FR3010272A1

FR3010272A1 - Dispositif acoustique digital a puissance sonore augmentee

Info

Publication number: FR3010272A1
Application number: FR1358462A
Authority: FR
Inventors: Fabrice Casset; Remy Dejaeger; Stephane Fanget; David Henry; Quentin Leclere
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2015-03-06
Anticipated expiration: 2033-09-04
Also published as: EP3042509B1; EP3042509A1; FR3010272B1; US20160205478A1; CN105519134A; US9900700B2; WO2015032855A1

Abstract

Dispositif acoustique digital comportant au moins une membrane suspendue (2) en regard d'un support (4) et au moins un actionneur (6, 10) associé à ladite membrane, ledit actionneur (6, 10) associé étant destiné à déplacer ladite membrane (2) en éloignement et/ou en rapprochement dudit support (4), ledit dispositif comportant également des moyens d'arrêt (14) destinés à interrompre le déplacement de ladite membrane (2) suite à l'activation dudit actionneur lorsque la membrane a une vitesse non nulle, les moyens d'arrêt (14) étant dimensionnés de sorte à interrompre le déplacement de la membrane (2) lorsque le déplacement de la membrane est supérieur ou égale à 50% de la flèche de la membrane et inférieur ou égale à 95% de la flèche de la membrane.

Description

DISPOSITIF ACOUSTIQUE DIGITAL A PUISSANCE SONORE AUGMENTEE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte à un dispositif acoustique digital à puissance sonore augmentée, par exemple un haut-parleur digital ou un système d'imagerie photo acoustique. Les haut-parleurs sont présents dans un grand nombre d'appareils tels que les téléphones portables, les écrans plats... et leur miniaturisation est recherchée. Les technologies MEMS peuvent permettre d'obtenir des haut-parleurs ultrafins. La technologie MEMS est particulièrement adaptée pour réaliser des haut-parleurs digitaux, pour lesquels la grande membrane du haut-parleur analogique est remplacée par plusieurs membranes unitaires ou plus généralement par plusieurs transducteurs acoustiques ultrafins, désignés speaklets, de petites tailles, permettant de reconstituer le son. Dans le cas du haut-parleur digital, chaque speaklet est actionné individuellement selon le son à reconstruire, dans une position haute, ou dans une position basse. Les haut-parleurs digitaux offrent néanmoins un faible niveau sonore. Des solutions ont été proposées pour augmenter la pression acoustique d'un microphone. Par exemple le document US 2011/0075867 décrit un microphone comportant une membrane munie en son centre d'une masse ayant pour effet de réduire la fréquence de résonance de la membrane et ainsi d'augmenter la pression acoustique. Le document US 2011/0051985 décrit un microphone digital comportant une membrane munie d'un piston fixé sur la membrane.

EXPOSÉ DE L'INVENTION C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif acoustique digital, par exemple un haut-parleur offrant une puissance acoustique augmentée.

Le but précédemment énoncé est atteint par un dispositif acoustique digital comportant au moins une membrane suspendue, au moins un actionneur associé à la membrane pour la déplacer vers le haut ou vers le bas, et des moyens interrompant le déplacement de la membrane suite à l'activation de l'actionneur associé à la membrane. Les moyens d'interruption sont dimensionnés de sorte que le déplacement de la membrane est interrompu lorsqu'elle présente une vitesse non nulle. De manière préférée, la vitesse à laquelle le déplacement vers le haut ou vers le bas, du fait de l'utilisation de l'actionneur associé est stoppé est la vitesse maximale ou sensiblement maximale que peut avoir la membrane. Plus la décélération de la membrane est grande plus la pression acoustique générée par le déplacement de la membrane sera grande. En d'autres termes, dans le dispositif acoustique digital selon l'invention le déplacement de la membrane est interrompu volontairement, de préférence lorsqu'elle présente une vitesse élevée, voire maximale pour obtenir une décélération brutale de la membrane et ainsi générer une pression acoustique élevée. Ces éléments d'arrêt sont donc dimensionnés pour interrompre le déplacement de la membrane avant qu'elle n'atteigne la fin de sa course. Avantageusement, les moyens pour stopper la membrane au cours de son déplacement sont portés par un substrat en regard de la membrane ils forment un ou des éléments en saillie du substrat en direction de la membrane et sont dimensionnés pour entrer en contact avec la membrane lorsqu'elle présente une vitesse non nulle, de préférence une vitesse élevée et de manière encore préférée une vitesse maximale. De préférence, la distance entre l'extrémité libre du ou des éléments d'arrêt et la membrane au repos est comprise entre 50% et 75% de la flèche de la membrane. En variante, les moyens pour stopper la membrane au cours de son déplacement sont portés par la membrane ils forment un ou des éléments en saillie et sont dimensionnés pour entrer en contact avec substrat en regard de la membrane lorsqu'elle présente une vitesse non nulle, de préférence une vitesse élevée et de manière encore préférée une vitesse maximale. De préférence, la distance entre l'extrémité libre du ou des éléments d'arrêt et le support lorsque la membrane est au repos est comprise entre 50% et 75% de la flèche de la membrane. Le dispositif acoustique digital peut être un haut-parleur digital ou un système d'imagerie photo acoustique. La présente invention a alors pour objet un dispositif acoustique digital comportant au moins une membrane suspendue en regard d'un support et au moins un actionneur associé à ladite membrane, ledit actionneur associé étant destiné à déplacer ladite membrane en éloignement et/ou en rapprochement dudit support, ledit dispositif comportant également des moyens d'arrêt destinés à interrompre le déplacement de ladite membrane suite à l'activation dudit actionneur lorsque la membrane a une vitesse non nulle, les moyens d'arrêt étant dimensionnés de sorte à interrompre le déplacement de la membrane lorsque le déplacement de la membrane est supérieur ou égal à 50% de la flèche de la membrane et inférieur ou égal à 75% de la flèche de la membrane. De manière préférée, les moyens d'arrêt sont dimensionnés de sorte à interrompre le déplacement de la membrane lorsque le déplacement de la membrane est compris entre 50% et 60% de la flèche de la membrane. Avantageusement, les moyens d'arrêt sont dimensionnés de sorte à interrompre le déplacement de la membrane lorsqu'elle se déplace à sa vitesse maximale ou à une vitesse proche de sa vitesse maximale.

