ES2333833A1 - Ultrasound device for the emission of acoustic waves in air in the ultrasonic range - Google Patents
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Abstract
Description
Transductor capacitivo ultrasónico micromecanizado con cavidades resonantes y sus aplicaciones en aire.Ultrasonic Capacitive Transducer micromachining with resonant cavities and their applications in air.
Sistemas de inspección ultrasónicos para aplicaciones de Ensayos No Destructivos (END) teniendo como medio de acople el aire. El campo de aplicación es amplio, destacando tanto el sector aeronáutico como el alimentario.Ultrasonic inspection systems for Non Destructive Testing (NDT) applications having as a medium of coupling the air. The scope is wide, highlighting both the aeronautical and food sectors.
Los sistemas de inspección ultrasónicos para aplicaciones de Ensayos No Destructivos (END) están siendo muy utilizados durante las últimas décadas. Gracias a estas técnicas, es posible comprobar el estado de una estructura o del contenido de un cuerpo o recipiente sin necesidad de abrirlo o destruirlo. A su vez, estas técnicas se pueden utilizar en contacto o sin tocar el cuerpo a comprobar teniendo así como medio de acople el aire.Ultrasonic inspection systems for Non Destructive Testing (NDT) applications are being very used during the last decades. Thanks to these techniques, it is possible to check the status of a structure or the content of a body or container without opening or destroying it. To its Once, these techniques can be used in contact or without touching the body to be checked as well as a means of coupling the air.
Una de las partes más importantes de estos sistemas son los transductores ultrasónicos. Convencionalmente se han venido utilizando en mayor parte materiales piezoeléctricos para el desarrollo de los mismos. Sin embargo, en los últimos años se ha incorporado una nueva idea basada en el micromecanizado en silicio. Por estos procedimientos se han desarrollado Transductores Capacitivos Ultrasónicos Micromecanizados (cMUTs). Su unidad básica consiste en una capacidad formada por un electrodo fijo dentro de una cavidad y otro soportado sobre una micromembrana. Al aplicar una tensión de polarización y una señal de excitación, la membrana presentará un movimiento correspondiente a la frecuencia de excitación y al modo de resonancia. Esta tecnología presenta un creciente interés debido al reducido tamaño de estos dispositivos. Gracias a esto, se abre la posibilidad de agrupación para así desarrollar complejas aperturas de array mejorando así la resolución del dispositivo en aplicaciones de imagen ultrasónica. Aún así, sectores como el aeronáutico o el alimentario, carecen de sistemas de inspección específicos que utilicen esta tecnología. De aquí la necesidad de desarrollar una nueva idea de transductor ultrasónico acoplado en aire de alta eficiencia en emisión siguiendo esta idea.One of the most important parts of these Systems are ultrasonic transducers. Conventionally it they have been using piezoelectric materials for the most part for the development of them. However, in recent years a new idea based on micromachining has been incorporated into silicon. By these procedures Transducers have been developed Micromachined Ultrasonic Capacitive (cMUTs). Your basic unit it consists of a capacity formed by a fixed electrode within one cavity and another supported on a micromembrane. When applying a bias voltage and an excitation signal, the membrane present a movement corresponding to the frequency of excitation and resonance mode. This technology presents a growing interest due to the small size of these devices. Thanks to this, the possibility of grouping is opened in order to develop complex array openings thus improving resolution of the device in ultrasonic imaging applications. Even so, sectors such as aeronautics or food, lack systems of specific inspection using this technology. From here the need to develop a new idea of ultrasonic transducer high efficiency air coupled in emission following this idea.
Concretamente, desde que apareció la primera
generación de este tipo de transductores en el año 1994 (M.I.
Haller and B.T. Khuri-Yakub, "A surface
micromachined electrostatic ultrasonic air transducer".
Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, Cannes Vol. 2 (1994), pp.
1241-1244), varios grupos han dedicado su trabajo
en orientar los cMUTs a diferentes aplicaciones en el rango de los
ultrasonidos. En los últimos años se han desarrollado sistemas
basados en la tecnología cMUT tanto en aire como en medio líquido
(David W. Shindel, David A. Hutchins, Lichun Zou and Michael Sayer,
"The Design and Characterization of Micromachined
Air-Coupled Capacitance Transducers". IEEE
Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,
Vol. 42, nº 1, pp. 42-50, 1995-Soh,
H. T., Ladabaum, 1., Atalar, A., Quate, C. F., and
Khuri-Yakub, B. T. "Silicon micromachined
ultrasonic immersion transducers". Appl. Phys. Lett., vol. 69,
3674-3676, 1996). Pocos grupos se están centrando
en aplicaciones para aire donde el más destacado es el grupo de
David A. Hutchins de la Universidad de Warwick donde se han
realizado con éxito ensayos sin contacto. Las aplicaciones en
inmersión han sido el centro de las investigaciones de los grupos
que han desarrollado los trabajos más importantes. El grupo de la
Universidad de Stanford encabezado por Khuri- Yakub es el más activo
en el desarrollo de esta tecnología. Con cuatro generaciones de
transductores y complejos diseños de electrónica asociada al
transductor han conseguido obtener sistemas bastante mejorados para
imagen médica consiguiendo imágenes tridimensionales. Además de
esto han conseguido realizar diferentes experiencias en aire para
comprobar la viabilidad de esta tecnología en este medio obteniendo
buenos resultados así como han buscado nuevas aplicaciones como
sistemas para la medida de flujo de un gas. Otro grupo bastante
activo se encuentra en la Universidad de Georgia donde han elaborado
un array anular para la obtención de un sistema ultrasónico de
imagen intravascular (Joshua Knight, Jeff McLean, and F. Levent
Degertekin, "Low Temperature Fabrication of Immersion Capacitive
Micromachined Ultrasonic Transducers on Silicon and Dielectric
Substrates". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics
and Frequency Control, Vol. 51, nº 10, pp.
