WO2020240104A1 - Miniaturised ultrasonic electroacoustic capacitive transducer operating at high voltage - Google Patents

Miniaturised ultrasonic electroacoustic capacitive transducer operating at high voltage Download PDF

Info

Publication number
WO2020240104A1
WO2020240104A1 PCT/FR2020/000180 FR2020000180W WO2020240104A1 WO 2020240104 A1 WO2020240104 A1 WO 2020240104A1 FR 2020000180 W FR2020000180 W FR 2020000180W WO 2020240104 A1 WO2020240104 A1 WO 2020240104A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
thickness
vibrating membrane
insulating layer
electrode
insulating layers
Prior art date
Application number
PCT/FR2020/000180
Other languages
French (fr)
Inventor
Gwezheneg LEBELEC
Pierre Nicole
Original Assignee
Aer
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aer filed Critical Aer
Publication of WO2020240104A1 publication Critical patent/WO2020240104A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type

Definitions

  • the present invention relates to a miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer operating at high alternating or direct voltages, preferably at alternating or direct voltages greater than 500 V and less than 15,000 V.
  • It relates to a miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer with large vibratory amplitudes of a few tens of micrometers, in particular 10 ⁇ m to 200 ⁇ m, capable of operating at high voltage.
  • It relates more particularly to a miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer operating at high voltage with a variable and increasing electric field and with a power and a sensitivity which can be improved in transmission and in reception.
  • the invention is in the field of high performance ultrasonic acoustic wave transmitter and receiver making it possible to determine the physical parameters of a mobile at rest or in motion in a complex environment where mechanical, thermal and vibratory disturbances are significant such as aeronautics, for example the speed of an aircraft from the flight time of the acoustic wave between a transmitter and a receiver or a multiplicity of transmitters and receivers.
  • Capacitive electroacoustic transducers are ultrasonic transducers based on the electrostatic effect, operating in an acoustic-type wave propagation medium and made from silicon using micromachining or wafer bonding or other techniques known from the state of the art.
  • the basic structure of an electroacoustic transducer is that of a planar capacitor with parallel armatures, one of the electrodes of which is fixed and the other mobile in one direction, the mobile electrode being doped on or below the vibrating membrane. to constitute an inseparable monobloc. These are naturally separated by a cavity, an insulating layer and possibly a vibrating membrane characterizing the nature of the electroacoustic transducer in terms of performance.
  • the electrostatic force causes the membrane to move along an axis. Adding an alternating voltage generates an alternating electrostatic force which makes the membrane vibrate and thus produces ultrasound in the propagation medium at the frequency of the applied signal.
  • Electroacoustic transducers are mainly based on the electrostatic movement of a vibrating membrane. They can therefore be used as a transmitter and / or receiver of acoustic waves to determine physical parameters such as speed, position, etc. of a mobile at rest or in motion in a complex environment as described in the following patent applications: FR 3027398 and FR 2974908.
  • the electroacoustic transducers Capacitive devices must be miniaturized, mounted on the structure of the aircraft and operate in the range of specific ultrasound, and be mainly characterized by the high performance required:
  • piezoelectric transducers are not suitable for high voltages and even less for high performance, in particular the transmission power of 80 dB.
  • ultrasonic capacitive transducers used in the proximity of resonance, with the resonant frequency which, for micromachined transducers, varies between tens of kiloHertz and tens of megaHertz.
  • the dimensions of the membranes corresponding to this frequency range are between tens and hundreds of micrometers for the diameter, and between tenths and units of a micrometer for the thickness.
  • a transducer of this type produces a sound pressure level of 112 dB at 10 mm at a frequency of 127 kHz.
  • these transducers of the state of the art do not operate at high voltage and do not make it possible to obtain the high performance required to be used in applications for measuring the physical parameters of a mobile moving or at rest in an environment. strict.
  • the present invention therefore aims to remedy these drawbacks. More particularly, the present invention aims to provide an electroacoustic transducer having high performance and operating at high voltage without inducing partial discharges and minimizing leakage currents.
  • the following terms will have the following definition:
  • Electroacoustics refers to a technique combining acoustics and electricity (electronics) for recording, processing, transmission, creation and reproduction of sound waves.
  • Ultrasound designates a mechanical and elastic wave, which propagates through fluid media: solid, gaseous or liquid.
  • the frequency range of ultrasound is between 16
  • Miniaturized designates small-sized objects whose size (length, width, depth, radius) is less than 3 cm.
  • Capacitive Which relates to electrostatic phenomena. Capacitance represents the amount of electrical charge carried by a conductor for a given electrical potential.
  • High voltage values of the electric voltage greater than 500 V in alternating current or direct current.
  • Acoustic pressure describes the variation in pressure in the presence of an acoustic wave.
  • the low levels designates the range of ultrasonic frequencies located towards the lower limit of the definition interval of the ultrasonic frequencies, in the present case, typically between 20 kHz and 110 kHz; noting that these frequencies are used very little in ultrasonic acoustic wave applications.
  • the subject of the invention is a miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer, having a vibratory amplitude of a few tens of micrometers, an acoustic impedance Za and being able to operate at high voltages (alternating or continuous) greater than 500 V and less than 15,000 V and radiating an acoustic pressure at 1 m of between 80 dB and 150 dB at a low level activating ultrasonic frequency of between 20 kHz and 110 kHz.
  • This transducer comprises an inseparable integral block which comprises at least one substrate on which the following layers are deposited and / or etched:
  • insulating layers impermeable to gases and liquids, made of dielectric materials of different chemical and physical nature, of dielectric permittivity less than 100, two of said insulating layers each having a thickness greater than 1.5 ⁇ m and the other a thickness greater than 10 ⁇ m.
  • At least one substrate of the transducer is a vibrating membrane with an EM thickness between 10 pm and 400 pm, with vibratory amplitudes between 10 pm and 200 pm, comprising:
  • a mobile part SM in contact with the upper electrode while enveloping it, capable of vibrating and moving along an axis OZ in response to a high voltage
  • This transducer comprises a cavity, of thickness EC greater than 10 ⁇ m, comprised between at least two insulating layers, inside which there is a pressure Pc greater than 10 6 mbar.
  • the transducer further comprises, above the vibrating membrane, a secondary cavity of thickness EC2 greater than 10 ⁇ m inside. of which there is a pressure Pcs different from the pressure Pc and in that said thickness EC2 varying as a function of the displacement of the vibrating membrane.
  • one of the insulating layers has a thickness less than or equal to 5 ⁇ m and the other has a thickness greater than or equal to 5 ⁇ m According to other characteristics of the invention, the insulating layers have each a thickness between 1.5 ⁇ m and 80 ⁇ m.
  • At least one insulating layer has an EP thickness of between 10 ⁇ m and 200 ⁇ m and the cavity has an EC thickness of between 10 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the transducer has a propagation factor Q defined as being the ratio of the acoustic impedance Za of the electroacoustic transducer and of an acoustic impedance of a propagation medium Zm such as less than 1
  • the vibrating membrane has the shape of a quadrilateral or of a hexagon or of a circular shape, the surface of the mobile part SM of this vibrating membrane being less than or equal to 1000 mm 2. and, in that the mobile part SM of said vibrating membrane has a mass less than or equal to 10 mg.
  • the transducer further comprises a protective and fixing wall making it possible, on the one hand, to fix the integral unit to a mechanical interface of a solid structure and, on the other hand, to decouple the vibrations. from said solid structure acoustic vibrations emitted by the integral unit.
  • FIG. la is a schematic representation of a miniaturized capacitive electroacoustic transducer according to the invention.
  • FIG. lb is a schematic representation of an embodiment of the capacitive electroacoustic transducer according to the invention
  • FIG. 2a is a schematic representation of another embodiment of the capacitive electroacoustic transducer according to the invention.
  • FIG. 2b is a schematic representation of another embodiment of the capacitive electroacoustic transducer according to the invention.
  • FIG. 3a is a schematic representation of another embodiment of the capacitive electroacoustic transducer according to the invention.
  • FIG. 3b is a schematic representation of another embodiment of the capacitive electroacoustic transducer according to the invention.
