FR2756447A1 - Sonde acoustique multielements comprenant une electrode de masse commune - Google Patents

Sonde acoustique multielements comprenant une electrode de masse commune Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une sonde acoustique multiéléments comprenant des transducteurs piézo-électriques (Tij) et un réseau d'interconnexions reliant les transducteurs acoustiques à un dispositif électronique de commande et de traitement du signal. Cette sonde comprend en outre une électrode de masse continue (P) intégrée entre les transducteurs et des éléments d'adaptation acoustique, en regard des transducteurs piézo-électriques, les éléments d'adaptation acoustique étant totalement découplés mécaniquement les uns des autres. Application: Imagerie médicale ou sous-marine.

Description

SONDE ACOUSTIQUE MULTlELEM ENTS COMPRENANT UNE
ELECTRODE DE MASSE COMMUNE
Le domaine de l'invention est celui des transducteurs acoustiques pouvant être utilisés notamment en imagerie médicale ou sous-marine.
De manière générale, une sonde acoustique comprend un ensemble de transducteurs piézoélectriques reliés à un dispositif d'électronique de commande par l'intermédiaire d'un réseau d'interconnexion.
Ces transducteurs piézoélectriques émettent des ondes acoustiques qui après réflexion dans un milieu donné, fournissent des informations concernant ledit milieu. Généralement, on fixe à la surface des transducteurs piézoélectriques une ou deux lames d'adaptation acoustique du type quart d'onde par exemple, pour améliorer le transfert d'énergie acoustique dans ledit milieu.
Le matériau de ces lames d'adaptation peut être de type polymère chargé de particules minérales dont on ajuste les proportions pour obtenir les propriétés acoustiques désirées. En général, ces lames sont mises en forme par moulage ou usinage puis assemblées par collage sur une des faces des transducteurs piézoélectriques.
Plus précisément, dans le cas de sonde possédant un ensemble de transducteurs élémentaires, on sépare mécaniquement les transducteurs de type piézoélectriques par une découpe d'une lame monolithique de matériau piézoélectrique, par exemple de céramique de type PZT. II est alors également nécessaire de découper de la même façon la ou les couches d'adaptation acoustique associées, afin d'éviter tout couplage acoustique entre transducteurs élémentaires par l'intermédiaire de cette ou de ces couches d'adaptation. La découpe de ces couches d'adaptation et de la couche piézoélectrique est donc généralement réalisée simultanément, par exemple à l'aide d'une scie diamantée.
Chaque transducteur piézoélectrique élémentaire doit être relié d'un côté à la masse et de l'autre à un contact positif (encore appelé point chaud).
Généralement la masse est située vers le milieu de propagation (par exemple le patient dans le cas d'une sonde acoustique d'échographie), c'est-àaire qu'elle doit être du côté des éléments d'adaptation acoustique.
La découpe simultanée des couches d'adaptation acoustique et de matériau piézoélectrique a pour conséquence de découper également l'électrode de masse, lorsque cette dernière est constituée par une couche métallique insérée entre ie matériau d'adaptation acoustique et le matériau piézoélectrique. Dans le cas d'une sonde à réseau monodimensionnel, on conserve la continuité de l'électrode de masse dans une direction. Dans le cas d'une sonde à réseau bidimensionnel, où l'on découpe les éléments dans deux directions, il faut conserver la continuité de l'électrode de masse dans au moins une direction de façon à pouvoir récupérer la masse à la périphérie de l'ensemble matriciel de transducteurs piézoélectriques élémentaires.
Selon l'art antérieur, pour conserver une continuité de la masse dans le cas d'une sonde bidimensionnelle, il a été proposé de procéder de la manière suivante:
Sur un réseau d'interconnexion 1, on procède au dépôt d'une couche conductrice, puis on dépose une lame de matériau piézoélectrique par collage.