1324-1333, 2004). En la Universidad Roma Tre se ha
desarrollado un sistema con el cual se han conseguido imágenes
ultrasónicas con buena resolución además de estudios bastante
avanzados sobre el funcionamiento de cMUTs tanto analíticos como
con elementos finitos (Giosué Caliano, Riccardo Carotenuto, Elena
Cia nci, Vittorio Foglietti, Alessandro Caronti, Antonio lula and
Massimo Pappalardo, "Design, Fabrication and Characterization of a
Capacitive Micromachined Ultrasonic Probe for Medical Imaging".
IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency
Control, Vol. 52, nº 12, pp. 2259-2269, 2005). Los
programas de elementos finitos se han convertido en la herramienta
más utilizada para el análisis de estos dispositivos (Yongrae Roh
and Butrus T. Khuri-Yakub, "Finite Element
Analysis of Underwater Capacitor Micromachined Ultrasonic
Transducers". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics
and Frequency Control, Vol. 49, nº 3, pp.
293-298, 2002).Specifically, since the first generation of this type of transducers appeared in 1994 (MI Haller and BT Khuri-Yakub, "A surface micromachined electrostatic ultrasonic air transducer". Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, Cannes Vol. 2 (1994), pp 1241-1244), several groups have dedicated their work in orienting cMUTs to different applications in the ultrasound range. In recent years, systems based on cMUT technology have been developed in both air and liquid media (David W. Shindel, David A. Hutchins, Lichun Zou and Michael Sayer, "The Design and Characterization of Micromachined Air-Coupled Capacitance Transducers" IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 42, No. 1, pp. 42-50, 1995-Soh, HT, Ladabaum, 1., Atalar, A., Quate, CF, and Khuri-Yakub, BT "Silicon micromachined ultrasonic immersion transducers." Appl. Phys. Lett., Vol. 69, 3674-3676, 1996). Few groups are focusing on air applications where the most prominent is the David A. Hutchins group from the University of Warwick where contactless trials have been successfully conducted. Immersion applications have been the focus of the research of the groups that have developed the most important works. The Stanford University group headed by Khuri- Yakub is the most active in the development of this technology. With four generations of transducers and complex designs of electronics associated with the transducer, they have managed to obtain quite improved systems for medical imaging by obtaining three-dimensional images. In addition to this they have managed to carry out different experiences in the air to verify the viability of this technology in this medium, obtaining good results, as well as looking for new applications such as systems for measuring the flow of a gas. Another quite active group is at the University of Georgia where they have developed an annular array to obtain an ultrasonic intravascular imaging system (Joshua Knight, Jeff McLean, and F. Levent Degertekin, "Low Temperature Fabrication of Immersion Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers on Silicon and Dielectric Substrates. "IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 51, No. 10, pp. 1324-1333, 2004). In the Roma Tre University a system has been developed with which ultrasonic images have been obtained with good resolution in addition to quite advanced studies on the operation of both analytical and finite element cMUTs (Giosué Caliano, Riccardo Carotenuto, Elena Cia nci, Vittorio Foglietti , Alessandro Caronti, Antonio lula and Massimo Pappalardo, "Design, Fabrication and Characterization of a Capacitive Micromachined Ultrasonic Probe for Medical Imaging." IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 52, No. 12, pp. 2259-2269, 2005). Finite element programs have become the most used tool for the analysis of these devices (Yongrae Roh and Butrus T. Khuri-Yakub, "Finite Element Analysis of Underwater Capacitor Micromachined Ultrasonic Transducers". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 49, No. 3, pp.
293-298, 2002).
Los problemas a los que más tiempo de investigación se está dedicando son los efectos de acoplamiento acústico (cross-talk) y de integración electrónica. El cross-talk se da en mayor medida en aplicaciones de inmersión donde el medio hace que elementos colindantes a los activos tengan un movimiento no deseado. Esto se traduce en un peor funcionamiento global del transductor provocando peor resolución en el caso de imagen. A lo largo de los años se han presentado trabajos en los que se han presentado varios estudios y mejoras tecnológicas para prevenir este efecto (Eccardt P.-C-. Lohfink, A., Garssen H.-G.V. "Analysis of crosstalk between fluid coupled cMUT membranes". Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, 2005 pp. 593-596 - Alessandro Caronti, Alessandro Savoia, Giosué Caliano and Massimo Pappalardo, "Acoustic Coupling in Capacitive Microfabricated Ultrasonic Transducers: Modeling and Experiments". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 52, nº 12, pp. 2220-2234, 2005).The problems to which more time of research is being engaged are the coupling effects acoustic (cross-talk) and electronic integration. Cross-talk takes place to a greater extent in applications immersion where the medium makes elements adjacent to the assets have an unwanted movement. This results in a worse global operation of the transducer causing worse resolution in The case of image. Over the years they have presented works in which several studies and improvements have been presented technology to prevent this effect (Eccardt P.-C-. Lohfink, A., Garssen H.-G.V. "Analysis of crosstalk between fluid coupled cMUT membranes ". Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, 2005 pp. 593-596 - Alessandro Caronti, Alessandro Savoia, Giosué Caliano and Massimo Pappalardo, "Acoustic Coupling in Capacitive Microfabricated Ultrasonic Transducers: Modeling and Experiments ". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 52, No. 12, pp. 2220-2234, 2005).
