Réalisation de transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usines
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Abstract EN:
Piezoelectric ceramics are still the basis of most ultrasonic transducer systems. However, some applications are restricted due to dimensional and material limitations. Capacitive micromachined ultrasonic transducers (cMUT) give an attractive alternative to the piezoelectric ones in terms of sensitivity, bandwidth, insertion loss, low impedance mismatch with air and water, size reduction, low cost and also with the integration of electronic control. A cMUT cell is basically a membrane suspended over an electrode. By applying a voltage to the parallel plate capacitor, an electrostatic force will cause a deflection of the membrane. A static attractive force is established between the electrodes when a DV voltage is applied. This attractive electrostatic force can be strong enough to obtain a high electromechanical coupling coefficient. This coefficient is near to one when the polarized membrane and hence to ultrasound generation. Processing issues for the fabrication of capacitive micromachined ultrasonic transducers (cMUT) arrays have been studied using surface micromachining. This work focuses on the critical steps of the process fabrication as the membrase formation, sacrificial layer properties and vacuum sealing performance of cavity. We demonstrate that the use of a sacrificial layer with a colummar structure gives a fast etching rate in a BHF solution. We compared the vacuum sealing performanc of different materials in order to find the best material in term of lateral deposition inside the cavity. Functional transducers have been obtained. The mechanical and electrical resonance frequency and the collapse voltage. Laser interference measurements were carried out to characterize the dynamic displacement of the membrane. We propose an electrical test in order to evaluate the vacuum sealing of the cavity based on the collapse voltage determination.
Abstract FR:
Les transducteurs ultrasonores sont principalement constitués de céramiques piézoélectriques. Cependant, pour certaines applications, elles ne peuvent être utilisées pour des raisons relatives aux dimensions des structures et aux limitations des propriétés des matériaux. Une réponse à ces limitations peut être apportée par les transducteurs capacitifs. Ils permettent d’améliorer la sensibilité, la bande passante, les pertes d’insertion ainsi que les coûts de fabrication. Une cellule capacitive est un condensateur possédant une armature mobile dont le diélectrique (cavité) est du vide (ou de l’air). L’application d’une tension alternative aux bornes de ce condensateur crée une force électrostatique qui a pour effet de mettre en vibration l’armature mobile (ou membrane), créant ainsi une onde ultrasonore. Ce type de cellules utilisé en échographie médicale et réalisé au moyen de technologies microélectroniques, permet notamment d’obtenir des fréquences de fonctionnement élevées et des tensions d’excitation faibles. Lorsqu’elles sont correctement polarisées, ces cellules peuvent atteindre des valeurs de coefficient de couplage électromécanique proches de l’unité. Nous proposons un procédé de fabrication de tels transducteurs utilisant uniquement des techniques d’usinage de surface. Nous avons identifié les étapes critiques du procédé à savoir : la formation de la membrane, de la cavité et la réalisation du scellement des cellules. Nous avons étudié et optimisé chacune de ces étapes afin d’obtenir des cellules performantes. Nous montrons notamment que l’obtention d’une couche d’oxyde ayant une structure colonnaire permet d’accroître la vitesse de gravure dans une solution de 13HF. L’étude du scellement des cavités nous a permis de mettre en évidence l’importance du coefficient de collage des matériaux quant à la forme du dépôt obtenu à l’intérieur des cavités. Ce travail nous a également permis d'étudier les caractéristiques électromécaniques des transducteurs fonctionnels obtenus. Des modèles analytiques et comportementaux simples ont été développés afin de prédire les paramètres essentiels des cellules que sont la fréquence de résonance et la tension de collapse. Ces modèles ont été validés par des mesures mécaniques, utilisant un vibromètre laser (Doppler), et des mesures électriques. Les analyses associées nous ont permis d’envisager un test électrique non destructif, basé sur l’évaluation de la tension de collapse de cellules scellées et non scellées, afin de déterminer la performance du matériau de scellement. Enfin, des structures de tests mécaniques ont été réalisées dans le but d’effectuer l’extraction des paramètres mécaniques de la membrane.