EP3670004A1

EP3670004A1 - Transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif à large bande passante

Info

Publication number: EP3670004A1
Application number: EP19218531.2A
Authority: EP
Inventors: Anne Ghis; Marc Delaunay
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2018-12-23
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2020-06-24
Also published as: FR3090421B1; US11039255B2; FR3090421A1; US20200374636A1

Abstract

L'invention porte sur un transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif (1), comprenant :-un support (13) avec une cavité (14) est ménagée ;-une membrane vibrante (11) fixée au support (13) et recouvrant la cavité (14) ;-un élément conducteur (101) séparé de la membrane (11) par la cavité (14) ;-caractérisé en ce que :-la membrane vibrante (11) présente une fréquence de résonance en mode membrane fm et une fréquence de résonance en mode plaque vérifiant la relation fm>fp ;-un circuit d'excitation (2) a des bornes connectées entre la membrane vibrante (11) et l'élément conducteur (101), et configuré pour appliquer entre ses bornes un signal électrique dont la fréquence maximale fo vérifie la relation fm> 1,5<sup>∗</sup>fo; ou-un circuit de mesure (3) est connecté entre la membrane vibrante (11) et l'élément conducteur et configuré pour mesurer les variations de capacité jusqu'à une fréquence fo.

Description

L'invention concerne les transducteurs acoustiques dans la gamme des ultrasons, et en particulier de tels transducteurs à membrane vibrante à effet capacitif.
Les ultrasons sont des ondes de pression dont la plage de fréquences débute à 20 KHz et s'étend jusqu'à quelques dizaines de MHz. Les ultrasons se propagent à une vitesse dépendant du milieu de propagation, environ 343m/s dans l'air, et 1500m/s dans l'eau. Les ondes qui se propagent subissent une absorption, qui est d'autant plus importante que leur fréquence est élevée. Par ailleurs, lorsque l'onde rencontre une discontinuité dans le milieu de propagation une partie de l'onde seulement est transmise, et l'autre partie est réfléchie.
Différentes applications utilisent des transducteurs ultrasonores en vue de :

créer une absorption d'ondes ultrasonores, par exemple pour un échauffement localisé de matière ;
pour l'émission et la réception d'ondes par exemple pour une application de transmission d'informations;
pour l'analyse de la réflexion d'ondes sur des obstacles par exemple pour une application de télémétrie.

