FR2848478A1 - Matiere absorbante pour dispositif transducteur a ultrasons micro-usine - Google Patents
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Abstract
Un dispositif transducteur à ultrasons comprend: un réseau de transducteurs à ultrasons (2) micro-usiné sur un substrat; des connexions électriques souples (16, 18) connectées au réseau de transducteurs; et un corps (14) de matière d'atténuation acoustique qui supporte le substrat et les connexions électriques souples. La matière absorbante acoustique peut contenir des caractéristiques supplémentaires, telles que des pattes ou des encoches, destinées à être utilisées pour positionner le transducteur sur des pièces fixes au cours de la fabrication ou pour positionner le transducteur à l'intérieur d'un boîtier au cours de l'assemblage final. Des pattes ou autres caractéristiques qui sont utilisées seulement pendant la fabrication peuvent être ensuite retirées du dispositif. Le dispositif MUT lui-même peut aussi être aminci pour avoir une souplesse désirée. L'impédance acoustique de la matière absorbante est de préférence adaptée à celle de la plaquette de silicium afin d'éviter, à leur interface, une réflexion d'énergie acoustique se propageant vers l'arrière, c'est-à-dire dans une direction d'éloignement de la surface frontale du dispositif. La matière absorbante peut aussi posséder une conductivité thermique élevée afin de contribuer à l'élimination de chaleur du dispositif.
Description
i
MATIERE ABSORBANTE POUR DISPOSITIF TRANSDUCTEUR A ULTRASONS MICRO-USINE
L'invention porte globalement sur des transducteurs à ultrasons microusinés. En particulier, l'invention porte sur des transducteurs à ultrasons micro-usinés du type 5 capacitif (cMiUT). Une application spécifique des cMUT est dans des systèmes d'imagerie ultrasonore pour diagnostic médical.
Les transducteurs conventionnels pour l'imagerie ultrasonore produisent de l'énergie acoustique par effet piézoélectrique dans lequel de l'énergie électrique est convertie en énergie acoustique par une matière céramique piézoélectrique polaire. 10 L'énergie acoustique qui est émise dans la direction vers l'avant, c'est-à-dire dans la direction du patient à analyser, est couplée au patient par une ou plusieurs couches d'adaptation acoustique. Toutefois, l'énergie acoustique émise dans la direction d'éloignement du patient analysé est typiquement absorbée et/ou diffusée dans une matière absorbante acoustique placée au dos du réseau transducteur. Cela évite que 15 l'énergie acoustique ne soit réfléchie par des structures ou interfaces situées derrière le transducteur pour revenir dans la matière piézoélectrique, ce qui réduirait la qualité de l'image acoustique obtenue par réflexion à l'intérieur du patient. De nombreuses compositions sont connues pour la matière absorbante acoustique. Par exemple, la matière absorbante acoustique peut être constituée d'un composite de particules 20 métalliques (par exemple de tungstène) dans une matière molle à atténuation, telle qu'un caoutchouc, un époxy ou un plastique. D'autres compositions de matière absorbante acoustique peuvent aussi être utilisées.
Les transducteurs à ultrasons utilisés en imagerie diagnostique médicale ont une grande largeur de bande et une forte sensibilité aux signaux ultrasonores de faible 25 niveau, ces caractéristiques permettant la production d'images de haute qualité. Des matières piézoélectriques qui satisfont ces critères et sont utilisées conventionnellement pour fabriquer des transducteurs à ultrasons comprennent des céramiques au titanate et zirconate de plomb (PZT) et du poly(fluorure de vinylidène). Toutefois, les transducteurs au PZT requièrent des procédés de fabrication des céramiques qui sont 30 différents des techniques de traitement utilisées pour fabriquer d'autres composants d'un système à ultrasons, tels que des composants à semi-conducteurs. Il est souhaitable que les transducteurs à ultrasons soient fabriqués par les mêmes procédés que ceux utilisés pour fabriquer les composants à semi-conducteurs.
