Modeling, fabrication and actuation of a large area based piezoelectric micromachined ultrasound transducer array

The first Large Area Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer (PMUT) working at a frequency above 40 kHz is presented. The proposed technology allows the production of larger and cheaper transducer matrices respect to their conventional counterpart on silicon, paving the way to a new consumer market for 3D ultrasonic imaging and haptic ultrasound. The device is modeled considering the diaphragm first as a plate and second as a membrane. From the modeling, the expected dependency of the resonance frequency and of the quality factor on the design parameters is predicted. The PMUT is successively fabricated and the measured values are compared to the simulation, defining the validity regions of the two models. A particular attention is devoted to the reduction of the membrane thickness, that allows to maximize its displacement per unit volt. To this regard, two different procedures to create the cavity are proposed and compared. After electrical characterization of the realized devices, a driving board is developed. The designed board can independently control the phase of up to eight groups of transducers, focusing their power on the desired space location. Moreover, it allows to modulate the amplitude of the driving signal, which is required to create tactile sensations. Finally, the propagation of the acoustic wave emitted by an annular array of four concentric rings of transducers driven by the designed board is simulated and the achievable peak acoustic pressure is compared with the target value.

La tesi presenta il primo trasduttore piezoelettrico fabbricato su substrato in vetro utilizzando materiali economici e largamente disponibili. Tale tecnologia permette la produzione di matrici di trasduttori di dimensione maggiore e ad un costo ridotto rispetto ai loro equivalenti in silicio, aprendo la strada ad un nuovo mercato di acquisizione e stimolazione ad ultrasuoni. Lo studio del dispositivo è effettuato considerando il diaframma prima come un piatto e successivamente come una membrana. Dal modello è ricavata la dipendenza della frequenza di risonanza e del fattore di qualità dai parametri geometrici e fisici del dispositivo. Il trasduttore è successivamente fabbricato ed i valori misurati sono confrontati con quelli predetti dalla simulazione, definendo le regioni di validità dei due modelli. Un’attenzione particolare è rivolta alla riduzione dello spessore della membrana, con lo scopo di massimizzare lo spostamento a parità di tensione applicata. A tale riguardo, due possibili procedure per la realizzazione della cavità sono proposte e confrontate. Successivamente, sulla base delle caratteristiche elettriche dei trasduttori viene sviluppato un circuito che permetta il loro controllo. Tale scheda può controllare la fase di otto gruppi di trasduttori indipendentemente, concentrando la loro potenza nella posizione desiderata. Inoltre, essa permette di modulare l’ampiezza dell'alimentazione, che è un requisito necessario per lo stimolo di sensazioni tattili. Infine, viene simulata la propagazione di un’onda acustica emessa da una matrice di quattro gruppi di trasduttori circolari e concentrici, controllati per mezzo della scheda realizzata. La pressione di picco che viene raggiunta è confrontata con gli obiettivi, definendo i margini di miglioramento.