EP4576067A1 - Dispositif pour recréer un effet de réverbération sonore et doté d'un ressort mems - Google Patents

Dispositif pour recréer un effet de réverbération sonore et doté d'un ressort mems Download PDF

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EP4576067A1
EP4576067A1 EP24219157.5A EP24219157A EP4576067A1 EP 4576067 A1 EP4576067 A1 EP 4576067A1 EP 24219157 A EP24219157 A EP 24219157A EP 4576067 A1 EP4576067 A1 EP 4576067A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mems
input
transducer
output
spring
Prior art date
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Pending
Application number
EP24219157.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Romain LIECHTI
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/08—Arrangements for producing a reverberation or echo sound
    • G10K15/10—Arrangements for producing a reverberation or echo sound using time-delay networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices

Definitions

  • a well-known effect is that of the reverberation naturally present in concert halls, recording studios, and other performance venues, places in which the walls will reflect the incident acoustic waves with a loss in amplitude which depends on the type of materials used.
  • reflected acoustic waves will be juxtaposed and arrive with a certain delay at the listeners (or sound capture systems), thus creating an immersive sound experience.
  • echo chambers were developed at the beginning of the 20th century to reproduce reverberation in small spaces (recording studios, radio studios, etc.).
  • the devices described above could be replaced by entirely electronic delay lines transmitting the analog signal with a delay of up to several milliseconds.
  • the incoming electrical signal is transmitted on one of the blades of the input electromechanical transducer, while said incoming electrical signal is transmitted in phase opposition on the other blade of said transducer.
  • the MEMS cells have dimensions that are a function of their position along the MEMS spring.
  • the device further comprises at least one hermetic housing in which the support structure, the input and output transducers and the MEMS spring are housed, the pressure inside the housing being advantageously between 0.1 Pa and 100 Pa.
  • the present invention aims in particular to propose a miniaturized spring reverberation device of the MEMS type.
  • FIG. 1 represents an exploded view of a device 100 recreating a reverberation effect, and which comprises a hermetic housing 11 composed of a cover 111, preferably transparent, said cover covering a printed circuit 112, a MEMS component 12.
  • the MEMS component 12 which is not shown as a whole on the Figure 1 for readability, comprises a structure 121, a MEMS spring 122, two transducers 123 and 124, each connected respectively to one end 1222-1223 of the MEMS spring 122 by means of a joint 125.
  • the MEMS spring 122 is composed of a plurality of MEMS 1221 cells, one of which is shown with hatching on the Figure 1 .
  • the transducers 123 and 124 respectively comprise two piezoelectric blades 1231-1232 and 1241-1242.
  • the blades 1231-1232 and 1241-1242 are made of lead zirconate titanoates (PZT).
  • the printed circuit 112 comprises in particular an input connector 1121, for transmitting an input signal called a “source” signal to the device 100, an output connector 1122 for transmitting a “reverberated” output signal, this reverberated signal typically being transmitted to an external system such as a sound reproduction or recording system.
  • the “source” signal is an electrical signal, itself resulting from a conversion or transduction of a sound signal to which it is desired to add the reverberation effect.
  • the transducer 123 is configured to convert an input electrical signal into a mechanical vibration that propagates along the MEMS spring 122, and the transducer 124 is used to convert the mechanical vibrations propagating in the MEMS spring 122 into an output electrical signal, the latter signal comprising several components related to the multiple echoes generated within the MEMS spring 122.
  • the transducer 123 is configured to set the joint 125 into rotational movement, preferably in proportion to the input electrical signal.
  • the transducers 123 and 124 can be used in differential mode, i.e. with a phase shift of +/- ⁇ between the blades 1231-1232 and 1241-1242, or in common mode, i.e. with a zero phase shift between the blades 1231-1232 and 1241-1242.
  • differential mode i.e. with a phase shift of +/- ⁇ between the blades 1231-1232 and 1241-1242
  • common mode i.e. with a zero phase shift between the blades 1231-1232 and 1241-1242.
  • the separation of common and differential modes can be implemented both at the input and at the output of the device 100.
  • the transducers 123 and 124 act as terminating impedances.
  • the mechanical torsional impedances of the transducers 123 and 124 are preferably different from the characteristic mechanical impedance of said spring.
  • FIG. 2 represents a perspective view of the device 100 and when the housing 11 is completely closed.
  • the MEMS component 12 is not represented as a whole on the Figure 2 ,
  • the interior volume of the housing is filled with a gas at a given pressure to minimize thermoviscous losses.
  • the quality factor Q which is defined as the ratio between the maximum energy contained in a MEMS 1221 cell and the energy dissipated by this same cell over an oscillation period, increases.
  • the quality factor Q of a MEMS 1221 cell be greater than 100.
  • the printed circuit 112 has a thickness e112 of 600 ⁇ m, a length L112 of less than 10 mm, a width 1112 of the order of 5 mm, and the cover 111 has a thickness e111 of at least 1 mm.
  • the device 100 is therefore extremely compact and very light, in comparison with existing reverberation systems which typically use springs having a length of several tens of centimeters.
  • the device 100 also has the particularity of requiring only low power consumption, in comparison with simulated spring reverberations which require powering a digital signal processor ( DSP ) .
  • DSP digital signal processor
  • the design of the device 100 makes it possible to obtain a high quality factor.
  • the device 100 can be directly integrated into sound production systems, such as musical instruments, guitar or bass amplifiers but also acoustic speakers, or as an additional sound effect in effects pedals.
  • sound production systems such as musical instruments, guitar or bass amplifiers but also acoustic speakers, or as an additional sound effect in effects pedals.
  • FIG. 3A represents a top view of the MEMS component 12.
  • the joints 125 comprise a connecting rod 125a connecting together a free edge of the blade 1231 with a free edge of the other blade 1232, or a free edge of the blade 1241 with a free edge of the other blade 1242, as well as an embedding rod 125b connecting the support structure 121 to the connecting rod 125a.
  • the free edge of the blades is a side edge.
