Un transductor ultrasónico capacitivo micromecanizado ( CMUT ) es un concepto relativamente nuevo en el campo de los transductores ultrasónicos . La mayoría de los transductores ultrasónicos comerciales de hoy se basan en piezoelectricidad . Los CMUT son los transductores donde la transducción de energía se debe al cambio de capacitancia . Los CMUT se construyen en silicio utilizando técnicas de micromecanizado. Se forma una cavidad en un sustrato de silicio , y una capa delgada suspendida en la parte superior de la cavidad sirve como membrana sobre la cual una capa metalizada actúa como electrodo., junto con el sustrato de silicio que sirve como electrodo inferior.
Si se aplica una señal de CA a través de los electrodos polarizados , la membrana vibratoria producirá ondas ultrasónicas en el medio de interés. De esta forma funciona como transmisor . Por otro lado, si se aplican ondas ultrasónicas en la membrana de un CMUT polarizado, generará una señal alterna a medida que se varíe la capacitancia del CMUT. De esta forma, funciona como receptor de ondas ultrasónicas. [1]
Como los CMUT son dispositivos micromecanizados, es más fácil construir matrices 2D de transductores utilizando esta tecnología. Esto significa que se podría incluir una gran cantidad de CMUT en una matriz de transductores que proporcione un ancho de banda mayor en comparación con otras tecnologías de transductores. Lograr una operación de alta frecuencia usando CMUTs es más fácil debido a sus dimensiones más pequeñas. [2] La frecuencia de operación depende del tamaño de la celda (cavidad de la membrana) y de la rigidez del material utilizado como membrana. Como está construido sobre silicio, la integración de la electrónica sería más fácil para los CMUT en comparación con otras tecnologías de transductores. Las propiedades para usar en alta frecuencia con gran ancho de banda lo convierten en una buena opción para usar como transductor en imágenes médicas , especialmente en una ecografía intravascular (IVUS). Debido a su ancho de banda más amplio, podría usarse en imágenes de segundo armónico . También se han realizado algunos experimentos para usar CMUT como hidrófonos .
Métodos de fabricación
Micromecanizado de superficie de liberación de sacrificio
El micromecanizado de superficies es la forma tradicional de fabricar CMUT. [3] Las principales limitaciones de este método incluyen un complicado proceso de fabricación para construir y sellar canales de grabado / drenaje del material de sacrificio; la necesidad de canales de liberación de sacrificio reduce el espacio disponible para los transductores, reduciendo así la capacidad de generación de sonido alcanzable; control limitado del espesor de las capas durante el proceso de fabricación; Espesor limitado de la cavidad debido a los residuos de líquido dentro de la cavidad de la celda, lo que puede causar fricción entre las partes superior e inferior de la celda, si la celda no es lo suficientemente gruesa. [4]
Unión de obleas
La unión de obleas es el método más popular. En este método, un CMUT se construye a partir de dos obleas separadas, que luego se unen para lograr celdas con cavidades.
Unión por fusión
Unión por fusión de obleas. [5] [6] [7] [8]
Proceso MUMPS multiusuario (polyMUMPS). Se informó que los CMUT fabricados en MUMPS multiusuario tenían un rendimiento reducido, como una frecuencia de resonancia relativamente baja. [9]
Unión anódica
En la unión anódica , las obleas se sellan a alta temperatura y en presencia de campo eléctrico. [10]
Proceso de arriba hacia abajo
En este método, la fabricación se realiza en orden inverso, en comparación con la forma tradicional. [11] [12] La membrana estructural está en LPCVD de nitruro de silicio, pero todo el proceso es a baja temperatura, por lo que es compatible con CMOS. No hay ningún agujero grabado en la superficie radiante del dispositivo. Las almohadillas de conexión están en la parte posterior del dispositivo, sin usar VIAs pasantes en el silicio, y el sustrato de silicio se elimina por completo. Se utiliza un respaldo acústico personalizado para mejorar el rendimiento acústico del dispositivo. El proceso utiliza pocas máscaras (7-8). [13]
Integración con circuitos eléctricos
Como se mencionó anteriormente, una de las ventajas significativas de los CMUT sobre los transductores piezoeléctricos es la capacidad de integrar los CMUT con circuitos eléctricos, utilizando métodos de fabricación existentes.
Benchmarking
Rendimiento CMUT se punto de referencia usando pitch-captura y experimentos de pulso-eco, y la uniformidad operación se prueba en el aire y en inmersión. En un experimento de captura de tono, el transductor se compara con un hidrófono , y en un experimento de pulso-eco, el transductor se usa tanto para transmitir como para recibir, mientras se compara la señal medida con la respuesta del hidrófono.
Aplicaciones
La tecnología CMUT-on-CMOS y el proceso flip-chip permiten una estrecha integración de los CMUT con la electrónica frontal, que es necesaria para dispositivos de imágenes médicas en miniatura , como IVUS .
Referencias
- ^ "Descripción general y ventajas de CMUT" . Universidad Stanford. Archivado desde el original el 20 de julio de 2011 . Consultado el 7 de febrero de 2011 .
- ^ "Transductores ultrasónicos capacitivos micromaquinados: matrices de próxima generación para imágenes acústicas" (PDF) . IEEE Transactions on UFFC, Vol.49, publicado en noviembre de 2002. Archivado desde el original (PDF) el 18 de marzo de 2012 . Consultado el 8 de febrero de 2011 .
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- ^ Ergun, AS; Huang, Y; Zhuang, X (2005). "Transductores ultrasónicos capacitivos micromecanizados: tecnología de fabricación". IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control . 52 (12): 2242–58. PMID 16463490 .
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- ^ Patente US7790490
enlaces externos
- Software de simulación para la propagación de ultrasonidos con CMUT:
- Campo-II
- ENFOCAR