Conception, fabrication et caractérisations de transducteurs capacitifs micro-usinés pour l'imagerie ultrasonore

• Auteur / Autrice : Stanislas Clatot
• Direction : Sylvain Ballandras
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur et microtechniques
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transducteurs

Imagerie acoustique

Résumé

La possibilité d'exciter et de détecter des ondes acoustiques dans les fluides en utilisant des transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT) en silicium mis en oeuvre grâce aux techniques de fabrication en salle blanche offre l'opportunité de réaliser des sondes d'imagerie ultrasonores très large bande à bas coût. Les cMUT utilisent le premier mode de flexion permettant en effet une bande passante supérieure à 100%. Avec ce travail, nous montrons la conception, la fabrication et le test d'une structure cMUT fondée sur une fine membrane de silicium oblongue permettant de correspondre au mieux avec nos simulations 2D. Nous utilisons un logiciel de simulation éléments finis/éléments de frontières développé au laboratoire et une comparaison entre les simulations 2D et 3D est présentée. Un procédé de fabrication original est développé et présenté de manière complète, exploitant les techniques de salle blanche telle que le collage anodique et l'utilisation de SOI. Plusieurs problèmes liés à l'approche développée sont mis en évidence et résolus notamment au niveau de l'élaboration de couches de protection diélectrique ou l'amélioration de l'état de surface de matériaux gravés. Différents paramètres du transducteur sont mesurés dans l'air et dans l'eau et comparés aux résultats calculés, notamment la fréquence de résonance et l'existence de modes parasites. Ce travail permet en outre de montrer la limite des approximations bidimensionnelles par rapport au dispositif expérimental, surtout en ce qui concerne ces modes parasites, prévu eux par les simulations 3D au prix d'un effort de simulation important. D’autres MUTs sont présentés avec leurs procédés de fabrication et quelques caractérisations appartenant à certains membres du projet européen dans lequel s'inscrit cette thèse, permettant d'offrir une vision synthétique des différentes approches possibles pour la réalisation de tels transducteurs.

The ability to excite and detect acoustic waves in fluids using capacitive micro-machined ultrasonic transducer (cMUT) implemented through cleanroom technology manufacturing offers the opportunity to make ultrasonic imaging probes broadband at low cost. The cMUT use the first flexural mode allowing an effective bandwidth up to 100%. With this work, we show the design, manufacture and test of cMUTis based on a thin silicon membrane with a shape to fit with our 2D simulations. We use a FEM/BEM simulation software developed in the laboratory and a comparison between the 2D and 3D simulations is presented. An original manufacturing process is developed and fully presented, using techniques such as anodic bonding and use of SOI. Several problems related to the approach developed are identified and resolved particularly in the development of dielectric layers of protection or improvement of the dry etch of surface materials. Transducer parameters are measured in air and water and compared to calculated results, including the resonant frequency and the existence of parasitic modes. This work also helps to show the limit of two-dimensional approximations compared to the experimental, especially with regard to these parasites modes provided by the 3D simulations at great cost to simulation time. Other MUTs belonging to some members of the European project in which this thesis is a part of are presented with their manufacturing processes and some characteristics to offer an overview of the different approaches to achieve such transducers.