  • the MEMS spring 121 comprises a number n of MEMS cells 1221, one of which is delimited on the Figure 3A by dotted lines.
  • the MEMS cell 1221 is formed from one or more rectangular or square shaped ripples. Each ripple may be formed as in the Figure 3A , of a succession of first bands which extend in a first direction and connected together two by two by second bands in a second direction orthogonal to the first direction.
  • a band width W p an interband space i t between two first bands and a half-width L p of the first bands are defined.
  • the MEMS cell 1221 has a total length L cell which corresponds to two round trips or two successive undulations, as can be seen in the Figure 3A .
  • the MEMS cell 1221 is defined by a thickness t m (not shown here).
  • the ends 1222 and 1223 of the MEMS spring 121 are characterized respectively by a length L ai and a length L ao .
  • the MEMS cell 1221 is formed from a succession of triangular undulations, as shown in Figure 3B .
  • FIG. 4 represents a top view of the transducer 123 and the joint 125.
  • the following description of the Figure 4 is also valid for the transducer 124.
  • the pentagonal shape of the blades 1231 and 1232 makes it possible to lighten the structure and therefore to increase the resonance frequency of these elements in order to broaden the bandwidth.
  • This pentagonal shape is defined by a base width W a , a top width W a1 which is less than the base width W a , a height L a , and a partial height L a1 .
  • table 2 summarizes the possible dimensions of the transducers 123 and 124 and of the articulation 125.
  • FIG. 5 represents a graph 300 of an output signal 30 of an impulse response obtained by means of the device 100.
  • an impulse signal is used to illustrate the reverberation effect generated by the device 100.
  • the abscissa axis represents the time scale t, ranging from 0 to 200 ms, and the ordinate axis represents the relative voltage V out of the output signal 30.
  • the first delay d 0 corresponds to the propagation time of the signal through the MEMS spring 122
  • the second delay d e corresponds to the delay between two successive echoes 3021 and 3022.
  • FIG. 6 in (A) represents the transducer 123 in its equilibrium position. In this position, the blades 1231 and 1232 are aligned and do not exhibit any deformations linked to vibrations.
  • FIG. 6 in (B) represents the transducer 123, when it vibrates in a so-called “differential” mode, which corresponds to the propagation in the MEMS spring 122 of a torsion wave.
  • the blades 1231 and 1232 then oscillate in phase opposition around their equilibrium position, seen in (A) and shown diagrammatically by a dotted line representing a z ordinate axis.
  • FIG. 6 in (C) represents the transducer 123, when it vibrates in a so-called “common” mode, that is to say a mode where the blades 1231 and 1232 oscillate in phase around their equilibrium position, also shown here by a dotted line representing a z-axis.
  • the same potential difference is also applied to the blades 1231 and 1232.
  • this corresponds to the propagation of a combination of a longitudinal and bending wave
  • FIG. 7 represents an electrical diagram 500 of an analog processing assembly 50 comprising differential amplifiers 51 for extracting certain components of the signal produced by the device.
  • This assembly makes it possible to use, for example, only the differential vibration mode of the transducer 124, in order to retain only the component of the signal coming from the torsion mode of the MEMS spring 122.
  • the analog processing assembly 50 comprises two inputs receiving the signals Vlin and V2in coming respectively from the mechanical electrical conversions at the blades 1241 and 1242 of the transducer 124.
  • an output signal Vout is obtained, as shown in Figure 5 .
  • the analog processing assembly 50 includes a gain, represented on the electrical diagram 500 by a resistor Rgain and which allows a user to modify the contribution of the torsional and flexural modes present in the MEMS spring 122 when it vibrates.
  • FIG. 8A A possible starting structure is illustrated in the Figure 8A , with a plate (“wafer” according to English terminology) of the BESOI type (for “bonding and etch back silicon-on-insulator”, i.e. silicon on insulator bonded and etched on the rear face), comprising two superimposed semi-conductor layers 202, 204, for example made of silicon, here separated by a typically insulating separation layer and for example of silicon oxide 203.
  • the BESOI type for “bonding and etch back silicon-on-insulator”, i.e. silicon on insulator bonded and etched on the rear face
  • two superimposed semi-conductor layers 202, 204 for example made of silicon, here separated by a typically insulating separation layer and for example of silicon oxide 203.

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Abstract

Dispositif (100) micro-électromécanique de distorsion d'un signal électrique pour recréer un effet de réverbération sonore comportant :
- un connecteur d'entrée (1121) pour un signal électrique entrant ;
- un connecteur de sortie (1122) pour un signal électrique sortant ;
- un transducteur électromécanique d'entrée (123) couplé au connecteur d'entrée (1121) ;
- un transducteur électromécanique de sortie (124) couplé au connecteur de sortie (1122) ;
- une structure (121) de support ;
- ledit dispositif étant doté d'un ressort MEMS (122) comportant une première extrémité (1222), une seconde extrémité (1223) , la première extrémité et la deuxième extrémité étant reliées respectivement au transducteur électromécanique d'entrée (123) au moyen d'une articulation (125) au transducteur électromécanique de sortie (124) au moyen d'une autre articulation (125), le transducteur électromécanique d'entrée (123), le transducteur électromécanique de sortie (124) et les articulations (125) étant en partie encastrés sur la structure (121) de support, le transducteur électromécanique d'entrée (123) étant configuré pour mettre en mouvement l'articulation (125).

Description

    Domaine technique
  • La présente invention appartient au domaine technique des systèmes micro-électromécaniques (en anglais Microelectromechanical systems, MEMS). L'invention concerne plus particulièrement un ressort miniaturisé permettant de recréer l'effet de réverbération présent naturellement et notamment dans les pièces de grand volume.
  • L'invention trouve une application directe dans le domaine musical et permet de développer des effets sonores de manière analogique et compacte.
    • Etat de la technique
  • La recherche d'effets sonores, que ce soit en exploitant l'acoustique de lieux particuliers ou le rendu obtenu par l'utilisation de certains matériaux ou objets par exemple, constitue un sujet de développement constant.
