A model to predict baffle effects in linear array of cMUTs

International audiencecMUTs are a very promising alternative to the piezoelectricity in echographic imaging probes. Many authors have modeled cMUT arrays but only few works have been dedicated to the simulation of devices working in real configuration, i.e. where each element is made of a finite number of cMUTs. In previous studies, we pointed out that, in such conditions, interactions between cMUTs could cause some strong cut-off frequencies in the useful frequency bandwidth, leading to undesirable oscillations at the end of the impulse response. This phenomenon is comparable with baffle effects in multi-source radiators. Even if origins of these cut-off frequencies are well known in sonar arrays, this phenomenon have poorly been explored for arrays of cMUTs. This paper is a deep theoretical investigation of these interactions. The linear array of cMUTs is modeled like a linear system. Input electrical quantities (voltage applied to each element of the array) are linked to output acoustic quantities (pressure emitted by each element) with a global transfer matrix. The Eigenvalues decomposition of the transfer matrix is used to discuss and to explain origins of cut-off frequencies in the radiated pressure spectrum

Dual mode transducers based on cMUTs technology

International audienceMore and more medical ultrasonic applications are strongly interested by the development of dual acoustic sources enable to emit high frequency ultrasound (echographic imaging) and low frequency pressure field (therapeutic ultrasounds). The use of the piezoelectricity to fabricate such device requires overcoming strong technological bottlenecks. The objective of this paper is to demonstrate that the technology of capacitive micro-machined ultrasonic transducer is able to take up this challenge. To this end a demonstrator was designed and manufactured. The first part of the paper is devoted to the design of the low and high frequency cMUTs. For the low acoustic source, a dedicated time domain model was used, taking into account the nonlinearity of the cMUT. Several simulations were conducted to optimize the emitted pressure field intensity at 1 MHz for a set of diaphragm with different sizes and geometries. The high frequency source was designed on the help of a linear model, where output parameters were central frequency, bandwidth and collapse voltage. The second part of this paper reports a set of characterization results and performances of the fabricated device: electrical impedance, mechanical displacements performed in water and acoustic pressure fields

Temporal approach of the simulation and the characterization of capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTS)

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés sont aujourd'hui une nouvelle alternative à la transduction d'ondes ultrasonores. En comparaison avec la technologie piézo-électrique, ils offrent des potentialités en termes de production, de miniaturisation et d'intégration d'une électronique associée mais aussi en termes de performances. Néanmoins,leur mise en œuvre n'en est encore qu'à ces balbutiements et la compréhension de leurs comportements nécessite d'être approfondie. C'est dans ce cadre que s'inscrit le présent travail de thèse. Nous proposons, dans un premier temps, à l'aide d'un modèle numérique basé sur une mécanique linéaire de plaques multicouches, d'étudier l'effet des contraintes initiales sur le comportement statique. Dans un second temps, l'impact de la non-linéarité de la dynamique d'une cellule, puis d'un réseau de cellules, est étudiée en s'appuyant à la fois sur des mesures d'interférométrie et sur un modèle temporel intégrant les effets du fluide. Enfin, nous proposons une optimisation de l'excitation et l'utilisation de ces dispositifs en régime forcée pour la génération d'onde basse fréquence dans l'air et dans l'eau.Capacitive tvIicromachined Ultrasound Transducers (cMUTs) are today a new alternative for the generation of ultrasonic waves. Compared lo the piezoelectric technology, theyoffer some potentialities in terms of reliability, production, miniaturization and electronicintegration but also in term of acoustic performance. Nevertheless, their implementationis relatively new and the understanding of their static and dynamic behaviors needs to bestudied further. This is in this context that this PhD is developed. We propose, in a firsttime, with the help of a numeric model based on the linear mechanic theory of multilayeredplates, to study the impact of initial stresses on the static behavior. In a second time, the impact of the nonlinearity on the dynamic of the cell first, and a cell array next, is studiedwith the help of a temporal model and measurements made by laser interferometry both.Finally, thanks to this dynamic study, a new operation mode of cMUTs is identified andverified. This one is based on the use of forced regime in air and water of these device togenerate low frequencies ultrasonic waves

