EP3526596A1 - Transducteur piezoelectrique, procede de fabrication s'y rapportant, et dispositif de spectroscopie par resonance ultrasonore - Google Patents

Transducteur piezoelectrique, procede de fabrication s'y rapportant, et dispositif de spectroscopie par resonance ultrasonore

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EP3526596A1
EP3526596A1 EP17778234.9A EP17778234A EP3526596A1 EP 3526596 A1 EP3526596 A1 EP 3526596A1 EP 17778234 A EP17778234 A EP 17778234A EP 3526596 A1 EP3526596 A1 EP 3526596A1
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EP
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piezoelectric transducer
points
piezoelectric
transducer according
contact
Prior art date
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EP17778234.9A
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Pascal DARGENT
Quentin GRIMAL
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Sorbonne Universite
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Sorbonne Universite
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Publication date
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Definitions

  • piezoelectric transducer Method of manufacture therefor, and ultrasonic resonance spectroscopy device
  • the present invention relates to the field of material characterization, for example and not limited to a bone sample, in particular using ultrasonic resonance spectroscopy techniques.
  • the present invention relates to a transducer.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing such a transducer and an ultrasonic resonance spectroscopy device comprising one or more transducers according to the invention.
  • Hirao 2002 Complete mode identification for resonance ultrasound spectroscopy, H. Ogi, K. Sato, T. Asada & M. Hirao, J. Acoust. Soc. Am. 112, 2553, 2002, hereinafter "Hirao 2002".
  • Gladden 2003 describes a device comprising two piezoelectric transducers. Each transducer includes a contact piece with a flat surface. A sample to be analyzed is maintained between the flat surfaces of the contact parts of the two transducers.
  • a disadvantage of such a device is the presence of parasitic modes at medium and low frequencies.
  • the device of Hirano 1984 also comprises two piezoelectric transducers, each comprising a contact piece provided with a point. The sample to be analyzed is maintained between the tips of the two transducers.
  • the devices according to Gladden 2003 or Hirano 1984 limit the number of degrees of freedom of the sample, which favors the appearance of rigid modes at low frequencies and a shift of higher eigenfrequencies.
  • Hirao 2002 discloses a system comprising two piezoelectric transducers and a third passive tip. Each transducer includes a contact piece with a tip. The sample to be analyzed is placed in equilibrium on the tips of the two transducers and the third tip.
  • a disadvantage of this type of device consists in the presence of eigen modes of the tips themselves.
  • this type of device is not suitable for analyzing small samples, typically the largest dimension of which would be less than 10 mm.
  • the object of the present invention is in particular to propose a piezoelectric transducer and an ultrasonic resonance spectroscopy device making it possible to limit the static mechanical stresses applied to the sample and / or allowing and / or facilitating the analysis of a sample of relatively large size. small and / or variable geometry and / or complex.
  • the invention proposes a piezoelectric transducer comprising a piezoelectric pellet and a contact piece stacked on the piezoelectric pellet, the contact piece forming tips whose respective apex constitute contact points that are spatially isolated from one another this transducer being arranged to establish a mechanical contact, by at least one of the contact points, with a sample to be analyzed.
  • the contact points can be distributed on a convex surface.
  • the points of contact can thus form a convex discrete surface. Furthermore, the contact points may be distributed so that no geometrical plane passes through more than three of said contact points, or that no geometrical plane passes less than 0.5 ⁇ m from more than three of said points of contact. contact.
  • Such a geometry of the contact points makes it possible to limit the stresses applied to the sample by providing an isostatic positioning. For example, if the sample has a flat surface, this flat surface of the sample can not be brought into contact with more than three points of contact of the transducer.
  • the tips may have a height of between 1 ⁇ m and 10 mm, preferably between 20 ⁇ m and 3 mm, more preferably between 50 ⁇ m and 1 mm.
  • the contact points may be regularly spaced apart with a pitch of between 1 ⁇ m and 10 mm, preferably between 20 ⁇ m and 3 mm, more preferably between 50 ⁇ m and 1 mm.
  • Such dimensions are particularly suitable for the analysis of samples of relatively small size, and make it possible to push back the eigenfrequencies of the peaks beyond the useful bandwidth of the transducer, typically, beyond 1 MHz.
  • the contact piece may be of a material whose ratio JT c / d c is greater than 1 GPa 1/2 * cm 3 / g, preferably greater than 2 GPa 1/2 * cm 3 / g, more preferably greater than 2.5 GPa 1/2 * cm 3 / g, with c E the Young's modulus of this material and c the density of this material.
  • the contact piece may comprise or consist of polycrystalline diamond and / or polycrystalline cubic boron nitride and / or beryllium and / or aluminum and / or magnesium.
  • the contact piece forms, in a transverse plane, a radially truncated disk.
  • the piezoelectric transducer may further comprise a support, and the piezoelectric pellet may be mounted between the support and the contact piece.
  • the support may be of a material whose ratio T fE s ⁇ / d s is greater than 3 GPa 1/2 * cm 3 / g, preferably greater than 4 GPa 1/2 * cm 3 / g, more preferably greater than 6 * 1/2 GPa cm 3 / g, with E s Young's modulus of the material and s the density of this material.
  • the support may comprise or consist of polycrystalline diamond and / or polycrystalline cubic boron nitride and / or beryllium and / or silicon carbide and / or alumina.
