Transducteurs ultrasoniques piézoélectriques micro-machinés et circuit de contrôle

Les premières applications des ultrasons remontent à la Première Guerre mondiale lorsqu’ils ont été utilisés pour la détection de sous-marins. Depuis, cette technologie est utilisée dans une vaste gamme de domaines. Notamment, en médecine, cette technologie qui a vu ses premières applications apparaître dans les années 1950 et est aujourd’hui utilisée dans un très grand nombre de spécialités comme en cardiologie, en orthopédie ainsi que pour le dépistage du cancer et pour les tests prénataux pour ne citer que quelques exemples (Burrascano, Callegari, Montisci, Ricci & Versaci, 2014). Son utilisation est aussi très répandue dans plusieurs domaines de l’industrie comme dans celle de la métallurgique pour le contrôle de qualité et l’identification de défauts à l’intérieur des matériaux (Schmerr & Song, 2007). Finalement, les capteurs ultrasoniques sont utilisés pour effectuer des mesures de distance. Or, bien que cette technologie soit très répandue, les transducteurs ultrasoniques conventionnels posent des défis en termes d’efficacité, de complexité de fabrication et de coûts de mise en oeuvre. De plus, ils sont généralement volumineux et difficiles à intégrer .

Toutefois, un nouveau type de senseurs ultrasoniques fait présentement l’objet d’un intérêt croissant. Il s’agit des transducteurs ultrasoniques micromachinés (MUT). Ces dispositifs sont fabriqués à l’aide de procédés et de techniques de microfabrication issue des technologies MEMS et des semiconducteurs, et peuvent donc être produits en masse à très faible coût et peuvent également être fabriqués de façon monolithique avec leur circuit intégré de contrôle (Gurun, Tekes, Zahorian, Xu, Satir, Karaman, Hasler & Degertekin, 2014; Lemmerhirt, Cheng, White, Rich, Zhang, Fowlkes & Kripfgans, 2012).

Ainsi, les MUT ont le potentiel de rendre beaucoup plus accessibles et moins coûteuses les applications déjà existantes énumérées plus haut et de permettre l’émergence de nouvelles applications dans le domaine de la biométrie, de la détection de mouvement, du biomédical et dans une multitude d’autres domaines. Par exemple, des senseurs d’empreinte digitale et des détecteurs de mouvement utilisant la technologie des MUT (Yole Développement) sont en développement. De ce fait, le marché de la détection par ultrasons connaît présentement un essor considérable. Ainsi, il est prévu que ce marché qui était de 2 milliards de dollars américains en 2017 atteigne environ 6 milliards de dollars américains en 2023 (Yole Développement) .

Il existe principalement deux types de MUT, le MUT capacitif (CMUT) et le MUT piézoélectrique (PMUT). Le PMUT est principalement constitué d’une couche de matériau piézoélectrique disposé entre deux électrodes. Lorsqu’une différence de potentiel est appliquée entre celles-ci, le piézoélectrique subit une déformation latérale. Le PMUT est ancré de façon à ce que cette déformation soit orientée vers l’extérieur du plan. Cette déformation permet de générer des ondes ultrasoniques. Aussi, lorsqu’une onde ultrasonique entre en contact avec le PMUT, une différence de potentiel est mesurée à ces bornes. Ainsi, il peut jouer le rôle d’émetteur récepteur ultrasonique.

Les transducteurs micromachinés

Les transducteurs piézoélectriques ultrasoniques conventionnels sont composés d’une couche de matériau piézoélectrique disposée entre deux électrodes. Il s’agit de la technologie qui domine actuellement le monde de l’imagerie par ultrasons (Chen, 2010) .

