Modélisation et caractérisation de transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés appliqués à la réalisation de transformateurs pour l'isolation galvanique

par Jacques Heller

Thèse de doctorat en Sciences de l'Ingénieur

Sous la direction de Dominique Certon.

Soutenue le 09-11-2018

à Tours , dans le cadre de École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire) , en partenariat avec Laboratoire GREMAN (Tours) (équipe de recherche) et de École polytechnique universitaire (Tours) (laboratoire) .

Le président du jury était Isabelle Dufour Dabadie.

Le jury était composé de Dominique Certon, Isabelle Dufour Dabadie, Daniel Alquier.

Les rapporteurs étaient Joseph Lardies, Dejan Vasic.

mots clés

• CMUT
• Transformateur acoustique
• Isolation galvanique
• Éléments finis
• FEM
• Couplage au substrat
• Caractérisation du rendement
• Transducteurs ultrasonores
• Corrosion électrochimique
• Micro-usinage
• Silicium -- Substrats
• Transformateurs électriques
• Circuits à couplage de charge
• Impédance électrique
• Résistance des matériaux

Résumé

Ces travaux présentent l'étude de transformateurs par voie acoustique, basés sur la technologie CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer ), visant à développer des composants monolithiques assurant l'isolation électrique au sein de la commande des interrupteurs à semi-conducteurs. S'agissant de microsystèmes électromécaniques, les CMUTs offrent des perspectives intéressantes en terme d'intégrabilité monolithique avec les interrupteurs à semi-conducteurs. L'architecture proposée est constituée de deux transducteurs CMUTs de part et d'autre d'un substrat en silicium. Un outil de modélisation a été développé dans le but de prédire le comportement du transformateur. Des protocoles de mesure du rendement des dispositifs fabriqués ont été mis en place permettant une évaluation quantitative des performances des prototypes (un rendement de 32 % est atteint avec une marge de progression à 60 %). L'exploitation du modèle développé, et validé par les résultats de caractérisation, a permis de mettre en évidence les limites et perspectives d'amélioration de ces dispositifs.

mots clés

• CMUT
• Acoustic transformer
• Galvanic isolation
• Finite elements
• FEM
• Substrate coupling
• Power efficiency assessment

Titre traduit

Modelling and caracterization of capacitive micromachined ultrasonic transducers for the conception of galvanically isolated transformers

Résumé

This work is a study of CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transduer)based acoustical transformers as a step in the development of insulating components in semiconductor switches control chain. CMUT transducers being electromechanical systems (MEMS), their monolithic integration with semiconductor switches is full of interesting perspectives . The proposed architecture consists of two CMUTs layered on each side of a silicon substrate. A computational tool was designed to predict the behaviour of the transformer. Measurement protocols of the power efficiency of the constructed transformers were set up and allowed to quantify the prototypes' performances (A 32 % efficiency is currently reached, with improvements attainable up to 60 %). Exploring the results of the developed model, validated by bench measurements, allowed to determine the current limits of the transformers as well as perspectives of improvement.