EP2349593A1 - Cellule cmut formee d'une membrane de nano-tubes ou de nano-fils ou de nano-poutres - Google Patents

Cellule cmut formee d'une membrane de nano-tubes ou de nano-fils ou de nano-poutres

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Publication number
EP2349593A1
EP2349593A1 EP09752873A EP09752873A EP2349593A1 EP 2349593 A1 EP2349593 A1 EP 2349593A1 EP 09752873 A EP09752873 A EP 09752873A EP 09752873 A EP09752873 A EP 09752873A EP 2349593 A1 EP2349593 A1 EP 2349593A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane
nano
nanotubes
beams
electroacoustic transducer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09752873A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bérengère LEBENTAL
Anne Ghis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Laboratoire Central des Ponts et Chaussees
Ecole Nationale des Ponts et Chaussess ENPC
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Laboratoire Central des Ponts et Chaussees
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Ecole Nationale des Ponts et Chaussess ENPC
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Laboratoire Central des Ponts et Chaussees, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Ecole Nationale des Ponts et Chaussess ENPC, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Laboratoire Central des Ponts et Chaussees
Publication of EP2349593A1 publication Critical patent/EP2349593A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B1/00—Spoked wheels; Spokes thereof
    • B60B1/02—Wheels with wire or other tension spokes
    • B60B1/0261—Wheels with wire or other tension spokes characterised by spoke form
    • B60B1/0292—Wheels with wire or other tension spokes characterised by spoke form the spoke being bent at both ends
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/00158—Diaphragms, membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L29/1606—Graphene
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0257—Microphones or microspeakers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function

Definitions

  • the invention relates to the field of electroacoustic transducers micro-machined capacitive type also called "cMUT", and provides a device with one or more cMUT transducers having an improved membrane.
  • the invention provides improvements in particular in terms of stiffness and thickness of the membrane, range of the operating frequency range of the device, bandwidth.
  • Devices for generating and detecting ultrasonic acoustic waves may include micromachined ultrasonic transducers, that is, devices capable of converting acoustic energy into electrical energy and vice versa, and which are manufactured using thin film production of microsystems or micro-devices.
  • transducers There are several types of transducers: - pMUT transducers (pMUT for "piezoelectric MUT”) which are formed of piezoelectric elements.
  • the mMUT transducers (mMUT for "Magnetostrictive” MUT) whose operating principle is based on magnetostriction.
  • ultrasonic transducers made from piezoelectric ceramics are particularly well suited because their acoustic impedance is generally of the same order of magnitude as that of the solid materials in which the waves are generated.
  • pMUTs transducers in fluid media poses problems of impedance mismatch.
  • transducers with piezoelectric composites can be implemented.
  • impedance matching layers such as quarter-wave layers, are added to the piezoelectric ceramic material of the transducer. This has the disadvantage of making the manufacture of such transducers more complex.
  • transducers An alternative to pMUTs transducers is the use of cMUT transducers whose operation is based on the electrostatic effect.
  • Such transducers may be formed of a metallized membrane disposed above a metal plate acting as an electrode, and may be provided for emitting ultrasound for example in air or in water.
  • transducers The operation of these transducers is based on an electrostatic attraction between a membrane and a metal plate when a voltage is applied to this plate.
  • the vibrations of the membrane caused by the acoustic waves can be measured by capacity variation, or by strain gauge.
  • cMUTs One of the main interests of cMUTs is their low acoustic impedance, which makes them well suited for use in a fluid environment.
  • the ultrasonic transducers may be arranged in a matrix to form an acoustic imaging device, as has been described for example in EP 1 414 739 B1.
  • the cMUTs transducers are generally formed of a gold-coated silicon nitride membrane disposed on the backside of a doped silicon plate.
  • the production of cMUT transducers by micromachining generally comprises a step of releasing a membrane.
  • a method consisting of structuring a sacrificial layer before depositing the membrane over, creating holes in the membrane to be able to remove the sacrificial layer, then sealing the holes after release of the membrane, is given for example in document US 2007/0161896 A1. .
  • Another method is to deposit a membrane made independently on a structured substrate.
  • the release methods also tend to weaken the membranes.
  • the cMUT transducers obtained using such methods have a limited accessible frequency range, for example from 20 kHz to 10 MHz.
  • a cMUT transducer having layers of stress reducing materials has been disclosed in FR 2,880,232 (A1).
  • Document US 2007/0215964 A1 discloses a cMUT transducer with a membrane comprising secondary structures which make it possible, inter alia, to vary the mass and the rigidity of the membrane independently, which leads to a better sensitivity of the device.
  • Such a device raises problems as regards the complexity of its implementation, its cost of implementation, its size, the operating frequencies to which it provides access.
  • the invention uses a cMUT type capacitive electroacoustic transducer cell comprising one or more membranes formed respectively of one or more layers of nanotubes and / or nano-wires and / or nano-beams.
  • Nanotubes means bar-shaped elements having a critical dimension or a diameter (for nanowires and nanotubes) which can be between 0.5 nm and 5 ⁇ m.
  • the nanowires may have a cylindrical or substantially cylindrical shape, with a rounded profile.
  • the nano-beams may have a parallelepipedal or substantially parallelepipedal shape.
  • nanotubes means bars having a hollow central portion and having a diameter which may be between 0.5 nm and 5 ⁇ m.
  • the length of the nanowires or nano-beams or nanotubes may be for example between 50 nm and 1 mm.
  • the invention thus provides a capacitive electro-acoustic transducer of the cMUT type comprising: at least one membrane designed to oscillate under the effect of an electric field and / or an acoustic wave, the membrane being formed of one or more layers formed of juxtaposed nanotubes, and / or nano-son and / or nano-beams juxtaposed (e) s.
  • the membrane may be formed of at least one layer of nanotubes and / or nano-wires and / or nano-beams parallel to each other.
  • the assembly of the nanotubes and / or nano-wires and / or nano-beams in the membrane enables the transducer of the invention to benefit from the performances of the NEMS resonators to perform the actuation function of an ultrasonic transducer while being miniature and rigid.
  • the transducer according to the invention has small dimensions and high working frequencies.
  • the device may comprise one or more membranes each formed of one or more layers of nanotubes and / or nano-wires and / or nano-parallel beams separated by a distance from the order of the equilibrium distance of the van der Waals interaction.
  • This membrane may be disposed above at least one cavity and may be provided to oscillate under the effect of an electric field when the device is in emission mode.
  • the membrane may be provided to oscillate under the effect of an acoustic wave, when the device is in reception mode.
  • the membrane may comprise one or more so-called “bonding" layers, contiguous with nanotubes and / or nanowires and / or nano-beams.
  • the membrane may be further formed: of one or more layers called "connecting", contiguous to nanotubes and / or nano-son and / or nano-beams.
  • Such layers may be provided to allow the nano-son, nanotubes and / or nano-beams to be bonded and / or to ensure a tightness of the membrane.
  • the bonding layer or the bonding layers may be based on a material chosen to be more deformable than the layer (s) of nanotubes and / or nanowires and / or nano-beams of the membrane.
  • the membrane may include:
  • the membrane may be formed of at least a first layer of nanotubes and / or nano-wires and / or nano-beams oriented in a first direction and at least a second layer of nanotubes and / or nano-wires and / or nano-beams oriented in a second direction, orthogonal to the first direction.
  • the membrane may be formed of one or more layers of nanotubes, and / or nanowires and / or nano-beams.
  • the membrane may comprise at least one graphene-based bonding layer contiguous to at least one layer of nanotubes, and / or nano-beams and / or nano-wires. Covering the membrane formed by the layer (s) of nanotubes, nano-wires, nano-beams makes it possible to guarantee impermeability of the membrane and efficiency of actuation without disturbing its mechanical properties.
  • the membrane may be formed of one or more layers of nanotubes, and / or a nano-beam layer and / or a nano-son layer, interposed between at least a first layer of graphene and at least one second layer of graphene.
  • the membrane may be formed of a self-supporting core consisting solely of nanowires and / or nano-beams and / or nanotubes.
  • the capacitive electroacoustic transducer may also comprise: at least one actuation and / or detection electrode, and at least one cavity above which the membrane is intended to oscillate, the membrane being located facing said cavity.
  • the electroacoustic capacitive transducer may further comprise:
  • the transducer may be provided to operate as a transmitter or transmitter / receiver.
  • the capacitive electroacoustic transducer may include:
  • the transducer may be provided to operate as a receiver or transmitter / receiver.
  • the electroacoustic capacitive transducer may furthermore comprise:
  • the first cavity may be for example intended to form an emitting part of the device, while the second cavity may for example be intended to form the receiving part of the device.
  • the same membrane may be located opposite the first cavity and the second cavity.
  • the transducer may comprise a plurality of membranes located above the same cavity.
  • the transducer may comprise a membrane located above several cavities or a matrix of cavities.
  • the transducer may comprise several membranes superimposed above or opposite one and the same cavity.
  • the invention also relates to an acoustic imaging device or UHF sonar comprising a matrix of capacitive electroacoustic transducers of cMUT type as defined above.
  • FIGS. 1A and 1B illustrate an example of a cMUT transducer according to the invention, comprising a membrane formed of nanotubes or nano-wires or nano-beams, according to a view from above and in a cross-sectional view,
  • FIGS. 2A, 2B, 2C, 2D, 2E illustrate examples of cMUT cells operating respectively as transmitters or as receivers or transceivers according to the invention
  • FIG. 3 illustrates an exemplary pulse operation of a cMUT transducer device according to the invention
  • FIG. 4 illustrates an example of transient operation of a cMUT transducer device according to the invention
  • FIG. 5 illustrates an example of steady-state operation of a cMUT transducer device according to the invention
  • FIGS. 6A and 6B illustrate a membrane formed of a network of nanotubes in an exemplary cMUT transducer according to the invention, the membrane being respectively represented in a view from above and in a cross-sectional view,
  • FIGS. 7A and 7B illustrate a membrane of a cMUT transducer according to the invention, the membrane being formed of a network of nanotubes of high density, and respectively represented in a view from above and in a cross-sectional view,
  • FIGS. 8A to 8D illustrate various network arrangements (x) of nanotubes forming or included in a membrane of cMUT transducer devices according to the invention
  • FIGS. 9A to 9F illustrate various network arrangements (x) of nano-wires, or nano-beams or nanotubes in a membrane of a cMUT transducer according to the invention
  • FIGS. 10A and 10B illustrate a membrane of a cMUT transducer formed of several layers of nanotubes of different orientations, according to a view from above and in a cross-sectional view
  • FIGS. HA and HB give examples of resonance frequency curves of devices cMUTs according to the invention comprising a membrane formed of nanotubes of 1 ⁇ m in length and a membrane formed of nanotubes and 1 nm in radius, and obtained respectively at using numerical simulations for a membrane in air and in water,
  • FIGS. 12A and 12B give examples of resonance frequency curves of devices cMUTs according to the invention respectively comprising a membrane formed of nanotubes with a radius of 1 nm and a membrane of 1 TPa of Young's modulus, and obtained respectively using measurements made in the air and in the water,
  • FIG. 13 illustrates an example of a cMUT transducer device according to the invention, comprising a hermetic cavity
  • FIG. 14 illustrates an example of a cavity of oblong shape in a cMUT transducer device according to the invention
  • FIG. 15 illustrates an example of a cMUT transducer device according to the invention, comprising several membranes facing the same cavity,
  • FIG. 16 illustrates an example of a cMUT transducer device according to the invention, comprising a membrane facing several cavities
  • FIG. 17 illustrates an example of a cMUT transducer device according to the invention; having several superimposed membranes and having different orientations.
  • FIGS. 1A and 1B An example of a device according to the invention, comprising at least one micro-machined ultrasonic transducer cell cMUT is given in FIGS. 1A and 1B (FIG. 1A showing a cross-sectional view X 'X of the device while in FIG. a top view of the device is given).
  • the cell comprises at least one electrode 107 which may be metallic, for example gold-based, and which rests on a substrate 100 which may for example be based on silicon or on silicon oxide and on which conductive zones rest. 103a, 103b, which can play the role of electric mass.
  • the cell also comprises at least one membrane 105 (shown in oscillation in FIG. 1A), the ends of which are connected to the zones 103a, 103b, in order to put the membrane 105 to ground.
  • the membrane 105 may be supported by blocks 104, for example based on insulating material such as than SiO2 on which it rests.
  • the blocks 104 make it possible to maintain the membrane 105 above a cavity 110 unveiling the electrode 107 and in which the membrane 105 is intended to vibrate.
  • the depth (defined in a direction parallel to that of the vector k of the orthogonal coordinate system [O; /; j; k] given in FIGS. 1A and 1B) of the cavity 110 may be for example of the order of 100 nm or included for example between 100 nm and 1000 nm.
