DESCRIPCIÓN

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, Ia membrana presentará un movimiento correspondiente a Ia 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 Ia posibilidad de agrupación para así desarrollar complejas aperturas de array mejorando así Ia 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 Ia necesidad de desarrollar una nueva idea de transductor ultrasónico acoplado en aire de alta eficiencia en emisión siguiendo esta idea.

Concretamente, desde que apareció Ia primera generación de este tipo de transductores en el año 1994 (M. I. Haller and BT. Khuri-Yakub, "A surface micromachined electrostatic ultrasonic air transducer". Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium, Cannes VoI. 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 Ia 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, VoI. 42, n° 1 , pp. 42-50, 1995 - Soh, H. T., Ladabaum, I., 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 Ia 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 Ia 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 Ia viabilidad de esta tecnología en este medio obteniendo buenos resultados así como han buscado nuevas aplicaciones como sistemas para Ia medida de flujo de un gas.

Otro grupo bastante activo se encuentra en Ia Universidad de Georgia donde han elaborado un array anular para Ia 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, VoI. 51 , n° 10, pp. 1324-1333, 2004).

En Ia 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 Probé for Medical Imaging". IEEE Transactions on

Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, VoI. 52, n° 12, pp. 2259-

2269, 2005). Los programas de elementos finitos se han convertido en Ia 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, VoI. 49, n° 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 Io 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, VoI. 52, n° 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 Ia 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. Mclntosh, D.A. Hutchins, and P. Saúl, "Low-Temperature Micromachined cMUTs with FuIIy 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 Ia Universidad de Standford, se basa en una tecnología donde el transductor está montado sobre Ia superficie de un segundo chip que contiene Ia electrónica de acondicionamiento. Esto es posible debido a Ia implementación de los contactos eléctricos del cMUT en Ia 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 Ia hora de diseñar y un coste más bajo teniendo en cuenta que se utilizan como mínimo dos chips contando el del transductor.

Para estudiar cómo proporcionar mayor eficiencia a un transductor cMUT se debe tener especial cuidado en factores como Ia forma de Ia membrana, condiciones de contorno o Ia cavidad. Convencionalmente se han utilizado membranas circulares, cuadradas o hexagonales sujetas por todos sus lados debido a que su modo principal es el que más energía emite al medio. Además, se busca que Ia cavidad que existe entre electrodos sea de vacío y de pequeñas dimensiones para incrementar Ia sensibilidad.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El dispositivo ultrasónico para Ia emisión de ondas acústicas en aire en el rango de los ultrasonidos que constituye el objeto de esta invención cubre Ia necesidad de un sistema de alta eficiencia para ensayos no destructivos en aire.

Se ha comprobado que es posible mejorar Ia eficiencia en emisión en aire al utilizar el dispositivo objeto de Ia presente invención que está compuesto por una cavidad, una o varias aberturas (o puertos acústicos) y un elemento que excite el sistema como puede ser el caso de las membranas. Gracias a Ia cavidad resonante se puede generar una radiación en las aberturas conjunta y en fase con Ia producida por el movimiento de Ia membrana, incrementándose por tanto Ia superficie de radiación considerablemente.

Mientras en el cMUT convencional sólo se aprovecha Ia superficie central de Ia membrana, el dispositivo según Ia invención aporta una superficie cilindrica en conjunto con Ia presión que tiene lugar en las aberturas y que se genera en fase gracias al resonador. El dispositivo ultrasónico objeto de esta invención comprende al menos una celda formada por una membrana, que puede ser cuadrada con dos de sus lados libres por ejemplo. Al dejar Ia membrana parcialmente en condiciones de contorno libres, se Ie proporciona a Ia cavidad las aberturas necesarias. La longitud de Ia abertura podría ser Ia misma que el espesor de Ia membrana. En estas condiciones, el cMUT con cavidad resonante de Ia invención presenta un máximo de presión mayor que el máximo de presión del diseño convencional y tiene un mayor ancho de banda (Q de aproximadamente 4), Io que implica que el abanico de aplicaciones es más amplio pudiendo utilizarlo tanto excitando con señales de banda ancha como para emisión en una determinada frecuencia. La mejora en ancho de banda se debe básicamente a Ia reactancia que se añade al diseño al incluir Ia cavidad resonante. Ésta provoca además una disminución en el desplazamiento de Ia membrana.

