FR3096857A1 - Transducteur electroacoustique capacitif ultrasonore miniaturise fonctionnant a haute tension - Google Patents
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Abstract
Transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé, ayant une amplitude vibratoire de quelques dizaines de micromètres, une impédance acoustique Za et étant apte à fonctionner à des hautes tensions (alternatives ou continues) supérieures à 500 V et inférieures à 15000 V et à rayonner une pression acoustique à 1 m comprise entre 80 dB et 150 dB à une fréquence ultrasonore d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz comprenant un bloc solidaire indissociable (12) lequel comprend au moins un substrat (5, 2) sur lequel est déposé et/ou gravé deux électrodes (1, 7), au moins trois couches isolantes (3, 4, 8, 10) imperméables aux gaz et aux liquides, constituées de matériaux diélectriques de nature chimique et physique différente. Ledit transducteur comprenant une cavité (6) d’épaisseur EC supérieure à 10 µm comprise entre au moins deux couches isolantes (3, 4, 8, 10) à l’intérieur de laquelle règne une pression Pc supérieure à 10-6 mbar. Figure de l’abrégé : Figure 2a
Description
La présente invention concerne un transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé fonctionnant à des hautes tensions alternatives ou continues, de préférence à des tensions alternatives ou continues supérieures à 500 V et inférieures à 15000 V.
Elle est relative à un transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé à amplitudes vibratoires importantes de quelques dizaines de micromètres, notamment 10 µm à 200 µm, apte à fonctionner à haute tension.
Elle concerne plus particulièrement un transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé fonctionnant à haute tension avec un champ électrique variable et augmentable et avec une puissance et une sensibilité améliorable en émission et en réception.
L’invention se situe dans le domaine d’émetteur et récepteur d’onde acoustique ultrasonore haute performance permettant de déterminer les paramètres physiques d’un mobile au repos ou en mouvement dans un environnement complexe où les perturbations mécaniques, thermiques et vibratoires sont importantes tel que l’aéronautique, par exemple la vitesse d’un aéronef à partir du temps de vol de l’onde acoustique entre un émetteur et un récepteur ou une multiplicité d’émetteurs et de récepteurs.
Les transducteurs électroacoustiques capacitifs sont des transducteurs ultrasonores basés sur l’effet électrostatique, opérant dans un milieu de propagation d’ondes de type acoustique et fabriqué à partir de silicium en utilisant les techniques de micro-usinage ou de wafer bonding ou d’autres techniques connues de l’état de l’art.
La structure basique d’un transducteur électroacoustique est celle d’une capacité plane à armatures parallèles dont l’une des électrodes est fixe et l’autre mobile suivant une direction, l’électrode mobile étant dopée sur ou en-dessous de la membrane vibrante pour constituer un monobloc indissociable. Celles-ci sont naturellement séparées par une cavité, une couche isolante et éventuellement une membrane vibrante caractérisant la nature du transducteur électroacoustique en termes de performance.
En mode de fonctionnement comme émetteur, lorsqu’une tension de polarisation est appliquée entre les deux électrodes, la force électrostatique engendre un mouvement de la membrane suivant un axe. L’ajout d’une tension alternative engendre une force électrostatique alternative qui permet de faire vibrer la membrane et produit ainsi des ultrasons dans le milieu de propagation à la fréquence du signal appliqué.
L’utilisation d’une tension de polarisation permet d’augmenter le champ électrique entre les plaques et d’améliorer la puissance en émission et la sensibilité en réception.
Les transducteurs électroacoustiques sont principalement basés sur la mise en mouvement de manière électrostatique d’une membrane vibrante. Ils peuvent donc être utilisés comme émetteur et/ou récepteur d’ondes acoustiques pour déterminer les paramètres physiques comme la vitesse, la position, etc. d’un mobile au repos ou en mouvement dans un environnement complexe comme décrit dans les demandes de brevets suivantes : FR 3027398 et FR 2974908. Pour cette application spécifique (détermination des paramètres physiques d’un mobile dans un environnement complexe), les transducteurs électroacoustiques capacitifs doivent être miniaturisés, montés sur la structure de l’aéronef et fonctionner dans la gamme des ultrasons spécifiques, et être principalement caractérisés par des hautes performances requises :
(i) une pression acoustique rayonnée supérieure à 80 dB,
(ii) une fréquence ultrasonore des bas niveaux supérieure à 20 kHz, et
(iii) une amplitude vibratoire supérieure à 10 µm.
(i) une pression acoustique rayonnée supérieure à 80 dB,
(ii) une fréquence ultrasonore des bas niveaux supérieure à 20 kHz, et
(iii) une amplitude vibratoire supérieure à 10 µm.
Malheureusement, l’obtention simultanée des hautes performances (pression acoustique rayonnée supérieure à 80 dB, fréquence acoustique ultrasonore de bas niveaux supérieure à 20 kHz et amplitude vibratoire importante supérieure à 10 µm) impliquent la mise en œuvre de hautes tensions électriques conduisant à des décharges partielles et à des courants de fuite importants. D’où la nécessité d’améliorer les transducteurs électroacoustiques ultrasonores connus en les dotant simultanément de caractéristiques spécifiques de hautes tensions et de hautes performances pour être utilisés comme capteur ultrasonore pour des applications énumérées dans la présente invention.
De l’état de la technique sont connus des transducteurs piézoélectriques de puissance pouvant être employé dans la gamme des fréquences ultrasonores. Malheureusement, ces transducteurs piézoélectriques ne sont pas adaptés à des hautes tensions et moins encore à des hautes performances notamment la puissance d’émission de 80 dB.
