Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasound Transducers) apparaissent, au vu de leur maturité croissante, comme une alternative de plus en plus viable à la technologie piézoélectrique. Caractérisés par une large bande passante et une large directivité, ces transducteurs sont des solutions intéressantes pour le développement de sondes ultrasonores « exotiques » dont les spécifications sont difficilement atteignables en technologie piézoélectrique. C'est dans ce contexte et fort de l'expérience acquise par notre laboratoire sur cette technologie pendant plus d'une dizaine d'années, que s'est inscrit ce travail de thèse. L'originalité du travail rapporté ici est d'aller de l'analyse du comportement général des barrettes cMUT jusqu'à un exemple précis de conception de sonde cMUT pour l'évaluation du tissu osseux. Des outils de modélisation précis et rapides, basés sur l'introduction de conditions de périodicité, ont été développés. Plusieurs modèles ont ainsi été mis en place afin d'adapter la stratégie de modélisation à la topologie du dispositif cMUT à modéliser : cellule isolée, colonne de cellules, matrice de cellules et élément de barrette. Ces modèles ont permis d'étudier le comportement des éléments de barrette cMUT et d'améliorer notre connaissance sur les mécanismes physiques mis en jeu. De cette façon, l'origine des effets de baffle, problème récurrent du comportement des barrettes cMUT, a clairement été interprété par l'intermédiaire d'une analyse modale. Des solutions ont ainsi été identifiées et proposées afin d'optimiser le comportement des barrettes cMUT, de façon à réduire la présence des effets de baffle et à augmenter leur bande passante. Le développement d'une barrette cMUT dédiée à l'évaluation du tissu osseux est présenté dans sa totalité, afin d'illustrer les différents aspects liés à la conception d'une sonde de cette technologie. Un travail original de caractérisation a été réalisé sur cette barrette, afin d'estimer l'homogénéité inter-cellules à l'échelle de l'élément et l'homogénéité inter-éléments à l'échelle de la barrette. Enfin, une confrontation a été réalisée avec une sonde PZT de même topologie sur plusieurs fantômes osseux. Il a ainsi été démontré que la sonde cMUT permettait la détection d'un plus grand nombre de modes guidés, et par conséquent, une meilleure évaluation du tissu osseux. / Following recent advances, the capacitive Micromachined Ultrasound Transducers (cMUT) technology seems to be a good alternative to the piezoelectric technology. For specific applications, the requirements and specifications of the probe are sometimes difficult to obtain with the traditional PZT technology. The cMUT technology, with both large bandwidth and angular directivity, can be an interesting way to overcome these limitations. This PhD has been carried out in this context, in a laboratory which has nearly 10 years of experience in the field of cMUT technology. The originality of the work sustained in this PhD is that it covers the cMUT technology, from general aspects dealing of modeling and characterization up to a complete example of cMUT-based probe applied to the assessment of cortical bone. Fast and accurate modeling tools, based on periodicity conditions, have been developed. Several models have been proposed to match the modeling strategy to the topology of the cMUT array : isolated cell, columns of cells, 2-D matrix of cells and array element. These models have been used to analyze the cMUT array behavior and to understand how mutual couplings between cMUTs impact the response of one element. Origins of the baffle effect, well-known as a recurrent problem in cMUT probe, have been explained using an original method based on the normal mode decomposition of the radiated pressure field. Thus, solutions have been identified and tested to optimize the cMUT frequency response, i.e. to increase the bandwidth, and to suppress parasitic disturbances linked to baffle effect in the electroacoustic response. The development of a dedicated cMUT array for the assessment of bone tissue is accurately detailed in the manuscript, including description of the design rules, fabrication steps and packaging procedure. An original characterization work has been carried out in order to check the device homogeneity, first from cell to cell and then from element to element. Finally, a comparison with a PZT probe with the same topology has been performed on bone mimicking phantom. Nice results has been obtained, showing that cMUT probe allows detecting higher number of guided modes in the cortical shell, and consequently, improving the cortical bone assessment.