  • the miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer that is to say of size less than 3 cm, consists of an inseparable integral block (12) which comprises several layers of materials stacked on top of each other. others following an order. These layers are deposited according to deposition methods well known in the state of the art, in particular by chemical vapor deposition and / or by etching and / or by lithography and / or by cathodic sputtering and / or by any other deposition method. in vapor or liquid phase. They can also be directly glued on top of each other using a heat source, UV radiation. To obtain particular shapes, certain layers are deposited by the methods mentioned above and treated by centrifugal coating.
  • This inseparable integral block (12) comprises a substrate (5) of glass and a substrate (2) of pure silicon or of amorphous material, as a support on which layers of materials are deposited or etched. The following layers are successively deposited or etched on the substrate (5):
  • insulating layers 3, 4
  • impermeable to gases and liquids made up of dielectric materials of a chemical nature, i.e. chemical composition, and physical, i.e. physical property , different, of dielectric permittivity less than 100
  • the following layers are deposited or etched on the substrate (2): - A metal layer forming an electrode (1), flat, fixed, substantially parallel to the electrode (7) and movable along the axis OZ when the transducer is supplied by high voltages;
  • At least one insulating layer (8) impermeable to gases and liquids, made of dielectric materials of a chemical nature, that is to say of chemical composition, and physical, that is to say of physical property, different , of dielectric permittivity less than 100, two of said insulating layers (3, 4, 8) each having a thickness greater than 1.5 ⁇ m and the other a thickness greater than 10 ⁇ m.
  • the substrate (2) consists of a vibrating membrane (2) of thickness EM between 10 pm and 400 pm, with vibratory amplitudes between 10 pm and 200 pm:
  • a mobile part SM at least partly in contact with the electrode (1), capable of vibrating and moving along the OZ axis in response to a high voltage;
  • the electrode (7) is deposited on the surface of the substrate (5) and the insulating layer (4) is deposited on the surface of the electrode (7).
  • the insulating layer (3) is deposited on part of the surface of the insulating layer (4), more precisely on the peripheries of the insulating layer (4).
  • the insulating layer (4) is deposited on the peripheries of the surface of the electrode (7) and the insulating layer (3) on the surface of the insulating layer (4).
  • the electrode (1) is deposited on the vibrating membrane (2), in particular over the entire surface of the mobile part SM, and the insulating layer (8) is deposited on the surface of the electrode (1) and on a part of the vibrating membrane (2).
  • the transducer further comprises a cavity (6), of thickness EC greater than 10 ⁇ m, between at least two insulating layers (3, 4, 8), inside which there is a pressure Pc greater than 10 6 mbar .
  • the EC thickness defines the inter-electrostatic gap.
  • the electrode (7) is made of gold and the electrode (1) is made of silicon.
  • the insulating layers (3, 4, 8) are in negative photosensitive resin of the type AZNLOF 2070 or SU-8 or MAN 2400, because these materials, exposed to beams of electrons, to ultraviolet rays and more simply to light, have particular and interesting physicochemical properties.
  • the insulating layer (4) is made of positive photosensitive resin, in particular in S 1800 or AZ 4533 or AZ 9260 or in PMMA 950k A6 because these materials, exposed to electron beams , to ultraviolet rays and more simply to light, have particularly interesting physicochemical properties for microelectronics.
  • the insulating layer (8) has a thickness greater than 1.5 ⁇ m
  • the insulating layer (3) also called pillar (3) has a thickness of at least 25 ⁇ m
  • the insulating layer (4) has a thickness of at least 4.5 ⁇ m.
  • the cavity (6) is limited on its upper part by the insulating layer (8), on its lower part by the insulating layer (4) and on the side parts by the insulating layer
  • a transition metal tie layer having a high melting point, some of the lowest vapor pressures and low thermal expansion coefficients is used to bond the substrate (5) to the electrode (7) and for better adhesion of the latter to the substrate (5).
  • This tie layer is at least 10 nm thick.
  • the cavity (6) is confined between the insulating layers (3, 4, 8). This configuration of the cavity (6) relative to the vibrating membrane (2) and the low pressure in the cavity (vacuum) makes it possible to achieve very high breakdown voltages, that is to say higher breakdown voltages. at 500 V and less than 15,000 V then to withstand the large variations in breakdown voltages in this range.
  • the insulating layers (3, 4, 8) are made of dielectric materials having a very high dielectric strength makes it possible to provide additional protection with respect to the high breakdown voltage, greater than 500 V.
  • the insulation layers (4, 8) are of negative photosensitive resin of the epoxy type with relatively high viscosity, in particular SU8.
  • the insulating layer (3) is made of thick resin, in particular SU8 or of titanium oxide (titanium dioxide or other) or of nano- titanium oxide or silicon dioxide or other dielectric material having properties exhibiting very high dielectric strength.
  • the vibrating membrane (2) is made of silicon and the electrodes are made of materials or alloys of materials having excellent characteristics in terms of thermal and electrical conduction and / or in terms of semiconductor.
  • One of the assembly routes of the inseparable integral block (12) is as follows: on the substrate (5):
  • - is deposited by known methods, in particular by lithography or by etching or by chemical or physical vapor deposition or by cathodic sputtering, a thin layer of gold defining the electrode (7) structured on the surface of the substrate (5) , preferably in the center of the substrate (5);
  • this insulating layer (4) is then deposited by the same methods mentioned, the insulating layer (3) of SU-8 of a chemical and physical nature different from that of SU-8 of the insulating layer (4), structured on a part of the insulating layer (4), preferably on the peripheries of the insulating layer (4) by creating a U-shaped hollow area of depth EC.
  • the substrate assembly and the deposited layers are then placed under vacuum. on the substrate (2) forming the vibrating membrane (2):
  • a thin metallic layer of silicon is deposited forming the electrode (1) structured on the vibrating membrane (2), preferably in the center of the vibrating membrane (2);
  • the set of two substrates with their deposits is then assembled and between the different insulating layers (3, 4, 8) in resin, a hollow zone of depth EC is formed, defining the cavity (6) in which a pressure of the order of vacuum, that is to say at least 10 6 mbar.
  • the integral block (12) can be formed by the association of two parts, a part A and a part B.
  • Part A is constituted by the vibrating membrane (2), the electrode (1), of the insulating layer ( 8) and part of the insulating layer (3).
  • Part B consists of the substrate (5), the electrode (7), the insulating layer (4) and part of the insulating layer (3).
  • the two parts A and B each having a hollow zone of depth substantially equal to EC / 2, are connected at the level of the insulating layers (3) to form a cavity (6) of thickness (depth) EC.
  • One of the assembly routes of the inseparable integral block (12) for this embodiment is as follows: on the substrate (5): - is deposited by known methods, in particular by lithography or by etching or by chemical or physical deposition in vapor phase or by sputtering, a thin layer of gold defining the electrode (7) structured on the surface of the substrate (5), preferably at the center of the substrate (5); - On this gold electrode (7), is then deposited by the same methods mentioned, the thin insulating layer (4) of SU-8 structured on the electrode (7), preferably on the electrode (7) and on part of the substrate (5);
  • this insulating layer (4) is then deposited by the same methods mentioned, the insulating layer (3) of SU-8 of a chemical and physical nature different from that of SU-8 of the insulating layer (4), structured on a part of the insulating layer (4), preferably on the peripheries of the insulating layer (4) by creating a U-shaped hollow area of depth EC / 2.
  • the substrate assembly (5) and the deposited layers (7, 4, 3) are then placed under vacuum. on the substrate (2) forming the vibrating membrane (2):
  • a thin metallic layer of silicon is deposited forming the electrode (1) structured on the vibrating membrane (2), preferably in the center of the vibrating membrane (2);
  • this insulating layer (8) is then deposited by the same methods mentioned, the insulating layer (3) of SU-8 of a different chemical and physical nature from that of SU-8 of the insulating layer (8), structured on a part of the insulating layer (4), preferably on the peripheries of the insulating layer (8) by creating a hollow area in the shape of an inverted U of depth EC / 2.
  • the substrate assembly (2) and the deposited layers (3, 8, 1) are then placed under vacuum.
  • the set of two substrates with their deposits is then assembled and is formed between the different insulating layers (3, 4, 8) of resin, a hollow zone of depth EC defining the cavity (6) in which there is a pressure of the vacuum order, that is to say at least 10 6 mbar.
  • the shape of the vibrating membrane (2) and of the cavity (6) can vary according to the power targeted because the various forms and associated embedding conditions can vary the emission power as well as the associated directivity. Therefore, the membrane (2) has the shape of a quadrilateral or a hexagon or has a circular shape.
  • the mobile part (SM) of the vibrating membrane (2) has an area less than or equal to 1000 mm2 and a mass less than or equal to 10 mg.
