Modeling and characterization of nonlinear phenomena in circular capacitive micromachined ultrasonic transducers with geometrical imperfections

par Aymen Jallouli

Thèse de doctorat en Sciences pour l'Ingénieur

Sous la direction de Joseph Lardies et de Najib Kacem.

Soutenue le 01-02-2018

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) , Université de Franche-Comté (Etablissement de préparation) et de Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Thomas.

Le jury était composé de Joseph Lardies, Najib Kacem, Olivier Thomas, Sébastien Hentz, Cyril Touzé, Dominique Certon.

Les rapporteurs étaient Sébastien Hentz, Cyril Touzé.

  • Titre traduit

    Modélisation et caractérisation de phénomènes non linéaires dans des transducteurs ultrasoniques micro-usinés capacitifs circulaires avec des imperfections géométriques


  • Résumé

    Les microsystèmes, qui sont réalisés à partir de technologies micro-électroniques, connaissent un essor scientifique et technologique important grâce à leurs applications qui sont de plus en plus présentes dans la vie courante. Un des microsystèmes très en vogue est le transducteur ultrasonore capacitif micro-usiné, couramment appelé CMUT. Il est utilisé pour transmettre ou réceptionner des ondes ultrasonores et son domaine d’application est très vaste puisqu’on le trouve dans des sondes d’imagerie médicale, dans des hauts parleurs ultra directifs, pour le contrôle non destructif de matériaux… Dans la plupart des applications la puissance acoustique émise par le CMUT doit être très élevée ce qui implique que le CMUT va être utilisé en régime non-linéaire. En outre, même en utilisant des procédés de fabrication avancés, la microplaque mobile constituant le CMUT possède une déformation géométrique dans son état de repos. Il faudra par conséquent tenir compte des non-linéarités et des imperfections géométriques lors de l’analyse statique et dynamique du CMUT.Dans ce travail le modèle multiphysique d’un CMUT est développé en tenant compte des non-linéarités géométriques et électrostatiques ainsi que de la déflexion initiale de la microplaque. Les équations différentielles du mouvement de la microplaque, issues de la théorie des plaques de von Kármán, sont discrétisées spatialement en utilisant la méthode différentielle quadratique. La réponse statique d’un CMUT a été analysée à partir de simulations numériques et d’essais expérimentaux, en considérant des plaques planes et des plaques courbes et on montre qu’une déflexion initiale de la plaque conduit à une augmentation de la tension de pull-in. Le comportement dynamique non-linéaire du CMUT est analysé en discrétisant la variable temporelle et en utilisant la méthode des différences finies. En utilisant la technique de continuation arclength, nous déterminons la réponse en fréquence non-linéaire du CMUT. Suivant la valeur de la tension DC, le CMUT aura un comportement raidissant ou assouplissant. Une validation expérimentale du modèle numérique est réalisée en utilisant des microplaques planes et des microplaques courbes. En particulier nous montrons que l’utilisation de microplaques courbes, dues aux imperfections géométriques, change la réponse en fréquence du CMUT, passant d’un comportement raidissant à un comportement assouplissant, augmente le domaine de bi-stabilité et modifie la topologie de bifurcation.Le modèle numérique est par la suite étendu afin d’analyser les effets du film d’air sur le comportement dynamique de la microplaque en couplant les équations mécaniques du CMUT avec les équations de Reynolds du fluide. Les fréquences de résonance du problème multiphysique sont obtenues par résolution d'un système linéaire amorti. La validation expérimentale et numérique du modèle est effectuée en déterminant les fréquences de résonance du CMUT à des pressions différentes. Nous montrons que l’air comprimé change la réponse dynamique du CMUT par l’ajout d’une raideur et d’un amortissement. La diminution de la pression conduit à une diminution de la fréquence de résonance du système couplé et tend vers la fréquence de résonance de la microplaque. D'autre part la réponse en fréquence du système devient non-linéaire due à la diminution du coefficient d'amortissement. A la pression atmosphérique, on montre que le CMUT a un comportement non-linéaire de type assouplissant lorsque les excitations sont élevées. Le modèle numérique développé est un outil efficace pour analyser les CMUTs et augmenter leurs performanaces.


  • Résumé

    Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have attracted the interest of scientists and engineers thanks to the variety of their applications and their significant roles in our real life. One of the most important microsystems is the capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT), which is used for transmitting ultrasonic waves, for instance in medical imaging and therapy. In such applications, a high-transmitted acoustic power is needed which implies driving the CMUT in the nonlinear regime. Moreover, from a manufacturing point of view, the fabrication of a CMUT with a flat surface is extremely difficult even with the recent advances in the fabrication process. Modeling this type of microsystem while including the main sources of nonlinearities and geometric imperfections is a challenging step in understanding its static and dynamic behavior.In this thesis, a multiphysics model of imperfect CMUTs is developed taking into account the geometric and electrostatic nonlinearities. The governing equations of motions are derived from the von Kármán plate theory and spatially discretized using the Differential Quadrature Method (DQM). For the static response, numerical simulations and experimental characterizations have been conducted on flat and curved CMUTs, showing that a positive initial deflection leads to an increase in the pull-in voltage. The nonlinear dynamic behavior of a CMUT is studied by discretizing the time variable using the Finite Difference Method (FDM). The nonlinear frequency and force responses have been determined by combining FDM with the arclength continuation technique. It is shown that the CMUT can exhibit a hardening or softening behavior depending on the DC voltage. An experimental validation of the numerical model is performed for the case of flat and curved microplates. We demonstrate that the geometric imperfection modifies the nonlinear frequency response of a CMUT from hardening to softening, increases its bistability domain and permits the tuning of its bifurcation topology.The numerical model is extended to investigate the effect of an air film on the dynamic behavior of the microplate by coupling the nonlinear mechanical equations with the Reynolds equation. The complex resonance frequencies of the multi-physical problem are determined by solving the damped linear system. An experimental and numerical validation of the model is performed by determining the resonance frequencies at several static pressures. We demonstrate that the air film is able to modify the dynamic response of the CMUT by adding stiffness and damping. By decreasing the static pressure, the resonance frequency of the coupled problem decreases and becomes closer to the natural resonance frequency of the microplate. Moreover, the frequency response of the system becomes nonlinear due the decrease in the damping coefficient. At atmospheric pressure, the softening type behavior of the CMUT is obtained by applying high excitation levels. The presented numerical model is a very efficient tool to understand the nonlinear dynamic behavior CMUTs and to enhance their performances.

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  • Sous le titre : Modeling and characterization of nonlinear phenomena in circular capacitive micromachined ultrasonic transducers with geometrical imperfections
  • Détails : 1 Vol.(177p.)
  • Annexes : Bibliogr.p.151-170
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