El dispositivo ultrasónico de Ia invención puede ser utilizado en toda experiencia de ensayos no destructivos teniendo como medio de acople el aire, sin contacto, y sin necesidad de abrir o destruir Ia muestra para conocer su estado.

Un aspecto de Ia invención Io constituye un dispositivo ultrasónico para

Ia emisión de ondas acústicas en aire en el rango de los ultrasonidos, en adelante dispositivo ultrasónico de Ia invención que comprende al menos una unidad básica o celda cMUT que a su vez comprende: i.- una membrana flexible, ii.- una cavidad resonante sobre Ia que se encuentra acoplada Ia membrana flexible, iii.- un electrodo superior de metal conductor situado en Ia membrana, y iv.- un electrodo inferior fijo situado dentro de Ia cavidad resonante.

A partir de esta configuración básica el dispositivo ultrasónico de Ia invención destaca fundamentalmente porque Ia membrana flexible está acoplada a Ia cavidad resonante definiendo una o varias aberturas para provocar una amplificación Ia señal en emisión y que está ajustada para que el dispositivo se comporte como un resonador de Helmholtz, y cuyo volumen de Ia cavidad ha de ser tal que dicha cavidad amplifique Ia frecuencia correspondiente al primer modo de Ia membrana para Io cual debe cumplir Ia siguiente ecuación:

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

Se ha previsto que el electrodo interior fijo se encuentre situado en un soporte dentro de Ia cavidad resonante y que presente una forma acorde con Ia geometría de Ia membrana y del electrodo superior de metal conductor.

Un aspecto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ultrasónico de Ia invención donde Ia membrana es de un material flexible seleccionado entre silicio, nitruro de silicio y polisilicio.

Otro aspecto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ultrasónico de Ia invención donde Ia membrana presenta una forma seleccionada entre cuadrada, rectangular y circular.

Otro aspecto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ultrasónico de Ia invención donde el electrodo superior de metal conductor es de un material seleccionado entre Aluminio y oro. Otro aspecto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ultrasónico de Ia invención donde el electrodo superior de material conductor es Ia propia membrana si Ia membrana es de un material conductor seleccionado entre silicio y polisilicio.

Otro aspecto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ultrasónico de Ia invención donde Ia membrana puede estar acoplada a Ia cavidad por todo su contorno en el que las aberturas están definidas en un plano distinto a Ia superficie de dicha membrana o bien Ia membrana puede estar acoplada a Ia cavidad con parte de su contorno libre definiéndose en dichos tramos de contorno libre las aberturas por donde se emite Ia radiación acústica debido a Ia cavidad resonante.

Otro aspecto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ultrasónico de Ia invención donde el electrodo inferior fijo, de forma alternativa, en lugar de estar sujeto en el soporte dentro de Ia cavidad, está constituido por el mismo soporte, en el caso de que dicho soporte sea de un material conductor o de un material dopado.

Otro aspecto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ultrasónico de Ia invención donde adicionalmente comprende un sustrato en el que se localiza Ia cavidad resonante, de un material seleccionado entre silicio, vidrio y cuarzo.

Otro aspecto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ultrasónico de Ia invención donde Ia membrana puede estar soportada por una estructura construida en el sustrato o puede estar soportada por unos soportes de un material seleccionado entre nitruro de silicio, óxido de silicio y polisilicio.

Otro aspecto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ultrasónico de Ia invención donde cada uno de los elementos conductores, tales como los electrodos, se pueden pasivar para prevenir problemas eléctricos, añadiendo donde sea conveniente un aislante de un material seleccionado entre nitruro de silicio y óxido de silicio.

