Modeling and characterization of capacitive micromachined ultrasonic transducers

Abstract

ÖZET KAPASİTİF MİKRO-İŞLENMİŞ ULTRASONİK ÇEVİRİCİLERİN MODELLENMESİ VE KARAKTERİZASYONU Ayhan Bozkurt Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Doktora Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Abdullah Atalar 5 Ocak 2000 Kapasitif Mikro-işlenmiş Ultrasonik Çevirici (kMUÇ), ultrasonik ses dalgalarının üre tilmesi ve algılanması için kullanılan bir cihazdır. Cihaz, silikon bir taban üzerinde mikro-fabrikasyon yöntemiyle üretilir. Cihazı oluşturan hücreler, boyutları on mikro nlar mertebesinde olan ve silikonun mekanik olarak sağlam bir bileşiğinden yapılan zarlardır. Çeviricinin kendisi santimetre cinsinden ölçülebilen boyutlara sahip olduğu için bir çeviriciyi oluşturan toplam hücre sayısı binlerle ifade edilir. Akustik dalgaların uyarılması/algılanması, zar ile taban arasındaki kapasitansa dayanır: Akustik dalgaların varlığı, cihaz üzerindeki DC öngeriliminde algılama için kullanılabilecek küçük bir AC dalgalanmaya yol açarken, sürücü devre tarafından DC öngerilime eklenen küçük bir AC bileşen zar üzerindeki elektrostatik çekim kuvvetini değiştirerek zarı titreştirip akustik dalgalar üretir. Dizilim (array) yapılarının kolay biçimlendirilmesi, mekanik yapıların sürücü/algılama devreleriyle entegrasyonu ve düşük maliyet kMUÇ cihazlarının temel avantajları arasında yer almaktadır. Bu çalışmada, kMUÇ cihazlarını karakterize etmekte kullanılan temel teoriler gelişti rilmiştir. Analitik formulasyon, bir Sonlu Eleman Metodu (SEM) modelinin doğruluğunusınamak için kullanımıştır. SEM modeli, daha sonra analitik modeli bulunmayan yapıların analizinde kullanılmıştır. Elektrotları belli amaçlar için biçimlendirilmiş kMUÇ'larm analizi, SEM modeli kullanılarak çözülen özel problemler arasında yer almaktadır. Daha özel bir çalışma, sualtı uygulamaları için kullanılan 25 //m yarıçaplı bir cihazın elek trot yarıçapının 10 /im yapılmasıyla cihazın bant genişliğinin % 100 arttırılabileceğini göstermiştir. SEM analizi, daha sonra taban kayıplarını da içerecek şeklide genişletilmiştir. Bu, SEM modeline Emici Sınır Koşulları'nın (ESK) eklenmesini gerektirmiştir. Ayrıca bir Normal Mod Teorisi analiziyle problemin fiziksel temelinin daha iyi anlaşılabilmesi sağlanmıştır. Bu analizle, merkez frekansı 2.5 MHz ve taban kalınlığı 500 //m olan bir çevirici için hakim dalga modunun en düşük sıralı anti-simetrik Lamb dalgası modu olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmada ayrıca kMUÇ cihazlarının üretimi için bir mikro- fabrikasyon yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntemle, zar malzemesi olarak amorf silikon, kalıp malzemesi olarak da silikon nitrat kullanılarak 40 /im çaplı altıgen biçimli çeviriciler üretilmiştir. Zar ve hava boşluğu kalınlıklarının her ikisi de 0.5 /im olarak seçilmiştir. Zarlar, elektrot olarak kullanılmak üzere 8, 16 veya 24 fim çaplı altın plakalarla kaplan mışlardır. 0.7x0.7 cm2'lik bir çevirici alanı üzerinde 24 bin aktif hücre inşaa edilmiştir. Merkez frekansı 2 MHz olarak ölçülen çeviricilerden analitik kMUÇ modelini destekleyen ölçüm sonuçlan alınmıştır. Anahtar Sözcükler: Kapasitif Mikro-işlenmiş Ultrasonik Çevirici (kMUÇ), Sonlu Eleman Metodu (SEM), Emici Sınır Koşullan (ESK), Normal Mod Teorisi, Mikro- fabrikasyon Yöntemi.

ABSTRACT MODELING AND CHARACTERIZATION OF CAPACITIVE MICROMACHINED ULTRASONIC TRANSDUCERS Ayhan Bozkurt Ph. D. in Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Prof. Abdullah Atalar January 5, 2000 The Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (cMUT) is a device used for the generation and detection of ultrasonic sound waves. The device is constructed on a sil icon substrate using a microfabrication process. Individual cells constituting the device are membranes which have dimensions in the order of tens of microns, and are made up of a mechanically strong compound of silicon. The transducer itself has dimensions mea sured in centimeters, thus the total number of cells that make up a transducer is in the order of thousands. The excitation/detection of acoustic waves relies on the capacitance between the substrate and membrane: The presence of acoustic waves induces a small AC variation on the DC bias on the device, which can be used for detection, while a small AC component added to the DC bias by the drive circuit changes the electro-static attraction force on the membrane causing it to vibrate, producing acoustic waves. Basic advantages of cMUT devices include easy patterning of array structures, integration of drive/detection electronics with mechanical structures, and low cost. In this study, basic theory describing the characteristics of cMUT devices were de veloped. The analytic formulation was used to test the validity of a Finite ElementMethod (FEM) model. The FEM model, then, was employed in the analysis of struc tures for which no analytical models are present. Specific problems solved using the FEM model included the characterization of cMUT devices with judiciously patterned electrodes. A more specific study showed that the bandwidth of an immersion device with an active area of radius 25 //m can be increased by 100% by simply setting the electrode radius to 10 /im. The FEM analysis was, then, extended to handle the effects of substrate loss, which required the incorporation of an Absorbing Boundary Condition (ABC) into the model. A Normal Mode Theory analysis was conducted to give better insight to the physical nature of the effect of substrate loss to device characteristics. The dominant wavemode for a transducer of central frequency 2.5 MHz was found to be the lowest order anti-symmetric lamb wave mode (A0), for a silicon substrate of thickness 500 /xm. A microfabrication process was developed for the production of cMUT devices. Hexagonally shaped transducers of radius 40 /xm were fabrictated on a conducting sili con substrated with silicon nitride as the sacrificial layer and amorphous silicon as the membrane material. Both the gap and membrane thicknesses are set to 0.5 /im. 8, 16, and 24 /xm gold plates were deposited as top eletrodes. The total number of active cells were 24 thousand for a substrate size of 0.7x0.7 cm2. Some experimental results were obtained from the fabricated transducers to support the analytical cMUT model. The device is found to have a central frequency of 2 MHz. Keywords : Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (cMUT), Finite Ele ment Method (FEM) Modeling, Absorbing Boundary Condition (ABC), Normal Mode Theory, Microfabrication Process.