Characterization and Modeling of Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer

by Aritra Das

Thursday Oct 7, 2021, 2:00 PM → 2:45 PM Europe/Berlin

Vortrag zur Masterarbeit von Aritra Das zum Thema Charakterisierung und Modellierung von mikromaschinell hergestellten Piezowandlern

Die 3D-Ultraschall-Computertomographie (3D-USCT) ist ein am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickeltes medizinisches Bildgebungsverfahren, das zur Erkennung von Tumoren in der weiblichen Brust eingesetzt wird. Drei Generationen dieses Diagnosegeräts wurden bereits entwickelt und getestet, wobei jede Version leistungsfähiger ist als die Vorherige. Bislang wurden zur Erzeugung des Ultraschalls ausschließlich piezoelektrische Keramiken verwendet. Seit Kurzem gibt es jedoch auch Fortschritte bei der Entwicklung von mikromaschinell hergestellten Piezowandlern  (PMUT), die einige der Nachteile der keramischen Wandler aufwiegen. Der Vorteil von PMUTs ist die geringe Größe, die Möglichkeit der Herstellung mit CMOS-Prozessen und die daraus resultierende Designfreiheit. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines virtuellen Prototyps einer einzelnen PMUT-Zelle. Die Modellierung wurde in zwei Schritten durchgeführt. Als Erstes ein vereinfachtes analytisches Modell, das durch elektromechanische Impedanzmessungen validiert wurde. Als Zweites ein Finite-Elemente Model, welches die Modellierung von akustischen Eigenschaften erlaubt. Die Modelle sollen folgend verwendet werden, um Arrays zu entwerfen, die für den Einsatz in zukünftigen USCT-Systemen geeignet sein könnten. Der Vergleich vor Modellergebnisse mit durchgeführten Messungen zeigt vielversprechende Ergebnisse, jedoch muss der Aufbau der Testsamples sowie die akustische Messung noch verbessert werden. Die Mittenfrequenz des Modells (2,72 MHz) zeigt eine gute Übereinstimmung mit denen der Messung  (3,03 MHz). Bei der maximalen Sensitivität zeigt sich eine sehr Vorhersagbarkeit des Modells (2,15 Pa/V), verglichen mit den Messungen (2,05 Pa/V).  Weitere Modellierungen und Messungen sind nötig, um die Modellgenauigkeit noch zu erhöhen, aber die erzielten Ergebnisse ermutigen die Verwendung des Modells für zukünftige Designs.

Vortragssprache: Englisch

 

Lecture to the master thesis from Aritra Das on the Topic Characterization and Modeling of Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer

3D Ultrasound Computer Tomography (3D USCT) is a medical imaging technique developed in the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) and used to detect tumor in the female breast. Three generations of the diagnostic instrument using this technique has been developed and tested, with each version more capable compared to its predecessor. Until now the generation of ultrasound has been solely achieved using bulk piezoelectric ceramics. Recently, Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducers (PMUT) have been developed which offer a solution to some of the problems faced while using bulk ceramic elements. The advantage of using PMUTs is the small size, feasibility in manufacturing using CMOS processes and the resulting design freedom are the main advantages. This thesis aims in developing a virtual prototype of a single PMUT cell. Modeling was done in two steps. First, a simple analytic model was calculated and validated through electromechanical impedance measurements. Second, a finite-element model which was validated with acoustic measurements. The model can be used to design arrays which might be suitable to be used in future USCT systems, as a final goal. The obtained results infer the used modeling approach to be promising. The developed models thus can be used for array simulations, provided better transducer manufacturing techniques and more accurate acoustic measurements. The center frequency of the model (2.72 MHz) proves to be very compliant with that of the measurements (3.03 MHz). The maximum sensitivity of the model (2.15 Pa/V) is also very close to that of the measurements (2.05 Pa/V). As a next step, more accurate modeling and measurements are necessary, but the results encourage the use of the model for further designs.

Lecture language: English