Pour de telles applications, il existe un besoin croissant de transducteurs électroacoustiques miniaturisés pour une propagation ultrasonore en milieu fluide. Dans un fluide, une onde acoustique est générée par le mouvement d'une surface mobile. Au niveau de la surface mobile, l'intensité acoustique de la source est égale à l'impédance du milieu multipliée par le carré de la vitesse de la surface mobile. Pour une fréquence donnée, plus l'amplitude des mouvements de la surface mobile du transducteur est élevée, plus la source est intense.
Pour des applications miniaturisées, les transducteurs à membrane vibrante se développent. De tels transducteurs incluent des membranes, suspendues au-dessus de cavités, ménagées dans un support ou ouvertes. Le diamètre des cavités circulaires est généralement compris entre quelques dizaines et quelques centaines de microns. L'épaisseur de telles membranes est généralement supérieure à 50-100nm et jusqu'à plusieurs microns. Les fréquences de résonance du dispositif complet dépendent de la géométrie de l'ensemble et des matériaux.
Un cas particulier de transducteur à membrane vibrante est le transducteur à membrane vibrante à effet capacitif. La membrane d'un émetteur est par exemple soumise à une force électrostatique par application d'une différence de potentiel alternative entre cette membrane et une électrode conductrice logée dans le fond de la cavité. Pour un détecteur, la valeur de la capacité formée entre la membrane et l'électrode logée au fond de la cavité est déterminée à chaque instant par la déformation de la membrane, et donc par la pression incidente instantanée sur la membrane. La détection se fait en mesurant les variations de cette capacité.
Le déplacement de la membrane est maximal à la fréquence de résonance de cette membrane. L'intensité d'émission est donc maximale à la fréquence de résonance de sa membrane. Il en est de même pour la détection d'une onde : la sensibilité d'un capteur est maximale à la fréquence de résonance de sa membrane.
Les transducteurs ultrasonores sont donc généralement associés à une fréquence de fonctionnement optimale qui est déterminée par la résonance de leur membrane. Le coefficient de qualité du résonateur mécanique incluant la membrane détermine la bande passante du transducteur. Une largeur de bande est classiquement délimitée par les fréquences correspondant à une diminution de moitié de l'intensité acoustique par rapport à la résonance, de part et d'autre de cette fréquence de résonance. Les bandes passantes les plus larges peuvent être du même ordre de grandeur que la fréquence de résonance : par exemple, un transducteur de fréquence de résonance de 1MHz avec une largeur de bande de 600kHz, soit une bande passante de 700kHz à1300kHz, est considéré comme un transducteur large bande. En dehors de la bande passante, les amplitudes de vibration peuvent être inférieures de plusieurs ordres de grandeur aux amplitudes à la résonance.
Ce mode de fonctionnement résonnant implique que chaque application nécessite un transducteur spécifique, du fait de fréquences ultrasonores très différentes ne pouvant être couvertes par un même transducteur : la détection d'obstacle est réalisée typiquement à 40kHz avec une portée de quelques mètres dans l'air, la capture de gestes est réalisée entre 100kHz et 400Khz avec une portée de quelques dizaines de centimètres dans l'air, la détection d'empreintes digitales est réalisée entre 1MHz et 10MHz avec une portée millimétrique dans un milieu inhomogène, et l'imagerie médicale ultrasonore utilise des fréquences entre 5MHz et 50MHz en milieu type aqueux.
Le document WO2012010786 propose un transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif. Dans ce transducteur, une cavité d'un support est maintenue sous vide sous une membrane. Le document propose de faire fonctionner le transducteur à une fréquence inférieure à la fréquence de résonance et de considérer une plage de fréquences opérables plus large, avec des performances variables selon la fréquence opérée.
Il existe donc un besoin pour des conceptions de transducteurs ayant des bandes de fréquence d'utilisation plus larges. Par ailleurs, pour les applications de télémétrie, il existe un besoin de minimiser la zone aveugle à leur proximité.
L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif, tel que défini dans les revendications annexées.
L'invention porte également sur les variantes des revendications dépendantes. L'homme du métier comprendra que chacune des caractéristiques des revendications dépendantes et de la description peut être combinée indépendamment aux caractéristiques d'une revendication indépendante, sans pour autant constituer une généralisation intermédiaire.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

[Fig.1] est une vue en coupe schématique selon un plan vertical d'un exemple de transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif selon un mode de réalisation de l'invention ;
[Fig.2] est une vue en coupe schématique selon un plan vertical d'un exemple de transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
[Fig.3] est une vue en coupe schématique selon un plan vertical d'un exemple de transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
[Fig.4] est une vue en coupe schématique selon un plan vertical d'un exemple de transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
[Fig.5] est une vue en coupe schématique selon un plan horizontal d'une matrice de transducteurs ultrasonores selon le mode de réalisation de la figure 4;
[Fig.6] est une vue en coupe schématique selon un plan vertical d'un exemple de transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
[Fig.7] est un diagramme illustrant des résultats de mesure d'amplitudes de vibration dans l'air d'une membrane pour différentes tensions d'excitation.

