WO1999064169A1 - Sonde acoustique multielements comprenant un film composite conducteur et procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une sonde acoustique multiéléments comprenant un support acoustique (1), un circuit électrique (2) avec des pistes conductrices (Pi1) reliées à des transducteurs piézoélectriques élémentaires (Ti1). La sonde comprend en outre, un film de matériau composite conducteur (3) situé entre les transducteurs piézoélectriques (Ti1k) et les pistes conductrices (Pi1). De manière classique, les transducteurs piézoélectriques sont sous-découpés pour obtenir des éléments découplés acoustiquement et couplés électriquement. La présence du film de matériau composite conducteur (3) permet le dimensionnement des pistes par rapport aux sous-éléments et constitue un élément intermédiaire au niveau des différences de dilatation thermique entre le support acoustique (1) et les transducteurs piézoélectriques.
Description
SONDE ACOUSTIQUE MULTIELEMENTS COMPRENANT UN FILM COMPOSITE CONDUCTEUR ET PROCEDE DE FABRICATION
Le domaine de l'invention est celui des transducteurs acoustiques pouvant être utilisés notamment en imagerie médicale ou sous-marine, ou en contrôle non destructif.
De manière générale, une sonde acoustique comprend un ensemble de transducteurs piézoélectriques reliés à un dispositif d'électrode de commande par l'intermédiaire d'un réseau d'interconnexion.
Ces transducteurs piézoélectriques émettent des ondes acoustiques qui après réflexion dans un milieu donné, fournissent des informations concernant ledit milieu. Typiquement, dans le domaine de l'imagerie médicale, les sondes acoustiques sont composées de nombreux éléments piézoélectriques qui peuvent être excités indépendamment. La méthode de réalisation de telles sondes a été décrite par la demanderesse dans plusieurs documents notamment pour les sondes unidimensionnelles dans le brevet européen 0 190 948 ou pour les sondes tridimensionnelles dans le brevet français 9302586. Cette méthode consiste à découper un assemblage constitué de lames d'adaptation acoustique, d'une lame de céramique piézoélectrique, d'un circuit électrique comportant des pistes métalliques situé généralement à la surface d'un support acoustique connu sous le terme anglo-saxon de « backing ». La découpe permet ainsi de définir des transducteurs élémentaires qui peuvent être excités indépendamment. En effet, chaque transducteur est relié à une piste du circuit électrique (film polyimide avec des pistes métallisées ou pistes découpées dans une feuille métallique) pour permettre l'excitation électrique. Pour éviter les modes de vibration parasites, notamment le mode transverse, les transducteurs élémentaires sont sous-découpés en plusieurs sous-éléments piézoélectriques, ainsi séparés mécaniquement mais reliés au même point électrique. Les sous-découpes sont obtenues en découpant au-delà des pistes métalliques comme illustré en figure 1 qui montre une vue en coupe d'un exemple de sonde multiéléments unidirectionnelle. Selon cette configuration, un backing 1 supporte un circuit électrique 2 avec des pistes conductrices pil, des transducteurs élémentaires til, comportant eux- mêmes des sous-éléments tilk. Typiquement, la largeur des pistes pil est
de l'ordre de 100 μm, ce qui limite le nombre de sous-éléments piézoélectriques. De plus, les pistes découpées sont fragiles et supportent mal les sollicitations électriques et mécaniques.
Les éléments piézoélectriques comportent également des éléments d'adaptation acoustique d'impédance différents L1i1k et L2i1k, les éléments L2i1k pouvant être métallisés en face inférieure pour permettre une reprise de masse.
La reprise de masse peut être aussi réalisée en intercalant entre la lame L2i1k et la céramique un film mince métallique ou en utilisant, dans le cas des sondes unidimensionnelles, des lames L1i1k et L2i1k de dimensions plus petites que celles de la céramique rendant ainsi accessible l'électrode de masse sur les extrémités de la céramique. Dans ce dernier cas, la masse est récupérée en soudant ou en collant un film métallique sur les extrémités « dégagées » de la céramique. Pour pallier les inconvénients précités, la présente invention propose une sonde acoustique comprenant un film de matériau composite conducteur.
Plus précisément, l'invention a pour objet une sonde acoustique comprenant des transducteurs piézoélectriques élémentaires et un circuit électrique comportant des pistes métalliques, de manière à connecter au moins une piste métallique à au moins un transducteur élémentaire, chaque transducteur élémentaire étant constitué de sous-éléments piézoélectriques séparés mécaniquement et reliés à une même piste, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, un film de matériau composite conducteur situé entre le circuit électrique et les transducteurs élémentaires, les sous- éléments piézoélectriques d'un même transducteur élémentaire étant séparés mécaniquement par des interstices se prolongeant jusque dans ledit film.
De manière classique, le circuit électrique de la sonde acoustique selon l'invention est apposé sur un backing d'impédance ajustée pour servir de support acoustique.
