Hispanopedia WikiLos transductores ultrasónicos micromecanizados capacitivos ( CMUT ) son un concepto relativamente nuevo en el campo de los transductores ultrasónicos . La mayoría de los transductores ultrasónicos comerciales actuales se basan en la piezoelectricidad . En los CMUT, la transducción de energía se debe a un cambio en la capacitancia . Los CMUT se construyen sobre silicio mediante técnicas de micromecanizado. Se forma una cavidad en un sustrato de silicio , y una capa delgada suspendida sobre la cavidad actúa como membrana sobre la cual una capa metalizada actúa como electrodo , junto con el sustrato de silicio que actúa como electrodo inferior.
Si se aplica una señal de CA a través de los electrodos polarizados , la membrana vibrante producirá ondas ultrasónicas en el medio de interés. De esta manera, funciona como un transmisor . Por otro lado, si se aplican ondas ultrasónicas a la membrana de un CMUT polarizado, generará una señal alterna a medida que varíe la capacitancia del CMUT. De esta manera, funciona como un 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 un gran número de CMUT en una matriz de transductores, lo que proporciona un ancho de banda mayor en comparación con otras tecnologías de transductores. Lograr una operación de alta frecuencia utilizando CMUT 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 un gran ancho de banda lo hacen una buena opción para usar como transductor en imágenes médicas , especialmente en un ultrasonido 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 sacrificial
El micromecanizado de superficie es la forma tradicional de fabricar CMUT. [ 3 ] Las principales limitaciones de este método incluyen un proceso de fabricación complejo para la construcción y el sellado de los canales de grabado/drenaje del material de sacrificio; la necesidad de canales de liberación del material de sacrificio reduce el espacio disponible para los transductores, lo que reduce la capacidad de generación de sonido alcanzable; un control limitado del espesor de las capas durante el proceso de fabricación; y un espesor de cavidad limitado debido a los residuos de fluido dentro de la cavidad de la celda, lo que puede causar adherencia entre las partes superior e inferior de la celda, si esta no es lo suficientemente gruesa. [ 3 ]
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 posteriormente se unen para formar celdas con cavidades.
Unión por fusión
Unión por fusión de obleas. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
Proceso MUMPS multiusuario (polyMUMPS). Se informó que los CMUT fabricados en el proceso MUMPS multiusuario tenían un rendimiento reducido, como una frecuencia de resonancia relativamente baja. [ 8 ]
Unión anódica
En la unión anódica , las obleas se sellan a alta temperatura y en presencia de un campo eléctrico. [ 9 ]
Proceso de arriba hacia abajo
En este método, la fabricación se realiza en orden inverso, en comparación con el método tradicional. [ 10 ] [ 11 ] La membrana estructural es de nitruro de silicio LPCVD, pero todo el proceso es de baja temperatura, por lo que es compatible con CMOS. No hay orificios de grabado en la superficie radiante del dispositivo. Las almohadillas de conexión están en la parte posterior del dispositivo, sin utilizar vías 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). [ 12 ]
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 los métodos de fabricación existentes.
Evaluación comparativa
El rendimiento del CMUT se evalúa mediante experimentos de transmisión-recepción y de pulso-eco, y la uniformidad de su funcionamiento se comprueba tanto en el aire como en inmersión. En un experimento de transmisión-recepción, el transductor se evalúa mediante un hidrófono , y en un experimento de pulso-eco, el transductor se utiliza tanto para transmitir como para recibir, comparando 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, lo cual es necesario para dispositivos de imágenes médicas en miniatura , como los sistemas IVUS .
Véase también
- PMUT , una tecnología similar basada en la piezoelectricidad.
Referencias
- ↑ "Descripción general y ventajas de los CMUT" . Universidad de Stanford. Archivado del original el 20 de julio de 2011. Consultado el 7 de febrero de 2011 .
- ↑ Oralkan, O.; Ergun, AS; Johnson, JA; Karaman, M.; Demirci, U.; Kaviani, K.; Lee, TH; Khuri-Yakub, BT (2002). "Transductores ultrasónicos micromecanizados capacitivos: ¿matrices de próxima generación para imágenes acústicas?" (PDF) . IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control . 49 (11): 1596– 1610. doi : 10.1109/TUFFC.2002.1049742 . PMID 12484483. S2CID 17896227. Archivado del original (PDF) el 18 de marzo de 2012. Recuperado el 8 de febrero de 2011 .
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- ↑ Patente US7790490
Enlaces externos
- Cómo el ultrasonido se miniaturizó , en IEEE Spectrum
- Software de simulación para la propagación de ultrasonidos con CMUT:
- Campo II
- ENFOCAR
- Ultrasonido
- Transductores
