Introduction aux microsystèmes acoustiques et au retournement temporel

L’acoustique est une discipline qui fait partie de la mécanique classique et qui concerne la propagation élastique des ondes mécaniques. Ces ondes sont générées par un corps oscillant dont les vibrations se propagent de proche en proche à travers un milieu élastique (gaz, liquide ou solide). Les vibrations des nombreuses particules du milieu autour de leurs positions d’équilibres peuvent se faire dans une direction colinéaire ou perpendiculaire à la direction dans laquelle l’onde se propage. On qualifie d’ondes longitudinales ou d’ondes transversales ce type particulier d’ondes. Il existe de nombreuses autres dénominations associées à des types de propagations spécifiques des ondes élastiques.

Comme tout type d’ondes, les ondes élastiques peuvent subir des phénomènes de réflexion ou de réfraction à l’interface de deux milieux de natures différentes et de diffusion par les hétérogénéités d’un milieu. Ces vibrations peuvent donner lieu à des frottements entre particules transformant une partie de l’énergie élastique en chaleur, on parle d’absorption de l’onde par le milieu. L’effet visible est une atténuation de l’amplitude de vibration au cours de la propagation.

Les ultrasons (US) sont des ondes élastiques particulières qui vibrent à des fréquences supérieures à 20 kHz, c’est-à-dire supérieures à la bande audible de l’oreille humaine. L’onde ultrasonore a été appliquée dans divers domaines, tels que, la mesure de distance, la détection sous-marine, la détection de défauts industriels, ainsi que dans les domaines de l’imagerie médicale et industrielle. Dans le domaine d’imagerie ultrasonore, les applications connaissent un grand développement depuis des dizaines d’années. Chaque technique a son principe de fonctionnement et sa limite de résolution. Dans ce chapitre, nous allons commencer par rappeler et citer quelques techniques d’imagerie mono et multi éléments.

Applications des ondes ultrasonores 

La technologie ultrasonore est largement utilisée comme méthode de détection non destructive et d’imagerie médicale. Le sonar, technique d’envoi d’ondes sonores dans l’eau et d’observation des échos de retour pour caractériser les objets immergés, a inspiré les premiers chercheurs en échographie à explorer des moyens d’appliquer le concept au diagnostic médical. En 1915, Paul Langevin a mené des recherches sur l’étude de la propagation des ondes ultrasonores dans l’eau pour différents matériaux [1]. En 1929 et 1935, Sokolov a étudié l’utilisation des ondes ultrasonores dans la détection d’objets métalliques. Mulhauser, en 1931, a obtenu un brevet pour l’utilisation d’ondes ultrasonores, utilisant deux transducteurs pour détecter les défauts dans les solides. Firestone (1940) et Simons (1945) ont développé des tests par ultrasons pulsés. Peu de temps après la fin de la Seconde Guerre mondiale, les frères Karl et Friedrich Dussik ont commencé à explorer les capacités de diagnostic médical de l’échographie. Les premiers instruments à ultrasons utilisaient une présentation suivant 3 modes [2] :

• Mode A-Scan (Amplitude) :
Il permet d’avoir un signal temporel pour chaque position du transducteur, et ainsi de caractériser un matériau dans la direction de propagation du faisceau. Il affiche l’amplitude des échos en fonction du temps de parcours.

• Mode B-Scan (Brightness) :
Il fournit des images bidimensionnelles d’une série de points et de lignes d’un plan vertical dans l’échantillon. Il suffit de déplacer un transducteur ou un réseau de transducteurs sur une coupe du matériau pour extraire l’information. L’intensité lumineuse de l’afficheur est modulée par l’amplitude du signal échographique. C’est le mode le plus utilisé en médecine.

• Mode C-Scan (Constant depth) :
Ce mode fournit des images bidimensionnelles à l’aide de 2 déplacements comme le mode BScan mais il permet l’imagerie d’un plan parallèle à la surface dans l’échantillon. Le transducteur se déplace dans deux directions parallèlement à la surface du substrat. Pour représenter une image à une profondeur donnée de l’échantillon, l’intensité lumineuse affichée sera modulée par l’amplitude du signal échographique pour un retard de propagation.