De l’état de la technique sont connus des transducteurs capacitifs ultrasonores utilisés dans la proximité de la résonance, avec la fréquence de résonance qui, pour les transducteurs micro-usinés, varie entre des dizaines de kiloHertz et des dizaines de mégaHertz. Les dimensions des membranes correspondant à cette gamme de fréquences se situent entre des dizaines et des centaines de micromètres pour le diamètre, et entre des dixièmes et des unités de micromètre pour l’épaisseur. Un transducteur de ce type produit un niveau de pression acoustique de 112 dB à 10 mm sur une fréquence de 127 kHz. Malheureusement ces transducteurs de l’état de la technique ne fonctionnent pas à haute tension et ne permettent pas l’obtention des hautes performances nécessaires pour être utilisés dans les applications de mesures des paramètres physiques d’un mobile en mouvement ou au repos dans un environnement sévère.
La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients. Plus particulièrement, la présente invention vise à fournir un transducteur électroacoustique ayant des hautes performances et fonctionnant à haute tension sans induire de décharges partielles et en minimisant les courants de fuite.
Dans ce qui suit, les termes suivants auront la définition suivante :
- L'électroacoustique : désigne une technique associant l'acoustique et l'électricité (électronique) pour l'enregistrement, le traitement, la transmission, la création et la reproduction d’onde sonore.
- Ultrason : désigne une onde mécanique et élastique, qui se propage au travers de supports fluides : solides, gazeux ou liquides. La gamme de fréquences des ultrasons se situe entre 16 KHz et 10 000 kHz, fréquences trop élevées pour être perçues par l'oreille humaine.
- Miniaturisé : désigne les objets de petites dimensions dont la taille (longueur, largeur, profondeur, rayon) est inférieure à 3 cm.
- Capacitif : Qui relève des phénomènes électrostatiques. La capacité représente la quantité de charge électrique portée par un conducteur pour un potentiel électrique donné.
- Haute tension : les valeurs de la tension électrique supérieures à 500 V en courant alternatif ou en courant continu.
- La pression acoustique : décrit la variation de la pression en présence d’une onde acoustique.
- Les bas niveaux : désigne la gamme de fréquences ultrasonores situées vers la limite basse de l’intervalle de définition des fréquences ultrasonores, dans le cas présent, typiquement comprise entre 20 kHz et 110 kHz ; notant que ces fréquences sont très peu utilisées dans les applications d’ondes acoustiques ultrasonores.
- L'électroacoustique : désigne une technique associant l'acoustique et l'électricité (électronique) pour l'enregistrement, le traitement, la transmission, la création et la reproduction d’onde sonore.
- Ultrason : désigne une onde mécanique et élastique, qui se propage au travers de supports fluides : solides, gazeux ou liquides. La gamme de fréquences des ultrasons se situe entre 16 KHz et 10 000 kHz, fréquences trop élevées pour être perçues par l'oreille humaine.
- Miniaturisé : désigne les objets de petites dimensions dont la taille (longueur, largeur, profondeur, rayon) est inférieure à 3 cm.
- Capacitif : Qui relève des phénomènes électrostatiques. La capacité représente la quantité de charge électrique portée par un conducteur pour un potentiel électrique donné.
- Haute tension : les valeurs de la tension électrique supérieures à 500 V en courant alternatif ou en courant continu.
- La pression acoustique : décrit la variation de la pression en présence d’une onde acoustique.
- Les bas niveaux : désigne la gamme de fréquences ultrasonores situées vers la limite basse de l’intervalle de définition des fréquences ultrasonores, dans le cas présent, typiquement comprise entre 20 kHz et 110 kHz ; notant que ces fréquences sont très peu utilisées dans les applications d’ondes acoustiques ultrasonores.
L’invention a pour objet un transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé, ayant une amplitude vibratoire de quelques dizaines de micromètres, une impédance acoustique Za et étant apte à fonctionner à des hautes tensions (alternatives ou continues) supérieures à 500 V et inférieures à 15000 V et à rayonner une pression acoustique à 1 m comprise entre 80 dB et 150 dB à une fréquence ultrasonore d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz. Ce transducteur comprend un bloc solidaire indissociable lequel comprend au moins un substrat sur lequel est déposé et/ou gravé les couches suivantes :
- une électrode plane dit inférieure, laquelle est fixe ;
- une électrode plane dit supérieure, fixe, sensiblement parallèle à l’électrode inférieure, laquelle est mobile lorsqu’elle est alimentée par des hautes tensions,
- au moins trois couches isolantes, imperméables aux gaz et aux liquides, constituées de matériaux diélectriques de nature chimique et physique différente, de permittivité diélectrique inférieure à 100, deux desdites couches isolantes ayant chacune une épaisseur supérieure à 1,5 µm et l’autre une épaisseur supérieure à 10 µm.
- une électrode plane dit inférieure, laquelle est fixe ;
- une électrode plane dit supérieure, fixe, sensiblement parallèle à l’électrode inférieure, laquelle est mobile lorsqu’elle est alimentée par des hautes tensions,
- au moins trois couches isolantes, imperméables aux gaz et aux liquides, constituées de matériaux diélectriques de nature chimique et physique différente, de permittivité diélectrique inférieure à 100, deux desdites couches isolantes ayant chacune une épaisseur supérieure à 1,5 µm et l’autre une épaisseur supérieure à 10 µm.
