ITRM20060238A1 - Trasduttore ultracustico capacitivo multipiano - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di Brevetto d'invenzione avente per titolo:

"Trasduttore ultracustico capacitivo multipiano"

La presente invenzione si riferisce ad un trasduttore ultracustico capacitivo multipiano, in particolare un trasduttore capacitivo microlavorato su silicio, che consente di ottenere elevate efficienze di trasduzione, una elevata pressione trasmessa, ed un alto fattore di trasformazione elettro-meccanico, operando su ampie larghezze di banda.

I sistemi ecografici attualmente in commercio ottengono informazioni dai mezzi circostanti e dal corpo umano, impiegando onde elastiche a frequenza ultracustiche. A tale scopo, le sonde ecografiche utilizzano generalmente trasduttori ultracustici capacitivi, in particolare ottenuti tramite microlavorazione su silicio, capaci di generare e rivelare onde ultracustiche, tramite i quali viene realizzato un procedimento di imaging (generazione di immagini) ad ultrasuoni .

I trasduttori capacitivi, costituiti da due elettrodi affacciati (di cui uno fisso ed uno mobile) e separati da una cavità, si basano sulla forza di attrazione elettrostatica che è presente qualora venga accumulata una quantità di carica sugli elettrodi stessi per mezzo dell'applicazione di una differenza di potenziale. Per ottenere linearità ed efficienza di trasduzione viene solitamente applicata una tensione continua (di polarizzazione) alla quale è sovrapposta una tensione alternata (di segnale).

In generale l'efficienza di trasduzione in trasmissione, cioè il rapporto tra la pressione acustica trasmessa (proporzionale allo spostamento relativo tra gli elettrodi) e la tensione elettrica alternata applicata, aumenta all'aumentare della tensione continua di polarizzazione e della carica accumulata, ovvero aumenta all'aumentare del campo elettrico presente all'interno della cavità.

Anche l'efficienza di trasduzione in ricezione, cioè il rapporto tra la tensione o corrente uscente dal trasduttore e la pressione incidente sulla superficie del trasduttore, in generale aumenta all'aumentare della tensione continua di polarizzazione.

Tuttavia, l'efficienza di ricezione a circuito aperto (lettura ideale in tensione) è direttamente proporzionale alla tensione di polarizzazione ed allo spostamento relativo fra gli elettrodi, mentre l'efficienza di ricezione in cortocircuito (lettura ideale in corrente) è direttamente proporzionale alla quantità di carica statica accumulata per mezzo della tensione di polarizzazione (quindi dipende dalla capacità) ed alla velocità relativa fra gli elettrodi.

La Figura 1 mostra il classico modello a parametri concentrati di un trasduttore elettromeccanico. Per un trasduttore capacitivo a membrana (quale un trasduttore ultracustico capacitivo), il comportamento meccanico può essere approssimato, in assenza di perdite e per frequenze vicine alla frequenza frsdi risonanza del primo modo naturale di vibrazione, alla serie Cm- Lm, dove Cmrappresenta la "cedevolezza" della membrana e Lmrappresenta la "massa" della membrana stessa.

Queste due grandezze sono proporzionali ai parametri geometrici (spessore t e dimensioni laterali lxe ly) , ed alle proprietà dei materiali di cui è costituita la membrana (densità p e modulo di Young Ex) secondo le seguenti formule:

dove k è la costante di rigidità della molla equivalente, e

Il fattore φ di trasformazione dipende dal valore Co della capacità del trasduttore al quale è applicata la tensione di sola polarizzazione, dalla tensione continua VDCdi polarizzazione applicata, e dalla distanza dgapfra gli elettrodi, secondo la seguente formula :

La tensione Vcoldi collasso, che rappresenta il limite massimo di tensione continua VDCdi polarizzazione applicabile al trasduttore senza che l'elettrodo superiore vada a collassare su quello inferiore, è limitata dalla cedevolezza CMdella membrana: più la membrana è rigida, maggiore è la tensione continua applicabile. In generale, la tensione di collasso Vcol, è, per trasduttori capacitivi flessionali, pari a:

con a costante e dipendente da come la struttura a flessione è vincolata.

Per aumentare la tensione Vcoldi collasso occorre dunque diminuire la cedevolezza Cmdella membrana. L'aumento della tensione Vcoldi collasso (cioè della massima tensione continua applicabile Voc_max) implica l'aumento del fattore φ di trasformazione, da cui dipendono direttamente le efficienze di trasduzione in trasmissione e ricezione. Il fattore di trasformazione massimo si ha per VDC=Vcol, ed è pari a:

[5]

dove S è l'area della membrana.

Pertanto, per aumentare le efficienze di trasduzione, occorre diminuire la cedevolezza Cmdella membrana e diminuire la distanza dgapfra gli elettrodi.

La Figura 2 mostra una vista in sezione (Figura 2a) e una vista in pianta (Figura 2b) di un trasduttore capacitivo ultrasonico. La struttura vibrante è una piastra 1 (usualmente realizzata tramite una membrana trasparente, come mostrato in Figura 2b), provvista di un elettrodo 15, che risulta vincolata ad un substrato rigido 2, a sua volta provvisto di un elettrodo 6, per mezzo di una matrice di colonne 3 disposte in modo ordinato (nel caso della Figura 2 si tratta di una griglia quadrata di colonne 3). Gli elettrodi 15 e 6 (rappresentati in Figura 2a con linee a tratto pieno), tra i quali sono interposte le cavità 4, sono entrambi protetti da un rispettivo strato 7 e 8 di materiale isolante. Questo strato serve per evitare che, in caso di collasso della membrana 1 sul substrato 2, gli elettrodi 15 e 6 vadano in cortocircuito .