  • Such a support makes it possible to stiffen the transducer and to record the first eigen modes typically beyond 1 MHz.
  • the support is axisymmetric.
  • the cylindrical support has a h / ds ratio of between 0.3 and 2, preferably between 0.4 and 1.5, more preferably between 0.6 and 1, with h the height and ds the diameter. of this cylindrical support.
  • Such dimensions of the cylinder make it possible to optimally increase the value of the first natural frequency, in particular when the support is of the right cylinder type.
  • the support may be an axially truncated sphere so as to form a mounting surface, and the piezoelectric pellet may be mounted on this mounting surface.
  • bearing balls lapped in very hard materials (silicon carbide, etc.). Such bearing balls are commercially available at very low cost.
  • the piezoelectric transducer may further include: a carrier element, and
  • this or these positioning elements connecting the support and the carrier element and being of a material whose stiffness is less than 200 MPa, preferably less than 50 MPa, more preferably less than 10 MPa.
  • the positioning element or elements may be arranged to filter the acoustic wave frequencies greater than 5 kHz, preferably greater than 1 kHz, more preferably greater than 100 Hz.
  • This or these positioning elements thus constitute a low-pass filter (vibratory).
  • the piezoelectric transducer may be arranged to emit and / or receive acoustic waves of frequencies between 5 kHz and 1 MHz, or more broadly between 1 kHz and 10 MHz, or even more preferably between 100 Hz and 100 MHz. MHz.
  • Such a transducer is therefore suitable for ultrasound resonance spectroscopy.
  • the contact piece may comprise at least nine points, preferably at least sixteen points, more preferably at least twenty-five points.
  • the present invention also relates to an ultrasonic resonance spectroscopy device comprising at least one piezoelectric transducer according to a chosen combination of the characteristics described above.
  • this spectroscopy device may comprise two piezoelectric transducers according to a chosen combination of the characteristics described above, and the directions in which the tips of one of said two piezoelectric transducers extend may be:
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a contact piece for a piezoelectric transducer according to a chosen combination of the characteristics described above, this method comprising a step of machining the tips by wire electro erosion.
  • This type of machining makes it possible to accurately produce contact parts according to the invention, in particular for peak dimensions such as those mentioned above.
  • the step of machining the tips may comprise:
  • Figure 1 is a perspective view of a transducer contact part according to the invention.
  • FIG. 2 and FIG. 3 are perspective views of a transducer according to a variant of the invention.
  • Figure 4 is a perspective view of a transducer according to another embodiment of the invention
  • Fig. 5 is a perspective view of an ultrasonic resonance spectroscopy device portion according to the invention, comprising the transducer of Figs. 2 and 3;
  • FIG. 6 is a partial perspective view of an ultrasonic resonance spectroscopy device according to the invention, comprising two transducers;
  • Figure 7 is a sectional view of a transducer contact part according to the invention.
  • FIG. 8a and FIG. 8b show schematically a tip of a transducer contact piece according to the invention.
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described, isolated from the other characteristics described, even if this selection is isolated within a sentence comprising these other characteristics, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • This selection comprises at least one characteristic, preferably functional without structural details, or with only a part of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art .
  • FIGS 2 to 4 show piezoelectric transducers according to the invention. These transducers comprise a stack, typically with bonding, of an axisymmetric support 3, a piezoelectric pellet 2 and a contact piece 1, the piezoelectric pellet 2 being mounted between the support 3 and the contact piece 1.
  • the support 3 of the transducer of FIGS. 2 and 3 is cylindrical and may typically have a h / ds ratio of between 0.3 and 2, preferably between 0.4 and 1.5, more preferably between 0.6 and 1. with h the height (typically between 2 and 20 mm) and ds the diameter (typically between 2 and 30 mm of this cylindrical support 3.
  • the support 3b of the transducer of FIG. 4 is a sphere (of diameter typically between 3 and 30 mm) truncated axially.
  • the truncation forms a mounting surface on which the piezoelectric pellet 2 is mounted.
  • composition of the support 3 From the point of view of the composition of the support 3, it can:
  • - comprise or consist of polycrystalline diamond and / or polycrystalline cubic boron nitride and / or beryllium and / or silicon carbide and / or alumina.
  • FIG. 1 represents the contact part 1 of the transducer of FIGS. 2 to 4.
  • the contact piece 1 forms tips 10 whose respective apices form contact points 11 spatially isolated from one another.
  • the contact points 11 of the transducer are intended to put the transducer in contact, by a limited number of these contact points 11, with a sample to be analyzed, as illustrated in FIG. 7.
  • FIG. 7 shows an E2 sample in contact with two contact points 11b of the contact piece 1b.
  • the transducer according to the invention is arranged to establish a mechanical contact, by at least one of the contact points, with a sample to be analyzed.
  • the contact points 11c actually form not a "point" as such but a surface 11d, at least below a certain observation scale of a tip 10c (see Figures 8a and 8b). However, this surface must be of negligible size compared to the dimensions of the transducer.
  • Figure 7 shows a distribution of the contact points 11b in a convex surface SI.
  • the SI surface is called convex because it appears convex from the outside of the transducer.
  • the surface S1 is concave on the side of the tips 10 and convex on the other side.
  • the contact points 11 of the contact piece 1 of FIGS. 1 to 4 preferably form a convex discrete surface.
  • the contact points 11 are distributed so that no geometric plane passes through more than three of said contact points 11, or no geometric plane passes less than 0.5 pm from more than three of said contact points 11.