La figure 1 est une vue en coupe schématique selon un plan vertical d'un exemple de transducteur 1 de type ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le transducteur 1 comprend un support 13 dans lequel une cavité 14 est ménagée. La cavité 14 est par exemple cylindrique. Dans l'exemple illustré, le support 13 inclut notamment un substrat 131 sous forme de plaque, et une couche de diélectrique 132 également sous forme de plaque. Dans l'exemple illustré, le support 13 inclut également un élément conducteur 101. Le substrat 131 et la couche de diélectrique 132 sont ici fixés à l'élément conducteur 101. La couche de diélectrique 132 comporte un alésage définissant les parois latérales de la cavité 14. La profondeur d'alésage de la cavité 14 est inférieure à la hauteur de la couche 132 ou de l'ensemble des deux couches 132 et 102. Le fond 141 de la cavité 14.est ainsi avantageusement délimité par une couche de diélectrique 15. Une partie de l'élément conducteur 101 est ainsi logée sous la cavité 14, sous la couche de diélectrique 15
Une membrane vibrante 11 est fixée au support 13 et recouvre la cavité 14. La membrane 11 présente une face supérieure externe 113 et une face inférieure interne 114. La membrane 11 est disposée en vis-à-vis de l'élément conducteur 101. La membrane 11 et l'élément conducteur 101 sont séparés par la cavité 14 et la couche de diélectrique 15.
Dans l'exemple illustré, la membrane 11 est fixée à la couche de diélectrique 132 du support 13 par l'intermédiaire d'une électrode 102. Comme détaillé par la suite, l'électrode 102 n'est qu'un composant optionnel pour exciter la membrane 11. L'électrode 102 se présente ici sous la forme d'une plaque. L'électrode 102 est ici fixée sur une face supérieure de la couche de diélectrique 132 et présente une forme similaire à celle-ci en étant traversée par un même alésage. L'électrode 102 est en contact électrique avec la membrane 11 en périphérie de la cavité 14.
L'élément conducteur 101 forme une électrode du transducteur 1. Un circuit d'excitation 2 a ses bornes connectées d'une part à l'électrode 102 et d'autre part à l'élément conducteur 101. Par l'application d'un potentiel alternatif entre ses bornes, le circuit d'excitation 2 permet de créer un champ électrique entre la membrane 11 et l'élément conducteur 101, ce qui soumet la membrane 11 à une force électrostatique et provoque son fléchissement. Le transducteur 1 est donc à effet capacitif.
En régime linéaire, le déplacement d du centre de la membrane 11 selon une direction normale à son plan au repos est proportionnel à la force appliquée F et au module de rigidité de la membrane : F = D ^∗ d
Pour une membrane 11 formant une plaque, en l'absence de tension : $D = E * h^{3} / 12 * (1 - η^{2})$

avec E le module de Young et η le coefficient de Poisson du matériau de la membrane 11 et h son épaisseur.
Dans la mécanique des vibrations, la théorie permet de distinguer des comportements vibratoires différents selon la géométrie et la réalisation de la membrane vibrante 11.
Pour simplifier, on peut tout d'abord analyser des objets unidimensionnels différents, tels qu'une poutre et une corde. Une poutre aura un comportement et une fréquence de résonance principalement déterminés par sa géométrie (sa longueur et sa section) et le module de Young du matériau qui la compose. Le comportement d'une corde, lui, sera essentiellement défini par sa tension. Plus la corde est tendue, plus sa fréquence de résonance est élevée.
De même, pour des objets bidimensionnels, on rencontre à la fois :

un comportement de type plaque, déterminé par la géométrie de l'objet et son matériau. Une fréquence de résonance fp est associée à ce comportement ;
un comportement de type membrane, principalement défini par la tension dans l'objet. Une autre fréquence de résonance fm est associée à ce comportement.

