Modeling and characterization of nonlinear phenomena in circular capacitive micromachined ultrasonic transducers with geometrical imperfections

Modélisation et caractérisation de phénomènes non linéaires dans des transducteurs ultrasoniques micro-usinés capacitifs circulaires avec des imperfections géométriques Les microsystèmes, qui sont réalisés à partir de technologies micro-électroniques, connaissent un essor scientifique et technologique important grâce à leurs applications qui sont de plus en plus présentes dans la vie courante. Un des microsystèmes très en vogue est le transducteur ultrasonore capacitif micro-usiné, couramment appelé CMUT. Il est utilisé pour transmettre ou réceptionner des ondes ultrasonores et son domaine d’application est très vaste puisqu’on le trouve dans des sondes d’imagerie médicale, dans des hauts parleurs ultra directifs, pour le contrôle non destructif de matériaux… Dans la plupart des applications la puissance acoustique émise par le CMUT doit être très élevée ce qui implique que le CMUT va être utilisé en régime non-linéaire. En outre, même en utilisant des procédés de fabrication avancés, la microplaque mobile constituant le CMUT possède une déformation géométrique dans son état de repos. Il faudra par conséquent tenir compte des non-linéarités et des imperfections géométriques lors de l’analyse statique et dynamique du CMUT.Dans ce travail le modèle multiphysique d’un CMUT est développé en tenant compte des non-linéarités géométriques et électrostatiques ainsi que de la déflexion initiale de la microplaque. Les équations différentielles du mouvement de la microplaque, issues de la théorie des plaques de von Kármán, sont discrétisées spatialement en utilisant la méthode différentielle quadratique. La réponse statique d’un CMUT a été analysée à partir de simulations numériques et d’essais expérimentaux, en considérant des plaques planes et des plaques courbes et on montre qu’une déflexion initiale de la plaque conduit à une augmentation de la tension de pull-in. Le comportement dynamique non-linéaire du CMUT est analysé en discrétisant la variable temporelle et en utilisant la méthode des différences finies. En utilisant la technique de continuation arclength, nous déterminons la réponse en fréquence non-linéaire du CMUT. Suivant la valeur de la tension DC, le CMUT aura un comportement raidissant ou assouplissant. Une validation expérimentale du modèle numérique est réalisée en utilisant des microplaques planes et des microplaques courbes. En particulier nous montrons que l’utilisation de microplaques courbes, dues aux imperfections géométriques, change la réponse en fréquence du CMUT, passant d’un comportement raidissant à un comportement assouplissant, augmente le domaine de bi-stabilité et modifie la topologie de bifurcation.Le modèle numérique est par la suite étendu afin d’analyser les effets du film d’air sur le comportement dynamique de la microplaque en couplant les équations mécaniques du CMUT avec les équations de Reynolds du fluide. Les fréquences de résonance du problème multiphysique sont obtenues par résolution d'un système linéaire amorti. La validation expérimentale et numérique du modèle est effectuée en déterminant les fréquences de résonance du CMUT à des pressions différentes. Nous montrons que l’air comprimé change la réponse dynamique du CMUT par l’ajout d’une raideur et d’un amortissement. La diminution de la pression conduit à une diminution de la fréquence de résonance du système couplé et tend vers la fréquence de résonance de la microplaque. D'autre part la réponse en fréquence du système devient non-linéaire due à la diminution du coefficient d'amortissement. A la pression atmosphérique, on montre que le CMUT a un comportement non-linéaire de type assouplissant lorsque les excitations sont élevées. Le modèle numérique développé est un outil efficace pour analyser les CMUTs et augmenter leurs performanaces.