  • the contact points 11 may be regularly spaced apart with a pitch D1 (preferably constant, but not necessarily) between 1 ⁇ m and 10 mm, preferably between 20 ⁇ m and 3 mm, more preferably between 50 ⁇ m and 1 mm, and / or
  • the tips 10 may have a height D 2 of between 1 ⁇ m and 10 mm, preferably between 20 ⁇ m and 3 mm, more preferably between 50 ⁇ m and 1 mm.
  • the contact piece 1 can:
  • - comprise or consist of polycrystalline diamond and / or polycrystalline cubic boron nitride and / or beryllium and / or aluminum and / or magnesium.
  • the contact piece 1 forms, in a transverse plane, a radially truncated disc. As illustrated in FIG. 5, such a truncation frees up a space and, despite the stacking of the piezoelectric pellet 2 with the contact piece 1, makes it possible to weld cables 81 and 82 on two terminals of the piezoelectric pellet 2 situated on a top of this chip, a first of these terminals being electrically connected to one face of the piezoelectric chip 2 and a second of these terminals being electrically connected to the other face of the piezoelectric chip 2.
  • the contact piece 1 may comprise at least nine points, preferably at least sixteen points, more preferably at least twenty-five points.
  • the pellet 2 is typically used with a PZT (Lead Zirconate Titanate) pellet having a thickness of between 0.05 and 3 mm.
  • PZT Lead Zirconate Titanate
  • the transducer comprises positioning elements 41, 42 and 43 visible in FIG.
  • these positioning elements 41, 42 and 43 may be of a material whose stiffness is less than 200 MPa, preferably less than 50 MPa, more preferably less than 10 MPa, comprising or consisting typically of silicone or polyurethane.
  • these positioning elements 41, 42 and 43 may be arranged to filter acoustic wave frequencies greater than 5 kHz, preferably greater than 1 kHz, more preferably greater than 100 Hz.
  • acoustic waves one can for example use three silicone pads of diameter 1.5 mm and thickness 0.5 mm, insofar as the transducer has a mass of the order of 0.3 grams.
  • the transducer 9 is typically mounted on a carrier element 7 by the positioning elements 41, 42 and 43.
  • the carrier element 7 is for example a FR-4 type epoxy resin printed circuit.
  • the piezoelectric pellet of the transducer 9 is connected to an impedance matching module 6, typically at 50 Ohms, by cables 81 and 82. Cables 83 and 84 connect this module 6 to attachment points of the circuit 7 .
  • FIG. 6 represents an ultrasound resonance spectroscopy device according to the invention.
  • a sample El to be analyzed is positioned on two piezoelectric transducers 9a and 9b of generally cylindrical shape, in accordance with the transducer of FIGS. 2 and 3.
  • one 9a of the transducers operates as a transmitter and the other 9b as a receiver.
  • the two transducers 9a and 9b are arranged not to pinch the sample between them, which increases the number of degrees of freedom of the El sample compared with prior art devices such as those described in FIG. Gladden 2003 and Hirano 1984.
  • the relative positioning of the two transducers 9a and 9b, in angles and in distance, must be adjusted according to the size and shape of the sample El.
  • the direction in which the one 9a of the two transducers extends crosses the direction in which the other 9b transducer extends.
  • the axis of the cylindrical support of the transducer 9a crosses the axis of the cylindrical support of the transducer 9b.
  • the directions in which the points of the transducer 9a extend cross the directions in which the points of the transducer 9b extend.
  • the points of intersection of said directions are located in the direction in which the spikes extend from their base to the contact points.
  • a flyweight respectively 5a and 5b is mounted on each of the carrier elements 7a and 7b on the opposite side relative to the respective transducer 9a and 9b.
  • the weights 5a and 5b may be lead and may be positioned and have a mass and a shape capable of stabilizing the transducers 9a and 9b by inertia.
  • weights 5a and 5b are also useful for reducing the eigenfrequencies of the carrier element 7.
  • the piezoelectric transducers 9a and 9b may be arranged to transmit and / or receive acoustic waves of frequencies between 5 kHz and 1 MHz, preferably between 1 kHz and 10 MHz, more preferably between 100 Hz and 100 MHz .
  • the contact piece 1 is preferably manufactured by a method implementing a step of machining the tips 10 by wire electroerosion comprising:
  • the contact part 1 may have a truncation different from that shown in Figures 1 to 6, or have no truncation especially if the axisymmetric support and the contact piece are electrically conductive;
  • the support may have any axisymmetric shape, for example with parabolic generators, making it possible to further improve the performance of the first natural frequency.
  • the various features, shapes, variants and embodiments of the invention may be associated with each other in various combinations to the extent that they are not incompatible or exclusive of each other.

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Abstract

L'invention se rapporte à un transducteur piézoélectrique du type comprenant un empilement d'une pièce de contact (1), d'une pastille piézoélectrique (2) et d'un support (3) de très grande raideur. De manière spécifique, la pièce de contact (1) forme des pointes dont le sommet respectif constitue des points de contact spatialement isolés les uns par rapport aux autres. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une telle pièce de contact ainsi qu'un dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore comprenant un ou plusieurs transducteurs piézoélectriques selon l'invention.

