Studio e simulazione di sistemi di micro-beamforming per ecografia 2D/3D con sonda CMUT

The project described in this thesis, developed at STMicroelectronics Srl, is involved in the European project DeNeCor, as one of the expected results is to develop an ultrasound neuronavigation system, minimally invasive and based on new generation Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (CMUT), where the probe has to be the most miniaturized as possible. Target of the thesis is to achieve a study aimed at decreasing the Application Specific Integrated Circuit (ASIC) area of the electroacoustic module, composed of the transducer and the front-end electronics, thanks to a system implementation. In literature tridimensional real time analysis, where the object of study is a bidimensional matrix, are uncommon and the system analysis on which the thesis is focused, concerns the reception of the ultrasound signal. The reception chain is composed of CMUT, made thanks to a micro-fabrication process, which allows precision and automation proper of micro-electronics, that can be directly integrated in CMOS process, in order to reduce 10 times the parasitic capacities between the device and ASIC compared with piezoelectric transducer. This means that the transducer is characterized by thermal dissipation 10 times lower and this feature is fundamental according to DeNeCor constraints. Then, the amplification block in the reception stage has been analyzed concerning a particular circuit, called Variable-Gain-Low-Noise-Amplifier, developed at the University of Pavia, that firstly allows a fixed gain amplification of the signal and then compensates the tissue attenuation. In Matlab® environment, the model which simulates the four steps that characterize the specific amplifier and that are repeated for each sample of the signal, has been developed: the variation of the exponential amplification stage is related to the depth from where the signal comes from. Each of the amplified signals is then passed through a phase shifter, aiming at realigning in time all the received signals from different depths through different delays , a summator, in order to reduce the number of coaxial cables from the probe to the processor and the area of the ASIC, and an Analog to Digital Converter (ADC) that constitute the micro-beamforming function during reception. Digital implementation of delays is fundamental as it determines the bit number needed to represent them and esteems the amplitude of the memory register, that implies a cost in terms of area. Among the different architectures reported in literature, proposed in order to realized the phase shifter, this thesis evaluates the Frequency Independent Phase Shifter. The sensitivity analysis related to CMUT has confirmed the suitability of the approximation, according to Mason model, of the transducer behavior and that the geometric parameters which mostly influence the value of the specific mechanical impedance and the reception transfer function, are the radius and the thickness of the membrane. The model of the VGLNA fits the applications needed by DeNeCor and the results obtained thanks to the model developed in Matlab® have been compared to ELDO simulations made at the University of Pavia: the implemented script is suitable to represent the behavior of the VGLNA. Delays analysis establishes that a circular array is better than a square one and the analysis of the Frequency Independent Phase Shifter has determined its unacceptableness according to the constraints of DeNeCor project as little variations from the nominal value of the capacity and the regulation of the bias currents mean an incorrect alignment of the received signals.

Lo studio su cui verte questo lavoro di tesi, svolto presso la STMicroelectronics Srl, è inserito nell'ambito del progetto europeo DeNeCor, per il quale uno dei risultati attesi è quello di realizzare un sistema di neuronavigazione a ultrasuoni, minimamente invasivo e basato su trasduttori capacitivi, Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (CMUT), di ultima generazione, la cui sonda deve essere miniaturizzata il più possibile. Obiettivo della tesi è realizzare uno studio orientato a diminuire l’area dell’Application Specific Integrated Circuit (ASIC) del modulo elettroacustico, costituito dal trasduttore e dall’elettronica di front-end, grazie ad un’implementazione di sistema. In letteratura analisi tridimensionali real time, in cui l’oggetto di studio è una matrice bidimensionale, sono rare e l’analisi di sistema su cui si focalizza il lavoro di tesi riguarda la fase di ricezione del segnale. La catena di ricezione è composta dal CMUT, realizzato grazie a processi di micro-fabbricazione, che permettono di ottenere la precisione e l'automazione proprie della micro-elettronica, che possono essere direttamente integrati nel processo CMOS, al fine di ridurre di un fattore 10 le capacità parassite tra il dispositivo e l'ASIC rispetto ad un trasduttore capacitivo. Ciò implica che il trasduttore è caratterizzato da una dissipazione termica 10 volte minore e tale caratteristica risulta fondamentale per le specifiche che caratterizzano il progetto DeNeCor. Quindi, il blocco di amplificazione è stato analizzato in riferimento ad un particolare circuito, chiamato Variable-Gain-Low-Noise-Amplifier, sviluppato presso l'Università di Pavia, che permette sia un'amplificazione a guadagno fisso sia la compensazione dell'attenuazione tissutale. In ambiente Matlab® è stato sviluppato il modello che simula le quattro fasi che caratterizzano l'amplificatore oggetto di studio, cui è sottoposto ciascuno dei campioni del segnale d'ingresso: la variazione della fase di amplificazione esponenziale è funzione della profondità da cui proviene l'eco. Ciascuno dei segnali amplificati è sottoposto ad un rifasatore, il cui scopo è di riallineare nel tempo tutti i segnali ricevuti da profondità differenti attraverso ritardi adeguati, ad un sommatore, al fine di ridurre il numero di cavi coassiali che connettono la sonda alla macchina principale e l'area dell'ASIC, e ad un Analog to Digital Converter (ADC) che costituiscono la funzione di micro-beamforming in ricezione. L'implementazione digitale dei ritardi è fondamentale per determinare il numero di bit necessario per rappresentarli e stimare l'ampiezza del registro, che implica un costo in termini di area. Tra le differenti architetture presenti in letteratura, proposte al fine di realizzare il rifasatore, questo lavoro di tesi valuta il Frequency Independent Phase Shifter. L'analisi di sensibilità, relativa al CMUT ha confermato l'adeguatezza dell'approssimazione, secondo il modello di Mason, del comportamento del trasduttore e le grandezze geometriche che influiscono maggiormente sul valore dell'impedenza meccanica specifica e sulla funzione di trasferimento in ricezione, sono il raggio e lo spessore della membrana del CMUT. Il VGLNA su cui si basa il modello sviluppato risulta adeguato alle applicazioni necessarie al progetto DeNeCor e i risultati ottenuti grazie al modello sviluppato in Matlab® sono stati paragonati con le simulazioni realizzate grazie ad ELDO presso l’Università degli studi di Pavia: lo script implementato si rivela adeguato alla descrizione del comportamento del VGLNA. L'analisi dei ritardi ha stabilito che un array di trasduttori circolare è migliore rispetto alla geometria quadrata e l'analisi del Frequency Independent Phase Shifter ha determinato l'inaccettabilità della stessa alle specifiche del progetto DeNeCor poiché anche piccole variazioni del valore nominale della capacità e della regolazione delle correnti di bias comportano uno scorretto rifasamento dei segnali ricevuti.