Per questioni di efficienza, ogni strato isolante 7 e 8 dovrebbe essere il più sottile possibile. Infatti lo spazio tra i due elettrodi 15 e 6 è occupato in parte dagli strati 7 e 8 di isolamento. La capacità tra i due elettrodi 15 e 6 può essere quindi vista come la serie di tre capacità, di cui solo una è quella variabile, che costituisce quindi la capacità attiva nel funzionamento elettromeccanico, mentre le altre due sono dovute alla presenza del materiale dielettrico di isolamento e non contribuiscono alla trasduzione (per questo motivo la loro serie viene detta capacità parassita serie). La capacità attiva è quella che varia a seguito di una deformazione flessurale della membrana 1 e dunque della variazione della distanza dgapfra gli elettrodi 15 e 6. Quando ai capi di questa serie di capacità viene applicata una differenza di potenziale, essa si ripartisce tra la capacità attiva e quella parassita serie dovuta agli strati di protezione. Solo la tensione che cade ai capi della capacità attiva è responsabile dell'attuazione meccanica della membrana 1. Per questo motivo è opportuno che gli strati 7 e 8 di materiale isolante siano il più sottili possibile.

La struttura è, infine, ricoperta da uno strato 9 di materiale isolante. Questa struttura, nota anche con il nome di MAMMUT, ha un modo naturale di vibrazione in cui tutte le celle delimitate da quattro colonne 3 vibrano con la stessa fase. La frequenza di questo modo (che da ora chiameremo frequenza di risonanza) è determinata dalle caratteristiche geometriche (spessori della membrana 1, distanza e dimensione delle colonne 3) e dalle proprietà dei materiali. Il comportamento vibrazionale può, per frequenza prossime alla frequenza frisdi risonanza, essere modellato a parametri concentrati come un sistema massa - molla ( Cm- Lm) , come illustrato in precedenza con riferimento alla Figura 1.

Tuttavia, i convenzionali trasduttori ultrasonici capacitivi soffrono di alcune limitazioni.

Innnanzitutto, l'efficienza in trasmissione è pari al rapporto fra la pressione trasmessa e la tensione alternata applicata. Per emettere una certa pressione, la membrana deve poter vibrare con un'escursione sufficiente nella direzione di propagazione. L'entità di questo spostamento è legata alla pressione generata (in prima approssimazione) tramite l'impedenza acustica caratteristica Zadel fluido, definita come rapporto tra pressione P e velocità v delle particelle del fluido per la propagazione di onde piane:

[6].

I punti sulla superficie del trasduttore avranno una velocità v pari a:

[7]

con β costante (compreso fra 0 e qualche unità) e dipendente dalla posizione del singolo punto. Lo spostamento u di tali punti è legato alla velocità ed alla frequenza f di vibrazione:

[8]

Pertanto, una diminuzione della distanza dgaptra gli elettrodi 15 e 6, da una parte aumenta la pressione elettrostatica che agisce sulla membrana mobile 1, ma, dall'altra parte, limita la massima escursione dello spostamento della membrana, e quindi la massima pressione P trasmessa.

Inoltre, i trasduttori capacitivi a flessione sono usualmente utilizzati nelle applicazioni in cui è richiesta una larghezza di banda elevata. Ciò si ottiene disegnando le strutture a flessione in modo che la loro impedenza meccanica Zmsia, in modulo, minore o comparabile alla impedenza acustica Zadel fluido in cui si vogliono generare onde acustiche per un intervallo esteso di frequenze (approssimativamente quelle della banda in trasmissione a -6dB).

Pertanto, poiché l'impedenza meccanica di una struttura a flessione è pari a:

diminuendo la cedevolezza Cmdella struttura, il modulo dell'impedenza meccanica Zmaumenta con una conseguente riduzione della larghezza di banda. In altre parole, una diminuzione della cedevolezza Cmdella struttura a flessione aumenta il fattore φ di trasformazione elettro-meccanico, e quindi l'efficienza di trasduzione in trasmissione e in ricezione, a scapito della larghezza di banda del trasduttore.

Lo scopo della presente invenzione è, pertanto, quello di fornire un trasduttore ultracustico capacitivo multipiano, in particolare un trasduttore capacitivo microlavorato su silicio, che consente di ottenere elevate efficienze di trasduzione, una elevata pressione trasmessa, ed un alto fattore di trasformazione elettro-meccanico, operando su ampie larghezze di banda.

Forma oggetto specifico della presente invenzione un trasduttore ultracustico capacitivo, comprendente uno strato esterno che realizza una piastra esterna, provvisto di mezzi ad elettrodo, atta a vibrare, ed un substrato rigido, a sua volta provvisto di mezzi ad elettrodo, caratterizzato dal fatto di comprendere altresì n piani, con n > 2, interposti tra la piastra ed il substrato, ogni piano includendo una pluralità di cavità, e m strati intermedi, atti a vibrare, di interfaccia tra detti n piani, con m = {n- 1), le cavità di ognuno di detti n piani essendo altresì definite da mezzi di supporto connessi tra superfici affacciate di strati adiacenti a dette cavità, ognuno di detti m strati intermedi essendo provvisto di mezzi ad elettrodo, per cui le cavità di ogni piano sono interposte tra una coppia di mezzi ad elettrodo appartenenti a due strati intermedi adiacenti oppure ad uno strato intermedio e ad uno tra il substrato e la piastra .

