Multi-frequency MEMS sensing platforms for advanced photoacoustic imaging and cross-domain diagnostic applications

Prud Homme Buelna, Alberto (2026). Multi-frequency MEMS sensing platforms for advanced photoacoustic imaging and cross-domain diagnostic applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis advances photoacoustic imaging (PAI) and cross-domain diagnostics through a compact platform that combines high-power LED excitation via avalanche transistor, multi frequency MEMS ultrasonic transducers, and ultra-low-power passive MEMS strain and displacement sensors.

On the optical side, a custom avalanche driver delivers high-intensity current pulses under 100 ns to near-infrared LEDs. This temporally confined illumination enables robust photoacoustic signal generation in both air and water, while significantly reducing cost and footprint compared to Q-switched lasers.

On the acoustic side, the MEMS transducers are designed to operate across multiple resonant frequencies ranging from approximately 0.3 to 8 MHz. This broadband response allows a single device to capture both high-resolution superficial details and deeper structural features.

Compact mechanical sensors enable deformation and motion measurements at microwatt-level power, facilitating motion compensation and optimization of acoustic coupling. A concentric ring sensor achieves displacement resolution of ~2 μm over a 20 μm range, with total power consumption of only 2.8 μW.

Future integrated prototypes could enable mechanically aware acquisition, paving the way for portable, low-power PAI systems, as well as reusable components for non-destructive testing, environmental monitoring, and wearable diagnostics.

These results lay the groundwork for a scalable, affordable, and reliable photoacoustic system, based on avalanche-driven LED excitation and multi-frequency mechanical MEMS detection. Keywords: Photoacoustic imaging, avalanche transistor pulse driver, high-power LED excitation, multi-frequency MEMS ultrasonic transducers, passive MEMS strain/displacement sensors, motion compensation, low-power imaging systems.

Titre traduit

Plateformes de détection MEMS multifréquences pour l'imagerie photoacoustique avancée et les applications diagnostiques inter-domaines

Résumé traduit

Cette thèse fait progresser l'imagerie photoacoustique (PAI) et les diagnostics multidomaines au moyen d’une plateforme compacte et entièrement à semi-conducteurs, combinant une excitation LED haute puissance via transistor à avalanche, des transducteurs ultrasonores MEMS multifréquences, et des capteurs MEMS passifs de contrainte et de déplacement à très faible consommation.

Sur le plan optique, un pilote à avalanche sur mesure délivre des impulsions de courant de forte intensité, inférieures à 100 ns, vers des LED proche infrarouge. Cette illumination temporellement confinée génère des signaux photoacoustiques robustes dans l’air comme dans l’eau, tout en réduisant les coûts et l’encombrement par rapport aux lasers Q-switched.

Sur le plan acoustique, les transducteurs MEMS sont conçus pour fonctionner à plusieurs fréquences résonantes couvrant une plage d’environ 0,3 à 8 MHz. Cette réponse large bande permet de capter, dans un seul dispositif, des détails superficiels à haute résolution ainsi que des structures plus profondes.

Les capteurs mécaniques compacts facilitent la mesure des déformations et des mouvements à puissance microwatt, permettant la compensation du mouvement et l’optimisation du couplage acoustique. Un capteur à anneaux concentriques atteint une résolution de déplacement de ~2 μm sur une plage de 20 μm, avec une consommation totale de seulement 2,8 μW.

Des prototypes intégrés pourraient permettre une acquisition tenant compte de la mécanique, ouvrant la voie à des systèmes PAI portables, basse consommation, ainsi qu’à des composants réutilisables pour les essais non destructifs, la surveillance environnementale et le diagnostic portable.

Ces résultats établissent les bases d’un système photoacoustique évolutif, abordable et fiable, reposant sur l’excitation LED par avalanche et une détection MEMS multifréquence et mécanique. Mots-clés: Imagerie photoacoustique, pilote à transistor à avalanche, excitation LED haute puissance, transducteurs ultrasonores MEMS multifréquences, capteurs MEMS passifs de contrainte/déplacement, compensation de mouvement, systèmes d'imagerie.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (p. 149-158).
Mots-clés libres:	imagerie photoacoustique, pilote à transistor à avalanche, excitation LED haute puissance, transducteurs ultrasonores MEMS multifréquences, capteurs MEMS passifs de contrainte, capteurs MEMS passifs de déplacement, compensation de mouvement, systèmes d'imagerie
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Nabki, Frédéric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	15 avr. 2026 15:31
Dernière modification:	15 avr. 2026 15:31
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3867

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