  • A la fois utilisés par les musiciens ou par les designers sonores, des effets sonores qu'ils soient analogiques ou numériques, ne cessent d'être inventés afin d'explorer de nouveaux champs et contribuer à repousser les frontières de la créativité.
  • Un effet bien connu est celui de la réverbération naturellement présente dans les salles de concert, les studios d'enregistrement, et autres lieux d'interprétation, endroits dans lesquels les parois vont réfléchir les ondes acoustiques incidentes avec une perte en amplitude qui est fonction du type de matériaux utilisés.
  • Ainsi, des ondes acoustiques réfléchies vont se juxtaposer et arriver avec un certain décalage auprès des auditeurs (ou systèmes de captation sonore), créant ainsi une expérience sonore immersive.
  • Il existe plusieurs techniques qui permettent de reproduire artificiellement cet effet de réverbération.
  • Tout d'abord, des chambres d'écho ont été développées au début du 20ème siècle pour reproduire la réverbération dans des volumes restreints (studio d'enregistrement, studio radiophonique, etc.).
  • Vinrent ensuite des réverbérations à ressorts qui permirent de reproduire l'effet recherché. En revanche, le résultat obtenu était différent de celui des réverbérations naturelles ou des chambres d'échos, en en faisant un effet à part entière avec une signature sonore propre. De plus, et afin d'obtenir l'effet recherché, il est nécessaire que les ressorts soient assez longs pour obtenir un retard entre les différents échos. Sur un principe similaire à celui des ressorts, la réverbération à plaque a été développée dans la seconde moitié du 20ème siècle. Cette fois-ci, le son se transmet à travers une plaque métallique dans laquelle des réflexions complexes ont lieu. Le rendu sonore se rapproche alors davantage de l'acoustique des salles présentant une importante réverbération.
  • En revanche, les plaques utilisées sont souvent lourdes et encombrantes ne permettant pas une utilisation aisée.
  • Puis, avec le développement des transistors, les dispositifs décrits précédemment ont pu être remplacés par des lignes à retard entièrement électroniques transmettant le signal analogique avec un délai pouvant atteindre plusieurs millisecondes.
  • Enfin, les effets de réverbérations numériques, qui sont principalement basés sur des algorithmes qui recréent des espaces sonores, voient le jour. Ces effets permettent de simuler l'acoustique de salles telle que des salles de concert, de studios d'enregistrement, ainsi que d'autres effets de réverbération. De plus, ils permettent d'intégrer ces effets dans des éléments compacts, en comparaison avec les exemples physiques cités précédemment.
  • Le document RAMIREZ, M. A. M. et al. Modeling plate and spring réverbération using a DSP-informed deep neural network, ICASSP 2020-2020 IEEE International Conférence on Acoustics, Speech and Signal Processing, pages 241 à 245 , décrit une méthode pour modéliser les effets de réverbération obtenus dans des ressorts et des plaques. Cette modélisation est basée sur un réseau de neurones pour réaliser notamment un apprentissage profond des effets non linéaires présents dans les réverbérations à ressort et à plaques. En revanche, ce type de modélisation est complexe à mettre en oeuvre, et les résultats obtenus sont une approximation des phénomènes physiques présents dans ces effets de réverbération.
  • Le document BILBAO, S., Numerical simulation of spring réverbération, 16th International Conférence of Digital Audio Effects, September 2013 , décrit un autre type de modélisation de l'effet de réverbération dans des ressorts et qui est basée sur le calcul de différences finies dans le domaine temporel (en anglais Finite Difference Time Domain, FDTD) pour modéliser la vibration des ressorts hélicoïdaux. De nouveau, il est difficile de modéliser l'ensemble des effets physiques qui ont lieu dans ce type d'effet de réverbération. Ces modèles, bien que complexes, sont donc incomplets et il apparait nécessaire d'être notamment vigilant sur leur stabilité numérique afin de converger vers des solutions.
  • Il se pose le problème de développer un dispositif permettant de recréer un effet de réverbération, qui soit peu encombrant tout en garantissant un rendu hautement fidèle de l'effet sonore recherché.
    • Présentation de l'invention
  • La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients présentés précédemment, et propose alors un dispositif permettant de recréer un effet de réverbération, ledit dispositif étant doté d'un ressort MEMS.
  • Il est précisé ici que le terme MEMS correspond à l'abréviation de l'expression anglaise Microelectromechanical systems, que l'on peut traduire en français par l'expression systèmes micro-électromécaniques. Par ressorts et cellules MEMS, et de façon générale, on entend des composants miniaturisés qui peuvent notamment être utilisés avec des circuits électroniques ou être intégrés dans des dispositifs microélectroniques et y remplir des fonctions équivalentes à des composants classiques.
  • Selon un mode de réalisation, la présente invention concerne un dispositif micro-électromécanique de distorsion d'un signal électrique pour recréer un effet de réverbération sonore comportant :
    • un connecteur d'entrée pour un signal électrique entrant ;
    • un connecteur de sortie pour un signal électrique sortant ;
    • un transducteur électromécanique d'entrée couplé au connecteur d'entrée ;
    • un transducteur électromécanique de sortie couplé au connecteur de sortie;
    • une structure de support ;
    ledit dispositif étant doté d'un ressort MEMS comportant une première extrémité, une seconde extrémité, la première extrémité et la deuxième extrémité étant reliées respectivement au transducteur électromécanique d'entrée au moyen d'une articulation au transducteur électromécanique de sortie au moyen d'une autre articulation, le transducteur électromécanique d'entrée, le transducteur électromécanique de sortie et les articulations étant en partie encastrés sur la structure de support, le transducteur électromécanique d'entrée étant configuré pour mettre en mouvement l'articulation.
  • Par « couplé » on désigne ici une liaison ou connexion électrique pouvant être directe ou pouvant être indirecte (c'est-à-dire réalisée à travers un ou plusieurs éléments électriques ou composants intermédiaires).
  • Avantageusement, le transducteur électromécanique d'entrée et/ou le transducteur électromécanique de sortie comporte(nt) deux lames, en particulier coplanaires, configurées pour appliquer un couple de torsion à l'articulation.