  • the cavity 110 may for example have a rectangular or square shape, the lateral dimensions (defined in a direction parallel to the plane [O; /; j] given in Figures IA and IB) may be of the order of 1 micron, or for example between 300 nm and 3 ⁇ m, and adjusted to optimize certain operating parameters of the device such as the operating frequency, the vibration amplitude of the membrane 105.
  • the membrane 105 may be formed of nanotubes, for example carbon nanotubes, or nano-wires or nano-beams, for example based on semiconductor material such as Si, or for example based on a material dielectric such as Si3N 4 .
  • the nanowires, or nano-wires, or nano-beams are arranged and can be arranged in a single layer, or several superimposed layers.
  • the membrane 105 may be formed of juxtaposed rows of nanotubes or nano-son or aligned nano-beams.
  • the nanotubes or nano-son or nano-beams can be parallel to each other, which allows to obtain very strong Van der Waals lateral interactions.
  • a membrane formed of aligned parallel nano-wires or nanotubes may have a much higher Young's modulus than a conventional membrane formed of a crystalline material-based layer.
  • the membrane thus formed has a thickness, of the order of a nanometer, smaller than that of a conventional membrane.
  • Nano-wires or nanotubes or nano-beams can be distributed over several layers or thicknesses.
  • Such a membrane also has the advantage, besides its increased rigidity, that its thickness is controllable to a fraction of a nanometer.
  • a hydrophilic or hydrophobic character can also be imparted to the membrane. This is facilitated especially when the membrane is based on carbon nanotubes.
  • the membrane 105 may comprise one or more sheets or layers referred to as "connecting" to make it possible to bind the nanotubes or nanowires or nano-beams and possibly to ensure a seal and / or to guarantee efficiency of actuation of the membrane without disturbing its mechanical properties.
  • the layer (s) "connection” may (for example) be in the form of one or more layers of graphene.
  • a bonding layer allowing a sealing and cohesive reinforcement of the membrane, based on a material other than graphene may optionally be provided.
  • the bonding layer (or bonding layers) may be provided based on a more deformable material than said nanotubes and / or nanowires and / or nano-beams of the membrane.
  • the bonding layer may be provided to have a moment of inertia at least five times lower than all the nanotubes and / or said nano-son and / or or said nano-beams of the membrane.
  • the bonding layer may be provided so as to have a module of Young at least five times lower than the assembly formed by the nanotubes and / or said nanowires and / or said nano-beams.
  • the membrane 105 may be covered, in regions surrounding the cavity 110, with metal zones 112a, 112b, for example based on aluminum, resting on parts of the latter.
  • the contact of the metallic material of the zones 112a, 112b with the membrane can be improved for example by oxidation, for example by RIE (RIE) treatment or by functionalization of the nanotubes, for example using groups COOH.
  • RIE RIE
  • Such metal zones 112a, 112b may make it possible to secure the membrane 105 to the edges of the cavity 110 in order to limit the energy losses and the decrease in operating frequencies due to poor contact between the membrane and the support.
  • a DC bias voltage is applied, as is an AC voltage on the electrode 107.
  • a DC bias voltage is applied to the membrane 105. It is the movements of a surrounding fluid that then vibrate the membrane 105. These vibrations are detected by a measurement of variable capacitance between the electrode 107 and the membrane 105.
  • a method as described in the following article can be used as a detection method: Measurement of Nano-displacement based on in-plane suspended MOSFET detection compatible with a front-end CMOS process "by E. Colinet et al. in 2008 IEEE Int. solid-states circuits conf, session 18, MOS MEDLEY, 18.2.
  • a device with two very close cavities above which a single membrane 105 is arranged, or having a first cavity above which there is a first membrane, and a second cavity of which is a second membrane, distinct from the first membrane.
  • a first cavity may be provided to make the transmitting part of the device, while a second cavity may be provided for the receiving part.
  • the incident wave at the receiving cavity is identical to the incident wave at the emitting cavity, and more easily measurable.
  • FIG. 2A a cMUT transducer cell of the type of that previously described in connection with FIGS. 1A and 1B is given.
  • This cell operates as an acoustic wave transmitter 200 and comprises a membrane 105 intended to vibrate in a cavity 110 facing an electrode 107.
  • the device is also provided with means 210 for applying a variable potential Va to the electrode 107, and means 212 for applying a fixed potential Vs on the membrane 105.
  • FIG. 2B a cMUT cell of the type of that described previously with reference to FIGS. 2A and 2B, is also shown.
  • the cell operates as an acoustic wave receiver 202 and comprises a membrane 105, as well as means 212 for applying a fixed potential Vs on the electrode 107, and means 220 forming a capacimeter, for measuring a capacitance variation ⁇ Cm representative of waves received by the membrane 105.
  • FIG. 2C Another example of a cMUT cell is given in Figure 2C.
  • the cell operates as a transceiver and comprises a membrane 105 suspended above a first cavity 110 and a second cavity 170.
  • the first cavity 110 belongs to the emitting part of the cell.
  • the cell also comprises means 210 for applying a variable potential Va to the membrane 105, and means 212 for applying a fixed potential Vs to the electrode 107.
  • the second cavity 170 belongs, in turn, to the receiving part of the cell.
  • the cell also comprises means 212 for applying a fixed potential Vs to a second electrode 207, and means 220 for measuring a capacitance variation ⁇ Cm of the membrane 105, connected to the second electrode 207.
  • FIG. 2D Another example of a cMUT cell is given in FIG. 2D.
  • the cell operates as a transceiver and has a membrane 105 and a single cavity 110 to act as both transmitter and receiver.
  • the cell also comprises means 212 for applying a fixed potential Vs to an electrode 107, and means 220 for measuring a capacitance variation ⁇ Cm of the membrane 105, connected to the electrode 107.
  • Vs a fixed potential
  • ⁇ Cm a capacitance variation
  • a measurement of the echo return time at the transmitter makes it possible to locate a reflective zone of the waves and the frequency analysis of these echoes makes it possible to identify the nature of the zones traversed by these waves.
  • Figure 2E Another example of a cMUT cell is given in Figure 2E.
  • the cell operates as a transceiver and comprises two membranes 105, 205 and two cavities 110, 270, a first membrane 105 being intended to vibrate in the first cavity 110, a second membrane 205 being intended to vibrate in the second cavity 170, the second membrane 205 being distinct from the first membrane.
  • the first cavity may be provided to make the transmitting part of the device, while a second cavity may be provided for the receiving part.
  • the membrane or membranes are formed of one or more layers of nanotubes and / or nano-threads and / or nano-beams, parallel.
  • the cells can each be associated with one or more modules integrated in the same medium: for example at least one amplification module, for example at least one memory module, for example at least one energy recovery module, for example information transmission and reception modules, for example at least one module for signal processing adapted to perform operations such as, for example, quadruple decompositions, comparisons.
  • modules can possibly be placed at a distance from the cell, the connection of the cell to this remote electronics can be made by technologies such as wire-bonding or a TSV (TSV) integration with through vias.
  • TSV TSV
  • a matrix of emitters or receivers or emitters / receivers as described above and independently controlled by an active stamping based on transistors can be realized.
  • a cMUT cell may have a transient mode, a pulse mode of operation ( Figure 3) or a sinusoidal operating mode (Figure 4).
  • the transmitter can in turn transmit an acoustic wave in the form of a pulse (Signal S2) whose signal time spreading depends on the bandwidth of the transmitter and the surrounding environment.
  • the pulse S2 propagates in the medium and reaches the receiver at the distance d after a time Ti with Cfi and the speed of sound in the middle).
  • Frequency analysis of a received signal S3 and its comparison with the transmitted signal S2 makes it possible in one go to determine the transfer function of the medium for the frequencies present in the spectrum of the transmitter and the receiver.
  • the pulse S2 can be partially reflected by the medium, which can be translated at the receiver by successive echoes.
  • the echo return time at the transmitter makes it possible to locate the reflective zone and their frequency analysis to analyze the nature of the interfaces traversed by the pulse S2.
  • the emitted wave can be in the form of a transient sine wave (signal S20), generated using a sinusoidal voltage (signal SlO).
  • the transfer function of the medium at the frequency w is determined.
  • T3 equal to several periods, the transmitted wave depends on the region of the space located within a few wavelengths of the transmitter.
  • the transmitter In steady state mode (FIG. 5), the transmitter emits a wave (signal S200) of amplitude A at the frequency w, for example around 1 GHz in the air and for example of the order of 100 MHz in the water.
  • the wave generated using a voltage SlOO applied to the transmitter propagates in the medium and interferes with its echoes, causing transient behavior. After a certain time depending on the medium and the speed of propagation of the waves in the medium, the wave reaches a steady state.
  • two sinusoids are measured.
  • the amplitude and the phase shift of the reflected wave correspond to the overall acoustic impedance of the surrounding medium.
  • this is the transfer function of the medium traversed.
  • the membrane 105 may be formed of an array of parallel and disjoint nanotubes (the network being shown in FIGS. 6A and 6B, respectively in a cross-sectional view and in a view from above).
  • the membrane 105 may be formed of a dense network of nanotubes juxtaposed and parallel to each other (the network being shown in FIGS.
  • a dense membrane can be formed.
  • the membrane is said to be "dense" when it is impermeable to the molecules of a fluid surrounding the transducer.
  • the density limit depends on the fluid considered and its interaction with the carbon atoms forming the membrane.
  • the density limit may be for example such that a space of the order of 0.6 nm between two parallel nanotubes can be obtained for a membrane 105 of carbon nanotubes of a transducer device intended to operate in water .
  • the density limit may also depend on physical characteristics such as the dimensions of nanotubes, their hydrophilic or hydrophobic character, the lateral interaction energy of the nanotubes forming the membrane.
  • the transducer membrane is formed of a first set of nanotubes of a first size, in particular of a first diameter, arranged in one or more superimposed layers 301, 302, 303, as well as a second set of nanotubes of a second size, in particular of a second diameter, arranged in one or more superimposed layers 306, 307, 308, covering the first set ( Figure 8B).
  • the membrane 105 is formed of a stack of layers 301, 302, 303, of nanotubes contiguous to a so-called “bonding" layer 320, for example based on graphene, intended to bind the nanotubes and possibly to ensure a tightness of the membrane. More particularly, the graphene bonding layer can cover the gaps between neighboring nanotubes of the nanotube layer which carries it to form a planar structure.
  • the membrane 105 is formed of a stack of layers 301, 302, 303 of nanotubes located between a first stack 322 of several bonding layers, for example based on graphene, and a second stack 332 of several layers. binding, for example based on graphene.
  • the density of the membrane depends on the spacing between the nanotubes. If this spacing is greater than the diameter of a nanotube, a deposit of one or more additional thickness (s) of nanotubes may be provided to fill any possible gaps between the nanotubes, and to increase the density of the membrane.
  • the additional nanotubes are likely to be deposited naturally in the interstices between the nanotubes.
  • the thickness of the membrane depends on the number of layers of nanotubes or bonding layers formed and can be controlled very precisely, regardless of the density and the Young's modulus.
  • the dispersion of the dimensions of the nanotubes around a mean value is controllable and makes it possible to adjust the frequency bandwidth at which the membrane is able to vibrate.
  • this network can be made for example using a method of Langmuir Blodgett, as described in the document: Langmuir Blodgett films of Single-Wall Carbon Nanotubes : Layer-by-layer deposition and in-plane orientation of nanotubes Jpn. J. Appl. Phys. Flight. 42 (2003) pp. 7629-7634, or by dielectrophoresis as in the document entitled Frequency Dependence of the structure and electrical behavior of carbon nanotubes assembled by dielectrophoresis Nanotechnology 16 (2005) 759-763.
  • the graphene sheets can be made according to the method described in Synthesis of graphene based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide Carbon 45 (2007) 1558-1565.
  • the network of nanotubes can be manufactured by a method such as that described in document WO 2007/126412 A2.
  • the leaflets of graphene can be deposited for example by capillary dielectrophoresis on the network of nanotubes.
  • the natural affinity between nanotubes and graphene sheets makes it possible to fix the graphene sheet on the nanotubes. It is also possible to envisage a deposition by dielectrophoresis or a surface functionalization of a first sheet.
  • a network of nanotubes can be deposited by dielectrophoresis on graphene. After rinsing the graphene solution, we start again with a solution of graphene mono-sheet.
  • An impermeable triple layer formed of a dense network of nanotubes interposed between two sheets of graphene can thus be obtained.
  • a structure comprising several layers of nanotubes can be produced using several solutions of different compositions.
  • a dense membrane can be formed.
  • the membrane is said to be "dense" when it is impermeable to the molecules of a fluid surrounding the transducer.
  • the density limit therefore depends on the fluid considered and its interaction with the carbon atoms forming the membrane.
