Kapacitiv mikrobearbetad ultraljudsgivare
En kapacitiv mikromaskinbearbetad ultraljudsgivare ( CMUT ) är ett relativt nytt koncept inom området ultraljudsgivare . De flesta kommersiella ultraljudsgivare idag är baserade på piezoelektricitet . CMUT är de omvandlare där energitransduktionen beror på förändringar i kapacitans . CMUTs är konstruerade på kisel med hjälp av mikrobearbetningstekniker. En hålighet bildas i ett kiselsubstrat , och ett tunt skikt upphängt på toppen av håligheten fungerar som ett membran på vilket ett metalliserat skikt verkar en elektrod , tillsammans med kiselsubstratet som fungerar som en bottenelektrod.
Om en AC- signal appliceras över de förspända elektroderna kommer det vibrerande membranet att producera ultraljudsvågor i mediet av intresse. På så sätt fungerar den som en sändare . Å andra sidan, om ultraljudsvågor appliceras på membranet av en förspänd CMUT, kommer den att generera alternerande signal när kapacitansen för CMUT varieras. På så sätt fungerar den som en mottagare av ultraljudsvågor.
Eftersom CMUT är mikrobearbetade enheter är det lättare att konstruera 2D-matriser av givare med denna teknik. Detta innebär att ett stort antal CMUT:er kan inkluderas i en givararray som ger större bandbredd jämfört med andra givarteknologier. Att uppnå en högfrekvent drift med CMUT är lättare på grund av dess mindre dimensioner. Driftsfrekvensen beror på cellstorleken (membranets kavitet) och på styvheten hos materialet som används som membran. Eftersom den är byggd på kisel skulle integreringen av elektronik vara lättare för CMUT:erna jämfört med andra transduktorteknologier. Egenskaperna att använda i hög frekvens med stor bandbredd gör den till ett bra val att använda som en givare vid medicinsk bildbehandling , särskilt vid intravaskulär ultraljud (IVUS). På grund av dess bredare bandbredd skulle den kunna användas i andra övertonsavbildning . Vissa experiment har också utförts för att använda CMUT som hydrofoner .
Tillverkningsmetoder
Mikrobearbetning av yta med offerfrigöring
Ytmikrobearbetning är det traditionella sättet att tillverka CMUT. De huvudsakliga begränsningarna för denna metod inkluderar en komplicerad tillverkningsprocess för att konstruera och täta etsnings-/dräneringskanaler för offermaterialet; behovet av kanaler för uppoffring minskar det tillgängliga utrymmet för givare, vilket minskar den möjliga ljudgenereringsförmågan; begränsad kontroll av skikttjockleken under tillverkningsprocessen; begränsad hålighetstjocklek på grund av vätskerester inuti cellhålan, vilket kan orsaka sticktion mellan cellens övre och nedre delar, om cellen inte är tillräckligt tjock.
Wafer limning
Wafer bonding är den mest populära metoden. I denna metod är en CMUT byggd av två separata wafers, som senare binds för att uppnå celler med håligheter.
Fusion-bonding
Fusionsbindning av wafers.
Multi-user MUMPS (polyMUMPS) process. CMUTs tillverkade i multi-user MUMPS rapporterades ha minskad prestanda, såsom relativt låg resonansfrekvens.
Anodbindning
Vid anodbindning förseglas wafers vid hög temperatur och i närvaro av elektriska fält.
Top-down process
I denna metod utförs tillverkningen i omvänd ordning, jämfört med det traditionella sättet. Det strukturella membranet är i kiselnitrid LPCVD, men hela processen är lågtemperatur, så den är CMOS-kompatibel. Det finns inga etshål på enhetens strålande yta. Anslutningsdynorna är på baksidan av enheten, utan användning av genomgående VIA i kiseln, och kiselsubstratet är helt borttaget. En anpassad akustisk baksida används för att förbättra enhetens akustiska prestanda. Processen använder få masker (7-8).
Integration med elektriska kretsar
Som nämnts tidigare är en av de betydande fördelarna med CMUTs framför piezoelektriska givare möjligheten att integrera CMUTs med elektriska kretsar, med hjälp av befintliga tillverkningsmetoder.
Benchmarking
CMUT-prestanda benchmarkas med hjälp av pitch-catch och pulseko-experiment, och driftens enhetlighet testas i luft och i nedsänkning. I ett pitch-catch-experiment benchmarkas givaren med hjälp av en hydrofon , och i ett pulseko-experiment används givaren både för att sända och ta emot, samtidigt som den uppmätta signalen jämförs med hydrofonsvaret.
Ansökningar
CMUT-on-CMOS-tekniken och flip-chip-processen möjliggör en tät integration av CMUT med front-end-elektronik, vilket är nödvändigt för medicinska miniatyrenheter, såsom IVUS .