Les moyens d'arrêt peuvent comporter au moins un élément d'arrêt en saillie du support en direction de la membrane et/ou en saillie de la membrane en direction du support, et présentant une extrémité libre séparée d'un distance non nulle respectivement de la membrane et/ou du support à l'état repos. L'élément d'arrêt peut être situé en regard d'une zone centrale de la membrane ou peut être fixé dans une zone centrale de la membrane. Avantageusement, la distance séparant l'extrémité libre de l'élément d'arrêt et la membrane ou l'extrémité libre de l'élément d'arrêt et le support est compris entre de la flèche de la membrane. De manière avantageuse, le dispositif acoustique digital comporte une pluralité d'éléments d'arrêt. De préférence, les éléments d'arrêt sont répartis sur une zone correspondant à une surface représentant entre 10% et 50% de la surface de la membrane. Dans un exemple de réalisation, le dispositif acoustique digital comporte un fluide gazeux entre la membrane et le support, le dispositif comprenant au moins un passage dans le support pour l'écoulement du fluide gazeux de sorte à réduire l'amortissement visqueux. Le passage peut être formé entre deux éléments d'arrêt. Par exemple le ou les éléments d'arrêt ont une forme de colonne à section, circulaire, carrée, ellipsoïdale ou trapézoïdale. Le ou les éléments d'arrêt peuvent être d'un seul tenant avec le support et/ou la membrane.

Selon une caractéristique additionnelle, le ou les éléments d'arrêt sont formés d'une ou plusieurs couches de matériaux rapportés sur le substrat et/ou la membrane.

L'actionneur peut être porté par la membrane et est en regard de l'extrémité libre de l'élément d'arrêt, ledit dispositif comportant une couche de protection déposée sur l'actionneur de sorte à le protéger du contact avec l'extrémité libre de l'élément d'arrêt.

Au moins un actionneur peut être formé par un actionneur piézoélectrique. Le dispositif acoustique digital peut comporter un premier actionneur en contact avec la membrane destiné à exercer un effort sur la membrane selon un premier sens, un deuxième actionneur en contact avec la membrane destiné à exercer un effort sur la membrane selon un deuxième sens opposé au premier. Les premier et deuxième actionneurs peuvent comporter un matériau piézoélectrique ferroélectrique, chacun des premier et deuxième actionneurs étant destinés à déformer la membrane dans un sens opposé.

Dans un exemple de réalisation, le premier actionneur borde la périphérie extérieure de la membrane et le deuxième actionneur est situé sensiblement dans une zone centrale de la membrane. Le dispositif acoustique digital peut comporter un deuxième support en regard de la membrane à l'opposé du premier support, ledit deuxième support comportant des moyens d'arrêt destinés à interrompre le déplacement de ladite membrane suite à l'activation dudit deuxième actionneur. De manière préférée, le dispositif acoustique digital comporte une pluralité de membranes et d'actionneurs associés à chacune des membranes. La présente invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un dispositif acoustique digital selon l'invention, a) réalisation de la membrane et de l'actionneur b) réalisation des moyens d'arrêt sur le support et/ou sur la membrane, c) assemblage de la membrane et de l'actionneur avec le support de sorte que les moyens d'arrêt soient en regard respectivement de la membrane et/ou du support, à une distance donnée lorsque la membrane est au repos.

L'élément d'arrêt peut avantageusement être réalisé simultanément à au moins une connexion électrique de l'actionneur, entre le support et l'actionneur, Dans un exemple de réalisation, préalablement à la réalisation de l'élément d'arrêt et de la connexion électrique, une ligne électrique peut être réalisée, la connexion électrique étant formée sur ladite ligne électrique, de sorte que la hauteur de l'ensemble connexion ligne électrique est supérieure à celle de l'élément d'arrêt. Dans un autre exemple de réalisation, préalablement à la réalisation de l'élément d'arrêt, un évidement peut être réalisé dans une zone du support où est formé l'élément d'arrêt de sorte que la hauteur de l'ensemble support et connexion électrique est supérieure à celle de l'ensemble support et élément d'arrêt. L'élément d'arrêt est par exemple réalisé dans ledit substrat et/ou la membrane par gravure.

Par exemple l'assemblage entre le support et la membrane se fait pas thermocompression et/ou collage, par exemple par collage moléculaire... Les étapes a) et b) sont réalisées avantageusement par des techniques microélectroniques. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins en annexes sur lesquels : - la figure lA est une vue de dessus d'un exemple d'une membrane munie d'actionneur pour un haut-parleur digital de l'invention, - les figures 1B et 1C sont des vues de côté de la membrane de la figure 1A dans deux états différents, - la figure 2 est une vue de côté d'un exemple de réalisation d'haut-parleur selon l'invention, - la figure 3 est une vue de côté d'un autre exemple de réalisation d'un haut-parleur selon l'invention, - la figure 4 est une représentation graphique de l'accélération de la membrane en fonction du temps t pour un système de l'état de la technique et un haut-parleur selon l'invention, - les figures 5A à 5R sont des représentations schématiques d'étapes de réalisation d'une membrane et des actionneurs d'un haut parleur selon un exemple de procédé de réalisation, - les figures 6A à 6D sont des représentations schématiques d'étapes de réalisation d'un support muni de moyens d'arrêt selon l'invention selon un exemple de procédé de réalisation, - la figure 7 est une représentation schématique d'une variante du procédé des figures 6A à 6D, - les figures 8A à 8C sont des représentations schématiques d'étapes de réalisation d'un support muni de moyens d'arrêt selon l'invention selon un autre exemple de procédé de réalisation, - la figure 9 est une représentation schématique d'un haut-parleur comportant des moyens d'arrêt en regard de chacune des faces de la membrane. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans la description qui va suivre, l'invention sera décrite en considérant un haut-parleur digital mais il sera compris que l'invention porte également sur un système d'imagerie photo acoustique, et plus généralement sur un dispositif acoustique digital.