  • the mobile part (SM) of the membrane (2) has a circular shape with a radius of between 2 mm and 10 mm and the mass of the mobile part (SM) of the vibrating membrane (2) is 1, 5 mg and its thickness is 27 pm, the maximum sound pressure is 130 dB and the acoustic impedance is 277 Rayl, or 33% compared to the acoustic impedance of air at ambient pressure and at ambient temperature .
  • the miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer described according to the invention operates only at high voltages (alternating or direct) greater than 500 V and less than 15,000 V. Therefore, It is capable of radiating sound pressure between 80 dB and 150 dB at 1 m at a low level activating ultrasonic frequency between 20 kHz and 110 kHz. Thanks to its large vibratory amplitudes of between 10 pm and 200 pm, it is able to operate at high voltage without showing partial discharges and leakage current.
  • At least one insulating layer (4, 8) of several micrometers can be used to enhance the safety and reliability of the electroacoustic transducer and to limit the voltage applied to the terminals of the electrodes.
  • at least one insulating layer (4, 8) with a thickness between 1.5 ⁇ m and 80 ⁇ m, a pillar (3) with a thickness between 10 ⁇ m and 200 ⁇ m and a cavity (6) is used.
  • one of the insulating layers (4, 8) has a thickness less than or equal to 5 ⁇ m and the other a thickness greater than or equal to 5 ⁇ m.
  • the mobile part SM of the vibrating membrane (2) has an area of between 1 mm 2 and 500 mm 2 , a mass of between 0.5 mg and 10 mg.
  • the choice of the frequency is based on a compromise between the choice of an ultrasound frequency low enough so that the attenuation in the propagation medium is as low as possible but at the same time high enough to be able to be placed at reasonable sound pressure levels compatible with medical safety standards because this type of transducer is also intended to be used near people.
  • the efficiency of the transducers is maximized.
  • the capacitive electroacoustic transducer comprises a protection and fixing wall (11).
  • This wall (11) makes it possible, on the one hand, to fix the integral block (12) on a mechanical interface of a solid structure (13), for example the skin of an aircraft, and on the other hand, to decouple the vibrations originating from said solid structure (13) acoustic vibrations emitted by the integral unit (12).
  • the capacitive electroacoustic transducer further comprises, above the vibrating membrane (2), a secondary cavity (9) of thickness EC2 greater than 10 ⁇ m inside which a pressure prevails. Pcs different from the Pc pressure of the cavity (6).
  • the EC2 thickness of this cavity (9) varies depending on the displacement of the vibrating membrane. This cavity protects the vibrating membrane (2) against the complex atmospheric conditions of the operating environment, for example when the transducer is used in the field of aeronautics or on objects requiring strong acceleration.
  • the ultrasonic capacitive electroacoustic transducer comprises an additional insulating layer (10), impermeable to fluids, made of dielectric material of a chemical nature possibly different from those of the insulating layers (3, 4, 8).
  • the latter comprises:
  • a vibrating silicon membrane (2) comprising a mobile part SM enveloping the mobile electrode (1) and a fixed part SF, of circular shape with a radius of between 2 mm and 5 mm or a rectangular parallelepiped shape.
  • the mobile part SM of the vibrating membrane (2) has a thickness EM 27 ⁇ m and a mass of 1.5 mg;
  • An insulating layer (8) 2 ⁇ m thick, supporting the vibrating membrane (2); - An insulating layer (10), U-shaped, 15 ⁇ m deep, supporting the insulating layer (8) on its ends.
  • the space formed between the insulating layer (10) and the insulating layer (8) defines the cavity (6) of depth equal to that of the U-shape of the insulating layer (10) that is to say that EC equal to 15 pm, the insulating layer (10) is made of dielectric material of a chemical and physical nature different from those of the insulating layers (3, 4, 8) and has a dielectric permittivity of less than 100.
  • An insulating layer (3) called a pillar (3), 33 ⁇ m thick, partially supporting the insulating layer (10);
  • the pillar (3) and the insulating layers (4, 8) are made of resin with very high dielectric strength in order to obtain additional protection against breakdown.
  • the substrate (5) is made of glass and the electrodes (1, 7) are made of gold.
  • the cavity (6) has a shape proportional to that of the vibrating membrane (2), preferably a rectangular or cylindrical parallelepiped shape.
  • This transducer is able to operate at high voltage thanks to a thickness EC of the cavity (6) of between 10 ⁇ m and 200 ⁇ m and the use of insulating layers (3, 4, 8, 10) makes it possible to obtain additional protection by compared to the breakdown voltage (500 V to 15,000 V), because at these high voltages, the vibrating membrane (2) has an acoustic pressure at 1 m of between 80 dB and 150 dB at a low-level activation ultrasonic frequency between 20 kHz and 110 kHz, for a resonant frequency of 25 kHz.
  • the mobile part SM of the vibrating membrane (2) has a thickness greater than 10 ⁇ m
  • the pillar (3) has a thickness of 30 ⁇ m
  • the insulating layer (4) has a thickness of 5 ⁇ m
  • the insulating layer (8) has a thickness of 2 ⁇ m
  • the insulating layer (10) has a thickness of 5 ⁇ m.
  • the dimensional characteristics of the insulating layers (3, 4, 8, 10) and of the mobile part SM of the vibrating membrane (2) also make it possible to adjust the acoustic impedance of the membrane and therefore the level of energy transmitted to the medium. and the reflected quantity.
  • the propagation factor Q is chosen between 0.4 and 0.9, preferably less than 1 because it is necessary to have a membrane having an acoustic impedance as close as possible to that of the medium. propagation of sound waves to maximize transducer performance.
  • the transducer is capable of generating a maximum sound pressure level of 130 dB, an emission frequency of between 20 and 110 kHz in the complex propagation medium where mechanical and vibratory disturbances are important, an acoustic power at 1 m in the propagation medium greater than 80 dB.
  • At least one of the layers (3, 4, 8, 10) is made of dielectric material having a very high dielectric strength, in order to limit the thickness EC of the cavity (6) and in particular the size of the transducer for miniaturization.
  • the transducers targeted by the present invention can be used in an array.
  • These networks can take different forms depending on the intended application and the admissible footprint. Network use makes it possible to pool or not, depending on the technique used, the powers emitted in a given direction so that the overall power produced by the network exceeds that of a single cell. Network operation also makes it possible to improve directivity, whether through the geometric arrangement of the cells or through the associated electronic control. In addition, in order to reduce the disturbances generated by the behavior of neighboring cells, the network may have trenches between each cell filled with an insulating material or not.
  • the cavity (6) has a specific shape coupling at least two geometric shapes, preferably a cylindrical shape and a parallelepiped shape.
  • the first shape has a thickness (at the lowest point: depth) less than that of the second shape, the reference being taken at the level of the insulating layer (8).
  • the thickness EC of the cavity (6) at the lowest point (depth between the insulating layer (8) and the insulating layer (4)) is greater than 40 ⁇ m and at the highest point (depth between the insulating layer ( 8) and the insulating layer (10)) is greater than 10 ⁇ m.
  • the insulating layer (10) is a photoresist layer, of a different chemical and physical nature from those of the layers (3, 4, 8).
  • the cavity (6) is between the insulating layers (3, 4, 8, 10).
  • the mobile part SM of the vibrating membrane (2) has a thickness greater than 10 ⁇ m
  • the pillar (3) has a thickness of 17 ⁇ m
  • the insulating layer (4) has a thickness of 15 ⁇ m
  • the insulating layer (8) has a thickness of 2 ⁇ m.
  • the insulating layer (3) comprises a sandwich of insulating and non-insulating layers.
  • the insulating layers (3) used being of different chemical and physical nature from the insulating layers (4, 8, 10). These insulating and non-insulating layers are arranged so that the insulating layer (3) has good dielectric properties, i.e. high resistivity. This configuration allows the thickness of the cavity to be improved to improve the breakdown voltage.
  • the electroacoustic transducers according to the invention are capable of operating at a minimum voltage of 500 V, preferably a minimum voltage of 700 V and can generate vibratory amplitudes of the order of 15 pm to 20 pm peak-peak and pressure levels. acoustics of the order of 102 dB to 110 dB at 1 m.
  • the capacitive electroacoustic transducers according to the invention have a wider temperature range of use than for magnetostrictive and piezoelectric technologies. Its state-of-the-art industrial manufacturing process allows it to be easily manufactured and to integrate directly and concomitantly the signal modulation electronics and control components. It also has the advantage of having great precision on directivity or sensitivity and on the transmission or reception frequency.
  • the miniaturized ultrasonic capacitive electroacoustic transducer according to the invention allows the use of high voltages greater than 500 V thanks to the high performance required: an acoustic pressure radiated at 1 m of between 80 dB and 150 dB, an ultrasonic activation frequency of low level between 20 kHz and 110 kHz and a significant vibratory amplitude between 10 pm and 200 pm. It therefore makes it possible to lift the lock according to which it is not possible to design a miniaturized capacitive electroacoustic transducer operating at high voltage.