La fréquence de résonance de l'objet est la somme quadratique des fréquences de résonance régie par chacun de ces deux comportements.
Pour un objet circulaire de rayon R encastré sur sa périphérie, la fréquence de résonance fr se définit par la relation : $fr (R) = \sqrt ({fm}^{2} (R) + {fp}^{2} (R))$
La fréquence de résonance fm en mode membrane peut notamment se définir dans ce cas par la relation suivante, avec T la tension de l'objet (en N/m) et s sa densité surfacique (en kg/m²) : $fm = \frac{2.405}{2 π * R} * \sqrt (T / S)$
La fréquence de résonance fp en mode plaque peut notamment se définir dans ce cas par la relation suivante, avec p la masse volumique de l'objet circulaire (en kg/m³) : $fp = \frac{11.84}{R^{2}} * \sqrt (E * h^{2} / ρ)$
L'homme du métier saura définir empiriquement ou analytiquement les fréquences de résonance fp et fm pour d'autres géométries de membranes vibrantes.
Selon un aspect préférentiel de l'invention, la membrane vibrante 11 du transducteur 1 vérifie la relation suivante : fm>fp. De préférence, la membrane vibrante 11 du transducteur 1 vérifie la relation suivante : fm>1,5^∗fp, et encore plus préférentiellement fm>2,5 ^∗fp. La membrane vibrante 11 du transducteur 1 a donc un mode membrane prépondérant par rapport à son mode plaque. Avantageusement, en satisfaisant cette inéquation, on peut se placer dans un mode où la membrane présente un déplacement significatif loin de la résonance, c'est-à-dire en mode linéaire.
Selon l'invention, le circuit d'excitation 2 est configuré pour appliquer entre ses bornes un signal dont les composantes fréquentielles sont inclues dans l'intervalle de fréquences [0-fo], fo vérifiant la relation f0<fr, et de préférence fo<0.66^∗fr (soit fr>1.5^∗fo). Donc on en déduit f0<fr<fm. Ainsi, la membrane 11 est excitée à une fréquence nettement inférieure à sa fréquence de résonance en mode membrane, les déplacements de la membrane ne sont pas provoqués par un phénomène de résonance, mais par un mécanisme d'oscillations forcées, ce qui permet de disposer d'une large plage de fréquences d'excitation opérables, depuis les très basses fréquences (quelques Hz) jusqu'à 0.66^∗fr, sur laquelle les performances sont constantes. Un même transducteur 1 peut ainsi être utilisé pour de nombreuses applications différentes. L'utilisation d'oscillations forcées permet aussi de générer des impulsions courtes, contrairement à des excitations résonantes, et donc, pour les applications de télémétrie par exemple, de minimiser la zone aveugle. L'utilisation d'oscillations forcées permet également d'augmenter la puissance d'excitation à fréquence constante. Avantageusement, le circuit d'excitation 2 est configuré pour appliquer entre ses bornes un signal d'excitation avec une fréquence maximale fo vérifiant la relation fr>f0, et avantageusement fr> 1,5^∗fo
Avantageusement, le circuit d'excitation 2 est configuré pour appliquer entre ses bornes un signal tel que le rapport entre la puissance électrique totale appliquée entre ces bornes et la puissance électrique appliquée sur une gamme fréquentielle comprise entre 0,9 ^∗ fr et 1,1 ^∗ fr est au moins égal à 10. Ainsi, l'essentiel de la puissance d'excitation est appliqué en dehors de la plage de résonance.
Le diagramme de la figure 7 illustre des résultats de mesure d'amplitudes de vibration dans l'air d'une membrane pour différentes tensions d'excitation. Une membrane au-dessus d'une cavité de 2µm a été excitée à fo=5Hz pour différentes tensions d'excitation. La résonance fondamentale de ce type de membrane se situe à des fréquences entre 20MHz et 30MHz. La courbe en trait continu correspond à une tension d'excitation de 16 V, la courbe en trait discontinu correspond à une tension d'excitation de 12V, la courbe en pointillés correspond à une tension d'excitation de 8V, et la courbe en tiret-point correspond à une tension d'excitation de 4V. Les amplitudes de déformation à 5 Hz sont donc en mode oscillations forcées, et ces amplitudes augmentent avec la tension d'excitation, comme le montre ce diagramme. Des amplitudes de quelques dizaines de nanomètres ont été obtenues pour un diamètre de cavité de 2 µm. Ces très grandes déformations hors résonance permettent de générer des ultrasons.
Des ultrasons ont été émis expérimentalement entre 20 kHz et 140 kHz par des membranes de 15 nm d'épaisseur suspendues au-dessus de cavités circulaires de 10µm de diamètre.
Les composants du transducteur 1 peuvent présenter les dimensions et compositions suivants :