Une telle sonde présente notamment les avantages suivants : - les interstices définissant les sous-éléments piézoélectriques s'arrêtant dans le film de matériau conducteur, les pistes du
circuit électrique ne sont plus « sous-découpées » et donc fragilisées ;
- le film de matériau composite conducteur permet de relier électriquement les éléments piézoélectriques et le circuit électrique sans passer par des vias comme décrits notamment dans le brevet français 9302586 ;
- le film de matériau composite conducteur pouvant avoir une dilatation thermique intermédiaire entre celle du matériau piézoélectrique et celle du matériau constitutif du « backing », permet d'absorber les déformations dues aux contraintes thermiques de l'assemblage réalisé de manière classique, à haute température ;
- les pistes du circuit électrique n'ont plus à être dimensionnées en fonction du nombre de sous-éléments piézoélectriques que l'on veut obtenir, car les interstices s'arrêtent dans le film de matériau composite conducteur.
Avantageusement, le film de matériau composite conducteur peut comprendre un matériau organique de type résine époxy, pouvant notamment être chargée avec des particules conductrices en métal du type argent, cuivre, nickel.
L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'une sonde acoustique selon l'invention et comprenant en outre les étapes suivantes :
- l'assemblage d'au moins, une couche de matériau piézoélectrique, un film de matériau composite conducteur et un circuit électrique comportant des pistes métalliques ;
- la découpe de la couche de matériau piézoélectrique et du film de matériau à composite conducteur de manière à définir des transducteurs piézoélectriques élémentaires séparés électriquement ;
- la sous-découpe des transducteurs élémentaires et d'une partie du film de matériau composite de manière à définir des sous-éléments piézoélectriques séparés mécaniquement et connectés électriquement.
Selon une variante du procédé de l'invention, les étapes de découpe et de sous-découpe peuvent être réalisées avec une scie diamantée et ce en une même étape.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre une coupe d'un exemple de sonde acoustique unidirectionnelle selon l'art connu ;
- la figure 2 illustre une première variante de l'invention concernant une sonde unidimensionnelle ;
- la figure 3 illustre une seconde variante de l'invention concernant une sonde bidirectionnelle.
De manière générale, la sonde acoustique selon l'invention comprend des transducteurs élémentaires piézoélectriques Tij, connectés par l'intermédiaire d'un film de matériau composite conducteur à des pistes métalliques situées à la surface d'un circuit électrique situé sur un backing.
Généralement, pour réaliser ce type de sonde, on fixe à la surface des transducteurs piézoélectriques une ou deux lames d'adaptation acoustique de type quart d'onde par exemple, pour améliorer le transfert d'énergie.
Le matériau de ces lames d'adaptation peut être de type polymère chargé de particules minérales dont on ajuste les proportions pour obtenir les propriétés acoustiques désirées. En général, ces lames sont mises en forme par moulage ou usinage puis assemblées par collage sur une des faces des transducteurs piézoélectriques.
Plus précisément, dans le cas de sondes possédant un ensemble de transducteurs élémentaires, on cherche à séparer mécaniquement les transducteurs piézoélectriques. Il est important de procéder à la découpe des lames d'adaptation acoustique pour éviter tout couplage acoustique entre transducteurs élémentaires.
Par ailleurs, dans ce type de sonde multiéléments, chaque transducteur piézoélectrique élémentaire doit être relié d'un côté à la masse et de l'autre côté à un contact positif (encore appelé point chaud).
Généralement la masse est située vers le milieu de propagation, c'est-à-dire qu'elle doit être du côté des éléments d'adaptation acoustique. De manière
classique, l'électrode de masse peut être une couche métallique, sa position peut dépendre de la nature de la sonde, c'est-à-dire s'il s'agit d'une sonde unidirectionnelle ou bidirectionnelle.
Exemple de sonde unidirectionnelle
Pour réaliser ce type de sonde, on peut procéder de la manière suivante :
On réalise par collage l'assemblage suivant : A la surface du circuit électrique comprenant des pistes émergeantes par exemple collé à un backing à l'aide d'une colle de type époxy, on assemble la couche de matériau piézoélectrique audit backing par l'intermédiaire du film conducteur 3 qui de part sa nature permet l'adhérence de l'ensemble. Le film de matériau composite conducteur peut être composé d'un mélange de résine époxy et de particules métalliques (argent, cuivre, nickel ...) avec un taux de charges compris entre 50 % et 80 %, en volume en fonction des propriétés acoustiques recherchées. Le film n'a pas d'influence sur les propriétés acoustiques de la sonde car son impédance est proche de celle du backing et son épaisseur (de l'ordre de 20 à 100 μm) reste faible devant la longueur d'onde ultrasonore générée par le matériau piézoélectrique.
