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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2014.tde-11082015-160035
Documento
Autor
Nome completo
Victor Inacio de Oliveira
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2014
Orientador
Banca examinadora
Barros, Ettore Apolonio de (Presidente)
Barbosa, Eduardo Acedo
Ibrahim, Ricardo Cury
Sonnenberg, Victor
Zavaglia, Cecília Amélia de Carvalho
Título em português
Estudo de dispositivos CMUTS fabricados com métodos e materiais alternativos para aplicação potencial em ensaios não destrutivos.
Palavras-chave em português
Análise de vibrações
CMUT
Ensaios não destrutivos
MEMS
Método dos elementos finitos
Ultrassom
Resumo em português
O presente trabalho propõe o estudo de dispositivos CMUTs fabricados através de métodos e materiais alternativos com potencial aplicação em ensaios não destrutivos. O CMUT é constituído por uma membrana condutiva colocada sobre uma cavidade com o fundo metalizado, formando uma estrutura capacitiva. Ondas acústicas incidentes criam uma vibração na membrana que modifica de forma detectável a capacitância do dispositivo (modo de detecção). De modo inverso, é possível aplicar tensão alternada sobre a estrutura do CMUT fazendo com que a membrana vibre gerando ondas acústicas (modo de emissão). Hoje as principais tecnologias utilizadas para detecção e emissão de ondas acústicas utilizam materiais piezelétricos que são de difícil obtenção, possuem baixa integrabilidade e restrições em aplicações em altas temperaturas. O transdutor proposto baseia-se na tecnologia MEMS onde efeitos elétricos e mecânicos são combinados de forma a atender uma determinada aplicação. Os dispositivos MEMS são fabricados por técnicas de microfabricação, o que diminui o custo de produção e possibilita o uso de diversos tipos de materiais. Antes da fabricação dos CMUTs, foram feitas modelagens analíticas e computacionais visando determinar as dimensões ideais dos dispositivos a serem fabricados e também quais materiais seriam melhores se aplicados como membrana. A partir dos resultados da modelagem foi possível determinar que CMUTs com membrana de cobre fossem fabricados. Com os resultados da modelagem foram propostos métodos de fabricação baseados em técnicas de wafer-bonding. Dois materiais foram utilizados para produzir as cavidades, um deles foi o fotorresiste SU-8 e outro uma resina adesiva de secagem rápida, material este não convencional para produção de CMUTs. No primeiro caso, as cavidades foram abertas por processo de fotolitografia, já no segundo foi utilizado um método de corrosão a laser, também não convencional. Diferentes métodos foram utilizados na colagem das membranas, sendo que membranas coladas com resina adesiva e membranas deixadas suspensas sobre as cavidades apresentaram melhores resultados. As caracterizações elétricas e acústicas realizadas nos dispositivos fabricados mostraram que os CMUTs obtidos possuem características capacitivas e podem emitir e receber, comprovando assim seu funcionamento. Isto indica que os roteiros de fabricação propostos são eficientes e que os materiais e métodos utilizados se mostraram adequados. Além disso, a partir das caracterizações acústicas é possível dizer que os CMUTs fabricados podem ser potencialmente aplicados em ensaios não destrutivos, principalmente em análise de vibrações.
Título em inglês
Study of devices CMUTS produced with alternative methods and materials for potential use in non destructive analyses.
Palavras-chave em inglês
Analyses of vibrations
CMUT
Finite elements method
MEMS
Nondestructive analyses
Ultrasound
Resumo em inglês
This thesis proposes the study of CMUT devices produced using alternative methods and materials with potential application in non-destructive analysis. CMUT is composed of a metallized substrate covered with an insulator cavity structure and a conductive membrane on its top, forming a capacitive structure. Incident acoustic waves cause vibration in the membrane modifying their capacitance (detection mode). AC voltage can be applied on the structure of the CMUT causing the membrane to vibrate generating acoustic waves (transmission mode). Today the main technologies used for the detection and emission of acoustic waves use piezoelectric materials that are difficult to obtain, have low integrability and restrictions in high temperature applications. The proposed transducer is based on MEMS technology where electrical and mechanical effects are combined to suit a particular application. MEMS devices are manufactured by microfabrication techniques, which reduce the cost of production and allow the use of various types of materials. Before the fabrication of CMUTs, analytical and computational modeling were made to determine the optimal dimensions of the devices to be manufactured and also what materials would be best if applied as membrane. From the modeling results CMUTs with copper membrane were manufactured. Based on the results of the modeling process, manufacturing methods based on wafer-bonding techniques were proposed. Two materials were used to produce the cavities: one of them was the SU-8 photoresist and the other an acrylic adhesive, an unconventional material for the production of CMUTs. In the first case the cavities were opened by the photolithographic process. In the second method the corrosion laser was used, which is also unconventional. Different methods were used to bond the membranes. The membranes bonded with acrylic adhesive and left suspended over the cavity wells showed better results. The electric and acoustic characterizations performed on fabricated devices showed that CMUTs present capacitive characteristics and can emit and receive acoustic waves, thus proving its operation. This indicates that the proposed manufacturing routes are efficient and that the materials and methods used are appropriate. Moreover, these results show that the manufactured CMUTs may be potentially applied to nondestructive analyses, especially in analyses of vibrations.
 
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TESE_victor.pdf (3.10 Mbytes)
Data de Publicação
2015-08-13
 
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