l'élément conducteur 101 peut par exemple présenter une épaisseur comprise entre 150 et 250nm, par exemple 200nm. L'élément conducteur 101 peut par exemple être réalisé en tungstène, en aluminium, en titane, en Cuivre, en or, ou en une combinaison de ces matériaux ;
la couche de diélectrique 132 peut par exemple présenter une épaisseur comprise entre 0,8 et 1,25 µm, par exemple 1 µm. La couche de diélectrique 132 peut par exemple être réalisée en SiO₂ ;
le substrat 131 peut par exemple être réalisé en verre, en quartz, en alumine, en silicium recouvert d'une couche diélectrique ou encore en SiN ;
la cavité 14 peut présenter un diamètre compris entre 5 et 50µm, par exemple 10 µm (définissant la longueur suspendue de la membrane 11) ;
l'électrode 102 peut par exemple présenter une épaisseur comprise entre 80 et 150nm, par exemple 100nm. L'électrode 102 peut par exemple être réalisée en tungstène, en aluminium, en titane, en Cuivre, en or, ou tout autre matériau ou alliage conducteur. L'électrode 102 peut être formée par un dépôt d'un matériau conducteur sur un support isolant ;
la membrane 11 peut par exemple présenter une épaisseur comprise entre 5 et 25nm, par exemple 10nm. La membrane 11 peut par exemple présenter une couche de carbone amorphe. La membrane 11 peut être fixée au support 13 sans précontrainte en tension.