  • the lower limit of the distance between the nanotubes may be for example of the order of 0.6 nm for a membrane 105 of nanotubes of a transducer device intended to operate in water.
  • the electrode is made
  • the cavity 110 for example by means of lithography steps, for example using an e-beam type electron beam. .
  • the layer on which the membrane 105 is formed may be functionalized by specific chemical groups, for example hydrophobic groups or amino chemical groups, in order to increase the affinity of this layer for nanotubes.
  • the membrane can be made directly suspended above the cavity.
  • the membrane may be made on a substrate having no cavity, the cavity being made, for example by HF etching, for example after formation of the membrane.
  • the membrane 105 may also be disposed over a recessed cavity, for example by means of a process commonly known as "nano-imprint" on the functionalized substrate or not.
  • the membrane 105 may be formed with nanotubes parallel to each other oriented in the same direction.
  • the alignment of the nanotubes to form the membrane has several advantages over a non-aligned nanotube membrane.
  • the alignment makes it possible to obtain a high density of nanotubes for a small thickness of the membrane 105. Indeed, a monolayer of non-aligned nanotubes would contain a vacuum, which should be filled by adding additional layers of nanotubes, the number additional layers necessary being all the more important as the disorder of the nanotubes is important.
  • a configuration with parallel nanotubes makes it possible to obtain a membrane with better mechanical properties, in particular greater rigidity and a small thickness.
  • the interaction energy between two parallel nanotubes separated by a distance of the order of the equilibrium distance of the van der Waals interaction between nanotubes is much greater than the interaction energy between nanotubes. crossing, resulting in improved membrane cohesion.
  • the movement of the nanotubes is more homogeneous.
  • a membrane formed of aligned nanotubes makes it possible to increase the lateral cohesion of the membrane and its sealing without reducing the rigidity of the membrane and therefore its operating frequency.
  • the nanotube transducer membrane has a rigidity greater than that of the usual membranes.
  • the controllable dispersion of the properties of the nanotubes around an average value allows a broadening of the bandwidth of the device favorable to its implementation in an electroacoustic transducer.
  • the variable number of nanotube walls makes it possible to increase the density of the membrane for a constant nanotube radius and a quasi constant Young's modulus.
  • the thickness of the membrane depends on the number of layers of nanotubes or layers of graphene used and is therefore very precisely controllable, independently of density and Young's modulus.
  • transducer device with a membrane of carbon nanotubes, can be obtained without having to perform a membrane release step, which also reduces the number of technological steps and allows a reduction scale compared to the embodiments of transducers according to the prior art.
  • the miniaturization of the membrane is simplified the constituent elements of the membrane are structurally of micron or nanometric dimensions.
  • the accessible resonant frequencies are higher than those of prior art devices due to the reduced cavity size and properties of the materials.
  • the membrane 105 has a small thickness, for example between 1 nm and 30 nm depending on the number of layers of nanotubes or nano-son employed.
  • the examples of membranes described above in connection with FIGS. 7A-7B and 8A-8D comprise carbon nanotubes arranged on one or more layers.
  • the membrane may be formed based on nanotubes of material (x) other than carbon, for example electrically conductive nanotubes or electrically conductive nanotubes such as boron nitride nanotubes, possibly made conductive for example by doping or by functionalization.
  • Non-metallic nanotubes may optionally be rendered conductive by doping or metallization or functionalization.
  • the membrane (s) of the cMUT transducer according to the invention may optionally be formed of parallel nano-beams or nano-wires of cylindrical or parallelepipedal shape, possibly bound by a layer of link.
  • the membrane of a cMUT transducer according to the invention may optionally be formed of a mixture of different nanotubes, or a mixture of different nanowires or a mixture of nanotubes and nanowires.
  • a transducer membrane 105 cMUT comprises a core made up of parallel nano-wires 401, of cylindrical shape and covered by a bonding layer 420 intended to bind the nanowires.
  • the nanowires may have been made conductive and may for example be semi-conductor nano-son, for example based on silicon, possibly doped.
  • the bonding layer 420 provided for bonding the nanowires may for example be based on graphene.
  • a cMUT transducer membrane 105 is in turn formed of nano-beams 501 parallel to one another and of parallelepipedal shape, the nano-beams being covered by a bonding layer 520 which can make it possible to bind the nano-wires. or strengthen the connection between nano-wires.
  • the nano-beams may have been made for example by a technique called "nano-imprint lithography".
  • a cMUT transducer membrane 105 is formed of a layer of nanotubes
  • a bonding layer 420 provided to allow to bind the nanowires or strengthen the connection between the nanowires.
  • the membrane 105 comprises parallel rows 402 of aligned nano-wires 401 covered by a bonding layer 420.
  • the membrane 105 comprises parallel rows 502 of aligned nano-beams 501 covered by a bonding layer 520.
  • the membrane 105 comprises parallel rows 302 of aligned nanotubes 301 covered by a connecting layer 320.
  • the membrane 105 may be provided with a self-supporting core consisting solely of nano-wires and / or nano-beams and / or nano-tubes.
  • nano-wires or nano-beams or nanotubes are, in the examples which have just been given, bars of critical dimension which can be between 0.5 nm and 5 ⁇ m (the critical dimension being the smallest dimension of these dimensions).
  • “Nano-wires” or “nano-beams”, or “nano-beams” except for their thickness and which is defined in a direction parallel to that of the vector / orthogonal reference [O; /; j; k] given in the figures 9A to 9F).
  • the nano-wires or nano-beams, or nanotubes have a length L (the length L being defined in a direction parallel to that of the vector j of the orthogonal reference [O; k] given in Figures 9A to 9F), which may be between 50 nm and 1 mm.
  • Exemplary embodiments of a cMUT transducer cell having one or more graphene-based layers for bonding and sealing nanotube arrays have been provided.
  • Other materials may be used to form such a layer or such layers, for example boron nitride.
  • the bonding layer of the nanotubes or nano-wires that can be used to form a cMUT transducer membrane may be based on a crystalline material chosen to be more deformable than said nanotubes and / or nanowires. and / or nano-beams forming the membrane, having for example a modulus of Young equal or substantially equal but a moment of inertia ten times weaker than that of the nanotubes and / or nano - son and / or nano - beams, or having a Young 's module ten times weaker and a moment of inertia equal to or substantially equal to that of the nanotubes and / or nanowires and / or nano-beams.
  • Such a bonding layer can be made for example by an ALD (ALD for "atomic layer deposition”) method, which makes it possible to form layers of small thickness, for example with a thickness of between 5 Angstroms and 5 nanometers.
  • ALD ALD for "atomic layer deposition”
  • a hydrophilic or hydrophobic character may be imparted to the membrane, depending on the intended application for the cMUT transducer.
  • a membrane of carbon nanotubes may for example be rendered hydrophobic or hydrophilic with functionalized nanotubes.
  • the membrane can be treated in order to render it hydrophilic, for example using functionalized COOH groups on the nanotubes.
  • the membrane can be treated in order to render it hydrophobic, for example by electropolymerization.
  • a hydrophilic or hydrophobic membrane from nanotubes or nano-wires themselves previously conditioned prior to their assembly, for example by functionalization of the nanotubes or by means of a suitable coating ("coating" according to the Anglo-Saxon terminology) formed on nanotubes.
  • a suitable coating according to the Anglo-Saxon terminology
  • the size of a cMUT transducer elementary cell according to the invention is favorable for its integration into a matrix to form a miniaturized ultra-high frequency acoustic imaging device or a very high resolution micro-sonar.
  • the cavity has a rectangular shape.
  • Cavities having other shapes may also be contemplated.
  • a membrane formed of several superimposed layers of nanotubes or nano-son of different orientation between the layers, can also be realized, particularly in the case where the cavity has a square shape.
  • FIGS. 10A and 10B an example of membrane 105 formed of layers 610, 620, 630, 640 superimposed on nanotubes of different orientations between the layers, is given (FIG. 10A represents a view from above of the membrane 105, while FIG. FIG. 10B gives a cross-sectional view of this membrane 105).
  • the membrane comprises an alternation of layers 610, 630 whose nanotubes 601a are oriented in a first direction, parallel to that of the vector / orthogonal reference [O; /; j; k] given in FIGS. 10A and 10B, and of layers 620, 640 whose nanotubes 601b are oriented in a second direction, parallel to that of the reference vector j orthogonal [0; /; j; k], orthogonal to the first direction.
  • FIGS. 12A and 12B are given, examples of C3 and C4 resonance frequency versus modulus curves of a transducer membrane according to the invention formed of carbon nanotubes 1 nanometer in radius and 1 TPa of Young's modulus.
  • Curve C3 is representative of measurements made in air while curve C4 is representative of measurements made in water.
  • the membrane 105 can then be made directly on the support 100 or else made outside the support 100 can be carried on the support 100.
  • the membrane 105 can be formed on the support 100, then to form the cavity 110.
  • FIG. 13 An example of a cMUT cell arrangement comprising a membrane 105, formed above a hermetic cavity 770, is given in FIG. 13.
  • the cavity 770 is closed and delimited by walls 710a, 710b, 710c, 71Od lateral which can be formed at least partially by support blocks of the membrane 150, and by the membrane 150 itself and a support.
  • Such an arrangement can make it possible to couple resonance modes, which depend on the height of the cavity, with the modes of the membrane.
  • Such an arrangement may make it possible to increase the quality factor and / or the amplitude of vibration, in particular in the bandwidth of the device.
  • a cMUT cell with one or more cavities that are not completely closed or sealed, and in particular that have lateral openings, can allow fluid to be evacuated through these openings, and to avoid damping the displacements of the membrane, in particular for frequencies different from the resonance modes and which depend on the height of the cavity.
  • a cMUT cell with one or more oblong shaped cavities may be provided.
  • a cavity 710 of oblong rectangular shape, with a length D, of the order of 2 to 1000 times the width d is for example represented in FIG. 14. This makes it possible to avoid transverse parasitic modes which can be related to effects. on board.
  • cMUT cell provided with several electrodes, including an electrode for actuating the membrane and a reading electrode, has already been given in connection with FIG. 2C.
  • cells having a plurality of actuation electrodes and / or a plurality of independent reading electrodes and each facing one or more membranes may be provided.
  • a matrix arrangement of the electrodes, comprising several rows of electrodes, can also be provided. With an arrangement comprising a plurality of electrodes arranged in the same cavity, it is possible to obtain an improved spatial sensitivity in reception, possibly to know displacements at different points of a membrane, possibly to control the displacement of certain portions of the membrane independently.
  • FIG. 15 Another example of a cMUT cell is given in FIG. 15.
  • This device comprises several membranes 205a, 205b, 205c disposed above one or more cavities and facing one or more electrodes for actuation and / or one or more measuring electrodes. This may make it possible to improve the evacuation of the fluid in which the membranes are intended to vibrate and to limit the damping due to certain parasitic modes. Such an arrangement may make it possible to improve the evacuation of the fluid, in particular when the cavity or the cavities are closed laterally by lateral walls which prevent a lateral evacuation of the fluid.
  • the membranes 205a, 205b, 205c are respectively disposed above a first electrode, a second electrode, and a third electrode
  • emission and reception by neighboring membranes can be implemented.
  • An emission of out-of-phase waves by neighboring membranes may also be implemented, which makes it possible to obtain a directivity and / or an emitted power.
  • FIG. 16 Another example of a cell cMUT is given in FIG. 16.
  • This device comprises several cavities HO 11 , HO 12 , 710, 3 , 710 2 , 71O 22 , 71O 23 , 71O 3 i, 71O 32 , 71O 33 , arranged according to a matrix of several rows of cavities above which a membrane 150 is intended to vibrate. Cavities of very small size, for example of critical dimension or of width d between 50 nm and 500 nm can be implemented.
  • the implementation of small cavities can in particular make it possible to obtain high operating frequencies, as well as to make the production of a suspended membrane based on parallel nanotubes easier.
  • a cell with cavities of different sizes may be implemented and allow the same device to transmit and / or receive at different frequencies.
  • cells with rectangular shaped cavities have been given previously.
  • Other shapes such as polygonal shapes, or hemisphere or sphere, can also be provided for the cavities, in particular as a function of the power and / or directivity and / or amplitude and / or the transmission frequency, and / or the sensitivity and / or frequency of the reception frequency and / or reception bandwidth, which it is desired to obtain.
  • FIG. 17 Another example of a cMUT cell is given in FIG. 17, and comprises several membranes 705a, 705b, 705c, 705d of nanotubes, and electrodes 703i, 7032, 7033, 703 4 , 703 5 , 703e, 703 7 arranged on a support and oriented in different orientations, in pairs of electrodes facing each other.
  • a first membrane 705a is in contact with a first pair of electrodes 703i, 703 5 arranged opposite to each other, while a second membrane 705b is in contact with a second pair of electrodes 7032, 703e arranged face to face, a third membrane 705c is in contact with a third pair of electrodes 7033, 703 7 arranged face to face, a fourth 705d membrane is in contact with a fourth pair of electrodes 703 4 , 703s.