Un haut-parleur digital comporte une pluralité de transducteurs acoustiques ou speaklets commandés individuellement. Le son à reproduire est reconstruit par le principe de l'additivité des sons élémentaires des speaklets dans l'air. Dans la description qui va suivre, nous considérerons un haut-parleur élémentaire comportant un speaklet. Sur les figures 1A à 1C et 2, on peut voir un exemple particulièrement avantageux de haut-parleur élémentaire à actionnement piézoélectrique. Sur les figures 1A à 1C, seule la membrane est représentée avec les actionneurs. Sur la figure 2, on peut voir le haut-parleur digital comportant une membrane 2 sous forme de disque suspendu sur un support 4, un élément en matériau piézoélectrique 6 en forme d'anneau situé sur une face supérieure de la membrane 2 et sur le bord extérieur de la membrane 2. La périphérie extérieure de l'anneau 6 est sur le support 4 et la périphérie intérieure est sur la membrane 2. L'anneau est connecté à une source de tension ou de courant 8 comme cela est schématisé sur les figures 1C et 1B de sorte qu'il forme un premier actionneur apte à mettre en mouvement la membrane 2. Pour cela, une électrode est prévue sur la face supérieure et la face inférieure de l'anneau 6 pour assurer sa connexion à la source de tension 8. Dans l'exemple représenté et de manière avantageuse, le dispositif à membrane comporte également un deuxième élément en matériau piézoélectrique 10 sous forme de disque dans l'exemple représenté, et situé dans une partie centrale de la face supérieure de la membrane 2. Le disque 10 est également connecté à une source de tension ou de courant 12 comme cela est schématisé sur les figures 1C et 1B de sorte qu'il forme un deuxième actionneur apte à mettre en mouvement la membrane 2. Une électrode est prévue sur chaque face de l'anneau pour assurer sa connexion à la source de tension 8. Dans une autre variante, la membrane peut présenter une forme carrée ou rectangulaire, dans ce cas l'actionneur peut avoir une forme similaire à celle de la membrane mais avec une surface différente.

Il est à noter que le deuxième actionneur ne présente aucune partie de sa surface ancrée sur la partie support. Les premier et deuxième actionneurs peuvent être réalisés avec les mêmes matériaux piézoélectriques ou avec des matériaux piézoélectriques différents. Dans un exemple de réalisation, les actionneurs sont réalisés à partir de matériaux piézoélectriques ferroélectriques tels que le PZT. Les déplacements de la membrane obtenus grâce à ces actionneurs sont ceux représentés sur les figures 1B et 1C.

En effet, quelle que soit le signe de la tension appliquée, si celle-ci est supérieure en valeur absolue au champ coercitif du matériau piézoélectrique ferroélectrique, alors celui-ci se dilate dans l'épaisseur et se contracte radialement. Par conséquent, les déplacements vers le haut ou vers le bas de la membrane sont provoqués par la forme et la position de l'actionneur sur la membrane et non par le signe de la tension de commande. Dans l'exemple représenté, l'application d'une tension sur le premier actionneur 6 provoque un déplacement de la membrane 2 vers le haut, elle présente alors une forme convexe par rapport au support 4. L'application d'une tension sur le deuxième actionneur 10 provoque un déplacement de la membrane 2 vers le bas qui présente alors une forme concave par rapport au support 4. Dans un autre exemple de réalisation, les actionneurs sont réalisés à partir de matériaux piézoélectriques comme par exemple AIN, ZnO... Une tension positive provoque la dilatation du matériau piézoélectrique alors qu'une tension négative va induire sa contraction. Ainsi les déplacements vers le haut et le bas peuvent être obtenus en utilisant un seul actionneur. L'amplitude du déplacement de la membrane est proportionnelle à la tension appliquée aux bornes des actionneurs.