Por otro lado, el dispositivo ultrasónico de Ia invención puede utilizarse para fabricar un emisor que comprende varias de estas celdas conectadas en paralelo emitiendo así al mismo tiempo. De esta manera se pueden agrupar formando un único elemento o se pueden agrupar formando elementos de un array tanto unidimensional como bidimensional para conseguir una mayor resolución en imagen.

Otro aspecto de Ia invención Io constituye el uso del dispositivo ultrasónico de Ia invención para Ia realización de ensayos no destructivos sin contacto en aire.

Con el transductor de Ia presente invención, se da 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 Ia presente invención se verán incrementadas respecto a otros diseños convencionales.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1.- Muestra un diseño de una celda convencional de acuerdo con una realización perteneciente al estado de Ia técnica.

Figura 2.- Muestra una vista completa de un emisor con membrana cuadrada, de acuerdo con Ia invención. Figura 3.- Muestra un corte transversal del diseño representado en Ia figura 2 en el que se percibe con mayor claridad Ia forma del electrodo inferior soportado en una estructura tipo tabique.

Figura 4.- Muestra una gráfica en Ia que se observa Ia amplitud en función de Ia frecuencia de Ia presión a 200 mieras emitida por un cMUT convencional (en línea discontinua) y por un cMUT de Ia invención con cavidad resonante según Ia invención (en línea continua) en dB referidos al máximo de presión emitida por Ia tipología que se presenta.

Figura 5.- Muestra una gráfica en Ia que se observa Ia presión en función del tiempo para un barrido de izquierda a derecha sobre Ia superficie de Ia membrana, donde se demuestra que las presiones en las aberturas de Ia membrana se presentan en fase con Ia presión correspondiente a Ia superficie de Ia misma.

EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

En Ia figura 2 se observa el dispositivo ultrasónico para Ia emisión de ondas acústicas en aire en el rango de los ultrasonidos que constituye el objeto de esta invención, el cual comprende en este caso una celda formada por una membrana flexible (3), un electrodo superior (1 ) rectangular para favorecer el movimiento del primer modo de resonancia de Ia membrana flexible (3), un electrodo inferior (2) con Ia misma forma que el superior, unas aberturas (7), y una cavidad (5) ajustada para su funcionamiento como resonador de Helmholtz y un sustrato (6).

En Ia figura 3 se observa en detalle el interior de Ia celda donde se aprecia el electrodo inferior (2). La figura 1 muestra una Celda cMUT convencional con forma cuadrada, perteneciente al estado de Ia técnica, para comparar el funcionamiento entre esta tipología y Ia celda de Ia invención, tal y como se realiza en el diagrama de Ia figura 4. La celda convencional se compone de membrana (3') cuadrada sujeta por todos sus lados, un electrodo superior (1 ') rectangular y un sustrato (6') de silicio que funciona como electrodo inferior. Aunque no se refleje en Ia figura, existe una pequeña cavidad entre membrana (3') y sustrato (6').

En Ia Figura 2 se muestra Ia tipología que se corresponde con Ia realización particular de los posibles dispositivos de Ia invención.

Concretamente, Ia unidad básica o celda MUT de un transductor de Ia invención se compone de Ia mencionada membrana flexible (3), en este caso emisora, cuadrada y de nitruro de silicio con dos de sus lados libres (para proporcionar aberturas (7) a Ia cavidad (5)) y así conseguir un mayor desplazamiento de Ia misma provocando una mayor excitación al sistema resonante, mostrando en este caso unas dimensiones de 150 por 150 mieras.

Al dejar Ia membrana flexible (3) parcialmente con condiciones de contorno libres, se Ie proporciona a Ia cavidad (5) las aberturas (7) necesarias. En este caso, Ia longitud de Ia abertura (7) se corresponde con el espesor de Ia membrana flexible (3).

En Ia figura 3 se observa un soporte (4) del electrodo inferior (2) dentro de Ia cavidad (5) que se corresponde con una estructura tipo muro o tabique sobre el cual puede existir una metalización, o bien el mismo soporte (4) puede ser de un material conductor o estar tratado para comportarse como tal. Este caso particular se corresponde con un soporte (4) de silicio dopado para que funcione como conductor al que se Ie ha añadido una capa de material aislante (nitruro de silicio) por encima para evitar problemas eléctricos, de tal forma que se comporta como electrodo inferior.