Dans un second temps, les lames d'adaptation acoustique sont collées à la surface de la couche de matériau piézoélectrique à l'aide d'une colle de type époxy par exemple. On procède alors à la découpe par une scie diamantée de l'assemblage préalablement réalisé, pour obtenir les transducteurs élémentaires Ti1 avec une largeur de l'ordre de 100 à 150 microns. On peut réaliser dans la même opération les sous-découpes permettant de définir les sous-éléments piézoélectriques Tilk, dont la largeur est de l'ordre de 40 à 75 microns. Comme l'illustre la figure 2, alors que les découpes s'arrêtent dans le backing, les sous-découpes s'arrêtent dans l'épaisseur du film de matériau composite, permettant par là-même de conserver la connexion électrique entre les différents sous-éléments piézoélectriques Tilk, d'un même élément Ti1 surmonté de ces éléments d'adaptation acoustique L1i1k et L2i1k.
La lame d'adaptation acoustique inférieure peut être métallisée au niveau de sa face inférieure de manière à assurer une reprise de masse en périphérie de la sonde.
Exemple de sonde bidirectionnelle
L'assemblage du backing comportant le circuit électrique, du film composite conducteur et de la couche de matériau piézoélectrique peut typiquement être identique à celui précédemment cité dans le cas d'une sonde unidirectionnelle. Pour réaliser un plan de masse dans ce type de sonde, on peut procéder tel que dans le procédé décrit par la demanderesse dans la demande de brevet français publiée sous le n° 2 756 447, ou en intégrant un plan de masse entre les éléments transducteurs et les lames d'adaptation acoustique. Plus précisément, dans le cadre de l'invention, après avoir réalisé l'assemblage backing/film composite conducteur/couche piézoélectrique, on procède aux découpes et sous-découpes de manière à définir les éléments Tij et Tijk à l'aide d'une scie diamantée selon deux axes perpendiculaires. L'ensemble ainsi constitué est recouvert par une électrode de masse conductrice M, apposée puis collée, il peut typiquement s'agir d'une feuille métallique ou d'un film de polymère métallisé.
On peut alors procéder au collage de deux lames de matériau d'adaptation acoustique L1 et L2 ; la première lame présentant une forte impédance de l'ordre de 5 à 12 MégaRayleigh, la deuxième lame présentant une plus faible impédance de l'ordre de 2 à 4 MégaRayleigh. On procède alors à la découpe des lames d'adaptation acoustique, sans découper l'électrode de masse M.
Pour obtenir ce résultat, cette opération de découpe peut être effectuée par laser. Le laser utilisé peut être par exemple un laser infrarouge de type CO2 ou un laser UV de type Excimère ou de type YAG triplé ou quadruplé. On obtient alors une sonde bidirectionnelle comme illustrée en figure 3.
Claims
1. Sonde acoustique comprenant des transducteurs piézoélectriques élémentaires (Tij) et un circuit électrique comportant des pistes métalliques (Pij), de manière à connecter au moins une piste métallique à au moins un transducteur élémentaire, chaque transducteur élémentaire étant constitué de sous-éléments piézoélectriques (Tijk) séparés mécaniquement et reliés à une même piste, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, un film de matériau composite conducteur situé entre le circuit électrique et les transducteurs élémentaires, les sous- éléments piézoélectriques (Tijk) d'un même transducteur élémentaire (Tij) étant séparés mécaniquement par des interstices se prolongeant jusque dans ledit film.
2. Sonde acoustique selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comprend un support acoustique dénommé « backing », le film de matériau composite possédant des propriétés acoustiques voisines de celles du backing.
3. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le film de matériau composite comprend des particules conductrices dont la taille est très inférieure à la longueur d'onde ultrasonore générée par la sonde.
4. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le film composite conducteur est un film de matériau organique de type résine époxy ou polyimide comportant des particules conductrices.
5. Sonde acoustique selon la revendication 4, caractérisée en ce que les particules conductrices sont des particules de métal de type argent, cuivre, nickel.
6. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le film de matériau composite comporte un taux de charges conductrices compris entre 50 % et 80 % en volume.
7. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'épaisseur du film de matériau composite est de l'ordre de plusieurs dizaines de microns.
8. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les transducteurs élémentaires (Tij) sont séparés
électriquement par des interstices se prolongeant jusque dans le circuit électrique.
9. Procédé de fabrication d'une sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes :
- l'assemblage d'au moins, une lame de matériau piézoélectrique, un film de matériau composite conducteur et un circuit électrique comportant des pistes métalliques ;
- la découpe de la lame de matériau piézoélectrique et du film de matériau composite conducteur de manière à définir des transducteurs piézoélectriques élémentaires (Tij) séparés électriquement ;
- la sous-découpe des transducteurs élémentaires (Tij) et d'une partie du film de matériau composite de manière à définir des sous-éléments piézoélectriques (Tijk), séparés mécaniquement et connectés électriquement.
10. Procédé de fabrication d'une sonde acoustique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les étapes de découpe et de sous- découpe sont effectuées avec une scie diamantée.
11. Procédé de fabrication d'une sonde acoustique selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les étapes de découpe et de sous-découpe sont effectuées simultanément.
12. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que le circuit électrique est situé à la surface d'un support acoustique, la découpe pour définir les transducteurs piézoélectriques élémentaires étant effectuée jusque dans ledit support acoustique.
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