Au moins un substrat du transducteur est une membrane vibrante d’épaisseur EM comprise entre 10 µm et 400 µm, d’amplitudes vibratoires comprises entre 10 µm et 200 µm, comprenant :
- une partie mobile SM en contact avec l’électrode supérieure tout en l’enveloppant, apte de vibrer et se déplacer suivant un axe OZ en réponse à une haute tension, et
- une partie fixe SF servant d’appui en réponse à une haute tension,
- une partie mobile SM en contact avec l’électrode supérieure tout en l’enveloppant, apte de vibrer et se déplacer suivant un axe OZ en réponse à une haute tension, et
- une partie fixe SF servant d’appui en réponse à une haute tension,
Ce transducteur comprend une cavité, d’épaisseur EC supérieure à 10 µm, comprise entre au moins deux couches isolantes, à l’intérieur de laquelle règne une pression Pc supérieure à 10-6mbar.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, le transducteur comprend en outre, au-dessus de la membrane vibrante, une cavité secondaire d’épaisseur EC2 supérieure à 10 µm à l’intérieure de laquelle règne une pression Pcs différente de la pression Pc et en ce que ladite épaisseur EC2 variant en fonction du déplacement de la membrane vibrante.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, une des couches isolantes a une épaisseur inférieure ou égale à 5 µm et l’autre a une épaisseur supérieure ou égale à 5 µm.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, les couches isolantes ont chacune une épaisseur comprise entre 1,5 µm et 80 µm.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, au moins une couche isolante a une épaisseur EP comprise entre 10 µm et 200 µm et la cavité a une épaisseur EC comprise entre 10 µm et 200 µm.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, le transducteur a un facteur de propagation Q défini comme étant le rapport de l’impédance acoustique Za du transducteur électroacoustique et d’une impédance acoustique d’un milieu de propagation Zm tel que
Q= inférieur à 1
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la membrane vibrante a la forme d’un quadrilatère ou d’un hexagone ou à une forme circulaire, la surface de la partie mobile SM de cette membrane vibrante étant inférieure ou égale à 1000 mm2et, en ce que la partie mobile SM de ladite membrane vibrante a une masse inférieure ou égale à 10 mg.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, le transducteur comprend en outre une paroi de protection et de fixation permettant d’une part de fixer le bloc solidaire à une interface mécanique d’une structure solide et d’autre part de découpler les vibrations provenant de ladite structure solide des vibrations acoustiques émises par le bloc solidaire.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
En référence à la figure 1a, le transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé, c’est-à-dire de taille inférieure à 3 cm, est constitué d’un bloc solidaire indissociable (12) qui comprend plusieurs couches de matériaux empilées les unes sur les autres suivant un ordre. Ces couches sont déposées selon des procédés de dépositions bien connus de l’état de la technique notamment par dépôt chimique en phase vapeur et/ou par gravure et/ou par lithographie et/ou par pulvérisation cathodique et/ou par tout autre procédé de déposition en phase vapeur ou liquide. Elles peuvent également être directement collées les unes sur les autres en utilisant une source de chaleur, des rayonnements UV. Pour obtenir des formes particulières, certaines couches sont déposées par des procédés ci-avant cités et traitées par enduction centrifuge.
Ce bloc solidaire indissociable (12) comprend un substrat (5) en verre et un substrat (2) en silicium pur ou en matériau amorphe, comme support sur lequel est déposé ou gravé des couches de matériaux. Sur le substrat (5) est déposé ou gravé successivement les couches suivantes :
- Une couche métallique formant une électrode (7) plane, fixe et immobile même lorsque le transducteur est alimentée par des hautes tensions, et
- au moins deux couches isolantes (3, 4), imperméables aux gaz et aux liquides, constituées de matériaux diélectriques de nature chimique, c’est-à-dire de composition chimique, et physique c’est-à-dire de propriété physique, différentes, de permittivité diélectrique inférieure à 100, deux desdites couches isolantes (3, 4, 8) ayant chacune une épaisseur supérieure à 1,5 µm et l’autre une épaisseur supérieure à 10 µm.
- Une couche métallique formant une électrode (7) plane, fixe et immobile même lorsque le transducteur est alimentée par des hautes tensions, et
- au moins deux couches isolantes (3, 4), imperméables aux gaz et aux liquides, constituées de matériaux diélectriques de nature chimique, c’est-à-dire de composition chimique, et physique c’est-à-dire de propriété physique, différentes, de permittivité diélectrique inférieure à 100, deux desdites couches isolantes (3, 4, 8) ayant chacune une épaisseur supérieure à 1,5 µm et l’autre une épaisseur supérieure à 10 µm.
Sur le substrat (2), est déposé ou gravé les couches suivantes :
- une couche métallique formant une électrode (1), plane, fixe, sensiblement parallèle à l’électrode (7) et mobile suivant l’axe OZ lorsque le transducteur est alimenté par des hautes tensions;
- au moins une couche isolante (8), imperméables aux gaz et aux liquides, constituées de matériaux diélectriques de nature chimique, c’est-à-dire de composition chimique, et physique c’est-à-dire de propriété physique, différentes, de permittivité diélectrique inférieure à 100, deux desdites couches isolantes (3, 4, 8) ayant chacune une épaisseur supérieure à 1,5 µm et l’autre une épaisseur supérieure à 10 µm.
- une couche métallique formant une électrode (1), plane, fixe, sensiblement parallèle à l’électrode (7) et mobile suivant l’axe OZ lorsque le transducteur est alimenté par des hautes tensions;
- au moins une couche isolante (8), imperméables aux gaz et aux liquides, constituées de matériaux diélectriques de nature chimique, c’est-à-dire de composition chimique, et physique c’est-à-dire de propriété physique, différentes, de permittivité diélectrique inférieure à 100, deux desdites couches isolantes (3, 4, 8) ayant chacune une épaisseur supérieure à 1,5 µm et l’autre une épaisseur supérieure à 10 µm.
Le substrat (2) est constitué d’une membrane vibrante (2) d’épaisseur EM comprise entre 10 µm et 400 µm, d’amplitudes vibratoires comprises entre 10 µm et 200 µm :
- comprenant une partie fixe SF servant d’appui en réponse à une haute tension et
- une partie mobile SM au moins en partie en contact avec l’électrode (1), apte de vibrer et de se déplacer suivant l’axe OZ en réponse à une haute tension ;
- comprenant une partie fixe SF servant d’appui en réponse à une haute tension et
- une partie mobile SM au moins en partie en contact avec l’électrode (1), apte de vibrer et de se déplacer suivant l’axe OZ en réponse à une haute tension ;
L’électrode (7) est déposée sur la surface du substrat (5) et la couche isolante (4) est déposée sur la surface de l’électrode (7). La couche isolante (3) est déposée sur une partie de la surface de la couche isolante (4), plus précisément sur les périphéries de la couche isolante (4).
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la couche isolante (4) est déposée sur les périphéries de la surface de l’électrode (7) et la couche isolante (3) sur la surface de la couche isolante (4).