Des procédés de fabrication de composants à semi-conducteurs ont été 5 récemment utilisés pour fabriquer des transducteurs à ultrasons d'un type appelé transducteurs à ultrasons micro-usinés (MUT), qui peuvent être capacitifs (cMUT) ou piézoélectriques (pMUT). Les cMUT sont de minuscules dispositifs ressemblant à une membrane avec des électrodes qui convertissent les vibrations acoustiques d'un signal ultrasonore reçu en une capacité modulée. En émission, la charge capacitive est 10 modulée pour faire vibrer la membrane du dispositif et émettre de ce fait une onde acoustique. Un avantage des MUT est qu'ils peuvent être fabriqués en utilisant des procédés de fabrication des semi-conducteurs, tels que des procédés de microfabrication regroupés sous l'intitulé "micro-usinage". Comme expliqué dans le brevet des Etats15 Unis n0 6.359.367: Le microusinage est la formation de structures microscopiques en utilisant une combinaison ou sous-ensemble d'outils (A) de formation des motifs (généralement par lithographie, tels que des graveurs à projection ou graveurs à répétition), (B) de dépôt tels que PVD (dépôt physique en phase vapeur), CVD (dépôt chimique en phase 20 vapeur), LPCVD (dépôt chimique en phase vapeur sous pression réduite) et PECVD (dépôt par plasma), et (C) de gravure tels que attaque à l'acide, gravure par plasma, gravure ionique, pulvérisation cathodique ou gravure laser. Le micro-usinage est typiquement réalisé sur des substrats ou plaquettes faites de silicium, verre, saphir ou céramique. Ces substrats ou plaquettes sont généralement très plats et lisses et ont des 25 dimensions latérales de quelques centimètres (pouces). Ils sont généralement traités par groupes en caissettes pendant qu'ils sont transportés d'outil de traitement à outil de traitement. Chaque substrat peut avantageusement (mais par nécessairement) incorporer de nombreuses copies du produit. Il existe deux types génériques de micro-usinage: 1) le micro-usinage en profondeur dans lequel de grandes parties de l'épaisseur de la 30 plaquette ou substrat sont sculptées, et 2) le micro-usinage en surface dans lequel la sculpture est généralement limitée à la surface, et en particulier à des couches minces déposées sur la surface. La définition du micro-usinage utilisée dans la présente englobe l'utilisation de matières micro-usinables conventionnelles ou connues incluant le silicium, le saphir, des verres de tous types, des polymères (tels que le polyimide), le 5 polysilicium, le nitrure de silicium, l'oxynitrure de silicium, des métaux en couches minces tels que des alliages de l'aluminium, des alliages du cuivre et le tungstène, des verres enduits par centrifugation (SOG), des dopants implantables ou diffusés et des films tirés tels que des oxydes et nitrures de silicium.
La même définition du micro-usinage est adoptée dans la présente.
La production d'énergie acoustique par un dispositif transducteur à ultrasons micro-usiné capacitif ne repose pas sur l'effet piézoélectrique. Au contraire, la structure basique d'un cMUT est celle d'une membrane conductrice suspendue au-dessus d'une électrode conductrice avec un faible espacement. Lorsqu'une tension est appliquée entre la membrane et l'électrode, des forces de Coulomb attirent la membrane vers l'électrode. 15 Si la tension appliquée varie dans le temps, la position de la membrane fait de même, en produisant de l'énergie acoustique qui rayonne depuis la face du dispositif à mesure que la membrane change de position. Bien que l'énergie acoustique soit produite principalement dans la direction vers l'avant, ou vers le patient, une certaine fraction de l'énergie acoustique se propage dans la structure de support du cMUT. Cette structure 20 est couramment une plaquette de silicium. Une matière absorbante acoustique est donc nécessaire pour éviter une réflexion de cette énergie vers l'intérieur du dispositif cMUT par l'interface silicium/air au niveau de la surface dorsale de la plaquette. Cela est également vrai pour des dispositifs pMIUT.
La demande de brevet des Etats-Unis numéro de publication US 2002/0048219 25 décrit un transducteur acoustique micro-usiné à modes de substrat supprimés. Cette publication décrit l'application d'une matière d'amortissement acoustique sur le dos du substrat du transducteur.
Les avantages offerts par une matière absorbante dans un dispositif MUT ne se limitent pas aux simples performances acoustiques. Un dispositif MUT est fabriqué sur 30 une plaquette de silicium qui est fragile et demande de grandes précautions au cours du procédé de fabrication pour ne pas être endommagée. Par exemple, la connexion électrique au dispositif MUT peut être réalisée par stratification d'un circuit souple. Au cours de cette opération, une certaine pression est exercée sur la plaquette de silicium pour souder les connexions électriques. Une pression exercée non uniformément peut 5 provoquer une rupture du dispositif. Le substrat aminci sur lequel le MUT est construit est très fragile et pourrait bénéficier d'une structure de support.
Il existe un besoin de structures et de procédés pour donner un support supplémentaire à des dispositifs MUT (cMUT et pMUT), tout en améliorant aussi leur aptitude à amortir des ondes acoustiques indésirables qui sortent par la face arrière (ou 10 dos) du substrat du dispositif MUT.