Abstract

The invention relates to a miniaturised ultrasonic electroacoustic capacitive transducer, having a vibratory amplitude of several tens of micrometres and an acoustic impedance Za, being capable of operating at high (AC or DC) voltages greater than 500 V and less than 15,000 V and of radiating an acoustic pressure at 1 m of between 80 dB and 150 dB at a low level ultrasonic activation frequency of between 20 kHz and 110 kHz, comprising an inseparable integral block (12) which comprises at least one substrate (5, 2) on which two electrodes (1, 7) are deposited and/or etched, and at least three insulating layers (3, 4, 8, 10) that are impermeable to gases and liquids, formed of dielectric materials of different chemical and physical nature. The transducer comprises a cavity (6) of thickness EC greater than 10 µm included between at least two insulating layers (3, 4, 8, 10) inside which a pressure Pc greater than 10-6 mbar prevails.

Description

TRANSDUCTEUR ELECTRO ACOUSTIQUE CAPACITIF ULTRASONORE MINIATURISE FONCTIONNANT A HAUTE TENSION MINIATURIZED CAPACITIVE ULTRASONIC ELECTRO ACOUSTIC TRANSDUCER OPERATING AT HIGH VOLTAGE
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. The present invention relates to a miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer operating at high alternating or direct voltages, preferably at alternating or direct voltages greater than 500 V and less than 15,000 V.
Elle est relative à un transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé à amplitudes vibratoires importantes de quelques dizaines de micromètres, notamment 10 pm à 200 pm, apte à fonctionner à haute tension. It relates to a miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer with large vibratory amplitudes of a few tens of micrometers, in particular 10 μm to 200 μm, capable of operating at high voltage.
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. It relates more particularly to a miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer operating at high voltage with a variable and increasing electric field and with a power and a sensitivity which can be improved in transmission and in reception.
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. The invention is in the field of high performance ultrasonic acoustic wave transmitter and receiver making it possible to determine the physical parameters of a mobile at rest or in motion in a complex environment where mechanical, thermal and vibratory disturbances are significant such as aeronautics, for example the speed of an aircraft from the flight time of the acoustic wave between a transmitter and a receiver or a multiplicity of transmitters and receivers.
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. Capacitive electroacoustic transducers are ultrasonic transducers based on the electrostatic effect, operating in an acoustic-type wave propagation medium and made from silicon using micromachining or wafer bonding or other techniques known from the state of the 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. The basic structure of an electroacoustic transducer is that of a planar capacitor with parallel armatures, one of the electrodes of which is fixed and the other mobile in one direction, the mobile electrode being doped on or below the vibrating membrane. to constitute an inseparable monobloc. These are naturally separated by a cavity, an insulating layer and possibly a vibrating membrane characterizing the nature of the electroacoustic transducer in terms of 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. In the mode of operation as an emitter, when a bias voltage is applied between the two electrodes, the electrostatic force causes the membrane to move along an axis. Adding an alternating voltage generates an alternating electrostatic force which makes the membrane vibrate and thus produces ultrasound in the propagation medium at the frequency of the applied signal.
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 : Using a bias voltage increases the electric field between the plates and improves transmit power and receive sensitivity. Electroacoustic transducers are mainly based on the electrostatic movement of a vibrating membrane. They can therefore be used as a transmitter and / or receiver of acoustic waves to determine physical parameters such as speed, position, etc. of a mobile at rest or in motion in a complex environment as described in the following patent applications: FR 3027398 and FR 2974908. For this specific application (determination of the physical parameters of a mobile in a complex environment), the electroacoustic transducers Capacitive devices must be miniaturized, mounted on the structure of the aircraft and operate in the range of specific ultrasound, and be mainly characterized by the high performance required:
(i) une pression acoustique rayonnée supérieure à 80 dB, (ii) une fréquence ultrasonore des bas niveaux supérieure à 20 kFlz, et (i) a radiated sound pressure greater than 80 dB, (ii) a low-level ultrasonic frequency greater than 20 kFlz, and
(iii) une amplitude vibratoire supérieure à 10 pm. (iii) a vibratory amplitude greater than 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 kFlz et amplitude vibratoire importante supérieure à 10 pm) 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. Unfortunately, the simultaneous obtaining of high performances (radiated acoustic pressure greater than 80 dB, ultrasonic acoustic frequency of low levels greater than 20 kFlz and significant vibratory amplitude greater than 10 pm) imply the use of high electrical voltages leading to discharges. partial and high leakage currents. Hence the need to improve the known ultrasonic electroacoustic transducers by simultaneously endowing them with specific characteristics of high voltages and high performance for use as an ultrasonic sensor for applications enumerated in the present invention. From the state of the art, piezoelectric power transducers are known which can be used in the ultrasonic frequency range. Unfortunately, these piezoelectric transducers are not suitable for high voltages and even less for high performance, in particular the transmission power of 80 dB. From the state of the art are known ultrasonic capacitive transducers used in the proximity of resonance, with the resonant frequency which, for micromachined transducers, varies between tens of kiloHertz and tens of megaHertz. The dimensions of the membranes corresponding to this frequency range are between tens and hundreds of micrometers for the diameter, and between tenths and units of a micrometer for the thickness. A transducer of this type produces a sound pressure level of 112 dB at 10 mm at a frequency of 127 kHz. Unfortunately, these transducers of the state of the art do not operate at high voltage and do not make it possible to obtain the high performance required to be used in applications for measuring the physical parameters of a mobile moving or at rest in an environment. strict.
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 : The present invention therefore aims to remedy these drawbacks. More particularly, the present invention aims to provide an electroacoustic transducer having high performance and operating at high voltage without inducing partial discharges and minimizing leakage currents. In what follows, the following terms will have the following definition:
- 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. - Electroacoustics: refers to a technique combining acoustics and electricity (electronics) for recording, processing, transmission, creation and reproduction of sound waves.
- 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- Ultrasound: designates a mechanical and elastic wave, which propagates through fluid media: solid, gaseous or liquid. The frequency range of ultrasound is between 16
KHz et 10 000 kHz, fréquences trop élevées pour être perçues par l'oreille humaine. KHz and 10,000 kHz, frequencies too high to be perceived by the human ear.
- Miniaturisé : désigne les objets de petites dimensions dont la taille (longueur, largeur, profondeur, rayon) est inférieure à 3 cm. - Miniaturized: designates small-sized objects whose size (length, width, depth, radius) is less than 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. - Capacitive: Which relates to electrostatic phenomena. Capacitance represents the amount of electrical charge carried by a conductor for a given electrical potential.
- Haute tension : les valeurs de la tension électrique supérieures à 500 V en courant alternatif ou en courant continu. - High voltage: values of the electric voltage greater than 500 V in alternating current or direct current.
- 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. - Acoustic pressure: describes the variation in pressure in the presence of an acoustic wave. - The low levels: designates the range of ultrasonic frequencies located towards the lower limit of the definition interval of the ultrasonic frequencies, in the present case, typically between 20 kHz and 110 kHz; noting that these frequencies are used very little in ultrasonic acoustic wave applications.
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 : The subject of the invention is a miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer, having a vibratory amplitude of a few tens of micrometers, an acoustic impedance Za and being able to operate at high voltages (alternating or continuous) greater than 500 V and less than 15,000 V and radiating an acoustic pressure at 1 m of between 80 dB and 150 dB at a low level activating ultrasonic frequency of between 20 kHz and 110 kHz. This transducer comprises an inseparable integral block which comprises at least one substrate on which the following layers are deposited and / or etched:
- une électrode plane dit inférieure, laquelle est fixe ; - A so-called lower plane electrode, which is fixed;
- une électrode plane dit supérieure, fixe, sensiblement parallèle à l’électrode inférieure, laquelle est mobile lorsqu’elle est alimentée par des hautes tensions, - a so-called upper flat electrode, fixed, substantially parallel to the lower electrode, which is movable when supplied by high voltages,
- 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 pm et l’autre une épaisseur supérieure à 10 pm. - at least three insulating layers, impermeable to gases and liquids, made of dielectric materials of different chemical and physical nature, of dielectric permittivity less than 100, two of said insulating layers each having a thickness greater than 1.5 μm and the other a thickness greater than 10 µm.
Au moins un substrat du transducteur est une membrane vibrante d’épaisseur EM comprise entre 10 pm et 400 pm, d’amplitudes vibratoires comprises entre 10 pm et 200 pm, comprenant : At least one substrate of the transducer is a vibrating membrane with an EM thickness between 10 pm and 400 pm, with vibratory amplitudes between 10 pm and 200 pm, comprising:
- 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 - a mobile part SM in contact with the upper electrode while enveloping it, capable of vibrating and moving along an axis OZ in response to a high voltage, and
- une partie fixe SF servant d’appui en réponse à une haute tension, - a fixed part SF serving as a support in response to a high voltage,
Ce transducteur comprend une cavité, d’épaisseur EC supérieure à 10 pm, comprise entre au moins deux couches isolantes, à l’intérieur de laquelle règne une pression Pc supérieure à 10 6 mbar. This transducer comprises a cavity, of thickness EC greater than 10 μm, comprised between at least two insulating layers, inside which there is a pressure Pc greater than 10 6 mbar.
