Power limit predictor for capacitive micro-machined ultrasonic transducer arrays for high intensity focused ultrasound

Prostate cancer is one of the most common diseases in men. Nowadays the most efficient techniques are Brachytherapy, External beam therapy and Prostatectomy. Unfortunately these techniques introduce significant side effects. With the purpose to mitigate these side effects, researchers are focusing on developing alternative techniques. One of these techniques is Ultrasound Therapy. Ultrasound Therapy performs Focal Ablation using ultrasonic waves. At first, piezoelectric transducers have been introduced to produce high-power ultrasound waves because of their wide acceptance and use. Recently Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers (CMUTs) are being developed worldwide in industry and academies as possible substitute for PZT (Lead zirconate titanate). Nowadays the critical factor for using CMUTs compared to PZTs is the reliability. Therefore, breakdown of the device might occur in case of extreme mechanical and electrical stress on the membrane, which is typical for CMUT being driven in high power regime. Three predictors for CMUT breakdown will be presented, which have been implemented to identify a working limit of the device. These predictors are: Area method on IV plot predictor, Harmonic analysis and Impedance threshold. To validate and evaluate these predictor three measurement tests are performed. The High AC voltage (HAC) test is performed to show the behavior of the device at high power levels. Impulse response test is performed to analyze possible distortions in bandwidth. Best Bias test is performed to verify the behavior of the device at different bias. In the third chapter, results from all the tests described in the previous chapter will be shown. The analyzed data are acoustic power, electric power, efficiency and impedance. All of these data change at the changing of initial parameter settings: frequency, bias (DC) and radio-frequency (AC) amplitude. Box-plot and tables of the data will be used for displaying the results. In the forth chapter performances and behavior of the devices during the tests are analyzed. Afterwards all the three predictors presented in this study are validated. It will be shown that all of these predictors are reliable but only two of them can be combined to work together nowadays. Due to extreme variability in performances of the device it will not be allowed to validate in the proper way predictors. After the analysis of the results, none of the proposed methods proved to be an accurate predictor.

Il cancro alla prostata è una delle più comuni malattie negli uomini. Negli ultimi anni c'è stato un forte sviluppo per rendere più efficienti le terapie per la cura di questa malattia. In questi anni le terapie più utilizzate sono la Brachiterapia, Radioterapia e la Prostatectomia. L'utilizzo di ultrasouni focalizzati ad alta energia rappresenta al momento una possibile alternativa ai comuni trattamenti minimizzando gli effetti collaterali. Gli ultrasuoni focalizzati sono stati introdotti per la prima volta utilizzando trasduttori di tipo piezoelettrico. In questi anni la ricerca è improntata all'utilizzo di nuovi trasduttori che possano sostituire i cristalli piezoelettrici. Tra queste nuove tecnologie si possono citare i promettenti CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Array). Allo stato dell'arte attuale un importante fattore critico per l'utilizzo dei CMUT è l'affidabilità, di gran lunga inferiore rispetto a cristalli piezoelettrici. Per affrontare i problemi di affidabilità del CMUT nel secondo capitolo di questo lavoro verranno presentati tre possibili predittori che possono essere utilizzati per permettere al dispositivo di lavorare in sicurezza. Questi predittori che verranno descritti sono: il metodo dell'area inscritta basato sui grafici tensione corrente (IV plot), il metodo dell'analisi delle armoniche e il metodo di ricerca di una soglia limite di impedenza. Per la valutazione e la validazione di questi predittori è stato necessario l'utilizzo di tre test con relativi protocolli. Il test ad alta tensione alternata è stato effettuato per valutare il comportamento del dispositivo ad elevati livelli di potenza. Il test della risposta all'impulso è stato successivamente effettuato per valutare le possibili distorsioni in banda. Infine, il optimal bias test è stato effettuato per valutare il comportamento del dispositivo a diversi valori di tensione continua (DC) applicata. Nel terzo capitolo saranno mostrati i risultati di tutti i test descritti nel capitolo precedente. I dati che analizzati sono la potenza acustica, la potenza elettrica, l'efficienza e l'impedenza elettrica. Tutti questi dati variano al cambiare dei parametri iniziali che sono: la frequenza, il bias (DC) e l'ampiezza della radiofrequenza (AC). Per la visualizzazione dei risultati verranno utilizzati boxplot e tabelle. Nel quarto capitolo saranno analizzate le performance del dispositivo e il comportamento ai diversi test. Verranno poi analizzati e validati i predittori utilizzati. Verrà mostrato poi che tutti i predittori valutati funzionano ma solo due di questi possono essere combinati per lavorare insieme e sfruttarne i diversi vantaggi. Sfortunatamente non è stato possibile trovare un unico predittore che riesca a svolgere appieno il proprio compito. Ciò è dovuto alla grossa variabilità di performance del dispositivo che non hanno permesso la corretta validazione dei predittori.