En el caso de integración electrónica se han presentado varios diseños. El primero en desarrollar un cMUT integrado con su electrónica de acondicionamiento fue P. Eccardt de Siemens con un diseño no demasiado complejo con un coste asequible (Peter-Christian Eccardt, K. Niederer, T. Scheite, C. Hierold, "Surface micromachined ultrasound transducers in CMOS technology". Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, 1996 pp. 959-962). Noble et al. de QinetiQ Ltd. Junto al grupo de Hutchins de la Universidad de Warwick desarrollaron un diseño de mayor complejidad y mayor coste (R.A. Noble, R.R. Davies, D.O. King, M.M. Day, A.R.D. Jones, J. S. MclIntosh, D.A. Hutchins, and P. Saul, "Low-Temperature Micromachined cMUTs with Fully Integrated Analogue Front-End Electronics". Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, 2002 pp. 1045-1050). La propuesta más novedosa realizada por el grupo de Khuri-Yakub de la Universidad de Standford, se basa en una tecnología donde el transductor está montado sobre la superficie de un segundo chip que contiene la electrónica de acondicionamiento. Esto es posible debido a la implementación de los contactos eléctricos del cMUT en la parte posterior del mismo (Ira O. Wygant, David T. Yeh, Xuefeng Zhuang, Srikant Vaithilingam, Amin Nikoozadeh, Omer Oralkan, A. Sanli Ergun, Goksen G. Yaralioglu, and Butrus T. Khuri-Yakub, "Integrated Ultrasound Imaging Systems Based on Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Arrays" Proceedings IEEE Sensors, 2005 pp. 704-707). Es una alternativa que da una gran flexibilidad a la hora de diseñar y un coste más bajo teniendo en cuenta que se utilizan como mínimo dos chips contando el del transductor.In the case of electronic integration several designs have been submitted. The first to develop an integrated cMUT with its conditioning electronics was P. Eccardt from Siemens with a not too complex design with an affordable cost (Peter-Christian Eccardt, K. Niederer, T. Scheite, C. Hierold, "Surface micromachined ultrasound transducers in CMOS technology ". Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, 1996 pp. 959-962). Noble et al . of QinetiQ Ltd. Together with the Hutchins group of the University of Warwick, they developed a design of greater complexity and greater cost (RA Noble, RR Davies, DO King, MM Day, ARD Jones, JS MclIntosh, DA Hutchins, and P. Saul, "Low-Temperature Micromachined cMUTs with Fully Integrated Analogue Front-End Electronics." Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, 2002 pp. 1045-1050). The most innovative proposal made by the Khuri-Yakub group of Standford University is based on a technology where the transducer is mounted on the surface of a second chip that contains the conditioning electronics. This is possible due to the implementation of the cMUT electrical contacts on the back of it (Ira O. Wygant, David T. Yeh, Xuefeng Zhuang, Srikant Vaithilingam, Amin Nikoozadeh, Omer Oralkan, A. Sanli Ergun, Goksen G. Yaralioglu, and Butrus T. Khuri-Yakub, "Integrated Ultrasound Imaging Systems Based on Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Arrays" Proceedings IEEE Sensors, 2005 pp. 704-707). It is an alternative that gives great flexibility when designing and a lower cost considering that at least two chips are used counting the transducer.
Con el transductor de la presente invención, se pretende dar un paso más hacia las aplicaciones con cMUTs en aire (aplicaciones sin contacto) y más concretamente en los ensayos no destructivos. Debido a que en END en aire se suele trabajar en un rango de frecuencia distinto (menor a 1 MHz) las dimensiones del transductor de la presente invención se verán incrementadas respecto a los diseños convencionales.With the transducer of the present invention, intends to take another step towards applications with cMUTs on air (contactless applications) and more specifically in the trials not destructive Because in END in the air one usually works in a different frequency range (less than 1 MHz) the dimensions of the transducer of the present invention will be increased Regarding conventional designs.
Un aspecto de la invención lo constituye un dispositivo ultrasónico útil para la emisión de ondas acústicas en aire en el rango de los ultrasonidos, en adelante dispositivo ultrasónico de la invención, constituido por, al menos, una unidad básica o celda cMUT que comprende:An aspect of the invention is constituted by a Ultrasonic device useful for the emission of acoustic waves in air in the ultrasound range, hereinafter device ultrasonic of the invention, consisting of at least one unit basic or cMUT cell comprising:
i.- una membrana flexible acoplada ai.- a flexible membrane coupled to
ii.- una cavidad resonante con una o varias aberturas para provocar una amplificación la señal en emisión y que está ajustada para que el sistema se comporte como un resonador de Helmholtz, y cuyo volumen ha de ser de tal manera que haga que ésta amplifique la frecuencia correspondiente al primer modo de la membrana para lo cual debe cumplir la siguiente ecuación:ii.- a resonant cavity with one or several openings to cause an amplification of the broadcast signal and that is set so that the system behaves like a resonator of Helmholtz, and whose volume has to be in such a way as to make it amplify the frequency corresponding to the first mode of the membrane for which you must meet the following equation:
donde fr representa la frecuencia de Helmholtz que debe ser igual a la correspondiente al modo fundamental de la membrana, c es la velocidad de propagación de la onda en el medio, A es la superficie que corresponde con las aberturas de la cavidad, V es el volumen de la cavidad, l es la longitud de las aberturas y \sigma es un factor de corrección de la abertura,where fr represents the frequency of Helmholtz that must be equal to that corresponding to the fundamental mode of the membrane, c is the speed of propagation of the wave in the middle, A is the surface that corresponds to the openings of the cavity, V is the volume of the cavity, l is the length of the openings and es is a correction factor of the opening,
iii.- un electrodo de metal conductor situado en la membrana, yiii.- a conductive metal electrode located in the membrane, and
iv.- otro electrodo inferior fijo situado en un soporte dentro de la cavidad resonante y de forma acorde con la geometría de la membrana y del electrodo de metal conductor.iv.- another fixed lower electrode located in a support within the resonant cavity and in accordance with the geometry of the membrane and the conductive metal electrode.
