TRANSDUCTOR CAPACITIVO ULTRASONICO MICROMECANIZADO CON CAVIDADES RESONANTES Y SUS APLICACIONES EN AIRE.

Transductor capacitivo ultrasónico micromecanizado con cavidades resonantes y sus aplicaciones en aire.

La invención describe un dispositivo ultrasónico útil para la emisión de ondas acústicas en aire en el rango de los ultrasonidos que comprende, entre otros elementos, una cavidad resonante con una o varias aberturas para provocar una amplificación de señal en emisión y un elemento que excite el sistema como puede ser el caso de las membranas. Gracias a la cavidad resonante se puede generar una radiación en las aberturas conjunta y en fase con la producida por el movimiento de la membrana. Este dispositivo ultrasónico puede utilizarse para fabricar un emisor, que comprende una o varias de estas celdas conectadas en paralelo emitiendo así al mismo tiempo, útil para la realización de ensayos no destructivos sin contacto en aire

Transductor capacitivo ultrasónico micromecanizado con cavidades resonantes y sus aplicaciones en aire.

Sector de la técnica

Sistemas de inspección ultrasónicos para aplicaciones de Ensayos No Destructivos (END) teniendo como medio de acople el aire. El campo de aplicación es amplio, destacando tanto el sector aeronáutico como el alimentario.

Estado de la técnica

Los sistemas de inspección ultrasónicos para aplicaciones de Ensayos No Destructivos (END) están siendo muy utilizados durante las últimas décadas. Gracias a estas técnicas, es posible comprobar el estado de una estructura o del contenido de un cuerpo o recipiente sin necesidad de abrirlo o destruirlo. A su vez, estas técnicas se pueden utilizar en contacto o sin tocar el cuerpo a comprobar teniendo así como medio de acople el aire.

Una de las partes más importantes de estos sistemas son los transductores ultrasónicos. Convencionalmente se han venido utilizando en mayor parte materiales piezoeléctricos para el desarrollo de los mismos. Sin embargo, en los últimos años se ha incorporado una nueva idea basada en el micromecanizado en silicio. Por estos procedimientos se han desarrollado Transductores Capacitivos Ultrasónicos Micromecanizados (cMUTs). Su unidad básica consiste en una capacidad formada por un electrodo fijo dentro de una cavidad y otro soportado sobre una micromembrana. Al aplicar una tensión de polarización y una señal de excitación, la membrana presentará un movimiento correspondiente a la frecuencia de excitación y al modo de resonancia. Esta tecnología presenta un creciente interés debido al reducido tamaño de estos dispositivos. Gracias a esto, se abre la posibilidad de agrupación para así desarrollar complejas aperturas de array mejorando así la resolución del dispositivo en aplicaciones de imagen ultrasónica. Aún así, sectores como el aeronáutico o el alimentario, carecen de sistemas de inspección específicos que utilicen esta tecnología. De aquí la necesidad de desarrollar una nueva idea de transductor ultrasónico acoplado en aire de alta eficiencia en emisión siguiendo esta idea.