  • the membranes 705a, 705b, 705c, 705d thus have different orientations to each other.
  • the set of electrodes has a polygon-forming arrangement, with one or more cavities within the polygon, each nanotube membrane being disposed at an angle different from that of the other membranes.
  • Such electrode arrangement in pairs, and having different orientations between it, can be used to form membranes
  • first membrane 703a By applying a suitable voltage on a first pair of electrodes 703i and 703 5 , facing each other, it is possible to promote the deposition of a layer of nanotubes aligned and oriented according to a first orientation determined by the field between the electrodes to form the first membrane 703a.

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Abstract

L'invention concerne un transducteur électro-acoustique capacitif de type cMUT comprenant : au moins une membrane (105, 205) prévue pour osciller sous l'effet d'un champ électrique et/ou d'une onde acoustique, la membrane étant formée d'une ou plusieurs couches (301-306) de nanotubes ou de nano-fils ou de nano-poutres juxtaposés, ainsi qu'un dispositif d'imagerie acoustique ou un sonar UHF comportant de tels transducteurs.

Description

CELLULE CMUT FORMEE D'UNE MEMBRANE DE NANO-TUBES OU DE NANO-FILS OU DE NANO-POUTRES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention concerne le domaine des transducteurs électro-acoustiques micro-usinés de type capacitif également appelés « cMUT », et propose un dispositif doté d'un ou plusieurs transducteurs cMUT comportant une membrane améliorée.
L' invention apporte des améliorations en particulier en termes de rigidité et d'épaisseur de la membrane, d'étendue de la gamme de fréquences de fonctionnement du dispositif, de bande passante.
Elle s'applique notamment au domaine de l'imagerie acoustique haute fréquence.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les dispositifs de génération et de détection d' ondes acoustiques ultrasoniques peuvent comprendre des transducteurs ultrasoniques micro- usinés, c'est-à-dire des dispositifs capables de convertir une énergie acoustique en énergie électrique et inversement, et qui sont fabriqués selon les technologies de réalisation en couches minces des microsystèmes ou des micro-dispositifs.
On distingue plusieurs types de transducteurs : - Les transducteurs pMUT (pMUT pour « piezoelectric MUT ») qui sont formés d'éléments piézoélectriques .
- Les transducteurs mMUT (mMUT pour « Magnetostrictive » MUT) dont le principe de fonctionnement repose sur la magnétostriction.
- Les transducteurs cMUT (capacitive MUT) qui utilisent la force électrostatique.
Pour générer des ondes acoustiques dans des milieux solides, les transducteurs ultrasoniques réalisés à partir de céramiques piézoélectriques (pMUTs) sont particulièrement bien adaptés, car leur impédance acoustique est généralement du même ordre de grandeur que celle des matériaux solides dans lesquelles les ondes sont générées. En revanche, l'emploi des transducteurs pMUTs dans des milieux fluides pose des problèmes de désadaptation d' impédance .
Pour palier à ce problème, des transducteurs à composites piézoélectriques peuvent être mis en œuvre. Dans ces transducteurs, on ajoute au matériau céramique piézoélectrique du transducteur des couches d'adaptation d'impédance, telles que des couches quart d'onde. Cela a pour inconvénient de rendre plus complexe la fabrication de tels transducteurs .
Une alternative aux transducteurs pMUTs, est l'utilisation des transducteurs cMUTs dont le fonctionnement est basé sur l'effet électrostatique. De tels transducteurs peuvent être formés d'une membrane métallisée disposée au dessus d'une plaque métallique jouant le rôle d'électrode, et peuvent être prévus pour émettre des ultrasons par exemple dans l'air ou dans l'eau.
Le fonctionnement de ces transducteurs repose sur une attraction électrostatique entre une membrane et une plaque métallique quand une tension est appliquée sur cette plaque. En mode de réception d'ondes, les vibrations de la membrane causées par les ondes acoustiques peuvent être mesurées par variation de capacité, ou par jauge de contraintes.
Un des intérêts principaux des cMUTs est leur faible impédance acoustique, ce qui les rend donc bien adaptés à un emploi en milieu fluide.
Les transducteurs ultrasoniques peuvent être agencés en une matrice pour former un dispositif d'imagerie acoustique, comme cela a été décrit par exemple dans le document EP 1 414 739 Bl.
Les transducteurs cMUTs sont généralement formés d'une membrane à base de nitrure de silicium recouverte d'or et disposée en face arrière d'une plaque de silicium dopée.
Dans le document : Surface Micromachined
Capacitive Ultrasonic Transducers, I. Ladabaum, IEEE
Trans . on Ultrasonics, Ferroelectrics and frequency control, Vol 45 N°3, 1998, un exemple d'un tel transducteur cMUT est donné.
Dans le document : A novel method for fabricating capacitive micromachined ultrasonic transducers with ultrathin membranes, L. L. Liu, in 2004 IEEE International Ultrasonics, Ferroelectrics, and
Frequency Control Joint 50th Anniversary Conférence, p. 497, un exemple de réalisation d'un transducteur cMUT avec une membrane en alumine, est quant à lui donné .
La réalisation des transducteurs cMUTs par micro-usinage comprend généralement une étape de libération d'une membrane.
Une méthode consistant à structurer une couche sacrificielle avant de déposer la membrane pardessus, créer des trous dans la membrane pour pouvoir enlever la couche sacrificielle, puis sceller les trous après libération de la membrane, est donnée par exemple dans le document US 2007/0161896 Al.
Une autre méthode consiste à déposer une membrane réalisée indépendamment sur un substrat structuré.
La réalisation de cMUTs de faible taille est donc difficile à mettre en œuvre dans la mesure où les procédés de dépôts existants ne permettent pas de réaliser des membranes de facteur de forme suffisamment élevé, les membranes étant généralement formées trop épaisses pour une surface trop petite.
Les procédés de libération ont par ailleurs tendance à fragiliser les membranes.
Par ailleurs, les transducteurs cMUT obtenus à l'aide de tels procédés ont une gamme de fréquences accessibles limitée, par exemple de 20 kHz à à 10 MHz.
Un transducteur cMUT comportant des couches de matériaux réducteurs de contraintes, a été divulgué dans le document FR 2 880 232(Al). Le document US 2007/0215964 Al divulgue quant à lui un transducteur cMUT avec une membrane comportant des structures secondaires qui permettent, entre autres, de faire varier la masse et la rigidité de la membrane de manière indépendante, ce qui conduit à une meilleure sensibilité du dispositif.
Un tel dispositif pose des problèmes en ce qui concerne la complexité de sa mise en œuvre, son coût de réalisation, son encombrement, les fréquences de fonctionnement auxquelles il permet d'accéder.
Dans le brevet US 2006/0116585 (Al) est proposé un dispositif formé d'un empilement de couches dans lequel l'émission et la réception sont découplés.
La bande passante et l'efficacité du transducteur sont augmentées par cette méthode. Un tel dispositif pose des problèmes notamment en termes de complexité de mise en œuvre, et de coût de réalisation.
Il se pose le problème de trouver un nouveau dispositif à transducteur cMUT qui apporte des améliorations par rapport aux inconvénients évoqués ci- dessus .
EXPOSÉ DE L' INVENTION
L' invention met en œuvre une cellule de transducteur électro-acoustique capacitif de type cMUT comprenant une ou plusieurs membranes formées respectivement d'une couche ou de plusieurs couches de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou de nano-poutres .
Par « nano-fils » ou « nano-poutres », ou
« nanotubes », on entend ici des éléments sous forme de barreaux, présentant une dimension critique ou un diamètre (pour les nano-fils et nanotubes) qui peut être compris entre 0.5 nm et 5 μm.
Les nano-fils peuvent avoir une forme cylindrique ou sensiblement cylindrique, avec un profil arrondi .
Les nano-poutres peuvent avoir une forme parallélépipédique ou sensiblement parallélépipédique .
Par « nanotubes », on entend des barreaux, présentant une partie centrale creuse, et de diamètre qui peut être compris entre 0.5 nm et 5 μm.
La longueur des nano-fils ou des nano- poutres ou des nanotubes peut être comprise par exemple entre 50 nm et 1 mm.
L' invention prévoit ainsi un transducteur électro-acoustique capacitif de type cMUT comprenant : au moins une membrane prévue pour osciller sous l'effet d'un champ électrique et/ou d'une onde acoustique, la membrane étant formée d'une ou plusieurs couches formées de nanotubes juxtaposés, et/ou de nano-fils et/ou de nano-poutres juxtaposé (e) s .
La membrane peut être formée d' au moins une couche de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou nano- poutres parallèles entre eux.
L'assemblage des nanotubes et/ou nano-fils et/ou nano-poutres en membrane permet au transducteur de l'invention de bénéficier des performances des résonateurs NEMS pour réaliser la fonction d' actuation d'un transducteur ultrasonique tout en étant miniature et rigide. En d'autres termes, le transducteur selon l'invention présente des dimensions petites et des fréquences de travail élevées. Selon une possibilité de mise en œuvre, le dispositif peut comprendre une ou plusieurs membranes formée (s) chacune d'une ou plusieurs couches de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou nano-poutres parallèles séparées d'une distance de l'ordre de la distance d'équilibre de l'interaction de van der Waals.
Cette membrane peut être disposée au dessus d'au moins une cavité et peut être prévue pour osciller sous l'effet d'un champ électrique lorsque le dispositif est en mode émission.
La membrane peut être prévue pour osciller sous l'effet d'une onde acoustique, lorsque le dispositif est en mode réception.
Un tel dispositif permet de générer et détecter des ondes hautes fréquences, en particulier dans un milieu fluide avec éventuellement un ou des gradients de propriétés physiques, et comportant éventuellement des inclusions solides, et éventuellement des frontières irrégulières. Selon une possibilité, la membrane peut comporter une ou plusieurs couches dites « de liaison », accolées à des nanotubes et/ou à des nano- fils et/ou à des nano-poutres.
Selon une autre possibilité, la membrane peut être formée en outre : d'une ou plusieurs couches dites « de liaison », accolées à des nanotubes et/ou à des nano-fils et/ou à des nano-poutres.
De telles couches peuvent être prévues pour permettre de lier les nano-fils, nanotubes et/ou nano- poutres et/ou assurer une étanchéité de la membrane. La couche de liaison ou les couches de liaison peuvent être à base d'un matériau choisi pour être plus déformable que la ou les couches de nanotubes et/ou nano-fils et/ou nano-poutres de la membrane. La membrane peut comprendre :
- une ou plusieurs couches de nanotubes ou de nano-fils ou de nano-poutres d'une première taille, en particulier d'une première dimension critique,
- une ou plusieurs couches de nanotubes ou de nano-fils ou de nano-poutres d'une deuxième taille, différente de la première taille, en particulier d'une deuxième dimension critique différente de la première dimension critique.
Cela peut permettre par exemple d' augmenter la bande passante, de moduler la fréquence de fonctionnement, de découpler les fréquences d'émission et de réception.
Selon une possibilité de mise en œuvre, la membrane peut être formée d' au moins une première couche de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou nano- poutres orientés selon une première direction et d' au moins une deuxième couche de nanotubes et/ou de nano- fils et/ou nano-poutres orientés selon une deuxième direction, orthogonale à la première direction. Selon une mise en œuvre particulière, la membrane peut être formée d'une ou plusieurs couches de nanotubes, et/ou de nano-fils et/ou nano-poutres.
Dans ce cas, selon une possibilité, la membrane peut comprendre au moins une couche de liaison à base de graphène accolée à au moins une couche de nanotubes, et/ou de nano-poutres et/ou de nano-fils. Le fait de recouvrir la membrane formée par la ou les couches de nanotubes, nano-fils, nano-poutres permet de garantir une imperméabilité de la membrane et une efficacité d' actuation sans perturber ses propriétés mécaniques.
Selon une autre possibilité, la membrane peut être formée d'une ou plusieurs couches de nanotubes, et/ou une couche de nano-poutres et/ou une couche de nano-fils, intercalée (s) entre au moins une première couche de graphène et au moins une deuxième couche de graphène .
Selon une mise en œuvre particulière, la membrane peut être formée d'un cœur autoportant constitué uniquement de nano-fils et/ou de nano-poutres et/ou de nanotubes.
Le transducteur électro-acoustique capacitif peut également comprendre: au moins une électrode d' actionnement et/ou de détection, et au moins une cavité au dessus de laquelle la membrane est destinée à osciller, la membrane étant située en regard de ladite cavité.
Le transducteur électro-acoustique capacitif peut comprendre en outre :
- des moyens pour appliquer un potentiel fixe à ladite électrode,
- des moyens pour appliquer un potentiel variable à ladite électrode.
