Numerical modelling and simulation of large PMUTs arrays for medical applications.

This thesis focuses on the characterization and modeling of a piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer (pMUT) for the PROUD project using FEM analysis. The initial section introduces the pMUT device and its general applications, with a specific focus on medical ultrasound scanning, outlining the design parameters required. Following this, the fabrication techniques and relevant materials are discussed. The governing equations for the main domains (solid mechanics, electrostatics, shell elements, and acoustics) are detailed, along with an introduction to FEM and the tools used to accurately model the device in COMSOL Multiphysics. The core of the thesis addresses the challenges of simulating one of the 64 complex 184-pMUT elements composing the array, in water, focusing on minimizing computational complexity. To achieve this, a reference 3D model of a single pMUT was developed and compared with two simplified models. The first was a 3D simplified geometry aimed at reducing complexity of meshing phase, reducing consequently degrees of freedom in the structural part. The second was a reduced-order model (ROM) combining solid domains and shell elements, further reducing system complexity without reducing accuracy of modellation. A 2x2 pMUT unit was characterized and analyzed using the 3D and 3D-Shell model, demostrating again good results in ROM. Finally, a full 184-element pMUT array was modeled with shell elements to simulate transmission (TX) at 10 mm in water, and the results were compared to experimental data in similar conditions.

Questa tesi si concentra sulla caratterizzazione e modellazione di un micro trasduttore piezoelettrico a ultrasuoni (pMUT) per il progetto PROUD tramite l'utilizzo dell'analisi ad elementi finiti (FEM). Nella parte iniziale del lavor viene introdotto il dispositivo e le sue applicazioni generali, con particolare attenzione alle applicazioni mediche di imaging ad ultrasuoni, delineando i parametri di progettazione richiesti. Successivamente, le tecniche di fabbricazione e i materiali pertinenti alla struttura del dispositivo sono rispettivamente delineati. Nella parte introduttiva finale, sono desritte le equazioni fondamentali per i principali domini interagenti tra loro (meccanica dei solidi, elettrostatica, elementi shell e acustica), insieme a un'introduzione agli elementi finiti e agli strumenti utilizzati per modellare accuratamente il dispositivo in COMSOL Multiphysics. L'obbiettivo e parte più importante della tesi è la creazione di un modello in grado di simulare un intero element di 184 pMUT dei 64 che compongono l'array del pMUT di riferimento. Per raggiungere questo obiettivo, è stato sviluppato un modello 3D di riferimento del pMUT e confrontato con due modelli semplificati, volti a interagire meglio con la complessità del sistema e la potenza computazionale utilizzabile per questo lavoro di tesi. Il primo è una geometria 3D semplificata mirata a poter analizzare nel dettaglio la mesh della parte meccanica del dispositivo, riducendo così i gradi di libertà strutturali. Il secondo è un modello a ordine ridotto (ROM) che combina domini solidi ed elementi shell, riducendo ulteriormente la complessità del sistema. Un'unità 2x2 pMUT è stata caratterizzata e analizzata utilizzando i due modelli ridotti. Infine, un array pMUT completo da 184 elementi è stato modellato con elementi shell per simulare la trasmissione (TX) a 10 mm in acqua, confrontando i risultati con dati sperimentali nelle condizioni più simili possibili.