Transducteurs ultrasoniques piézoélectriques micro-machinés et circuit de contrôle

Robichaud, Alexandre (2020). Transducteurs ultrasoniques piézoélectriques micro-machinés et circuit de contrôle. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les transducteurs ultrasoniques sont utilisés dans une multitude de domaines. Notamment, ils sont utilisés dans presque tous les domaines de la médecine comme en cardiologie, en ophtalmologie, en orthopédie ainsi que pour le dépistage du cancer et pour les tests prénataux pour ne citer que quelques exemples. Leur utilisation est aussi très répandue dans plusieurs domaines de l’industrie comme celle de la métallurgique pour le contrôle de qualité et l’identification de défauts à l’intérieur des matériaux. Finalement, ils sont aussi utilisés pour la détection de mouvements et les mesures de distances.

Malgré leur omniprésence, les transducteurs ultrasoniques sont encore très volumineux, coûteux et peu efficaces. Un nouveau type de transducteur, le transducteur ultrasonique piézoélectrique micromachiné (PMUT) suscite présentement beaucoup d’intérêt. Les PMUT sont fabriqués à l’aide de techniques de microfabrication provenant des technologies MEMS est des semiconducteurs et peuvent donc être produit en masse, à coût réduit.

L’objectif de cette thèse est d’investiguer la possibilité de développer une micro-puce pour les applications ultrasoniques comme la mesure de distances et l’imagerie qui soit faible coût et facile à intégrer. La puce sera composée d’une matrice de transducteurs ultrasoniques piézoélectriques PMUT et d’un circuit intégré pour le contrôle des transducteurs.

Tout d’abord, une nouvelle technique faible coût d’ajustement de la fréquence de résonance des PMUT est étudiée. L’influence des variations de procédés sur la fréquence de résonance soulève la nécessité de développer une méthode d’ajustement de celle-ci qui soit simple et peu coûteuse. La technique proposée ne nécessite qu’une seule étape de post-traitement qui consiste à faire le dépôt d’une couche mince de Parylene-C. L’épaisseur de la couche peut être contrôlée avec précision et permet un ajustement de la fréquence de résonance sur mesure.

Puis, une nouvelle architecture de PMUT permettant une réduction drastique de l’impact des variations de processus sur la fréquence de résonance est présentée. Sommairement, l’efficacité de cette topologie repose sur une technique d’ancrage toroïdal novatrice. Les résultats de mesure montrent que la variation de la fréquence de résonance des PMUT en raison des variations de procédé peut être réduite d’un facteur d’environ 4. Les PMUT fabriqués sont utilisés pour effectuer des mesures de distance.

Ensuite, une nouvelle technique pour amortir les PMUT est présentée. L’objectif de cette technique est de diminuer la longueur des pulses dans le domaine temporel et ainsi augmenter la résolution d’image que l’on pourrait obtenir. Le PMUT proposé est entouré de deux amortisseurs mécaniques. Ceux-ci peuvent être déplacés à l’aide d’actionneurs électrostatiques pour entrer en contact avec le PMUT. Les résultats de mesures montrent que cette technique peut efficacement amortir le déplacement d’un PMUT.

Finalement, un système en boitier (SiP) pour les applications ultrasoniques composé d’une matrice 4x8 de PMUT et d’un circuit intégré d’interface CMOS est présenté. Le circuit CMOS permet principalement d’attaquer les PMUT pour générer les pulses acoustiques et d’amplifier ’écho de retour. Afin de démontrer son fonctionnement, le système est utilisé pour faire des mesures de distance.

Titre traduit

Piezoelectric micro-machined ultrasonic transducers and control circuit

Résumé traduit

Ultrasonic transducers are used in a multitude of fields. In particular, they are used in almost all fields of medicine such as cardiology, ophthalmology, orthopedics, for cancer screening, for prenatal tests to name a few. Their use is also widespread in several industrial fields such as the metallurgical industry for quality control and detection of hidden cracks and internal irregularities. Finally, they are also used for motion detection and distance measurements.

Despite their omnipresence, ultrasonic transducers are still very bulky, expensive and ineffective. A new type of transducer, the micromachined piezoelectric ultrasonic transducer (PMUT) is currently attracting a lot of interest. PMUTs are manufactured using microfabrication techniques from MEMS and semiconductor technologies and can therefore be mass-produced at low cost.

The objective of this thesis is to investigate the possibility of creating a miniature ultrasonic chip, at low cost and easy to integrate. The chip will consist of a matrix of PMUT and an integrated circuit for controlling the transducers.

First, a new low-cost technique for adjusting the resonance frequency of PMUTs is explored. The influence of process variations on the resonant frequency raises the need to develop an adjustment method that is simple and inexpensive. The proposed technique requires only a single post-treatment step which consists of depositing a thin layer of Parylene-C. The thickness of the layer can be precisely controlled and allows custom adjustment of the resonant frequency.

Then, a new PMUT architecture allowing a drastic reduction of the impact of process variations on the resonance frequency is presented. Briefly, the effectiveness of this topology is based on an innovative toroidal anchoring technique. The measurement results show that the variation in the resonance frequency of PMUTs due to process variations can be reduced by a factor of approximately 4. The manufactured PMUTs are used to perform distance measurements.

Next, a new technique for damping PMUT is presented. The objective of this technique is to decrease the length of the pulses in the time domain and thus increase the image resolution that one could obtain. The proposed PMUT is surrounded by two mechanical dampers. These can be moved using electrostatic actuators to put them in contact with the PMUT. The measurement results show that this technique can effectively dampen the displacement of a PMUT.

Finally, a system in package (SiP) for ultrasonic applications composed of a 4x8 matrix of PMUT and an integrated CMOS interface circuit is presented. The CMOS circuit is mainly used to attack PMUT to generate acoustic pulses and to amplify the return echo. In order to demonstrate its operation, the system is used to perform distance measurements.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 183-216).
Mots-clés libres:	transducteurs ultrasoniques piézoélectriques micromachinés, PMUT, MEMS, microfabrication, Parylene-C, réglage de fréquence, variations de procédés, mesure de distance, circuit intégré, pulseur, amplificateur transimpédance
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nabki, Frédéric
Codirecteur:	Codirecteur Deslandes, Dominic
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	07 oct. 2020 20:12
Dernière modification:	07 oct. 2020 20:12
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2556

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