Transducteur du type demi-onde à élément actif en polymère piézoélectrique

Abstract

 L'invention se rapporte aux transducteurs électromécaniques de type demi-onde dans lesquels l'élément actif est une feuille de polymère piézoélectrique (6) encadrée par des électrodes (9, 4, 5, 7, 8).
L'invention a pour objet un transducteur dans lequel la structure vibrante comporte, faisant corps avec la feuille active de polymère piézoélectrique (6), au moins une feuille passive (3) servant de support aux électrodes (4, 5, 7, 8).
L'invention s'applique notamment à l'excitation et à la détection de rayonnements ultrasonores dans les tissus biologiques.

Description

[0001] La présente invention se rapporte aux transducteurs du type demi-onde utilisant comme élément actif une feuille de polymère piézoélectrique tel que le polyfluorure de vinylidène.

[0002] Ces transducteurs reçoivent des applications intéressantes dans le domaine du diagnostic médical par examen d'images tomo-échographique. Les matériaux polymères piézoélectriques offrent J'avantage de présenter une impédance acoustique du même ordre de grandeur que celle des milieux de propagation. Ces matériaux se prêtent également à une mise en oeuvre facile, car on peut les mouler, les thermoformer et mettre à profit leur souplesse. Par contre, ces matériaux ont des propriétés piézoélectriques relativement faibles comparées par exemple à celles des céramiques piézoélectriques et ils posent des problèmes technologiques notamment en ce qui concerne l'adhérence médiocre des couches métalliques destinées à matérialiser les électrodes d'un transducteur. Lorsqu'on dépose de l'aluminium, du nickel, du chrome ou de l'or par évaporation sous vide sur une feuille de polyfluorure de vinylidène, on rencontre des difficultés pour réaliser certaines configurations d'électrodes un tant soit peu étendues ou correspondant à un dessin compliqué. Lorsqu'on dispose d'un milieu réflecteur à très haute impédance acoustique jouxtant la face arrière d'une feuille de polymère piézoélectrique, on effectue les dépôts d'électrodes sur ce milieu à condition qu'il soit isolant et qu'il permette une meilleure adhérence. Cependant, les transducteurs réalisés selon ce principe fonctionnent en quart d'onde et l'on constate que les pertes de conversion, la résolution en profondeur et la bande passante sont moins bonnes qu'avec une configuration fonctionnant en demi-onde ou en onde entière. Le fonctionnement en demi-onde permet en effet d'approcher d'avantage d'une réflexion parfaite des ondes vers la face externe du transducteur, car le milieu chargeant la face arrière du transducteur présente une impédance acoustique typiquement égale à celle de l'air, c'est-à-dire pratiquement nulle. En contrepartie, un tel milieu non dissipatif ne constitue pas un support approprié pour y déposer des électrodes et il faut se tourner vers un autre moyen pour résoudre le problème posé, c'est-à-dire le manque d'adhérence des dépôts métalliques sur les polymères piézoélectriques.

[0003] Les configurations de type demi-onde ou onde entière s'avèrent plus performantes en ce qui concerne la bande passante et la sensibilité. Elles sont habituellement constituées par une feuille de polymère piézoélectrique dont la face externe est couplée au milieu biologique via une couche quart d'onde adaptatrice d'impédance et dont la face interne est directement en relation avec l'air contenu à l'intérieur d'un boîtier ou avec un milieu similaire à faible impédance, une mousse de polymère par exemple. L'inter- distance entre faces externe et interne est entièrement occupée par le matériau actif dont l'épaisseur correspond le plus souvent à une demi longueur d'onde de la fréquence centrale de fonctionnement.

[0004] En conservant le principe de l'excitation en demi-onde ou en onde entière, l'invention suggère de réaliser la structure vibrante par la réunion de plusieurs couches dont l'une, active, fournit l'effet transducteur, les autres jouant simplement le rôle de support d'électrodes. Ces couches porte- électrodes font corps avec la couche active, de sorte qu'on dispose d'une structure vibrante stratifiée restant demi-onde dans son ensemble bien que partiellement active. Comme les couches fixées par collage sur la couche active peuvent avoir leurs électrodes en contact avec la couche active, le problème d'adhérence est résolu en conservant un faible écartement des électrodes et une réflexion parfaite des ondes au niveau de la face arrière de la structure composite, laquelle est en relation directe avec un milieu réflecteur de très faible impédance acoustique.