L’électrode (1) est déposée sur la membrane vibrante (2), notamment sur toute la surface de la partie mobile SM, et la couche isolante (8) est déposée sur la surface de l’électrode (1) et sur une partie de la membrane vibrante (2).
Le transducteur comprend en outre une cavité (6), d’épaisseur EC supérieure à 10 µm, comprise entre au moins deux couches isolantes (3, 4, 8), à l’intérieur de laquelle règne une pression Pc supérieure à 10-6mbar. L’épaisseur EC définit le gap inter-électrostatique.
L’électrode (7) est en or et l’électrode (1) en silicium. Les couches isolantes (3, 4, 8) sont en résine photosensible négative de type AZNLOF 2070 ou SU-8 ou MAN 2400, car ces matériaux, exposés à des faisceaux d'électrons, aux ultraviolets et plus simplement à la lumière, ont des propriétés physico-chimiques particulières et intéressantes.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la couche isolante (4) est en résine photosensible positive notamment en S 1800 ou en AZ 4533 ou en AZ 9260 ou en PMMA 950k A6 car, ces matériaux, exposés à des faisceaux d'électrons, aux ultraviolets et plus simplement à la lumière, ont des propriétés physicochimiques particulièrement intéressantes pour la microélectronique.
La couche isolante (8) a une épaisseur supérieure de 1,5 µm, la couche isolante (3) encore appelée pilier (3), a une épaisseur d’au moins 25 µm et la couche isolante (4) a une épaisseur d’au moins 4,5 µm. La cavité (6) est limitée sur sa partie supérieure par la couche isolante (8), sur sa partie inférieure par la couche isolante (4) et sur les parties latérales par la couche isolante (3).
De préférence, pour déposer l’électrode (7) sur le substrat, une couche de liaison en métal de transition ayant un point de fusion élevé, des pressions de vapeur parmi les plus basses et des faibles coefficients de dilatation thermique est utilisée pour relier le substrat (5) à l’électrode (7) et pour une meilleure adhérence de cette dernière sur le substrat (5). Cette couche de liaison a une épaisseur d’au moins 10 nm.
La cavité (6) est confinée entre les couches isolantes (3, 4, 8). Cette configuration de la cavité (6) par rapport à la membrane vibrante (2) et la faible pression dans la cavité (le vide) permet d’atteindre des tensions de claquages très importantes c’est-à-dire des tensions de claquages supérieures à 500 V et inférieure à 15 000 V puis de résister aux importantes variations de tensions de claquages dans cette plage.
Le fait que les couches isolantes (3, 4, 8) soient en matériaux diélectriques présentant une très grande rigidité diélectrique permet apporter une protection supplémentaire par rapport à la tension de claquage importante, supérieur à 500 V.
Lorsqu’une tension supérieure à 500 V est appliquée aux bornes du transducteur, la membrane vibrante (2), l’électrode (1) et la couche isolante (8) devient mobile en réponse à la tension appliquée, créant ainsi un mouvement vibratoire générant une onde ultrasonore conforme à l’invention.
De préférence, les couches d’isolations (4, 8) sont en résine photosensible négative de type époxy à viscosité relativement élevée, notamment du SU8. La couche isolante (3) est en résine épaisse, notamment du SU8 ou en oxyde de titane (dioxyde de titane ou autre) ou en nano-oxyde de titane ou en dioxyde de silicium ou autre matériau diélectrique ayant des propriétés présentant une très grande rigidité diélectrique.
La membrane vibrante (2) est en silicium et les électrodes sont en matériaux ou alliages de matériaux présentant des excellentes caractéristiques en termes de conduction thermique et électrique et/ou en termes de semi-conducteur.
Une des routes d’assemblage du bloc solidaire indissociable (12) est la suivante :
sur le substrat (5) :
- est déposé par des procédés connus, notamment par lithographie ou par gravure ou par dépôt chimie ou physique en phase vapeur ou par pulvérisation cathodique, une couche mince d’or définissant l’électrode (7) structurée sur la surface du substrat (5), de préférence au centre du substrat (5) ;
- Sur cette électrode (7) en or, est déposée ensuite par les mêmes méthodes citées, la couche isolante (4) mince de SU-8 structurée sur l’électrode (7), de préférence sur l’électrode (7) et sur une partie du substrat (5) ;
- Sur cette couche isolante (4) est déposée ensuite par les mêmes méthodes citées, la couche isolante (3) de SU-8 de nature chimique et physique différente de celle de SU-8 de la couche isolante (4), structurée sur une partie de la couche isolante (4), de préférence, sur les périphéries de la couche isolante (4) en créant une zone creuse en forme en U de profondeur EC. L’ensemble substrat et les couches déposées sont ensuite mise sous vide.
- est déposé par des procédés connus, notamment par lithographie ou par gravure ou par dépôt chimie ou physique en phase vapeur ou par pulvérisation cathodique, une couche mince d’or définissant l’électrode (7) structurée sur la surface du substrat (5), de préférence au centre du substrat (5) ;
- Sur cette électrode (7) en or, est déposée ensuite par les mêmes méthodes citées, la couche isolante (4) mince de SU-8 structurée sur l’électrode (7), de préférence sur l’électrode (7) et sur une partie du substrat (5) ;
- Sur cette couche isolante (4) est déposée ensuite par les mêmes méthodes citées, la couche isolante (3) de SU-8 de nature chimique et physique différente de celle de SU-8 de la couche isolante (4), structurée sur une partie de la couche isolante (4), de préférence, sur les périphéries de la couche isolante (4) en créant une zone creuse en forme en U de profondeur EC. L’ensemble substrat et les couches déposées sont ensuite mise sous vide.
sur le substrat (2) formant la membrane vibrante (2) :
- est déposée une couche mince métallique de silicium formant l’électrode (1) structuré sur la membrane vibrante (2), de préférence au centre de la membrane vibrante (2) ;
- ensuite, est déposée sur cette électrode (1) la couche isolante (8) mince en SU-8 de nature chimique et physique différente des deux précédentes couches isolantes (3, 4), structurée sur toute la surface l’électrode (1), de préférence sur la l’électrode (1) et sur une partie de la membrane vibrante (2), de préférence sur les périphéries de la membrane vibrante (2).