APPROCHE TEMPORELLE DE LA SIMULATION ET DE LA CARACTÉRISATION DES TRANSDUCTEURS ULTRASONORES CAPACITIFS MICRO-USINÉS

Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers (cMUTs) are today a new alternative for the generation of ultrasonic waves. Compared to the piezoelectric technology, they offer some potentialities in terms of reliability, production, miniaturization and electronic integration but also in term of acoustic performance. Initially dedicated to medical imagery, these devices are now used for numerous applications as therapy, bio/chemical sensors or highly directional loudspeakers. Nevertheless, their implementation is relatively new and the understanding of their static and dynamic behaviors needs to be studied further. This is in this particular context that this PhD is developed. This thesis deals with two major aspects of these micro-systems: the characterization of mechanical parameters and the impact of the nonlinearities provided by electrostatic force on temporal response. The MEMs characterization, particularly the extraction of initial stresses and Young's Modulus, is a recurrent issue of these devices. In the context of cMUT technology fabricated by surface micro-machined process, we have chosen to remind the basis of this measurement step and have proposed a method of characterization with the use of cMUT unit cells despite of dedicated devices (micro-beam, micro-bridge, micro-rotating structure). The impact of the nonlinearity is studied on the dynamics of a cMUT cell in fluid first, and on a cMUT array later with the help of a temporal model and measurements made by laser interferometry both. A multiscale study is here presented which developed a complete study from unit cell to pressure radiated by a cMUT element. An optimization of excitation conditions is proposed with the aim of reducing the effect of the non-linearity and conserving highest level of pressure both. Finally, thanks to this dynamic study, a new operation mode of cMUTs is identified and verified. This one is based on the use of forced regime in air and water of these devices to generate low frequencies ultrasonic waves.Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasound Transducers) sont aujourd'hui une nouvelle alternative à la transduction d'ondes ultrasonores. En comparaison avec la technologie piézoélectrique, ils offrent de nombreuses potentialités en termes de fiabilité, de production, de miniaturisation et d'intégration, d'une électronique associée mais aussi en termes de performances acoustiques. Les voies d'application de ces dispositifs, dédiés initialement à l'imagerie médicale, sont aujourd'hui étendues à de nombreux domaines tels que la thérapie, les capteurs biochimiques ou encore l'émission paramétrique d'ondes sonores. Néanmoins, leur mise en œuvre n'en est encore qu'à ses balbutiements et la compréhension de leurs comportements à la fois statique et dynamique nécessite d'être approfondie. C'est dans ce cadre que s'inscrit le présent travail de thèse. Ce mémoire adresse deux aspects majeurs de ces micro-systèmes : leur caractérisation mécanique et l'impact de la non-linéarité des forces électrostatiques sur la réponse temporelle. La caractérisation des micro-systèmes, notamment en termes de contraintes initiales et de modules d'élasticité, est une problématique récurrente de ces dispositifs. Dans le contexte des technologies cMUT, fabriquées par procédé de micro-usinage de surface, nous avons souhaité reposer les bases de cette étape de mesure et proposer des méthodes de caractérisation basées sur l'utilisation de dispositifs fonctionnels plutôt que s'appuyer sur des structures dédiées (micro-poutre, ponts, structures rotatives). L'impact de la non-linéarité sur la dynamique dans le fluide d'une cellule, puis d'un réseau de cellules, est ensuite étudié en s'appuyant à la fois sur des mesures d'interférométrie laser et sur un modèle temporel intégrant les effets du fluide. Nous exposons ici une étude à plusieurs échelles, allant de la cellule unitaire du dispositif à la pression rayonnée par un élément de barrette. Une optimisation de l'excitation dans l'objectif de réduire l'effet de la non-linéarité tout en conservant des niveaux de pressions optimum est proposée. En fin, à travers l'étude dynamique effectuée, un nouveau régime de fonctionnement des cMUTs est identifié et vérifié. Celui-ci s'appuie sur l'exploitation du régime forcé dans l'air ou dans l'eau de ces dispositifs pour la génération d'ondes ultrasonores basse-fréquence

