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29.07.2016 | Technical Paper | Ausgabe 6/2017

Microsystem Technologies 6/2017

An improved analytical and finite element method model of nanoelectromechanical system based micromachined ultrasonic transducers

Zeitschrift:
Microsystem Technologies > Ausgabe 6/2017
Autoren:
Reshmi Maity, Niladri Pratap Maity, R. K. Thapa, Srimanta Baishya

Abstract

This paper accurately models the silicon nitride membrane displacement profile of nanoelectromechanical system (NEMS) capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT). The general analytical model is proposed for the linear and non-linear region of operation with the choice of the appropriate spring constant value. Calculated results are validated with 2-D finite element method (FEM) solver PZFLEX. Full 3-D simulations are carried out to show that for a constant area the circular geometry gives maximum displacement followed by hexagonal and square membranes, respectively. Variation of the membrane displacement with its thicknesses, radii, the electrode separation and voltages are plotted. These demonstrate how a CMUT membrane’s displacement can be optimized with a change in structural geometries and biases which is a necessary condition for obtaining the required sensitivity. The model evaluates the collapse voltage very close to experimental and FEM results. The dependency of the resonances on the thickness of the membrane is evaluated. Though this phenomenon is not noticed in the available literature, the FEM results support it. The FEM strain profile also reveals that at the operating biases the structure is working well under its strain limit as predicted by the analytical model.

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