Efficient modeling and innovative applications of Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers (PMUT)

Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers (PMUTs), enabled by MEMS technology, offer compelling advantages for compact, integrated ultrasonic arrays across diverse applications, operating in both actuation and sensing modes, including medical imaging, non-destructive testing, air-based range finding, fingerprint sensing, and other advanced sensing and actuation systems. However, the design and deployment of large, dense PMUT arrays face significant interconnected challenges: accurately predicting and mitigating mutual acoustic interactions, or acoustic crosstalk, among elements; expanding their operational scope into novel domains such as Structural Health Monitoring (SHM) of solid structures and battery-free wireless sensing; and overcoming the prohibitive computational cost of high-fidelity simulations for array-level behavior. This thesis presents a multi-faceted investigation aimed at overcoming these limitations through a combination of theoretical analysis, advanced numerical modeling, and experimental validation. Firstly, acoustic crosstalk in densely packed PMUT arrays is comprehensively characterized. Combining finite element simulations and laser Doppler vibrometry measurements on a realistic, non-uniform array, the thesis quantifies how mutual acoustic impedance, mediated by shared fluid domains, introduces secondary resonance peaks, beat-like interference, prolonged ring-down, and degrades far-field directivity. This work experimentally validates the dominance of acoustic coupling and connects observed phenomena to analytical solutions based on the classical mutual impedance theory. Secondly, the thesis explores and demonstrates the feasibility of two innovative PMUT array applications by tackling domain-specific technical challenges. A methodology is developed and validated for utilizing PMUT arrays in SHM, specifically for solid structures like bolted joints—a domain where PMUT arrays have not been extensively explored. This approach leverages the acoustoelastic effect to monitor pre-tension through ultrasonic time-of-flight measurements. This is supported by a multi-physics computational framework linking bolt mechanics, acoustoelasticity, and PMUT transduction, corroborated by experimental UT on bolted specimens. Simultaneously, a novel approach for battery-free, far-field acoustic sensing is demonstrated by synergistically integrating a sensitive Scandium-doped Aluminum Nitride (ScAlN) pMUT array with a passive subharmonic radio-frequency (RF) tag. This paradigm pioneers the use of nonlinear parametric frequency conversion within the Subharmonic Tag (SubHT), driven solely by incident RF power, to modulate and wirelessly transmit detected acoustic information via subharmonic sidebands over significant distances, establishing a feasible architecture for hybrid RF-acoustic sensor nodes devoid of internal power sources. Thirdly, to address the computational bottleneck in array design, a computationally efficient Hybrid Solid-Shell Reduced-Order Model (HSS-ROM) is developed, implemented, and rigorously validated. This ROM strategy employs First-Order Shear Deformation Theory (FSDT) shell elements for passive structural layers while retaining 3D solid elements for the active piezoelectric layer and substrate. Systematic comparisons with converged full-order models and alternative advanced ROMs, complemented by experimental validation in pulse-echo (NDT) and acoustic transmission (biomedical imaging) scenarios, confirm the HSS-ROM's ability to accurately predict array dynamics, fluid loading effects, and near-field interactions with substantial computational savings (over 30-50x DOF reduction demonstrated), establishing it as a powerful tool for large-scale PMUT array analysis. Collectively, this research provides fundamental insights into PMUT array behavior, expands their potential application space into critical domains like SHM and passive wireless sensing, and delivers powerful, validated computational tools for their design and optimization.