La mise en oeuvre de deux actionneurs présente l'avantage de pouvoir déplacer la membrane vers le haut et vers le bas, ce qui permet de réaliser plus facilement un haut-parleur offrant une reproduction fine du son. Mais un haut-parleur comportant un seul actionneur ne sort pas du cadre de la présente invention. Par ailleurs, le dispositif acoustique digital selon l'invention peut comporter d'autres types d'actionneur que des actionneurs piézoélectriques, il peut s'agir d'actionneurs électrostatiques, magnétiques, thermiques... qui sont bien connus de l'homme du métier. Selon un exemple de réalisation de l'invention, et comme cela est plus particulièrement visible sur la figure 2, des éléments en saillie sont prévus sur un substrat en regard de la membrane et en direction du la membrane sorte à former de éléments d'arrêt du déplacement de la membrane alors qu'elle se déplace à une vitesse non nulle. La hauteur des éléments d'arrêt 14 est choisie de sorte que leur extrémité libre 14.1 entre en contact avec le substrat alors que la membrane a une vitesse non nulle. La distance entre la membrane au repos et l'extrémité libre 14.1 des éléments d'arrêt est désignée h. De manière préférée, la hauteur des éléments d'arrêt est telle que l'extrémité libre des éléments d'arrêt entre en contact avec la membrane alors que la membrane a sa vitesse maximale ou sensiblement maximale. En variante, les éléments en saillie peuvent être situés en dessous de la membrane dans la représentation de la figure 2. De manière avantageuse la distance h est comprise entre 50% et 75% de la flèche de la membrane. Préférentiellement la hauteur des éléments d'arrêt est fonction de la déformée de la membrane. Dans le cas d'éléments d'arrêt ayant tous la même hauteur, les éléments d'arrêt situés au plus près du centre de la membrane vont entrer en contact avec la membrane en regard en premier. La membrane, du fait de l'inertie engendrée par son mouvement va continuer à se déformer pendant un court instant, et les butées plus en périphérie vont venir en contact à leur tour. De préférence, les éléments d'arrêt sont situés en regard d'une zone centrale de la membrane présentant la plus grande déformée c'est également la zone présentant la vitesse la plus élevée. La partie centrale présente par exemple la moiti du diamètre de la membrane. Les éléments d'arrêt sont répartis sur une partie de la surface de la membrane afin de ne pas risquer d'endommager, voire casser la membrane. La distance entre l'extrémité libre d'au moins un élément d'arrêt 14 et la membrane au repos est alors inférieure à la flèche de la membrane, de sorte à assurer un contact entre l'extrémité libre 14.1 de l'élément d'arrêt et la membrane avant qu'elle n'ait une vitesse nulle. La mise des éléments d'arrêt en regard de cette zone permet de provoquer une décélération importante et donc la génération d'une pression acoustique élevée. Un seul élément d'arrêt 14 jusqu'à plusieurs dizaines voire plusieurs centaines d'éléments d'arrêt peuvent être prévus. De préférence le ou les éléments d'arrêt sont répartis sur une zone ayant une surface correspondant à entre 10% et 50% de la surface de la membrane. Les éléments d'arrêt peuvent présenter toute forme, par exemple présenter un forme cylindrique à section circulaire, ellipsoïdale, une forme de pavé droit... La section des éléments d'arrêt est déterminée en fonction du nombre d'éléments d'arrêt, et/ou de la surface de la membrane et/ou de la rigidité de la membrane. La section des éléments d'arrêt peut par exemple être comprise entre quelques dizaines de p.rn2à quelques mm2. La distance entre les éléments d'arrêt est également choisie en fonction de la surface de la membrane et/ou de la rigidité de la membrane. Par exemple, plus la membrane sera souple, plus les éléments d'arrêt seront proches les uns des autres pour limiter, voire éviter les déformations parasites de la membrane. Cette distance est de préférence comprise entre quelques dizaines de um et quelques mm, cette distance permettant en outre de réduire l'amortissement gazeux qui peut être induit par la présence de ces éléments d'arrêt. De manière avantageuse, au moins un passage 16 est prévu dans le substrat en regard de la membrane dans le substrat afin de limiter l'apparition d'un amortissement visqueux lorsque la membrane se rapproche des éléments d'arrêt, ce passage permettant à l'air ou à tout autre fluide gazeux de s'écouler et de ne pas ou peu amortir le déplacement de la membrane. Dans l'exemple représenté, des passages 16 sont réalisés entre les éléments d'arrêt. Avantageusement, une couche de protection est formée au moins sur l'actionneur central 10 de sorte que le contact entre les éléments d'arrêt et l'actionneur ne l'endommage pas. Dans d'autres réalisation d'actionneur, de préférence les éléments d'arrêt sont disposés par rapport à l'actionneur ou aux actionneurs de sorte à ne pas entrer en contact avec l'actionneur. Par exemple dans la configuration des actionneurs 6 et 10 de la figure 1, les éléments d'arrêt sont disposés entre les actionneurs 10 et 6. En considérant une membrane présentant une petite surface, la disposition des éléments d'arrêt uniquement sur une couronne est suffisante pour arrêter la membrane et ne pas induire une trop grande déformation du centre de celle-ci. La distance entre la position repos de la membrane et l'extrémité libre 14.1 de l'élément d'arrêt est déterminée en fonction de la dimension de la membrane et de ces matériaux le formant, en particulier des propriétés mécaniques de ceux-ci, définies notamment par le module d'Young, la densité et le coefficient de Poisson, ces paramètres fixant la course maximale de la membrane.

Pour déterminer la course maximale de la membrane, on calcule le déplacement de la membrane. Celui-ci peut être calculé par des logiciels de calculs par éléments finis tels que les logiciels ANSYS, COVENTOR... ou analytiquement comme dans l'équation suivante donnant le déplacement dynamique de la membrane : (I- }nit. M, Avec : 2g32,E, zg3,E,V 3t, -2t3) P3 - (1-#1))633 D 1 S12 fj33 = 11 SD 11 1-#1 21=1+111, Â2=6+2111,À3=5+11 H ,(r)relf. +8P2 f H2(r)rilr 4 I 6P., H,(r)rcli- 1.72-12,0'0.r. (r)rdr 171 w- ,(1 (r) = 20.ti'2» -8.11b2r2 +.1:h4 +/12 (142 r) = 20Â12,-4 -8.y2b2r2 A-A(12/112r' H3(r)= (42,r2 -À.2 2 114(r) ,---- -2,trr 2,b4)2 4/1.1r2 -kb2 g31 est le coefficient piézoélectrique qui relie le champ électrique appliqué hors plan (direction 3) et la contrainte dans le plan (direction 1), V désigne la tension appliquée. s11° et S12D sont respectivement les déformations relatives dans le plan (direction 1 et 2) obtenues en réponse à une contrainte appliquée selon la direction 1. L'exposant D signifie « à charge constante ». b est le rayon de la couche piézoélectrique. Cette équation est par exemple explicitée dans le document Li, « Theoretical modeling of a circulai. piezoelectric actuator for micro systems », ICINA 2010. On détermine ensuite la distance entre la membrane au repos et l'extrémité libre 14.1 de l'élément d'arrêt 14. Cette distance est choisie suffisante pour permettre à la membrane d'atteindre une vitesse importante, de manière préférée sa vitesse maximale. De préférence, le contact entre la membrane et l'extrémité libre de l'élément d'arrêt a lieu avant que la membrane ne décélère. On choisira de préférence une distance entre la membrane au repos et l'extrémité libre de l'élément d'arrêt comprise entre 50% à 75% de la course maximale de la membrane, préférentiellement entre 50% et 60%.