On procède à des découpes selon une direction Dy illustrée en figure 1, de la matrice de transducteurs Tij. On colle une ou plusieurs lames d'adaptation acoustique de la même manière. La face inférieure de la première lame d'adaptation acoustique est métallisée ce qui permet de ramener les masses sur les bords de la matrice.
Enfin on procède à la découpe de l'ensemble (lames d'adaptation acoustique et lame de matériau piézoélectrique), dans la direction Dx perpendiculaire à la direction Dy.
On obtient ainsi une matrice de Tij transducteurs piézoélectriques élémentaires recouverts de Ai éléments d'adaptation acoustique, avec Pi électrodes de masse insérées entre les transducteurs Tij et les éléments Ai.
Néanmoins cette méthode présente l'inconvénient de relier mécaniquement les transducteurs élémentaires d'une même ligne i selon la direction Dx, ce qui nuit aux performances de la sonde acoustique qui en résulte.
C'est pourquoi l'invention propose une sonde acoustique comprenant une électrode de masse continue insérée entre des transducteurs piézoélectriques élémentaires découplés les uns des autres, et des éléments d'adaptation acoustique également découplés les uns des autres de manière à résoudre le problème de l'art antérieur.
Plus précisément, I'invention a pour objet une sonde acoustique comprenant des éléments d'adaptation acoustique, des transducteurs piézoélectriques élémentaires et un réseau d'interconnexions reliant les transducteurs acoustiques à un dispositif électronique de commande et de traitement du signal caractérisée en ce qu'elle comprend une électrode de masse continue insérée entre les transducteurs acoustiques élémentaires et des éléments d'adaptation acoustique.
L'électrode de masse peut typiquement être une feuille métallique par exemple, en cuivre ou en argent.
II peut également être un film de polymère métallisé de type polyimide ou polyester cuivré ou doré, ou bien encore un film de polymère chargé de particules conductrices.
Les éléments d'adaptation acoustique peuvent avantageusement être en résine époxy chargée de particules de tungstène etlou d'alumine, alors que les transducteurs piézoélectriques élémentaires peuvent être en céramique de type PZT.
Selon une variante de l'invention, la sonde acoustique comprend des éléments d'adaptation acoustique Aii1 d'impédance voisine de celle du milieu de propagation de la sonde acoustique et situés au-dessus de l'électrode de masse et des éléments d'adaptation acoustique Aij2 d'impédance voisine de celle des transducteurs piézoélectriques et situés entre l'électrode de masse et les transducteurs piézoélectriques.
Typiquement, lorsque la sonde acoustique selon l'invention est destinée à fonctionner en milieu aqueux, les transducteurs piézoélectriques étant en céramique, les éléments Aii1 ont une impédance de l'ordre de 2 à 3
Méga Rayleigh, les éléments Aij2 ont une impédance de l'ordre de 8 à 9
Méga Rayleigh.
L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication de la sonde acoustique selon l'invention. Ce procédé comprenant la réalisation de transducteurs piézoélectriques élémentaires (Tij) à la surface d'un réseau d'interconnexions reliant les transducteurs acoustiques à un dispositif de commande et de traitement du signal est caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes:
- le dépôt d'une couche conductrice constitutive d'une électrode
de masse (P), à la surface des transducteurs élémentaires (Tij)
- le dépôt d'au moins une couche de matériau d'adaptation
acoustique;
- la gravure sélective de la ou les couche(s) de matériau
d'adaptation acoustique, avec arrêt d'attaque sur la couche
conductrice, de manière à constituer des éléments d'adaptation
acoustique (Aij).
Avantageusement, la gravure sélective peut être effectuée par laser de type CO2, laser UV de type Excimère ou bien encore laser du type
YAG.
Selon un procédé de fabrication de la sonde acoustique de l'invention, I'électrode de masse peut être un film polyimide métallisé de cuivre, les éléments d'adaptation acoustique Aij peuvent alors être définis par gravure au laser CO2 avec une densité d'énergie de l'ordre de quelques
Joules par cm2 (de manière à ne pas attaquer la métallisation) d'une couche de résine époxy chargée de particules de tungstène.
