Transducteurs ultrasoniques piézoélectriques micro-machinés et circuit de contrôle

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.

Date	8 sept. 2020
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Frédéric Nabki (Directeur(-trice)) & Dominic Deslandes (Codirecteur(-trice))