Réponse non linéaire d'une population de cMUTs : modèle et mesure

National audienceLa prédiction des comportements non linéaires des membranes cMUTs est un point essentiel de la phase de conception de ces dispositifs. On polarise ces dispositifs avec une tension dont la valeur détermine le coefficient de couplage du cMUT. On lui superpose une tension d'excitation, qui selon l'amplitude et la fréquence, permet de balayer la totalité du gap disponible, voire conduire au collapse. Nous avons montré lors d'études précédentes que la forme temporelle du déplacement présente une asymétrie qui dépend de la dérivée de la pression électrostatique. L'analyse que nous proposons consiste à étudier l'impact de la non-linéarité des cMUTs sur le champ de pression émis par un élément de barrette. Pour cela nous avons mis en place un banc d'interférométrie laser qui permet de mesurer les déplacements des membranes immergées dans un fluide ainsi que, par écho de réflexion, le champ de pression qu'elles rayonnent. Le modèle que nous proposons est basé sur la théorie des plaques minces et la réponse impulsionnelle de diffraction pour le couplage fluide/cMUT. La résolution est menée dans le domaine temporel selon un schéma RK4. Aucune hypothèse de linéarité n'est effectuée. Le collapse est simulé comme une condition simple de blocage de la membrane lorsqu'elle atteint localement un déplacement supérieur à la hauteur de cavité. Nous présentons des résultats de mesure conduits sur un dispositif d'imagerie ultrasonore dont la fréquence centrale est de 7 MHz. Les résultats de mesure obtenus concordent avec les prédictions théoriques, pour toutes les conditions d'excitation testées : signal sinusoïdal avec 1 ou 5 périodes, dont la fréquence varie de 200 kHZ à 10 MHz, et l'amplitude de 80 % à 150 % de la tension de collapse

Fast Time-Domain Modeling of Fluid-Coupled cMUT Cells: From the Single Cell to the 1-D Linear Array Element

International audienceWe report a fast time-domain model of fluid-coupled cMUTs developed to predict the transient response-i.e., the impulse pressure response-of an element of a linear 1-D array. Mechanical equations of the cMUT diaphragm are solved with 2-D finite-difference schemes. The time-domain solving method is a fourth-order Runge-Kutta algorithm. The model takes into account the electrostatic nonlinearity and the contact with the bottom electrode when the membrane is collapsed. Mutual acoustic coupling between cells is introduced through the numerical implementation of analytical solutions of the impulse diffraction theory established in the case of acoustic sources with rectangular geometry. Processing times are very short: they vary from a few minutes for a single cell to a maximum of 30 min for one element of an array. After a description of the model, the impact of the nonlinearity and the pull-in/pull-out phenomena on the dynamic behavior of the cMUT diaphragm is discussed. Experimental results of mechanical displacements obtained by interferometric measurements and the acoustic pressure field are compared with simulations. Different excitation signals-high-frequency bandwidth pulses and toneburst excitations of varying central frequency-were chosen to compare theory with experimental results