Sempre secondo l'invenzione, detti mezzi ad elettrodo di ognuno di detti m strati intermedi possono comprendere una o più metallizzazioni.

Ancora secondo l'invenzione, le metallizzazioni di un medesimo strato intermedio possono essere tra loro connesse in cortocircuito.

Ulteriormente secondo l'invenzione, detti mezzi di supporto che definiscono le cavità di un medesimo piano possono comprendere una disposizione ordinata di colonne.

Sempre secondo l'invenzione, la disposizione ordinata di colonne può essere la medesima per ognuno di detti n piani.

Ancora secondo l'invenzione, la disposizione ordinata di colonne può essere disposta secondo una griglia quadrata, per cui ogni cavità è definita da quattro colonne.

Ulteriormente secondo l'invenzione, per ogni piano non adiacente al substrato, ciascuna colonna può essere posizionata in corrispondenza del centro di un quadrato definito da quattro colonne del piano adiacente più vicino al substrato.

Sempre secondo l'invenzione, detti m strati intermedi possono avere tutti sostanzialmente il medesimo spessore, e detti n piani possono avere tutti sostanzialmente il medesimo spessore, per cui le cavità hanno tutte la stessa altezza.

Ancora secondo l'invenzione, lo strato esterno può avere spessore maggiore dello spessori di ognuno di detti m strati intermedi.

Ulteriormente secondo l'invenzione, detti mezzi ad elettrodo del substrato, di detti m strati intermedi, e dello strato esterno possono essere ricoperti, in corrispondenza delle cavità adiacenti, da un rispettivo strato protettivo di materiale isolante.

Sempre secondo l'invenzione, il trasduttore può comprendere altresì mezzi atti a connettere in parallelo e/o in serie tra loro almeno una parte di detti mezzi ad elettrodo del substrato, di detti m strati intermedi, e dello strato esterno.

Ancora secondo l'invenzione, detti mezzi atti a connettere in parallelo e/o in serie tra loro almeno una parte di detti mezzi ad elettrodo possono essere almeno parzialmente controllati da una unità elettronica esterna.

Ulteriormente secondo l'invenzione, il trasduttore può essere fabbricato mediante un procedimento di microlavorazione del silicio.

In particolare, il trasduttore secondo l'invenzione consente di diminuire la distanza tra gli elettrodi (del substrato, della piastra esterna, e degli strati intermedi di interfaccia tra piani), aumentando di conseguenza l'efficienza di trasduzione in trasmissione e in ricezione, ma senza limitare la massima pressione trasmessa.

Inoltre, il trasduttore secondo l'invenzione consente di diminuire la cedevolezza dei singoli piani (o meglio, dei singoli strati vibranti - siano essi la piastra esterna o uno strato intermedio tra piani), mantenendo un'impedenza meccanica totale, vista dalla superficie radiante, tale da avere una larghezza di banda ampia. In tal modo, l'efficienza di trasduzione in trasmissione e in ricezione viene aumentata per mezzo dell'aumento della massima tensione continua di polarizzazione applicabile, ma senza diminuzione della larghezza di banda.

Ancora, il trasduttore secondo l'invenzione consente di irrigidire la superficie di radiazione in modo tale da avere una superficie radiante in cui tutti i punti si muovono con la stessa ampiezza e fase, realizzando un moto a pistone della superficie radiante senza ridurre la larghezza di banda.

Ulteriormente, il trasduttore secondo l'invenzione risulta estremamente versatile, in quanto offre la possibilità di effettuare il collegamento tra i vari elettrodi della struttura in diversi modi, allo scopo di applicare e/o prelevare i segnali elettrici in vari modi al fine di privilegiare le efficienze di trasduzione in trasmissione e/o in ricezione, a circuito aperto o in cortocircuito. In partico lare, la presenza di molti elettrodi offre anche la possibilità di discriminare in frequenza ovvero di filtrare meccanicamente ed elettricamente i segnali ricevuti sfruttando i modi superiori di vibrazione della struttura multipiano, risultando così vantaggioso nella realizzazione del cosiddetto "harmonic imaging" (generazione armonica di immagini).

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento alle Figure dei disegni allegati, in cui: la Figura 1 mostra il circuito equivalente a parametri concentrati di un trasduttore elettromeccanico convenzionale;

le Figure 2a e 2b mostrano rispettivamente una vista in sezione ed una vista in pianta di un trasduttore capacitivo ultrasonico convenzionale;

le Figure 3a e 3b mostrano rispettivamente una vista in sezione ed una vista in pianta di un primo trasduttore ultracustico capacitivo multipiano secondo l'invenzione;

le Figure 4a e 4b mostrano rispettivamente una vista in sezione ed una vista in pianta di un secondo trasduttore ultracustico capacitivo multipiano secondo l'invenzione;

le Figure 5a e 5b mostrano rispettivamente il modello meccanico a parametri concentrati ed il suo equivalente elettrico di un trasduttore capacitivo ultrasonico convenzionale;

le Figure 6a e 6b mostrano rispettivamente il modello meccanico a parametri concentrati ed il suo equivalente elettrico di un terzo trasduttore ultracustico capacitivo multipiano secondo l'invenzione;