  • De façon avantageuse, les lames sont des éléments piézoélectriques.
  • Selon une caractéristique particulière de l'invention, le signal électrique entrant est transmis sur l'une des lames du transducteur électromécanique d'entrée, tandis que ledit signal électrique entrant est transmis en opposition de phase sur l'autre lame dudit transducteur.
  • Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, l'articulation comprend une tige de liaison reliant entre eux un bord d'une lame avec un autre bord de l'autre lame et une tige d'encastrement reliant la structure de support à la tige de liaison. De façon avantageuse, le ressort MEMS est un ressort plat, qui lorsque ledit ressort est au repos, s'étendent entre la première extrémité et la deuxième extrémité dans un même plan.
  • Une autre caractéristique particulière est que le ressort MEMS est formé d'une succession de cellules MEMS, chaque cellule formant une ou plusieurs ondulations, avantageusement rectangulaires ou triangulaires, la succession de cellules formant une succession d'ondulations.
  • Avantageusement, chaque cellule MEMS est définie par une épaisseur comprise entre 5 et 20 µm, d'une largeur de bande comprise entre 5 et 100 µm, d'une demie-largeur comprise entre 100 µm et 2 mm, et d'un espacement interbande compris entre 5 et 20 µm.
  • Avantageusement, les cellules MEMS ont des dimensions qui sont fonction de leur position le long du ressort MEMS.
  • Avantageusement, le dispositif comprend en outre au moins un boîtier hermétique dans lequel la structure de support, les transducteurs d'entrée et de sortie et le ressort MEMS sont logés, la pression à l'intérieur du boîtier étant avantageusement comprise entre 0,1 Pa et 100 Pa.
  • De façon avantageuse, le dispositif comprend en outre : un circuit imprimé sur lequel, la structure de support et un circuit de traitement analogique relié au connecteur de sortie, sont agencés.
  • Un autre objet de l'invention est un système de production sonore comprenant le dispositif micro-électromécanique permettant de recréer un effet de réverbération. Un autre objet de l'invention est un procédé pour la fabrication du dispositif micro-électromécanique, comprenant les étapes suivantes :
    • prévoir un support, comprenant, de sa face arrière jusqu'à sa face avant opposée à la face arrière : au moins une première couche semi-conductrice et une deuxième couche semi-conductrice superposées, et revêtir le support d'un empilement comprenant une première couche conductrice, une couche de matériau piézoélectrique et une deuxième couche conductrice,
    • structurer l'empilement et la deuxième couche semi-conductrice du support de sorte à réaliser le transducteur d'entrée et de sortie dans ledit empilement ainsi que les articulations et le ressort MEMS dans la deuxième couche semi-conductrice,
    • graver la première couche semi-conductrice par la face arrière du support de sorte à libérer le ressort MEMS, les articulations et les transducteurs d'entrée et de sortie.
    Présentation des dessins
  • Les figures sont données à titre purement illustratif pour une meilleure compréhension de l'invention sans en limiter la portée. Les différents éléments peuvent être représentés de manière schématique et ne sont pas nécessairement à la même échelle. Sur l'ensemble des figures, les éléments identiques ou équivalents portent la même référence numérique.
  • Il est ainsi illustré en :
    • [Fig. 1] : une vue éclatée d'un dispositif pour recréer un effet de réverbération, selon un mode de réalisation de l'invention ;
    • [Fig. 2] : une vue en perspective du dispositif pour recréer un effet de réverbération ;
    • [Fig. 3A] : une vue de dessus d'un composant MEMS du dispositif recréant un effet de réverbération, selon un premier mode de réalisation ;
    • [Fig. 3B] : une vue de dessus d'un composant MEMS du dispositif recréant un effet de réverbération, selon un second mode de réalisation ;
    • [Fig. 4] : une vue de dessus d'un transducteur et d'une articulation du composant MEMS selon le premier et second mode de réalisation ;
    • [Fig. 5] : un graphique d'un signal électrique d'une réponse impulsionnelle obtenue au moyen du dispositif ;
    • [Fig. 6] : trois vues en perspective d'un transducteur du dispositif recréant un effet de réverbération lorsque le transducteur est : en dans sa position d'équilibre (A), dans un mode de vibration en opposition de phase (B), dans un mode de vibration en phase (C) ;
    • [Fig. 7] : un schéma électrique d'un montage d'amplificateurs différentiels pour extraire certaines composantes du signal produit par le dispositif ;
    • [Fig. 8A], Figure 8B], Figure 8C] et Figure 8D] : des étapes d'un procédé de fabrication d'un composants MEMS selon l'invention ;
    • [Fig. 9A] : un graphique des variations temporelles du contenu fréquentiel d'un signal électrique d'une réponse impulsionnelle obtenue au moyen du dispositif, selon un mode de réalisation de l'invention ; et
    • [Fig. 9B] : un graphique des variations temporelles du contenu fréquentiel d'un signal électrique d'une réponse impulsionnelle obtenue au moyen du dispositif, selon un autre mode de réalisation de l'invention.
    Description détaillée de modes de réalisation
  • La présente invention a notamment pour but de proposer un dispositif de réverbérations à ressort miniaturisé et de type MEMS.
  • La figure 1 représente une vue éclatée d'un dispositif 100 recréant un effet de réverbération, et qui comprend un boîtier 11 hermétique composé d'un couvercle 111, préférablement transparent, ledit couvercle recouvrant un circuit imprimé 112, un composant MEMS 12.
  • Le composant MEMS 12, qui n'est pas représenté dans son ensemble sur la figure 1 pour une question de lisibilité, comprend une structure 121, un ressort MEMS 122, deux transducteurs 123 et 124, chacun relié respectivement à une extrémité 1222-1223 du ressort MEMS 122 au moyen d'une articulation 125. Le ressort MEMS 122 est quant à lui composé d'une pluralité de cellules MEMS 1221, dont une est représentée avec des hachures sur la figure 1.