Un aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde la membrana es de un material flexible perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: silicio, nitruro de silicio o polisilicio.A particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the membrane is made of a flexible material belonging to the title illustrative and without limiting the scope of the invention, to one of The following groups: silicon, silicon nitride or polysilicon
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde la membrana presenta una forma perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: cuadrada, rectangular, circular o con cualquier otra forma regular o no regular.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the membrane has a form belonging, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, to one of the following Groups: square, rectangular, circular or any other shape regular or not regular.
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde el electrodo de metal conductor es de un metal conductor perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: Aluminio u oro.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the Conductive metal electrode is a conductive metal belonging, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, to one of the following groups: Aluminum or gold.
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Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde la membrana puede funcionar a su vez como el electrodo de metal conductor si la membrana es de un material conductor perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: silicio o polisilicio.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the membrane can function in turn as the metal electrode conductor if the membrane is of a conductive material belonging, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, to one of the following groups: silicon or polysilicon.
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde la membrana puede estar sujeta por todo su contorno con una abertura a la cavidad fuera de la superficie de la membrana o con parte de su contorno libre proporcionando las aberturas por donde se emite la radiación acústica debido a la cavidad resonante.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the membrane can be fastened all around with an opening to the cavity outside the membrane surface or with part of its free contour providing the openings where the acoustic radiation due to the resonant cavity.
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde el electrodo inferior fijo, de forma alternativa, en lugar de estar sujeto en el soporte dentro de la cavidad, está constituido por el mismo soporte al tratarse de un material conductor o de un material dopado. Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde el sustrato a partir del que se construye el dispositivo es de un material perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: silicio, vidrio o cuarzo.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the fixed bottom electrode, alternatively, instead of being held in the support inside the cavity, it is constituted by the same support as it is a conductive material or a material doped Another particular aspect of the invention is the ultrasonic device of the invention where the substrate from from which the device is constructed is of a material belonging, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, to one of the following groups: silicon, glass or quartz.
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde la membrana puede estar soportada por un tipo de estructura construida en el sustrato o pueden incluirse unos soportes de un material perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: nitruro de silicio, óxido de silicio o polisilicio.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the membrane can be supported by a type of built structure in the substrate or supports of a material may be included belonging, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, to one of the following groups: silicon nitride, silicon oxide or polysilicon.
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde cada uno de los elementos conductores se pueden pasivar para prevenir problemas eléctricos añadiendo donde sea conveniente un aislante de un material perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: nitruro de silicio u óxido de silicio.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where each one of the conductive elements can be passivated to prevent electrical problems by adding an insulator of a material belonging, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, to one of the following groups: nitride silicon or silicon oxide.
Por otro lado, el dispositivo ultrasónico de la invención puede utilizarse para fabricar un emisor que comprende varias de estas celdas conectadas en paralelo emitiendo así al mismo tiempo. De esta manera se pueden agrupar formando un único elemento o se pueden agrupar formando elementos de un array tanto unidimensional como bidimensional para conseguir una mayor resolución en imagen.On the other hand, the ultrasonic device of the invention can be used to make an emitter comprising several of these cells connected in parallel thus emitting Same time. This way they can be grouped into a single element or can be grouped together forming elements of an array one-dimensional as two-dimensional to achieve greater Image resolution
Otro aspecto de la invención lo constituye el uso del dispositivo ultrasónico de la invención para la realización de ensayos no destructivos sin contacto en aire.Another aspect of the invention is the use of the ultrasonic device of the invention for the embodiment of non-destructive tests without air contact.
Como se ha indicado anteriormente, el dispositivo que se presenta, pretende cubrir la necesidad de un sistema de alta eficiencia para ensayos no destructivos en aire.As indicated above, the device presented, aims to cover the need for a High efficiency system for non-destructive testing in air.
Para estudiar cómo proporcionar mayor eficiencia a un transductor cMUT se debe tener especial cuidado en factores como la forma de la membrana, condiciones de contorno o la cavidad. Convencionalmente se han utilizado membranas circulares, cuadradas o hexagonales sujetas por todos sus lados debido a que su modo principal es el que más energía emite al medio. Además, se busca que la cavidad que existe entre electrodos sea de vacío y de pequeñas dimensiones para incrementar la sensibilidad.To study how to provide greater efficiency to a cMUT transducer special care must be taken in factors such as the shape of the membrane, boundary conditions or the cavity. Conventionally circular, square membranes have been used or hexagonal fastened on all sides because its mode The main one is the one that emits the most energy to the environment. In addition, it seeks that the cavity that exists between electrodes is of vacuum and of Small dimensions to increase sensitivity.
