Revision: Experimental Verification and Design Guidelines for Efficient Ultrasonic Power Transfer Using Capacitive Parametric Ultrasonic Transducers

se implementa y utiliza un modelo CPUT que utiliza el método del elemento límite (BEM) para modelar conjuntos de membranas para estudiar los efectos del comportamiento multimodo en la transferencia de energía. Los resultados indican que las CPUT con geometrías de membrana micromecanizadas prácticas pueden proporcionar niveles de eficiencia adecuados para la transferencia remota de energía

primero se valida experimentalmente un modelo CPUT multidimensional que incorpora un modelo de matriz CMUT de señal grande luego se utiliza para estudiar cómo el comportamiento multimodo de las matrices de membranas afecta la transferencia de energía. Los resultados revelan si los modos de matriz de orden superior son beneficiosos para mejorar la eficiencia de transferencia de energía y contribuirán a las pautas para un diseño óptimo de CPUT

Diagrama de bloques de Simulink de CPUT con modelo de matriz BEM. Las entradas son la intensidad del forzado ultrasónico y, opcionalmente, una polarización de CC. La salida de interés es la potencia a través de la carga Rs. [1

parametros

Para validar el modelo BEM CPUT, se realizó un experimento de transferencia de energía utilizando una matriz de 36 x 10 de 70 x 70 µm. membranas para obtener datos de eficiencia versus resistencia de carga a una frecuencia de forzado de 2,4 MHz.

.Se diseñaron dos conjuntos de CPUT para alcanzar frecuencias operativas en el rango de 300 kHz-1,5 MHz a través de diferentes medios

El primer diseño es una matriz de 10 x 10 de membranas de 70 x 70 µm con una frecuencia de membrana única de 1,01 MHz. Cada membrana consta de una membrana de nitruro de silicio de 500 nm y un electrodo de plata de 400 nm, junto con una carga de masa de oro de 23 x 23 x 1 µm para aumentar el factor de calidad mecánica y forzar a las membranas a operar en su primer modo. Se utilizó el análisis de elementos finitos en COMSOL para iterar y optimizar el espesor del electrodo y el ancho de la carga de masa para lograr una frecuencia de membrana de 1 MHz. El segundo diseño es una matriz de 16 x 16 de membranas de 40 x 40 µm con una frecuencia de modo de matriz (a diferencia de una sola membrana) de alrededor de 1 MHz. Para ello, se determinó que la frecuencia de la membrana única debía estar cercana a los 3 MHz; por lo tanto, la dimensión de la membrana se redujo a 40 µm. El tamaño de la matriz se aumentó de modo que el área general permaneció aproximadamente igual a la matriz de 10 x 10; esto mantiene la impedancia de radiación general aproximadamente igual entre los dos diseños. 

GEOMETRÍAS DE MEMBRANA

Entre el diseño de baja y alta frecuencia, la eficiencia de transferencia de energía puede alcanzar hasta el 25%

Observando la CPUT de baja frecuencia, con una intensidad de entrada de 75 W/m2, 66,6 µW y 0,45 V CC, se aprovecha una carga de 3000 Ω con una eficiencia del 21,3 % a 300 kHz. En las mismas condiciones de entrada, el funcionamiento a 475 kHz sólo proporciona 8,2 µW (0,07 V CC) en una carga de 600 Ω con una eficiencia del 6,1 %

, la intensidad de entrada se puede aumentar más allá de 160 W/m2 en el modo de 300 kHz sin una disminución significativa de la eficiencia, mientras que en el modo de 475 kHz, la eficiencia comienza a disminuir una vez que la intensidad de entrada aumenta más allá de 70 W/m2

el segundo modo de matriz de la matriz CPUT de alta frecuencia proporciona una mejor operación de transferencia de energía. A 1,55 MHz, se pueden aprovechar 92,5 µW en una carga de 140 Ω (0,11 V CC) con una eficiencia del 22,4 %, mientras que el primer modo de matriz solo proporciona 22,0 µW en una carga de 160 Ω (0,06 V CC) con una eficiencia del 11,3 %

ventaja de las bobinas

 . Puede funcionar mejor a mayores profundidades de penetración, proporcionar más potencia total debido a límites de seguridad más altos en el tejido y tener factores de forma más pequeños que las bobinas de inducción

 Bibliografia

[1] C. Wei, S. Surappa, and F. L. Degertekin, “Experimental verification and design guidelines for efficient ultrasonic power transfer using capacitive parametric ultrasonic transducers,” in IEEE International Ultrasonics Symposium, IUS, IEEE Computer Society, Sep. 2020. doi: 10.1109/IUS46767.2020.9251408.