  • Avantageusement, le ressort MEMS 122 est un ressort plat.
  • Dans cet exemple de réalisation, les transducteurs 123 et 124 comprennent respectivement deux lames piézoélectriques 1231-1232 et 1241-1242. Par exemple, les lames 1231-1232 et 1241-1242 sont en titano-zirconates de plomb (PZT).
  • Le circuit imprimé 112 comprend notamment un connecteur d'entrée 1121, pour transmettre un signal d'entrée dit signal « source » au dispositif 100, un connecteur de sortie 1122 pour transmettre un signal de sortie « réverbéré », ce signal réverbéré étant typiquement transmis vers un système externe tel qu'un système de restitution sonore ou d'enregistrement. Le signal « source » est un signal électrique, lui-même résultant d'une conversion ou transduction d'un signal sonore auquel on souhaite ajouter l'effet de réverbération.
  • Dans cet exemple, le transducteur 123 est configuré pour convertir un signal électrique d'entrée en vibration mécanique qui se propage le long du ressort MEMS 122, et le transducteur 124 est utilisé pour convertir en signal électrique de sortie les vibrations mécaniques se propageant dans le ressort MEMS 122, ce dernier signal comprenant plusieurs composantes liées aux multiples échos générés au sein du ressort MEMS 122.
  • Ainsi, le transducteur 123 est configuré pour mettre en mouvement rotatif l'articulation 125 et cela de préférence de manière proportionnelle au signal électrique d'entrée.
  • Les transducteurs 123 et 124 peuvent être utilisés en mode différentiel, c'est-à-dire avec un déphasage de +/- π entre les lames 1231-1232 et 1241-1242, ou en mode commun, soit avec un déphasage nul entre les lames 1231-1232 et 1241-1242. Dans le premier cas, on peut par exemple prévoir un amplificateur opérationnel pour mettre en oeuvre ce déphasage.
  • La séparation des modes communs et différentiels peut être mise en oeuvre aussi bien à l'entrée qu'en sortie du dispositif 100.
  • Enfin, les transducteurs 123 et 124 agissent comme des impédances de terminaison. Afin de produire l'effet de réverbération, c'est-à-dire par la présence d'échos dans le ressort MEMS 122, les impédances de torsion mécanique des transducteurs 123 et 124 sont de préférence différentes de l'impédance mécanique caractéristique de dudit ressort. Pour modéliser le comportement dynamique du dispositif 100, et dimensionner le composant MEMS 12, une analogie avec les impédances de terminaison d'une ligne de transmission peut être faite.
  • La figure 2 représente une vue en perspective du dispositif 100 et lorsque le boîtier 11 est complètement fermé. Comme pour la figure 1, et pour une question de lisibilité, le composant MEMS 12 n'est pas représenté dans son ensemble sur la figure 2,
  • Afin de limiter les pertes thermovisqueuses à l'intérieur du boîtier 11, lesdites pertes dissipant l'énergie mécanique dans le ressort MEMS 122 lorsqu'il vibre, préférablement un vide entre 0,1 Pa et 100 Pa est réalisé dans le boîtier 11.
  • Dans d'autres modes de réalisation, le volume intérieur du boîtier est rempli d'un gaz à une pression donnée permettant de minimiser les pertes thermovisqueuses.
  • Ainsi, et en réduisant les pertes thermovisqueuses, le facteur de qualité Q, qui se défini comme étant le rapport entre l'énergie maximale contenue dans une cellule MEMS 1221 et l'énergie qui est dissipée par cette même cellule sur une période d'oscillation, augmente. Préférablement, et pour obtenir un nombre d'échos pour générer l'effet sonore recherché, il est préférable que le facteur de qualité Q d'une cellule MEMS 1221 soit supérieur à 100.
  • Comme précisé précédemment, le ressort MEMS 122 est relié, de manière solidaire, à chacune de ses extrémités 1222-1223 à des articulations 125, ces articulations étant elles-mêmes reliées de manière solidaire aux transducteurs 123 et 124. Comme le montre la figure 2, les transducteurs 123 et 124 ainsi que les articulation 125 sont en partie encastrée sur la structure 121 du composant MEMS 12.
  • Ces encastrements sont représentés par les zones 126 en trait en pointillé sur la figure 2.
  • Ainsi, ces encastrements vont contraindre les mouvements des transducteurs 123 et 124 ainsi que les mouvements des articulations 125 pour obtenir le type de vibrations souhaité au niveau du ressort MEMS 122. Préférablement, le ressort MEMS 122 est mis en mouvement au moyen du transducteur 123 afin de produire des mouvements de torsion autour de sa position d'équilibre. Les lames 1231 et 1232 peuvent être actionnées en opposition de phase afin de favoriser ce mode de vibration du ressort MEMS 122. Dans d'autres modes de réalisation, les lames 1231 et 1232 sont actionnées en phase et en y appliquant une même charge afin de favoriser la propagation d'un mode de vibration longitudinal et de flexion au sein du ressort MEMS 122.
  • Pour transmettre le signal d'entrée au transducteur 123, des pistes électriques (non représentées ici) sont présentes sur le circuit imprimé 112 et relient le connecteur d'entrée 1121 au transducteur 123. Il est en de même pour le connecteur de sortie 1122 et le transducteur 124.
  • Enfin, dans un exemple de réalisation particulier, le circuit imprimé 112 a une épaisseur e112 de 600 µm, une longueur L112 inférieure à 10 mm, une largeur 1112 de l'ordre de 5 mm, et le couvercle 111 a une épaisseur e111 d'au moins 1 mm. Ainsi, et de par les matériaux utilisés et ses dimensions, le dispositif 100 est donc extrêmement compact et très léger, en comparaison avec les systèmes existants de réverbération qui utilisent typiquement des ressorts ayant une longueur de plusieurs dizaines de centimètre. Le dispositif 100 a également pour particularité de ne requérir qu'une faible consommation électrique, en comparaison aux réverbérations à ressort simulées qui nécessitent d'alimenter un processeur de signal numérique (de l'anglais « Digital Signal Processor », DSP). Par ailleurs, la conception du dispositif 100 permet d'obtenir un facteur de qualité élevé.