A titre d'exemple, pour une membrane de rayon 500 um par exemple, la déflexion de la membrane sera de l'ordre de 3 um. Si on choisit h de sorte à être à 50% de la course maximale, h sera donc de 1,5 um. Sur la figure 3, on peut voir un autre exemple de réalisation, dans lequel les éléments d'arrêt sont portés par la membrane. Dans ce cas, on fixe la distance h' entre les extrémités libres 14.1' des éléments d'arrêt 14' et le substrat lorsque la membrane est au repos comprise entre 50% et 75% de préférence de la flèche de la membrane. Les caractéristiques des éléments d'arrêt portés par le substrat, telles que la section, l'espacement... décrites pour les éléments d'arrêt 14 s'appliquent également aux éléments d'arrêt 14'. Sur la figure 4, on peut voir représentée, en fonction du temps, la variation de l'accélération a d'une membrane d'un haut-parleur selon l'invention (courbe désignée I) et la variation de l'accélération d'une membrane d'un haut-parleur de l'état de la technique sans élément d'arrêt (courbe désignée II). Les aires des 2 courbes sont identiques, mais le pic désigné p dû à la décélération de la membrane est plus brutal que celui du pic de la courbe II et son amplitude est supérieure à celle du pic de la courbe II à l'accélération. A désigne le contact entre le ou les éléments d'arrêt et la membrane dans la réalisation de la figure 2. Or la pression acoustique provoquée par un speaklet et ainsi la capacité du haut-parleur digital à reconstituer un son audible du niveau sonore souhaité, dépend de la vitesse (accélération a) de la membrane du speaklet et de sa capacité à ne pas provoquer de parasite, i.e. sa capacité à ne pas présenter d'oscillations parasites. La pression acoustique en fonction de l'accélération s'écrit : P (r ,t) po .a2 dV (t) r dt Ou bien P(r,t) 2 P(r, ,t) Po.a = Acc(t) r ou bien = P 0 .S Acc(t) IT . r Avec p0 : masse volumique de l'air a : rayon de l'élément mobile S : surface de l'élément mobile r : distance d'écoute V : vitesse de l'élément mobile Acc : accélération de l'élément mobile Si a augmente, la pression acoustique va augmenter. L'équation ci-dessus s'applique également avec la décélération. Selon la présente invention, on augmente la décélération. En augmentant celle-ci, on augmente également la pression acoustique.

Nous allons maintenant décrire un exemple particulièrement avantageux d'un procédé de réalisation d'un haut-parleur selon l'invention. Les étapes sont représentées schématiquement sur les figures 5A à 5R.

Par exemple, on utilise un substrat en silicium 100 représenté sur la figure 5A, ayant par exemple une épaisseur de 725 um et un diamètre de 200mm de diamètre. Lors d'une première étape, on effectue une oxydation thermique du substrat de sorte à former une couche d'oxyde 102 sur toutes les surfaces du substrat d'une épaisseur de 2 um par exemple. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5B. Ensuite, on réalise un masque dur d'oxyde 104 sur la face arrière du substrat. Ce masque a par exemple une épaisseur de 7 um. le masque est réalisé en retournant le substrat; en fonction de la composition de dépôt choisie; il est possible de ne déposer le masque que sur cette face. Il peut s'agir par exemple d'un dépôt de type PVD (Physical Vapor Deposition en terminologie anglo-saxonne). L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5C. On effectue ensuite une lithographie en face arrière de sorte à atteindre le silicium. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5D.

Lors d'une étape suivante, on grave, par exemple par gravure ionique réactive (RIE : Reactive-Ion Etching en terminologie anglo-saxonne), le masque dur en face arrière de sorte à atteindre la face arrière du substrat 100. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5E. Lors d'une étape suivante, on retire la couche d'oxyde sur la face avant, par exemple par désoxydation ou gravure chimique. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5F. Lors d'une étape suivante, on forme une couche d'oxyde 106 en face avant. Avantageusement, un recuit de densification a lieu par exemple à une température de l'ordre de 800°C. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5G. Lors d'une étape suivante, on forme une couche 108 en face avant destinée à former la membrane 2, et une couche 110 en face arrière. De préférence, ces couches sont par exemple en polysilicium, en SiC ou en Si02. L'épaisseur des couches 108, 110 est par exemple comprise entre quelques centaines de nm à plusieurs iim, voire plusieurs dizaines de iim. Les couches 108, 110 sont par exemple réalisées par dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour Chemical Vapor Deposition en terminologie anglo-saxonne) ou par croissance épitaxiale. De préférence, les contraintes des couches 108, 110 sont maîtrisées. Les couches 108, 110 peuvent être formées en plusieurs fois. Par exemple, pour une épaisseur de 4 iim, deux couches de 1,5 iim d'épaisseur et 1 couche de 1 iim d'épaisseur sont réalisées successivement.

Avantageusement une étape de recuit a ensuite lieu. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5H. Lors d'une étape suivante, une couche 112 est formée sur la couche 108, par exemple en Si02 ou en SiN, ayant par exemple une épaisseur comprise entre quelques centaines de nm et plusieurs iim. La couche 112 est formée par exemple par oxydation thermique ou par dépôt CVD. Avantageusement, un recuit de densification a lieu par exemple à une température de l'ordre de 800°C. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 51. Lors d'une étape suivante, on réalise les premier et deuxième actionneurs. Pour cela on réalise tout d'abord une couche 114 destinée à former les électrodes inférieures des actionneurs, par exemple en Pt, Mo. La couche 114 est réalisée par exemple par dépôt sur la couche 112. La couche 114 a par exemple une épaisseur comprise entre quelques dizaines de nm à quelques centaines de nm. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5J. Une couche de matériau piézoélectrique 116 est ensuite formée sur la couche 114, par exemple en PZT, AIN, ZnO, LNO dont l'épaisseur est par exemple comprise entre quelques centaines de nm à quelques um. On réalise ensuite l'électrode supérieure par formation d'une couche 118 sur le matériau piézoélectrique 116, par exemple en Ru ou en Au par exemple d'épaisseur comprise entre quelques dizaines de nm à quelques centaines de nm. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5K.

Ont lieu ensuite des étapes de gravure. Tout d'abord, la couche 118 est gravée de sorte à délimiter l'actionneur annulaire 8 et l'actionneur en forme de disque 10. Ensuite, la couche 116 en matériau piézoélectrique est gravée. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5L.