Modélisation d'une barrette de cMUTs par une approche multi-échelle

National audienceLes barrettes cMUTs bénéficient aujourd'hui de réels avantages pour une intégration dans des systèmes d'imagerie ultrasonore. Elles permettent d'atteindre des bandes passantes supérieures à 100 % et des coefficients de couplage électromécanique de 60 %. Les aspects essentiels à considérer pour la conception de ces dispositifs sont - Le comportement mécanique des membranes, - Les effets de chargement acoustique apportés par le fluide, - L'impédance de rayonnement des membranes qui dépend de leur forme et de leur répartition au sein de l'élément de barrette, - Les effets de couplage mutuel entre membranes. Nous avons développé une stratégie de simulation des barrettes cMUT, dans l'hypothèse où elles sont considérées comme des systèmes linéaires. La première étape consiste à simuler le comportement d'une membrane couplée à un fluide intégrant des conditions de périodicité 1D. De ce premier modèle, basé sur une résolution par des différences finies spatiales, nous sommes capables de construire le schéma équivalent d'un cMUT auquel nous associons 4 degrés de liberté : tension / courant en entrée et énergie rayonnée / vitesse particulaire moyenne en sortie. Ce schéma constitue le modèle de comportement d'une colonne de cMUTs dans une barrette. Nous associons ensuite plusieurs colonnes, par un assemblage de matrices, pour modéliser un élément complet. Les « colonnes » de membrane sont couplées entre elles par les couplages mutuels que l'on détermine en supposant que les cMUTs rayonnent comme des pistons. Cette hypothèse permet de diminuer les temps de calculs. L'étude que nous proposons consiste à analyser dans un premier l'impact du fluide sur la réponse d'une membrane dans les conditions de périodicité 1D. Puis nous regardons l'influence des couplages mutuels entre colonnes sur la réponse en fréquence de la barrette. Des résultats expérimentaux sont par ailleurs présentés afin de valider la stratégie de simulation mise en place

A Variable-Gain Low-Noise Transimpedance Amplifier for Miniature Ultrasound Probes

This article presents a low-noise transimpedance amplifier (TIA) designed for miniature ultrasound probes. It provides continuously variable gain to compensate for the time-dependent attenuation of the received echo signal. This time-gain compensation (TGC) compresses the echo-signal dynamic range (DR) while avoiding imaging artifacts associated with discrete gain steps. Embedding the TGC function in the TIA reduces the output DR, saving power compared to prior solutions that apply TGC after the low-noise amplifier. The TIA employs a capacitive ladder feedback network and a current-steering circuit to obtain a linear-in-dB gain range of 37 dB. A variable-gain loop amplifier based on current-reuse stages maintains constant bandwidth in a power-efficient manner. The TIA has been integrated in a 64-channel ultrasound transceiver application-specific integrated circuit (ASIC) in a 180-nm BCDMOS process and occupies a die area of 0.12 mm2. It achieves a gain error below ±1 dB and a 1.7 pA/ √ Hz noise floor and consumes 5.2 mW from a ±0.9 V supply. B-mode images of a tissue-mimicking phantom are presented that show the benefits of the TGC scheme.</p

A Variable-Gain Low-Noise Transimpedance Amplifier for Miniature Ultrasound Probes

This article presents a low-noise transimpedance amplifier (TIA) designed for miniature ultrasound probes. It provides continuously variable gain to compensate for the time-dependent attenuation of the received echo signal. This time-gain compensation (TGC) compresses the echo-signal dynamic range (DR) while avoiding imaging artifacts associated with discrete gain steps. Embedding the TGC function in the TIA reduces the output DR, saving power compared to prior solutions that apply TGC after the low-noise amplifier. The TIA employs a capacitive ladder feedback network and a current-steering circuit to obtain a linear-in-dB gain range of 37 dB. A variable-gain loop amplifier based on current-reuse stages maintains constant bandwidth in a power-efficient manner. The TIA has been integrated in a 64-channel ultrasound transceiver application-specific integrated circuit (ASIC) in a 180-nm BCDMOS process and occupies a die area of 0.12 mm2. It achieves a gain error below ±1 dB and a 1.7 pA/ √ Hz noise floor and consumes 5.2 mW from a ±0.9 V supply. B-mode images of a tissue-mimicking phantom are presented that show the benefits of the TGC scheme.Accepted author manuscriptElectronic Instrumentatio