Micromachined Ultrasound Transducers: from theoretical models to object localization in air

In this PhD dissertation, MEMS technologies for modern ultrasonic transducers have been studied. As part of a collaboration between Politecnico di Milano and VTT - Technical Research Centre of Finland, the aim of this work is to obtain extensive knowledge on the prospects and limiting factors for these technologies to both replace current ultrasonic transducers, fabricated with piezoelectric crystals, and to explore the possibility to further extend their field of application. For this aim an accurate set-up, that includes dedicated electronics for driving and reading the signals from such devices, have been developed. First a theoretical study of the devices working principle is introduced to build an analytic model starting from works presented in the scientific literature. Its purpose is to give the engine er an easy-to-use electric equivalent circuit to design the drive and detection electronics for these devices; focus has been made on highlighting the most critical parameters for an ultrasonic transducer to meet the requirements of ultrasonic sensing applications. The model has been applied to three run of transducers designed and produced with a proprietary surface micromachining process by VTT. To verify the model, as well as to obtain important parameters that have to be put in it, a complete electro-mechanical characterization has been performed. Then low-noise electronic circuits for emission and detection have been designed; the electronics is able to achieve an operative range from 0.6 cm to 5.7 cm in air when coupled to transducers operating at ∼ 2.2 MHz and biased at 15 V. With a custom made automatic set-up for high-precision acoustic characterization, the profile of emission and detection of the transducers were measured, showing a FWHM of 14°. Finally a system based on an array of receivers showed a relative percentage error lower than 9 % in identifying the source emitting the ultrasound.

Nella presente tesi di dottorato vengono discusse tecnologie MEMS per moderni trasduttori ultrasonici. Lo scopo di cui questo lavoro, che fa parte di una collaborazione tra Politecnico di Milano e VTT - Technical Research Centre of Finland, è di ottenere conoscenza dettagliata sulle prospettive e sui limiti intrinseci sia per sostituire gli attuali trasduttori ultrasonici fabbricati con cristalli piezo elettrici sia per estendere ulteriormente il range di applicazioni in cui si fa uso di questi dispositivi. Per questo scopo è stato sviluppato un accurato set-up, che include elettronica dedicata per attuazione e lettura dei segnali di tali dispositivi. Inizialmente è stato definito un modello analitico basandosi sulla letteratura scientifica esistente e sulla base fisica che governa il comportamento dei dispositivi; questo ha lo scopo di fornire all'ingegnere in dovere di disegnare l'elettronica di emissione e ricezione un circuito equivalente elettrico di facile utilizzo. Attenzione è stata posta nell'evidenziare i parametri di un trasduttore ultrasonico per garantire il rispetto di parametri richiesti dal l'applicazione. Il modello è stato applicato a tre run di trasduttori disegnati e prodotti dal VTT con un processo di surface micromachining proprietario. Una completa caratterizzazione elettromeccanica dei dispositivi é stata effettuata al fine sia di verificare il modello, sia di ricavare i parametri da sostituire al suo interno. In seguito sono stati disegnati circuiti elettronici a basso rumore per emissione e ricezione in grado di ottenere un range operativo in aria tra 0.6 cm e 5.7 cm con trasduttori operanti a ∼ 2.2 MHz e polarizzati a 15 V. Attraverso un set-up automatico per caratterizzazione acustica di alta precisione, appositamente realizzato, è stato misurato il profilo di emissione e ricezione degli stessi trasduttori, che mostrano una FWHM di 14°. Infine un sistema basato su di un'array di ricevitori ha mostrato un errore relativo percentuale minore del 9 % nel localizzare la sorgente dell'ultrasuono.