la Figura 7 mostra gli andamenti della frequenza frisdel primo modo naturale di vibrazione di un trasduttore secondo l'invenzione al variare del numero n di piani, ottenuti mediante simulazioni agli elementi finiti e calcolo analitico;

la Figura 8 mostra tre configurazioni di collegamento degli elettrodi di un quarto trasduttore ultracustico capacitivo multipiano secondo l'invenzione; le Figure 9a e 9b mostrano rispettivamente una vista in sezione ed una vista in pianta di un quinto trasduttore ultracustico capacitivo multipiano secondo l'invenzione;

la Figura 10 mostra gli andamenti del modulo dell'impedenza meccanica specifica per i trasduttori di Figure 2 e 9;

la Figura 11 mostra il circuito equivalente a parametri concentrati del trasduttore di Figura 9, in trasmissione, nella prima configurazione di collegamento degli elettrodi;

la Figura 12 mostra le curve di sensibilità in trasmissione, ottenute mediante simulazioni agli elementi finiti, dei trasduttori di Figure 2 e 9 nella prima configurazione di collegamento degli elettrodi;

la Figura 13 mostra il circuito equivalente a parametri concentrati del trasduttore di Figura 2 nella prima configurazione di collegamento degli elettrodi, in ricezione;

la Figura 14 mostra il circuito equivalente a parametri concentrati del trasduttore di Figura 9 nella prima configurazione di collegamento degli elettrodi, in ricezione;

la Figura 15 mostra le curve di sensibilità in ricezione, ottenute mediante simulazioni agli elementi finiti, dei trasduttori di Figure 2 e 9 nella prima configurazione di collegamento degli elettrodi; la Figura 16 mostra gli andamenti delle risposte totali in frequenza, ottenuti mediante simulazioni agli elementi finiti, dei trasduttori di Figure 2 e 9 nella prima configurazione di collegamento degli elettrodi;

la Figura 17 mostra il circuito equivalente a parametri concentrati del trasduttore di Figura 2 in una seconda configurazione di collegamento degli elettrodi, in ricezione;

la Figura 18 mostra il circuito equivalente a parametri concentrati del trasduttore di Figura 9 nella seconda configurazione di collegamento degli elettrodi, in ricezione;

la Figura 19 schematizza il comportamento in frequenza del trasduttore di Figura 8c in ricezione;

la Figura 20 mostra le funzioni di trasferimento in trasmissione e in ricezione, ottenute mediante simulazioni agli elementi finiti, del trasduttore di Figura 8c.

Nel seguito della descrizione verranno utilizzati uguali riferimenti per indicare elementi uguali nelle Figure .

Gli inventori hanno sviluppato un trasduttore ultracustico capacitivo avente una struttura multipiano, ovvero nel quale, sopra alla struttura monopiano di Figura 2, vengono costruite altre strutture monopiano uguali posizionate spazialmente in modo opportuno. In particolare, nel caso di griglia quadrata di colonne, ogni struttura monopiano può vantaggiosamente avere le colonne posizionate ciascuna al centro di quattro colonne corrispondenti della struttura monopiano sottostante. Così facendo è possibile costruire una struttura multipiano con un numero di piani arbitrario.

Le Figure 3 e 4 mostrano due trasduttori multipiano secondo l'invenzione aventi strutture, rispettivamente, a sei e cinque piani. Tali strutture comprendono, oltre al substrato 2, provvisto di un elettrodo 6, ed allo strato 9, che realizza la piastra 1 a contatto con il mezzo di propagazione delle onde acustiche, provvista di un elettrodo 15, sei e cinque piani, rispettivamente, comprendenti pluralità di cavità. Tali cavità sono definite dalle superfici affacciate di strati intermedi adiacenti di interfaccia tra i piani (rispettivamente cinque e quattro strati per le Figure 3 e 4), in combinazione, nel caso del primo e dell'ultimo piano, con la superficie superiore del substrato 2 e con la superficie inferiore della piastra 1, rispettivamente, ed in combinazione con colonne 3 di supporto.

Ogni strato intermedio di interfaccia tra i piani è provvisto di un rispettivo elettrodo del trasduttore capacitivo, realizzato tramite una o più metallizzazioni. In tal modo, come nel caso della struttura monopiano di Figura 2, le cavità di ogni piano (indicate con i numeri di riferimento 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, e 4.6, in cui il suffisso indica il piano cui appartiene la cavità) sono interposte tra gli elettrodi di ogni piano.

In proposito, il trasduttore di Figura 3 comprende una sola metallizzazione per ogni elettrodo dei cinque strati intermedi di interfaccia tra i sei piani (metallizzazioni indicate con i numeri di riferimento 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, e 5.5), oltre alle metallizzazioni dell'elettrodo 6 del substrato 2 e dell'elettrodo 15 della piastra 1.

Il trasduttore di Figura 4 comprende, invece, oltre alle singole metallizzazioni dell'elettrodo 6 del substrato 2 e dell'elettrodo 15 della piastra 1, due metallizzazioni per ogni elettrodo dei quattro strati intermedi di interfaccia tra i cinque piani (metallizzazioni indicate con i numeri di riferimento 5.1 e 5.1', 5.2 e 5.2', 5.3 e 5.3', 5.4 e 5.4'). Le due metallizzazioni degli strati intermedi di interfaccia tra i piani sono elettricamente collegate tra loro ed ognuna di esse è posizionata il più possibile in prossimità della cavità (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, e 4.5) ad essa adiacente. Le due metallizzazioni degli strati intermedi di interfaccia tra i piani del trasduttore di Figura 4 consentono di regolare a piacere lo spessore di ogni strato intermedio senza aumentare la capacità parassita serie. Infatti, aumentare lo spessore del singolo strato intermedio causerebbe, nel caso di un solo elettrodo per strato intermedio, l'aumento della capacità parassita serie, dovuto ad un maggiore spessore di materiale dielettrico tra due elettrodi consecutivi.