Dans ce cas, le transducteur peut être prévu pour fonctionner en émetteur ou en émetteur/récepteur. Le transducteur électro-acoustique capacitif peut comprendre :
- des moyens pour appliquer un potentiel fixe à ladite électrode, - des moyens formant un capacimètre.
Dans ce cas, le transducteur peut être prévu pour fonctionner en récepteur ou en émetteur/récepteur .
Selon une possibilité de mise en œuvre, le transducteur électro-acoustique capacitif peut comprendre en outre :
- au moins une première électrode, et au moins une première cavité au dessus de laquelle une membrane est destinée à osciller, la membrane étant située en regard de ladite première cavité,
- au moins une deuxième électrode, et au moins une deuxième cavité dans laquelle une membrane en regard de ladite deuxième électrode et de ladite deuxième cavité est destinée à osciller. Selon une possibilité de mise en œuvre la première cavité peut être par exemple destinée à former une partie émettrice du dispositif, tandis que la deuxième cavité peut être par exemple destinée à former la partie réceptrice du dispositif. Selon une mise en œuvre possible du transducteur, une même membrane peut être située en regard de la première cavité et de la deuxième cavité.
Selon une possibilité de mise en œuvre, le transducteur peut comporter une pluralité de membranes situées au dessus d'une même cavité. Selon une possibilité de mise en œuvre, le transducteur peut comporter une membrane située au dessus de plusieurs cavités ou d'une matrice de cavités . Le transducteur peut comporter plusieurs membranes superposées au dessus ou en regard d'une même cavité .
L' invention concerne également un dispositif d' imagerie acoustique ou sonar UHF comprenant une matrice de transducteurs électroacoustiques capacitifs de type cMUT tel que défini plus haut .
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- les figures IA et IB, illustrent, un exemple de transducteur cMUT suivant l'invention, comprenant une membrane formée de nanotubes ou de nano-fils ou nano-poutres, selon une vue de dessus et selon une vue en coupe transversale,
- les figures 2A, 2B, 2C, 2D, 2E illustrent des exemples de cellules cMUT fonctionnant respectivement, en émetteur, ou en récepteur ou en émetteur-récepteur suivant l'invention,
- la figure 3, illustre un exemple de fonctionnement impulsionnel d'un dispositif transducteur cMUT suivant l'invention, - la figure 4, illustre un exemple de fonctionnement en régime transitoire d'un dispositif transducteur cMUT suivant l'invention,
- la figure 5, illustre un exemple de fonctionnement en régime permanant d'un dispositif transducteur cMUT suivant l'invention,
- les figures 6A et 6B, illustrent une membrane formée d'un réseau de nanotubes dans un exemple de transducteur cMUT suivant l'invention, la membrane étant représentée respectivement selon une vue de dessus et selon une vue en coupe transversale,
- les figures 7A et 7B, illustrent une membrane d'un transducteur cMUT suivant l'invention, la membrane étant formée d'un réseau de nanotubes de densité importante, et représentée respectivement selon une vue de dessus et selon une vue en coupe transversale,
- les figures 8A à 8D, illustrent différents agencements de réseau (x) de nanotubes formant, ou compris dans, une membrane de dispositifs à transducteur cMUT suivant l'invention,
- les figures 9A à 9F, illustrent différents agencements de réseau (x) de nano-fils, ou de nano-poutres ou de nanotubes dans une membrane d'un transducteur cMUT suivant l'invention,
- les figures 1OA et 1OB illustrent une membrane d'un transducteur cMUT formée de plusieurs couches de nanotubes d'orientations différentes, selon vue de dessus et selon une vue en coupe transversale, - les figures HA et HB, donnent des exemples de courbes de fréquence de résonance de dispositifs cMUTs suivant l'invention comprenant une membrane formée de nanotubes de 1 μm de long et une membrane formée de nanotubes et 1 nm de rayon, et obtenues respectivement à l'aide de simulations numériques pour une membrane dans l'air et dans 1' eau,
- les figures 12A et 12B, donnent des exemples de courbes de fréquence de résonance de dispositifs cMUTs suivant l'invention comprenant respectivement une membrane formée de nanotubes de 1 nm de rayon et une membrane de 1 TPa de module d'Young, et obtenues respectivement à l'aide de mesures effectuées dans l'air et dans l'eau,
- la figure 13, illustre un exemple de dispositif transducteur cMUT suivant l'invention, comportant une cavité hermétique,
- la figure 14, illustre un exemple de cavité de forme oblongue dans un dispositif transducteur cMUT suivant l'invention,
- la figure 15, illustre un exemple de dispositif transducteur cMUT suivant l'invention, comportant plusieurs membranes en regard d'une même cavité,
- la figure 16, illustre un exemple de dispositif transducteur cMUT suivant l'invention, comportant une membrane en regard de plusieurs cavités, - la figure 17, illustre un exemple de dispositif transducteur cMUT suivant l'invention, comportant plusieurs membranes superposées et ayant des orientations différentes.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un exemple de dispositif suivant l'invention, comprenant au moins une cellule de transducteur ultrasonique micro-usiné cMUT est donné sur les figures IA et IB (la figure IA représentant une vue en coupe transversale X' X du dispositif tandis que sur la figure IB, une vue de dessus du dispositif est donnée) .
La cellule comporte au moins une électrode 107 qui peut être métallique, par exemple à base d'or, et qui repose sur un substrat 100 qui peut être par exemple à base de silicium ou d'oxyde de silicium et sur lequel repose des zones conductrices 103a, 103b, pouvant jouer le rôle de masse électrique. La cellule comporte également au moins une membrane 105 (représentée en oscillation sur la figure IA) dont les extrémités sont connectées aux zones 103a, 103b, afin de mettre la membrane 105 à la masse.
La membrane 105 peut être supportée par des blocs 104, par exemple à base de matériau isolant tel que du Siθ2 sur lesquelles elle repose. Les blocs 104 permettent de maintenir la membrane 105 au dessus d'une cavité 110 dévoilant l'électrode 107 et dans laquelle la membrane 105 est destinée à vibrer. La profondeur (définie dans une direction parallèle à celle du vecteur k du repère orthogonal [O; / ; j ; k ] donné sur les figures IA et IB) de la cavité 110 peut être par exemple de l'ordre de 100 nm ou comprise par exemple entre 100 nm et 1000 nm. La cavité 110 peut par exemple avoir une forme rectangulaire ou carrée, dont les dimensions latérales (définies dans une direction parallèle au plan [O; / ; j ] donné sur les figures IA et IB) peuvent être de l'ordre de 1 μm, ou par exemple comprises entre 300 nm et 3 μm, et ajustées afin d'optimiser certains paramètres de fonctionnement du dispositif telles que la fréquence de fonctionnement, l'amplitude de vibrations de la membrane 105.
La membrane 105 peut être formée de nanotubes, par exemple des nanotubes de carbone, ou de nano-fils ou de nano-poutres, par exemple à base de matériau semi-conducteur tel que du Si, ou par exemple à base d'un matériau diélectrique tel que du Si3N4. Les nano-fils, ou nano-fils, ou nano-poutres, sont agencé (e) s peuvent être agencés en une seule couche, ou plusieurs couches superposées.
La membrane 105 peut être formée de rangées juxtaposées de nanotubes ou de nano-fils ou de nano- poutres alignés. Les nanotubes ou nano-fils ou nano-poutres peuvent être parallèles entre eux, ce qui permet d' obtenir des interactions latérales de type Van der Waals très fortes.
Une membrane formée de nano-fils ou de nanotubes alignés et parallèles peut avoir un module d' Young beaucoup plus élevé qu'une membrane classique formée d'une couche à base de matériau cristallin. De plus, grâce au faible diamètre de ces nanotubes, nano- fils et nano-poutres la membrane ainsi formée a une épaisseur, de l'ordre du nanomètre, plus petite que celle d'une membrane classique.
Les nano-fils ou nanotubes ou nano-poutres peuvent être répartis sur plusieurs couches ou épaisseurs .
En adaptant la dispersion des nanotubes autour de leurs propriétés moyennes, par exemple leur rayon moyen, on peut adapter la gamme de fréquences à laquelle la membrane est destinée à vibrer, et par la même la bande passante du dispositif.
Une telle membrane présente également pour avantage, outre sa rigidité accrue, que son épaisseur est contrôlable, à une fraction de nanomètre près.
Un caractère hydrophile ou hydrophobe peut être également conféré à la membrane. Cela est facilité notamment lorsque la membrane est à base de nanotubes de carbone.
En adaptant le type de nanotubes ou nano- fils ou nano-poutres utilisé on peut contrôler certains paramètres physiques de la membrane telles que sa masse volumique, sa raideur, son épaisseur. La membrane 105 peut comprendre un ou plusieurs feuillets ou couches dit (e) s « de liaison » pour permettre de lier les nanotubes ou nano-fils ou nano-poutres et éventuellement d'assurer une étanchéité et/ou garantir une efficacité d' actuation de la membrane sans perturber ses propriétés mécaniques. Dans le cas par exemple où la membrane 105 est formée d'une ou plusieurs couches de nanotubes juxtaposés, la ou les couche (s) « de liaison » peut (peuvent) par exemple être sous forme d'une ou plusieurs couches de graphène . L'ajout d'une ou plusieurs couches de graphène aux nanotubes, peut permettre de renforcer la cohésion et l' étanchéité de la membrane, ce sans perturber les déplacements de la membrane, en raison du faible nombre de feuillets et du module d' Young de ces couches beaucoup plus faible que celui des nanotubes.
Une couche de liaison permettant un renfort d' étanchéité et de cohésion de la membrane, à base d'un autre matériau que le graphène peut être éventuellement prévue . La couche de liaison (ou les couches de liaison) peut (peuvent) prévue (s) à base d'un matériau davantage déformable que lesdits nanotubes et/ou nano- fils et/ou nano-poutres de la membrane.
Par exemple à module d' Young égal ou sensiblement égal, la couche de liaison peut être prévue de manière à avoir un moment d' inertie au moins cinq fois plus faible que l'ensemble des les nanotubes et/ou desdits nano-fils et/ou desdits nano-poutres de la membrane. Selon une autre possibilité, à moment d'inertie égal ou sensiblement égal, la couche de liaison peut être prévue de manière à avoir un module d' Young au moins cinq fois plus faible que l'ensemble formé par les nanotubes et/ou desdits nano-fils et/ou desdits nano-poutres .
La membrane 105 peut être recouverte, dans des régions entourant la cavité 110, de zones 112a, 112b métalliques, par exemple à base d'aluminium, reposant sur des parties de cette dernière. Le contact du matériau métallique des zones 112a, 112b, à la membrane peut être amélioré par exemple par oxydation, par exemple par traitement RIE (RIE pour « reactive ion etching ») ou par fonctionnalisation des nanotubes, par exemple à l'aide de groupements COOH.
De telles zones métalliques 112a, 112b peuvent permettre d'assurer une fixation de la membrane 105 aux bords de la cavité 110 afin de limiter les pertes d'énergie et la diminution des fréquences de fonctionnement liées à un mauvais contact entre membrane et support.
Pour générer une onde, on applique une tension de polarisation DC, ainsi qu'une tension AC sur l'électrode 107.
Pour effectuer une détection d'une onde incidente, on applique une tension de polarisation DC sur la membrane 105. Ce sont les mouvements d'un fluide environnant qui font alors vibrer la membrane 105. Ces vibrations sont détectées par une mesure de capacité variable entre l'électrode 107 et la membrane 105.
On peut par exemple utiliser comme méthode de détection, une méthode telle que décrite dans l'article : « Measurement of Nano-displacement based on in-plane suspended gâte MOSFET détection compatible with a front-end CMOS process » de E. Colinet et al. dans 2008 IEEE Int. solid-states circuits conf, session 18, MOS MEDLEY, 18.2.
Pour une tension alternative imposée, on peut détecter des variations de capacité au niveau de la membrane 105 émettrice pour déterminer les interférences entre une onde émise et une onde réfléchie par un milieu cible.
Selon une variante de l'exemple de cellule cMUT qui vient d'être décrit, on peut également mettre en œuvre un dispositif avec deux cavités très proches au dessus desquelles une seule membrane 105 est disposée, ou comportant une première cavité au-dessus de laquelle se trouve une première membrane, et une deuxième cavité de laquelle se trouve une deuxième membrane, distincte de la première membrane. Dans ce cas, une première cavité peut être prévue pour réaliser la partie émettrice du dispositif, tandis qu'une deuxième cavité peut être prévue pour la partie réceptrice.
Lorsque les deux cavités sont suffisamment proches, séparées par exemple d'une distance d telle que d << λ, l'onde incidente au niveau de la cavité réceptrice est identique à l'onde incidente au niveau de la cavité émettrice, et plus facilement mesurable.