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasound Transducers) sont aujourd'hui une nouvelle alternative à la transduction d'ondes ultrasonores. En comparaison avec la technologie piézoélectrique, ils offrent de nombreuses potentialités en termes de fiabilité, de production, de miniaturisation et d'intégration, d'une électronique associée mais aussi en termes de performances acoustiques. Les voies d'application de ces dispositifs, dédiés initialement à l'imagerie médicale, sont aujourd'hui étendues à de nombreux domaines tels que la thérapie, les capteurs biochimiques ou encore l'émission paramétrique d'ondes sonores. Néanmoins, leur mise en œuvre n'en est encore qu'à ses balbutiements et la compréhension de leurs comportements à la fois statique et dynamique nécessite d'être approfondie. C'est dans ce cadre que s'inscrit le présent travail de thèse. Ce mémoire adresse deux aspects majeurs de ces micro-systèmes : leur caractérisation mécanique et l'impact de la non-linéarité des forces électrostatiques sur la réponse temporelle. La caractérisation des micro-systèmes, notamment en termes de contraintes initiales et de modules d'élasticité, est une problématique récurrente de ces dispositifs. Dans le contexte des technologies cMUT, fabriquées par procédé de micro-usinage de surface, nous avons souhaité reposer les bases de cette étape de mesure et proposer des méthodes de caractérisation basées sur l'utilisation de dispositifs fonctionnels plutôt que s'appuyer sur des structures dédiées (micro-poutre, ponts, structures rotatives). L'impact de la non-linéarité sur la dynamique dans le fluide d'une cellule, puis d'un réseau de cellules, est ensuite étudié en s'appuyant à la fois sur des mesures d'interférométrie laser et sur un modèle temporel intégrant les effets du fluide. Nous exposons ici une étude à plusieurs échelles, allant de la cellule unitaire du dispositif à la pression rayonnée par un élément de barrette. Une optimisation de l'excitation dans l'objectif de réduire l'effet de la non-linéarité tout en conservant des niveaux de pressions optimum est proposée. En fin, à travers l'étude dynamique effectuée, un nouveau régime de fonctionnement des cMUTs est identifié et vérifié. Celui-ci s'appuie sur l'exploitation du régime forcé dans l'air ou dans l'eau de ces dispositifs pour la génération d'ondes ultrasonores basse-fréquence.

The objective of this research is to develop and design front-end analog circuits for Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers (CMUTs) and optical grating MEMS microphone. This work is motivated by the fact that with micro-scaling, MEMS sense capacitance gets smaller in a CMUT array element for intravascular ultrasound imaging, which has dimensions of 70um x 70um and sub pico-farad capacitance. Smaller sensors lead to a lower active-to-parasitic ratio and thus, degrads sensitivity. Area and power requirements are also very stringent, such as the case of intravascular catheter implementations with CMOS-First CMUT fabrication approach. In this implementation, capacitive feedback charge amplifier is an alternative approach to resistive feedback amplifiers. Capacitive feedback charge amplifier provides high sensitivity, small area, low distortion and saving power. This approach of charge amplifiers is also suitable in capacitive microphones where it provides low power and high sensitivity. Another approach to overcome capacitive detection challenges is to implement optical detection. In the case of biomimetic microphone structure, optical detection overcomes capacitive detection's thermal noise issues. Also with micro-scaling, optical detection overcomes the increased parasitics without any sensitivity degradation, unlike capacitive detection. For hearing aids, along with sensitivity, battery life is another challenge. We propose the use of 1-bit front-end sigma-delta ADC for overall improved hearing aid power efficiency. Front-end interface based on envelope detection and synchronous detection schemes have also been designed. These interface circuits consume currents in microampere range from a 1.5V battery. Circuit techniques are used for maximizing linear range and signal handling with low supplies. The entire front end signal processing with Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) drivers, photodiodes, filters and detectors is implemented on a single chip in 0.35um CMOS process.