Concretamente, desde que apareció la primera generación de este tipo de transductores en el año 1994 (M.I. Haller and B.T. Khuri-Yakub, "A surface micromachined electrostatic ultrasonic air transducer". Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, Cannes Vol. 2 (1994), pp. 1241-1244), varios grupos han dedicado su trabajo en orientar los cMUTs a diferentes aplicaciones en el rango de los ultrasonidos. En los últimos años se han desarrollado sistemas basados en la tecnología cMUT tanto en aire como en medio líquido (David W. Shindel, David A. Hutchins, Lichun Zou and Michael Sayer, "The Design and Characterization of Micromachined Air-Coupled Capacitance Transducers". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 42, nº 1, pp. 42-50, 1995-Soh, H. T., Ladabaum, 1., Atalar, A., Quate, C. F., and Khuri-Yakub, B. T. "Silicon micromachined ultrasonic immersion transducers". Appl. Phys. Lett., vol. 69, 3674-3676, 1996). Pocos grupos se están centrando en aplicaciones para aire donde el más destacado es el grupo de David A. Hutchins de la Universidad de Warwick donde se han realizado con éxito ensayos sin contacto. Las aplicaciones en inmersión han sido el centro de las investigaciones de los grupos que han desarrollado los trabajos más importantes. El grupo de la Universidad de Stanford encabezado por Khuri- Yakub es el más activo en el desarrollo de esta tecnología. Con cuatro generaciones de transductores y complejos diseños de electrónica asociada al transductor han conseguido obtener sistemas bastante mejorados para imagen médica consiguiendo imágenes tridimensionales. Además de esto han conseguido realizar diferentes experiencias en aire para comprobar la viabilidad de esta tecnología en este medio obteniendo buenos resultados así como han buscado nuevas aplicaciones como sistemas para la medida de flujo de un gas. Otro grupo bastante activo se encuentra en la Universidad de Georgia donde han elaborado un array anular para la obtención de un sistema ultrasónico de imagen intravascular (Joshua Knight, Jeff McLean, and F. Levent Degertekin, "Low Temperature Fabrication of Immersion Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers on Silicon and Dielectric Substrates". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 51, nº 10, pp. 1324-1333, 2004). En la Universidad Roma Tre se ha desarrollado un sistema con el cual se han conseguido imágenes ultrasónicas con buena resolución además de estudios bastante avanzados sobre el funcionamiento de cMUTs tanto analíticos como con elementos finitos (Giosué Caliano, Riccardo Carotenuto, Elena Cia nci, Vittorio Foglietti, Alessandro Caronti, Antonio lula and Massimo Pappalardo, "Design, Fabrication and Characterization of a Capacitive Micromachined Ultrasonic Probe for Medical Imaging". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 52, nº 12, pp. 2259-2269, 2005). Los programas de elementos finitos se han convertido en la herramienta más utilizada para el análisis de estos dispositivos (Yongrae Roh and Butrus T. Khuri-Yakub, "Finite Element Analysis of Underwater Capacitor Micromachined Ultrasonic Transducers". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 49, nº 3, pp. 293-298, 2002).

Los problemas a los que más tiempo de investigación se está dedicando son los efectos de acoplamiento acústico (cross-talk) y de integración electrónica. El cross-talk se da en mayor medida en aplicaciones de inmersión donde el medio hace que elementos colindantes a los activos tengan un movimiento no deseado. Esto se traduce en un peor funcionamiento global del transductor provocando peor resolución en el caso de imagen. A lo largo de los años se han presentado trabajos en los que se han presentado varios estudios y mejoras tecnológicas para prevenir este efecto (Eccardt P.-C-. Lohfink, A., Garssen H.-G.V. "Analysis of crosstalk between fluid coupled cMUT membranes". Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, 2005 pp. 593-596 - Alessandro Caronti, Alessandro Savoia, Giosué Caliano and Massimo Pappalardo, "Acoustic Coupling in Capacitive Microfabricated Ultrasonic Transducers: Modeling and Experiments". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 52, nº 12, pp. 2220-2234, 2005).

En el caso de integración electrónica se han presentado varios diseños. El primero en desarrollar un cMUT integrado con su electrónica de acondicionamiento fue P. Eccardt de Siemens con un diseño no demasiado complejo con un coste asequible (Peter-Christian Eccardt, K. Niederer, T. Scheite, C. Hierold, "Surface micromachined ultrasound transducers in CMOS technology". Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, 1996 pp. 959-962). Noble et al. de QinetiQ Ltd. Junto al grupo de Hutchins de la Universidad de Warwick desarrollaron un diseño de mayor complejidad y mayor coste (R.A. Noble, R.R. Davies, D.O. King, M.M. Day, A.R.D. Jones, J. S. MclIntosh, D.A. Hutchins, and P. Saul, "Low-Temperature Micromachined cMUTs with Fully Integrated Analogue Front-End Electronics". Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, 2002 pp. 1045-1050). La propuesta más novedosa realizada por el grupo de Khuri-Yakub de la Universidad de Standford, se basa en una tecnología donde el transductor está montado sobre la superficie de un segundo chip que contiene la electrónica de acondicionamiento. Esto es posible debido a la implementación de los contactos eléctricos del cMUT en la parte posterior del mismo (Ira O. Wygant, David T. Yeh, Xuefeng Zhuang, Srikant Vaithilingam, Amin Nikoozadeh, Omer Oralkan, A. Sanli Ergun, Goksen G. Yaralioglu, and Butrus T. Khuri-Yakub, "Integrated Ultrasound Imaging Systems Based on Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Arrays" Proceedings IEEE Sensors, 2005 pp. 704-707). Es una alternativa que da una gran flexibilidad a la hora de diseñar y un coste más bajo teniendo en cuenta que se utilizan como mínimo dos chips contando el del transductor.