Sur les figures 2A-2E différents exemples d'agencements de cellules cMUTs et modes de fonctionnement de ces cellules sont donnés.
Sur la figure 2A, une cellule de transducteur cMUT du type de celle décrite précédemment en liaison avec les figures IA et IB, est donnée. Cette cellule fonctionne en émetteur d'onde acoustique 200 et comporte une membrane 105 destinée à vibrer dans une cavité 110 en regard d'une électrode 107. Le dispositif est également doté de moyens 210 pour appliquer un potentiel variable Va sur l'électrode 107, et de moyens 212 pour appliquer un potentiel fixe Vs sur la membrane 105.
Sur la figure 2B, une cellule cMUT du type de celle décrite précédemment en liaison avec les figures 2A et 2B, est également représentée. La cellule fonctionne en récepteur d'onde acoustique 202 et comporte une membrane 105, ainsi que des moyens 212 pour appliquer un potentiel fixe Vs sur l'électrode 107, et des moyens 220 formant un capacimètre, pour mesurer une variation de capacité δCm représentative des ondes reçues par la membrane 105.
Un autre exemple de cellule cMUT est donné sur la figure 2C. La cellule fonctionne en émetteur- récepteur et comporte une membrane 105 suspendue au dessus d'une première cavité 110 et d'une deuxième cavité 170. La première cavité 110 appartient à la partie émettrice de la cellule. La cellule comporte également des moyens 210 pour appliquer un potentiel variable Va sur la membrane 105, et des moyens 212 pour appliquer un potentiel fixe Vs sur l'électrode 107. La deuxième cavité 170 appartient, quant à elle, à la partie réceptrice de la cellule. La cellule comporte également des moyens 212 pour appliquer un potentiel fixe Vs sur une deuxième électrode 207, et des moyens 220 pour mesurer une variation de capacité δCm de la membrane 105, connectés à la deuxième électrode 207. Un autre exemple de cellule cMUT est donné sur la figure 2D. La cellule fonctionne en émetteur récepteur et comporte une membrane 105 et une seule cavité 110 pour jouer le rôle à la fois d'émetteur et de récepteur. La cellule comporte également des moyens 212 pour appliquer un potentiel fixe Vs sur une électrode 107, et des moyens 220 pour mesurer une variation de capacité δCm de la membrane 105, connectés à l'électrode 107. Suite à l'émission d'ondes acoustiques 200, une mesure du temps de retour d'échos à l'émetteur permet de localiser une zone réfléchissante des ondes et l'analyse fréquentielle de ces échos permet d' identifier la nature des zones traversées par ces ondes. Un autre exemple de cellule cMUT est donné sur la figure 2E. La cellule fonctionne en émetteur récepteur et comporte deux membranes 105, 205 et deux cavités 110, 270, une première membrane 105 étant destinée à vibrer dans la première cavité 110, une deuxième membrane 205 étant destinée à vibrer dans la deuxième cavité 170, la deuxième membrane 205 étant distincte de la première membrane. Dans ce cas, la première cavité peut être prévue pour réaliser la partie émettrice du dispositif, tandis qu'une deuxième cavité peut être prévue pour la partie réceptrice.
Dans l'un ou l'autre des exemples qui viennent d'être donnés, la membrane ou les membranes sont formées d'une ou plusieurs couches de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou de nano-poutres, parallèles. Les cellules peuvent être associées chacune à un ou plusieurs modules intégrés au même support : par exemple au moins un module d'amplification, par exemple au moins un module mémoire, par exemple au moins un module de récupération d'énergie, par exemple des modules de transmission et de réception d'informations, par exemple au moins un module de traitement du signal adapté pour réaliser des opérations telles que, par exemple, des décompositions de fourrier, des comparaisons.
Ces modules peuvent éventuellement être placés à distance de la cellule, la connexion de la cellule à cette électronique à distance pouvant être faite par des technologies tels que le « wire-bonding » ou une intégration TSV (TSV pour « through silicon vias ») avec des vias traversants. Une matrice d'émetteurs ou de récepteurs ou d'émetteurs/récepteurs tels que décrits précédemment et commandés de façon indépendante par un matriçage actif à base de transistors peut être réalisé.
On peut former ainsi un dispositif d'imagerie de dimension micrométrique fonctionnant à ultra-haute fréquence par exemple entre 10 MHz et 10 GHz, en particulier entre 100 MHz et 200 MHz lorsque le dispositif est destiné à fonctionner dans un milieu liquide comme l'eau, ou par exemple entre 500 MHz et 5 GHz lorsque le dispositif est destiné à fonctionner dans l'air.
Sur les figures 3, 4, 5, différents modes de fonctionnement d'une cellule cMUT sont donnés.
Une cellule cMUT peut avoir en régime transitoire, un mode de fonctionnement impulsionnel (figure 3) ou un mode de fonctionnement sinusoïdal (figure 4) .
En mode impulsionnel (figure 3, à l'aide d'une impulsion de tension (signal Sl) appliquée sur l'émetteur, l'émetteur peut émettre à son tour une onde acoustique sous forme d'impulsion (Signal S2) dont l'étalement temporel dépend de la bande passante de l'émetteur et du milieu environnant. L'impulsion S2 se propage dans le milieu et atteint le récepteur à la distance d au bout d'un temps Ti avec Cfiulde la vitesse du son dans le milieu) . L'analyse fréquentielle d'un signal S3 reçu et sa comparaison avec le signal S2 émis permet en une seule fois de déterminer la fonction de transfert du milieu pour les fréquences présentes dans le spectre de l'émetteur et du récepteur. L'impulsion S2 peut être partiellement réfléchie par le milieu, ce qui peut se traduire au niveau du récepteur par des échos successifs. Le temps de retour des échos à l'émetteur permet de localiser la zone réfléchissante et leur analyse fréquentielle d' analyser la nature des interfaces traversées par 1' impulsion S2.
En mode sinusoïdal (figure 4), l'onde émise peut être sous forme d'une onde sinusoïdale transitoire (signal S20), générée à l'aide d'une tension sinusoïdale (signal SlO) . Un signal émis entre t = 0 et t = T2 est reçu (signal S30) par le récepteur à la distance d entre t=Tl et t=T2+Tl. Il s'agit d'une sinusoïde dont l'amplitude dépend de ω, la pulsation, en rad/s. On détermine la fonction de transfert du milieu à la fréquence w. Entre t = 0 et t = T3, avec T3 égal à plusieurs périodes, l'onde émise dépend de la région de l'espace située à moins de quelques longueurs d'onde de l'émetteur. Son amplitude d'émission entre t = 0 et t = T3 en fonction de la fréquence w permet de définir une impédance acoustique de champ proche, variable en fonction ω. Au niveau de l'émetteur, des sinusoïdes échos interfèrent avec l'onde émise. L'amplitude et le déphasage de ces échos permet de déduire la position et la nature des interfaces traversées par l'onde.
En régime permanent (figure 5), l'émetteur émet une onde (signal S200) d'amplitude A à la fréquence w, par exemple autour de 1 GHz dans l'air et par exemple de l'ordre de 100 MHz dans l'eau. L'onde généré à l'aide d'une tension SlOO appliquée sur l'émetteur, se propage dans le milieu et interfère avec ses échos, occasionnant un comportement transitoire. Au bout d'un certain temps qui dépend du milieu et de la vitesse de propagation des ondes dans le milieu, l'onde atteint un régime permanent. Au niveau de l'émetteur et du récepteur situé à une distance d de l'émetteur, on mesure deux sinusoïdes (respectivement S200 et S300). Au niveau de l'émetteur (signal S200), l'amplitude et le déphasage de l'onde réfléchie (qui dépendent de la fréquence) correspondent à l'impédance acoustique globale du milieu environnant. Au niveau du récepteur (signal S300), il s'agit de la fonction de transfert du milieu traversé.
Différents exemples de réalisation d'une membrane d'un transducteur cMUT suivant l'invention, vont à présent être donnés. La membrane 105 peut être formée d'un réseau de nanotubes parallèles et disjoints (le réseau étant représenté sur figures 6A et 6B, respectivement selon une vue en coupe transversale et selon une vue de dessus) .
La membrane 105 peut être formée d'un réseau dense de nanotubes juxtaposés et parallèles entre eux (le réseau étant représenté sur les figures
7A et 7B, respectivement selon une vue en coupe transversale et selon une vue de dessus) .
Une membrane dense peut être formée. La membrane est dite « dense » lorsqu'elle est imperméable aux molécules d'un fluide environnant le transducteur.
La limite de densité dépend du fluide considéré et de son interaction avec les atomes de carbone formant la membrane.
La limite de densité peut être par exemple de sorte qu'un espace de l'ordre de 0,6 nm entre deux nanotubes parallèles peut être obtenu pour une membrane 105 de nanotubes de carbone d'un dispositif transducteur destiné à fonctionner dans l'eau.
La limite de densité peut dépendre aussi de caractéristiques physiques telles que les dimensions de nanotubes, leur caractère hydrophile ou hydrophobe, l'énergie latérale d'interaction des nanotubes formant la membrane.
Des nanotubes répartis sur plusieurs couches, par exemple sur 3 couches, peuvent permettre de former la membrane 105 (figure 8A) . Selon une possibilité de mise en œuvre, la membrane du transducteur est formée d'un premier ensemble de nanotubes d'une première taille, en particulier d'un premier diamètre, agencés en une ou plusieurs couches 301, 302, 303 superposées, ainsi que d'un deuxième ensemble de nanotubes d'une deuxième taille, en particulier d'un deuxième diamètre, agencés en une ou plusieurs couches superposées 306, 307, 308, recouvrant le premier ensemble (figure 8B) .
Sur la figure 8C, la membrane 105 est formée d'un empilement de couches 301, 302, 303, de nanotubes accolés à une couche 320 dite « de liaison », par exemple à base de graphène, prévue pour lier les nanotubes et éventuellement assurer une étanchéité de la membrane. Plus particulièrement, la couche de liaison en graphène peut permettre de couvrir les intervalles entre des nanotubes voisins de la couche de nanotubes qui la porte pour former une structure plane.
Un autre exemple de mise en œuvre de la membrane 105 est donné sur la figure 8D. Dans cet autre exemple, la membrane 105 est formée d'un empilement de couches 301, 302, 303 de nanotubes situé entre un premier empilement 322 de plusieurs couches de liaison, par exemple à base de graphène, et un deuxième empilement 332 de plusieurs couches de liaison, par exemple à base de graphène. Dans une couche de nanotubes alignés mais non jointifs, la densité de la membrane dépend de l'espacement entre les nanotubes. Si cet espacement est supérieur au diamètre d'un nanotube, un dépôt d'une ou plusieurs épaisseur (s) supplémentaire (s) de nanotubes peut être prévu afin de combler d'éventuels espaces libres entre les nanotubes, et d'augmenter la densité de la membrane. Les nanotubes supplémentaires sont susceptibles de se déposer naturellement dans les interstices entre les nanotubes.
L'épaisseur de la membrane dépend du nombre de couches de nanotubes ou de couches de liaison formées et peut être contrôlé très précisément, indépendamment de la masse volumique et du module d' Young.
La dispersion des dimensions des nanotubes autour d'une valeur moyenne est contrôlable et permet d'ajuster la bande passante de fréquences à laquelle la membrane est susceptible de vibrer.
Dans le cas où la membrane est formée d'un réseau de nanotubes, ce réseau peut être réalisé par exemple à l'aide d'une méthode de Langmuir Blodgett, telle que décrite dans le document : Langmuir Blodgett films of Single-Wall Carbon Nanotubes : Layer-by-layer déposition and in-plane orientation of nanotubes Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) pp. 7629-7634, ou par diélectrophorèse comme dans le document intitulé : Frequency Dependence of the structure and electrical behaviour of carbon nanotubes assembled by dielectrophoresis Nanotechnology 16 (2005) 759-763.
Les feuillets de graphène peuvent être réalisés selon la méthode décrite dans Synthesis of graphène based nanosheets via chemical réduction of exfoliated graphite oxide Carbon 45 (2007) 1558-1565.
Dans ce cas, le réseau de nanotubes peut être fabriqué par une méthode telle que celle décrite dans le document : WO 2007/126412 A2. Les feuillets de graphène peuvent être déposés par exemple par diélectrophorèse capillaire sur le réseau de nanotubes. L'affinité naturelle entre nanotubes et feuillets de graphène permet la fixation de la feuille de graphène sur les nanotubes. On peut également envisager un dépôt par diélectrophorèse ou une fonctionnalisation de surface d'un premier feuillet.
Après retrait de la solution de feuillets de graphène, on peut déposer par diélectrophorèse sur le graphène un réseau de nanotubes. Après rinçage de la solution de graphène, on recommence avec une solution de graphène mono-feuillet .
