Présentation de la technologie cMUT

Présentation de la technologie cMUT

Un transducteur cMUT s’observe à deux échelles

La première, identique à toutes les barrettes échographiques, est celle que l’on connaît : topologie de la ou des surfaces émettrices, source mono-élément ou réseaux multi-éléments. La seconde est la façon dont est réalisée la conversion électroacoustique. Ici, chaque émetteur est constitué de centaines voire de milliers de cMUTs, chacun fonctionnant comme un microphone électrostatique mais appliqué à une échelle micrométrique. Pour concevoir une sonde, il faut donc dénir la géométrie latérale d’un cMUT, la répartition des cMUTs sur la surface émettrice à couvrir et leur topologie verticale (nature des matériaux mobiles, hauteur de cavité, épaisseur des couches déposées,. . .). Selon l’application envisagée et le domaine fréquentiel visé, il est ainsi nécessaire d’ajuster au mieux l’ensemble de ces paramètres. Ce sont les propriétés élémentaires mais aussi  collectives  des cMUTs qui conditionnent la réponse en fréquence de la barrette. Nous décrivons tous ces aspects dans la première section de ce chapitre. En général, pour dimmensionner correctement une cellule et un émetteur ultrasonore multicMUTs, il faut s’appuyer sur des modèles numériques complets. Toutefois, on arrive, tant que le dispositif fonctionne dans l’air, à cibler certaines grandeurs et prédire des comportements de base en s’appuyant sur le modèle masse-ressort (modèle 1-D) de la cellule cMUT. Nous proposons ici (section 1.2) de le décrire pour introduire de manière naturelle toutes les caractéristiques électroacoustiques de base d’un cMUT.

Topologie d’une barrette cMUT

 Dans cette section, la topologie des barrettes cMUT est décrite de façon générique et indépendante du procédé de fabrication. Seuls les aspects liés au fonctionnement même des barrettes sont présentés et aucun élément résultant d’une quelconque contrainte de fabrication n’est abordé. 

Structure d’une cellule élémentaire cMUT 

La structure d’une cellule élémentaire est relativement simple, comme le montre le schéma de principe représenté gure 1.1. Elle s’apparente à celle d’un condensateur plan composé de deux électrodes, dont l’une est mobile, séparées par un diélectrique. Plus précisément, l’électrode inférieure est déposée sur un substrat, tandis que la partie mobile est suspendue au dessus d’une cavité scellée sous vide. L’électrode inférieure est isolée électriquement du substrat (parfois conducteur) au moyen d’un matériau d’isolation dédié. Le substrat est très souvent du silicium dopé, donc conducteur, mais il existe aussi des substrats verre Selon l’application envisagée, les cavités peuvent être maintenues à la pression atmosphérique normale, c’est généralement le cas des microsystèmes audio ou des dispositifs fonctionnant dans l’air. Ces applications requièrent des membranes de grande taille, qui si elles étaient scellées, subiraient la pression atmosphérique avec d’importantes déformations initiales. La partie mobile est composée d’une membrane, en général du nitrure de silicium ou du silicium monocristallin, métallisée totalement ou partiellement pour former l’électrode supérieure. Le taux de métallisation varie de 50% à 100% selon les applications. On évite parfois de métalliser à 100%, car le pourtour de la membrane bouge peu et produit peu de charges électriques. Cette zone métallisée constitue une source de capacité parasite qui diminue le coecient de couplage électromécanique de la cellule. Ce sont les propriétés de cette partie mobile qui dénissent la réponse en fréquence de la cellule cMUT. La forme, la taille et l’épaisseur de chacune des couches de la partie mobile sont dénies au vu des fréquences ultrasonores visées. Traditionnellement, le choix de notre laboratoire s’est tourné plutôt vers la conception de cellules de forme rectangulaire, bien qu’il existe une multitude d’autres possibilités : cercle, hexagone, octogone, etc . . . Ce format a été choisi, car il est celui qui ore le meilleur taux de surface active lorsque l’on désire concevoir des émetteurs de barrette ultrasonore de forme rectangulaire eux aussi. Une couche dite de passivation, peut recouvrir la totalité des membranes an de renforcer la protection vis à vis de l’extérieur : protection mécanique, électrique et vieillissement de l’électrode supérieure.