Avantageusement, la membrane 11 présente une épaisseur au plus égale à 100nm. La membrane 11 peut avantageusement être prévue pour vibrer dans la cavité 14 sur une amplitude d'au moins 5% de la longueur suspendue et inférieure à la profondeur de la cavité.
On pourra réduire le diamètre de la cavité 14 afin d'augmenter la fréquence de résonance de la membrane 11.
Une force électrostatique continue ou très basse fréquence peut être appliquée par le circuit d'excitation 2 pour imposer une tension mécanique initiale sur la membrane vibrante 11. Le circuit d'excitation 2 appliquera alors une différence de potentiel entre l'électrode 102 et l'élément 101 avec une composante continue ou très basse fréquence (par exemple au plus égale à 50Hz), de façon entre autres à pouvoir moduler la sensibilité et la dynamique du transducteur 1.
La figure 2 est une vue en coupe schématique selon un plan vertical d'un exemple de transducteur 1 de type ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le transducteur 1 comprend un support 13, un élément conducteur 101, une électrode 102 et une membrane 11 identiques à ceux du premier mode de réalisation. Dans cet exemple, un circuit de mesure 3 est connecté électriquement entre la membrane 11 et l'élément conducteur 101 (par l'intermédiaire du via de connexion 103).
Le circuit de mesure 3 mesure les déplacements de charge liés à la variation instantanée de capacité entre l'électrode 102 et élément 101, induite par les vibrations de la membrane 11.
Le circuit de mesure 3 pourra également appliquer une différence de potentiel entre l'électrode 102 et l'élément 101 avec une composante continue ou très basse fréquence (par exemple au plus égale à 50Hz), de façon à pouvoir moduler la sensibilité et la dynamique du transducteur 1.
On peut également envisager de connecter un circuit d'excitation 2 et un circuit de mesure 3 tels que décrits précédemment entre la membrane 11 et l'élément conducteur 101. La connexion du circuit d'excitation 2 et du circuit de mesure 3 peut être mise en œuvre de façon sélective et indépendante par des interrupteurs respectifs. Il est alors possible de traiter indépendamment l'émission et la réception d'un signal acoustique, par exemple pour mettre en œuvre un mode télémétrie.
La figure 3 est une vue en coupe schématique selon un plan vertical d'un exemple de transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Le transducteur 1 comprend un circuit d'excitation 2 (et peut comprendre un circuit de mesure 3 en supplément ou en remplacement), un élément conducteur 101, une électrode 102 et une membrane 11 identiques à ceux du premier mode de réalisation. Dans cet exemple, le support 13 comporte au moins un conduit 104 mettant en communication l'intérieur de la cavité 14 avec l'extérieur du transducteur. Les conduits 104 permettent de mettre en communication la cavité 14 du transducteur 1 (et donc la face interne 114 de la membrane 11) avec la face externe 113 de la membrane 11. On peut ainsi équilibrer les pressions entre les faces 113 et 114 de la membrane 11 et assurer que toutes les cavités sont à la même pression, dans ce cas la pression atmosphérique. Les conduits 104 peuvent également être remplacés par des rainures en surface supérieure de la couche de diélectrique 132.
La figure 4 est une vue en coupe schématique selon un plan vertical d'un exemple de transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. Dans cet exemple, la membrane 11 inclut plusieurs couches superposées en matériaux différents. La membrane 11 inclut ainsi une superposition d'une couche 111 et d'une couche 112 en des matériaux différents. La couche 111 est par exemple formée en matériau conducteur tel que du Titane. La couche 111 peut par exemple présenter une épaisseur comprise entre 3 et 7 nm, typiquement de 5 nm. La couche 112 est par exemple formée en Carbone amorphe. La couche 112 peut par exemple présenter une épaisseur comprise entre 8 et 12 nm, typiquement de 10 nm. Une telle configuration s'avère optimale pour favoriser d'une part l'effet capacitif par l'utilisation de la couche conductrice 111, et d'autre part pour favoriser la souplesse et la ténacité de la membrane 11 par l'utilisation de la couche 112.
Dans les différents exemples, si la membrane 11 inclut une couche conductrice, on peut se dispenser d'interposer une électrode 102 entre cette membrane 11 et les circuits auxquels elle est connectée. En particulier, le mode de réalisation qui suit décrit une membrane 11 incluant une combinaison d'une couche conductrice et d'une couche choisie pour ses propriétés mécaniques : on peut se dispenser de l'électrode 102 par une connexion directe d'un circuit à la couche conductrice. Cela correspond à l'exemple de la figure 6, reprenant la membrane 11 décrit en référence à la figure 5.
La figure 5 est une vue en coupe schématique selon un plan horizontal d'une matrice de transducteurs ultrasonores 1 selon le mode de réalisation de la figure 4. Les transducteurs peuvent être disposés selon une matrice de 500 par 500 transducteurs 1 selon deux axes perpendiculaires. Une matrice correspondante de cavités 14 est ainsi ménagée dans une couche commune de diélectrique 132. Les cavités 14 d'une même colonne de transducteurs 1 sont mises en communication par l'intermédiaire de conduits 109. Aux extrémités de la matrice, les transducteurs 1 sont mis en communication avec l'extérieur par des conduits 104. Ainsi, chaque transducteur 1 a sa cavité en communication avec la face externe de sa membrane par l'intermédiaire des conduits 104 et 109 le cas échéant. Une même membrane 11 peut être utilisée pour recouvrir l'ensemble des cavités 14.
La pression dans les cavités 14 peut également être différente de la pression environnante. Un scellement en périphérie peut ainsi être mis en œuvre, si les différentes cavités 14 de la matrice sont mises en communication entre elles.
Afin de pouvoir orienter le faisceau d'émission ou de réception, un réseau de transducteurs 1 peut comporter une pluralité d'éléments conducteurs 101 (par exemple disposés en parallèle) et/ou une pluralité d'électrodes 102 (par exemple en parallèle. On peut par exemple former une pluralité de voies. Des éléments conducteurs 101 parallèles peuvent être positionnés perpendiculairement aux électrodes 102 parallèles. Des éléments de réseau sont ainsi délimités par la superposition d'une électrode 102 et d'un élément conducteur 101 et adressables individuellement. Le pas entre les éléments conducteurs de 101 ou 102 peut être réduit au pas du réseau de transducteurs élémentaires. Un diamètre de transducteur élémentaire réduit à 10 µm avec un pas de 15µm permet par exemple de réaliser de la formation de faisceau (beam forming en langue anglaise) jusqu'à plus de 10 MHz dans l'air.