On peut obtenir ainsi une triple couche imperméable formée d'un réseau dense de nanotubes intercalée entre deux feuillets de graphène.
Une structure comportant plusieurs couches de nanotubes peut être réalisée, à l'aide de plusieurs solutions de compositions différentes.
Une membrane dense peut être formée. La membrane est dite « dense » lorsqu'elle est imperméable aux molécules d'un fluide environnant le transducteur.
La limite de densité dépend donc du fluide considéré et de son interaction avec les atomes de carbone formant la membrane. La limite inférieure de la distance entre les nanotubes peut être par exemple de l'ordre de 0,6 nm pour une membrane 105 de nanotubes d'un dispositif transducteur destiné à fonctionner dans l'eau.
La distance d'équilibre de nanotubes entre eux étant de l'ordre de 0,35 nm, une membrane de nanotubes liés entre eux par interaction de van der Waal est imperméable aux molécules d'eau.
Un exemple de procédé de réalisation d'un transducteur cMUT suivant l'invention va à présent être donné .
Sur un substrat 100, on réalise l'électrode
107, ainsi que les zones 103a, 103b et les blocs isolants 104 formant la cavité 110 par exemple à l'aide d'étapes de lithographie, par exemple à l'aide d'un faisceau d'électrons de type « e-beam ».
La couche, sur laquelle est formée la membrane 105, peut être fonctionnalisée par des groupements chimiques spécifiques, par exemple hydrophobes ou encore des groupements chimiques aminés, afin d'augmenter l'affinité de cette couche aux nanotubes .
La membrane peut être réalisée directement suspendue au dessus de la cavité.
La membrane peut être réalisée sur un substrat ne comportant pas de cavité, la cavité étant réalisée, par exemple par gravure HF, par exemple après formation de la membrane.
La membrane 105 peut également être disposée au dessus d'une cavité par report, par exemple à l'aide d'un procédé communément appelé « nano- imprint » sur le substrat fonctionnalisé ou non.
On peut procéder à une prise de contact par-dessus la membrane par dépôt d'une couche métallique par-dessus la membrane 105, que l'on grave pour former des zones métalliques 112a, 112b servant de zones de maintien de la membrane, et permettant d'augmenter la solidité du collage entre membrane 105 et le support de la membrane.
Pour la réalisation d'une matrice de cellules cMUTs, une fonctionnalisation de la zone de dépôt peut être réalisée pour chacune des cellules. Cette méthode correspond aux méthodes d' autoassemblage par exemple telles que celles communément appelées « patterned affinity templates ».
La membrane 105 peut être formée avec des nanotubes parallèles entre eux orientés selon une même direction. L'alignement des nanotubes pour former la membrane présente plusieurs avantages par rapport à une membrane de nanotubes non alignés. L'alignement permet d'obtenir une forte densité de nanotubes pour une faible épaisseur de la membrane 105. En effet, une monocouche de nanotubes non alignés contiendrait du vide, que l'on devrait combler en ajoutant des couches supplémentaires de nanotubes, le nombre de couches supplémentaire nécessaires étant d'autant plus important que le désordre des nanotubes est important.
Une configuration avec des nanotubes parallèles, permet d'obtenir une membrane avec de meilleures propriétés mécaniques, en particulier une plus grande rigidité et une faible épaisseur. L'énergie d'interaction entre deux nanotubes parallèles séparés d'une distance de l'ordre de la distance d'équilibre de l'interaction de van der Waals entre nanotubes est beaucoup plus forte que l'énergie d'interaction entre des nanotubes se croisant, ce qui permet d'obtenir une cohésion de la membrane améliorée. Dans le cas où la membrane 105 est formée uniquement avec des nanotubes parallèles et suivant une même direction, le mouvement des nanotubes est plus homogène . Une organisation des nanotubes en réseau de nanotubes parallèles permet d'obtenir un transducteur ayant une efficacité de détection améliorée.
Une membrane formée de nanotubes alignés permet d'augmenter la cohésion latérale de la membrane et son étanchéité sans diminuer la rigidité de la membrane et donc sa fréquence de fonctionnement.
Grâce au module d'Young élevé des nanotubes, la membrane du transducteur formée de nanotubes, a une rigidité supérieure à celle des membranes usuelles.
Une gamme élargie de fréquences d'utilisation, et en particulier des fréquences d'utilisation plus élevés, peu (ven) t être ainsi obtenue (s) . La dispersion contrôlable des propriétés des nanotubes autour d'une valeur moyenne permet un élargissement de la bande passante du dispositif favorable à sa mise en œuvre dans un transducteur électroacoustique . Le nombre variable des parois des nanotubes permet d'augmenter la densité de la membrane pour un rayon de nanotubes constant et un module d'Young quasi constant .
L'épaisseur de la membrane dépend du nombre de couches de nanotubes ou de couches de graphène utilisées et est donc contrôlable très précisément, indépendamment de la masse volumique et du module d' Young.
La réalisation de couches successives de nanotubes de carbones de tailles différentes peut être obtenue en changeant uniquement la solution utilisée pendant le dépôt.
La mise en œuvre d'un dispositif de transducteur suivant l'invention, à membrane de nanotubes de carbone, peut être obtenue sans avoir à effectuer une étape de libération de membrane, ce qui diminue également le nombre d'étapes technologiques et permet une réduction d'échelle par rapport aux réalisations de transducteurs suivant l'art antérieur.
En raison de sa conception qui peut être dite « bottum-up » c'est-à-dire à partir d'assemblage d'éléments de taille nanométrique pour former un dispositif final fonctionnel de dimensions plus importantes, la miniaturisation de la membrane est simplifiée : les éléments constitutifs de la membrane sont structurellement de dimensions microniques ou nanométriques . En conséquence, les fréquences de résonance accessibles sont plus élevées que celles de dispositifs suivant l'art antérieur, en raison de la réduction des dimensions de la cavité et des propriétés des matériaux.
Dans l'un ou l'autre des exemples de réalisation qui viennent d'être donnés, la membrane 105 a une épaisseur faible, comprise par exemple entre 1 nm et 30 nm selon le nombre de couches de nanotubes ou nano-fils employées. Les exemples de membranes décrites précédemment en liaison avec les figures 7A-7B et 8A-8D comportent des nanotubes de carbone agencés sur une ou plusieurs couches. La membrane peut être formée à base de nanotubes de matériau (x) autres que le carbone, par exemple de nanotubes conducteurs de l'électricité ou rendus conducteurs de l'électricité tels que des nanotubes de nitrure de bore, éventuellement rendus conducteurs par exemple par dopage ou par fonctionnalisâtion .
Des nanotubes non métalliques peuvent éventuellement être rendus conducteurs par dopage ou métallisation ou fonctionnalisation . Selon d'autres exemples, la ou les membranes du transducteur cMUT suivant l'invention peu (ven) t être éventuellement formé (es) de nano-poutres ou de nano-fils parallèles de forme cylindrique ou parallélépipédiques, éventuellement liés par une couche de liaison.
La membrane d'un transducteur cMUT suivant l'invention peut être éventuellement formée d'un mélange de différents nanotubes, ou d'un mélange de différents nano-fils ou d'un mélange de nanotubes et de nano-fils .
Sur la figure 9A, une membrane 105 de transducteur cMUT comporte un coeur constitué de nano- fils 401 parallèles, de forme cylindrique et recouverts par une couche 420 de liaison prévue pour lier les nano-fils. Les nano-fils, peuvent avoir été rendus conducteurs et peuvent être par exemple des nano-fils semi-conducteurs, par exemple à base de Silicium, éventuellement dopé. La couche 420 de liaison prévue pour lier les nano-fils peut être par exemple à base de graphène .
Sur la figure 9B, une membrane 105 de transducteur cMUT est quant à elle formée de nano- poutres 501 parallèles entre eux et de forme parallélépipédique, les nano-poutres étant recouverts par une couche 520 de liaison qui peut permettre de lier les nano-fils ou de renforcer la liaison entre les nano-fils. Les nano-poutres peuvent avoir été réalisés par exemple par une technique dite de « nano-imprint lithography ».
Sur la figure 9C, une membrane 105 de transducteur cMUT est formée d'une couche de nanotubes
301 parallèles recouverts par une couche 420 de liaison prévue pour permettre de lier les nano-fils ou de renforcer la liaison entre les nano-fils .
Sur la figure 9D, la membrane 105 comprend des rangées 402 parallèles de nano-fils 401 alignés recouverts par une couche 420 de liaison.
Sur la figure 9E, la membrane 105 comprend des rangées 502 parallèles de nano-poutres 501 alignés recouverts par une couche 520 de liaison.
Sur la figure 9F, la membrane 105 comprend des rangées 302 parallèles, de nanotubes 301 alignés recouverts par une couche 320 de liaison. La membrane 105 peut être dotée d'un cœur autoportant et uniquement constitué de nano-fils et/ou de nano-poutres et/ou de nano-tubes.
Les nano-fils ou nano-poutres ou nanotubes sont, dans les exemples qui viennent d'être donnés, des barreaux de dimension critique de qui peut être comprise entre 0.5 nm et 5 μm (la dimension critique de étant la plus petite dimension de ces « nano-fils » ou « nano-poutres », ou « nano-poutres » hormis leur épaisseur et qui est définie dans une direction parallèle à celle du vecteur / du repère orthogonal [O; / ; j ; k ] donné sur les figures 9A à 9F) .
Dans les exemples qui viennent d'être donnés, les nano-fils ou nano-poutres, ou nanotubes ont une longueur L (la longueur L étant la définie dans une direction parallèle à celle du vecteur j du repère orthogonal [O; / ; j ; k ] donné sur les figures 9A à 9F) , qui peut être comprise entre 50 nm et 1 mm.
Des exemples de réalisation d'une cellule de transducteur cMUT comportant une ou plusieurs couches à base de graphène, pour lier et réaliser une étanchéité de réseaux de nanotubes, ont été donnés. D'autres matériaux peuvent être utilisés, pour former une telle couche ou de telles couches, par exemple du nitrure de bore.
La couche de liaison des nanotubes ou des nano-fils susceptible d'être mise en œuvre pour former une membrane de transducteur cMUT, peut être à base d'un matériau cristallin choisi pour être davantage déformable que les dits nanotubes et/ou nano-fils et/ou nano-poutres formant la membrane, ayant par exemple un module d' Young égal ou sensiblement égal mais un moment d' inertie dix fois plus faible que celui des nanotubes et/ou nano-fils et/ou nano-poutres, ou ayant un module d' Young dix fois plus faible et un moment d'inertie égal ou sensiblement égal à celui des nanotubes et/ou nano-fils et/ou nano-poutres.
Une telle couche de liaison peut être réalisée par exemple par une méthode ALD (ALD pour « atomic layer déposition ») , qui permet de former des couches de faible épaisseur, par exemple d'épaisseur comprise entre 5 Angstrôms et 5 nanomètres.
Un caractère hydrophile ou hydrophobe peut être conféré à la membrane, suivant l'application prévue pour le transducteur cMUT . Une membrane de nanotubes de carbone peut être par exemple rendue hydrophobe ou hydrophile avec des nanotubes fonctionnalisés.
On peut traiter la membrane afin de la rendre hydrophile, par exemple à l'aide de groupements COOH fonctionnalisés sur les nanotubes.
Selon une autre possibilité, on peut traiter la membrane afin de la rendre hydrophobe, par exemple par électropolymérisation.
On peut également réaliser directement une membrane hydrophile ou hydrophobe, à partir de nanotubes ou nano-fils eux-mêmes préalablement conditionnés avant leur assemblage, par exemple par fonctionnalisation des nanotubes ou encore à l'aide d'un revêtement adapté (« coating » selon la terminologie anglo-saxonne) formé sur les nanotubes. La taille d'une cellule élémentaire de transducteur cMUT suivant l'invention, est favorable à son intégration dans une matrice pour former un dispositif miniaturisé d' imagerie acoustique ultra haute fréquence ou un micro-sonar de très haute résolution .
Dans les exemples de transducteurs cMUT qui ont été donnés, la cavité a une forme rectangulaire.
Des cavités ayant d' autres formes : circulaire, ou ovale, ou carré, peuvent être également envisagées .
Une membrane formée de plusieurs couches superposées de nanotubes ou de nano-fils d'orientation différentes entre les couches, peut être également réalisée, en particulier dans le cas où la cavité a une forme carrée.
Sur les figures 1OA et 1OB un exemple de membrane 105 formée de couches 610, 620, 630, 640 superposées de nanotubes d' orientations différentes entre les couches, est donnée (la figure 10A représentant une vue de dessus de la membrane 105, tandis que la figure 10B, donne une vue en coupe transversale de cette membrane 105) .