L'ultimo strato 9 di materiale serve per irrigidire la superficie 1 di radiazione del trasduttore (attuata dalla struttura capacitiva a flessione) in modo che tutti i punti della superficie stessa si muovano con la stessa ampiezza e con la stessa fase, realizzando un moto a pistone.

Nel seguito, saranno mostrati, tramite considerazioni di tipo analitico e simulazioni agli elementi finiti, i principi di funzionamento della struttura multipiano del trasduttore secondo l'invenzione.

La Figura 5 mostra il semplice modello a parametri concentrati massa-molla, ed il suo equivalente elettrico Cm- Lm, con cui, come detto, si può modellare meccanicamente, in prima approssimazione, un trasduttore monopiano, basato su una struttura a flessione vibrante a frequenze prossime alla risonanza. La frequenza di risonanza e l'impedenza meccanica determinano le caratteristiche di funzionamento in frequenza (centrobanda e larghezza di banda). Le formule per calcolare tali grandezze per un trasduttore monopiano sono, rispettivamente:

Se all'oscillatore di Figura 5 viene collegato meccanicamente in serie un oscillatore identico, come mostrato in Figura 6, si ottiene il modello a parametri concentrati nel caso di una struttura multipiano a due piani. In tal caso, la cedevolezza totale Cmtote la massa totale Lm_otsono raddoppiate ( Cm tot= 2Cm; Lm_tot= 2Lm) mentre la frequenza di risonanza (del primo modo naturale di vibrazione) è dimezzata. La frequenza di risonanza e l'impedenza meccanica sono date, rispettivamente, dalle seguenti formule:

In generale, per n oscillatori in serie, ovvero per una struttura a n piani, si ha:

La Figura 7 mostra l'andamento della frequenza frisdel primo modo naturale di vibrazione di una struttura multipiano al variare del numero n di piani, ottenuto mediante analisi agli elementi finiti (FEA - Finite Element Analysis), e l'andamento della curva analitica

Quindi, una struttura multipiano ad n piani avente la cedevolezza totale Cme la massa totale Lm, e quindi le stesse caratteristiche in frequenza della struttura a piano singolo (centrobanda e larghezza di banda) , è formata da n piani aventi singolarmente cedevolezza Cm' e massa Lm’ che risultano n volte minori :

Considerando ora un trasduttore multipiano ad n piani, la tensione continua massima (di collasso) applicabile al singolo piano dipende solo dalla cedevolezza Cm’ del singolo piano. Richiamando le formule [4] e [5], essa risulta aumentata di un fattore pari a con un conseguente aumento del fattore φ di trasformazione di uno stesso fattore :

L'aumento del massimo fattore φ di trasformazione provoca, a seconda del tipo di collegamento effettuato fra gli elettrodi dei singoli piani, l'aumento della sensibilità di trasduzione in trasmissione o in ricezione (circuito aperto o cortocircuito).

La presenza di un numero di elettrodi maggiore di due offre la possibilità di effettuarne il collegamento in diversi modi, come mostrato in Figura 8, in cui sono raffigurati tre differenti configurazioni di collegamento di un trasduttore multipiano secondo l'invenzione comprendente sei piani: la Figura 8a mostra una configurazione di collegamento in parallelo; la Figura 8b mostra una configurazione di collegamento serie; la Figura 8c mostra una configurazione di collegamento a discriminazione di frequenza.

Nel seguito è riportato il confronto fra le sensibilità in trasmissione e ricezione di una struttura a piano singolo, come quella mostrata in Figura 2, e di una a due piani (avente due metallizzazioni 5.1 e 5.1' per l'elettrodo dello strato intermedio di interfaccia), illustrata in Figura 9, nelle prime due configurazioni di collegamento degli elettrodi: in parallelo ed in serie. Il calcolo delle sensibilità è stato effettuato mediante un'analisi agli elementi finiti. In particolare, le due strutture sono state dimensionate in modo tale da avere lo stesso comportamento in frequenza (stessa frequenza fsdi risonanza e stesso andamento dell'impedenza meccanica specifica Zm) . Tutti i casi sono stati analizzati anche facendo uso del modello circuitale equivalente a parametri concentrati.

In Figura 10 sono riportati gli andamenti del modulo dell'impedenza meccanica specifica per le due strutture modellate.

Un'analisi elettrostatica-strutturale agli elementi finiti ha permesso di determinare la tensione VColdi collasso per queste due strutture, considerando che gli elettrodi della struttura a due piani sono stati collegati in parallelo (analogamente a quanto illustrato in Figura 8a). Le tensioni di collasso calcolate per le strutture a uno e a due piani sono rispettivamente 50V e 70V. Nelle simulazioni dinamiche le tensioni continue applicate sono pari all'80% delle rispettive tensioni di collasso.

Facendo ancora riferimento alla Figura 1, che mostra il circuito equivalente in trasmissione per la struttura ad un piano, la sensibilità St(ω) in trasmissione dipende principalmente dai parametri meccanici (maglia al secondario) e dal fattore φ di trasformazione :

dove Saè l'area della superficie elettricamente attiva del trasduttore e Zrè l'impedenza Zraddi Figura 1.

