MARC

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■035    ▼a(MiAaPQ)PennState20045pxt5175
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■1001  ▼aTipsawat,  Pannawit.
■24510▼aReleased  Piezoelectric  Thin  Films  for  Piezoelectric  Micromachined  Ultrasound  Transducers  (PMUT).
■260    ▼a[S.l.]▼bThe  Pennsylvania  State  University.  ▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a207  p.
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-05,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Trolier-McKinstry,  Susan.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--The  Pennsylvania  State  University,  2024.
■520    ▼aThis  thesis  focuses  on  the  exploration  of  released  PZT  thin  films,  from  the  fundamentals  that  govern  the  magnitude  of  the  piezoelectric  response  to  applications.  Quantitative  measurement  of  the  effective  longitudinal  piezoelectric  coefficient  of  partially  released  PZT  thin  films  was  conducted  to  provide  a  better  understanding  of  declamping  from  the  substrate.  Partially  released  structures  were  employed  in  the  development  and  optimization  of  piezoelectric  micromachined  ultrasound  transducers  (PMUT)  phased  arrays  tailored  for  neuromodulation  applications.  Further  steps  in  developing  piezoelectric  devices  for  neuromodulation  applications  involved  investigating  the  PZT  PMUT  with  a  fully  released  structure  to  offer  feasibility  in  flexible  and  conformable  applications  such  as  implantable  ultrasound  stimulation.The  investigation  of  partially  released  PZT  thin  films  was  realized  using  the  double  beam  laser  interferometry  technique  to  suppress  the  effect  of  substrate  bending;  such  bending  commonly  inflates  the  values  inferred  from  single  beam  laser  interferometry.  The  partially  released  structures  with  2  mol%  Nb-doped  Pb(Zr0.52Ti0.48)O3  thin  film  were  fabricated  using  a  two-step  backside  etching  process  with  ZnO  serving  as  both  a  sacrificial  layer  and  the  silicon  deep  reactive  ion  etch  stop  layer.  This  fabrication  approach  allowed  the  released  boundary  to  be  well-defined  and  provided  a  laser  path  for  backside  probing.  Significant  improvement  in  the  effective  longitudinal  piezoelectric  coefficient  (d*33,f)  was  observed  in  the  partially  released  structure,  with  the  released  structures  exhibiting  a  3-fold  increase  in  d*33,f  compared  to  clamped  samples,  reaching  values  of  420  ±  8  pm/V  in  the  75%  released  structure.  This  enhancement  is  attributed  to  the  change  in  stress  level,  the  reduction  in  mechanical  constraints,  and  improved  domain  wall  mobility  in  the  released  structures.  The  results  confirm  that  substrate  declamping  can  substantially  elevate  the  piezoelectric  performance  of  thin  films,  bringing  them  closer  to  that  of  bulk  ceramics.Partially  released  PZT-based  PMUT  phased  arrays  on  a  silicon-on-insulator  substrate  were  designed  and  fabricated.  Utilizing  a  1.5  µm  thick  2  mol%  Nb-doped  Pb(Zr0.52Ti0.48)O  thin  film,  a  32-element  PMUT  phased  array  was  optimized  for  neuromodulation.  The  array  was  designed  using  k-Wave  simulations  to  achieve  a  focal  distance  (F)  of  20  mm  and  steering  angles  (θ_s)  ranging  from  -60°  to  60°.  The  rigid  PMUT  phased  array  was  tested  in  a  water  tank  and  driven  with  14.6  V  unipolar  pulses  using  appropriate  time  delays  for  beamforming  and  steering.  The  maximum  peak-to-peak  acoustic  pressure  from  the  phased  array  with  beamforming  was  found  to  be  0.44  MPa  at  1.4  MHz,  with  axial  and  lateral  resolutions  of  9.2  and  1  mm,  respectively.  The  achievable  acoustic  intensity  (I_SPPA  =  1.29  W/cm2)  achieved  at  low  driving  voltages  underscores  the  potential  of  rigid  PMUT  arrays  for  low-intensity  focused  ultrasound  stimulation.Fully  flexible  PMUT  arrays  were  also  explored  to  enable  conformality  to  curved  and  complex  surface  structures  such  as  the  skull  or  brain  membrane,  aiming  for  potential  implantable  applications.  The  transition  to  flexible  PMUTs  involved  fabricating  these  devices  on  polyimide  substrates  using  a  transfer  and  release  method  with  a  ZnO  sacrificial  layer.  A  critical  aspect  of  this  design  was  the  incorporation  of  an  electroplated  Ni  metal  rigid  support  layer  to  optimize  the  operational  resonance  frequency,  ensuring  compatibility  with  the  pitch  required  for  effective  beamforming.  A  rectangular  prototype  PMUT  was  demonstrated  using  a  capacitor  stack  of  Pt/PZT/Pt  with  a  1  µm  thick  2  mol%  Nb-doped  Pb(Zr0.52Ti0.48)O3  thin  film,  deposited  on  a  silicon  substrate  and  patterned  via  plasma  etching  with  an  electroplated  Ni  hard  mask.  However,  the  design  was  prone  to  the  high  stress  levels;  the  asymmetric  structure  led  to  stress  concentrations  and  resulted  in  damaged  devices  after  release.  Challenges  encountered  included  cracking  and  electrode  delamination.  To  address  the  stress-related  issues,  the  introduction  of  a  compressive  layer,  such  as  SiO2,  is  proposed  to  counterbalance  the  stress  levels.  Additionally,  adjusting  the  electrode  coverage  from  60%  to  100%  should  reduce  stress  concentration  at  the  edges  of  the  electrodes,  thereby  mitigating  the  risk  of  cracking  and  peeling.This  thesis  represents  significant  findings  on  the  piezoelectric  response  of  released  PZT  structures  and  advancements  in  the  design,  fabrication,  and  application  of  PMUTs.  The  findings  provide  insights  into  both  rigid  and  flexible  device  configurations,  highlighting  the  potential  for  these  technologies  in  developing  next-generation  implantable  ultrasound  stimulation  devices.  The  detailed  exploration  of  material  properties,  device  architectures,  and  fabrication  techniques  contributes  to  a  deeper  understanding  of  the  critical  factors  influencing  PMUT  performance.
■590    ▼aSchool  code:  0176.
■650  4▼aSilicon.
■650  4▼aMaterials  research.
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■71020▼aThe  Pennsylvania  State  University.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-05B.
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■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17164426▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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