A front-end integrated circuit for 3D acoustic imaging using 2D CMUT arrays

Abstract

Özet İki boyutlu kapasitif mikro işlenmiş ses ötesi dönüştürücülerle (KMSD) elektronik arabirimlerinin tümleştirilmeleri küçük dönüştürücü boyutları ve bağlantı için gerekli olan kanalların çokluğu nedeniyle gerçekleştirilmesi çok zor olan bir iştir. Bu tezde hacimsel akustik görüntülemede kullanılan iki boyutlu KMSD' lerle arabirim oluşturmak için bir ön-alıcı-verici tümdevre tasarlanmışır. Devre KMSD 'yi sürecek olan ve yüksek gerilime dayanıklı devre elemanlarından oluşan bir sürücü, KMSD' nin dikey olarak tersyüz tüm devre birleştirme teknolojisiyle elektronik arabirimine bağlanacağı dolgulama, yüksek gerilim darbelerinin düşük gerilimle çalışan devre elemanlarına ulaşmasını engelleyecek bir koruma devresi ve yansıyan işareti tamponlayacak ve kuvvetlendirecek bir düşük gürültülü kuvvetlendiricisinden oluşur. KMSD' nin elektromekanik modeli geliştirilmiş, model için gerekli olan parametreler ANSYS programında yapılan üç boyutlu modelleme benzetimleriyle elde edilmiştir. Bu model kullanılarak yapılan serim öncesi her bir alt devre Cadence Spectre benzetim ortamında denenmiştir. 10 pF'hk bir yük kapasitörü devre elemanları arasındaki ve tümdevre dışındaki bağlantıları modellemek için kullanılmıştır. Tasarlanan tüm devre hücresi 200 x 200//ra2'lik bir alan kaplamaktadır ki bu alan Nyquist örnekleme kriteri uyarınca 3.5 MHz 'e karşılık gelen dalga boyunun yarısından daha küçüktür. Tüm devredeki parazitik elemanların devre performansım hangi düzeyde etkileyeceğini belirlemek amacıyla yapılan serim sonrası benzetim sonuçları ile serim öncesi benzetim sonuçlarının uyumlu oldukları gözlenmiştir. Düşük gürültülü okuma kuvvetlendiricisinin girişindeki eşdeğer gürültü 6.45 tN///Wz olarak ölçülmüştür. 4x4 hücreden oluşan deneysel tüm devre ilk testler ve sonrasındaki araştırmalarda kullanılmak üzere AMS 0.8 fim 50 V teknolojisiyle üretilecek şekilde tasarlanmıştır. Tasarlanan tüm devre tersyüz tüm devre teknolojisi yada CMOS üstünde KMSD teknolojisiyle KMSD 'lere bağlanabilir.

A FRONT-END INTEGRATED CIRCUIT FOR 3D ACOUSTIC IMAGING USING 2D CMUT ARRAYS Abstract Integration of front-end circuits with 2D capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) arrays has been a challenging issue due to the small element size and large channel count. We present a front-end drive-readout integrated circuit suitable for 2D CMUT arrays used in 3D ultrasonic imaging. The circuit consists of a pulser for driving the CMUT array element by a high voltage pulse, a metal pad for connection to the CMUT element, a low noise readout amplifier for buffering the received echo signal, and a switch for protecting the inputs of the readout amplifier not only from the DC bias of the CMUT but also from the high voltage pulses in transmit mode. We developed an equivalent electrical model for simulating the CMUT, where the model parameters were obtained through a finite element analysis using ANSYS. Based on this model we performed the pre-layout simulations for each sub-circuit using the Cadence Spectre Simulator, where a lOpF load capacitance was assumed to model the routing and off-chip parasitic capacitances. The layout of the circuit fits into 200 x 200fj,m2 area that satisfies the Nyquist spatial sampling requirement for a 2D transducer aperture operating at 3.5 MHz. We also performed post-layout simulations using the extracted circuit by Cadence Spectre and compared the results with the pre-layout simulation results to examine the possible effects of the parasitic components on circuit performance. We observed that the pre- and post-layout simulations were in agreement, proving the validity of our electrical model. The equivalent input noise at the input of the readout amplifier was measured as 6.45 nV/y/Hz. An experimental chip consisting of 4x4 array of circuit cells was formed for the initial test studies and scheduled for fabrication in AMS 0.8 fj, m, 50V CMOS technology. The designed circuit is suitable for integration with CMUT arrays through flip-chip bonding or CMUT-on-CMOS process.