Pojemnościowy przetwornik ultradźwiękowy wykonany w technologii mikroobróbki
przetwornik ultradźwiękowy mikroobrabiany ( CMUT ) jest stosunkowo nową koncepcją w dziedzinie przetworników ultradźwiękowych . Większość dostępnych obecnie na rynku przetworników ultradźwiękowych opiera się na piezoelektryczności . CMUT to przetworniki, w których transdukcja energii wynika ze zmiany pojemności . CMUT są zbudowane na krzemie przy użyciu technik mikroobróbki. W podłożu krzemowym powstaje wnęka , a cienka warstwa zawieszona na wierzchu wnęki służy jako membrana, na której metalizowana warstwa działa jak elektroda , wraz z podłożem krzemowym, które służy jako elektroda dolna.
Jeśli sygnał prądu przemiennego zostanie przyłożony do spolaryzowanych elektrod, wibrująca membrana wytworzy fale ultradźwiękowe w badanym ośrodku. W ten sposób działa jako przekaźnik . Z drugiej strony, jeśli fale ultradźwiękowe zostaną przyłożone do membrany spolaryzowanego CMUT, wygeneruje on zmienny sygnał, gdy zmienia się pojemność CMUT. W ten sposób działa jako odbiornik fal ultradźwiękowych.
Ponieważ CMUT są urządzeniami obrabianymi mikro, łatwiej jest konstruować macierze przetworników 2D przy użyciu tej technologii. Oznacza to, że w układzie przetworników można umieścić dużą liczbę CMUT, zapewniając większą szerokość pasma w porównaniu z innymi technologiami przetworników. Osiągnięcie operacji wysokiej częstotliwości za pomocą CMUT jest łatwiejsze ze względu na mniejsze wymiary. Częstotliwość operacji zależy od wielkości komórki (wnęki membrany) oraz od sztywności materiału użytego jako membrana. Ponieważ jest zbudowany na krzemie, integracja elektroniki byłaby łatwiejsza dla CMUT w porównaniu z innymi technologiami przetworników. Właściwości do zastosowania w wysokich częstotliwościach z dużym pasmem przenoszenia sprawiają, że jest to dobry wybór do stosowania jako głowica w obrazowaniu medycznym , zwłaszcza w ultrasonografii wewnątrznaczyniowej (IVUS). Ze względu na szersze pasmo może być stosowany w obrazowaniu drugiej harmonicznej . Przeprowadzono również pewne eksperymenty z wykorzystaniem CMUT jako hydrofonów .
Metody wytwarzania
Ofiarna mikroobróbka powierzchni zwalniającej
Mikroobróbka powierzchni to tradycyjny sposób wytwarzania CMUT. Główne ograniczenia tej metody obejmują skomplikowany proces produkcyjny konstruowania i uszczelniania kanałów trawiących/drenażowych materiału protektorowego; potrzeba kanałów uwalniania protektorowego zmniejsza dostępną przestrzeń dla przetworników, zmniejszając w ten sposób osiągalną zdolność generowania dźwięku; ograniczona kontrola grubości warstw podczas procesu produkcyjnego; ograniczona grubość wnęki z powodu pozostałości płynu wewnątrz wnęki komórkowej, co może powodować tarcie między górną i dolną częścią komórki, jeśli komórka nie jest wystarczająco gruba.
Klejenie wafli
Najpopularniejszą metodą jest klejenie płytek. W tej metodzie CMUT jest zbudowany z dwóch oddzielnych płytek, które są później łączone w celu uzyskania komórek z wnękami.
Łączenie fuzyjne
Łączenie fuzyjne płytek.
Proces wieloużytkownikowej świnki (polyMUMPS). Zgłoszono, że CMUT wyprodukowane w MUMPS dla wielu użytkowników mają zmniejszoną wydajność, na przykład stosunkowo niską częstotliwość rezonansową.
Wiązanie anodowe
W wiązaniu anodowym płytki są uszczelniane w wysokiej temperaturze iw obecności pola elektrycznego.
Proces odgórny
W tej metodzie wytwarzanie odbywa się w odwrotnej kolejności niż w przypadku metody tradycyjnej. Membrana strukturalna jest wykonana z azotku krzemu LPCVD, ale cały proces odbywa się w niskiej temperaturze, więc jest kompatybilna z CMOS. Na promieniującej powierzchni urządzenia nie ma wytrawionych otworów. Podkładki połączeniowe znajdują się z tyłu urządzenia, bez użycia przelotek VIA w krzemie, a podłoże silikonowe jest całkowicie usunięte. Niestandardowy podkład akustyczny służy do poprawy parametrów akustycznych urządzenia. Proces wykorzystuje kilka masek (7-8).
Integracja z obwodami elektrycznymi
Jak wspomniano wcześniej, jedną z istotnych przewag CMUT nad przetwornikami piezoelektrycznymi jest możliwość integracji CMUT z obwodami elektrycznymi przy użyciu istniejących metod wytwarzania.
Analiza porównawcza
Wydajność CMUT jest porównywana za pomocą eksperymentów pitch-catch i pulse-echo, a jednolitość działania jest testowana w powietrzu iw zanurzeniu. W eksperymencie z łapaniem tonu przetwornik jest porównywany za pomocą hydrofonu , aw eksperymencie z echem impulsowym przetwornik jest używany zarówno do nadawania, jak i odbioru, podczas porównywania zmierzonego sygnału z odpowiedzią hydrofonu.
Aplikacje
Technologia CMUT-on-CMOS i proces flip-chip umożliwiają ścisłą integrację CMUT z elektroniką czołową, co jest niezbędne w przypadku miniaturowych urządzeń do obrazowania medycznego , takich jak IVUS .