Los investigadores han observado que es posible mejorar la eficiencia en emisión en aire al utilizar un sistema resonante compuesto por una cavidad, una o varias aberturas (o puertos acústicos) y un elemento que excite el sistema como puede ser el caso de las membranas. Gracias a la cavidad resonante se puede generar una radiación en las aberturas conjunta y en fase con la producida por el movimiento de la membrana. Estos resultados se deben principalmente a que la superficie de radiación se ha incrementado considerablemente con el nuevo diseño. Cuando en el cMUT convencional sólo se aprovecha la superficie central de la membrana, el nuevo diseño aporta una superficie cilíndrica en conjunto con la presión que tiene lugar en las aberturas y que se genera en fase gracias al resonador (Figura 4). Este concepto se basa en los resonadores de Helmholtz utilizados en el campo de la acústica tanto en la elaboración de instrumentos musicales como en el desarrollo de altavoces con tecnología bass reflex. Tanto Beranek (Leo L. Beranek, Acoustics, Ed. McGraw-Hill book company, Inc., (1954)) como Marshall Leach (W. Marshall Leach, Jr., Introduction to Electroacoustics & Audio Amplifier Design, Third Ed. Kendall/Hunt publishing company, (2003)) describen el funcionamiento y el diseño de sistemas de estas características. Sin embargo, nadie había demostrado su aplicación en el campo de los cMUTs, con el objeto de desarrollar transductores de alta eficiencia en emisión y de mayor ancho de banda en aire.Researchers have observed that it is possible improve air emission efficiency when using a system resonant composed of a cavity, one or several openings (or acoustic ports) and an element that excites the system as it can Be the case of membranes. Thanks to the resonant cavity it it can generate radiation in the joint and phase openings with that produced by the movement of the membrane. These results are mainly because the radiation surface has considerably increased with the new design. When in the Conventional cMUT only takes advantage of the central surface of the membrane, the new design provides a cylindrical surface in together with the pressure that takes place in the openings and that generated in phase thanks to the resonator (Figure 4). This concept is based on the Helmholtz resonators used in the field of acoustics both in the development of musical instruments and in speaker development with bass reflex technology. So much Beranek (Leo L. Beranek, Acoustics, Ed. McGraw-Hill book company, Inc., (1954)) as Marshall Leach (W. Marshall Leach, Jr., Introduction to Electroacoustics & Audio Amplifier Design, Third Ed. Kendall / Hunt publishing company, (2003)) describe the operation and design of systems of these characteristics. However, no one had demonstrated its application in the field of cMUTs, in order to develop high transducers Emission efficiency and greater air bandwidth.
En la Figura 1 se muestra la tipología que se correspondería a uno de estos emisores. La celda se compondría de una membrana cuadrada con dos de sus lados libres. Al dejar la membrana parcialmente con condiciones de contorno libres, se le proporciona a la cavidad las aberturas necesarias. En este caso, la longitud de la abertura se correspondería con el espesor de la membrana. En estas condiciones, el cMUT con cavidad resonante de la invención presenta un máximo de presión mayor que el máximo de presión del diseño convencional y tiene un mayor ancho de banda (Q de aproximadamente 4), lo que implica que el abanico de aplicaciones es más amplio pudiendo utilizarlo tanto excitando con señales de banda ancha como para emisión en una determinada frecuencia. La mejora en ancho de banda se debe básicamente a la reactancia que se añade al diseño al incluir la cavidad resonante. Ésta provoca además una disminución en el desplazamiento de la membrana.Figure 1 shows the type that is It would correspond to one of these issuers. The cell would consist of a square membrane with two of its free sides. When leaving the membrane partially with free boundary conditions, it will be provides the cavity with the necessary openings. In this case, the opening length would correspond to the thickness of the membrane. Under these conditions, the cMUT with resonant cavity of the invention has a maximum pressure greater than the maximum of conventional design pressure and has a higher bandwidth (Q of approximately 4), which implies that the range of applications is wider being able to use it both exciting with broadband signals as for broadcast on a given frequency. The improvement in bandwidth is basically due to the reactance that is added to the design by including the resonant cavity. This also causes a decrease in the displacement of the membrane.
El dispositivo ultrasónico de la invención puede ser utilizado en toda experiencia de ensayos no destructivos teniendo como medio de acople el aire, sin contacto, y sin necesidad de abrir o destruir la muestra para conocer su estado.The ultrasonic device of the invention can be used in all non-destructive testing experience having as a means of coupling the air, without contact, and without need to open or destroy the sample to know its state.
Así, un aspecto de la invención lo constituye un dispositivo ultrasónico útil para la emisión de ondas acústicas en aire en el rango de los ultrasonidos, en adelante dispositivo ultrasónico de la invención, constituido por, al menos, una unidad básica o celda cMUT que comprende:Thus, one aspect of the invention is constituted by a Ultrasonic device useful for the emission of acoustic waves in air in the ultrasound range, hereinafter device ultrasonic of the invention, consisting of at least one unit basic or cMUT cell comprising:
i.- una membrana flexible acoplada ai.- a flexible membrane coupled to
ii.- una cavidad resonante con una o varias aberturas para provocar una amplificación la señal en emisión y que está ajustada para que el sistema se comporte como un resonador de Helmholtz, y cuyo volumen ha de ser de tal manera que haga que ésta amplifique la frecuencia correspondiente al primer modo de la membrana para lo cual debe cumplir la siguiente ecuación:ii.- a resonant cavity with one or several openings to cause an amplification of the broadcast signal and that is set so that the system behaves like a resonator of Helmholtz, and whose volume has to be in such a way as to make it amplify the frequency corresponding to the first mode of the membrane for which you must meet the following equation:
donde fr representa la frecuencia de Helmholtz que debe ser igual a la correspondiente al modo fundamental de la membrana, c es la velocidad de propagación de la onda en el medio, A es la superficie que corresponde con las aberturas de la cavidad, V es el volumen de la cavidad, l es la longitud de las aberturas y \delta es un factor de corrección de la abertura,where fr represents the frequency of Helmholtz that must be equal to that corresponding to the fundamental mode of the membrane, c is the speed of propagation of the wave in the middle, A is the surface that corresponds to the openings of the cavity, V is the volume of the cavity, l is the length of the openings and δ is a correction factor of the opening,
iii.- un electrodo de metal conductor situado en la membrana, yiii.- a conductive metal electrode located in the membrane, and
iv.- otro electrodo inferior fijo situado en un soporte dentro de la cavidad resonante y de forma acorde con la geometría de la membrana y del electrodo de metal conductor.iv.- another fixed lower electrode located in a support within the resonant cavity and in accordance with the geometry of the membrane and the conductive metal electrode.