La présente invention porte sur des dispositifs MUT ayant un corps de matière absorbante acoustique et sur des procédés de fabrication de ces dispositifs. Diverses formes de réalisation sont décrites dans lesquelles une couche absorbante acoustique ou une membrane de support sert de véhicule pour traiter des substrats très minces sans 15 leur infliger de dommages. D'autres formes de réalisation comprennent une matière absorbante acoustique spécifiquement conçue pour une utilisation avec des réseaux MUT sur des substrats de silicium. Ces caractéristiques peuvent être combinées en une seule et même forme de réalisation.
Un premier aspect de l'invention est un dispositif transducteur à ultrasons micro20 usiné, comprenant: un réseau de transducteurs à ultrasons micro-usiné sur un substrat; des connexions électriques souples connectées au réseau de transducteurs à ultrasons; et un corps de matière d'atténuation acoustique qui supporte le substrat et les connexions électriques souples.
Le réseau de transducteurs à ultrasons peut comprendre une multiplicité de 25 cellules cMUT ou de cellules pMUT. Le substrat peut être fait d'une matière ayant une première impédance acoustique et la matière d'atténuation acoustique peut avoir une seconde impédance acoustique sensiblement adaptée à ladite première impédance acoustique, ou le dispositif peut comprendre une couche de matière d'adaptation d'impédance acoustique placée entre le substrat et le corps de matière d'atténuation 30 acoustique, l'impédance acoustique de la matière d'adaptation d'impédance acoustique ayant une valeur incluse entre les impédances acoustiques de la matière du substrat et de la matière d'atténuation acoustique. Le corps de matière d'atténuation acoustique peut posséder une paire de pattes s'étendant au-delà de bords latéraux opposés du substrat, lesdites pattes ne supportant pas lesdites connexions électriques souples. Les s connexions électriques souples peuvent comprendre des conducteurs imprimés sur un substrat souple fait d'une matière diélectrique. Le corps de matière d'atténuation acoustique peut être contigu au réseau de transducteurs à ultrasons le long de son périmètre entier, et lesdites connexions électriques peuvent être contiguÙs à des faces frontales respectives de parties respectives du corps de matière d'atténuation acoustique 10 et du réseau de transducteurs à ultrasons.
Un autre aspect de l'invention est un transducteur à ultrasons comprenant: un substrat en silicium; un réseau de cellules formant transducteurs à ultrasons supporté par le substrat en silicium; et un corps de matière d'atténuation acoustique placé sur un côté du substrat opposé au réseau, la matière d'atténuation acoustique comprenant des 15 particules de tungstène dispersées dans une matrice, qui peut être de poly(chlorure de vinyle). Le pourcentage massique de tungstène est inclus dans l'intervalle de 96,0 à 96,65%, le reste étant la matière de la matrice. Une première fraction des particules de tungstène ont une taille de particule de l'ordre de 1 micron et une seconde fraction des particules de tungstène ont une taille de particule de l'ordre de 10 microns. D'autres 20 charges, à part le tungstène, sont aussi viables, ainsi que d'autres tailles de particule.
Un autre aspect de l'invention est un transducteur à ultrasons comprenant: un substrat en silicium; un réseau de cellules formant transducteurs à ultrasons supporté par le substrat en silicium; un corps de matière d'atténuation acoustique placé sur un côté du substrat opposé au réseau; et une couche de matière d'adaptation d'impédance 25 acoustique placée entre le substrat et le corps de matière d'atténuation acoustique. De préférence, l'impédance acoustique de la matière d'adaptation d'impédance acoustique a une valeur incluse entre l'impédance acoustique du silicium et l'impédance acoustique de la matière d'atténuation acoustique.
Un autre aspect de l'invention est un transducteur à ultrasons comprenant: un 30 substrat en silicium; un réseau de cellules formant transducteurs acoustiques supporté par le substrat en silicium; et un corps de matière d'atténuation acoustique placé sur un côté du substrat opposé au réseau, la matière d'atténuation acoustique comprenant des particules de tungstène et des particules d'une charge à forte conductivité thermique dispersées dans une matrice.
Un autre aspect de l'invention est un procédé de fabrication d'un transducteur à ultrasons comprenant les étapes suivantes: attacher un substrat à une couche de matière absorbante acoustique; amincir le substrat pendant qu'il est attaché à la couche de matière absorbante acoustique; et micro-usiner un réseau de cellules formant transducteurs à ultrasons sur le substrat.
Un autre aspect de l'invention est un procédé de fabrication d'un transducteur à ultrasons comprenant les étapes suivantes: micro-usiner un réseau de cellules formant transducteurs à ultrasons sur un substrat; attacher une face frontale du réseau à une membrane de support; amincir le substrat pendant qu'il est supporté par la membrane de support; attacher une couche formée ou enrobante de matière absorbante au substrat 15 aminci; et retirer la membrane de support.
