Mechanical and electromechanical study of ferro-electrets films for water immersion ultrasonic transducers

Abstract

The motivation for this work is the development of ultrasonic transducers for quantitative echography. In this regard, the thesis aims to study the role of polypropylene Ferroelectret Films (FF) as an active layer for ultrasound transducers operating in water immersion. These type of polymers present a cellular structure and a strong piezoelectric response, they were introduced in the ’80s, and since then, they have been used and researched mostly for air-coupled transducers and pressure sensors but not for water immersion or medical transducers. The starting point of this thesis was the unexpected fact that the piezoelectric response was observed when the film was submerged in water. These preliminary results show that the film can operate as an ultrasonic transmitter and receiver with unforeseen features such as short impulse response and large bandwidth, contrary to the air-coupled behavior. This feature is of great interest for quantitative echography. The observed differences between the response of the FF transducer air-coupled and FF transducer water-coupled explained above motivated the study of the thickness resonances at different loads, which was performed by studying the ultrasonic transmission coefficient spectra. The main results point out that FF conserves the mechanical resonances, although they are slightly displaced while immersed, but the electromechanical resonances are lost. We provide an explanation for this behavior. Taking advantage of all the knowledge developed about the FF, different ultrasound transducers were manufactured with the aim of being used for resonant quantitative echography. Also, different designs and paths of fabrication were explored (flat and spherical aperture). The lack of electromechanical resonances suggested the possibility of designing, fabricating, and testing hydrophones with a very flat band. Results are compared against PVDF hydrophones manufactured with the same design. Finally, five cartilage phantoms were manufactured to test the spectroscopy ultrasound technique with conventional ultrasonic transducers as a proof of concept

La motivación de este trabajo es el desarrollo de transductores de ultrasonidos para la ecografía cuantitativa. En este sentido, la tesis pretende estudiar el papel de las láminas de ferroelectret construidas con polipropileno como capa activa para transductores de ultrasonidos que operan en inmersión en agua. Este tipo de polímeros presentan una estructura celular y una fuerte respuesta piezoeléctrica. Fueron introducidos en los años 80, y desde entonces, han sido utilizados e investigados principalmente para transductores acoplados al aire y sensores de presión, pero no para transductores de inmersión en agua o médicos. El punto de partida de esta tesis fue el hecho inesperado de observar la respuesta piezoeléctrica con las láminas de ferroelectreto (LF) cuando estos estaban sumergidos en el agua. Estos resultados preliminares muestran que estas láminas pueden funcionar como transmisor y receptor de ultrasonidos con características no previstas, como una respuesta de impulso corta y un gran ancho de banda, al contrario que el comportamiento de estas laminas cuando están acopladas al aire. Esta característica es de gran interés para la ecografía cuantitativa. Las diferencias observadas entre la respuesta de las LF montandas en un transductor acoplado al aire y acoplado al agua, motivaron el estudio de las resonancias de espesor en estos medios. Este análisis se llevó a cabo mediante el estudio de los espectros de los coeficientes de transmisión. Los principales resultados señalan que las LF conservan las resonancias mecánicas cuando están sumergidas, aunque están ligeramente desplazadas, pero las resonancias electromecánicas se pierden. Se presenta una explicación para este comportamiento. Aprovechando todo el conocimiento desarrollado sobre las LF, se fabricaron diferentes transductores de ultrasonidos con el objetivo de ser utilizados para la ecografía cuantitativa resonante. También se exploraron diferentes diseños y vías de fabricación (apertura plana y esférica). La ausencia de resonancias electromecánicas sugirió la posibilidad de diseñar, fabricar y probar hidrófonos con una banda muy plana. Los resultados se comparan con hidrófonos de PVDF fabricados con el mismo diseño. Por último, se produjeron cinco phantoms de cartílago para probar la técnica de ultrasonidos por espectroscopia con transductores de ultrasonidos convencionales como prueba de concepto