정전 용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)를 기반으로 한 고압용 공기중 초음파 변환기

Abstract

공기중 초음파 트랜스듀서는 정확한 측정을 위해 넓은 부분 대역폭 (Fractional Bandwidth, FBW) 이 필요하다. 초음파 펄스의 통과 시간을 측정해야하는 유량계측 또는 범위 측정 장치에서 넓은 대역폭은 교차 상관 기법을 사용하여 측정의 정확성을 높인다. 초음파 활동 감지 또는 공중 초음파 영상화 응용에서, 더 넓은 대역폭 변환기는 펄스 폭을 줄이고 축 해상도를 향상시킬 수 있다. 더 넓은 대역폭으로 인해 링 다운 시간이 짧아지면 더 빠른 측정 속도가 가능하다. 우리는 음향 블록의 추가 구조를 사용하여 굴곡 모드 공기 중 초음파 변환기의 FBW 를 향상시키는 방법을 제시한다. 정전 용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서 (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers, CMUT), 굴곡 모드 초음파 트랜스듀서는 미세 가공 공정(microelectromechanical systems, MEMS)을 사용하여 제작되었다. 정전기력은 반지름이 850 μm이고 두께가 17 μm 인 원판을 작동시킨다. 원형 판의 진동은 약 100 kHz에서 초음파를 생성한다. 공기에서, 진동판은 전형적으로 판과 공기 사이의 임피던스 불일치로 인해 1 % 미만의 좁은 FBW를 갖는다. FBW를 개선하기 위해 우리는 원형의 구멍이 많은 350μm 두께의 실리콘 부품을 설계하고 제작했다. 플레이트와 실리콘 조각 사이의 거리가 충분히 작으면 공기 틈은 스퀴즈 필름 효과 (Squeeze Film Theory effect) 및 헬름홀츠 공명 효과 (Helmholtz Resonance effect) 를 통해 플레이트의 기계적 거동에 영향을 준다. 이 효과의 조합은 FBW와 트랜스듀서의 공진 주파수를 변경한다. 우리는 대기압과 고압에서 음향 블록 구멍의 면적 비율의 따른 효과를 조사했다. 우리는 음향 블록의 효과를 조사하기 위해 4개의 음향 블록의 주파수 응답을 측정했다. 실험에 따르면, 구멍의 면적 비율이 작을수록 FBW에 가장 큰 영향을 미친다. 또한 음향 블록은 같은 면적 비율 내에서 중심 주파수 고정을 가능하게 한다. 음향 블록은 기존 트랜스듀서의 주파수를 조정하고 고압에 적용된 장치를 위해 공기중 초음파 트랜스듀서를 설계하는 것과 같은 몇 가지 잠재적인 용도를 가지고 있다.