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 pm 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. According to other characteristics of the invention, the transducer further comprises, above the vibrating membrane, a secondary cavity of thickness EC2 greater than 10 μm inside. of which there is a pressure Pcs different from the pressure Pc and in that said thickness EC2 varying as a function of the displacement of the vibrating membrane.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, une des couches isolantes a une épaisseur inférieure ou égale à 5 pm et l’autre a une épaisseur supérieure ou égale à 5 pm Selon d’autres caractéristiques de l’invention, les couches isolantes ont chacune une épaisseur comprise entre 1,5 pm et 80 pm. According to other characteristics of the invention, one of the insulating layers has a thickness less than or equal to 5 μm and the other has a thickness greater than or equal to 5 μm According to other characteristics of the invention, the insulating layers have each a thickness between 1.5 µm and 80 µm.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, au moins une couche isolante a une épaisseur EP comprise entre 10 pm et 200 pm et la cavité a une épaisseur EC comprise entre 10 pm et 200 pm. 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 inférieur à 1 According to other features of the invention, at least one insulating layer has an EP thickness of between 10 µm and 200 µm and the cavity has an EC thickness of between 10 µm and 200 µm. According to other features of the invention, the transducer has a propagation factor Q defined as being the ratio of the acoustic impedance Za of the electroacoustic transducer and of an acoustic impedance of a propagation medium Zm such as less than 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 mm2 et, en ce que la partie mobile SM de ladite membrane vibrante a une masse inférieure ou égale à 10 mg. According to other characteristics of the invention, the vibrating membrane has the shape of a quadrilateral or of a hexagon or of a circular shape, the surface of the mobile part SM of this vibrating membrane being less than or equal to 1000 mm 2. and, in that the mobile part SM of said vibrating membrane has a mass less than or equal to 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. According to other characteristics of the invention, the transducer further comprises a protective and fixing wall making it possible, on the one hand, to fix the integral unit to a mechanical interface of a solid structure and, on the other hand, to decouple the vibrations. from said solid structure acoustic vibrations emitted by the integral unit.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : Other characteristics and advantages of the invention will become apparent on reading the following detailed description for the understanding of which reference is made to the accompanying drawings in which:
[Fig. la] est une représentation schématique d’un transducteur électroacoustique capacitif miniaturisé selon l’invention ; [Fig. la] is a schematic representation of a miniaturized capacitive electroacoustic transducer according to the invention;
[Fig. lb] est une représentation schématique d’un mode de réalisation du transducteur électroacoustique capacitif selon l’invention ; [Fig. 2a] est une représentation schématique d’un autre mode de réalisation du transducteur électroacoustique capacitif selon l’invention ; [Fig. lb] is a schematic representation of an embodiment of the capacitive electroacoustic transducer according to the invention; [Fig. 2a] is a schematic representation of another embodiment of the capacitive electroacoustic transducer according to the invention;
[Fig. 2b] est une représentation schématique d’un autre mode de réalisation du transducteur électroacoustique capacitif selon l’invention ; [Fig. 2b] is a schematic representation of another embodiment of the capacitive electroacoustic transducer according to the invention;
[Fig. 3a] est une représentation schématique d’un autre mode de réalisation du transducteur électroacoustique capacitif selon l’invention ; [Fig. 3a] is a schematic representation of another embodiment of the capacitive electroacoustic transducer according to the invention;
[Fig. 3b] est une représentation schématique d’un autre mode de réalisation du transducteur électroacoustique capacitif selon l’invention ; [Fig. 3b] is a schematic representation of another embodiment of the capacitive electroacoustic transducer according to the invention;
En référence à la figure la, 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. With reference to FIG. 1a, the miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer, that is to say of size less than 3 cm, consists of an inseparable integral block (12) which comprises several layers of materials stacked on top of each other. others following an order. These layers are deposited according to deposition methods well known in the state of the art, in particular by chemical vapor deposition and / or by etching and / or by lithography and / or by cathodic sputtering and / or by any other deposition method. in vapor or liquid phase. They can also be directly glued on top of each other using a heat source, UV radiation. To obtain particular shapes, certain layers are deposited by the methods mentioned above and treated by centrifugal coating.
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 : This inseparable integral block (12) comprises a substrate (5) of glass and a substrate (2) of pure silicon or of amorphous material, as a support on which layers of materials are deposited or etched. The following layers are successively deposited or etched on the substrate (5):
- Une couche métallique formant une électrode (7) plane, fixe et immobile même lorsque le transducteur est alimenté par des hautes tensions, et - A metal layer forming an electrode (7) flat, fixed and immobile even when the transducer is supplied by high voltages, and
- 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 pm et l’autre une épaisseur supérieure à 10 pm. - at least two insulating layers (3, 4), impermeable to gases and liquids, made up of dielectric materials of a chemical nature, i.e. chemical composition, and physical, i.e. physical property , different, of dielectric permittivity less than 100, two of said insulating layers (3, 4, 8) each having a thickness greater than 1.5 μm and the other a thickness greater than 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; The following layers are deposited or etched on the substrate (2): - A metal layer forming an electrode (1), flat, fixed, substantially parallel to the electrode (7) and movable along the axis OZ when the transducer is supplied by high voltages;
- 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 pm et l’autre une épaisseur supérieure à 10 pm. - at least one insulating layer (8), impermeable to gases and liquids, made of dielectric materials of a chemical nature, that is to say of chemical composition, and physical, that is to say of physical property, different , of dielectric permittivity less than 100, two of said insulating layers (3, 4, 8) each having a thickness greater than 1.5 μm and the other a thickness greater than 10 μm.
Le substrat (2) est constitué d’une membrane vibrante (2) d’épaisseur EM comprise entre 10 pm et 400 pm, d’amplitudes vibratoires comprises entre 10 pm et 200 pm :The substrate (2) consists of a vibrating membrane (2) of thickness EM between 10 pm and 400 pm, with vibratory amplitudes between 10 pm and 200 pm:
- comprenant une partie fixe SF servant d’appui en réponse à une haute tension et- comprising a fixed part SF serving as a support in response to a high voltage and
- 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 ; - a mobile part SM at least partly in contact with the electrode (1), capable of vibrating and moving along the OZ axis in response to a high voltage;
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). The electrode (7) is deposited on the surface of the substrate (5) and the insulating layer (4) is deposited on the surface of the electrode (7). The insulating layer (3) is deposited on part of the surface of the insulating layer (4), more precisely on the peripheries of the insulating layer (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). According to other features of the invention, the insulating layer (4) is deposited on the peripheries of the surface of the electrode (7) and the insulating layer (3) on the surface of the insulating layer (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). The electrode (1) is deposited on the vibrating membrane (2), in particular over the entire surface of the mobile part SM, and the insulating layer (8) is deposited on the surface of the electrode (1) and on a part of the vibrating membrane (2).
Le transducteur comprend en outre une cavité (6), d’épaisseur EC supérieure à 10 pm, comprise entre au moins deux couches isolantes (3, 4, 8), à l’intérieur de laquelle règne une pression Pc supérieure à 10 6 mbar. L’épaisseur EC définit le gap inter-électrostatique. The transducer further comprises a cavity (6), of thickness EC greater than 10 μm, between at least two insulating layers (3, 4, 8), inside which there is a pressure Pc greater than 10 6 mbar . The EC thickness defines the inter-electrostatic gap.
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 A Z 4533 ou en A Z 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. The electrode (7) is made of gold and the electrode (1) is made of silicon. The insulating layers (3, 4, 8) are in negative photosensitive resin of the type AZNLOF 2070 or SU-8 or MAN 2400, because these materials, exposed to beams of electrons, to ultraviolet rays and more simply to light, have particular and interesting physicochemical properties. According to other characteristics of the invention, the insulating layer (4) is made of positive photosensitive resin, in particular in S 1800 or AZ 4533 or AZ 9260 or in PMMA 950k A6 because these materials, exposed to electron beams , to ultraviolet rays and more simply to light, have particularly interesting physicochemical properties for microelectronics.
La couche isolante (8) a une épaisseur supérieure de 1,5 pm, la couche isolante (3) encore appelée pilier (3), a une épaisseur d’au moins 25 pm et la couche isolante (4) a une épaisseur d’au moins 4,5 pm. 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 isolanteThe insulating layer (8) has a thickness greater than 1.5 µm, the insulating layer (3) also called pillar (3) has a thickness of at least 25 µm and the insulating layer (4) has a thickness of at least 4.5 µm. The cavity (6) is limited on its upper part by the insulating layer (8), on its lower part by the insulating layer (4) and on the side parts by the insulating layer
(3)· (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. Preferably, to deposit the electrode (7) on the substrate, a transition metal tie layer having a high melting point, some of the lowest vapor pressures and low thermal expansion coefficients is used to bond the substrate (5) to the electrode (7) and for better adhesion of the latter to the substrate (5). This tie layer is at least 10 nm thick.
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. The cavity (6) is confined between the insulating layers (3, 4, 8). This configuration of the cavity (6) relative to the vibrating membrane (2) and the low pressure in the cavity (vacuum) makes it possible to achieve very high breakdown voltages, that is to say higher breakdown voltages. at 500 V and less than 15,000 V then to withstand the large variations in breakdown voltages in this range.
