. CMUTsprovide a flat response over a wide frequency range, enablingoptimal tissue harmonic imaging.CMUTs also are promising for high-frequency applicationssuch as intravascular ultrasound imaging (IVUS), inwhich high-frequency operation using miniature probes isvital. CMUTs operating at frequencies as high as 60 MHzhave been fabricated and tested successfully [15]. Experimentalfront-looking and side-looking IVUS arrays alsohave been designed and fabricated. Another area of extensiveresearch is ultrasonic tissue characterization, oftenbased on spectral analysis [16] and subband processing [17]of backscattered signals, in which wide bandwidth is crucial.
| عنوان فارسی مقاله: | ترانسدیوسرهای فراصوتی میکروماشین شده خازنی: ترکیب بکاررفته نسل آتی برای تصویربرداری صوتی یا فوتو آکوستیک |
| عنوان انگلیسی مقاله: | Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers: Next-Generation Arrays for Acoustic Imaging |
خرید ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد
خرید نسخه پاورپوینت این مقاله جهت ارائه