Finite element and equivalent circuit modeling of capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT)

Abstract

SİLİKON MİKROİŞLEME YÖNTEMİYLE ÜRETİLEN KAPASİTİF ULTRASONİKDÖNÜŞTÜRÜCÜLERİN (CMUT) SONLU ELEMAN ve EŞDEĞER DEVREMODELİF. Yalçın YamanerEECS, Yüksek Lisans Tezi, 2006Tez Danışmanı: Yard. Doç. Dr. Ayhan BOZKURTAnahtar Kelimeler: Silikon mikroişleme yöntemiyle üretilen kapasitif ultrasonikdönüştürücü (CMUT), sonlu eleman modeli (FEM), Mason modeli, daldırılmış CMUTÖzetBu tezde, silikon mikroişleme yöntemiyle üretilen kapasitif ultrasonikdönüştürücülerin (CMUT) sonlu eleman metodu (FEM) kullanılarak gerçekçi bir modelioluşturulmuştur. Oluşturulan bu modelin sonuçları doğrultusunda dönüştürücününeşdeğer devre modeli geliştirilmiştir. Bu devre, dönüştürünün elektriksel eşdeğeriniortaya koyduğundan, daha verimli ön/alıcı verici tümleşik devrelerinin dizaynedilmesine olanak sağlamaktadır. Sonuç olarak, tüm sistemin daha gerçekçi simulasyonsonuçları elde edilebilmektedir. Sonlu eleman modeli ANSYS ortamında oluşturulmuşve simulasyonlar üç boyutta yapılmıştır. Bu model kullanılarak, hedeflenen uygulamaiçin üretim öncesi dönüştürücü parametreleri (zar yarıçapı, zar kalınlığı, hücrelerinsilikon taban üzerindeki dağılımları) belirlenebilmekte ve üzerlerinde iyileştirmeleryapılabilmektedir. Mason modeli temel alınarak oluşturulan eşdeğer devre, dönüştürücükatsayısı iyileştirilerek ve radyasyon empedansı RLC devresi ile modellenerekgeliştirilmiştir. Model sonuçları gerçek ölçümlerle oldukça uyumludur.

FINITE ELEMENT AND EQUIVALENT CIRCUIT MODELING OF CAPACITIVEMICROMACHINED ULTRASONIC TRANSDUCER (CMUT)F. Yalçın YamanerEECS, MSc Thesis, 2006Thesis Supervisor: Assist. Prof. Dr. Ayhan BOZKURTKeywords: Capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT), finite elementmodel (FEM), Mason model, immersed CMUTAbstractIn this thesis, a precise finite element model (FEM) of capacitive micromachinedultrasonic transducer is developed. Trough the results of the FEM, an equivalent circuitmodel of a transducer is built which enables high efficient design of transceiver front-end integrated circuit with a better known transducer behavior. Consequently, morerealistic simulation results of the overall system can be obtained. The FEM model iscreated in the ANSYS environment and all simulations are done in 3D. The model canalso be used to determine the proper parameters (e.g. radius, thickness, gap height) forthe target of operation without fabrication. The equivalent circuit that is constructedover the Mason model is improved for immersion applications with modeling theradiation impedance with an RLC circuit and defining an effective transformer ratiovalue. Modeling results match actual measurements with a very good accuracy.