Le transducteur subit une vibration extensionnelle et la fréquence de résonance est donc dépendante de l’épaisseur de la couche piézoélectrique. Ces transducteurs posent plusieurs problèmes majeurs. L’impédance acoustique (rapport de la pression sur la vitesse de propagation) est beaucoup plus élevée que celle de l’air, de l’eau (34 MRayls contre 1.5 MRayls et 340 MRayls). Cela réduit l’énergie ainsi que la largeur de bande du signal transmis. Généralement, une couche d’adaptation est utilisée pour diminuer l’impact de ce problème. Toutefois, cette couche doit avoir une épaisseur et des propriétés bien précises difficiles à obtenir surtout à des fréquences plus élevées (Akasheh, Myers, Fraser, Bose & Bandyopadhyay, 2004a). Ainsi, la fabrication d’un seul élément est complexe. Puis, la réalisation de matrice avec une haute densité d’éléments, nécessaire pour faire de la formation de faisceaux et augmenter la résolution ajoute un niveau de complexité puisque tous les éléments doivent avoir les mêmes propriétés (Qiu, Gigliotti, Wallace, Griggio, Demore, Cochran & Trolier-McKinstry, 2015a). Finalement, les transducteurs conventionnels sont souvent fabriqués à l’aide de bandes de PZT (une céramique à base de plomb) difficile à miniaturiser et généralement de l’ordre des millimètres. Or pour effectuer de l’imagerie haut résolution, des pixels de plus petite taille de l’ordre des centaines ou des dizaines de micromètres sont nécessaire (Muralt, Ledermann, Paborowski, Barzegar, Gentil, Belgacem, Petitgrand, Bosseboeuf & Setter, 2005). En poussant les limites de cette technologie, il est possible d’effectuer de l’imagerie 4D mais, pour les raisons énumérées plus haut, le cout de ces appareils est très élevé. Ainsi, quoique grandement utilisée, cette technologie est peu adaptée à l’imagerie par ultrason et est très couteuse.

Un nouveau type de transducteurs, les transducteurs ultrasoniques micromachinés (MUT) promettent de résoudre ces problèmes. Ils sont constitués de membranes qui vibrent de haut en bas s’apparentant en quelque sorte à un hautparleur. Il existe deux types de MUT, les transducteurs ultrasoniques capacitifs micromachinés (CMUT) et les transducteurs ultrasoniques piézoélectriques micromachinés (PMUT). Les matrices de transducteurs faites avec cette technologie sont beaucoup plus faciles à fabriquer, peuvent aisément être produites à la chaine, sont compatibles avec le procédé CMOS et peuvent être fabriquées directement sur le circuit intégré, tout en présentant des performances semblables voir meilleures que celles des transducteurs conventionnels (Gurun, Qureshi, Balantekin, Guldiken, Zahorian, Peng, Basu, Karaman, Hasler & Degertekin, 2008).

Les CMUT sont constitués d’une membrane métallisée suspendue au-dessus d’un substrat qui est lui aussi métallisé. Lorsqu’une différence de potentiel DC est appliquée entre la membrane et le substrat, la membrane est attirée vers le substrat par force électrostatique. Puis, lorsque la différence de potentiel est remise à zéro, la membrane retourne à sa position initiale par force mécanique. Ainsi, en appliquant une tension AC, il est possible d’induire une oscillation dans la membrane et de générer des ondes acoustiques (Jin, Ladabaum & Khuri-Yakub, 1998).

Les CMUT présentent de nombreux avantages. En raison de leur mode de vibration, l’impédance acoustique est beaucoup plus basse se rapprochant de celle de l’air, l’eau et des tissus. Ainsi, l’adaptation acoustique vers le milieu est meilleure ce qui permet d’avoir une plus grande largeur de bande et une meilleure résolution d’image (Caronti, Caliano, Carotenuto, Savoia, Pappalardo, Cianci & Foglietti, 2006). De plus, il a été démontré que la pression acoustique générée par les CMUT est plus élevée que celle des transducteurs conventionnels et que le couplage électromécanique lui est comparable (Eccardt & Niederer, 2000). Aussi, il est plus simple et moins couteux de fabriquer des CMUTs de petite taille et ainsi d’en intégrer un grand nombre dans des matrices à haute densité de transducteurs. Pour cette raison, les CMUTs ont gagné en popularité dans le domaine de la recherche sur les transducteurs pour l’imagerie 3D (Oralkan, Ergun, Cheng, Johnson, Karaman, Lee & Khuri-Yakub, 2003). Finalement, la couche d’adaptation devient moins nécessaire, ce qui peut diminuer grandement la complexité du système. Puis, en raison du mode de vibration, la fréquence de résonance dépend surtout du diamètre et non plus de l’épaisseur. Pour ajuster la fréquence, il suffit de modifier le diamètre ce qui facilite le design.

Pour pouvoir fonctionner à la réception, il faut appliquer une tension DC de polarisation entre les électrodes du CMUT en plus du signal AC. Lorsqu’une onde acoustique percute la membrane, la capacité du CMUT subit une variation et un signal est perçu. Généralement, la tension DC appliquée est près de la tension d’affaissement ce qui peut entrainer la destruction du CMUT (Bayram, Hæggstrom, Yaralioglu & Khuri-Yakub, 2003). Aussi, la tension DC appliquée doit généralement être assez élevée ce qui complexifie la conception.