Design and implementation of capacitive micromachined ultrasonic transducers for high intensity focused ultrasound

Abstract

Kanser tedavisinde çığır açan yöntemlerinden biri olan yoğunluklu odaklanmış yüksek frekansli ses tedavisi (HIFU) gelişen teknolojiyle birlikte popüler bir hal almaktadır. Prensip olarak lokalize tümörün ısıtılarak tahrip edilmesini mümkün kılar. Vücut içerisinde bir noktaya odaklanmış yüksek frekansli ses dalgaları, akustik enerjinin isi enerjisine dönüşümüyle o noktadaki sıcaklığın artmasına neden olur. Belirli sıcaklığın üzerine çıkıldığında hücre ölümü başlar. Odak noktadaki kanserli hücrenin ölümüyle tedavi tamamlanir. Oldukça hedefe yönelik bir tahrip olması ve bilindik yan etkilerinin olmaması tedavinin popülerlik kazanmasındaki önemli etkenlerdir. Ses kaynağı olarak pizeoelektrik teknolojisi kullanılmakta ve bütün sistem bu teknolojinin üzerine insa edilmektedir. Yari iletken teknolojisinin ilerlemesi daha küçük yapıda sistemlerin oluşmasına imkan tanıyarak damar içinde de tedavinin kullanılmasına olanak sağlamaktadir. Bu amaçla sistem minyatürizasyonu hedeflenmektedir. Kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik dönüştürücüler (CMUT) piezoelektrik dönüştürücülere göre yeni bir teknolojidir. Mikro-elektromekanik (MEMS) teknolojisi ile üretilen bu dönüştürücüler, piezoelektriklere göre yari iletken teknolojisine daha uyumludur. Bunun yaninda hareket eden zar yapısı sayesinde daha geniş bantlidir. Uzun yıllar süren araştırmalar neticesinde CMUT üretimi bir yarı-iletken üretim teknolojisiyle rahatlıkla üretilmekte ve elektronik entegrasyonu yapılabilmektedir. Yapılan çalışmalarda bu teknolojinin sağladığı faydalar ortaya konmuş ve yakin gelecekte ticarileşmesi beklenmektedir.Bu tezde, HIFU için bir CMUT tasarımı yapılmış ve gerçekleştirilmiştir. Uygulamaya yönelik bu tasarim için bir optimizasyon metodu geliştirilmiş ve okuyucu bilgisine sunulmuştur. Optimizasyon öncesinde CMUT için lineer olmayan etkileri de içerecek şekilde bir devre modeli oluşturulmuştur. Bu devre modeli CMUT konvansiyonel çalışma modu için oluşturulmuştur. Bu modun tercih edilmesindeki en önemli etken uygulama sırasında oluşacak harmoniklerin minimuma indirilmesini sağlayarak ısı kaybının optimize edilmesidir. Çökme ve derin çökme modlarinin lineer olmayan etkileri arttırmasi, çıkıştaki ikincil harmonik seviyesini de arttırarak akustik enerjinin dönüştürücü yüzeyinde ısı olarak kaybına sebebiyet vermektedir. Aynı şekilde bu modlarda zar yapinin sürekli bir şekilde alt tabana yapışıp ayrılması sonucu oluşabilecek beklenmedik zaman farklılaşmaları da harmonik seviyesini arattırmaktadır. çökme modunun olmadığı bölge HIFU operasyonu için oldukça uygundur. Devre modeli, sonlu eleman model analizleri (FEM) ile sınanmiş, ve doğruluğu arttırılmıştır.Ortamin etkileri gözetlendiğinde dönüştürücünün gördüğü radyasyon empedansinin performans üzerindeki etkisi büyüktür. Radyasyon empedansi CMUT dizisinin yapısına; her bir hücrenin dizi içerisindeki konumuna, aralarındaki mesafelere, karşılıklı etkileşimlerine ve en önemlisi frekansa göre farklılıklar göstermektedir. Radyasyon empedansi modellenerek devre modeli içerisine yerleştirilmiş ve gerçek çalışma koşullarının modellenmesi sağlanmıştır. Operasyon esnasında maksimum zar hareketi sağlanarak çıkış gücünün arttırılması hedeflenmiştir. Bu amaçla CMUT radyasyon direncinin maksimum olduğu noktada operasyon sağlanarak çalışılan ortama maksimum güç transferi sağlanmıştır.HIFU operasyonunda dönüştürücülere elektriksel olarak yüksek genlikli ve sürekli sinüzoidal dalgalar uygulanmaktadır. Geleneksel olarak CMUT bir DC gerilimin üzerine eklenmiş bir AC gerilimle çalışmaktadır. DC gerilim zar yapinin belirli bir seviye bükülmesini ve gerilmesini sağlayarak hareketin uygulanan AC gerilimin frekansıyla ayni olmasını sağlamaktadır. Fakat uygulanan DC gerilim elektrotlar arasındaki yalıtkan bölgede yük birikimine sebep olarak olarak CMUT performansini düşürmektedir. Bu etkinin ortadan kaldırılması amacıyla DC kullanılmayarak CMUT lar sadece çalışma frekansının yarısında uygulanacak AC sinyal ortaya konmuş ve deneysel olarak gösterilmiştir. Yüklenme problemi (charging problem) olmadan çalıştırılan dönüştürücüler uzun süre uygulanan elektriksel sinyale performans düşüşü olmadan tutarli cevap verebilmektedir.Üretilen dönüştürücüler 2.88 MHz'de, 125V sinyal genliği altında, 1.8 MPa yüzey basıncını -28dB ikincil harmonik seviyesiyle üretebilmektedir. Uygulanan sinyalin frekansi 1.44 MHz'dir. Elde edilen basınç ve ikincil harmonik seviyesi uygulanan bu elektriksel sürekli dalga altında su ana kadar elde edilmiş en yüksek seviyedir.Optimizasyon sonrasi elde edilen dönüştürücü yapısı, kalın bir zar tabakasının oluşturulmasını gerektirmektedir. Bu amaçla zar malzemesi olarak inceltilmiş silikon taban seçilmiş ve anodik yapıştırma metodu kullanılarak silikon taban cam tabana yapıştırılmıştır.