Ensuite, on grave à nouveau les portions de couche 118 restantes de sorte à ce qu'elles soient en retrait par rapport aux portions de couche 116. La couche 114 est ensuite gravée, ainsi que la couche d'oxyde 112. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5M.

De préférence, on réalise un profil en escalier. Celui-ci est obtenu car toutes les couches sont déposées puis gravées, à partir de la couche supérieure, en utilisant des masques de photolithographie différents, le deuxième masque étant plus large que le premier, etc. Cela permet de laisser des marges de sécurité pour éviter le recouvrement de couches, qui pourrait apparaître du fait de l'incertitude de positionnement des masques. On évite ainsi tout court circuit électrique entre les électrodes. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5N. Lors des étapes suivantes, on réalise des plots de reprise de contact 120. Préalablement on forme une couche 122 de matériau diélectrique, par exemple en Si02 sur les bords des empilements formés des électrodes inférieure, supérieure et du matériau piézoélectrique, cette couche étant gravée de sorte à dégager partiellement les électrodes inférieure et supérieure. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 50.

Ensuite, une couche par exemple en AISi ou en TiAu est formée et est gravée, formant ainsi des plots de contact au niveau des zones où les électrodes ont été dégagées. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5P. Avantageusement, lors d'une étape suivante on forme une couche de protection 124 sur les actionneurs, par exemple une couche d'oxyde, afin de protéger les actionneurs du contact avec les éléments d'arrêt. L'épaisseur de cette couche peut être comprise entre quelques centaines de nm à quelques um, par exemple 500nm. Lors d'une étape suivante la couche 124 est gravée, pour accéder aux reprises de contact. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5Q. De préférence, lors d'une étape suivante, on protège les actionneurs, par exemple par le dépôt d'un film sec 126. Ensuite, on grave la face arrière afin de libérer la membrane 2.

On libère la membrane par gravure profonde du substrat par la face arrière jusqu'à atteindre la membrane. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5R. La réalisation des éléments d'arrêt va maintenant être décrite, dans cet exemple, ceux-ci sont réalisés sur un substrat de type "interposer", i.e. comportant des connexions électriques et/ou des circuits électroniques (de commande, des capteurs...). Dans l'exemple représenté et de manière très avantageuse, les éléments d'arrêt sont réalisés simultanément aux connexions électriques 18, également désignées microbumps ou copper pillar. Ainsi le procédé de réalisation est plus rapide. Les éléments d'arrêt ont donc une structure similaire à celle des connexions électriques. Les connexions électriques sont destinées à router le signal des speaklets jusqu'à des plots en périphérie du substrat 200 ou jusqu'à l'électronique si elle est réalisée sur le substrat 20. Dans l'exemple décrit, un seul élément d'arrêt est formé, mais il sera compris que plusieurs éléments d'arrêt peuvent être formés simultanément. Pour cela, on part par exemple d'un substrat en silicium 200 (figure 6A). Lors d'une première étape, on réalise des lignes destinées à amener le signal du speaklet jusqu'à des plots de contact (non représentés) en périphérie du substrat 200, il s'agit par exemple de lignes de cuivre. On forme alors sur une des faces, une couche par exemple de TiCu 202. Puis on délimite au moyen d'une résine des zones destinées à la formation de couches de cuivre épais. Les couches de cuivre 204 sont ensuite formées par exemple par croissance. Ensuite la résine est retirée et la couche de TiCu est gravée.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 6B. Les lignes de cuivre ne sont présentes qu'a l'aplomb des plots de contact connectées aux électrodes. La zone du substrat 200 au moins à l'aplomb de la zone centrale de la membrane, ne comporte encore aucune couche. Lors d'une étape suivante, à nouveau on dépose une couche de TiCu 206 aux endroits où l'on souhaite réaliser les connexions électriques et les butées, puis on délimite des zones de croissance du Cu et on fait croître les portions de cuivre 208. Lors de cette étape on réalise les microbumps sur les deux lignes de cuivre et dans la zone du substrat 200 à l'aplomb de la zone centrale de la membrane.

On forme ensuite des couches de SnAg 210 sur les trois portions de cuivre 208 et de SnAg 210. La résine est retirée et la couche de TiCu est gravée. Les portions 208 et 210 présentent une section réduite par rapport à celle des portions 204.

De manière avantageuse, lors d'une étape suivante, des passages 16 peuvent être réalisés dans le substrat entre les connexions électriques et l'élément d'arrêt 14 par exemple par gravure; ces passages étant destinés à réduire l'amortissement visqueux comme cela a été décrit ci-dessus.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 6C. Ensuite la membrane 2 et les actionneurs 6, 10 représentés sur la figure 5R et le substrat muni des connexions électriques et de l'élément d'arrêt 14 de la figure 6C sont assemblés. Les connexions électriques 18 sont alignées avec les plots de contact, puis mises en contact avec les plots de contact.

L'assemblage se fait par exemple par thermocompression. Le haut-parleur est représenté sur la figure 6D. En pratique, le film sec est enlevé après l'assemblage des deux substrats. Dans cet exemple, la hauteur de l'élément d'arrêt est identique à celle des connexions électriques, en revanche l'élément d'arrêt étant réalisé directement sur le substrat 200, sont extrémité libre 14.1 n'entre pas en contact avec la membrane au repos. La distance entre l'extrémité libre 14.1 et la membrane désignée h est donc déterminée dans cet exemple de réalisation par l'épaisseur des portions des lignes de connexion. Pour déterminer h, on considère la membrane portant les actionneurs. Sur la figure 6D, h est la distance entre l'extrémité libre 14.1 et l'actioneur6. Dans le cas d'un haut-parleur comportant un autre type d'actionneur, celui-ci n'entrerait pas nécessairement en compte dans le calcul de la distance h. La distance h entre l'extrémité libre 14.1 de l'élément d'arrêt et la membrane est choisie de sorte à être inférieure à la flèche de la membrane, de préférence h est comprise entre 50% de la flèche et 75% de la flèche de la membrane. La déformation maximale de la membrane est déterminée à partir des dimensions de la membrane.