- est déposée une couche mince métallique de silicium formant l’électrode (1) structuré sur la membrane vibrante (2), de préférence au centre de la membrane vibrante (2) ;
- ensuite, est déposée sur cette électrode (1) la couche isolante (8) mince en SU-8 de nature chimique et physique différente des deux précédentes couches isolantes (3, 4), structurée sur toute la surface l’électrode (1), de préférence sur la l’électrode (1) et sur une partie de la membrane vibrante (2), de préférence sur les périphéries de la membrane vibrante (2).
L’ensemble des deux substrats avec leurs dépôts est ensuite assemblé et entre les différentes couches isolantes (3, 4, 8) en résine se forme une zone creuse de profondeur EC définissant la cavité (6) dans laquelle règne une pression de l’ordre du vide, c’est-à-dire d’au moins 10-6mbar.
Ainsi, lorsqu’une tension supérieure à 500 V est appliquée entre les électrodes (1, 7), une force électrostatique engendre le mouvement de la membrane vibrante (2) dans un sens. L’ajout d’une tension alternative engendre une force électrostatique alternative qui permet de faire vibrer la membrane vibrante (2) et produisant ainsi des ultrasons dans le milieu de propagation à la fréquence du signal appliqué : c’est le mode de fonctionnement en émission. De larges déplacements peuvent être créés lorsque la fréquence du signal d’excitation est proche de la résonance de la membrane vibrante (2), ce qui engendre une génération significative d’ultrasons.
L’utilisation d’une haute tension de polarisation permet de générer un champ électrique important entre les électrodes planes et d’améliorer la puissance en émission et la sensibilité en réception.
Le bloc solidaire (12) peut être constitué par l’association de deux parties, une partie A et une partie B. La partie A est constituée par la membrane vibrante (2), l’électrode (1), de la couche isolante (8) et d’une partie de la couche isolante (3). La partie B est constituée par le substrat (5), l’électrode (7), la couche isolante (4) et d’une partie de la couche isolante (3). Les deux parties A et B, ayant chacun une zone creuse de profondeur sensiblement égale à EC/2, sont reliés au niveau des couches isolantes (3) pour former une cavité (6) d’épaisseur (profondeur) EC.
Une des routes d’assemblage du bloc solidaire indissociable (12) pour ce mode de réalisation est la suivante :
sur le substrat (5) :
- est déposé par des procédés connus, notamment par lithographie ou par gravure ou par dépôt chimie ou physique en phase vapeur ou par pulvérisation cathodique, une couche mince d’or définissant l’électrode (7) structurée sur la surface du substrat (5), de préférence au centre du substrat (5) ;
- Sur cette électrode (7) en or, est déposée ensuite par les mêmes méthodes citées, la couche isolante (4) mince de SU-8 structurée sur l’électrode (7), de préférence sur l’électrode (7) et sur une partie du substrat (5) ;
- Sur cette couche isolante (4) est déposée ensuite par les mêmes méthodes citées, la couche isolante (3) de SU-8 de nature chimique et physique différente de celle de SU-8 de la couche isolante (4), structurée sur une partie de la couche isolante (4), de préférence, sur les périphéries de la couche isolante (4) en créant une zone creuse en forme en U de profondeur EC/2. L’ensemble substrat (5) et les couches (7, 4, 3) déposées sont ensuite mise sous vide.
- est déposé par des procédés connus, notamment par lithographie ou par gravure ou par dépôt chimie ou physique en phase vapeur ou par pulvérisation cathodique, une couche mince d’or définissant l’électrode (7) structurée sur la surface du substrat (5), de préférence au centre du substrat (5) ;
- Sur cette électrode (7) en or, est déposée ensuite par les mêmes méthodes citées, la couche isolante (4) mince de SU-8 structurée sur l’électrode (7), de préférence sur l’électrode (7) et sur une partie du substrat (5) ;
- Sur cette couche isolante (4) est déposée ensuite par les mêmes méthodes citées, la couche isolante (3) de SU-8 de nature chimique et physique différente de celle de SU-8 de la couche isolante (4), structurée sur une partie de la couche isolante (4), de préférence, sur les périphéries de la couche isolante (4) en créant une zone creuse en forme en U de profondeur EC/2. L’ensemble substrat (5) et les couches (7, 4, 3) déposées sont ensuite mise sous vide.
sur le substrat (2) formant la membrane vibrante (2) :
- est déposée une couche mince métallique de silicium formant l’électrode (1) structuré sur la membrane vibrante (2), de préférence au centre de la membrane vibrante (2) ;
- ensuite, est déposée sur cette électrode (1) la couche isolante (8) mince en SU-8 de nature chimique et physique différente des deux précédentes couches isolantes (3, 4), structurée sur toute la surface l’électrode (1), de préférence sur la l’électrode (1) et sur une partie de la membrane vibrante (2), de préférence sur les périphéries de la membrane vibrante (2).
- sur cette couche isolante (8) est déposée ensuite par les mêmes méthodes citées, la couche isolante (3) de SU-8 de nature chimique et physique différente de celle de SU-8 de la couche isolante (8), structurée sur une partie de la couche isolante (4), de préférence, sur les périphéries de la couche isolante (8) en créant une zone creuse en forme en U renversé de profondeur EC/2. L’ensemble substrat (2) et les couches (3, 8, 1) déposées sont ensuite mise sous vide.
- est déposée une couche mince métallique de silicium formant l’électrode (1) structuré sur la membrane vibrante (2), de préférence au centre de la membrane vibrante (2) ;
- ensuite, est déposée sur cette électrode (1) la couche isolante (8) mince en SU-8 de nature chimique et physique différente des deux précédentes couches isolantes (3, 4), structurée sur toute la surface l’électrode (1), de préférence sur la l’électrode (1) et sur une partie de la membrane vibrante (2), de préférence sur les périphéries de la membrane vibrante (2).