Description

« Transducteur piézoélectrique, procédé de fabrication s'y rapportant, et dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore »
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine de la caractérisation de matériau, par exemple et non limitativement un échantillon d'os, en particulier à l'aide de techniques de spectroscopie par résonance ultrasonore.
Plus spécifiquement, la présente invention concerne un transducteur.
La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un tel transducteur ainsi qu'un dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore comprenant un ou plusieurs transducteurs selon l'invention. État de la technique antérieure
On connaît dans l'état de la technique antérieure des dispositifs de spectroscopie par résonance ultrasonore tels que décrits dans les documents suivants :
- Characterization of thin films and novel materials using résonant ultrasound spectroscopy , J. R. Gladden, 2003, ci-après "Gladden
2003" ;
- Measurement of elastic constants of polycrystals by the résonance method in a cylindrical spécimen, M . Senoa, T. Nishimura & M . Hirano, Bull . JSME (Japan Soc. Mech'l Engineers), 27, 2239-2346, 1984, ci-après "Hirano 1984" ;
- Complète mode identification for résonance ultrasound spectroscopy, H. Ogi, K. Sato, T. Asada & M . Hirao, J. Acoust. Soc. Am. 112, 2553, 2002, ci-après "Hirao 2002".
Gladden 2003 décrit un dispositif comprenant deux transducteurs piézoélectriques. Chaque transducteur comprend une pièce de contact dotée d'une surface plane. Un échantillon à analyser est maintenu entre les surfaces planes des pièces de contact des deux transducteurs.
Un inconvénient d'un tel dispositif concerne la présence de modes parasites aux moyennes et basses fréquences.
Le dispositif de Hirano 1984 comprend aussi deux transducteurs piézoélectriques, chacun comprenant une pièce de contact dotée d'une pointe. L'échantillon à analyser est maintenu entre les pointes des deux transducteurs.
Les dispositifs selon Gladden 2003 ou Hirano 1984 limitent le nombre de degrés de liberté de l'échantillon, ce qui favorise l'apparition de modes rigides aux fréquences basses et un décalage des fréquences propres supérieures.
Un autre type de dispositifs est décrit dans Hirao 2002 qui divulgue un système comprenant deux transducteurs piézoélectriques et une troisième pointe passive. Chaque transducteur comprend une pièce de contact dotée d'une pointe. L'échantillon à analyser est placé en équilibre sur les pointes des deux transducteurs et de la troisième pointe.
Un inconvénient de ce type de dispositif consiste dans la présence de modes propres des pointes elles-mêmes.
De plus, ce type de dispositif n'est pas adapté à l'analyse d'échantillons de petite taille, typiquement dont la plus importante dimension serait inférieure à 10 mm.
La présente invention a notamment pour objectif de proposer un transducteur piézoélectrique et un dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore permettant de limiter les contraintes mécaniques statiques appliquées à l'échantillon et/ou permettant et/ou facilitant l'analyse d'un échantillon de taille relativement petite et/ou de géométrie variable et/ou complexe.
Exposé de l'invention
À cet effet, l'invention propose un transducteur piézoélectrique comprenant une pastille piézoélectrique et une pièce de contact empilée sur la pastille piézoélectrique, la pièce de contact formant des pointes dont le sommet respectif constitue des points de contact spatialement isolés les uns par rapport aux autres, ce transducteur étant agencé pour établir un contact mécanique, par l'un au moins des points de contact, avec un échantillon à analyser.
De préférence, les points de contact peuvent être répartis sur une surface convexe.
Les points de contact peuvent ainsi former une surface discrète convexe. Par ailleurs, les points de contact peuvent être répartis de sorte qu'aucun plan géométrique ne passe par plus de trois desdits points de contact, ou qu'aucun plan géométrique ne passe à moins de 0,5 pm de plus de trois desdits points de contact.
Une telle géométrie des points de contact permet de limiter les contraintes appliquées à l'échantillon en apportant un positionnement isostatique. Par exemple, si l'échantillon présente une surface plane, cette surface plane de l'échantillon ne peut être mise en contact avec plus de trois points de contact du transducteur.
Dans un mode de réalisation, les pointes peuvent avoir une hauteur comprise entre 1 pm et 10 mm, de préférence comprise entre 20 pm et 3 mm, plus préférentiellement comprise entre 50 pm et 1 mm.
Dans un mode de réalisation, les points de contact peuvent être régulièrement espacés entre eux avec un pas compris entre 1 pm et 10 mm, de préférence compris entre 20 pm et 3 mm, plus préférentiellement compris entre 50 pm et 1 mm.
De telles dimensions sont notamment adaptées à l'analyse d'échantillons de taille relativement petite, et permettent de repousser les fréquences propres des pointes au-delà de la bande passante utile du transducteur, typiquement, au-delà de 1MHz.
De préférence, la pièce de contact peut être en un matériau dont le rapport JTc/dc est supérieur à 1 GPa1/2*cm3/g, de préférence supérieur à 2 GPa1/2*cm3/g, plus préférentiellement supérieur à 2,5 GPa1/2*cm3/g, avec Ec le module de Young de ce matériau et dc la densité de ce matériau.
Par exemple, la pièce de contact peut comprendre ou consister en du diamant polycristallin et/ou du nitrure de bore cubique polycristallin et/ou du béryllium et/ou de l'aluminium et/ou du magnésium.
Dans un mode de réalisation, la pièce de contact forme, dans un plan transversal, un disque tronqué radialement.