  • Avantageusement, et grâce à ses faibles dimensions, le dispositif 100 est directement intégrable dans des systèmes de production sonore, tels que des instruments de musiques, des amplificateurs de guitare ou de basse mais aussi des enceintes acoustiques, ou comme effet sonore complémentaire dans des pédales d'effet.
  • La figure 3A représente une vue de dessus du composant MEMS 12.
  • Pour une question de lisibilité, le dispositif 100 étant un dispositif miniaturisé, le composant MEMS 12 n'est pas représenté dans son ensemble sur la figure 3A. De plus, les différents éléments du composant MEMS 12 n'y sont volontairement pas représentés à l'échelle pour mieux identifier les paramètres de dimensionnement du ressort MEMS 121.
  • De plus, les positions des encastrements des transducteurs 123 et 124 ainsi que des articulations 125 au niveau des zones 126 de la structure 121 sont plus facilement visibles sur la figure 3A.
  • Les articulations 125 comprennent une tige de liaison 125a reliant entre eux un bord libre de la lame 1231 avec un bord libre de l'autre lame 1232, ou un bord libre de la lame 1241 avec un bord libre de l'autre lame 1242, ainsi qu'une tige d'encastrement 125b reliant la structure 121 de support à la tige de liaison 125a. Dans l'exemple de réalisation particulier illustré, le bord libre des lames est un bord latéral.
  • Toutefois, en variante, on peut prévoir les tiges 125a, 125b respectivement sur un bord inférieur de la lame 1231 et sur un bord inférieur de l'autre lame 1232 ou respectivement sur un bord supérieur
  • Comme présenté précédemment, le ressort MEMS 121 comporte un nombre n de cellules MEMS 1221, dont une est délimitée sur la figure 3A par des traits en pointillé.
  • Dans un mode de réalisation, la cellule MEMS 1221 est formée d'une ou plusieurs d'ondulations de forme rectangulaires ou carrées. Chaque ondulation peut être formée comme sur la figure 3A, d'une succession de premières bandes qui s'étendant dans une première direction et reliées entre elles deux-à-deux par des deuxièmes bandes dans une deuxième direction orthogonale à la première direction. On définit sur cette figure une largeur de bande Wp , un espace interbande it entre deux premières bandes et une demi-largeur Lp des premières bandes. Dans l'exemple illustré, la cellule MEMS 1221 a une longueur totale Lcell qui correspond à deux aller-retours ou deux ondulations successives, comme cela est visible sur la figure 3A. De plus la cellule MEMS 1221 est définie par une épaisseur tm (non représentée ici).
  • Les extrémités 1222 et 1223 du ressort MEMS 121 sont caractérisées respectivement par une longueur Lai et une longueur Lao.
  • Préférablement, le ressort MEMS 121 est dimensionné de telle sorte que les échos sont produits avec un délai de = 25 ms, tel que cela est représenté à la figure 5.
  • A titre d'exemple, et sans que cela ne présente une limite à l'invention, le tableau 1 ci-dessous résume des dimensions d'une cellule MEMS 1222 permettant d'obtenir un délai de = 25 ms entre deux échos. [Table. 1]
    Paramètre Valeur
    Epaisseur de la cellule MEMS, tm (µm) 5
    Espacement interbande, it (µm) 5
    Largeur de la bande, Wp (µm) 5
    Demie-largeur de la cellule MEMS, Lp (mm) 1000
    Longueur de la première extrémité du ressort MEMS, Lai (µm) 5
    Longueur de la seconde extrémité du ressort MEMS, Lao (µm) 5
    Longueur totale d'une cellule MEMS, Ltot (µm) 45
    Nombre de cellule MEMS, n 100
    Longueur du ressort MEMS (µm) 4015
  • Ainsi, et pour les dimensions données dans le tableau 1, le composant MEMS 12, qui pour rappel est la partie active du dispositif 100 dans laquelle l'effet de réverbération est généré, a une longueur L12 qui est inférieure à 5 mm, et une largeur 112 qui est inférieure à 3 mm.
  • Plus généralement, l'espacement interbande it est compris entre 5 et 20 µm, l'épaisseur tm est comprise entre 5 et 20 µm, la largeur de bande Wp est comprise entre 5 et 100 µm, la demie-largeur Lp est comprise entre 100 µm et 2 mm.
  • Dans d'autres modes de réalisation, la cellule MEMS 1221 est formée d'une succession d'ondulations triangulaires, comme cela est montré à la figure 3B.
  • La figure 4 représente une vue de dessus du transducteur 123 et de l'articulation 125. La description qui suit de la figure 4 est également valable pour le transducteur 124. La forme pentagonale des lames 1231 et 1232 permet d'alléger la structure et donc d'augmenter la fréquence de résonance de ces éléments afin d'élargir la bande passante.
  • Cette forme pentagonale est définie par une largeur de base Wa, une largeur sommitale Wa1 qui est inférieure à la largeur de base Wa, une hauteur La, et une hauteur partielle La1.
  • Ces dimensions sont optimisées dans le but d'obtenir un maximum de déplacement ou d'angle de déformation de l'extrémité des lames 1231 et 1232, comme cela est montré à la figure 5 en (B) et (C), tout en minimisant la surface desdites lames.
  • Par ailleurs, la minimisation de la surface des lames 1231-1232 et 1241-1242 contribue à la faible consommation d'énergie du dispositif 100.
  • L'articulation 125, représentée par les hachures sur la figure 4, est quant à elle préférablement en forme de T, et est fabriquée dans la même couche que les lames 1231-1232 et 1241-1242. L'articulation est définie par une largeur Wk de la tige de d'encastrement 125b, une longueur lk de la tige d'encastrement 125b et une longueur Lk de la tige de liaison 125a.
