Elettronica integrata di front-end e strumentazione di caratterizzazione per sonde ecografiche in tecnologia cMUT ad alta frequenza

Abstract

La diagnostica medica nel campo degli ultrasuoni ha fatto sempre uso di sonde con trasduttori piezoelettrici. Nel corso degli ultimi anni il crescente sviluppo della tecnologia MEMS (Micro- Electro-Mechanical Systems) ha consentito di utilizzare questa tecnologia per la realizzazione di trasduttori capacitivi su silicio, dando vita ai trasduttori ultrasonici capacitivi microfabbricati (cMUT). Molti gruppi di ricerca nel campo degli ultrasuoni ritengono che i cMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers), per le loro enormi potenzialità, possano prendere a breve il posto dei trasduttori piezoelettrici utilizzati attualmente nei sistemi di indagine ecografica. La tecnologia dei dispositivi MEMS, utilizzata per la realizzazione di trasduttori ultrasonici, consente in prospettiva di integrare il trasduttore con l’elettronica producendo enormi benefici in termini di complessità e costi, riducendo le componenti parassite e il numero delle interconnessioni nonchè di ridurre il rumore aumentando la banda di frequenza del trasduttore, riducendo infine drasticamente le dimensioni, potenzialità molto apprezzabile soprattutto nelle applicazioni che necessitano di una sonda piccola e compatta come, ad esempio, nelle indagini intravascolari. In questo lavoro di Tesi è stato introdotto il trasduttore cMUT e ne è stato descritto il principio di funzionamento, facendo riferimento ai suoi modelli equivalenti e al processo tecnologico di fabbricazione. E’ stato descritto il sistema ecografico e i principali componenti che lo compongono. Sono state inoltre progettate, realizzate e caratterizzate sperimentalmente diverse configurazioni di elettronica di front-end per le sonde ecografiche in tecnologia cMUT sviluppate presso il laboratorio Aculab dell’Università Roma Tre. La funzione principale svolta dall’elettronica di frontend è quella di effettuare un adattamento di impedenza elettrica tra il trasduttore e il cavo che collega la sonda alla macchina ecografica. Sono stati successivamente progettati, realizzati e caratterizzati i circuiti di alimentazione della sonda necessari a fornire la tensione di polarizzazione al cMUT e le tensioni di alimentazione per l’elettronica di front-end. E’ stato infine progettato e realizzato un innovativo strumento utilizzato per la caratterizzazione dei trasduttori cMUT ad alta frequenza. La necessità di realizzare tale strumento in laboratorio è dovuta al fatto che non esiste in commercio uno strumento concepito appositamente per avere funzioni adeguate alla caratterizzazione dei cMUT. Lo strumento è un pulsatore/ricevitore utilizzato per effettuare le tipiche misure di pulse-echo per trasduttori acustici. Tali misure sono molto importanti per studiare la risposta in frequenza del trasduttore sia in trasmissione che in ricezione. Il pulsatore/ricevitore è in grado di trasmettere al trasduttore segnali elettrici impulsivi ad alta tensione al fine di portarlo in vibrazione e di amplificare il segnale elettrico in ricezione prodotto dal trasduttore in risposta ad un campo acustico incidente sulla sua superficie. Il segnale di ricezione può essere visualizzato su un oscilloscopio ed essere elaborato attraverso specifici algoritmi per valutare la risposta in frequenza del trasduttore. Il pulsatore/ricevitore è in grado di lavorare sia in modalità trasmissione/ricezione che in modalità solo ricezione ed è dotato di tastiera, display e porta seriale per gestire il controllo dello strumento da locale o attraverso un PC. Il lavoro portato avanti in questa Tesi ha contribuito all’avanzamento della ricerca sulle sonde ecografiche in tecnologia cMUT che si ritiene possano a breve competere, non solo dal punto di vista strettamente tecnico ma anche da quello squisitamente commerciale, con quelle di tipo piezoelettrico che allo stato attuale detengono il monopolio del mercato mondiale.