La forma del electrodo inferior (2) se corresponde con Ia geometría del electrodo superior (1 ) situado sobre Ia membrana (3) para favorecer el movimiento del primer modo de resonancia de Ia membrana y cavidad (5) ajustada para su funcionamiento como resonador de Helmholtz.

La celda se ha fabricado, tal como se ha comentado anteriormente, de tal forma que Ia cavidad (5) permita que ésta amplifique Ia frecuencia correspondiente al primer modo de Ia membrana de acuerdo con Ia siguiente ecuación:

donde fr representa Ia frecuencia de Helmholtz que debe ser igual a Ia correspondiente al modo fundamental de Ia membrana (3), c es Ia velocidad de propagación de Ia onda en el medio, A es Ia superficie que corresponde con las aberturas (7) de Ia cavidad (5), V es el volumen de Ia cavidad (5), / es Ia longitud de las aberturas (7) y δ es un factor de corrección de Ia abertura (7).

Así, el volumen de Ia cavidad (5) resonante de esta realización particular es de 298800 μm ³ , Ia superficie de una abertura 375 μm ² , por Io que para 2 aberturas A = 750 μm ² , / = 2 μm y el factor de corrección correspondiente a dos aberturas rectangulares de δ = 0.96 (A) ¹ ' ² , obteniéndose un valor de fr en aire

(c = 340 m/s) de aproximadamente 500 kHz.

Un elemento del emisor final se compone de un gran número de estas celdas conectadas en paralelo emitiendo así al mismo tiempo. De esta manera se pueden agrupar formando un único elemento o se pueden agrupar formando elementos de un array tanto unidimensional como bidimensional para conseguir una mayor resolución en imagen.

En Ia Figura 4 se muestra Ia presión emitida por cada una de las tipologías (celda cMUT con cavidad resonante de Ia invención representada en

Ia figura 2, y celda cMUT convencional, figura 1 ). La presión que se dibuja en Ia figura está calculada a Ia misma distancia para cada una (200 mieras). Como el cMUT convencional presenta diferentes condiciones de contorno, su frecuencia de resonancia varía. Debido a esto, se ha diseñado una membrana de mayores dimensiones para que presente su modo principal aproximadamente en el mismo valor que Ia tipología con cavidad resonante (membrana de dimensiones 195 por 195 mieras y distancia entre membrana y electrodo inferior de 2 mieras).

Para mayor igualdad, se ha alimentado el cMUT convencional para que presente el mismo desplazamiento máximo de Ia membrana. En estas condiciones, se demuestra que el cMUT con cavidad resonante de Ia invención presenta un máximo de presión 11 dB mayor que el máximo de presión del diseño convencional. Además, el nuevo diseño tiene un mayor ancho de banda. Presenta un Q de aproximadamente 4 mientras que el convencional tiene un valor de 7, Io que implica que el abanico de aplicaciones es más amplio pudiendo utilizarlo tanto excitando con señales de banda ancha como para emisión en una determinada frecuencia.

Estos resultados se deben principalmente a que Ia superficie de radiación se ha incrementado considerablemente con el nuevo diseño. Cuando en el cMUT convencional sólo se aprovecha Ia superficie central de Ia membrana, el nuevo diseño aporta una superficie cilindrica en conjunto con Ia presión que tiene lugar en las aberturas y que se genera en fase gracias al resonador. En Ia Figura 5 se puede comprobar como Ia presión en las aberturas está en fase con Ia producida por Ia membrana.

La mejora en ancho de banda se debe básicamente a Ia reactancia que se añade al diseño al incluir Ia cavidad resonante. Ésta provoca además una disminución en el desplazamiento de Ia membrana. Debido a esto Ia tensión de excitación debe ser mayor en el caso del nuevo diseño para conseguir el mismo desplazamiento máximo.