La Figura 11 mostra il circuito equivalente a parametri concentrati del trasduttore multipiano a due piani, in cui è evidenziato il fatto che gli elettrodi sono collegati in parallelo (analogamente a quanto illustrato ih Figura 8a). La sensibilità in trasmissione è maggiore rispetto al caso a singolo piano a causa del maggiore fattore di trasformazione. Il modello mette in evidenza il fatto che le velocità v, al secondario, si sommano nella maglia di uscita. Questo indica che lo spostamento della superficie 1 del trasduttore di Figura 9 a contatto con il mezzo di propagazione è dato dalla somma degli spostamenti dei singoli piani (ovvero, della superficie 1 e dello strato intermedio tra i due piani del trasduttore).

La Figura 12 mostra le curve di sensibilità dei due casi ottenute attraverso un'analisi elettromeccanico-acustica agli elementi finiti che tiene conto del fatto che la struttura è a parametri distribuiti, e solo in prima approssimazione può essere rappresentata con un circuito equivalente a parametri concentrati. Si nota che con la struttura a due piani si guadagnano, in trasmissione, circa 3 dB, solo per il fatto di aver aumentato il fattore di trasformazione .

Nel caso di collegamento degli elettrodi in parallelo della struttura multipiano, il metodo di lettura che consente di guadagnare sensibilità anche in ricezione è quello in cortocircuito (lettura in corrente) . Nella Figura 13 è riportato il circuito equivalente in ricezione in cortocircuito per la struttura a un piano, la cui sensibilità in ricezione è data da:

dove Zrè l'impedenza Zraddi Figura 13.

Con riferimento alla Figura 14, si osserva che, data una pressione incidente sulla faccia del trasduttore multipiano a due piani con gli elettrodi collegati in parallelo, la velocità v della superficie 1 stessa si ripartisce nei vari piani, in questo caso dimezzandosi. Le velocità sono convertite in correnti per mezzo del trasformatore e, grazie al collegamento in parallelo degli elettrodi, si sommano dando luogo ad una corrente in uscita proporzionale, per mezzo del fattore di trasformazione, alla velocità della superficie 1 affacciata al fluido.

Anche in questo caso, come mostrato anche dai risultati di simulazione agli elementi finiti illustrati in Figura 15, l'andamento della sensibilità in ricezione in cortocircuito della struttura a due piani è maggiore di circa 3dB rispetto alla struttura a singolo piano. In particolare, in Figura 15 la sensibilità in ricezione è stata normalizzata rispetto alla superficie radiante, per cui i valori di sensibilità sono espressi per unità di superficie.

La Figura 16 mostra l'andamento della risposta totale in frequenza (pari al prodotto delle sensibilità in trasmissione e ricezione). Si nota che il guadagno totale è di 6dB. Anche in questo caso, entrambe le grandezze sono state normalizzate rispetto alla superficie radiante.

È quindi evidente che, grazie all'aumento del fattore di trasformazione dovuto all'aumento della tensione di collasso, una struttura multipiano ad n piani con elettrodi connessi in parallelo ha una risposta in frequenza totale n volte maggiore rispetto ad una struttura a singolo piano, con prestazioni in frequenza paragonabili (stessa larghezza di banda).

Collegando gli elettrodi della struttura multipiano diversamente dal collegamento in parallelo è possibile migliorare alcune caratteristiche del trasduttore .

In particolare, effettuando, in ricezione, un collegamento in serie degli elettrodi, come illustrato in Figura 8b, si può aumentare la sensibilità in ricezione a circuito aperto.

La Figura 17 mostra il circuito equivalente in ricezione a circuito aperto di una struttura ad un piano, la cui sensibilità in ricezione è data da :

dove Zebè l'impedenza elettrica bloccata (ovvero l'impedenza dovuta al valore della capacità del trasduttore al quale è applicata la tensione di sola polarizzazione) e Saè ancora l'area della superficie elettricamente attiva del trasduttore.

La Figura 18 mostra il circuito equivalente in ricezione del trasduttore multipiano a due piani di Figura 9 in cui gli elettrodi sono collegati in serie, analogamente a quanto illustrato in Figura 8b (in particolare, in Figura 18 è menzionata l'impedenza elettrica ZEdel trasduttore). Le tensioni prodotte in ricezione sono proporzionali allo spostamento. Poiché gli elettrodi sono collegati in serie, le tensioni (analogamente a quanto succede per le correnti nel caso della ricezione in cortocircuito) si sommano. Dunque anche in questo caso si ha un miglioramento della sensibilità in ricezione dovuto al maggiore fattore di trasformazione (pari a 3dB).

Come detto in precedenza, il trasduttore secondo l'invenzione offre anche la possibilità di effettuare il collegamento tra i vari elettrodi della struttura in modo da discriminare in frequenza i segnali ricevuti, sfruttando i modi superiori di vibrazione della struttura multipiano.

I primi due modi di vibrazione longitudinali di una struttura multipiano con un numero di piani maggiore di uno si trovano a frequenze f1 e il cui rapporto f2/f1 è pari a tre; in proposito, i primi due modi vibrazione longitudinali sono quelli in cui tutti i punti di un singolo strato vibrante (sia esso la piastra esterna o uno strato intermedio tra piani) si muovono con la stessa fase. In Figura 8c è mostrato il caso di una struttura a sei piani.