- sur cette couche isolante (8) est déposée ensuite par les mêmes méthodes citées, la couche isolante (3) de SU-8 de nature chimique et physique différente de celle de SU-8 de la couche isolante (8), structurée sur une partie de la couche isolante (4), de préférence, sur les périphéries de la couche isolante (8) en créant une zone creuse en forme en U renversé de profondeur EC/2. L’ensemble substrat (2) et les couches (3, 8, 1) déposées sont ensuite mise sous vide.
L’ensemble des deux substrats avec leurs dépôts est ensuite assemblé et est formé entre les différentes couches isolantes (3, 4, 8) en résine, une zone creuse de profondeur EC définissant la cavité (6) dans laquelle règne une pression de l’ordre du vide, c’est-à-dire d’au moins 10-6mbar.
La forme de la membrane vibrante (2) et de la cavité (6) peut varier suivant la puissance visée car les différentes formes et conditions d’encastrement associées peuvent faire varier la puissance en émission ainsi que la directivité associée. De ce fait, la membrane (2) a la forme d’un quadrilatère ou d’un hexagone ou a une forme circulaire. La partie mobile (SM) de la membrane vibrante (2) a une surface inférieure ou égale à 1000 mm2 et une masse inférieure ou égale à 10 mg.
De préférence, la partie mobile (SM) de la membrane (2) a une forme circulaire de rayon comprise entre 2 mm et 10 mm et, la masse de la partie mobile (SM) de la membrane vibrante (2) est de 1,5 mg et son épaisseur est de 27 µm, la pression acoustique maximale est de 130 dB et l’impédance acoustique de 277 Rayl, soit 33% par rapport à l’impédance acoustique de l’air à la pression ambiante et à la température ambiante.
Ainsi, du fait de ses propriétés géométriques, mécaniques et électriques, le transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé décrit selon l’invention fonctionne uniquement à des hautes tensions (alternatives ou continues) supérieures à 500 V et inférieure à 15 000 V. De ce fait, il est capable de rayonner une pression acoustique comprise entre 80 dB et 150 dB à 1 m à une fréquence ultrasonore d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz. Grace à ses amplitudes vibratoires importantes comprises entre 10 µm et 200 µm, il est capable de fonctionner à haute tension sans faire apparaitre des décharges partielles et de courant de fuite. Ce qui donne au transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé selon l’invention des propriétés de hautes performances : pression acoustique rayonnée supérieure à 80 dB, fréquence ultrasonore de bas niveau supérieure à 20 kHz, amplitudes vibratoires importantes supérieure à 10 µm, fonctionnement à haute tension.
Il est possible d’utiliser au moins une couche isolante (4, 8) de plusieurs micromètres pour renforcer la sûreté et la fiabilité du transducteur électroacoustique et limiter la tension appliquée aux bornes des électrodes. Dans ce cas, on utilise au moins une couche isolante (4, 8) d’épaisseur comprise entre 1,5 µm et 80 µm, un pilier (3) d’épaisseur comprise entre 10 µm et 200 µm et une cavité (6) d’épaisseur EC comprise entre 10 µm et 200 µm. De préférence, l’une des couches isolantes (4, 8) a une épaisseur inférieure ou égale à 5 µm et l’autre une épaisseur supérieure ou égale à 5 µm.
Les caractéristiques du transducteur électroacoustique capacitif selon l’invention lui confère un facteur de propagation Q défini comme étant le rapport de l’impédance acoustique Za du transducteur électroacoustique et d’une impédance acoustique d’un milieu de propagation Zm (Q=Za/Zm ) inférieur à 1.
Avantageusement, la partie mobile SM de la membrane vibrante (2) a une surface comprise entre 1 mm2et 500 mm2, une masse comprise entre 0,5 mg et 10 mg. Cela permet d’avoir une fréquence d’émission optimale et une impédance acoustique la plus proche possible de celle du milieu de propagation des ondes ultrasonore. En effet, le choix de la fréquence repose sur un compromis entre le choix d’une fréquence ultrasonore suffisamment basse pour que l’atténuation dans le milieu de propagation soit la plus basse possible mais en même temps suffisamment haute pour pouvoir se placer à des niveaux de pression acoustique raisonnable et compatible des normes de sécurité médicale car, ce type de transducteur a vocation à être également utilisé à proximité de personnes. Ainsi est maximisé le rendement des transducteurs.
En référence à la figure 1b, le transducteur électroacoustique capacitif comprend une paroi de protection et de fixation (11). Cette paroi (11) permet d’une part, de fixer le bloc solidaire (12) sur une interface mécanique d’une structure solide (13), par exemple la peau d’un aéronef, et d’autre part, de découpler les vibrations provenant de ladite structure solide (13) des vibrations acoustiques émises par le bloc solidaire (12).
En référence à figure 2a et 2b, le transducteur électroacoustique capacitif comprend en outre, au-dessus de la membrane vibrante (2), une cavité secondaire (9) d’épaisseur EC2 supérieure à 10 µm à l’intérieure de laquelle règne une pression Pcs différente de la pression Pc de la cavité (6). L’épaisseur EC2 de cette cavité (9) varie en fonction du déplacement de la membrane vibrante. Cette cavité permet de protéger la membrane vibrante (2) contre les conditions atmosphériques complexes du milieu d’utilisation, par exemple lorsque le transducteur est utilisé dans le domaine de l’aéronautique ou sur des objets nécessitants des fortes accélérations.
En référence à la figure 3a et 3b, le transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore comprend une couche isolante supplémentaire (10), imperméable aux fluides, constitué de matériau diélectrique de nature chimique éventuellement différente de celles des couches isolantes (3, 4, 8).
Selon un mode de réalisation du transducteur électroacoustique représenté à la figure 3a et 3b, ce dernier comprend :
- Deux électrodes (1, 7) planes montées de manière parallèle, une électrode mobile (1) et une électrode fixe (7).