Un autre aspect de l'invention est un dispositif transducteur à ultrasons microusiné, comprenant: un réseau de transducteurs à ultrasons microusiné sur un substrat globalement rectangulaire; des connexions électriques souples connectées au réseau de transducteurs à ultrasons; et un corps de matière d'atténuation acoustique qui supporte le 20 substrat et s'étend au-delà de côtés opposés du substrat.
Un autre aspect de l'invention est un procédé de fabrication d'un transducteur à ultrasons comprenant les étapes suivantes: attacher un substrat ayant une première superficie à une couche de matière absorbante acoustique ayant une seconde superficie supérieure à ladite première superficie, le substrat étant placé de telle manière que des 25 parties respectives de la couche de matière absorbante acoustique s'étendent audelà de bords latéraux opposés du substrat; amincir le substrat pendant qu'il est attaché à la couche de matière absorbante acoustique; microusiner un réseau de cellules formant transducteurs à ultrasons sur le substrat; et couper les parties respectives de ladite couche de matière absorbante acoustique après ladite étape de micro-usinage.
D'autres aspects de l'invention sont décrits et revendiqués dans ce qui suit.
La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée suivante de quelques formes de réalisation préférées, illustrée par les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma représentant une vue en coupe d'une cellule cMIUT typique; les figures 2 et 3 sont des schémas représentant des vues de côté et de dessus, respectivement, d'un dispositif cMUT et de connexions électriques associées supportées par une couche de matière absorbante acoustique ayant des pattes de manipulation temporaires selon une forme de réalisation de l'invention; la figure 4 est un schéma représentant une vue de dessus du dispositif cMUT représenté sur la figure 1, mais une fois que les pattes de manipulation ont été retirées; la figure 5 est un graphe représentant le coefficient de réflexion acoustique en fonction du rapport d'impédance acoustique entre le transducteur et la matière absorbante; les figures 6 et 7 sont des graphes représentant respectivement la réponse impulsionnelle et le spectre de fréquences pour un réseau cMUT avant l'addition d'une matière absorbante acoustique; et les figures 8 et 9 sont des graphes représentant respectivement la réponse impulsionnelle et le spectre de fréquences pour le même réseau cMUT après l'addition 20 d'une matière absorbante acoustique.
Dans un but d'illustration, diverses formes de réalisation vont être décrites qui appartiennent à la classe des transducteurs à ultrasons micro-usinés capacitifs (cMUT).
Toutefois, on comprendra que les aspects de l'invention décrits dans la présente ne se limitent pas à la structure ou fabrication de cMUT, mais s'appliquent aussi à la structure 25 ou fabrication de pMIUT.
A propos de la figure 1, une cellule 2 formant transducteur cMUT typique est représentée en coupe. Un réseau de telles cellules formant transducteurs cMUT est typiquement fabriqué sur un substrat 4, tel qu'une plaquette de silicium. Pour chaque cellule formant transducteur cMUT, une mince membrane 8, qui peut être faite de 30 nitrure de silicium, est suspendue au-dessus du substrat 4. La membrane 8 est soutenue à sa périphérie par un support isolant 6, qui peut être fait d'oxyde de silicium ou de nitrure de silicium. La cavité 20 comprise entre la membrane 8 et le substrat 4 peut être remplie d'air ou de gaz, ou être entièrement ou partiellement vidée. Une couche ou film de matière conductrice, telle qu'un alliage d'aluminium ou une autre matière conductrice 5 appropriée, forme une électrode 12 sur la membrane 8, et une autre couche ou film de matière conductrice forme une électrode 10 sur le substrat 4. Selon une variante, l'électrode 10 peut être noyée dans le substrat 4. L'électrode 12 peut aussi se trouver audessus de la membrane 8 au lieu d'être noyée en elle comme représenté sur la figure 1.
Les deux électrodes 10 et 12, séparées par la cavité 20, forment une capacité. 10 Lorsqu'un signal acoustique incident fait vibrer la membrane 8, les variations de capacité peuvent être détectées par des circuits électroniques associés (non représentés sur la figure 1), pour convertir le signal acoustique en un signal électrique. Inversement, un signal électrique alternatif appliqué à l'une des électrodes va moduler la charge sur l'électrode, ce qui entraîne une modulation de la force capacitive entre les électrodes, 15 cette force provoquant un mouvement du diaphragme et de ce fait l'émission d'un signal acoustique. En raison des dimensions de l'ordre du micron d'un cMTUT typique, de nombreuses cellules cMUT sont typiquement fabriquées à proximité immédiate pour former un seul élément transducteur. Les formes périphériques des cellules individuelles 20 peuvent être rondes, rectangulaires, hexagonales ou autres. Des formes hexagonales permettent une d'atteindre une haute densité d'intégration des cellules cMUT d'un élément transducteur. Les cellules cNIUT peuvent avoir des dimensions différentes, l'élément transducteur possédant alors des propriétés composées des différentes dimensions de cellules, donnant au transducteur une large bande.
