Conception et optimisation de transducteurs capacitifs micro-usinés appliqués à l'imagerie ultrasonore

Les Transducteurs Ultrasonores Capacitifs Micro-usinés (CMUT en anglais) sont étudiés par plusieurs laboratoires internationaux depuis les années 90. Se présentant comme une alternative aux transducteurs traditionnels piézoélectriques, cette technologie inspirée des MEMS (MicroElectroMechanical Systems) a aujourd'hui atteint la maturité suffisante pour voir émerger sa commercialisation. Dans son application historique, l'imagerie médicale, de nombreux acteurs industriels proposent des sondes CMUTs, comme Hitachi, Kolo Medicals ou Butterfly Network pour n'en citer que quelques uns. La recherche autour de ces dispositifs continue néanmoins à travers des études sur la conception, la modélisation, la fabrication ou pour de nouvelles applications. À travers le projet collaboratif TUMAHI (Transducteurs capacitifs Ultrasonores Multi-Application Hautement Intégrés) entre le laboratoire GREMAN et la société VERMON S.A, deux axes d'optimisation ont été étudiés. Le premier objectif consistait à créer et valider expérimentalement une stratégie de conception d'éléments CMUTs pour optimiser la réponse électroacoustique sur la bande passante ou la sensibilité. La principale contrainte était de définir des degrés de liberté et des paramètres fixes pour fabriquer des barrettes CMUTs pour diverses applications et fréquences de travail sur un même wafer. Par l'intermédiaire d'un dispositif centré à 10 MHz pour de l'imagerie médicale, nous avons fait varier les tailles de membranes pour posséder une configuration Large Bande et une configuration Sensible. Une campagne de mesures de pression a été effectuée avec les sondes complètes et prêtes à l'emploi pour valider les critères de conception établis. L'analyse poussée a néanmoins souligné que la démarche de conception pour une sonde CMUT la plus efficace était d'optimiser la fréquence de résonance du premier mode de rayonnement pour qu'elle coïncide avec la fréquence de travail désirée. La seconde étude était focalisée sur la couche de passivation, couche de protection pour les éléments CMUTs traditionnellement conçue en polymère silicone, et visait à implémenter son impact dans les outils de modélisation avec un nouveau modèle de couplage CMUT / matériau viscoélastique. Une fonction de Green en trois dimensions a été utilisée en définissant des équivalences entre propriétés élastiques et viscoélastiques et validée théoriquement avec des problèmes de Lamb 2D et 3D complémentaires. Une confrontation avec des résultats expérimentaux a été engagée en créant une série d'huiles avec des viscosités variables et en excitant des colonnes CMUTs découplées électriquement pour viser un mode de rayonnement plus sensible aux propriétés de cisaillement du milieu. L'influence de la viscosité a été identifiée à travers la variation de la fréquence centrale et du facteur de qualité sur l'impédance électrique mesurée et simulée, posant la base d'une étude de viabilité de la technologie CMUT pour un capteur sensible viscoélastique. La considération de la couche de passivation a permis de retrouver un comportement équivalent à la réalité mais nécessite une base de données complète sur les propriétés viscoélastiques des matériaux dans le domaine ultrasonore pour être présente dans les étapes de conception d'un transducteur CMUT.