Design and evaluation of CMUTs for medical ultrasound imaging with a focus on non-invasive blood pressure waveform monitoring

Goel, Chirag (2026). Design and evaluation of CMUTs for medical ultrasound imaging with a focus on non-invasive blood pressure waveform monitoring. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

CMUT, MEMS ultrasound, quality factor, damping, hybrid fabrication, screen printing, non invasive blood pressure, ultrasonic sensors.

This thesis investigates micromachined ultrasonic transducers (MUTs) for non-invasive blood pressure (BP) waveform monitoring, with a focus on capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs). The work combines: (i) a critical review of ultrasonic BP-waveform sensing; (ii) experimental analysis of CMUT topology, quality factor, and damping; and (iii) the development of a hybrid CMUT fabrication process that integrates printed conductors with surface-micromachined cavities and membranes.

First, four CMUT topologies fabricated in a PolyMUMPs process are studied, combining spring versus straight arms with rocker versus fixed anchoring. Laser Doppler vibrometer in air and vacuum is used to extract resonance frequency and quality factor as a function of dc bias and ac drive. A pull-in-normalized common operating point is introduced, and paired air/vacuum data are analyzed using an additive 1/Q model to separate fluidic and intrinsic losses. By comparing the four permutations, rocker anchors are identified as the dominant intrinsic loss source, suitable for low Q factor operations where high axial resolution is required whereas straight fixed rims provide a high-Q, suitable for efficient transmit/receive operation.

Second, the thesis reviews ultrasonic devices for continuous non-invasive BP waveform monitoring, examining bulk piezoelectric, PMUT, and CMUT approaches. The analysis highlights that most reported systems still rely on bulk probes or PMUTs, and that CMUT-based solutions—particularly on flexible or low-cost substrates—remain underexplored.

Finally, a hybrid CMUT-like structure is demonstrated on glass by combining a sputtered aluminum bottom electrode, a LOR sacrificial layer patterned with AZ 5214E, an SU-8 membrane with etch holes, and a fully cured screen-printed silver top electrode. Temperature and chemical compatibility are mapped, and a 2 × 2 array is fabricated. Profilometry and vibrometry confirm a printed silver thickness of approximately 9.2 μm, two clear mechanical resonances at 1.01 MHz and 1.42 MHz with quality factors of approximately Q1 ≈ 6.6 and Q2 ≈ 235, and a collapse voltage around 20 V. The results show that CMUT-like devices can be realized with a reduced tool set, providing a practical platform for future low-cost and potentially flexible ultrasonic BP-waveform sensors with reduced fabrication duration.

Titre traduit

Conception et évaluation de CMUT pour l’imagerie médicale par ultrasons, en mettant l’accent sur la surveillance non invasive de la courbe de pression artérielle

Résumé traduit

Cette thèse étudie les transducteurs ultrasonores micromachiné (MUT) pour la surveillance non invasive de la forme d’onde de la pression artérielle (PA), en mettant plus particulièrement l’accent sur les transducteurs ultrasonores micromachiné capacitifs (CMUT). Le travail combine : (i) une revue critique des dispositifs ultrasonores pour la mesure de la forme d’onde de PA ; (ii) une analyse expérimentale de la topologie des CMUT, du facteur de qualité et de l’amortissement ; et (iii) le développement d’un procédé de fabrication hybride de type CMUT intégrant des conducteurs imprimés avec des cavités et des membranes issues de la microfabrication de surface.

Premièrement, la thèse présente une revue de la littérature sur les dispositifs ultrasonores pour la surveillance continue et non invasive de la forme d’onde de PA, en examinant les approches à base de transducteurs piézoélectriques massifs, de PMUT et de CMUT. L’analyse met en évidence que la plupart des systèmes rapportés reposent encore sur des sondes massives ou sur des PMUT, et que les solutions fondées sur des CMUT en particulier sur des substrats flexibles ou à faible coût restent largement sous-explorées.

Deuxièmement, quatre topologies de CMUT, fabriquées par le procédé PolyMUMPs, sont étudiées, combinant des bras de type ressorts ou rectilignes avec des ancrages basculants (« rocker ») ou fixes. La vibrométrie laser Doppler en air et sous vide est utilisée pour mesurer la fréquence de résonance et le facteur de qualité en fonction de la tension de polarisation continue et de l’excitation alternative. Un point de fonctionnement commun, normalisé par rapport à la tension de pull-in, est défini, et les données mesurées air/vide sont analysées à l’aide d’un modèle additif, afin de séparer les pertes fluidiques des pertes intrinsèques. La comparaison des quatre permutations montre que les ancrages basculants constituent la principale source de pertes intrinsèques, ce qui les rend adaptés aux applications à faible facteur de qualité, où une haute résolution axiale est recherchée, tandis que les bords rectilignes à ancrage fixe procurent un facteur Q élevé, mieux adapté aux opérations d’émission/réception efficaces.

Enfin, une structure hybride de type CMUT est réalisée sur verre en combinant une électrode inférieure en aluminium déposée par pulvérisation cathodique, une couche sacrificielle en LOR lithographiée avec AZ 5214E, une membrane en SU-8 percée de trous de gravure et une électrode supérieure en argent sérigraphié et entièrement réticulé. La compatibilité thermique et chimique du procédé est établie, et un réseau 2 × 2 est fabriqué. Les mesures de profilométrie et de vibrométrie confirment une épaisseur d’argent imprimé d’environ 9.2 μm, deux résonances mécaniques nettes à 1.01 MHz et 1.42 MHz avec des facteurs de qualité d’environ Q1 ≈ 6.6 et Q2 ≈ 235, ainsi qu’une tension de collapse d’environ 20 V. Ces résultats montrent que des dispositifs de type CMUT peuvent être réalisés avec un ensemble réduit d’équipements, offrant une plateforme pratique pour de futurs capteurs ultrasonores de forme d’onde de pression artérielle (BP) à faible coût et potentiellement flexibles, avec une durée de fabrication réduite.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master's degree with thesis". Comprend des références bibliographiques (pages 129-152).
Mots-clés libres:	CMUT, ultrasons MEMS, facteur de qualité, amortissement, fabrication hybride, sérigraphie, pression artérielle non invasive, capteurs à ultrasons
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Izquierdo, Ricardo
Codirecteur:	Codirecteur Cicek, Paul Vahé Robichaud, Alexandre
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	04 mars 2026 19:51
Dernière modification:	04 mars 2026 19:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3832

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