Dans les formes de réalisation décrites dans la présente, les dispositifs cMUT comprennent un réseau de cellules cMUT sur un substrat et une couche de matière d'atténuation acoustique, appelée "couche absorbante acoustique" dans la présente. La couche absorbante acoustique possède une rigidité suffisante pour offrir un support structurel à un substrat très mince. Une telle couche absorbante acoustique peut être 30 jointe directement à la face arrière du substrat, par exemple en utilisant une couche mince d'un époxy sensiblement transparent acoustiquement, ou peut être stratifiée sur le substrat avec des couches intermédiaires. Selon une variante, la couche absorbante acoustique peut être une composition susceptible d'être coulée ou moulée et possédant une impédance acoustique suffisante. Dans une forme de réalisation, la couche 5 intermédiaire est faite d'une matière d'adaptation d'impédance acoustique ayant une impédance acoustique incluse entre l'impédance acoustique du substrat en silicium et l'impédance acoustique de la matière d'atténuation acoustique. Dans une autre forme de réalisation, la couche intermédiaire est une carte souple à circuit imprimé ("circuit souple") ayant des plages de connexion électrique reliées à des traversées 10 électriquement conductrices dans le substrat.
Le dispositif transducteur à ultrasons comprend: un réseau de transducteurs à ultrasons micro-usiné sur un substrat; des connexions électriques souples connectées au réseau de transducteurs; et un corps de matière d'atténuation acoustique qui supporte le substrat et les connexions électriques souples. Selon une forme de réalisation de 15 l'invention, la matière absorbante acoustique a une superficie supérieure à la superficie du substrat et s'étend au-delà de la périphérie du substrat. La matière absorbante acoustique offre un support supplémentaire au dispositif MUT à la fois pendant et après la fixation des connexions électriques, ce qui améliore la fabricabilité du dispositif. La matière absorbante acoustique peut contenir des caractéristiques supplémentaires, telles 20 que des pattes ou des encoches, destinées à être utilisées pour positionner le transducteur sur des pièces fixes au cours de la fabrication ou pour positionner le transducteur à l'intérieur d'un boîtier au cours de l'assemblage final. Des pattes ou autres caractéristiques qui sont utilisées seulement au cours de la fabrication peuvent être ensuite retirées du dispositif. Le dispositif MUT lui-même peut aussi être aminci pour 25 lui donner une souplesse désirée. La matière absorbante a de préférence une impédance acoustique adaptée à celle de la plaquette de silicium afin d'éviter une réflexion à l'interface d'énergie acoustique se propageant vers l'arrière, c'est-à-dire dans un sens d'éloignement de la surface frontale du dispositif. La matière absorbante peut aussi posséder une conductivité thermique élevée afin de contribuer à l'évacuation de chaleur 30 du dispositif.
Les figures 2 et 3 sont des vues de côté et de dessus respectivement d'un dispositif cMUT 2 connecté à des circuits électroniques appropriés (non représentés) par des connexions électriques souples (par exemple des circuits souples) 16 et 18. Dans la forme de réalisation représentée, le dispositif cMIUT 2 est assis dans un puits formé dans 5 un corps de matière absorbante acoustique 14 (voir la figure 2). Le dessus du dispositif cMUT est sensiblement de niveau avec le dessus des parties de la couche absorbante acoustique qui s'étendent au-delà de l'empreinte du dispositif cMUT, les extrémités distales des connexions électriques souples 16 et 18 chevauchant des bords respectifs du dispositif cMUT, et des parties contiguÙs des connexions électriques souples 16 et 18 10 chevauchant et étant jointes à des parties respectives de la couche absorbante acoustique. Comme représenté sur la figure 2, la couche absorbante acoustique 14 supporte le dispositif cMUT ainsi que les connexions électriques souples. La matière absorbante acoustique peut être stratifiée directement sur le substrat de silicium ou, comme mentionné plus haut, une couche intermédiaire d'adaptation d'impédance 15 acoustique peut être incluse dans l'empilement de couches.
Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 2, les électrodes de chaque cellule formant transducteur (électrodes 10 et 12 sur la figure 1) sont connectées électriquement à des plages conductrices formées (par exemple par impression) sur les parties de la surface supérieure du dispositif cM1UT qui sont chevauchées par les 20 connexions électriques souples 16 et 18. Des techniques pour connecter électriquement des conducteurs dans différentes couches d'une structure semi-conductrice intégrée sont bien connues et ne seront pas décrites en détail dans la présente. La connexion électrique entre les circuits souples 16 et 18 et les plages conductrices (non représentées) du dispositif cMUT 2 peut être réalisée de plusieurs manières. La manière 25 préférée utilise des couches conductrices anisotropes qui sont stratifiées entre le circuit souple et le dispositif cMUT. Selon une variante, la connexion électrique peut être réalisée par soudage des connexions, soudage de bosses, fixation par colle époxy suffisamment mince pour permettre un contact électrique via des aspérités à la surface du dispositif cMUT, une couche conductrice anisotrope, ou autres procédés courants 30 pour établir un contact électrique avec le dispositif cMUT. il
Ces composants combinés représentés sur la figure 2 forment une union fragile qui, en l'absence de la matière absorbante acoustique 14, serait susceptible d'être endommagée au cours des manipulations subséquentes, en particulier dans le cas o le substrat est très mince. Comme représenté sur la figure 2, la matière absorbante 5 acoustique s'étend au-delà de la surface du dispositif cMUT actif 2 dans des première et deuxième directions, qui sont dans des sens contraires, pour offrir un support aux circuits souples de connexion électrique 16 et 18 et aux circuits électroniques associés.
Dans cet exemple, la surface du dispositif cMUT actif est sensiblement rectangulaire.
De façon mieux visible sur la figure 3, la couche absorbante acoustique s'étend aussi 10 latéralement au-delà de la surface du dispositif cMUT actif 2 dans des troisième et quatrième directions, qui sont dans des sens contraires et qui sont orthogonales aux première et deuxième directions, en formant donc des pattes de manipulation temporaires sur des côtés opposés de l'ensemble.
Dans l'exemple précédent, la matière absorbante 14 est appliquée sur le 15 dispositif cMUT 2 avant la fixation des connexions électriques 16 et 18. Les pattes (matière absorbante acoustique 14 visible sur la figure 3) s'étendent au- delà des dimensions finales du dispositif pour offrir un support de manipulation supplémentaire destiné à faciliter la fabrication. Ces pattes peuvent être ensuite retirées quand le dispositif est coupé à sa taille finale. La figure 4 est une vue de dessus du dispositif final 20 une fois que la matière absorbante a été coupée aux dimensions finales au niveau des bords 22 et 24 du réseau. Des composants électroniques peuvent être placés le long des côtés 22 et 24 du réseau perpendiculaires à la face du réseau.
Selon une forme de réalisation de l'invention, la matière absorbante acoustique a une composition qui est acoustiquement adaptée au substrat cMUT, afin d'éviter une 25 réflexion d'énergie acoustique vers l'intérieur du dispositif. Dans le cas o le substrat 4 est fait de silicium, un exemple d'une matière absorbante appropriée comprend un mélange de poudres composé de 96,3% (en masse) de tungstène (dont la granulométrie est de 85% de particules de 10 microns et 15% de particules de 1 micron) et 3,67% de poly(chlorure de vinyle) (PVC). Les poudres ont été mélangées dans un mélangeur à 30 rouleaux pendant 2 heures. Une partie de la poudre a été versée dans une matrice de compression à chaud et les pistons ont été revêtus d'une bande de polyimide Kapton(D pour éviter qu'ils n'adhèrent au produit fini. La température de la matrice a été élevée jusqu'à 200'C et la pression sur la poudre a alors été portée à 131 MPa (19000 psi). La matrice a ensuite été refroidie à température ambiante tout en maintenant la pression.
Une fois retirée de la matrice, la matière absorbante a été découpée en tranches d'épaisseurs différentes et les propriétés acoustiques ont été mesurées. L'impédance acoustique de cette matière composite est de 19,4 Mrayls. Celle-ci est très bien adaptée àl'impédance acoustique d'un substrat de cMUT en silicium, qui est de 19,8 Mrayls. La matière absorbante possède aussi une atténuation acoustique de -4,9 dB/mm à 5 MHz. 10 Cette couche a été liée au dos d'un dispositif cMUT par un époxy à basse viscosité (Epo-Tek 301 distribué commercialement par Epoxy Technology, Inc., Billerica, Massachusetts) après nettoyage et application d'un promoteur d'adhérence sur les deux surfaces. Une ligne de colle mince(inférieure à un vingtième de la longueur d'onde dans l'époxy et à la fréquence d'intérêt) est requise pour éviter une réflexion acoustique par 15 cette interface. Le collage de la matière absorbante acoustique au dispositif cMUT de cette manière offre un support au dispositif sinon fragile, en plus d'éviter une réflexion acoustique par une interface air/substrat de cMUT en silicium.