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. The fact that the insulating layers (3, 4, 8) are made of dielectric materials having a very high dielectric strength makes it possible to provide additional protection with respect to the high breakdown voltage, greater than 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. When a voltage greater than 500 V is applied to the terminals of the transducer, the vibrating membrane (2), the electrode (1) and the insulating layer (8) become mobile in response to the applied voltage, thus creating a vibratory movement generating an ultrasonic wave in accordance with the 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. Preferably, the insulation layers (4, 8) are of negative photosensitive resin of the epoxy type with relatively high viscosity, in particular SU8. The insulating layer (3) is made of thick resin, in particular SU8 or of titanium oxide (titanium dioxide or other) or of nano- titanium oxide or silicon dioxide or other dielectric material having properties exhibiting very high dielectric strength.
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. The vibrating membrane (2) is made of silicon and the electrodes are made of materials or alloys of materials having excellent characteristics in terms of thermal and electrical conduction and / or in terms of semiconductor.
Une des routes d’assemblage du bloc solidaire indissociable (12) est la suivante : sur le substrat (5) : One of the assembly routes of the inseparable integral block (12) is as follows: on the substrate (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) ; - is deposited by known methods, in particular by lithography or by etching or by chemical or physical vapor deposition or by cathodic sputtering, a thin layer of gold defining the electrode (7) structured on the surface of the substrate (5) , preferably in the center of the substrate (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) ; - On this gold electrode (7), is then deposited by the same methods mentioned, the thin insulating layer (4) of SU-8 structured on the electrode (7), preferably on the electrode (7) and on part of the substrate (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) : - On this insulating layer (4) is then deposited by the same methods mentioned, the insulating layer (3) of SU-8 of a chemical and physical nature different from that of SU-8 of the insulating layer (4), structured on a part of the insulating layer (4), preferably on the peripheries of the insulating layer (4) by creating a U-shaped hollow area of depth EC. The substrate assembly and the deposited layers are then placed under vacuum. on the substrate (2) forming the vibrating membrane (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) ; - a thin metallic layer of silicon is deposited forming the electrode (1) structured on the vibrating membrane (2), preferably in the center of the vibrating membrane (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 6 mbar. - then, is deposited on this electrode (1) the insulating layer (8) thin SU-8 of different chemical and physical nature from the two previous insulating layers (3, 4), structured over the entire surface of the electrode (1) , preferably on the electrode (1) and on a part of the vibrating membrane (2), preferably on the peripheries of the vibrating membrane (2). The set of two substrates with their deposits is then assembled and between the different insulating layers (3, 4, 8) in resin, a hollow zone of depth EC is formed, defining the cavity (6) in which a pressure of the order of vacuum, that is to say at least 10 6 mbar.
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’ aj out 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. Thus, when a voltage greater than 500 V is applied between the electrodes (1, 7), an electrostatic force causes the movement of the vibrating membrane (2) in one direction. The addition of an alternating voltage generates an alternating electrostatic force which makes it possible to make the vibrating membrane (2) vibrate and thus produce ultrasound in the propagation medium at the frequency of the applied signal: this is the operating mode in program. Large displacements can be created when the frequency of the excitation signal is close to the resonance of the vibrating membrane (2), resulting in significant generation of ultrasound.
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. The use of a high bias voltage generates a strong electric field between the flat electrodes and improves transmit power and receive sensitivity. The integral block (12) can be formed by the association of two parts, a part A and a part B. Part A is constituted by the vibrating membrane (2), the electrode (1), of the insulating layer ( 8) and part of the insulating layer (3). Part B consists of the substrate (5), the electrode (7), the insulating layer (4) and part of the insulating layer (3). The two parts A and B, each having a hollow zone of depth substantially equal to EC / 2, are connected at the level of the insulating layers (3) to form a cavity (6) of thickness (depth) 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) ; One of the assembly routes of the inseparable integral block (12) for this embodiment is as follows: on the substrate (5): - is deposited by known methods, in particular by lithography or by etching or by chemical or physical deposition in vapor phase or by sputtering, a thin layer of gold defining the electrode (7) structured on the surface of the substrate (5), preferably at the center of the substrate (5); - On this gold electrode (7), is then deposited by the same methods mentioned, the thin insulating layer (4) of SU-8 structured on the electrode (7), preferably on the electrode (7) and on part of the substrate (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) : - On this insulating layer (4) is then deposited by the same methods mentioned, the insulating layer (3) of SU-8 of a chemical and physical nature different from that of SU-8 of the insulating layer (4), structured on a part of the insulating layer (4), preferably on the peripheries of the insulating layer (4) by creating a U-shaped hollow area of depth EC / 2. The substrate assembly (5) and the deposited layers (7, 4, 3) are then placed under vacuum. on the substrate (2) forming the vibrating membrane (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) ; - a thin metallic layer of silicon is deposited forming the electrode (1) structured on the vibrating membrane (2), preferably in the center of the vibrating membrane (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). - then, is deposited on this electrode (1) the insulating layer (8) thin SU-8 of different chemical and physical nature from the two previous insulating layers (3, 4), structured over the entire surface of the electrode (1) , preferably on the electrode (1) and on a part of the vibrating membrane (2), preferably on the peripheries of the vibrating membrane (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. - on this insulating layer (8) is then deposited by the same methods mentioned, the insulating layer (3) of SU-8 of a different chemical and physical nature from that of SU-8 of the insulating layer (8), structured on a part of the insulating layer (4), preferably on the peripheries of the insulating layer (8) by creating a hollow area in the shape of an inverted U of depth EC / 2. The substrate assembly (2) and the deposited layers (3, 8, 1) are then placed under vacuum.
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 6 mbar. The set of two substrates with their deposits is then assembled and is formed between the different insulating layers (3, 4, 8) of resin, a hollow zone of depth EC defining the cavity (6) in which there is a pressure of the vacuum order, that is to say at least 10 6 mbar.
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 pm, 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. The shape of the vibrating membrane (2) and of the cavity (6) can vary according to the power targeted because the various forms and associated embedding conditions can vary the emission power as well as the associated directivity. Therefore, the membrane (2) has the shape of a quadrilateral or a hexagon or has a circular shape. The mobile part (SM) of the vibrating membrane (2) has an area less than or equal to 1000 mm2 and a mass less than or equal to 10 mg. Preferably, the mobile part (SM) of the membrane (2) has a circular shape with a radius of between 2 mm and 10 mm and the mass of the mobile part (SM) of the vibrating membrane (2) is 1, 5 mg and its thickness is 27 pm, the maximum sound pressure is 130 dB and the acoustic impedance is 277 Rayl, or 33% compared to the acoustic impedance of air at ambient pressure and at ambient temperature .
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. Grâce à ses amplitudes vibratoires importantes comprises entre 10 pm et 200 pm, il est capable de fonctionner à haute tension sans faire apparaître 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 pm, fonctionnement à haute tension. Thus, because of its geometric, mechanical and electrical properties, the miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer described according to the invention operates only at high voltages (alternating or direct) greater than 500 V and less than 15,000 V. Therefore, It is capable of radiating sound pressure between 80 dB and 150 dB at 1 m at a low level activating ultrasonic frequency between 20 kHz and 110 kHz. Thanks to its large vibratory amplitudes of between 10 pm and 200 pm, it is able to operate at high voltage without showing partial discharges and leakage current. This gives the miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer according to the invention high performance properties: radiated sound pressure greater than 80 dB, low level ultrasonic frequency greater than 20 kHz, large vibratory amplitudes greater than 10 µm, high voltage operation.
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 pm et 80 pm, un pilier (3) d’épaisseur comprise entre 10 pm et 200 pm et une cavité (6) d’épaisseur EC comprise entre 10 pm et 200 pm. De préférence, l’une des couches isolantes (4, 8) a une épaisseur inférieure ou égale à 5 pm et l’autre une épaisseur supérieure ou égale à 5 pm. At least one insulating layer (4, 8) of several micrometers can be used to enhance the safety and reliability of the electroacoustic transducer and to limit the voltage applied to the terminals of the electrodes. In this case, at least one insulating layer (4, 8) with a thickness between 1.5 μm and 80 μm, a pillar (3) with a thickness between 10 μm and 200 μm and a cavity (6) is used. EC thickness between 10 µm and 200 µm. Preferably, one of the insulating layers (4, 8) has a thickness less than or equal to 5 μm and the other a thickness greater than or equal to 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. The characteristics of the capacitive electroacoustic transducer according to the invention give it a propagation factor Q defined as being the ratio of the acoustic impedance Za of the electroacoustic transducer and of an acoustic impedance of a propagation medium Zm (Q = Za / Zm ) less than 1.
Avantageusement, la partie mobile SM de la membrane vibrante (2) a une surface comprise entre 1 mm2 et 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. Advantageously, the mobile part SM of the vibrating membrane (2) has an area of between 1 mm 2 and 500 mm 2 , a mass of between 0.5 mg and 10 mg. This makes it possible to have an optimum transmission frequency and an acoustic impedance as close as possible to that of the propagation medium of the ultrasonic waves. Indeed, the choice of the frequency is based on a compromise between the choice of an ultrasound frequency low enough so that the attenuation in the propagation medium is as low as possible but at the same time high enough to be able to be placed at reasonable sound pressure levels compatible with medical safety standards because this type of transducer is also intended to be used near people. Thus, the efficiency of the transducers is maximized.