  • A titre d'exemple, et sans que cela ne présente une limite à l'invention, le tableau 2 ci-dessous résume des dimensions possibles des transducteurs 123 et 124 et de l'articulation 125. [Table. 2]
    Paramètre Valeur
    Largeur de base de la lame, Wa (µm) 400
    Largeur sommitale de la lame, Wa1 (µm) 200
    Hauteur de la lame, La (µm) 800
    Hauteur partielle de la lame, La1 (µm) 400
    Largeur de la tige de d'encastrement, Wk (µm) 5
    Longueur de la tige d'encastrement, lk (µm) 200
    Longueur de la tige de liaison, Lk (µm) 415
  • La figure 5 représente un graphique 300 d'un signal de sortie 30 d'une réponse impulsionnelle obtenue au moyen du dispositif 100. Dans cet exemple, un signal impulsionnel est utilisé pour illustrer l'effet de réverbération généré par le dispositif 100.
  • L'axe des abscisses représente l'échelle des temps t, allant de 0 à 200 ms, et l'axe des ordonnées représente la tension relative Vout du signal de sortie 30.
  • Le signal de sortie 30 est composé d'une première partie 301 qui correspond au signal impulsionnel transmis directement à travers le ressort MEMS 122, et d'une seconde partie 302 dans laquelle il est possible de voir les multiples échos qui, se superposant vont créer l'effet de réverbération recherché.
  • Sur la figure 5, le premier délai d0 correspond au temps de propagation du signal à travers le ressort MEMS 122, et le second délai de correspond au délai entre deux échos successifs 3021 et 3022.
  • En modifiant les paramètres listés dans le tableau 1, les propriétés du ressort MEMS 122 peuvent alors être optimisées pour obtenir l'effet de réverbération recherché. Ainsi, et à titre d'exemple, le délai de entre deux échos successifs 3021 et 3022 est directement fonction du nombre n de cellules MEMS 1221 : le délai de augmentant linéairement en fonction du nombre n.
  • La figure 6 représente trois vues en perspective du transducteur 123 lorsque celui-ci se trouve dans différentes positions afin d'illustrer ses principaux modes de vibration.
  • Tout d'abord, la figure 6 en (A) représente le transducteur 123 dans sa position d'équilibre. Dans cette position, les lames 1231 et 1232 sont alignées et ne présentent pas de déformations liées à des vibrations.
  • Ensuite, la figure 6 en (B) représente le transducteur 123, lorsque celui-ci vibre dans un mode dit « différentiel », et qui correspond à la propagation dans le ressort MEMS 122 d'une onde de torsion. Les lames 1231 et 1232 oscillent alors en opposition de phase autour de leur position d'équilibre, vue en (A) et schématisée par une ligne en pointillé représentant un axe des ordonnées z.
  • Ensuite, la figure 6 en (C) représente le transducteur 123, lorsque celui-ci vibre dans un mode dit « commun », c'est à dire un mode où les lames 1231 et 1232 oscillent en phase autour de leur position d'équilibre, également schématisée ici par une ligne en pointillé représentant un axe des ordonnées z. Une même différence de potentiels est de plus appliquée sur les lames 1231 et 1232. Au niveau du ressort MEMS 122, cela correspond à la propagation d'une combinaison d'une onde longitudinale et de flexion
  • La figure 7 représente un schéma électrique 500 d'un montage de traitement analogique 50 comprenant des amplificateurs différentiels 51 pour extraire certaines composantes du signal produit par le dispositif. Ce montage permet de n'exploiter par exemple que le mode de vibration différentiel du transducteur 124, afin de ne conserver que la composante du signal provenant du mode de torsion du ressort MEMS 122.
  • Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le montage de traitement analogique 50 comprend deux entrées réceptionnant les signaux Vlin et V2in provenant respectivement des conversions mécano électriques au niveau des lames 1241 et 1242 du transducteur 124.
  • En sortie du montage de traitement analogique 50, un signal de sortie Vout est obtenu, comme représenté à la figure 5.
  • De plus, le montage de traitement analogique 50 comprend un gain, représenté sur le schéma électrique 500 par une résistance Rgain et qui permet à un utilisateur de modifier la contribution des modes de torsion et de flexions présents dans le ressort MEMS 122 lorsqu'il vibre.
  • Un exemple de réalisation particulier d'un procédé de fabrication d'un composant MEMS 12 tel que décrit précédemment va à présent être donné en liaison avec les figures 8A-8D.
  • Une structure de départ possible est illustrée sur la figure 8A, avec une plaque (« wafer » selon la terminologie anglosaxonne) de type BESOI (pour « bonding and etch back silicon-on-insulator », i.e. silicium sur isolant collé et gravé en face arrière), comportant deux couches semi-conductrices 202, 204, superposées, par exemple en silicium, ici séparées par une couche de séparation typiquement isolante et par exemple d'oxyde de silicium 203.
  • Le ressort MEMS 122 est destiné à être formé dans une couche semi-conductrice supérieure 204, typiquement la plus fine des couches semi-conductrices 202, 204. De même les articulations 125 des transducteurs 123 et 124 peuvent être formées dans cette couche 204, ainsi qu'au moins une partie de la structure 121 d'ancrage. On peut ainsi prévoir de réaliser au moins partiellement tous les éléments mobiles dans la couche supérieure 204. La couche semi-conductrice 202 inférieure peut être prévue ici pour former le cadre.
  • Sur la couche semi-conductrice 204 la plus fine située en face avant FAV de la plaque, un empilement comprenant :
    • une première couche d'électrode 222, par exemple en Pt ;
    • une couche 224 de matériau piézoélectrique, par exemple du PZT ; puis
    • une seconde couche d'électrode 226, par exemple en Pt ; est déposé.
  • Comme illustré sur la figure 8B, cet empilement est ensuite structuré pour former les transducteurs piézoélectriques. Les transducteurs piézoélectriques sont quant à eux définis par gravure. Un masquage 201A, par exemple formé à partir d'une couche 201 d'oxyde de silicium disposée en face arrière FAR est ici prévu et également structuré en vue de réaliser ultérieurement une étape de gravure profonde par cette face arrière FAR.