Une telle troncature libère un espace permettant de souder des câbles de connexion électronique de la pastille piézoélectrique. Le transducteur piézoélectrique peut comprendre en outre un support, et la pastille piézoélectrique peut être montée entre le support et la pièce de contact.
De préférence, le support peut être en un matériau dont le rapport TfEs ~/ds est supérieur à 3 GPa1/2*cm3/g, de préférence supérieur à 4 GPa1/2*cm3/g, plus préférentiellement supérieur à 6 GPa1/2*cm3/g, avec Es le module de Young de ce matériau et ds la densité de ce matériau.
Par exemple, le support peut comprendre ou consister en du diamant polycristallin et/ou du nitrure de bore cubique polycristallin et/ou du béryllium et/ou du carbure de silicium et/ou de l'alumine.
Un tel support permet de rigidifier le transducteur et de relever les premiers modes propres typiquement au-delà de 1 MHz.
De préférence, le support est axisymétrique.
D'une part, un support axisymétrique est plus facile à réaliser. D'autre part, cela permet de rigidifier uniformément le transducteur.
De préférence, le support cylindrique présente un rapport h/ds compris entre 0,3 et 2, de préférence compris entre 0,4 et 1,5, plus préférentiellement compris entre 0,6 et 1, avec h la hauteur et ds le diamètre de ce support cylindrique.
De telles dimensions du cylindre permettent d'augmenter de manière optimale la valeur de la première fréquence propre, en particulier lorsque le support est du type cylindre droit.
Selon une variante de réalisation, le support peut être une sphère tronquée axialement de manière à former une surface de montage, et la pastille piézoélectrique peut être montée sur cette surface de montage.
Pour réaliser un tel support sphérique, on peut utiliser par exemple des billes de roulement rodées dans des matériaux très durs (carbure de silicium, etc.). De telles billes de roulement sont disponibles dans le commerce à très bas coût.
Dans un mode de réalisation, le transducteur piézoélectrique peut comprendre en outre : - un élément porteur, et
- un ou plusieurs éléments de positionnement,
ce ou ces éléments de positionnement reliant le support et l'élément porteur et étant en un matériau dont la raideur est inférieure à 200 MPa, de préférence inférieure à 50 MPa, plus préférentiellement inférieure à 10 MPa.
De préférence, le ou les éléments de positionnement peuvent être agencés pour filtrer les fréquences d'ondes acoustiques supérieures à 5 kHz, de préférence supérieures à 1 kHz, plus préférentiellement supérieures à 100 Hz.
Ce ou ces éléments de positionnement constituent ainsi un filtre passe- bas (vibratoire).
De préférence, le transducteur piézoélectrique peut être agencé pour émettre et/ou recevoir des ondes acoustiques de fréquences comprises entre 5 kHz et 1 MHz, ou plus largement comprises entre 1 kHz et 10 MHz, ou préférentiellement encore plus largement comprises entre 100 Hz et 100 MHz.
Un tel transducteur est donc adapté à la spectroscopie par résonance ultrasonore.
De préférence, la pièce de contact peut comprendre au moins neuf pointes, de préférence au moins seize pointes, plus préférentiellement au moins vingt-cinq pointes. Selon un autre aspect, la présente invention concerne aussi un dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore comprenant au moins un transducteur piézoélectrique selon une combinaison choisie des caractéristiques décrites ci-dessus.
De préférence, ce dispositif de spectroscopie peut comprendre deux transducteurs piézoélectriques selon une combinaison choisie des caractéristiques décrites ci-dessus, et les directions dans lesquelles s'étendent les pointes de l'un desdits deux transducteurs piézoélectriques peuvent être :
- parallèles, ou - peuvent croiser les directions dans lesquelles s'étendent les pointes de l'autre desdits deux transducteurs piézoélectriques, les points de croisement desdites directions étant situés dans le sens dans lequel s'étendent les pointes depuis leur base jusqu'aux points de contact. Un dispositif comprenant deux transducteurs selon l'invention permet d'analyser des échantillons de géométrie variable et/ou complexe, tout en limitant les contraintes statiques appliquées à l'échantillon par un placement judicieux de l'échantillon sur les pointes. Selon un autre aspect, la présente invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une pièce de contact pour transducteur piézoélectrique selon une combinaison choisie des caractéristiques décrites ci-dessus, ce procédé comprenant une étape d'usinage des pointes par électroérosion par fil.
Ce type d'usinage permet de réaliser avec précision des pièces de contact selon l'invention, en particulier pour des dimensions de pointe telles que celles mentionnées ci-dessus.
De préférence, l'étape d'usinage des pointes peut comprendre :
- une première série de lignes de découpe par électroérosion de la pièce de contact parallèles à un premier axe d'érosion,
- une deuxième série de lignes de découpe par électroérosion de la pièce de contact parallèles à un deuxième axe d'érosion, le premier axe d'érosion n'étant pas parallèle au deuxième axe d'érosion.
Description des figures et modes de réalisation D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
la figure 1 est une vue en perspective d'une pièce de contact de transducteur selon l'invention ;
- la figure 2 et la figure 3 sont des vues en perspective d'un transducteur selon une variante de l'invention ;
la figure 4 est une vue en perspective d'un transducteur selon une autre variante de l'invention ; la figure 5 est une vue en perspective d'une partie de dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore selon l'invention, comprenant le transducteur de la figure 2 et 3 ;
la figure 6 est une vue en perspective partielle d'un dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore selon l'invention, comprenant deux transducteurs ;
la figure 7 est une vue en coupe d'une pièce de contact de transducteur selon l'invention ;
la figure 8a et la figure 8b représentent schématiquement une pointe de pièce de contact de transducteur selon l'invention.