- Une membrane vibrante (2) en silicium comprenant une partie mobile SM enveloppant l’électrode mobile (1) et une partie fixe SF, de forme circulaire de rayon comprise entre 2 mm et 5 mm ou une forme parallélépipède rectangle. La partie mobile SM de la membrane vibrante (2) a une épaisseur EM 27 µm et une masse de 1,5 mg ;
- Une couche isolante (8), d’épaisseur 2 µm, supportant la membrane vibrante (2) ;
- Une couche isolante (10), en forme de U, de profondeur 15 µm, supportant la couche isolante (8) sur ses extrémités. L’espace formé entre la couche isolante (10) et la couche isolante (8) définit la cavité (6) de profondeur égale à celle de la forme en U de la couche isolante (10) c’est-à-dire que EC égal à 15 µm. la couche isolante (10) est constituée de matériau diélectrique de nature chimique et physique différente de ceux des couches isolantes (3, 4, 8) et a une permittivité diélectrique inférieure à 100.
- Une couche isolante (3) appelée pilier (3), d’épaisseur 33 µm, supportant en partie la couche isolante (10) ;
- Une couche isolante (4) supportant au moins une partie de la couche isolante (10) et une partie de la couche isolante (3).
- Et un substrat (5) supportant l’ensemble et servant de support.
- Deux électrodes (1, 7) planes montées de manière parallèle, une électrode mobile (1) et une électrode fixe (7).
- Une membrane vibrante (2) en silicium comprenant une partie mobile SM enveloppant l’électrode mobile (1) et une partie fixe SF, de forme circulaire de rayon comprise entre 2 mm et 5 mm ou une forme parallélépipède rectangle. La partie mobile SM de la membrane vibrante (2) a une épaisseur EM 27 µm et une masse de 1,5 mg ;
- Une couche isolante (8), d’épaisseur 2 µm, supportant la membrane vibrante (2) ;
- Une couche isolante (10), en forme de U, de profondeur 15 µm, supportant la couche isolante (8) sur ses extrémités. L’espace formé entre la couche isolante (10) et la couche isolante (8) définit la cavité (6) de profondeur égale à celle de la forme en U de la couche isolante (10) c’est-à-dire que EC égal à 15 µm. la couche isolante (10) est constituée de matériau diélectrique de nature chimique et physique différente de ceux des couches isolantes (3, 4, 8) et a une permittivité diélectrique inférieure à 100.
- Une couche isolante (3) appelée pilier (3), d’épaisseur 33 µm, supportant en partie la couche isolante (10) ;
- Une couche isolante (4) supportant au moins une partie de la couche isolante (10) et une partie de la couche isolante (3).
- Et un substrat (5) supportant l’ensemble et servant de support.
Le pilier (3) et les couches isolantes (4, 8) sont en résine ayant une très grande rigidité diélectrique afin d’obtenir une protection supplémentaire par rapport au claquage. Le substrat (5) est en verre et les électrodes (1, 7) sont en or. La cavité (6) a une forme proportionnelle de celle de la membrane vibrante (2), de préférence une forme parallélépipède rectangle ou cylindrique.
Ce transducteur est apte à fonctionner à haute tension grâce à une épaisseur EC de la cavité (6) comprise entre 10 µm et 200 µm et à l’utilisation des couches isolantes (3, 4, 8, 10) permet obtenir une protection supplémentaire par rapport à la tension de claquage (500 V à 15000 V), car à ces hautes tensions, la membrane vibrante (2) a une pression acoustique à 1 m comprise entre 80 dB et 150 dB à une fréquence ultrasonore d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz, pour une fréquence de résonance de 25kHz.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la partie mobile SM de la membrane vibrante (2) a une épaisseur supérieure à 10 µm, le pilier (3) a une épaisseur de 30 µm, la couche isolante (4) à une épaisseur de 5 µm, et la couche isolante (8) a une épaisseur de 2 µm et la couche isolante (10) une épaisseur de 5 µm.
Les caractéristiques dimensionnelles des couches isolantes (3, 4, 8, 10) et de la partie mobile SM de la membrane vibrante (2) permettent également d’ajuster l’impédance acoustique de la membrane et donc le niveau d’énergie transmis au milieu et la quantité réfléchie.
Pour des applications de vélocimétrie acoustique, le facteur de propagation Q est choisi entre 0,4 et 0,9, de préférence inférieur à 1 car, il est nécessaire d’avoir une membrane présentant une impédance acoustique la plus proche possible de celle du milieu de propagation des ondes sonores afin de maximiser le rendement du transducteur. Ainsi, grâce aux différentes caractéristiques décrites ci-avant, le transducteur est capable de générer un niveau de pression acoustique maximale de 130 dB, une fréquence d’émission comprise entre 20 et 110 kHz dans le milieu de propagation complexe où les perturbations mécaniques et vibratoires sont importantes, une puissance acoustique à 1 m dans le milieu de propagation supérieure à 80 dB.
Selon d’autre caractéristique de l’invention, au moins une des couches (3, 4, 8, 10) est en matériau diélectrique ayant une très grande rigidité diélectrique, ceci pour limiter l’épaisseur EC de la cavité (6) et notamment la taille du transducteur pour la miniaturisation.
Les transducteurs visés par la présente invention peuvent être utilisés en réseau. Ces réseaux peuvent prendre différentes formes en fonction de l’application visée et de l’encombrement admissible. L’utilisation en réseau permet de mutualiser ou non, suivant la technique utilisée, les puissances émises dans une direction donnée pour que la puissance globale produite par le réseau dépasse celle d’une simple cellule. Le fonctionnement en réseau permet également d’améliorer la directivité, que cela soit par la disposition géométrique des cellules ou par le pilotage électronique associé. Par ailleurs, afin de réduire les perturbations engendrées par le comportement des cellules voisines, le réseau pourra présenter des tranchées entre chaque cellule remplie d’un matériau isolant ou non.
