Conception, modélisation et évaluation de sondes ultrasonores appliquées à la bi-modalité, à base de polymères piézoélectriques.

par Igor Campos Vilas Boas

Projet de thèse en Sciences de l'Ingénieur

Sous la direction de Dominique Certon, Franck Levassort et de Rémi Rouffaud.

Thèses en préparation à Tours , dans le cadre de Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU , en partenariat avec Groupe de recherche en Matériaux, Microélectronique, Acoustique et Nanotechnologies (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    On s'attend, dans les prochaines années, à une révolution des dispositifs d'imagerie ultrasonore, avec l'arrivée, sur le marché, de composants ultrasonores intégrés regroupant, sur une même puce, des fonctions traditionnelles de conversion électroacoustique (en émission et en réception) et des briques d'électronique intégrée dont la complexité ne fera que croitre avec le temps : de la pré-amplification individuelle des récepteurs à l'architecture de commande du faisceau ultrasonore. Les technologies de conversion électroacoustique compatibles avec ces nouvelles approches sont les transducteurs micro-usinés (de type capacitif – CMUT ou piézoélectrique – PMUT). A cela, s'ajoutent les matériaux polymères piézoélectriques, dits PVDF (polyvinylidene difluoride) ou P(VDF-TrFE), dont les techniques récentes de structuration par machine jet d'encre, permettent d'envisager la fabrication de barrettes linéaires sur silicium, à l'échelle d'un wafer. Cette technologie offre un avantage indéniable face aux technologies concurrentes, elle nécessite des températures de fabrication qui n'excèdent pas 200 °C. On est donc capable de fabriquer le transducteur sur une puce silicium qui intègre une électronique de pré-amplification sans risque d'endommagement. Par ailleurs, ces matériaux sont de formidables récepteurs acoustiques qui offrent des bandes passantes bien supérieures aux autres technologies pour couvrir plusieurs plages de fréquences. Leurs performances en émission sont par contre moindres et pouvoir les associer à une autre technologie est certainement la meilleure voie actuellement pour les exploiter au mieux. C'est l'objectif de ce travail de thèse. Il s'agit de concevoir une sonde ultrasonore bi-modale, associant deux technologies. Une sonde ultrasonore bi-modale est un transducteur capable de réaliser deux fonctions. Ici, on aura une fonction émission plutôt « basses fréquences », autour de 10 MHz. Ces ultrasons, par propagation, génèrent des composantes non-linéaires qui ne peuvent être détectées par l'émetteur. La seconde fonction, de réception, va permettre de recevoir ces composantes non-linéaires. L'une est basée sur un émetteur CMUT pour la partie émission et l'autre, sur l'utilisation d'un réseau de récepteurs en PVDF. Des collaborations se feront notamment avec le laboratoire INSERM U1253 et deux partenaires industriels en support pour la fabrication de sonde CMUT et intégration, ainsi que pour le dispositif PVDF. Au-delà de la partie conception, ce travail de thèse devra permettre de dresser le cahier des charges d'une architecture électronique intégrée associée à ce type de transducteurs ultrasonores.

  • Titre traduit

    Design, modeling and evaluation of ultrasonic probes applied to bi-modality, based on piezoelectric polymers.


  • Résumé

    In the coming years, we expect a revolution in ultrasound imaging devices, with the arrival on the market of integrated ultrasound components combining, on the same chip, traditional electroacoustic conversion functions (in emission and reception) and bricks of integrated electronics whose complexity will only increase with time: from the individual pre-amplification of the receivers to the architecture of control of the ultrasonic beam. The electroacoustic conversion technologies compatible with these new approaches are micro-machined transducers (capacitive type - CMUT or piezoelectric - PMUT). In addition, there are piezoelectric polymer materials, known as PVDF (polyvinylidene difluoride) or P (VDF-TrFE), whose recent techniques of structuring by inkjet machine, make it possible to envisage the production of linear bars on silicon, on the scale of a wafer. This technology offers an undeniable advantage over competing technologies, it requires manufacturing temperatures that do not exceed 200 ° C. We are therefore able to manufacture the transducer on a silicon chip which integrates pre-amplification electronics without risk of damage. In addition, these materials are great acoustic receivers that offer bandwidths far superior to other technologies to cover several frequency ranges. On the other hand, their emission performance is lower and being able to combine them with another technology is certainly the best way at present to exploit them to the best. This is the objective of this thesis work. It involves designing a bi-modal ultrasound probe, combining two technologies. A bi-modal ultrasonic probe is a transducer capable of performing two functions. Here, we will have a transmission function rather "low frequencies", around 10 MHz. This propagation ultrasound generates non-linear components that cannot be detected by the transmitter. The second function, reception, will make it possible to receive these non-linear components. One is based on a CMUT transmitter for the transmission part and the other on the use of a PVDF receiver network. Collaborations will be made in particular with the INSERM U1253 laboratory and two industrial partners in support for the manufacture of CMUT probe and integration, as well as for the PVDF device. Beyond the design part, this thesis work should make it possible to draw up the specifications for an integrated electronic architecture associated with this type of ultrasonic transducers.