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.

دانلود رایگان مقاله انگلیسی

خرید ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد

خرید نسخه پاورپوینت این مقاله جهت ارائه

نوشته دانلود ترجمه مقاله تکنولوژی فوتو آکوستیک با ترانسدیوسر فراصوتی میکروماشینی و خازنی – مجله IEEE اولین بار در ترجمه فا پدیدار شد.

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.

دانلود رایگان مقاله انگلیسی

خرید ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد

خرید نسخه پاورپوینت این مقاله جهت ارائه

نوشته دانلود ترجمه مقاله ترانسدیوسر فراصوت میکروماشین شده خازنی – نشریه ASCE اولین بار در ترجمه فا پدیدار شد.