Les modes de réalisation décrits ci-après n'étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites, même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
Transducteur piézoélectrique
Les figures 2 à 4 montrent des transducteurs piézoélectriques selon l'invention. Ces transducteurs comprennent un empilement, typiquement avec collage, d'un support 3 axisymétrique, d'une pastille piézoélectrique 2 et d'une pièce de contact 1, la pastille piézoélectrique 2 étant montée entre le support 3 et la pièce de contact 1.
Support du transducteur
Le support 3 du transducteur des figures 2 et 3 est cylindrique et peut typiquement présenter un rapport h/ds compris entre 0,3 et 2, de préférence compris entre 0,4 et 1,5, plus préférentiellement compris entre 0,6 et 1, avec h la hauteur (typiquement comprise entre 2 et 20 mm) et ds le diamètre (typiquement compris entre 2 et 30 mm de ce support cylindrique 3.
Le support 3b du transducteur de la figure 4 est une sphère (de diamètre typiquement compris entre 3 et 30 mm) tronquée axialement. La troncature forme une surface de montage sur laquelle est montée la pastille piézoélectrique 2.
Du point de vue de la composition du support 3, celui-ci peut :
- être en un matériau dont le rapport JTs/ds est supérieur à 3 GPa1/2*cm3/g, de préférence supérieur à 4 GPa1/2*cm3/g, plus préférentiellement supérieur à 6 GPa1/2*cm3/g, avec Es le module de Young et ds la densité de ce matériau ; et/ou
- comprendre ou consister en du diamant polycristallin et/ou du nitrure de bore cubique polycristallin et/ou du béryllium et/ou du carbure de silicium et/ou de l'alumine.
Pièce de contact du transducteur
La figure 1 représente la pièce de contact 1 du transducteur des figures 2 à 4.
On voit sur la figure 1 que la pièce de contact 1 forme des pointes 10 dont le sommet respectif constitue des points de contact 11 spatialement isolés les uns par rapport aux autres.
Les points de contact 11 du transducteur sont prévus pour mettre le transducteur en contact, par un nombre limité de ces points de contact 11, avec un échantillon à analyser, tel qu'illustré en figure 7. La figure 7 montre un échantillon E2 en contact avec deux points de contact 11b de la pièce de contact lb.
Autrement dit, le transducteur selon l'invention est agencé pour établir un contact mécanique, par l'un au moins des points de contact, avec un échantillon à analyser.
Bien sûr, compte tenu des techniques d'usinage connues, les points de contact 11c forment en réalité non pas un « point » en tant que tel mais une surface lld, du moins en-deçà d'une certaine échelle d'observation d'une pointe 10c (voir figures 8a et 8b). Toutefois, cette surface doit être de dimension négligeable par rapport aux dimensions du transducteur. La figure 7 fait apparaître une répartition des points de contact 11b en une surface SI convexe.
La surface SI est dite convexe car elle apparaît convexe vue depuis l'extérieur de transducteur. Autrement dit, la surface SI est concave du côté des pointes 10 et convexe de l'autre côté.
Ainsi, les points de contact 11 de la pièce de contact 1 des figures 1 à 4 forment de préférence une surface discrète convexe.
Les points de contact 11 sont répartis de sorte qu'aucun plan géométrique ne passe par plus de trois desdits points de contact 11, ou aucun plan géométrique ne passe à moins de 0,5 pm de plus de trois desdits points de contact 11.
D'un point de vue dimensionnel :
- les points de contact 11 peuvent être régulièrement espacés entre eux avec un pas Dl (de préférence constant, mais pas nécessairement) compris entre 1 pm et 10 mm, de préférence compris entre 20 pm et 3 mm, plus préférentiellement compris entre 50 pm et 1 mm, et/ou
- les pointes 10 peuvent avoir une hauteur D2 comprise entre 1 pm et 10 mm, de préférence comprise entre 20 pm et 3 mm, plus préférentiellement comprise entre 50 pm et 1 mm.
Concernant sa composition, la pièce de contact 1 peut :
- être en un matériau dont le rapport JTc/dc est supérieur à 1
GPa1/2*cm3/g, de préférence supérieur à 2 GPa1/2*cm3/g, plus préférentiellement supérieur à 2,5 GPa1/2*cm3/g, avec Ec le module de Young et dc la densité de ce matériau ; et/ou
- comprendre ou consister en du diamant polycristallin et/ou du nitrure de bore cubique polycristallin et/ou du béryllium et/ou de l'aluminium et/ou du magnésium.
En référence aux figures 1 à 6, la pièce de contact 1 forme, dans un plan transversal, un disque tronqué radialement. Comme illustré en figure 5, une telle troncature libère un espace et permet, malgré l'empilage de la pastille piézoélectrique 2 avec la pièce de contact 1, de souder des câbles 81 et 82 sur deux bornes de la pastille piézoélectrique 2 situées sur un dessus de cette pastille, une première de ces bornes étant reliée électriquement à une face de la pastille piézoélectrique 2 et une deuxième de ces bornes étant reliée électriquement à l'autre face de la pastille piézoélectrique 2.