Trasduttori Ultrasonici Microlavorati Piezoelettrici (PMUT), abilitati dalla tecnologia MEMS, offrono vantaggi convincenti per array ultrasonici compatti e integrati in applicazioni eterogenee, operando sia in modalità di attuazione sia di rilevamento, tra cui imaging medico, prove non distruttive, telemetria in aria, rilevamento di impronte digitali e altri sistemi avanzati di sensing e attuazione. Tuttavia, la progettazione e l’impiego di array di PMUT di grandi dimensioni e ad alta densità affrontano sfide interconnesse significative: prevedere con accuratezza e mitigare le interazioni acustiche reciproche, o diafonia acustica, tra gli elementi; espandere il loro campo operativo verso domini inediti quali il Monitoraggio dell’Integrità Strutturale (SHM) di strutture solide e il sensing wireless senza batteria; e superare l’elevato costo computazionale delle simulazioni ad alta fedeltà del comportamento a livello di array. Questa tesi presenta un’indagine a più sfaccettature volta a superare tali limitazioni mediante una combinazione di analisi teorica, modellazione numerica avanzata e validazione sperimentale. In primo luogo, la diafonia acustica in array di PMUT densamente compatti è caratterizzata in modo esaustivo. Combinando simulazioni agli elementi finiti e misure di vibrometria laser Doppler su un array realistico e non uniforme, la tesi quantifica come l’impedenza acustica mutua, mediata da domini fluidi condivisi, introduca picchi di risonanza secondari, interferenze tipo battimento, prolungati tempi di decadimento (ring-down) e degradi la direttività in campo lontano. Questo lavoro valida sperimentalmente il ruolo dominante dell’accoppiamento acustico e collega i fenomeni osservati a soluzioni analitiche basate sulla teoria classica dell’impedenza mutua. In secondo luogo, la tesi esplora e dimostra la fattibilità di due applicazioni innovative degli array di PMUT affrontando sfide tecniche specifiche di dominio. Viene sviluppata e validata una metodologia per l’impiego di array di PMUT nell’SHM, in particolare per strutture solide come le giunzioni bullonate—un ambito in cui gli array di PMUT non sono stati ancora ampiamente esplorati. Questo approccio sfrutta l’effetto acustoelastico per monitorare il precarico attraverso misure del tempo di volo ultrasonico. Il tutto è supportato da un quadro computazionale multifisico che collega la meccanica del bullone, l’acustoelasticità e la trasduzione dei PMUT, corroborato da controlli ultrasonori (UT) su provini bullonati. Contestualmente, viene dimostrato un approccio inedito al sensing acustico in campo lontano e senza batteria integrando sinergicamente un array di pMUT in Scandium-doped Aluminum Nitride (ScAlN) ad alta sensibilità con un tag a radiofrequenza (RF) passivo subarmonico. Questo paradigma pionierizza l’uso della conversione parametrica di frequenza non lineare all’interno del Subharmonic Tag (SubHT), azionato unicamente dalla potenza RF incidente, per modulare e trasmettere in modalità wireless l’informazione acustica rilevata tramite bande laterali subarmoniche su distanze significative, delineando un’architettura praticabile per nodi sensoriali ibridi RF–acustici privi di sorgenti di alimentazione interne. In terzo luogo, per affrontare il collo di bottiglia computazionale nella progettazione degli array, viene sviluppato, implementato e rigorosamente validato un Modello Ridotto Ibrido Solido–Shell (HSS-ROM) computazionalmente efficiente. Questa strategia ROM impiega elementi shell con teoria FSDT per gli strati strutturali passivi, mantenendo elementi solidi 3D per lo strato piezoelettrico attivo e il substrato. Confronti sistematici con modelli a ordine pieno convergenti e con ROM avanzati alternativi, completati da validazione sperimentale in scenari di impulso–eco (CND/NDT) e trasmissione acustica (imaging biomedico), confermano la capacità dell’HSS-ROM di prevedere con accuratezza la dinamica dell’array, gli effetti di carico fluido e le interazioni di campo vicino, con notevoli risparmi computazionali (riduzione dei gradi di libertà nell’ordine di 30–50×, dimostrata), affermandolo come strumento potente per l’analisi di array di PMUT su larga scala. Complessivamente, questa ricerca fornisce intuizioni fondamentali sul comportamento degli array di PMUT, ne amplia lo spazio applicativo verso domini critici come l’SHM e il sensing wireless passivo, e offre strumenti computazionali potenti e validati per la loro progettazione e ottimizzazione.