En référence à la figure lb, 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). With reference to FIG. 1b, the capacitive electroacoustic transducer comprises a protection and fixing wall (11). This wall (11) makes it possible, on the one hand, to fix the integral block (12) on a mechanical interface of a solid structure (13), for example the skin of an aircraft, and on the other hand, to decouple the vibrations originating from said solid structure (13) acoustic vibrations emitted by the integral unit (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 pm 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. With reference to FIG. 2a and 2b, the capacitive electroacoustic transducer further comprises, above the vibrating membrane (2), a secondary cavity (9) of thickness EC2 greater than 10 μm inside which a pressure prevails. Pcs different from the Pc pressure of the cavity (6). The EC2 thickness of this cavity (9) varies depending on the displacement of the vibrating membrane. This cavity protects the vibrating membrane (2) against the complex atmospheric conditions of the operating environment, for example when the transducer is used in the field of aeronautics or on objects requiring strong acceleration.
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). With reference to FIGS. 3a and 3b, the ultrasonic capacitive electroacoustic transducer comprises an additional insulating layer (10), impermeable to fluids, made of dielectric material of a chemical nature possibly different from those of the insulating layers (3, 4, 8).
Selon un mode de réalisation du transducteur électroacoustique représenté à la figure 3a et 3b, ce dernier comprend : According to one embodiment of the electroacoustic transducer shown in FIGS. 3a and 3b, the latter comprises:
- Deux électrodes (1, 7) planes montées de manière parallèle, une électrode mobile (1) et une électrode fixe (7). - Two flat electrodes (1, 7) mounted in parallel, a movable electrode (1) and a fixed electrode (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 pm et une masse de 1,5 mg ; - A vibrating silicon membrane (2) comprising a mobile part SM enveloping the mobile electrode (1) and a fixed part SF, of circular shape with a radius of between 2 mm and 5 mm or a rectangular parallelepiped shape. The mobile part SM of the vibrating membrane (2) has a thickness EM 27 μm and a mass of 1.5 mg;
- Une couche isolante (8), d’épaisseur 2 pm, supportant la membrane vibrante (2) ; - Une couche isolante (10), en forme de U, de profondeur 15 pm, 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 pm 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. - An insulating layer (8), 2 μm thick, supporting the vibrating membrane (2); - An insulating layer (10), U-shaped, 15 μm deep, supporting the insulating layer (8) on its ends. The space formed between the insulating layer (10) and the insulating layer (8) defines the cavity (6) of depth equal to that of the U-shape of the insulating layer (10) that is to say that EC equal to 15 pm, the insulating layer (10) is made of dielectric material of a chemical and physical nature different from those of the insulating layers (3, 4, 8) and has a dielectric permittivity of less than 100.
- Une couche isolante (3) appelée pilier (3), d’épaisseur 33 pm, supportant en partie la couche isolante (10) ; - An insulating layer (3) called a pillar (3), 33 μm thick, partially supporting the insulating layer (10);
- Une couche isolante (4) supportant au moins une partie de la couche isolante (10) et une partie de la couche isolante (3). - An insulating layer (4) supporting at least part of the insulating layer (10) and part of the insulating layer (3).
- Et un substrat (5) supportant l’ensemble et servant de support. - And a substrate (5) supporting the assembly and serving as a 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. The pillar (3) and the insulating layers (4, 8) are made of resin with very high dielectric strength in order to obtain additional protection against breakdown. The substrate (5) is made of glass and the electrodes (1, 7) are made of gold. The cavity (6) has a shape proportional to that of the vibrating membrane (2), preferably a rectangular or cylindrical parallelepiped shape.
Ce transducteur est apte à fonctionner à haute tension grâce à une épaisseur EC de la cavité (6) comprise entre 10 pm et 200 pm 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. This transducer is able to operate at high voltage thanks to a thickness EC of the cavity (6) of between 10 μm and 200 μm and the use of insulating layers (3, 4, 8, 10) makes it possible to obtain additional protection by compared to the breakdown voltage (500 V to 15,000 V), because at these high voltages, the vibrating membrane (2) has an acoustic pressure at 1 m of between 80 dB and 150 dB at a low-level activation ultrasonic frequency between 20 kHz and 110 kHz, for a resonant frequency of 25 kHz.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la partie mobile SM de la membrane vibrante (2) a une épaisseur supérieure à 10 pm, le pilier (3) a une épaisseur de 30 pm, la couche isolante (4) à une épaisseur de 5 pm, et la couche isolante (8) a une épaisseur de 2 pm et la couche isolante (10) une épaisseur de 5 pm. According to other characteristics of the invention, the mobile part SM of the vibrating membrane (2) has a thickness greater than 10 μm, the pillar (3) has a thickness of 30 μm, the insulating layer (4) has a thickness of 5 µm, and the insulating layer (8) has a thickness of 2 µm and the insulating layer (10) has a thickness of 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. The dimensional characteristics of the insulating layers (3, 4, 8, 10) and of the mobile part SM of the vibrating membrane (2) also make it possible to adjust the acoustic impedance of the membrane and therefore the level of energy transmitted to the medium. and the reflected quantity. For acoustic velocimetry applications, the propagation factor Q is chosen between 0.4 and 0.9, preferably less than 1 because it is necessary to have a membrane having an acoustic impedance as close as possible to that of the medium. propagation of sound waves to maximize transducer performance. Thus, thanks to the various characteristics described above, the transducer is capable of generating a maximum sound pressure level of 130 dB, an emission frequency of between 20 and 110 kHz in the complex propagation medium where mechanical and vibratory disturbances are important, an acoustic power at 1 m in the propagation medium greater than 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. According to another characteristic of the invention, at least one of the layers (3, 4, 8, 10) is made of dielectric material having a very high dielectric strength, in order to limit the thickness EC of the cavity (6) and in particular the size of the transducer for miniaturization.
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. The transducers targeted by the present invention can be used in an array. These networks can take different forms depending on the intended application and the admissible footprint. Network use makes it possible to pool or not, depending on the technique used, the powers emitted in a given direction so that the overall power produced by the network exceeds that of a single cell. Network operation also makes it possible to improve directivity, whether through the geometric arrangement of the cells or through the associated electronic control. In addition, in order to reduce the disturbances generated by the behavior of neighboring cells, the network may have trenches between each cell filled with an insulating material or not.
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 pm et au point le plus haut (profondeur entre la couche isolante (8) et la couche isolante (10)) est supérieure à 10 pm. Advantageously, the cavity (6) has a specific shape coupling at least two geometric shapes, preferably a cylindrical shape and a parallelepiped shape. The first shape has a thickness (at the lowest point: depth) less than that of the second shape, the reference being taken at the level of the insulating layer (8). The thickness EC of the cavity (6) at the lowest point (depth between the insulating layer (8) and the insulating layer (4)) is greater than 40 µm and at the highest point (depth between the insulating layer ( 8) and the insulating layer (10)) is greater than 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). According to another characteristic of the invention, the insulating layer (10) is a photoresist layer, of a different chemical and physical nature from those of the layers (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 pm, le pilier (3) a une épaisseur de 17 pm, la couche isolante (4) a une épaisseur de 15 pm, et la couche isolante (8) a une épaisseur de 2 pm. According to another characteristic of the invention, the cavity (6) is between the insulating layers (3, 4, 8, 10). According to other characteristics of the invention, the mobile part SM of the vibrating membrane (2) has a thickness greater than 10 μm, the pillar (3) has a thickness of 17 μm, the insulating layer (4) has a thickness of 15 µm, and the insulating layer (8) has a thickness of 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. According to other features of the invention, the insulating layer (3) comprises a sandwich of insulating and non-insulating layers. The insulating layers (3) used being of different chemical and physical nature from the insulating layers (4, 8, 10). These insulating and non-insulating layers are arranged so that the insulating layer (3) has good dielectric properties, i.e. high resistivity. This configuration allows the thickness of the cavity to be improved to improve the breakdown voltage.
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 15pm à 20 pm crête-crête et les niveaux de pression acoustique de l’ordre de 102 dB à 110 dB à 1 m. The electroacoustic transducers according to the invention are capable of operating at a minimum voltage of 500 V, preferably a minimum voltage of 700 V and can generate vibratory amplitudes of the order of 15 pm to 20 pm peak-peak and pressure levels. acoustics of the order of 102 dB to 110 dB at 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. The capacitive electroacoustic transducers according to the invention have a wider temperature range of use than for magnetostrictive and piezoelectric technologies. Its state-of-the-art industrial manufacturing process allows it to be easily manufactured and to integrate directly and concomitantly the signal modulation electronics and control components. It also has the advantage of having great precision on directivity or sensitivity and on the transmission or reception frequency.
Le transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé selon l’invention permet G 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 pm et 200 pm. 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. The miniaturized ultrasonic capacitive electroacoustic transducer according to the invention allows the use of high voltages greater than 500 V thanks to the high performance required: an acoustic pressure radiated at 1 m of between 80 dB and 150 dB, an ultrasonic activation frequency of low level between 20 kHz and 110 kHz and a significant vibratory amplitude between 10 pm and 200 pm. It therefore makes it possible to lift the lock according to which it is not possible to design a miniaturized capacitive electroacoustic transducer operating at high voltage.
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. The present invention is in no way limited to the embodiments described and shown, but a person skilled in the art will know how to make a variant thereof in accordance with his spirit.