Selon une variante du procédé de l'invention, on effectue le dépôt de deux couches de matériau d'adaptation acoustique, une première couche présentant une impédance proche de celle des transducteurs piézoélectriques, une seconde couche présentant une impédance proche de celle du milieu dans lequel la sonde acoustique est destinée à fonctionner.
L'ensemble des deux couches est gravé avec arrêt d'attaque sur la couche conductrice.
Selon une autre variante de l'invention, une couche d'impédance voisine de celle des transducteurs et conductrice est déposée à la surface d'une couche de matériau piézoélectrique, L'ensemble est découpé de manière à définir les transducteurs piézoélectriques Tij et une première série d'éléments d'adaptation acoustique de forte impédance. Une couche conductrice d'électrode de masse est déposée sur l'ensemble des transducteurs Tij recouverts des éléments Aij1. Une seconde couche d'adaptation acoustique est apposée à la surface de l'électrode de masse P, des éléments Aij2 sont alors définis par découpe sélective de la couche de faible impédance avec arrêt de gravure sur l'électrode de masse.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles:
- la figure 1 illustre une sonde acoustique selon l'art connu;
- la figure 2 illustre un premier exemple de sonde acoustique
selon l'invention;
- la figure 3 illustre une première étape de fabrication d'un
exemple de réseau d'interconnexions, utilisé dans une sonde
acoustique selon l'invention;
- la figure 4 illustre une deuxième étape de fabrication d'un
exemple de réseau d'interconnexions, utilisé dans une sonde
acoustique selon l'invention;
- la figure 5 illustre une étape de procédé de fabrication de
sonde acoustique commune au procédé de l'art antérieur et au
procédé de l'invention;
- la figure 6 illustre une étape du procédé de fabrication d'une
sonde-acoustique selon l'invention, comprenant le dépôt d'une
couche conductrice à la surface des transducteurs
élémentaires Tij;
- la figure 7 illustre une étape du procédé de fabrication d'une
sonde acoustique selon l'invention, comprenant le dépôt de
lames d'adaptation acoustique;
- la figure 8 illustre une étape du procédé de fabrication d'une
sonde acoustique selon l'invention comprenant la découpe
sélective des lames d'adaptation acoustique de manière à
définir les éléments Aij;
- la figure 9 illustre un second exemple de sonde acoustique
selon l'invention.
La sonde acoustique selon l'invention comprend des transducteurs élémentaires piézoélectriques (organisés en matrice linéaire ou de façon préférentielle bidimensionnelle) Tij, reportés sur une matrice de plots d'interconnexion en regard. Cette matrice d'interconnexions est constituée par des extrémités de pistes métalliques émergeant sur l'une des faces d'un réseau d'interconnexions décrit ci-après et nommé "backing". Les extrémités opposées des pistes métalliques sont généralement connectées à un dispositif électronique de commande et d'analyse.
La figure 2 illustre un premier exemple de sonde acoustique selon l'invention dans laquelle l'ensemble de la sonde apparaît partiellement coupé. Le "backing" 1 supporte les transducteurs piézoélectriques élémentaires Tij. Une électrode de masse continue P est apposée à la surface des transducteurs Tij et supporte l'ensemble des éléments discrets d'adaptation acoustique Aij qui peuvent résulter du dépôt d'une ou plusieurs couches de matériau d'adaptation acoustique (dans l'exemple de la figure 2, deux couches sont représentées et conduisent à l'obtention d'éléments Aij1 et d'éléments Aij2).