Caractéristiques d’une barrette linéaire cMUT 

La technologie cMUT permet de réaliser presque tous les types de sondes ultrasonores développées aujourd’hui et cela quel que soit son type : mono-élément, multi-éléments ou matricielle. Notons que les sondes courbes ou convexes n’existent pas encore en technologie cMUT. Dans la littérature, plusieurs travaux démontrent la capacité de cette technologie à se substituer aux sondes PZT pour tous types d’application [61]. De façon similaire aux sondes PZT, une barrette cMUT se compose de plusieurs éléments répartis avec un pas régulier, selon une direction donnée. En général, le nombre d’éléments par barrette est souvent choisi comme étant une puissance entière de 2, typiquement selon l’application 64, 128 ou 256 émetteurs/récepteurs. La taille des éléments est dénie au vu des critères acoustiques recherchés pour la sonde. Pour une barrette linéaire classique, la largeur de l’élément est plutôt comprise entre λ 2 et λ, λ étant la longueur d’onde à la fréquence centrale. La hauteur des éléments est dénie en fonction de la profondeur d’observation souhaitée pour la sonde. Dans le cas où aucune lentille de focalisation n’est placée sur la surface de la barrette, la hauteur des éléments est ajustée an de faire correspondre la limite de champ proche avec la profondeur d’observation souhaitée. On forme un élément de barrette en associant électriquement en parallèle, plusieurs cMUTs, généralement agencées de manière périodique comme on peut le voir sur la gure 1.2. On accède électriquement à un élément par un pad métallique connecté en parallèle à tous les cMUTs. L’électrode inférieure, commune à tous les cMUTs d’un élément, est structurée au niveau des pads des électrodes supérieures an de diminuer la capacité parasite de la barrette. Des pads connectés à l’électrode inférieure, dit pads de  masse , sont aussi reportés sur le pourtour de la barrette. Bien que dans la plupart des cas, l’électrode inférieure soit commune à tous les éléments de la barrette et qu’un seul pad soit nécessaire, il est généralement choisi d’en disposer plusieurs. Cela facilite la caractérisation individuelle des éléments lors des étapes de contrôle post fabrication, mais aussi, cela minimise la résistance électrique liée à l’électrode inférieure. Les pas inter-membranes sont aussi des paramètres qui inuent la réponse en fréquence des éléments. Traditionnellement, lors de la phase de conception de la barrette, ces distances sont minimisées an d’obtenir le meilleur taux de surface active et par conséquent le meilleur niveau de pression en sortie du transducteur. Ces distances inter-membranes minimales sont uniquement xées par le procédé de fabrication.

Analyse 1D du comportement d’une cellule cMUT

Anfin d’analyser le principe de fonctionnement des cellules cMUT et d’illustrer les phénomènes physiques mis en jeu, une étude unidimensionnelle de leur comportement est ici rappelée. En guise d’introduction, une brève présentation des diérents modes de fonctionnement des cellules cMUT sera tout d’abord réalisée. Le modèle unidimensionnel d’une cellule cMUT sera ensuite présenté avec les diérentes forces mécaniques régissant son comportement. Finalement, le comportement du système sera totalement décrit par l’intermédiaire d’études statique et dynamique. 1.2.1 Principe de fonctionnement d’une cellule cMUT Comme l’ensemble des transducteurs, les cellules cMUT sont utilisées selon deux modes de fonctionnement : le mode émission et le mode réception (gure 1.3). En mode émission, une tension alternative est appliquée aux bornes des électrodes de la cellule. La force électrostatique (Felec) ainsi appliquée, met en mouvement la partie mobile de la cellule. A partir de ce déplacement, une pression acoustique est rayonnée en face avant de la cellule cMUT dans son milieu environnant. La plupart du temps, une tension de polarisation continue est ajoutée à la tension d’excitation an d’augmenter le coecient de couplage électromécanique de la cellule cMUT. En réception, la partie mobile de la cellule se met en mouvement sous l’action de la pression engendrée par l’onde acoustique incidente. Son déplacement va alors entrainer une variation de la capacité intrinsèque de la cellule et donc un courant de réception. Dans ce mode d’utilisation, il est nécessaire que la cellule soit préalablement polarisée an de pouvoir détecter des variations de charges. 

 Présentation du modèle unidimensionnel d’une cellule cMUT

 Largement utilisé par la communauté scientique  , le modèle unidimensionnel constitue une méthode descriptive mais réaliste d’analyse du principe de fonctionnement d’une cellule cMUT. Au vu du rapport entre les dimensions latérales d’une cellule et son déplacement maximum, la partie mobile des cellules est assimilée, dans cette approche, à une plaque rigide (gure 1.4). En eet, le déplacement maximal au centre de la partie mobile est à peu près 1000 fois plus petit que ses dimensions latérales. Dans ces conditions, on comprend aisément que la courbure de la partie mobile puisse être négligée dans une première approche. An de prendre en compte l’épaisseur de la membrane dans les forces électrostatiques mises en jeu, la hauteur entre les deux électrodes est dénie comme la hauteur équivalente (heq) suivante : heq = hgap + hm r (1.1) avec  hgap la hauteur de la cavité,  hm l’épaisseur de la membrane,  r la permittivité diélectrique relative de la membrane. Le comportement mécanique de la partie mobile de la cellule cMUT est modélisé comme un système masse-ressort. Dans cette étude, le poids de l’électrode mobile est négligé devant les autres forces mises en jeu. Par conséquent, l’électrode mobile est uniquement soumise à la force électrostatique et à la force de rappel mécanique.