[en] The need for new minute and compact ultrasound systems for non-invasive applications in limited area (such as wearables or intravascular ultrasound systems) has recently inspired the scientific community to develop novel ultrasound devices based on thin-film piezoelectrical materials following a MEMS technology process. Robustness of the MEMS technology along with low power needs for transduction on the piezoelectrical material (in comparison with capacitive ultrasound transducers), provides high yield fabrication towards a large number of equal devices in an arrayed form. Additionally, the possibility of the integration with CMOS will further allow edge processing directly at the chip level, providing smartness in a very compact system. In this context, the research presented in this dissertation focuses on improving the performance of piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (PMUTs) ensuring the capability to be integrated monolithically on CMOS substrates. The goal is to provide a compact device with improved performance and reliability as an ultrasound system compared to the state-of-the-art. The technology provided by Silterra ensures the possibility of integrating with the CMOS circuitry with minimal parasitic capacities and a high fill factor in array systems. In particular, this research deals, firstly, with the optimization of single PMUTs devices towards the improvement of their acoustic performance following three main approaches: (1) innovative modifications of the design structure, (2) variations in the piezoelectric materials, and (3) layers thicknesses scaling. Several designs of PMUTs (single and in array configurations), AlN, and AlScN as piezoelectric materials, and thicknesses ranging from 1 µm to 1.5 µm for the passive layer and from 0.6 µm to 1.3 µm for the active layer are analyzed, modeled, and characterized throughout this thesis. Finally, the application of these PMUT-on-CMOS devices in imaging systems and as a fluid sensor to extract the hydrodynamic properties of liquids, demonstrate the versatility achieved by the developed systems.

[es] La necesidad de nuevos sistemas de ultrasonido compactos y de tamaño reducido para aplicaciones no invasivas de área limitada (como dispositivos portátiles o sistemas de ultrasonido intravascular) ha inspirado recientemente a la comunidad científica a desarrollar nuevos dispositivos de ultrasonido basados en materiales piezoeléctricos de película delgada siguiendo un proceso basado en tecnología MEMS. La robustez de la tecnología MEMS junto con las necesidades de baja potencia para la transducción en el material piezoeléctrico (en comparación con los transductores de ultrasonido capacitivos), proporciona una fabricación de alto rendimiento para una gran cantidad de dispositivos iguales en forma de matrices. Además, la posibilidad de integración con CMOS permitirá aún más el procesamiento directamente a nivel de chip, proporcionando inteligencia en un sistema muy compacto. En este contexto, la investigación presentada en esta tesis se centra en mejorar el rendimiento de los transductores ultrasónicos micromecanizados piezoeléctricos (PMUT), asegurando la capacidad de integrarse monolíticamente en sustratos CMOS. El objetivo es proporcionar un dispositivo compacto con un rendimiento y una fiabilidad mejorados como sistema de ultrasonido en comparación con el estado del arte. La tecnología proporcionada por Silterra asegura la posibilidad de integración con el circuito CMOS con mínimas capacidades parásitas y con un alto factor de relleno en sistemas de matriz. En particular, esta investigación trata, en primer lugar, de la optimización de dispositivos PMUT individuales para mejorar su rendimiento acústico siguiendo tres enfoques principales: (1) modificaciones innovadoras de la estructura de diseño, (2) variaciones en los materiales piezoeléctricos y (3) ) variaciones de los espesores de las capas. Varios diseños de PMUT (configuraciones simples y en matrices), AlN y AlScN como materiales piezoeléctricos, y espesores que van desde 1 µm hasta 1,5 µm para la capa pasiva y desde 0,6 µm hasta 1.3 µm para la capa activa se analizan, modelan y caracterizan a lo largo de esta tesis. Finalmente, la aplicación de estos dispositivos PMUT-on-CMOS en sistemas de imagen y como sensor de fluidos para extraer las propiedades hidrodinámicas de los líquidos, demuestran la versatilidad lograda por los sistemas desarrollados.