Dans le cas d'une matrice de MxN transducteurs piézoélectriques, le réseau d'interconnexions peut notamment être réalisé de la manière suivante:
On utilise M substrats diélectriques sur lesquels ont été réalisées
N pistes conductrices le long d'un axe Dx. Chaque substrat peut comporter une fenêtre laissant localement à nu les pistes conductrices. L'ensemble des
M substrats sont alignés et empilés selon une direction Dy. On obtient ainsi un empilement de M substrats diélectriques, ledit empilement présentant une cavité comportant MxN pistes conductrices. La figue 3 illustre la construction de cet empilement.
On remplit la cavité ainsi formée, d'une résine durcissable isolante électriquement et possédant les propriétés d'atténuation acoustique désirée. Après durcissement de la résine, on coupe l'empilement selon un plan Pc, perpendiculaire à l'axe des pistes au niveau de la cavité préformée comme l'illustre la figure 4, afin de réaliser une surface constituée de MxN sections de pistes affleurant perpendiculairement la résine, au niveau du backing 1.
Pour assurer la connexion entre ces MxN sections de pistes et les transducteurs piézoélectriques Tij, on peut avantageusement procéder de la manière suivante:
On métallise avec une couche Me l'ensemble de la surface du backing 1, constituée des MxN sections de pistes. On y appose une couche de matériau piézoélectrique de type céramique PZT. On procède alors à la découpe par exemple par sciage de la couche Me et de la couche de céramique, de manière à définir les transducteurs Tij indépendants les uns des autres. L'arret de la découpe peut être effectué à la surface de la résine et le contrôle de cette gravure ne nécessite pas une précision extrême. La figure 5 illustre la matrice de transducteurs Tij définis sur des métallisations élémentaires Meij correspondant aux contacts "point chaud" évoqués précédemment, L'ensemble étant ainsi connecté électriquement au backing 1.
L'ensemble ainsi constitué est recouvert par une électrode de masse conductrice P, comme illustré en figure 6, apposée puis collée, qu'il s'agisse d'une feuille métallique ou d'un film de polymère métallisé.
On procède alors au collage de deux lames de matériau d'adaptation acoustique L1 et L2, comme représentées en figure 8. La première lame L1 présente une forte impédance voisine de celle du matériau constitutif des transducteurs, la deuxième lame L2 présente une plus faible impédance voisine du milieu dans lequel on veut utiliser la sonde acoustique. La découpe doit séparer mécaniquement les lames d'adaptation sans découper l'électrode de masse P.
On obtient de cette façon un découplage acoustique des transducteurs élémentaires Tij, tout en gardant une continuité électrique permettant de récupérer le contact de masse à la périphérie de la sonde.
En particulier cette découpe peut être effectuée par laser. Le laser utilisé peut être par exemple un laser infrarouge de type CO2 ou un laser UV de type Excimère ou de type YAG triplé ou quadruplé.
Par un choix approprié des différents matériaux constitutifs de l'électrode de masse et des éléments d'adaptation acoustique, et des paramètres du faisceau laser: longueur d'onde, densité d'énergie, il devient possible d'effectuer un usinage sélectif des lames d'adaptation acoustique sans affecter l'électrode de masse. La découpe peut être effectuée à l'aide d'un faisceau laser focalisé et piloté pour décrire les découpes désirées ou encore par balayage à travers un masque aligné sur les voies de découpe.
Selon une autre variante de l'invention, la sonde acoustique comprend deux séries d'éléments d'adaptation acoustique Aii1 et Aij2 séparés par l'électrode continue de masse.
Cette sonde comprend des transducteurs élémentaires Tij, reportés sur une matrice de plots d'interconnexion en regard faisant partie d'un réseau d'interconnexions. La figure 9 illustre cette configuration. La première série d'éléments d'adaptation acoustique, de forte impédance peut être définie en même temps que les éléments piézoélectriques à partir de la découpe par exemple par sciage de la couche Me de métallisation précédemment citée, de la couche de céramique (constitutive des transducteurs élémentaires) et d'une première lame L1 d'adaptation acoustique, qui doit être conductrice.