La pièce de contact 1 peut comprendre au moins neuf pointes, de préférence au moins seize pointes, plus préférentiellement au moins vingt- cinq pointes.
Pastille piézoélectrique 2
On utilise pour la pastille 2 typiquement une pastille en PZT (Lead Zirconate Titanate) d'épaisseur comprise entre 0,05 et 3 mm.
Transducteur + support
Dans les modes de réalisation des figures 2, 3, 5 et 6, le transducteur comprend des éléments de positionnement 41, 42 et 43 visibles en figure 3.
De préférence, ces éléments de positionnement 41, 42 et 43 peuvent être en un matériau dont la raideur est inférieure à 200 MPa, de préférence inférieure à 50 MPa, plus préférentiellement inférieure à 10 MPa, comprenant ou consistant typiquement en du silicone ou polyuréthane.
En outre, ces éléments de positionnement 41, 42 et 43 peuvent être agencés pour filtrer les fréquences d'ondes acoustiques supérieures à 5 kHz, de préférence supérieures à 1 kHz, plus préférentiellement supérieures à 100 Hz. Pour obtenir un tel agencement de filtration d'ondes acoustiques, on peut par exemple utiliser trois plots de silicone de diamètre 1,5 mm et d'épaisseur 0,5 mm, dans la mesure où le transducteur a une masse de l'ordre de 0,3 grammes.
En référence à la figure 5, le transducteur 9 est typiquement monté sur un élément porteur 7 par les éléments de positionnement 41, 42 et 43.
L'élément porteur 7 est par exemple un circuit imprimé en résine époxy de type FR-4. Typiquement, la pastille piézoélectrique du transducteur 9 est reliée à un module d'adaptation d'impédance 6, typiquement à 50 Ohms, par des câbles 81 et 82. Des câbles 83 et 84 relient ce module 6 à des points de fixation du circuit 7.
Dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore
La figure 6 représente un dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore selon l'invention.
Un échantillon El à analyser est positionné sur deux transducteurs piézoélectriques 9a et 9b de forme globalement cylindrique, conformes au transducteur des figures 2 et 3.
Typiquement, l'un 9a des transducteurs fonctionne en émetteur et l'autre 9b en récepteur.
Les deux transducteurs 9a et 9b sont agencés pour ne pas pincer entre eux l'échantillon, ce qui augmente le nombre de degrés de liberté de l'échantillon El par comparaison avec des dispositifs de l'état de la technique antérieure tels que ceux décrits dans Gladden 2003 et Hirano 1984.
Le positionnement relatif des deux transducteurs 9a et 9b, en angles et en distance, doit être ajusté en fonction de la taille et de la forme de l'échantillon El .
Dans le cas illustré en figure 6, la direction dans laquelle s'étend l'un 9a des deux transducteurs croise la direction dans laquelle s'étend l'autre 9b transducteur. Autrement dit, l'axe du support cylindrique du transducteur 9a croise l'axe du support cylindrique du transducteur 9b.
Autrement dit, les directions dans lesquelles s'étendent les pointes du transducteur 9a croisent les directions dans lesquelles s'étendent les pointes du transducteur 9b.
En outre, les points de croisement desdites directions sont situés dans le sens dans lequel s'étendent les pointes depuis leur base jusqu'aux points de contact.
De préférence, une masselotte respectivement 5a et 5b est montée sur chacun des éléments porteurs 7a et 7b du côté opposé par rapport au transducteur 9a et 9b respectif. Les masselottes 5a et 5b peuvent être en plomb et peuvent être positionnées et présenter une masse et une forme aptes à stabiliser les transducteurs 9a et 9b par inertie.
Ces masselottes 5a et 5b sont aussi utiles pour réduire les fréquences propres de l'élément porteur 7.
De préférence, les transducteurs piézoélectriques 9a et 9b peuvent être agencés pour émettre et/ou recevoir des ondes acoustiques de fréquences comprises entre 5 kHz et 1 MHz, de préférence comprises entre 1 kHz et 10 MHz, plus préférentiellement comprises entre 100 Hz et 100 MHz.
Procédé de fabrication de la pièce de contact
La pièce de contact 1 est de préférence fabriquée par un procédé mettant en œuvre une étape d'usinage des pointes 10 par électroérosion par fil comportant :
- une première série de lignes de découpe par électroérosion de la pièce de contact 1 parallèles à un premier axe d'érosion,
- une deuxième série de lignes de découpe par électroérosion de la pièce de contact 1 parallèles à un deuxième axe d'érosion, le premier axe d'érosion n'étant pas parallèle au deuxième axe d'érosion.
Dans l'exemple de la figure 1, on voit que la pièce de contact 1 a été usinée avec un deuxième axe d'érosion perpendiculaire au premier axe d'érosion. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple :
- la pièce de contact 1 peut présenter une troncature différente de celle représentée aux figures 1 à 6, ou ne présenter aucune troncature notamment si le support axisymétrique et la pièce de contact sont électriquement conducteurs ;
- le support peut présenter toute forme axisymétrique, par exemple avec des génératrices paraboliques, permettant d'améliorer encore la performance de la première fréquence propre. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Transducteur piézoélectrique (9, 9a, 9b) comprenant une pastille piézoélectrique (2) et une pièce de contact ( 1) empilée sur la pastille piézoélectrique (2), caractérisé en ce que la pièce de contact ( 1) forme des pointes ( 10) dont le sommet respectif constitue des points de contact ( 11) spatialement isolés les uns par rapport aux autres, et en ce qu'il est agencé pour établir un contact mécanique, par l'un au moins des points de contact ( 11), avec un échantillon (El) à analyser.
