Modélisation et optimisation de structures électroniques pour le conditionnement de transducteurs piézoélectriques

Modelling and optimization of electronic structures for piezoelectric transducer conditioning

• Auteur / Autrice : Frédéric Coutard
• Direction : Etienne Tisserand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation et micro-électronique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transducteurs ultrasonores

Résumé

Cette thèse est consacrée à l’optimisation électronique d’une chaine d’émission/réception ultrasonore afin de maximiser son rendement et son rapport S/N. La gamme de fréquences s’étend de 1 à 10 MHz. L’optimisation porte sur l’excitation du transducteur d’émission et sur l’amplification du signal de réception. Les tests sont réalisés sur des céramiques PZT. Sur le plan acoustique, les simulations réalisées à l’aide de modèles électroacoustiques, mettent en évidence les dispersions des performances du transducteur et l’influence des matériaux de collage. Sur le plan électrique, une adaptation des impédances électriques aux modules de conditionnement est nécessaire. En réception, nous cherchons à réduire le bruit d’un transducteur amplifié. Pour cela, nous identifions les sources de bruit et mesurons leur densité spectrale de puissance (DSP). A partir des corrélations entre impédance et DSP, l’étude confirme le type Johnson du bruit émis dans notre gamme de fréquences. Les campagnes de mesures de 25 à 70°C montrent une diminution de l’impédance qui explique la stabilité de la DSP observée. La conception d’un amplificateur présentant un facteur de bruit minimal clôture cette étude. La dernière étape est consacrée à l’optimisation du signal d’excitation. Après comparaison de différentes formes d’excitation, le signal en train d’ondes est choisi car il n’excite pas les modes secondaires du transducteur. Afin d’utiliser cette excitation, nous proposons un générateur à recherche automatique de la fréquence de vibration d’une céramique. L’algorithme itératif mis en œuvre maximise le niveau de la tension aux bornes du transducteur. Il est validé par une modélisation VHDL-AMS.

This thesis deals with the electronical optimisation of an emission/reception ultrasonic chain to maximize its performances and its S/N ratio. The frequency range is from 1 MHz to 10 MHz. We study the excitation optimisation of an emitter transducer and of the signal amplification from the receiver. The test is achieved with PZT piezoceramics. In acoustic domain, the simulations obtained with electromecanical models show performances dispersions of the transducer and the glue’s influence on the sensitivity. In reception, we look for reducing the noise produced by the transducer. To make it, we identify the noise sources and measure their power spectral density (PSD). The correlation between the impedance and the PSD of noise confirms the Johnson noise law produced by the transducer in our frequency range. In the 25°C to 70°C temperature range, the experimental results show that the impedance real part present a negative thermal sensitivity. In this study, the decrease of the impedance explains the thermal stability of the PSD output noise. An optimal amplifier design concludes this part. The last part concerns the optimisation of an emitter transducer excitation module. After comparing different excitation shapes, burst sin waves lead to the best performances. In fact, this shape provides electrical energy only to the fundamental frequency. To develop this solution, we propose a frequency auto-tuned generator to find the transducer’s resonance frequencies. In this one, we use iterative algorithm to find minima and maxima of the transducer voltage level. This method is tested by simulating the generator’s VHDL-AMS model.