L'efficacité de la couche absorbante dépend dans une grande mesure de l'impédance et de l'absorption acoustiques de la matière absorbante. Une impédance 20 étroitement adaptée améliore considérablement le transfert d'énergie du transducteur à la matière absorbante, tandis qu'une forte absorption garantit que le son dans la couche absorbante ne va pas retourner vers le transducteur à un instant ultérieur et donc indésirable. La figure 5 est un graphe représentant le coefficient de réflexion acoustique en fonction du rapport d'impédance entre le transducteur et la matière absorbante.
Une autre série de la matière absorbante a été formée dans une matrice ronde de 4,445 cm (1,75 in) de diamètre (la matrice auparavant utilisée avait un diamètre de 2,95 cm (1,162 in)). Les mêmes composition et température ont été utilisées, mais la pression a seulement été élevée jusqu'à 68,9 IPa (10000 psi). Les résultats de ce procédé sont légèrement différents: l'impédance acoustique est Z = 20,6 + 0,3 MRayls et l'atténuation 30 acoustique A = -5,96 + 0,03 dB à 5 MHz (densité: rho = 12,17 + 0,08 et vitesse longitudinale: V - 1,70 + 0,01 m/s). Les figures 6 et 7 représentent respectivement la réponse impulsionnelle et le spectre de fréquences d'un réseau cMUT avant stratification de la couche absorbante acoustique sur le réseau. Les cercles sur les figures 6 et 7 montrent respectivement des oscillations et une entaille dans le spectre de 5 fréquences. Les figures 8 et 9 représentent respectivement la réponse impulsionnelle et le spectre de fréquences d'un réseau cMUT après stratification de la couche absorbante acoustique sur le réseau. Les cercles sur les figures 8 et 9 montrent respectivement l'absence d'oscillations et l'absence d'entaille dans le spectre de fréquences.
Les personnes compétentes dans l'art comprendront que la composition de la 10 matière absorbante acoustique peut varier par rapport à l'exemple donné plus haut.
Toutefois, l'impédance acoustique de la matière absorbante obtenue doit être adaptée à celle du silicium, à savoir d'environ 19,8 MRayls 5%. Des facteurs qui affectent cette valeur sont non seulement le rapport tungstène/PVC, mais aussi la quantité respective de tungstène de 1 micron par rapport au tungstène de 10 microns, la pression à laquelle 15 la matière est formée, la température et la durée de compression de la matière. Les intervalles de composition approchés qui conviennent pour la matelassure des cMUT vont de 96,0% tungstène + 4,0% PVC à 96,65% tungstène + 3,35% PVC (en supposant qu'un écart de 3% en densité donne grossièrement un écart de 5% en impédance acoustique, et un écart de vitesse de 2%).
Selon une autre forme de réalisation de l'invention, la matière absorbante qui est acoustiquement adaptée au substrat de eMUT peut être conçue pour posséder une conductivité thermique élevée. Cela peut être obtenu en changeant la composition de la matière absorbante pour inclure des particules d'une ou plusieurs charges à forte conductivité thermique dispersées dans la matrice de la matière absorbante. Des 25 exemples de charges à forte conductivité thermique incluent, sans y être limités, W, BN, AIN, A1203, et le diamant. La matrice de la matière absorbante peut être un PVC, un époxy, ou autre matière de matrice appropriée pour supporter la charge. La composition restante de la matière absorbante peut aussi être modifiée afin de conserver les propriétés requises en impédance acoustique et atténuation acoustique. Une matière 30 absorbante de ce type va offrir de meilleures performances en -termes d'élimination de la chaleur dégagée par le cMIUT et les circuits électroniques associés hors du dispositif en vue d'une dissipation ailleurs. L'élimination de chaleur du dispositif est importante pour maintenir les performances du dispositif et en raison de limites thermiques renforcées FDA imposées sur la face frontale des dispositifs d'imagerie ultrasonore médicale.
Un autre avantage de cette invention est d'offrir un support pour la fabrication d'un dispositif cMUT très mince. Dans certaines applications, il peut être avantageux que le dispositif cMiUT soit souple et puisse être plié pour épouser une forme. Pour fabriquer un tel dispositif en utilisant la technologie actuelle, il serait nécessaire que la plaquette de silicium soit plus mince que ce qui est courant dans l'industrie. Dans ce cas, 10 une matière absorbante appropriée est utile à la fois pour les manipulations ultérieures et aussi potentiellement pendant la fabrication du dispositif cMUT lui-même. Par exemple, une plaquette de silicium pourrait être attachée à une matière absorbante acoustique et ensuite amincie jusqu'à la dimension finale appropriée. La plaquette peut être amincie en utilisant n'importe lequel de plusieurs procédés, tels qu'une gravure ou un polissage 15 mécanique. La matière absorbante acoustique, en plus des propriétés acoustiques, va aussi posséder une souplesse suffisante pour permettre une flexion de l'ensemble comprenant le dispositif final et la matière absorbante. Dans cet exemple, la matière absorbante est appliquée sur la plaquette de silicium avant la construction du dispositif cMUT, auquel cas on peut considérer que la matière absorbante fait partie de l'ensemble 20 du dispositif entier.