High intensity focused ultrasound (HIFU) is a medical procedure for noninvasive treatment of cancers. High intensity focused ultrasound is used to heat and destroy the diseased tissue. Piezoelectricity has been the core mechanism for generation of ultrasound waves in the treatment. Focusing can be done by using spherically curved transducers or using a lens or electronically steering sound waves by using phased arrays. Current research in HIFU technology targets the development of MR-guided miniaturized ultrasonic probes for treatment of cancerous tumors. Capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) is an alternative technology to generate and detect ultrasound. CMUT consists of a suspended membrane The advances in CMUT technology, enables fabricating tiny transducer arrays with wide bandwidth makes them a strong candidate for the application.In this thesis, a new methodology is proposed to design and operate CMUTs to generate high pressures under continuous wave excitation. An accurate nonlinear circuit model of CMUT is developed and the model is carried into a SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) simulator for fast simulations. The model includes the radiation impedance of the array, thus the operation in a fluid environment can be simulated. The model is verified by doing FEM simulations. The circuit model provides a novel optimization tool for CMUT operating in non-collapse mode. The optimized CMUT parameters are presented and a sample fabrication is done using anodic bonding process. With the process, a 100 m thick silicon wafer is bonded to a glass substrate. A new driving scheme is proposed without a need of DC voltage. Thus, the charge trapping problem in CMUT operation is eliminated. The fabricated device provides 1.8 MPa surface pressure with -28dB second harmonic for a maximum 125V drive voltage at 1.44 MHz which is currently a state of art performance of a CMUT under continuous wave excitation.