Claims

REVENDICATIONS
1) 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’il comprenant un bloc solidaire indissociable (12) lequel comprend au moins un substrat (5, 2) sur lequel est déposé et/ou gravé les couches suivantes : 1) Miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer, having a vibratory amplitude of a few tens of micrometers, an acoustic impedance Za and being able to operate at high voltages (alternating or continuous) greater than 500 V and less than 15,000 V and radiating pressure acoustic at 1 m of between 80 dB and 150 dB at a low-level activation ultrasonic frequency of between 20 kHz and 110 kHz, characterized in that it comprises an inseparable integral block (12) which comprises at least one substrate ( 5, 2) on which the following layers are deposited and / or etched:
une électrode (7) plane fixe et immobile à haute tension ; a fixed and immobile flat high voltage electrode (7);
une électrode (1) plane, fixe, sensiblement parallèle à l’électrode (7), mobile lorsqu’elle est alimentée par des hautes tensions, a flat, fixed electrode (1), substantially parallel to the electrode (7), movable when supplied by high voltages,
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 pm et l’autre une épaisseur supérieure à 10 pm, at least three insulating layers (3, 4, 8, 10), impermeable to gases and liquids, made of dielectric materials of different chemical and physical nature, of dielectric permittivity less than 100, two of said insulating layers (3, 4, 8 , 10) each having a thickness greater than 1.5 µm and the other having a thickness greater than 10 µm,
et caractérisé en ce que, le substrat (2) est une membrane vibrante (2) d’épaisseur EM comprise entre 10 pm et 400 pm, d’amplitudes vibratoires comprises entre 10 pm et 200 pm, comprenant : and characterized in that, the substrate (2) is a vibrating membrane (2) with an EM thickness between 10 pm and 400 pm, with vibratory amplitudes between 10 pm and 200 pm, comprising:
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, a mobile part SM in contact with the electrode (1) while enveloping it, capable of vibrating and moving along an axis OZ in response to a high voltage, and a fixed part SF serving as a support in response to a high voltage,
et caractérisé par la présence d’une cavité (6), d’épaisseur EC supérieure à 10 pm, 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. and characterized by the presence of a cavity (6), of thickness EC greater than 10 μm, between at least two insulating layers (3, 4, 8, 10), inside which there is a greater pressure Pc at 10 6 mbar.
2) 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 pm 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). 3) 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 pm et l’autre a une épaisseur supérieure ou égale à 5 pm 2) A transducer according to claim 1 characterized in that it further comprises, above the vibrating membrane (2), a secondary cavity (9) of thickness EC2 greater than 10 μm inside which there is a pressure Pcs different from pressure Pc and in that said thickness EC2 varying as a function of the displacement of the vibrating membrane (2). 3) A transducer according to claim 1 or 2 characterized in that one of the insulating layers (4, 8) has a thickness less than or equal to 5 pm and the other has a thickness greater than or equal to 5 pm
4) 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 pm et 80 pm. 4) A transducer according to any one of the preceding claims characterized in that the insulating layers (3, 4, 8, 10) each have a thickness of between 1.5 pm and 80 pm.
5) 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 pm et 200 pm et la cavité (6) a une épaisseur EC comprise entre 10 pm et 200 pm. 5) A transducer according to any one of the preceding claims characterized in that at least one insulating layer (3, 10) has an EP thickness between 10 pm and 200 pm and the cavity (6) has an EC thickness between 10 pm and 200 pm.
6) 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 6) A transducer according to any one of the preceding claims wherein a propagation factor Q defined as the ratio of the acoustic impedance Za of the electroacoustic transducer and of an acoustic impedance of a medium of
Za Za
propagation Zm tel que Q=— inférieur à 1. propagation Zm such that Q = - less than 1.
7) 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 mm2 et, en ce que la partie mobile SM de ladite membrane vibrante (2) a une masse inférieure ou égale à 10 mg. 7) A transducer according to any one of the preceding claims characterized in that the vibrating membrane (2) has the shape of a quadrilateral or of a hexagon or has a circular shape, the surface of the mobile part SM of this vibrating membrane (2) being less than or equal to 1000 mm 2 and, in that the mobile part SM of said vibrating membrane (2) has a mass less than or equal to 10 mg.
8) 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). 8) A transducer according to any one of the preceding claims characterized in that it further comprises a protective and fixing wall (11) allowing on the one hand to fix the integral block (12) to a mechanical interface of a solid structure (13) and on the other hand to decouple the vibrations originating from said solid structure (13) from the acoustic vibrations emitted by the integral unit (12).
PCT/FR2020/000180 2019-05-29 2020-05-29 Miniaturised ultrasonic electroacoustic capacitive transducer operating at high voltage WO2020240104A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FRFR1905719 2019-05-29
FR1905719A FR3096857B1 (en) 2019-05-29 2019-05-29 MINIATURIZED ULTRASONIC CAPACITIVE ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER OPERATING AT HIGH VOLTAGE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020240104A1 true WO2020240104A1 (en) 2020-12-03

Family

ID=68987744

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2020/000180 WO2020240104A1 (en) 2019-05-29 2020-05-29 Miniaturised ultrasonic electroacoustic capacitive transducer operating at high voltage

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3096857B1 (en)
WO (1) WO2020240104A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100173437A1 (en) * 2008-10-21 2010-07-08 Wygant Ira O Method of fabricating CMUTs that generate low-frequency and high-intensity ultrasound
FR2974908A1 (en) 2011-05-04 2012-11-09 Aer ACOUSTIC VELOCIMETER
US8512251B2 (en) * 2011-03-24 2013-08-20 Olympus Medical Systems Corp. Ultrasound transducer and ultrasound diagnostic apparatus
US20150162851A1 (en) * 2008-09-16 2015-06-11 Koninklijke Philips N.V. Capacitive micromachined ultrasound transducer
FR3027398A1 (en) 2014-10-21 2016-04-22 Aer DEVICE FOR MEASURING HIGH PRECISION OF THE SPEED OF A MOBILE IN RELATION TO A FLUID THE ENVIRONANT

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150162851A1 (en) * 2008-09-16 2015-06-11 Koninklijke Philips N.V. Capacitive micromachined ultrasound transducer
US20100173437A1 (en) * 2008-10-21 2010-07-08 Wygant Ira O Method of fabricating CMUTs that generate low-frequency and high-intensity ultrasound
US8512251B2 (en) * 2011-03-24 2013-08-20 Olympus Medical Systems Corp. Ultrasound transducer and ultrasound diagnostic apparatus
FR2974908A1 (en) 2011-05-04 2012-11-09 Aer ACOUSTIC VELOCIMETER
FR3027398A1 (en) 2014-10-21 2016-04-22 Aer DEVICE FOR MEASURING HIGH PRECISION OF THE SPEED OF A MOBILE IN RELATION TO A FLUID THE ENVIRONANT

Also Published As

Publication number Publication date
FR3096857B1 (en) 2021-06-25
FR3096857A1 (en) 2020-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11679461B2 (en) Support structure and method of forming a support structure
US5619476A (en) Electrostatic ultrasonic transducer
CN111001553B (en) Tunable ultrasonic sensor array
EP2647120B1 (en) Device for converting mechanical energy into electrical energy
US7894618B2 (en) Apparatus comprising a directionality-enhanced acoustic sensor
FR2788176A1 (en) GUIDED ACOUSTIC WAVE DEVICE IN A THIN LAYER OF PIEZOELECTRIC MATERIAL ADHESED BY A MOLECULAR ADHESIVE ONTO A CARRIER SUBSTRATE AND MANUFACTURING METHOD
CN103533492A (en) Capacitive transducer
US20110026367A1 (en) Acoustic Transducer
EP2349593A1 (en) Cmut cell consisting of a membrane of nanotubes or nanowires or nanobeams
EP2595763A2 (en) Method and device for generating ultrasounds implementing cmuts, and method and system for medical imaging.
CH639762A5 (en) PRESSURE TRANSDUCER WITH VIBRATING ELEMENT.
CN113316072B (en) Piezoelectric acoustic transducer with filtering function and manufacturing method thereof
Sadeghpour et al. Highly efficient piezoelectric micromachined ultrasound transducer (PMUT) for underwater sensor networks
EP0664633B1 (en) Device for generating acoustic signals and transmitting the same on a telephone line
WO2020240104A1 (en) Miniaturised ultrasonic electroacoustic capacitive transducer operating at high voltage
EP0375570B1 (en) Vibration absorption device comprising a piezoelectric element
EP2254243B1 (en) Bulk Acoustic Resonator and method for manufacturing same
JP3416648B2 (en) Acoustic transducer
FR2954014A1 (en) Acoustic galvanic insulating device, has medium permitting transmission of acoustic waves and placed between transformation units comprising ultrasonic transducers, where medium comprises insulator
FR2983349A1 (en) DEVICE FOR TRANSMITTING GALVANIC ISOLATION INFORMATION
FR3030943A1 (en) ACOUSTIC DEVICE FOR GALVANIC ISOLATION
FR2504265A1 (en) Mechanical resonator for measurement of gas or steam pressure - has ceramic piezoelectric disc coupled to alloy disc and mounted by shaft to support, forming resonator
FR2996080A1 (en) ACOUSTIC DEVICE COMPRISING AN ADJUSTABLE PHONONIC CRYSTAL
WO2020240103A1 (en) Method for manufacturing a miniaturized electroacoustic emitter
EP4215648A1 (en) Method for producing synthetic diamonds

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20743180

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20743180

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: CONSTATATION DE LA PERTE D'UN DROIT CONFORMEMENT A LA REGLE 112(1) CBE (OEB FORM 1205A EN DATE DU 31/08/2023)