Modeling and experimental characterization of cross-talk effects in PMUT arrays

The goal of this master thesis is to fully characterize a PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer) array, a family of MEMS (Micro Electro-Mechanical System) that makes use of the piezoelectric effect. PMUT arrays are considered as an alternative to traditional bulk piezoelectric transducer, because they allow to achieve electronic beam steering, focusing and scanning, which bring benefits in reduction of test time and better reliability and quality of measurements. The investigated array has 16 elements, schematized as circular clamped plates made of several layers composed of different materials; the device has been designed and produced by STMicroelectronics, in fact, this thesis has been written during a stage of one year made possible thanks to the collaboration between STM and Politecnico di Milano. The complete characterization of the devise has been performed by studying both mechanical and acoustic behaviour; for the mechanical characterization COMSOL Multiphysics and Polytec MSA 500 have been used and for the acoustic characterization FOCUS and a microphone have been used respectively for simulations and experimental measurements. In fact, the feature of the entire work is the paralelism and comparison between simulations and measurements. First of all, three models in COMSOL have been created: one membrane model, to individuate all the settings and conditions needed to get close to reality, two membranes model, to prove the influence that one membrane exerts on the other one, the entire 4x4 array model, to have a valid comparison with experimental results; then experimental measurements using Polytec MSA 500 have been performed using vibrometry and profilometry configurations to evaluate resonance frequencies, vibration modes, static configuration, vibration due to dynamic driving signal and compare the results with simulations. During the post-processing phase, the effects of cross-talk have been recognized and analyzed in details to understand how they can be controlled. The spread of micromachined ultrasonic transducer arrays is strictly linked to the cross-talk phenomenon, defined as the interaction between elements through air, solid or electric input, studied during this research. For the study of the acoustic domain with FOCUS, the numerical analyses have been carried out taking into account the cross-talk effects and evaluating the propagation of the acoustic wave generated by the vibrating membranes; finally, the results obtained have been compared with the acquisitions made with ETA450 Ultra optical microphone.

L'obiettivo di questa tesi di laurea è di caratterizzare completamente un array PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer), una famiglia di MEMS (Micro Electro-Mechanical System) che utilizza l'effetto piezoelettrico. Gli array PMUT sono considerati un'alternativa al tradizionale trasduttore piezoelettrico bulk, perché consentono di ottenere lo steering, la focalizzazione e la scansione del fascio, che portano vantaggi nella riduzione dei tempi di test e una migliore affidabilità e qualità delle misurazioni. L'array indagato è composto da 16 elementi, schematizzati come piastre circolari incastrate composte da più strati di diversi materiali; il dispositivo è stato progettato e prodotto da STMicroelectronics, infatti questa tesi è stata scritta durante uno stage di un anno reso possibile grazie alla collaborazione tra STM e Politecnico di Milano. La completa caratterizzazione del dispositivo è stata eseguita attraverso lo studio del comportamento sia meccanico che acustico; per la caratterizzazione meccanica sono stati utilizzati COMSOL Multiphysics e Polytec MSA 500 e per la caratterizzazione acustica sono stati utilizzati FOCUS e un microfono rispettivamente per simulazioni e misurazioni sperimentali. Infatti, la caratteristica dell'intera tesi è il parallelismo e il confronto tra simulazioni e misurazioni. Innanzitutto sono stati creati tre modelli in COMSOL: un modello con una membrana, per individuare tutte le impostazioni e le condizioni necessarie per avvicinarsi alla realtà, un modello con due membrane, per dimostrare l'influenza che una membrana esercita sull'altra, un modello con l'intero array 4x4, per avere un confronto valido con i risultati sperimentali; quindi sono state eseguite misurazioni sperimentali utilizzando Polytec MSA 500 utilizzando configurazioni di vibrometria e profilometria per valutare le frequenze di risonanza, le modalità di vibrazione, la configurazione statica, la vibrazione dovuta al segnale di guida dinamico e per confrontare i risultati con le simulazioni. Durante la fase di post-elaborazione, gli effetti del cross-talk sono stati riconosciuti e analizzati in dettaglio per capire come possono essere controllati. La diffusione di array di MUT (Micromachined Ultrasonic Transducer) è strettamente legata al fenomeno del cross-talk, definito come l'interazione tra elementi tramite aria, solido o segnale elettrico, studiato durante questa ricerca. Per lo studio del dominio acustico con FOCUS, le analisi numeriche sono state effettuate tenendo conto degli effetti di cross-talk e valutando la propagazione dell'onda acustica generata dalle membrane vibranti; infine, i risultati ottenuti sono stati confrontati con le acquisizioni effettuate con il microfono ottico ETA450 Ultra.