Come mostrato in Figura 19, alle frequenze prossime a quella (f1) del primo modo, tutti gli strati intermedi tra piani e la piastra esterna 1 della struttura si muovono con la stessa fase. In altre parole, lo spostamento u degli strati vibranti della struttura ha, nel tempo, segno concorde rispetto alla direzione z dello spostamento. Di conseguenza, tutte le cavità (anche dette air-gap, indicate in Figura 19 con i numeri di riferimento 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6) si espandono e si restringono contemporaneamente .

Alle frequenza vicine a quella (f2 ) del secondo modo, invece, alcuni strati vibranti della struttura si muovono con fase opposta. In altre parole, mentre alcune cavità si espandono, altre si restringono. Questi modi sono l'equivalente dei cosiddetti modi di spessore, o modi thìckness , di un corpo {bulk) elastico cha abbia una faccia libera di muoversi ed una rigidamente vincolata (per i quali le frequenze dei modi sono, in effetti, multipli dispari della frequenza fondamentale).

Un esempio di come possa essere sfruttata questa caratteristica è quello della trasmissione e ricezione su bande di frequenza distinte. A tale scopo, nel caso del trasduttore di Figure 8c e 19, l'elettrodo 6 del substrato 2, l'elettrodo 15 della piastra esterna 1, e gli elettrodi 5.2 e 5.4 degli strati intermedi sono collegati in parallelo tra loro (tramite una connessione El), mentre gli elettrodi 5.1, 5.3 e 5.5 degli altri strati intermedi sono elettricamente separati dagli altri (ed accessibili tramite tre rispettive connessioni E2, E3, e E4). Grazie a questa configurazione degli elettrodi, è possibile amplificare la risposta del dispositivo intorno alle frequenza del primo o del secondo modo, leggendo la somma o la differenza dei segnali elettrici presenti sugli elettrodi E3 e E4. Si potrebbe quindi pensare ad un utilizzo specifico per il cosiddetto harmonic imaging (generazione armonica di immagini) in cui si trasmette ad una frequenza e si riceve a frequenza doppia o tripla.

La Figura 20 mostra i risultati di una simulazione agli elementi finiti in cui sono paragonate le funzioni di trasferimento in trasmissione e in ricezione della struttura di Figure 8c e 19. La curva di ricezione è stata ricavata operando la sottrazione dei segnali elettrici relativi agli elettrodi E3 e E4; in particolare, la ricezione è stata effettuata chiudendo in cortocircuito tali elettrodi e valutando, quindi, la differenza tra le correnti. Dalla curva di ricezione è evidente come le frequenze più basse vengano rigettate. È quindi possibile, con un trasduttore di questo tipo, trasmettere ad una frequenza e ricevere selettivamente con bande centrate alla frequenza doppia o tripla, come richiesto dalle applicazioni di harmonic imaging per la diagnostica medica .

Il trasduttore secondo l'invenzione è vantaggiosamente fabbricabile adattando uno qualsiasi dei procedimenti di microlavorazione su silicio attualmente applicati per la fabbricazione di trasduttori aventi struttura monopiano, ad esempio semplicemente replicando le fasi di tali procedimenti relative alla realizzazione di un piano provvisto di cavità per un numero di volte pari al numero di piani del trasduttore secondo l'invenzione.

Risultano evidenti i vantaggi ottenibili tramite il trasduttore secondo l'invenzione rispetto ai trasduttori capacitivi convenzionali.

Innanzitutto, come già detto, esso consente di diminuire la distanza tra gli elettrodi, aumentando di conseguenza l'efficienza di trasduzione in trasmissione e in ricezione, ma senza limitare la massima pressione trasmessa. Infatti, la massima pressione elettrostatica applicabile all'elettrodo è inversamente proporzionale alla distanza fra gli elettrodi.

Per contro lo spostamento della membrana è proporzionale alla pressione trasmessa. Nella struttura multipiano è possibile diminuire la distanza fra gli elettrodi poiché lo spostamento della superficie radiante è "distribuito" fra i vari strati vibranti. In altre parole esso è la somma dei singoli spostamenti relativi fra gli elettrodi dei singoli strati vibranti. Quindi, a parità di spostamento desiderato della superficie radiante, è possibile diminuire di un fattore pari al numero di piani le distanze fra elettrodi, con un conseguente aumento dell'efficienza di trasduzione in trasmissione e in ricezione.

Inoltre, il trasduttore secondo l'invenzione consente di diminuire la cedevolezza dei singoli strati vibranti, mantenendo un'impedenza meccanica totale, vista dalla superficie radiante, tale da avere una larghezza di banda ampia. Infatti, una struttura multipiano formata dall'unione di un certo numero di strati vibranti aventi ciascuno una certa impedenza meccanica, presenta, globalmente, un'impedenza meccanica abbattuta di un fattore pari al numero di piani. La tensione di collasso dipende dalla cedevolezza del singolo strato vibrante. E' quindi possibile aumentare la tensione di collasso diminuendo la cedevolezza dei singoli strati vibranti. In tal modo, l'efficienza di trasduzione in trasmissione e in ricezione viene aumentata per mezzo dell'aumento della massima tensione continua di polarizzazione applicabile, ma, mantenendo una adeguata impedenza meccanica totale, senza diminuzione della larghezza di banda.