Les recherches sur les méthodes d’échographie menées au Japon était relativement inconnues aux États-Unis et en Europe jusqu’aux années 1950. Les chercheurs ont ensuite présenté leurs résultats à la communauté médicale internationale sur l’utilisation de l’échographie pour détecter les calculs biliaires, les masses mammaires et les tumeurs. En 1952, l’anglais J.J. Wild et l’américain J.M. Reid obtiennent les premières images par échographie d’un sein [3]. Le Japon a également été le premier pays à mettre en œuvre l’échographie Doppler, une application d’ultrasons qui détecte les objets ou fluides mobiles internes tels que le sang circulant dans le cœur à des fins d’investigation cardiovasculaire.

Les pionniers de l’échographie travaillant aux États-Unis ont apporté de nombreuses innovations et découvertes importantes dans le domaine au cours des décennies suivantes. Les chercheurs ont appris à utiliser l’échographie pour détecter un cancer potentiel et pour visualiser les tumeurs chez des sujets vivants et dans des tissus excisés. L’imagerie en temps réel, un autre outil de diagnostic important pour les médecins, présentait des images échographiques directement sur l’écran CRT du système au moment de la numérisation. L’introduction du Doppler spectral et du Doppler couleur plus tard a permis de représenter le flux sanguin dans différentes couleurs pour indiquer la vitesse et la direction du flux et de superposer cette représentation à l’imagerie des structures cardiaques ou des vaisseaux.

Les États-Unis ont également produit le premier scanner portatif à usage clinique, la deuxième génération d’équipement en mode B et le prototype du premier scanner portatif à bras articulé, produisant des images 2D. Les années 90 marquent le développement de l’échographie par la possibilité d’effectuer des échographies en 3D.

Applications d’imagerie

Imagerie ultrasonore par multi-élément

Imagerie médicale (échographie) :
L’imagerie par ultrasons est l’une des modalités d’imagerie médicale les plus largement utilisées de nos jours ; plus du quart des diagnostics d’imagerie réalisés dans le monde sont réalisés sous ultrasons et leur proportion ne cesse de croître. Le succès de l’échographie repose sur de nombreux facteurs, parmi lesquels son innocuité et le faible coût des scanners. Un scanner à ultrasons est principalement composé d’une sonde, qui émet et reçoit les échos, et du système de contrôle associé à un écran de visualisation. La sonde consiste en plusieurs éléments piézoélectriques disposés en ligne (réseau linéaire), en courbe (réseau convexe) ou en plusieurs lignes et colonnes (réseau matriciel 2D) .

La direction du faisceau est particulièrement importante pour les imageries cardiaques. Des sondes peuvent également être déplacées à la surface du corps, certaines sont conçues pour être insérées à travers diverses ouvertures du corps (vagin, rectum, œsophage) de manière à pouvoir se rapprocher de l’organe examiné (utérus, prostate, estomac).

Il y a plusieurs paramètres à considérer dans la reconstruction d’une image à partir de la géométrie de la sonde. Par exemple, dans le cas d’une sonde linéaire, les éléments du transducteur sont positionnés sur le plan de la surface de la sonde et les lignes de balayage sont parallèles les unes aux autres et perpendiculaires au plan de la sonde (voir la figure 1.5.a). Chaque point à l’intérieur du tableau RF est représenté par (i, j), où i et j sont respectivement les index de la ligne de balayage et de l’échantillon, (x = αT (i − i0) et y = αA j) sont les coordonnées métriques de tout point situé dans le tableau RF avec α? et α? sont respectivement les résolutions axiale et latérale. Dans le cas d’une sonde convexe, les éléments transducteurs sont positionnés le long de l’arc de la surface de la sonde et la direction des lignes de balayage est donc normale à cette surface courbe (Figure 1.5.b). (x = r sin (θ) et y = r cos (θ)) sont les coordonnées métriques de chaque point à l’intérieur du champ de vue de la sonde, où θ l’angle par rapport à l’axe y et r la distance du point à l’origine de ℱp.

Transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (CMUT) :
Depuis leur apparition au milieu des années 90 [5], les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) sont rapidement apparus comme une alternative aux transducteurs piézoélectriques classiques [6 – 9], en particulier dans le domaine de l’imagerie médicale [7, 10, 11]. L’élément de base d’un CMUT est une cellule à condensateur avec une électrode fixe (plaque arrière) et une électrode libre (membrane) (voir la figure 1.7). Le principe de fonctionnement est le mécanisme de transduction électrostatique bien connu. Si une tension alternative est appliquée entre la membrane et la plaque arrière, la modulation de la force électrostatique entraîne une vibration de la membrane avec génération d’ultrasons. Inversement, lorsque la membrane est soumise à une onde ultrasonore incidente, le changement de capacité peut être détecté sous forme de signal de courant ou de tension.

Une tension de polarisation en courant continu doit être utilisée en réception pour la détection du signal. Les sensibilités d’émission et de réception augmentent avec la tension de polarisation et elle réduit également les non-linéarités.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Introduction aux microsystèmes acoustiques et au retournement temporel
I.1. Introduction
I.2. Applications des ondes ultrasonores
I.3. Applications d’imagerie
I.3.1. Imagerie ultrasonore par multi-élément
I.3.1.1. Imagerie médicale (échographie)
I.3.1.2. Transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (CMUT)
I.3.1.3. Transducteurs ultrasonores piézoélectriques micro-usinés (PMUT)
I.3.1.4. Technique d’imagerie ultrasonore par une cavité réverbérante
I.3.2. Imagerie ultrasonore par mono-élément
I.3.2.1. La microscopie acoustique
I.3.2.2. Système d’imagerie ultrasonore 3D utilisant un seul capteur
I.3.2.3. Dispositif d’imagerie acoustique avec un seul transducteur
I.4. Retournement temporel (RT)
I.4.1. Cavité à Retournement Temporel
I.4.2. Miroir à retournement temporel (MRT)
I.4.3. Retournement Temporel dans un guide d’onde
I.4.4. Retournement Temporel dans une cavité chaotique fermée
I.5. Le microsystème acoustique envisagé pour l’application d’imagerie
I.6. Conclusion
Chapitre 2 : Etude acoustique et fabrication des transducteurs à base de ZnO
II.1. Introduction
II.2. Notion d’élasticité
II.3. Théorie de la propagation des ondes acoustiques
II.3.1. Équations des ondes acoustiques dans un milieu solide
II.3.2. Équations des ondes acoustiques dans un milieu piézoélectrique
II.4. Les conditions de continuité à l’interface de deux milieux différents
II.4.1. Réflexion et transmission des ondes acoustiques
II.4.1.1. Interface solide/solide
II.4.1.2. Interface solide/fluide
II.4.1.3. Interface solide/air
II.4.2. Propagation des ondes à travers un milieu multicouche
II.5. Modélisation des transducteurs piézoélectriques par le modèle de Auld
II.6. Micro-technologies pour la conception des microsystèmes
II.6.1. Photolithographie
II.6.2. Dépôt de couches minces
II.6.2.1. Techniques de dépôts par évaporation thermique
II.6.2.2. Techniques de dépôts par pulvérisation cathodique
II.6.2.3. Techniques de dépôt chimique en phase vapeur
II.7. Les étapes de fabrication des transducteurs à base de ZnO
II.8. Caractérisation des transducteurs
II.8.1. Paramètre mesuré
II.8.2. Caractérisation des transducteurs par traitement de signal
II.9. Dépôt de ZnO avec un axe c incliné par pulvérisation magnétron
II.10. Conclusion
Chapitre 3 : Etude d’adaptation électrique du transducteur
III.1. Introduction
III.2. Modèles électriques des transducteurs
III.3. Généralités sur l’adaptation d’impédance
III.3.1. Principe de l’adaptation électrique
III.3.2. Approche de Bode-Fano
III.4. Filtres
III.4.1. Filtre d’ordre 2 (transformateur LC)
III.4.2. Butterworth
III.4.3. Tchebychev
III.5. Mise en place pour une impédance terminale réelle
III.5.1. Approche directe, transformateur LC
III.5.2. Utilisation d’un filtre de Tchebychev
III.6. Gestion d’une impédance terminale complexe
III.6.1. Transformateur LC pour une charge complexe
III.6.2. Méthode de Youla
III.7. Transformateur réparti
III.8. Réalisation expérimentale
III.9. Conclusion
Conclusion générale

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