Livre blanc : Analyse européenne sur les MEMS ultra-sons

L’Europe est à la pointe du développement des transducteurs à ultrasons. Dans ce livre blanc, les résultats d’une étude comparative pan-européenne unique sur les transducteurs ultrasonores micro-usinés sur silicium (MUTs) sont présentés. Voici les entreprises et institutions européennes ayant participé à ce benchmark : CEA Leti, Fraunhofer IPMS, Imec, la Fondation de recherche Kessler, Philips, Université de Rome III, Silex Microsystems AB, Vermon et le Centre de recherche technique de Finlande.

Afin de comparer les transducteurs ultrasonores, un ensemble de dispositifs de test standard a été défini. Tous les dispositifs de test CMUT et PMUT ont été caractérisés électriquement (mesures d’impédance) et acoustiquement (mesures à l’hydrophone et en pulse-echo), en suivant des protocoles de mesure communs. Des paramètres de performance pertinents (sensibilités, bandes-passantes, taux de distorsion harmonique) ont été extraits des résultats de mesure obtenus afin d’évaluer la maturité des technologies testées. Les résultats de cette étude ont été utilisés pour évaluer la pertinence de chacune des technologies par rapports aux applications médicales les plus courantes, telles que l’échocardiographie, les imagerie gynécologie, vasculaire, intracardiaque, intravasculaire, l’ablation thérapeutique et les applications portables (patchs ou Point of Care).

Les résultats globaux de l’étude comparative sont :

• Une forte différence dans le niveau de maturité des technologies CMUT et PMUT a été constatée. Ceci peut s’expliquer en partie par les différents niveaux d’expertise quant au design de ce type de transducteurs : certains partenaires sont forts d’une expérience de plus de 10 ans, tandis que d’autres ont réalisé ce type de dispositifs pour la première fois dans le cadre de ce projet. Néanmoins, les technologies CMUT ont montré un niveau de maturité dans l’ensemble supérieur à celui des technologies PMUT.
• Les transducteurs CMUT les plus aboutis ont fait montre des meilleures performances globales en pulse-echo, indépendamment du fait qu’ils aient été désignés pour opérer en régime conventionnel ou collapsé. Les CMUTs opérant en régime collapsé ont été capables de délivrer la plus forte pression de surface, alors que les CMUTs opérant en régime conventionnel ont démontré une meilleure sensibilité en réception.
• Les CMUT ont proposé une bande passante plus large que les PMUT dans cette étude. Ceci pourrait s’expliquer par la plus grande flexibilité de design des membranes CMUT, comparées aux membranes PMUT.
• Les PMUT PZT ont présenté la plus forte pression de surface, comparable à celle produite par les CMUTs en mode collapsé. De plus, cette forte pression a été obtenue avec des tensions de commande plus faibles, démontrant une meilleure sensibilité en émission. Enfin, cette technologie a démontré le plus faible taux de distorsion harmonique.
• Les PMUT ne nécessitent pas (ScAlN et AlN) ou peu de tension de polarisation (polymère et PZT).

Les technologies CMUT les plus abouties sont à un niveau tel qu’elles peuvent être utilisées dans la plupart des applications cliniques, de par leur forte pression de surface, leur sensibilité et leur large bande passante. Les larges bandes passantes des CMUT permettent la réalisation d’une imagerie ultrasonore haute résolution. Les PMUT PZT montrent un réel potentiel d’utilisation pour des applications thérapeutiques. Si cette technologie mûrie davantage et si sa sensibilité est améliorée, elle a le potentiel pour couvrir un large éventail d’applications de diagnostic. Les PMUT AlN et ScAlN ne contiennent pas de plomb, ne requiert pas de tension DC et sont donc très attractifs pour les applications d’implants médicaux et de patchs. Avec les PMUT ScAlN, il est possible d’obtenir des coefficients de couplage plus élevés que les PMUT AlN. Si le procédé de fabrication et l’orientation polycristalline sont encore améliorés, les PMUT ScAlN pourrait devenir très intéressant pour ces applications médicales. D’autres technologies PMUT doivent encore mûrir afin d’être utilisées pour des applications thérapeutiques ou l’imagerie ultrasonore.

En raison de leurs caractéristiques et leur force, les CMUT et PMUT continueront de coexister, en alimentant leurs domaines d’application. Les deux technologies utilisent des semiconducteurs et sont donc beaucoup plus adaptés à la miniaturisation, l’intégration et à la production élevée à faible coût que les technologies de pointe basées sur la céramique piézo-électrique.