Con el transductor de la presente invención, se pretende dar un paso más hacia las aplicaciones con cMUTs en aire (aplicaciones sin contacto) y más concretamente en los ensayos no destructivos. Debido a que en END en aire se suele trabajar en un rango de frecuencia distinto (menor a 1 MHz) las dimensiones del transductor de la presente invención se verán incrementadas respecto a los diseños convencionales.

1. Dispositivo ultrasónico útil para la emisión de ondas acústicas en aire en el rango de los ultrasonidos caracterizado porque está constituido por, al menos, una unidad básica o celda cMUT que comprende:

i.- una membrana flexible acoplada a

ii.- una cavidad resonante con una o varias aberturas para provocar una amplificación la señal en emisión y que está ajustada para que el sistema se comporte como un resonador de Helmholtz, y cuyo volumen ha de ser de tal manera que haga que ésta amplifique la frecuencia correspondiente al primer modo de la membrana para lo cual debe cumplir la siguiente ecuación:

donde fr representa la frecuencia de Helmholtz que debe ser igual a la correspondiente al modo fundamental de la membrana, c es la velocidad de propagación de la onda en el medio, A es la superficie que corresponde con las aberturas de la cavidad, V es el volumen de la cavidad, l es la longitud de las aberturas y δ es un factor de corrección de la abertura,

iii.- un electrodo de metal conductor situado en la membrana, y

iv.- otro electrodo inferior fijo situado en un soporte dentro de la cavidad resonante y de forma acorde con la geometría de la membrana y del electrodo de metal conductor.

2. Dispositivo ultrasónico según la reivindicación 1 caracterizado porque la membrana es de un material flexible perteneciente a uno de los siguientes grupos: silicio, nitruro de silicio o polisilicio.

3. Dispositivo ultrasónico según la reivindicación 1 caracterizado porque la membrana presenta una forma perteneciente a uno de los siguientes grupos: cuadrada, rectangular, circular o con cualquier otra forma regular o no regular.

4. Dispositivo ultrasónico según la reivindicación 1 caracterizado porque el electrodo de metal conductor. es de un metal conductor perteneciente a uno de los siguientes grupos: Aluminio u oro.

5. Dispositivo ultrasónico según la reivindicación 1 caracterizado porque la membrana puede funcionar a su vez como el electrodo demetal conductor siendo la membrana de un material conductor perteneciente a uno de los siguientes grupos: silicio o polisilicio.

6. Dispositivo ultrasónico según la reivindicación 1 caracterizado porque la membrana puede estar sujeta por todo su contorno con una abertura a la cavidad fuera de la superficie de la membrana o con parte de su contorno libre proporcionando las aberturas por donde se emite la radiación acústica debido a la cavidad resonante.

7. Dispositivo ultrasónico según la reivindicación 1 caracterizado porque el electrodo inferior fijo, de forma alternativa, en lugar de estar sujeto en el soporte dentro de la cavidad, está constituido por el mismo soporte al tratarse de un material conductor o de un material dopado.

8. Dispositivo ultrasónico según la reivindicación 1 caracterizado porque el sustrato a partir del que se construye el dispositivo es de un material perteneciente a uno de los siguientes grupos: silicio, vidrio o cuarzo.

9. Dispositivo ultrasónico según la reivindicación 1 caracterizado porque la membrana puede estar soportada por un tipo de estructura construida en el sustrato o pueden incluirse unos soportes de un material perteneciente a uno de los siguientes grupos: nitruro de silicio, óxido de silicio o polisilicio.

10. Dispositivo ultrasónico según la reivindicación 1 caracterizado porque cada uno de los elementos conductores se pueden pasivar para prevenir problemas eléctricos añadiendo donde sea conveniente un aislante de un material perteneciente a uno de los siguientes grupos: nitruro de silicio u óxido de silicio.

11. Uso del dispositivo ultrasónico según las reivindicaciones 1 a la 10 para la realización de ensayos no destructivos sin contacto en aire.