Avantageusement, la cavité (6) a une forme spécifique couplant au moins deux formes géométriques, de préférence une forme cylindrique et une forme parallélépipédique. La première forme a une épaisseur (au point le plus bas : profondeur) inférieure à celle de la deuxième forme, la référence étant prise au niveau de la couche isolante (8). L’épaisseur EC de la cavité (6) au point le plus bas (profondeur entre la couche isolante (8) et la couche isolante (4)) est supérieure à 40 µm et au point le plus haut (profondeur entre la couche isolante (8) et la couche isolante (10)) est supérieure à 10 µm.
Selon d’autre caractéristique de l’invention, la couche isolante (10) est une couche photo résistante, de nature chimique et physique différente de celles des couches (3, 4, 8).
Selon d’autre caractéristique de l’invention, la cavité (6) est comprise entre les couches isolantes (3, 4, 8, 10).
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la partie mobile SM de la membrane vibrante (2) a une épaisseur supérieure à 10 µm, le pilier (3) a une épaisseur de 17 µm, la couche isolante (4) a une épaisseur de 15 µm, et la couche isolante (8) a une épaisseur de 2 µm.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la couche isolante (3) comprend un sandwich de couches isolantes et non isolantes. Les couches isolantes (3) utilisées étant de nature chimique et physique différentes des couches isolantes (4, 8, 10). Ces couches isolantes et non isolantes sont disposées de sorte que la couche isolante (3) ait des bonnes propriétés diélectriques, c’est-à-dire une résistivité élevée. Cette configuration permet d’améliorer l’épaisseur de la cavité pour améliorer la tension de claquage.
Les transducteurs électroacoustiques selon l’invention sont capables de fonctionner à une tension minimale de 500 V, de préférence une tension minimale de 700 V et peuvent générer des amplitudes vibratoires de l’ordre de 15µm à 20 µm crête-crête et les niveaux de pression acoustique de l’ordre de 102 dB à 110 dB à 1 m.
Les transducteurs électroacoustiques capacitifs selon l’invention présentent une gamme d’utilisation en température plus larges que pour les technologies magnétostrictives et piézoélectriques. Son processus de fabrication industriel maîtrisé dans l’état de la technique permet de le fabriquer facilement et d’intégrer directement et de manière concomitante l’électronique de modulation du signal et les composants de commande. Il présente également l’avantage d’avoir une grande précision sur la directivité ou la sensibilité et sur la fréquence d’émission ou de réception.
Le transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé selon l’invention permet l’utilisation des hautes tensions supérieures à 500 V grâce à des hautes performances requises : une pression acoustique rayonnée à 1 m comprise entre 80 dB et 150 dB, une fréquence ultrasonore d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz et une amplitude vibratoire importante comprise entre 10 µm et 200 µm. Il permet donc de lever le verrou selon lequel il n’est pas possible de concevoir un transducteur électroacoustique capacitif miniaturisé fonctionnant à haute tension.
La présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l’homme du métier saura y apporter une variante conforme à son esprit.
Claims (8)
- Transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé, ayant une amplitude vibratoire de quelques dizaines de micromètres, une impédance acoustique Za et étant apte à fonctionner à des hautes tensions (alternatives ou continues) supérieures à 500 V et inférieures à 15000 V et à rayonner une pression acoustique à 1 m comprise entre 80 dB et 150 dB à une fréquence ultrasonore d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz,caractérisé en ce qu’ilcomprenant un bloc solidaire indissociable (12) lequel comprend au moins un substrat (5, 2) sur lequel est déposé et/ou gravé les couches suivantes :
- une électrode (7) plane fixe et immobile à haute tension ;
- une électrode (1) plane, fixe, sensiblement parallèle à l’électrode (7), mobile lorsqu’elle est alimentée par des hautes tensions,
- au moins trois couches isolantes (3, 4, 8, 10), imperméables aux gaz et aux liquides, constituées de matériaux diélectriques de nature chimique et physique différente, de permittivité diélectrique inférieure à 100, deux desdites couches isolantes (3, 4, 8, 10) ayant chacune une épaisseur supérieure à 1,5 µm et l’autre une épaisseur supérieure à 10 µm,
- une partie mobile SM en contact avec l’électrode (1) tout en l’enveloppant, apte de vibrer et se déplacer suivant un axe OZ en réponse à une haute tension, et
- une partie fixe SF servant d’appui en réponse à une haute tension,
- Transducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comprend en outre, au-dessus de la membrane vibrante (2), une cavité secondaire (9) d’épaisseur EC2 supérieure à 10 µm à l’intérieure de laquelle règne une pression Pcs différente de la pression Pc et en ce que ladite épaisseur EC2 variant en fonction du déplacement de la membrane vibrante (2).
- Transducteur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu’une des couches isolantes (4, 8) a une épaisseur inférieure ou égale à 5 µm et l’autre a une épaisseur supérieure ou égale à 5 µm.
- Transducteur selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les couches isolantes (3, 4, 8, 10) ont chacune une épaisseur comprise entre 1,5 µm et 80 µm.
- Transducteur selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’au moins une couche isolante (3, 10) a une épaisseur EP comprise entre 10 µm et 200 µm et la cavité (6) a une épaisseur EC comprise entre 10 µm et 200 µm.
- Transducteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel un facteur de propagation Q défini comme étant le rapport de l’impédance acoustique Za du transducteur électroacoustique et d’une impédance acoustique d’un milieu de propagation Zm tel que Q=
- Transducteur selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la membrane vibrante (2) a la forme d’un quadrilatère ou d’un hexagone ou a une forme circulaire, la surface de la partie mobile SM de cette membrane vibrante (2) étant inférieure ou égale à 1000 mm2et, en ce que la partie mobile SM de ladite membrane vibrante (2) a une masse inférieure ou égale à 10 mg.
- Transducteur selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend en outre une paroi de protection et de fixation (11) permettant d’une part de fixer le bloc solidaire (12) à une interface mécanique d’une structure solide (13) et d’autre part de découpler les vibrations provenant de ladite structure solide (13) des vibrations acoustiques émises par le bloc solidaire (12).
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