2. Transducteur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les points de contact ( 11) sont répartis en une surface convexe (SI) .
3. Transducteur piézoélectrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les points de contact ( 11) sont répartis de sorte qu'aucun plan géométrique ne passe à moins de 0,5 pm de plus de trois desdits points de contact.
4. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pointes ( 10) ont une hauteur (D2) comprise entre 1 pm et 10 mm, de préférence comprise entre 20 pm et 3 mm, plus préférentiellement comprise entre 50 pm et 1 mm .
5. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les points de contact ( 11) sont régulièrement espacés entre eux avec un pas (Dl) compris entre 1 pm et 10 mm, de préférence compris entre 20 pm et 3 mm, plus préférentiellement compris entre 50 pm et 1 mm .
6. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pièce de contact ( 1) est en un matériau dont le rapport JTc/dc est supérieur à 1 GPa1/2*cm3/g, de préférence supérieur à 2 GPa1/2*cm3/g, plus préférentiellement supérieur à 2,5 GPa1/2*cm3/g, avec Ec le module de Young et dc la densité de ce matériau .
7. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pièce de contact (1) comprend ou consiste en du diamant polycristallin et/ou du nitrure de bore cubique polycristallin et/ou du béryllium et/ou de l'aluminium et/ou du magnésium.
8. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pièce de contact (1) forme, dans un plan transversal, un disque tronqué radialement.
9. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un support (3, 3b) et en ce que la pastille piézoélectrique (2) est montée entre le support (3, 3b) et la pièce de contact (1).
10. Transducteur piézoélectrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le support (3, 3b) est en un matériau dont le rapport JËs ~/ds est supérieur à 3 GPa1/2*cm3/g, de préférence supérieur à 4 GPa1/2*cm3/g, plus préférentiellement supérieur à 6 GPa1/2*cm3/g, avec Es le module de Young et ds la densité de ce matériau.
11. Transducteur piézoélectrique selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le support (3, 3b) comprend ou consiste en du diamant polycristallin et/ou du nitrure de bore cubique polycristallin et/ou du béryllium et/ou du carbure de silicium et/ou de l'alumine.
12. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le support (3) est axisymétrique.
13. Transducteur piézoélectrique selon la revendication 12, caractérisé en ce que le support (3) cylindrique présente un rapport h/ds compris entre 0,3 et 2, de préférence compris entre 0,4 et 1,5, plus préférentiellement compris entre 0,6 et 1, avec h la hauteur et ds le diamètre de ce support cylindrique.
14. Transducteur piézoélectrique selon la revendication 12, caractérisé en ce que le support (3, 3b) est une sphère (3b) tronquée axialement de manière à former une surface de montage, et en ce que la pastille piézoélectrique (2) est montée sur cette surface de montage.
15. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- un élément porteur (7, 7a, 7b), et
- un ou plusieurs éléments de positionnement (41, 42, 43),
ce ou ces éléments de positionnement (41, 42, 43) reliant le support et l'élément porteur (7, 7a, 7b) et étant en un matériau dont la raideur est inférieure à 200 MPa, de préférence inférieure à 50 MPa, plus préférentiellement inférieure à 10 MPa.
16. Transducteur piézoélectrique selon la revendication 15, caractérisé en ce que le ou les éléments de positionnement (41, 42, 43) sont agencés pour filtrer les fréquences d'ondes acoustiques supérieures à 5 kHz, de préférence supérieures à 1 kHz, plus préférentiellement supérieures à 100 Hz.
17. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il est agencé pour émettre ou recevoir des ondes acoustiques de fréquences comprises entre 5 kHz et 1 MHz, de préférence comprises entre 1 kHz et 10 MHz, plus préférentiellement comprises entre 100 Hz et 100 MHz.
18. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que la pièce de contact (1) comprend au moins neuf pointes (10), de préférence au moins seize pointes (10), plus préférentiellement au moins vingt-cinq pointes (10).
19. Dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore comprenant au moins un transducteur piézoélectrique (9, 9a, 9b) selon l'une quelconque des revendications 1 à 18.
20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend deux transducteurs piézoélectriques (9a, 9b) selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, et en ce que les directions dans lesquelles s'étendent les pointes de l'un (9a) desdits deux transducteurs piézoélectriques sont :
- parallèles, ou
- croisent les directions dans lesquelles s'étendent les pointes de l'autre (9b) desdits deux transducteurs piézoélectriques, les points de croisement desdites directions étant situés dans le sens dans lequel s'étendent les pointes depuis leur base jusqu'aux points de contact.
21. Procédé de fabrication d'une pièce de contact (1) pour transducteur piézoélectrique (9, 9a, 9b) selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'usinage des pointes (10) par électroérosion par fil.
22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que l'étape d'usinage des pointes (10) comprend :
- une première série de lignes de découpe par électroérosion de la pièce de contact (1) parallèles à un premier axe d'érosion,
- une deuxième série de lignes de découpe par électroérosion de la pièce de contact (1) parallèles à un deuxième axe d'érosion,
le premier axe d'érosion n'étant pas parallèle au deuxième axe d'érosion.
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