Un aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde la membrana. es de un material flexible perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: silicio, nitruro de silicio o polisilicio.A particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the membrane. it is of a flexible material belonging, by title illustrative and without limiting the scope of the invention, to one of The following groups: silicon, silicon nitride or polysilicon
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde la membrana presenta una forma perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: cuadrada, rectangular, circular o con cualquier otra forma regular o no regular.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the membrane has a form belonging, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, to one of the following Groups: square, rectangular, circular or any other shape regular or not regular.
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde el electrodo de metal conductor es de un metal conductor perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: Aluminio u oro.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the Conductive metal electrode is a conductive metal belonging, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, to one of the following groups: Aluminum or gold.
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde la membrana puede funcionar a su vez como el electrodo de metal conductor si la membrana es de un material conductor perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: silicio o polisilicio.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the membrane can function in turn as the metal electrode conductor if the membrane is of a conductive material belonging, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, to one of the following groups: silicon or polysilicon.
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde la membrana puede estar sujeta por todo su contorno con una abertura a la cavidad fuera de la superficie de la membrana o con parte de su contorno libre proporcionando las aberturas por donde se emite la radiación acústica debido a la cavidad resonante.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the membrane can be fastened all around with an opening to the cavity outside the membrane surface or with part of its free contour providing the openings where the acoustic radiation due to the resonant cavity.
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde el electrodo inferior fijo, de forma alternativa, en lugar de estar sujeto en el soporte dentro de la cavidad, está constituido por el mismo soporte al tratarse de un material conductor o de un material dopado.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the fixed bottom electrode, alternatively, instead of being held in the support inside the cavity, it is constituted by the same support as it is a conductive material or a material doped
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde el sustrato a partir del que se construye el dispositivo es de un material perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: silicio, vidrio o cuarzo.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the substrate from which the device is constructed is from a material belonging, for illustrative purposes and without limiting the scope of the invention, to one of the following groups: silicon, glass or quartz
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde la membrana puede estar soportada por un tipo de estructura construida en el sustrato o pueden incluirse unos soportes de un material perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: nitruro de silicio, óxido de silicio o polisilicio.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where the membrane can be supported by a type of built structure in the substrate or supports of a material may be included belonging, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, to one of the following groups: silicon nitride, silicon oxide or polysilicon.
Otro aspecto particular de la invención lo constituye el dispositivo ultrasónico de la invención donde cada uno de los elementos conductores se pueden pasivar para prevenir problemas eléctricos añadiendo donde sea conveniente un aislante de un material perteneciente, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, a uno de los siguientes grupos: nitruro de silicio u óxido de silicio.Another particular aspect of the invention is constitutes the ultrasonic device of the invention where each one of the conductive elements can be passivated to prevent electrical problems by adding an insulator of a material belonging, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, to one of the following groups: nitride silicon or silicon oxide.
Por otro lado, el dispositivo ultrasónico de la invención puede utilizarse para fabricar un emisor que comprende varias de estas celdas conectadas en paralelo emitiendo así al mismo tiempo. De esta manera se pueden agrupar formando un único elemento o se pueden agrupar formando elementos de un array tanto unidimensional como bidimensional para conseguir una mayor resolución en imagen.On the other hand, the ultrasonic device of the invention can be used to make an emitter comprising several of these cells connected in parallel thus emitting Same time. This way they can be grouped into a single element or can be grouped together forming elements of an array one-dimensional as two-dimensional to achieve greater Image resolution
Otro aspecto de la invención lo constituye el uso del dispositivo ultrasónico de la invención para la realización de ensayos no destructivos sin contacto en aire.Another aspect of the invention is the use of the ultrasonic device of the invention for the embodiment of non-destructive tests without air contact.
Figura 1.- Diseño del emisor ultrasónico. a) Vista completa del emisor con membrana cuadrada (3), electrodo superior (1) rectangular para favorecer el movimiento del primer modo de resonancia de la membrana, electrodo inferior (2) con la misma forma que el superior, aberturas y cavidad (5) ajustada para su funcionamiento como resonador de Helmholtz y el sustrato sobre el que se procede a la fabricación del dispositivo (6). b) corte transversal del diseño en el que se percibe con mayor claridad la forma del electrodo inferior soportado en una estructura tipo tabique (4).Figure 1.- Design of the ultrasonic emitter . a) Full view of the emitter with square membrane (3), upper electrode (1) rectangular to favor the movement of the first resonance mode of the membrane, lower electrode (2) with the same shape as the upper one, openings and cavity (5 ) adjusted for operation as a Helmholtz resonator and the substrate on which the device is manufactured (6). b) cross-section of the design in which the shape of the lower electrode supported in a partition type structure (4) is perceived more clearly.
