Conception et réalisation de capteurs ultrasonores en configuration matricielle

par Elisabeth Lacaze

Thèse de doctorat en Sciences de l'ingénieur. Acoustique

Sous la direction de Léandre Pourcelot.

Soutenue en 1999

à Tours .

mots clés

• Transducteurs ultrasonores
• Composites à matrice céramique
• Couplage acoustique
• Émission acoustique

Résumé

Les réseaux matriciels de transducteurs ultrasonores présentent un fort intérêt pour l'amélioration de la qualité des images échographiques. Cette thèse est une contribution au développement de capteurs ultrasonores en configuration matricielle. Deux méthodes permettant d'abaisser l'impédance électrique des éléments de matrice ont été mises en oeuvre puis évaluées. La première solution réside dans la mise en place d'une structure multicouche piézoélectrique. Les mesures expérimentales est les simulations ont montrés un comportement mécanique caractéristique lié à la rupture d'impédance acoustique créée par la présence de la couche de colle. La deuxième solution envisagée est l'utilisation de céramiques électrostrictives et de céramiques piézoélectriques à haut ensemble ont été caractérisées. Des réseaux matriciels ont ensuite été réalisés puis caractérisés pour déterminer le gain obtenu en terme d'impédance électrique et de sensibilité de la réponse électroacoustique. Dans la deuxième partie de ce travail, nous présentons des prototypes complets réalisés en configuration 1,5D (384 éléments connectés et fonctionnant à 3,5 MHz et 7,5 MHz) aussi bien que 2D (576 éléments connectés, fonctionnant à 0,5MHz). Sur le plan technologique, des solutions spécifiques ont été apportées en terme de micro-usinage et de connectique haute densité. Ces réseaux ont été caractérisés en termes de performances électroacoustique, de couplage et de rayonnement. Le réseau 2D est destiné à des applications d'ostéodensitométrie. Il a permis in vitro les premières images en transmission sur des échantillons de calcaneum.

Titre traduit

Designing and developping matricial ultrasonic transducers

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Résumé

2D ultrasonic arrays are of great interest for the improvement of ultrasound image quality. This thesis is a contribution to the development of two-dimensional ultrasonic transducer systems. Two methods of lowering the electric impedance of the 2D arrays were implemented, then evaluated. A first solution lies in the use of stacked piezoelectric layers. Experimental measurements and simulation revealed a characteristic mechanical behavior connected to te discontinuity in acoustic impedance created by the presence of the bonding layer. A second solution lies in the use of high permitivity ceramic. The specific properties of relaxor and high dielectric constant ceramics were examined. 2D systems were then developped and measurements were carried out to evaluate the improvements achieved in terms of electric impedance and electro-acpistoc response sensitivity. In the second part of this work, we tested fully functional prototypes of 1,5D arrays (384 elements connected at 3. 5 and 7. 5 MHz) as well as 2D arrays (576 elements connected at 0. 5 MHz). On the technological level, specific solutions were developped regarding micromachining and high density interconnections. These systems were characterized in terms of electro-acoustic performance, crosstalk and beampattern. The 2D systems are intended for applications in bone densitometry imaging, and have made it possible to obtain the first parametric in-vitro images of a human calcaneum.