Inversement, un dispositif final similaire peut être construit comme suit. La face frontale du dispositif cMUT peut être liée à une membrane de support et ensuite la surface dorsale du silicium peut être amincie à un degré suffisant pour donner de la souplesse au dispositif. Une matière absorbante acoustique formée ou enrobante est 25 ensuite attachée au dispositif cNfUT aminci et la membrane de support frontale est retirée pour obtenir le dispositif final.
La forme de réalisation représentée sur la figure 2 comprend le placement d'un circuit de connexion souple sur le dessus du réseau cMIUT. Un autre moyen possible pour interconnecter le réseau consiste à amener les connexions à travers la couche 30 absorbante via des fils ou conducteurs noyés dans la matière absorbante. Ces connexions peuvent alors être amenées jusqu'à la surface du dispositif cMUT par des traversées de plaquette ou des connexions enroulées. Une autre variante consiste à placer un circuit souple sous le substrat de silicium, et à utiliser ensuite des traversées de plaquette ou des connexions enroulées pour amener les signaux jusqu'au dessus du dispositif cMUT.
Bien que l'invention ait été décrite à propos de formes de réalisation préférées, les personnes ayant des compétences dans l'art comprendront que diverses modifications peuvent lui être apportées et des équivalents peuvent remplacer certains de ses éléments sans sortir de la portée de l'invention. De plus, de nombreuses 10 modifications peuvent être apportées pour adapter une situation particulière aux enseignements de l'invention sans sortir de sa portée essentielle.
Tel qu'il est utilisé dans les revendications, le terme "transducteur à ultrasons" englobe les transducteurs à ultrasons capacitifs et piézoélectriques.
Claims (10)
1. Dispositif transducteur à ultrasons micro-usiné, comprenant: un réseau de transducteurs à ultrasons (2) micro-usiné sur un substrat; des connexions électriques souples (16, 18) connectées audit réseau de transducteurs à ultrasons; et caractérisé par: un corps (14) de matière d'atténuation acoustique qui supporte ledit substrat et lesdites connexions électriques souples.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réseau de 10 transducteurs à ultrasons comprend une multiplicité de cellules cMUT.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réseau de transducteurs à ultrasons comprend une multiplicité de cellules pMUT.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat est fait d'une matière ayant une première impédance acoustique et ladite matière d'atténuation 15 acoustique a une seconde impédance acoustique sensiblement adaptée à ladite première impédance acoustique.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche de matière d'adaptation d'impédance acoustique placée entre ledit substrat et ledit corps de matière d'atténuation acoustique, l'impédance acoustique de ladite matière 20 d'adaptation d'impédance acoustique ayant une valeur incluse entre les impédances acoustiques de la matière dudit substrat et de ladite matière d'atténuation acoustique.
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps de matière d'atténuation acoustique possède une paire de pattes qui s'étendent au-delà des bords latéraux opposés dudit substrat, lesdites pattes ne supportant pas lesdites connexions 25 électriques souples.
7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites connexions électriques souples comprennent des conducteurs imprimés sur un substrat souple fait d'une matière diélectrique.
8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps de matière 30 d'atténuation acoustique est contigu audit réseau de transducteurs à ultrasons le long de son périmètre entier, et lesdites connexions électriques souples sont contiguÙs à des faces frontales respectives de parties respectives dudit corps de matière d'atténuation acoustique et dudit réseau de transducteurs à ultrasons.
9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matière d'atténuation acoustique comprend des particules de tungstène dispersées dans une matrice de poly(chlorure de vinyle).
10. Procédé de fabrication d'un transducteur à ultrasons, caractérisé par les étapes consistant à: attacher un substrat ayant une première superficie à une couche de matière 10 absorbante acoustique ayant une seconde superficie supérieure à ladite première superficie, ledit substrat étant placé de telle manière que des parties respectives de ladite couche de matière absorbante acoustique s'étendent au-delà des bords latéraux opposés dudit substrat; amincir ledit substrat pendant qu'il est attaché à ladite couche de matière 15 absorbante acoustique, micro-usiner un réseau de cellules formant transducteurs à ultrasons sur ledit substrat; et couper lesdites parties respectives de ladite matière absorbante acoustique après ladite étape de micro-usinage.
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