Ancora, il trasduttore secondo l'invenzione consente di irrigidire la superficie di radiazione in modo tale da avere una superficie radiante in cui tutti i punti si muovono con la stessa ampiezza e fase. Infatti l'elasticità della struttura è fornita dalla flessibilità dei singoli strati vibranti. Non è necessario, come nel caso del singolo piano, affacciare al mezzo di propagazione una superficie che vibra "a flessione": una struttura radiante che vibra a flessione "vede" un'impedenza di radiazione complessa, e ciò implica una riduzione della larghezza di banda. Nel caso multipiano, invece, è possibile ridurre la parte reattiva dell'impedenza di radiazione per mezzo dell'irrigidimento dello strato su cui si trova la superficie radiante. Negli esempi di Figure 3 e 4 la piastra radiante è irrigidita mediante un incremento dello spessore dello strato 9 della piastra esterna 1.

Infine, il trasduttore secondo l'invenzione risulta estremamente versatile, in quanto offre la possibilità di effettuare il collegamento tra i vari elettrodi della struttura in diversi modi, allo scopo di applicare e/o prelevare i segnali elettrici in vari modi al fine di privilegiare le efficienze di trasduzione in trasmissione e/o in ricezione, a circuito aperto o in cortocircuito. Vantaggiosamente, ciò può essere effettuato da una unità elettronica esterna di controllo delle connessioni elettriche degli elettrodi del trasduttore. In particolare, la presenza di molti elettrodi offre anche la possibilità di discriminare in frequenza ovvero di filtrare meccanicamente ed elettricamente i segnali ricevuti sfruttando i modi superiori di vibrazione della struttura multipiano, risultando così vantaggioso nella realizzazione del cosiddetto harmonic imaging.

In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma è da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Trasduttore ultracustico capacitivo, comprendente uno strato esterno (9) che realizza una piastra esterna (1), provvisto di mezzi (15) ad elettrodo, atta a vibrare, ed un substrato rigido (2), a sua volta provvisto di mezzi (6) ad elettrodo, caratterizzato dal fatto di comprendere altresì n piani, con n ≥ 2, interposti tra la piastra (1) ed il substrato (2), ogni piano includendo una pluralità di cavità (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6), e m strati intermedi, atti a vibrare, di interfaccia tra detti n piani, con m = (n - 1), le cavità (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6) di ognuno di detti n piani essendo altresì definite da mezzi (3, 3') di supporto connessi tra superfici affacciate di strati adiacenti a dette cavità (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6), ognuno di detti m strati intermedi essendo provvisto di mezzi (5.1, 5.1', 5.2, 5.2', 5.3, 5.3', 5.4, 5.4', 5.5) ad elettrodo, per cui le cavità (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6) di ogni piano sono interposte tra una coppia di mezzi ad elettrodo appartenenti a due strati intermedi adiacenti oppure ad uno strato intermedio e ad uno tra il substrato (2) e la piastra (1).
2. 2. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5) ad elettrodo di ognuno di detti m strati intermedi comprendono una o più metallizzazioni .
3. 3. Trasduttore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che le metallizzazioni di un medesimo strato intermedio sono tra loro connesse in cortocircuito .
4. 4. Trasduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di supporto che definiscono le cavità di un medesimo piano comprendono una disposizione ordinata di colonne (3, 3').
5. 5. Trasduttore secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la disposizione ordinata di colonne (3, 3') è la medesima per ognuno di detti n piani.
6. 6. Trasduttore secondo la rivendicazione 4 o 5, caratterizzato dal fatto che la disposizione ordinata di colonne (3, 3') è disposta secondo una griglia quadrata, per cui ogni cavità è definita da quattro colonne (3, 3 ' ) .
7. 7. Trasduttore secondo la rivendicazione 6, quando dipendente dalla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che, per ogni piano non adiacente al substrato (2), ciascuna colonna (3') è posizionata in corrispondenza del centro di un quadrato definito da quattro colonne (3) del piano adiacente più vicino al substrato (2).
8. 8. Trasduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti m strati intermedi hanno tutti sostanzialmente il medesimo spessore, e che detti n piani hanno tutti sostanzialmente il medesimo spessore, per cui le cavità hanno tutte la stessa altezza.
9. 9. Trasduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che lo strato esterno (9) ha spessore maggiore dello spessori di ognuno di detti m strati intermedi.
10. 10. Trasduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (15, 6, 5.1, 5.1', 5.2, 5.2', 5.3, 5.3', 5.4, 5.4', 5.5) ad elettrodo del substrato (2), di detti m strati intermedi, e dello strato esterno (9) sono ricoperti, in corrispondenza delle cavità adiacenti, da un rispettivo strato protettivo (7, 8) di materiale isolante.
11. 11. Trasduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere altresì mezzi atti a connettere in parallelo e/o in serie tra loro almeno una parte di detti mezzi (15, 6, 5.1, 5.1', 5.2, 5.2', 5.3, 5.3', 5.4, 5.4', 5.5) ad elettrodo del substrato (2), di detti m strati intermedi, e dello strato esterno (9).
12. 12. Trasduttore secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detti mezzi atti a connettere in parallelo e/o in serie tra loro almeno una parte di detti mezzi (15, 6, 5.1, 5.1', 5.2, 5.2', 5.3, 5.3', 5.4, 5.4', 5.5) ad elettrodo sono almeno parzialmente controllati da una unità elettronica esterna.
13. 13. Trasduttore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di essere fabbricato mediante un procedimento di microlavorazione del silicio.