La membrane comporte une alternance de couches 610, 630 dont les nanotubes 601a sont orientés dans une première direction, parallèle à celle du vecteur / d'un repère orthogonal [O;/ ; j ;k] donnée sur les figures 10A et 10B, et de couches 620, 640 dont les nanotubes 601b sont orientés dans une deuxième direction, parallèle à celle du vecteur j du repère orthogonal [0; / ; j ; k ] , orthogonale à la première direction .
Ces orientations différentes peuvent être obtenues par exemple par diélectrophorèse à partir de potentiels appliqués successivement sur plusieurs jeux de paires d'électrodes opposées.
Sur les figures HA et HB sont données, des exemples de courbes Cl et C2 de fréquence de résonance en fonction du module d' Young d'une membrane de transducteur suivant l'invention formée de nanotubes de carbone de 1 μm de long, et de 1 nanomètre de rayon. La courbe Cl est représentative de mesures effectuées dans l'air tandis que la courbe C2 est représentative de mesures effectuées dans l'eau. Sur les figures 12A et 12B sont données, des exemples de courbes C3 et C4 de fréquence de résonance en fonction du module d' Young d'une membrane d'un transducteur suivant l'invention formée de nanotubes de carbone 1 nanomètre de rayon et de 1 TPa de module d' Young. La courbe C3 est représentative de mesures effectuées dans l'air tandis que la courbe C4 est représentative de mesures effectuées dans l'eau.
Différentes variantes peuvent être envisagées pour la fabrication d'un transducteur cMUT suivant l'invention.
Selon une première possibilité, on peut former la cavité 110 avant de former la membrane 105. Dans ce cas, la membrane 105 peut être ensuite réalisée directement sur le support 100 ou bien réalisée en dehors du support 100 peut être reportée sur le support 100. Selon une deuxième possibilité, on peut former la membrane 105 en dehors du support 100 puis reporter la membrane 105 sur le support 100, et former ensuite la cavité 110. Selon une troisième possibilité, on peut former la membrane 105 sur le support 100, puis former la cavité 110.
Un exemple d'agencement de cellule cMUT comportant une membrane 105, formée au dessus d'une cavité 770 hermétique, est donné sur la figure 13. Dans cet exemple, la cavité 770 est fermée et délimitée par des parois 710a, 710b, 710c, 71Od latérales qui peuvent être formées au moins partiellement par des blocs de support de la membrane 150, et par la membrane 150 elle-même et un support.
Un tel agencement peut permettre de coupler des modes de résonance, qui dépendent de la hauteur de la cavité, aux modes de la membrane.
Un tel agencement peut permettre d'augmenter le facteur de qualité et/ou l'amplitude de vibration, en particulier dans la bande passante du dispositif .
La réalisation d'une cellule cMUT avec une ou plusieurs cavités qui ne sont pas totalement fermées ou hermétiques, et en particulier qui comportent des ouvertures latérales, peut permettre une évacuation de fluide par ces ouvertures, et d'éviter un amortissement des déplacements de la membrane, en particulier pour des fréquences différentes des modes de résonance et qui dépendent de la hauteur de la cavité. Une cellule cMUT dotée d'une ou plusieurs cavités de forme oblongue, peut être prévue. Une cavité 710 de forme oblongue rectangulaire, avec une longueur D, de l'ordre de 2 à 1000 fois la largeur d est par exemple représentée sur la figure 14. Cela permet d'éviter des modes parasites transverses qui peuvent être liés à des effets de bord.
Un exemple de réalisation de cellule cMUT dotée de plusieurs électrodes, dont une électrode d' actionnement de la membrane et une électrode de lecture, a déjà été donné en liaison avec la figure 2C. Selon d'autres possibilités de réalisation, des cellules dotées de plusieurs électrodes d' actionnement et/ou de plusieurs électrodes de lecture indépendantes et disposées en regard chacune d'une ou plusieurs membranes, peuvent être prévues. Un agencement matriciel des électrodes, comportant plusieurs rangées d'électrodes, peut être également prévu. Avec un agencement comportant plusieurs électrodes disposées sous une même cavité, on peut obtenir une sensibilité spatiale en réception améliorée, éventuellement connaître des déplacements en différents points d'une membrane, éventuellement commander le déplacement de certaines portions de la membrane indépendamment. Un autre exemple de cellule cMUT est donné sur la figure 15. Ce dispositif comprend plusieurs membranes 205a, 205b, 205c, disposées au dessus d'une ou plusieurs cavités et en regard d'une ou plusieurs électrodes d' actionnement et/ou d'une ou plusieurs électrodes de mesure. Cela peut permettre d'améliorer l'évacuation du fluide dans laquelle les membranes sont destinées à vibrer et de limiter l'amortissement dû à certains modes parasites. Un tel agencement peut permettre d'améliorer l'évacuation du fluide en particulier lorsque la cavité ou les cavités sont fermées latéralement par de parois latérales qui empêchent une évacuation latérale du fluide.
Dans un cas, par exemple où, les membranes 205a, 205b, 205c, sont disposées respectivement au- dessus d'une première électrode, d'une deuxième électrode, et d'une troisième électrode, une émission et une réception par des membranes voisines peut être mise en œuvre. Une émission d'ondes déphasées par des membranes voisines, peut être également mise en œuvre, ce qui permet d'obtenir une directivité et/ou une puissance émise.
Dans un cas, où, les membranes 205a, 205b, 205c, sont disposées respectivement au-dessus d'une première électrode de détection, d'une deuxième électrode de détection, et d'une troisième électrode de détection, une amélioration de la sensibilité spatiale de réception peut être obtenue. Un autre exemple de cellule cMUT est donné sur la figure 16. Ce dispositif comprend plusieurs cavités HO11, HO12, 710i3, 7102i, 71O22, 71O23, 71O3i, 71O32, 71O33, agencées selon une matrice de plusieurs rangées de cavités au-dessus desquelles une membrane 150 est destinée à vibrer. Des cavités de tailles très faibles, par exemple de dimension critique ou de largeur d comprise entre 50 nm et 500 nm peuvent être mise en œuvre.
La mise en œuvre de cavités de faible taille peut notamment permettre d'obtenir des fréquences de fonctionnement élevées, ainsi que de rendre la réalisation d'une membrane suspendue à base de nanotubes parallèles plus aisée.
Selon une variante, une cellule avec des cavités de tailles différentes peut être mise en œuvre et permettre à un même dispositif d'émettre et/ou de recevoir selon des fréquences différentes.
Des exemples de cellules dotés de cavités de forme rectangulaire ont été donnés précédemment. D'autres formes telles que des formes polygonales, ou de demi-sphère ou de sphère, peuvent être également prévues pour les cavités, notamment en fonction de la puissance et/ou de la directivité et/ou de l'amplitude et/ou de la fréquence d'émission, et/ou de la sensibilité et/ou fréquence de la fréquence de réception et/ou bande passante de réception, que l'on souhaite obtenir.
Un autre exemple de cellule cMUT est donné sur la figure 17, et comprend plusieurs membranes 705a, 705b, 705c, 705d de nanotubes, et des électrodes 703i, 7032, 7033, 7034, 7035, 703e, 7037, disposées sur un support et orientées selon des orientations différentes, par paires d'électrodes en vis à vis l'une de l'autre.
Une première membrane 705a est en contact avec une première paire d'électrodes 703i, 7035 disposées face à face l'une à l'autre, tandis qu'une deuxième membrane 705b est en contact avec une deuxième paire d'électrodes 7032, 703e disposées face à face, qu'une troisième membrane 705c est en contact avec une troisième paire d'électrodes 7033, 7037 disposées face à face, qu'une quatrième membrane 705d est en contact avec une quatrième paire d'électrodes 7034, 703s. Les membranes 705a, 705b, 705c, 705d, ont ainsi des orientations différentes entre elles.
Dans cet exemple, l'ensemble des électrodes à un agencement formant un polygone, avec une ou plusieurs cavités à l'intérieur du polygone, chaque membrane de nanotubes étant disposée avec un angle différent de celui des autres membranes.
Une telle disposition d'électrodes, par paires, et ayant des orientations différentes entre elle, peut être mise à profit pour former des membranes
En appliquant une tension adaptée sur une première paire d'électrodes 703i et 7035, situées en regard l'une de l'autre, on peut favoriser le dépôt d'une couche de nanotubes alignés et orientés selon une première orientation déterminée par le champ électrique entre les électrodes, afin de former la première membrane 703a.
Puis, en appliquant une tension adaptée sur une deuxième paire d'électrodes 7032 et 703e, situées en regard l'une de l'autre, on peut favoriser le dépôt d'une couche de nanotubes alignés et orientés selon une deuxième orientation déterminée par le champ électrique entre les électrodes 7032 et 703e, afin de former la première membrane 703a. On procède ainsi de suite en appliquant une tension entre les électrodes 7033 et 7037, pour former la troisième membrane 703c, puis en appliquant une tension entre les électrodes 7034 et 703s, pour former la quatrième membrane 703d.

Claims

REVENDICATIONS
1. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT comprenant : au moins une membrane (105, 205a, 205b, 705a, 705b, 705c, 705d) prévue pour osciller sous l'effet d'un champ électrique et/ou d'une onde acoustique, la membrane étant formée d'une ou plusieurs couches (301-306) de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou de nano-poutres .
2. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon la revendication 1, dans lequel la membrane (105, 205, 305, 405, 505, 605) est formée d'au moins une couche, de nanotubes parallèles et/ou de nano-fils parallèles et/ou de nano-poutres parallèles.
3. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon la revendication 2, dans lequel la membrane (105, 205, 305, 405, 505, 605) est formée de rangées parallèles de nanotubes alignés et/ou de nano-fils alignés et/ou de nano-poutres alignés.
4. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la membrane est formée d'une ou plusieurs couches (301- 306) de nanotubes et/ou nanofils et/ou nanopoutres, parallèles séparé (e) s d'une distance de l'ordre de la distance d'équilibre de l'interaction de van der Waals.
5. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon l'une des revendications 1 à 4, la membrane étant formée en outre : d'au moins une couche (322, 332, 420, 520) dite « de liaison », accolée aux nanotubes et/ou aux nano-fils et/ou nano-poutres .
6. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon la revendication 5, la couche de liaison étant davantage déformable que l'ensemble desdits nanotubes et/ou desdits nano-fils et/ou des dites nano- poutres de la membrane.
7. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon l'une des revendications 1 à 6, la membrane ayant un cœur uniquement constitué de nanotubes et/ou aux nano-fils et/ou nano-poutres.
8. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon l'une des revendications 1 à 7, la membrane (305) comprenant :
- une ou plusieurs couches (301, 302, 303) de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou de nano-poutres d'une première dimension critique,
- une ou plusieurs couches (306, 307, 308) de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou nano-poutres d'une deuxième dimension critique, différente de ladite première dimension critique.
9. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la membrane est formée d' au moins une première couche (610) de nanotubes (601a) et/ou de nano-fils et/ou de nano-poutres orienté (e) s selon une première direction et d'au moins une deuxième couche de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou de nano-poutres orienté (e) s selon une deuxième direction, orthogonale à la première direction .
10. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant en outre : au moins une cavité (110, 170) au-dessus de laquelle au moins une membrane est destinée à osciller.
11. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon la revendication 10, comprenant au moins une membrane, formée d'une ou plusieurs couches de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou de nano-poutres, et situées au dessus de plusieurs cavités.
12. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon l'une des revendications 10 ou 11, comportant une pluralité de membranes (205a, 205b, 205c) formées chacune d'une ou plusieurs couches de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou de nano-poutres, les membranes étant situées au-dessus d'une même cavité (710) .
13. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel une membrane (150) est située au-dessus de plusieurs cavités ou d'une matrice de cavités (71On, 710i2, 710i3 71O2I, 71O22, 71O23, 71O3I, 71O32, 71O33) .
14. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon l'une des revendications 1 à 13, comportant plusieurs membranes superposées (705a, 705b, 705c, 705d) , formées chacune d'une ou plusieurs couches de nanotubes et/ou de nano-fils et/ou de nano-poutres, les membranes ayant des orientations différentes.
15. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon l'une des revendications 10 à 14, une ou plusieurs des dites cavités étant fermées.
16. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon l'une des revendications 1 à 15, comprenant en outre : au moins une électrode (107, 207) d' actionnement de la membrane et/ou au moins une électrode (107, 207) de détection.
17. Transducteur électro-acoustique capacitif cMUT selon la revendication 16, comprenant en outre : - des moyens (210) pour appliquer un potentiel fixe à ladite électrode, et/ou des moyens (212) pour appliquer un potentiel variable à ladite électrode, et/ou des moyens (220) pour formant un capacimètre.
18. Dispositif d'imagerie acoustique ou sonar UHF comprenant une matrice de transducteurs électro-acoustiques capacitifs cMUT selon l'une des revendications 1 à 17.
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