Dans un exemple de réalisation dans lequel un seul actionneur est utilisé, le procédé de réalisation des éléments d'arrêt et de la ou des connexions est similaire à celui décrit ci-dessus. Sur la figure 7, on peut voir une variante de réalisation des éléments d'arrêt, dans le cas où l'électronique de pilotage est réalisée sur le substrat 200. Dans ce cas, les pistes de cuivre ne sont pas requises pour fixer la hauteur h des éléments d'arrêt mais uniquement pour router le signal jusqu'à des plots ou jusqu'à l'électronique. Les connexions électriques peuvent être réalisées directement sur le substrat par le dépôt d'une couche de Ti/Cu et d'une croissance de cuivre épais. La distance h entre l'extrémité libre 14.1 de l'élément d'arrêt et la membrane est alors obtenue en réalisant un évidement 20 dans le substrat électronique 200 au niveau du futur emplacement de l'élément ou des éléments d'arrêt préalablement à la réalisation des connexions électriques et de l'élément d'arrêt. Cet évidement a une profondeur h. Cet évidement est exemple réalisée pare gravure partielle du substrat électronique 200. L'élément d'arrêt à la même hauteur que les microbumps mais, du fait de la présence de l'évidement de profondeur h, l'extrémité libre 14.1 du substrat se trouve à une distance h de la membrane au repos. Sur les figures 8A à 8C, on peut voir un autre exemple de réalisation des éléments d'arrêt. Dans ce cas, le substrat est du type "packaging", i.e. le substrat a pour fonction de recouvrir la membrane afin de 1'encapsuler. On part d'un substrat 300 par exemple en silicium (figure 8A). Ensuite, on forme un couche 3O2destinée au scellement avec la membrane, il s'agit par exemple d'or ou d'oxyde.

La couche de scellement est ensuite gravée pour ne laisser cette couche que sur la périphérie du substrat. Le substrat est ensuite structuré, par exemple par gravure partielle, afin de réaliser l'élément d'arrêt 14. La profondeur de la gravure est choisie de sorte à obtenir la distance h souhaitée entre l'extrémité" libre 14.1 de l'élément d'arrêt et la membrane. La profondeur de la gravure tient compte de l'épaisseur induite par l'assemblage, par exemple par collage or-or ou collage moléculaire. Il s'agit de prendre en compte l'épaisseur de la couche de scellement. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 8B. L'élément d'arrêt est d'un seul tenant avec le substrat de type "packaging". Cet élément est ensuite scellé avec la membrane de la figure 5Q, par exemple par collage or-or, par assemblage moléculaire (figure 8C). Il est à noter que l'on pourrait réaliser sur le substrat de type "packaging" l'élément d'arrêt par apport de matière comme dans l'exemple de la figure 7. Et inversement, il pourrait être envisagé dans le cas d'un substrat interposé de réaliser un ou des éléments d'arrêt d'un seul tenant avec le substrat interposer. Sur la figure 9, on peut voir une variante de réalisation dans lequel le haut-parleur comporte des éléments d'arrêt de la membrane en regard de ses deux faces. Cette réalisation est particulièrement adaptée au speaklet des figures 1A à 1C qui comporte deux actionneurs aptes à déplacer la membrane vers le haut et vers le bas dans la représentation de la figure 8C. Comme cela a été indiqué ci-dessus, un actionnement de la membrane dans les deux sens permet de reproduire plus finement le son.

Le haut-parleur de la figure 9 est par exemple réalisé comme cela a été décrit en relation avec les figures 8A et 8B, mais ceci n'est pas limitatif. Ensuite, on réalise un deuxième substrat tel que celui de la figure 8B. Le substrat support de la membrane est ensuite aminci de sorte à rendre son épaisseur inférieure à la course maximale de la membrane. On peut envisager de supprimer entièrement le substrat support. On assemble ensuite le substrat 300 en regard de la face de la membrane opposée à celle portant les actionneurs.

Dans l'exemple représenté, les éléments d'arrêt 14 de part et d'autre de la membrane 2 ont la même hauteur mais on pourrait prévoir que ceux-ci aient des hauteurs différentes, par exemple en fonction du niveau d'amincissement du substrat support de la membrane.

