High frequency CMUT for continuous monitoring of red blood cells aggregation

Abstract

Récemment, de nombreuses recherches ont démontré que le transducteur ultrasonore micro-usiné capacitif CMUT peut être une alternative aux transducteurs piézoélectriques dans différents domaines, y compris l’imagerie par ultrasons médicaux. Des travaux antérieurs ont démontré les avantages de CMUT en termes de production à haute fréquence, de sensibilité, de compatibilité avec la technologie complémentaire métal – oxyde – semi-conducteur et de coût de fabrication peu élevé. Ce travail montrera les travaux préliminaires en vue de la fabrication d'un transducteur à ultrasons utilisant des CMUT pour mesurer en continu l'agrégation des globules rouges. Les cellules CMUT ont été conçues et simulées pour obtenir des fréquences de résonance et des dimensions spécifiques répondant à cet objectif, à l'aide de la modélisation par éléments finis avec COMSOL Multiphysics. Des simulations par ultrasons (logiciel Field II) ont été utilisées pour caractériser les faisceaux ultrasonores émis et reçus afin de concevoir la distribution géométrique des cellules. La fabrication a été réalisée en utilisant une photolithographie multicouche et des dépôts. Huit masques ont été conçus pour chaque couche de dépôt. Les masques ont été conçus pour comporter quatre groupes de CMUT, le premier émettant et recevant à 40 MHz, le second émettant à 30 MHz et recevant à 40 MHz, le troisième émettant à 20 MHz et recevant à 30 MHz, et le dernier émettant à 10 MHz. MHz et réception à 30 MHz. La fréquence change avec le rayon de chaque cellule CMUT, mais les dimensions de l'épaisseur sont les mêmes pour toutes les cellules, les épaisseurs des membranes et des couches isolantes sont de 0,3 µm et l'intervalle de vide est de 0,1 µm. Les matrices CMUT ont été fabriquées à l'aide de la technologie de couche de libération sacrificielle du laboratoire Polytechnique LMF.

Research has demonstrated that Capacitive Micro machined Ultrasonic Transducer (CMUT) can be an alternative to piezoelectric transducers in different domains including medical ultrasound imaging. Previous work showed advantages of CMUT in terms of high frequency production, sensitivity, its compatibility with complementary metal–oxide–semiconductor technology and its low cost of fabrication. This work will show preliminary work toward fabricating an ultrasound transducer using CMUTs to continuously measure Red Blood Cells aggregation. CMUTs cells were designed and simulated to obtain specific resonant frequencies and dimension that fulfill that purpose using finite element modeling with COMSOL Multiphysics. Ultrasound simulations (Field II software) were used to characterize the emitted and received US beams to design the cells geometrical distribution. Fabrication was done using multilayered photolithography and depositions. Eight masks were designed for each deposition layer. The masks were designed to have four groups of CMUTs, one emitting and receiving at 40MHz, a second emitting at 30 MHz and receiving at 40 MHz, a third one emitting at 20 MHz and receiving at 30 MHz, and a last one emitting at 10 MHz and receiving at 30 MHz. The frequency changes with the radius of each CMUT cell but the thickness dimensions are the same for all the cells, the membranes and insulation layers thicknesses are 0.3 µm and the vacuum gap is 0.1 µm. The CMUT arrays were fabricated using sacrificial release layer technology in Polytechnic LMF Lab.