  • Comme illustré sur la figure 8C, une gravure de la couche de silicium 204 de sorte à définir le ressort MEMS 122 et les articulations 125 des transducteurs 123 et 124 est ensuite effectuée.
  • Préalablement à cette définition on protège typiquement les transducteurs par une couche de passivation 231, par exemple en oxyde de silicium, à travers laquelle on pratique des ouvertures pour des contacts électriques 252b, 252a permettant respectivement l'alimentation électrique des électrodes supérieures et inférieures des transducteurs piézoélectriques. Un matériau conducteur, par exemple tel que de l'Au est déposé pour former les contacts.
  • Ensuite, et comme illustré sur la figure 8D, une étape de gravure profonde de la face arrière FAR de la plaque afin de libérer le ressort MEMS 122 et la structure déformable avec les transducteurs 123 et 124 est ensuite effectuée. On grave ainsi ici la couche de semi-conductrice 202 inférieure.
  • La figure 9A et la figure 9B représentent respectivement un graphique 500a et un graphique 500b qui illustrent des exemples des variations temporelles des contenus fréquentiels 50a et 50b de signaux électriques de réponses impulsionnelles obtenues au moyen du dispositif selon deux modes de réalisation distincts de l'invention.
  • La figure 9A est le spectrogramme obtenu pour un dispositif 100 comportant 200 cellules MEMS 1221.
  • La figure 9B est le spectrogramme obtenu pour un dispositif 100 comportant 100 cellules MEMS 1221.
  • Sur les figures 9A et 9B, on peut constater notamment l'effet dispersif selon l'axe des temps t, où le temps de propagation au sein du dispositif 100 diffère en fonction de la fréquence f.

Claims (13)

  1. Dispositif (100) micro-électromécanique de distorsion d'un signal électrique pour recréer un effet de réverbération sonore comportant:
    - un connecteur d'entrée (1121) pour un signal électrique entrant ;
    - un connecteur de sortie (1122) pour un signal électrique sortant ;
    - un transducteur électromécanique d'entrée (123) couplé au connecteur d'entrée (1121) ;
    - un transducteur électromécanique de sortie (124) couplé au connecteur de sortie (1122) ;
    - une structure (121) de support ;
    - ledit dispositif étant doté d'un ressort MEMS (122) comportant une première extrémité (1222), une seconde extrémité (1223), la première extrémité et la deuxième extrémité étant reliées respectivement au transducteur électromécanique d'entrée (123) au moyen d'une articulation (125) au transducteur électromécanique de sortie (124) au moyen d'une autre articulation (125), le transducteur électromécanique d'entrée (123), le transducteur électromécanique de sortie (124) et les articulations (125) étant en partie encastrés sur la structure (121) de support, le transducteur électromécanique d'entrée (123) étant configuré pour mettre en mouvement l'articulation (125).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le transducteur électromécanique d'entrée (123) et/ou le transducteur électromécanique de sortie (124) comporte(nt) deux lames (1231,1232,1241,1242), en particulier coplanaires, configurées pour appliquer un couple de torsion à l'articulation
  3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les lames (1231,1232,1241,1242) sont des éléments piézoélectriques.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel le signal électrique entrant est transmis sur l'une des lames (1231,1232) du transducteur électromécanique d'entrée (123), tandis que ledit signal électrique entrant est transmis en opposition de phase sur l'autre lame (1231,1232) dudit transducteur.
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'articulation (125) comprend une tige de liaison (125a) reliant entre eux un bord d'une lame (1231,1241) avec un autre bord de l'autre lame (1232,1242) et une tige d'encastrement (125b) reliant la structure (121) de support à la tige de liaison (125a).
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ressort MEMS (122) est un ressort plat, qui lorsque ledit ressort est au repos, s'étendent entre la première extrémité (1222) et la deuxième extrémité (1223) dans un même plan.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ressort MEMS (122) est formé d'une succession de cellules MEMS (1221), chaque cellule formant une ou plusieurs ondulations, avantageusement rectangulaires ou triangulaires, la succession de cellules formant une succession d'ondulations.
  8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel chaque cellule MEMS (1221) est définie par une épaisseur (tm) comprise entre 5 et 20 µm, d'une largeur de bande (Wp) comprise entre 5 et 100 µm, d'une demie-largeur (Lp) comprise entre 100 µm et 2 mm, et d'un espacement interbande (it) compris entre 5 et 20 µm.
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, dans lequel les cellules MEMS (1221) ont des dimensions qui sont fonction de leur position le long du ressort MEMS (122).
  10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre au moins un boîtier (11) hermétique dans lequel la structure (121) de support, les transducteurs d'entrée (123) et de sortie (124) et le ressort MEMS (122) sont logés, la pression à l'intérieur du boîtier (11) étant avantageusement comprise entre 0,1 Pa et 100 Pa.
  11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre : un circuit imprimé (112) sur lequel, la structure (122) de support (121) et un circuit de traitement analogique (50) relié au connecteur de sortie (1122), sont agencés.
  12. Système de production sonore caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif micro-électromécanique (100) pour recréer un effet de réverbération selon l'une quelconque des revendications précédentes
  13. Procédé pour la fabrication d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, comprenant les étapes suivantes :
    - prévoir un support, comprenant, de sa face arrière (FAR) jusqu'à sa face avant (FAV) opposée à la face arrière : au moins une première couche semi-conductrice (201) et une deuxième couche semi-conductrice (202) superposées, et revêtir le support d'un empilement comprenant une première couche conductrice (222), une couche de matériau piézoélectrique (224) et une deuxième couche conductrice (226),
    - structurer l'empilement et la deuxième couche semi-conductrice (204) du support de sorte à réaliser le transducteur d'entrée (123) et de sortie (124) dans ledit empilement ainsi que les articulations (125) et le ressort MEMS (122) dans la deuxième couche semi-conductrice (204),
    - graver la première couche semi-conductrice (202) par la face arrière (FAR) du support de sorte à libérer le ressort MEMS (122), les articulations (125) et les transducteurs d'entrée (123) et de sortie (124).
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