En outre, on pourrait prévoir d'assembler sur le sous-ensemble de la figure 6C et d'assembler un substrat de la figure 8B. Dans le mode de réalisation où les éléments d'arrêt seraient portés par la membrane, leur réalisation serait par exemple obtenue par dépôt de matière après l'étape représentée sur la figure 5P ou celle représentée sur la figure 5Q. Par exemple; on réaliserait les éléments d'arrêt en conservant une partie du substrat d'origine 100. Le substrat serait ensuite aminci à l'épaisseur des éléments d'arrêt voulue, puis la membrane serait libérée par gravure du substrat, on pourrait alors prévoir laisser les éléments d'arrêt. Le dispositif acoustique digital selon l'invention offre une puissance sonore augmentée avec une structure relativement simple. En outre le procédé de réalisation est peu complexifié par rapport à la réalisation de dispositifs acoustiques digitaux de l'état de la technique, en particulier dans le cas de réalisation de microbumps. Il est particulièrement adapté à la réalisation de haut-parleurs digitaux comportant une pluralité de speaklets.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif acoustique digital comportant au moins une membrane suspendue (2) en regard d'un support (4) et au moins un actionneur (6, 10) associé à ladite membrane, ledit actionneur (6, 10) associé étant destiné à déplacer ladite membrane (2) en éloignement et/ou en rapprochement dudit support (4), ledit dispositif comportant également des moyens d'arrêt (14) destinés à interrompre le déplacement de ladite membrane (2) suite à l'activation dudit actionneur (6, 10) lorsque la membrane a une vitesse non nulle, les moyens d'arrêt (14) étant dimensionnés de sorte à interrompre le déplacement de la membrane (2) lorsque le déplacement de la membrane est supérieur ou égal à 50% de la flèche de la membrane et inférieur ou égal à 75% de la flèche de la membrane.
2. Dispositif acoustique digital selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'arrêt sont dimensionnés de sorte à interrompre le déplacement de la membrane lorsque le déplacement de la membrane est compris entre 50% et 60% de la flèche de la membrane.
3. Dispositif acoustique digital selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens d'arrêt sont dimensionnés de sorte à interrompre le déplacement de la membrane lorsqu'elle se déplace à sa vitesse maximale ou à une vitesse proche de sa vitesse maximale.
4. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens d'arrêt comportent au moins un élément d'arrêt (14) en saillie du support (4) en direction de la membrane (2) et/ou en saillie de la membrane (2) en direction du support (4), et présentant une extrémité libre(14.1) séparée d'un distance non nulle respectivement de la membrane (2) et/ou du support à l'état repos.
5. Dispositif acoustique digital selon la revendication 4, dans lequel l'élément d'arrêt est situé en regard d'une zone centrale de la membrane ou est fixé dans une zone centrale de la membrane.
6. Dispositif acoustique digital selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la distance séparant l'extrémité libre (14.1) de l'élément d'arrêt (14) et la membrane (2) ou l'extrémité libre (14.1') de l'élément d'arrêt (14') et le support (4) est compris entre 50% et 75% de la flèche de la membrane.
7. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à 6, comportant une pluralité d'éléments d'arrêt (14, 14').
8. Dispositif acoustique digital selon la revendication 7, dans lequel les éléments d'arrêt (14, 14') sont répartis sur une zone correspondant à une surface représentant entre 10% et 50% de la surface de la membrane.
9. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à 8, comportant un fluide gazeux entre la membrane et le support, le dispositif comprenant au moins un passage (16) dans le support (4) pour l'écoulement du fluide gazeux de sorte à réduire l'amortissement visqueux.
10. Dispositif acoustique digital selon les revendications 7 ou 8 et 9, ledit passage (16) étant formé entre deux éléments d'arrêt (14, 14').
11. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le ou les éléments d'arrêt (14, 14') ont une forme de colonne à section, circulaire, carrée, ellipsoïdale ou trapézoïdale.
12. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le ou les éléments d'arrêt (14) sont d'un seul tenant avec le support et/ou la membrane.
13. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le ou les éléments d'arrêt (14) sont formés d'une ou plusieurs couches de matériaux rapportés sur le substrat et/ou la membrane.
14. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à13, dans lequel l'actionneur (6, 10) est porté par la membrane (2) et est en regard de l'extrémité libre (14.1) de l'élément d'arrêt (14), ledit dispositif comportant un couche de protection déposée sur l'actionneur (6, 10) de sorte à le protéger du contact avec l'extrémité libre (14.1) de l'élément d'arrêt (14).
15. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel au moins un actionneur (6, 10) est formé par un actionneur piézoélectrique.
16. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à 15, comportant un premier actionneur (6, 6') en contact avec la membrane (2) destiné à exercer un effort sur la membrane (2) selon un premier sens, un deuxième actionneur (10, 10') en contact avec la membrane (2) destiné à exercer un effort sur la membrane (2) selon un deuxième sens opposé au premier sens.
17. Dispositif acoustique digital selon la revendication 16, dans lequel les premier et deuxième actionneurs comportent un matériau piézoélectrique ferroélectrique, chacun des premier (6) et deuxième (10) actionneurs étant destinés à déformer la membrane (2) dans un sens opposé.
18. Dispositif acoustique digital selon la revendication 16 ou 17, dans lequel le premier actionneur (6) borde la périphérie extérieure de la membrane (2) et le deuxième actionneur (10) est situé sensiblement dans une zone centrale de la membrane (2).
19. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 16 à 18, comportant un deuxième support en regard de la membrane à l'opposé du premier support, ledit deuxième support comportant des moyens d'arrêt destinés à interrompre le déplacement de ladite membrane suite à l'activation dudit deuxième actionneur.
20. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à 19, comportant une pluralité de membranes et d'actionneurs associés à chacune des membranes.
21. Dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à 20, formant un haut-parleur digital.
22. Procédé de réalisation d'un dispositif acoustique digital selon l'une des revendications 1 à 21, a) réalisation de la membrane et de l'actionneur b) réalisation des moyens d'arrêt sur le support et/ou sur la membrane,c) assemblage de la membrane et de l'actionneur avec le support de sorte que les moyens d'arrêt soient en regard respectivement de la membrane et/ou du support, à une distance (h) donnée lorsque la membrane est au repos.
23. Procédé de réalisation selon la revendication 22, dans lequel l'élément d'arrêt est réalisé simultanément à au moins une connexion électrique de l'actionneur, entre le support et l'actionneur.
24. Procédé de réalisation selon la revendication 23, dans lequel, préalablement à la réalisation de l'élément d'arrêt et de la connexion électrique, une ligne électrique est réalisée, la connexion électrique étant formée sur ladite ligne électrique, de sorte que la hauteur de l'ensemble connexion ligne électrique est supérieure à celle de l'élément d'arrêt.
25. Procédé de réalisation selon la revendication 23, dans lequel préalablement à la réalisation de l'élément d'arrêt, un évidement est réalisé dans une zone du support où est formé l'élément d'arrêt de sorte que la hauteur de l'ensemble support et connexion électrique soit supérieure à celle de l'ensemble support et élément d'arrêt.
26. Procédé de réalisation selon la revendication 24 ou 25, dans lequel l'élément d'arrêt est réalisé dans ledit substrat et/ou la membrane par gravure.
27. Procédé de réalisation selon l'une des revendications 22 à 26, dans lequel l'assemblage entre le support et la membrane se fait par thermocompression et/ou collage, par exemple par collage moléculaire...
28. Procédé de réalisation selon l'une des revendications 22 à 27, dans lequel les étapes a) et b) sont réalisées par des techniques microélectron igues. t