TEMPORAL APPROACH OF SIMULATION AND CHARACTERIZATION OF CAPACITIVE MICROMACHINED ULTRASONIC TRANSDUCERS (CMUT)
APPROCHE TEMPORELLE DE LA SIMULATION ET DE LA CARACTÉRISATION DES TRANSDUCTEURS ULTRASONORES CAPACITIFS MICRO-USINÉS
Résumé
Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers (cMUTs) are today a new alternative for the generation of ultrasonic waves. Compared to the piezoelectric technology, they offer some potentialities in terms of reliability, production, miniaturization and electronic integration but also in term of acoustic performance. Initially dedicated to medical imagery, these devices are now used for numerous applications as therapy, bio/chemical sensors or highly directional loudspeakers. Nevertheless, their implementation is relatively new and the understanding of their static and dynamic behaviors needs to be studied further. This is in this particular context that this PhD is developed. This thesis deals with two major aspects of these micro-systems: the characterization of mechanical parameters and the impact of the nonlinearities provided by electrostatic force on temporal response. The MEMs characterization, particularly the extraction of initial stresses and Young's Modulus, is a recurrent issue of these devices. In the context of cMUT technology fabricated by surface micro-machined process, we have chosen to remind the basis of this measurement step and have proposed a method of characterization with the use of cMUT unit cells despite of dedicated devices (micro-beam, micro-bridge, micro-rotating structure). The impact of the nonlinearity is studied on the dynamics of a cMUT cell in fluid first, and on a cMUT array later with the help of a temporal model and measurements made by laser interferometry both. A multiscale study is here presented which developed a complete study from unit cell to pressure radiated by a cMUT element. An optimization of excitation conditions is proposed with the aim of reducing the effect of the non-linearity and conserving highest level of pressure both. Finally, thanks to this dynamic study, a new operation mode of cMUTs is identified and verified. This one is based on the use of forced regime in air and water of these devices to generate low frequencies ultrasonic waves.
Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasound Transducers) sont aujourd'hui une nouvelle alternative à la transduction d'ondes ultrasonores. En comparaison avec la technologie piézoélectrique, ils offrent de nombreuses potentialités en termes de fiabilité, de production, de miniaturisation et d'intégration, d'une électronique associée mais aussi en termes de performances acoustiques. Les voies d'application de ces dispositifs, dédiés initialement à l'imagerie médicale, sont aujourd'hui étendues à de nombreux domaines tels que la thérapie, les capteurs biochimiques ou encore l'émission paramétrique d'ondes sonores. Néanmoins, leur mise en œuvre n'en est encore qu'à ses balbutiements et la compréhension de leurs comportements à la fois statique et dynamique nécessite d'être approfondie. C'est dans ce cadre que s'inscrit le présent travail de thèse. Ce mémoire adresse deux aspects majeurs de ces micro-systèmes : leur caractérisation mécanique et l'impact de la non-linéarité des forces électrostatiques sur la réponse temporelle. La caractérisation des micro-systèmes, notamment en termes de contraintes initiales et de modules d'élasticité, est une problématique récurrente de ces dispositifs. Dans le contexte des technologies cMUT, fabriquées par procédé de micro-usinage de surface, nous avons souhaité reposer les bases de cette étape de mesure et proposer des méthodes de caractérisation basées sur l'utilisation de dispositifs fonctionnels plutôt que s'appuyer sur des structures dédiées (micro-poutre, ponts, structures rotatives). L'impact de la non-linéarité sur la dynamique dans le fluide d'une cellule, puis d'un réseau de cellules, est ensuite étudié en s'appuyant à la fois sur des mesures d'interférométrie laser et sur un modèle temporel intégrant les effets du fluide. Nous exposons ici une étude à plusieurs échelles, allant de la cellule unitaire du dispositif à la pression rayonnée par un élément de barrette. Une optimisation de l'excitation dans l'objectif de réduire l'effet de la non-linéarité tout en conservant des niveaux de pressions optimum est proposée. En fin, à travers l'étude dynamique effectuée, un nouveau régime de fonctionnement des cMUTs est identifié et vérifié. Celui-ci s'appuie sur l'exploitation du régime forcé dans l'air ou dans l'eau de ces dispositifs pour la génération d'ondes ultrasonores basse-fréquence.
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