Figura 2.- Diseño de una celda cMUT convencional. Celda cMUT convencional con forma cuadrada utilizada para comparar el funcionamiento entre esta tipología y la celda de la invención. Se compone de membrana cuadrada (2) sujeta por todos sus lados, electrodo superior (1) rectangular y sustrato de silicio (3) que funciona como electrodo inferior. Aunque no se refleje en la figura, existe una pequeña cavidad entre membrana y sustrato.Figure 2.- Design of a conventional cMUT cell . Conventional cMUT cell with a square shape used to compare the operation between this typology and the cell of the invention. It consists of a square membrane (2) held on all sides, a rectangular upper electrode (1) and a silicon substrate (3) that functions as a lower electrode. Although not reflected in the figure, there is a small cavity between membrane and substrate.
Figura 3.- Uso comparativo de un cMUT convencional y el cMUT de la invención. Amplitud en función de la frecuencia de la presión a 200 micras emitida por un cMUT convencional (rojo) y por un cMUT de la invención con cavidad resonante (azul) en dB referidos al máximo de presión emitida por la tipología que se presenta.Figure 3.- Comparative use of a conventional cMUT and the cMUT of the invention . Amplitude as a function of the frequency of the pressure at 200 microns emitted by a conventional cMUT (red) and by a cMUT of the invention with resonant cavity (blue) in dB referred to the maximum pressure emitted by the type presented.
Figura 4.- Presión en función del tiempo para un barrido de izquierda a derecha sobre la superficie de la membrana. Se demuestra que las presiones en las aberturas de la membrana se presentan en fase con la presión correspondiente a la superficie de la misma.Figure 4.- Pressure as a function of time for a scan from left to right on the membrane surface . It is shown that the pressures in the openings of the membrane are presented in phase with the pressure corresponding to the surface thereof.
En la Figura 1 se muestra la tipología que se corresponde con la realización particular de los posibles dispositivos de la invención. Concretamente, la unidad básica o celda MUT de un transductor de la invención se compone de una membrana flexible emisora cuadrada de nitruro de silicio con dos de sus lados libres (para proporcionar las aberturas necesarias a la cavidad) y así conseguir un mayor desplazamiento de la misma provocando una mayor excitación al sistema resonante, y de dimensiones 150 por 150 micras. Al dejar la membrana parcialmente con condiciones de contorno libres, se le proporciona a la cavidad las aberturas necesarias. En este caso, la longitud de la abertura se corresponde con el espesor de la membrana. El soporte del electrodo inferior dentro de la cavidad se corresponde con una estructura tipo muro o tabique sobre el cual puede existir una metalización o el mismo soporte puede ser de un material conductor o estar tratado para comportarse como tal. Este caso particular se corresponde con un soporte de silicio dopado para que funcione como conductor al que se le ha añadido una capa de material aislante (nitruro de silicio) por encima para evitar problemas eléctricos, de tal forma que se comporta como electrodo inferior.Figure 1 shows the type that is corresponds to the particular realization of the possible devices of the invention. Specifically, the basic unit or MUT cell of a transducer of the invention is composed of a flexible silicon nitride square emitting membrane with two of its free sides (to provide the necessary openings to the cavity) and thus achieve greater displacement of it causing greater excitation to the resonant system, and of dimensions 150 by 150 microns. When leaving the membrane partially with free boundary conditions, the cavity is provided the necessary openings. In this case, the length of the opening It corresponds to the thickness of the membrane. The support of lower electrode inside the cavity corresponds to a wall or partition structure on which there may be a metallization or the same support can be of a conductive material or Be treated to behave as such. This particular case is corresponds with a doped silicon support to work as conductor to which a layer of insulating material has been added (silicon nitride) above to avoid electrical problems, in such a way that it behaves as a lower electrode.
Su forma se corresponde con la geometría del electrodo superior situado sobre la membrana para favorecer el movimiento del primer modo de resonancia de la membrana y cavidad ajustada para su funcionamiento como resonador de Helmholtz.Its shape corresponds to the geometry of the upper electrode located on the membrane to favor the first resonance mode movement of the membrane and cavity adjusted for operation as a Helmholtz resonator.
La unidad se ha fabricado, tal como se ha comentado anteriormente, de tal forma que la cavidad permita que ésta amplifique la frecuencia correspondiente al primer modo de la membrana de acuerdo con la siguiente ecuación:The unit has been manufactured, as it has been discussed above, so that the cavity allows this amplifies the frequency corresponding to the first mode of the membrane according to the following equation:
donde fr representa la frecuencia de Helmholtz que debe ser igual a la correspondiente al modo fundamental de la membrana, c es la velocidad de propagación de la onda en el medio, A es la superficie que corresponde con las aberturas de la cavidad, V es el volumen de la cavidad, l es la longitud de las aberturas y \delta es un factor de corrección de la abertura.where fr represents the frequency of Helmholtz that must be equal to that corresponding to the fundamental mode of the membrane, c is the speed of propagation of the wave in the middle, A is the surface that corresponds to the openings of the cavity, V is the volume of the cavity, l is the length of the openings and δ is a correction factor of the opening.