L'ensemble ainsi constitué, électrodes Mej, transducteurs Tij, éléments Aij1 est recouvert par une électrode de masse conductrice P, apposée puis collée.
On peut alors procéder au collage d'une deuxième lame à faible impédance L2, découpée par gravure avec arrêt d'attaque sur l'électrode de masse, de manière à définir les éléments Aij2 de faible impédance. Un des intérêts de cette variante de l'invention réside dans la faible épaisseur à découper par gravure sélective, tout en disposant d'une sonde possédant avantageusement des éléments de forte impédance et des éléments de faible impédance.

Claims (13)

REVENDICATIONS
1. Sonde acoustique comprenant des éléments d'adaptation acoustique (Aij), des transducteurs piézoélectriques élémentaires (Tij) et un réseau d'interconnexions reliant les transducteurs acoustiques à un dispositif électronique de commande et de traitement du signal caractérisée en ce qu'elle comprend une électrode de masse continue (P) insérée entre les transducteurs acoustiques élémentaires (Tij) et des éléments d'adaptation acoustique (Aij).
2. Sonde acoustique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode de masse est une feuille métallique de type cuivre ou argent.
3. Sonde acoustique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode de masse est un film polymère métallisé de type polyimide ou polyester cuivré ou doré.
4. Sonde acoustique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode de masse est un film de polymère chargé de particules conductrices.
5. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les éléments d'adaptation acoustique sont dIe type résine époxy chargée de particules de tungstène etlou d'alumine.
6. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les transducteurs piézoélectriques élémentaires (Tij) sont en céramique de type PZT.
7. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments d'adaptation acoustique (Aij1) d'impédance voisine de celle des transducteurs (Tij) et situés à la surface de l'électrode de masse (P) et des éléments d'adaptation acoustique (Aij2) d'impédance voisine de celle du milieu de propagation de la sondé et situés à la surface des éléments (Aij1).
8. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments d'adaptation acoustique (Aij1) et situés entre les transducteurs piézoélectriques et l'électrode de masse (P) et des éléments (Aij2) d'impédance voisine de celle du milieu de propagation de la sonde et situés à la surface de l'électrode de masse (P).
9. Procédé de fabrication d'une sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant la réalisation de transducteurs piézoélectriques élémentaires (Tij) à la surface d'un réseau d'interconnexions reliant les transducteurs acoustiques à un dispositif électronique de commande et de traitement du signal, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes:
- le dépôt d'une couche conductrice constitutive d'une électrode
de masse (P), à la surface des transducteurs élémentaires
(Tij);
- le dépôt d'au moins une couche de matériau d'adaptation
acoustique, sur la couche conductrice
- la gravure sélective de la couche de matériau d'adaptation
acoustique, avec arrêt d'attaque sur la couche conductrice, de
manière à constituer des éléments d'adaptation acoustique (Aij,
Aij1, Aij2).
10. Procédé de fabrication d'une sonde acoustique selon la revendication 9, caractérisé en ce que la gravure sélective est effectuée par laser.
11. Procédé de fabrication d'une sonde acoustique selon la revendication 10, caractérisée en ce que le matériau d'adaptation acoustique est une résine époxy chargée de particules de tungstène etlou d'alumine, I'électrode de masse est un film de polyimide métallisé de cuivre, le laser étant un laser CO2 émettant dans l'infrarouge.
12. Procédé de fabrication d'une sonde acoustique selon la revendication 11, caractérisé en ce que la densité d'énergie du faisceau laser est de quelques Joules par cm2.
13. Procédé de fabrication d'une sonde acoustique selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend le dépôt de deux couches de matériaux d'adaptation acoustique, d'impédances différentes, de manière à définir des éléments (Aij1) d'impédance voisine de celle des transducteurs piézoélectriques (Tij) et des éléments (Aij2) d'impédance voisine de celle du milieu de propagation de la sonde.
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