Claims

[Transducteur ultrasonore à membrane vibrante à effet capacitif (1), comprenant :
- un support (13) dans lequel au moins une cavité (14) est ménagée ;

- une membrane vibrante (11) fixée au support (13) et recouvrant la cavité (14) ;

- un élément conducteur (101) séparé de la membrane (11) par la cavité (14) ;

- caractérisé en ce que :
- la membrane vibrante (11) présente une fréquence de résonance en mode membrane fm et une fréquence de résonance en mode plaque fp vérifiant la relation fm>fp ;

- un circuit d'excitation (2) a des bornes connectées entre la membrane vibrante (11) et l'élément conducteur (101), et configuré pour appliquer entre ses bornes un signal électrique dont la fréquence maximale fo vérifie la relation fr> fo, fr étant la fréquence de résonance de la membrane; et/ou

- un circuit de mesure (3) est connecté entre la membrane vibrante (11) et l'élément conducteur et configuré pour mesurer les variations de capacité jusqu'à une fréquence fr>fo.
Transducteur ultrasonore (1) selon la revendication 1, dans lequel la membrane vibrante (11) est configurée pour vérifier la relation fm>1,5 ^∗fp.
Transducteur ultrasonore selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un circuit d'excitation (2) a des bornes connectées entre la membrane vibrante (11) et l'élément conducteur (101), et configuré pour appliquer entre ses bornes un signal électrique de sorte que le rapport entre la puissance électrique totale appliquée entre ces bornes et la puissance électrique appliquée sur une gamme fréquentielle comprise entre 0,9 ^∗ fr et 1,1 ^∗ fr est au moins égal à 10.
Transducteur ultrasonore (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un circuit d'excitation (2) a des bornes connectées entre la membrane vibrante (11) et l'élément conducteur (101), et configuré pour appliquer entre ses bornes un signal électrique avec la fréquence maximale fo vérifiant la relation fr> 5^∗fo.
Transducteur ultrasonore (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit support (13) met en communication une face externe (113) de la membrane avec la cavité (14) délimitée par une face interne (114) de la membrane.
Transducteur ultrasonore (1) selon la revendication 5, dans lequel une matrice de cavités (14), incluant ladite cavité, est ménagée dans le support (13), plusieurs desdites cavités étant en communication (109), un élément conducteur respectif (101) étant logé sous chacune desdites cavités (14), le transducteur ultrasonore comprenant une matrice de membranes vibrantes (11), incluant ladite membrane vibrante, et telles que définies à la revendication 1 et recouvrant des cavités respectives.
Transducteur ultrasonore (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite membrane (11) présente une épaisseur au plus égale à 100nm.
Transducteur ultrasonore (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite membrane (11) est une combinaison de plusieurs couches de matériaux différents (111, 112).
Transducteur ultrasonore (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite membrane inclut une couche de carbone amorphe (112).
Transducteur ultrasonore (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite membrane inclut une couche de titane (111).
Transducteur ultrasonore (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une électrode (102) en contact électrique avec la membrane et avec le circuit d'excitation (2) ou le circuit de mesure (3) le cas échéant.
Transducteur ultrasonore (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un circuit d'excitation (2) ou un circuit de mesure (3) a des bornes connectées entre la membrane vibrante (11) et l'élément conducteur (101), le circuit d'excitation (2) ou le circuit de mesure(3) étant en outre configuré pour appliquer une différence de potentiel avec une composante continue ou une composante à une fréquence inférieure à 50 Hz.