Así, el volumen de la cavidad resonante de esta realización particular es de 298800 \mum^{3}, superficie de una abertura 375 \mum^{2} con A = 750 \mum^{2} debido a la existencia de dos aberturas, l = 2 \mum y factor de corrección correspondiente a dos aberturas rectangulares. Uno Ingard (Uno Ingard, "On the Theory and Design of Acoustic Resonators", The Journal of the Acoustical Society of America, November 1953, Vol. 25, Nº 6) presentó un estudio del efecto de diferentes factores de corrección correspondientes a varias aperturas. Considerando un factor de corrección comúnmente utilizado para una apertura arbitraria (\delta = 0.96\cdot(A)^{1/2}), se obtiene un valor de fr en aire (c = 340 m/s) de aproximadamente 500 kHz. Considerando que se trata de varias aberturas en el resonador, el cálculo de este factor se complica. Haciendo una estimación más exacta de este parámetro, se puede hacer un cálculo más preciso de la frecuencia de resonancia que resulta.Thus, the volume of the resonant cavity of this particular embodiment is 298800 µm 3, surface of an opening 375 µm 2 with A = 750 µm 2 due to the existence of two openings , l = 2 µm and correction factor corresponding to two rectangular openings. Uno Ingard (Uno Ingard, "On the Theory and Design of Acoustic Resonators", The Journal of the Acoustical Society of America, November 1953, Vol. 25, No. 6) presented a study of the effect of different correction factors corresponding to various openings . Considering a correction factor commonly used for an arbitrary opening (δ = 0.96 / cd (A) 1/2), a value of fr in air ( c = 340 m / s) of approximately 500 kHz is obtained. Considering that there are several openings in the resonator, the calculation of this factor is complicated. By making a more accurate estimate of this parameter, a more accurate calculation of the resulting resonance frequency can be made.
Un elemento del emisor final se compone de un gran número de estas celdas conectadas en paralelo emitiendo así al mismo tiempo. De esta manera se pueden agrupar formando un único elemento o se pueden agrupar formando elementos de un array tanto unidimensional como bidimensional para conseguir una mayor resolución en imagen. En los estudios realizados siguientes se ha utilizado una única celda de la invención.An element of the final issuer is composed of a large number of these cells connected in parallel thus emitting Same time. This way they can be grouped into a single element or can be grouped together forming elements of an array one-dimensional as two-dimensional to achieve greater Image resolution In the following studies it has been used a single cell of the invention.
En la Figura 3 se muestra la presión emitida por cada una de las tipologías (celda cMUT con cavidad resonante de la invención descrito en 1.1. y celda cMUT convencional, Figura 2). La presión que se dibuja en la figura está calculada a la misma distancia para cada una (200 micras). Como el cMUT convencional presenta diferentes condiciones de contorno, su frecuencia de resonancia varía. Debido a esto, se ha diseñado una membrana de mayores dimensiones para que presente su modo principal aproximadamente en el mismo valor que la tipología con cavidad resonante (membrana de dimensiones 195 por 195 micras y distancia entre membrana y electrodo inferior de 2 micras). Para mayor igualdad, se ha alimentado el cMUT convencional para que presente el mismo desplazamiento máximo de la membrana. En estas condiciones, se demuestra que el cMUT con cavidad resonante de la invención presenta un máximo de presión 11 dB mayor que el máximo de presión del diseño convencional. Además, el nuevo diseño tiene un mayor ancho de banda. Presenta un Q de aproximadamente 4 mientras que el convencional tiene un valor de 7, lo que implica que el abanico de aplicaciones es más amplio pudiendo utilizarlo tanto excitando con señales de banda ancha como para emisión en una determinada frecuencia.Figure 3 shows the pressure emitted by each of the typologies (cMUT cell with resonant cavity of the invention described in 1.1. and conventional cMUT cell, Figure 2). The pressure that is drawn in the figure is calculated to it distance for each (200 microns). As the conventional cMUT it presents different boundary conditions, its frequency of resonance varies. Because of this, a membrane of larger dimensions to present its main mode about the same value as the cavity type resonant (membrane dimensions 195 by 195 microns and distance between membrane and lower electrode of 2 microns). For more equality, the conventional cMUT has been fed to present the same maximum displacement of the membrane. In these conditions, it is shown that the cMUT with resonant cavity of the invention has a maximum pressure 11 dB greater than the maximum of conventional design pressure. In addition, the new design has a greater bandwidth Present a Q of approximately 4 while that the conventional has a value of 7, which implies that the application range is wider and can be used so much exciting with broadband signals to broadcast on a certain frequency
Estos resultados se deben principalmente a que la superficie de radiación se ha incrementado considerablemente con el nuevo diseño. Cuando en el cMUT convencional sólo se aprovecha la superficie central de la membrana, el nuevo diseño aporta una superficie cilíndrica en conjunto con la presión que tiene lugar en las aberturas y que se genera en fase gracias al resonador. En la Figura 4 se puede comprobar como la presión en las aberturas está en fase con la producida por la membrana.These results are mainly due to the fact that the radiation surface has increased considerably with The new design. When the conventional cMUT only takes advantage the central surface of the membrane, the new design provides a cylindrical surface in conjunction with the pressure taking place in the openings and that is generated in phase thanks to the resonator. In the Figure 4 can be checked as the pressure in the openings is in phase with that produced by the membrane.
La mejora en ancho de banda se debe básicamente a la reactancia que se añade al diseño al incluir la cavidad resonante. Ésta provoca además una disminución en el desplazamiento de la membrana. Debido a esto la tensión de excitación debe ser mayor en el caso del nuevo diseño para conseguir el mismo desplazamiento máximo.The improvement in bandwidth is basically due to the reactance that is added to the design by including the cavity resonant. This also causes a decrease in displacement of the membrane. Because of this the excitation voltage must be greater in the case of the new design to get the same maximum displacement
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| J. HIETANEN et al. "A Helmholtz resonator model for an electrostatic ultrasonic air transducer with a V-grooved backplate". Sensors and Actuators A, 39 (1993) 129-132, XP026482351 A 19931101 (recuperado de EPOQUE). * |
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