[0005] L'invention a pour objet un transducteur de type demi-onde à élément actif en polymère piézoélectrique comprenant au moins deux électrodes encadrant une feuille de matériau polymère piézoélectrique montée sur un support ; ledit transducteur ayant une face rayonnante externe destinée à être couplée à un milieu présentant une impédance acoustique du même ordre que celle dudit matériau polymère piézoélectrique et une face interne en relation directe à l'intérieur dudit support avec un milieu réflecteur d'impédance acoustique très sensiblement inférieure, caractérisé en ce que, au moins l'électrode située du côté dudit milieu réflecteur est formée sur un substrat en forme de feuille faisant corps avec ladite feuille de matériau polymère piézoélectrique ; la face libre dudit substrat constituant ladite face interne.

[0006] L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles :

La figure 1 est une vue isométrique d'un transducteur en réseau selon l'invention.

La figure 2 est une coupe partielle du transducteur illustré sur la figure 1.

La figure 3 est une figure explicative.

La figure 4 est une première variante de réalisation du transducteur selon l'invention.

La figure 5 est une seconde variante de réalisation du transducteur selon l'invention.

La figure 6 est une troisième variante de réalisation du transducteur selon l'invention.

La figure 7 est une vue isométrique partielle d'une quatrième variante de réalisation du transducteur selon l'invention.

[0007] Dans la description qui va suivre, on abordera successivement deux types de configurations de transducteurs. La plus simple comporte une seule paire d'électrodes définissant un transducteur à surface émissive unique ; l'autre est munie de deux jeux d'électrodes permettant de définir plusieurs zones rayonnantes élémentaires agencées en réseau. Ces transducteurs électromécaniques sont utilisables de façon réversible soit pour émettre des ondes acoustiques dans un milieu à partir d'une face rayonnante externe couplée à ce milieu, soit pour convertir en tensions électriques des rayonnements acoustiques incidents provenant du même milieu. Le milieu de propagation considéré est en général un milieu biologique assimilable à un volume d'eau et, le cas échéant, ce milieu est couplé à la face externe du transducteur par une poche d'eau. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au cas du couplage avec un milieu biologique, car elle s'applique à tout milieu dont l'impédance acoustique est du même ordre de grandeur que celle des matériaux actifs ou passifs constituant la structure vibrante.

[0008] L'étude des modes vibratoires en volume d'un résonateur élémentaire constitué par un bloc de hauteur H et de largeur L en matériau élastique piézoélectriquement actif montre, qu'équipé d'électrodes de largeur L distantes de H, ce bloc peut vibrer selon la direction de la normale aux électrodes, mais aussi dans des directions parallèles à celles-ci. Lorsque le rapport L/H est supérieur à trois, le mode d'épaisseur tend à se produire à une fréquence pour laquelle la longueur d'onde X dans le matériau est égale à deux fois la hauteur H, ce qui définit un fonctionnement en demi-onde. Si le rapport L/H est inférieur à l'unité, on constate que la fréquence de fonctionnement peut être inférieur à celle calculée à partir de l'expression H = X /2, néanmoins on reste en présence d'un fonctionnement demi-onde qui se caractérise par la vibration libre de l'une des faces portant les électrodes.

[0009] Le fonctionnement en onde entière est similaire au fonctionnement demi-onde, car l'une des faces portant les électrodes est encore libre de vibrer et de réfléchir les ondes vers l'autre face. Dans la pratique, les transducteurs réalisés en partant d'une feuille revêtue sur ses deux faces d'électrodes, la hauteur H à considérer est bien entendu l'épaisseur de la feuille, alors que la largeur L est tout simplement déduite de la largeur des électrodes. Ainsi, le volume encadré par deux électrodes représente au sein d'une feuille, le volume élémentaire mentionné ci-dessus et de tels volumes peuvent être délimités par des électrodes en réseau pour former un alignement de sources rayonnantes. Dans le cas d'une structure de transducteur en polymère piézoélectrique, le découplage entre volumes vibratoires élémentaires ne nécessite pas la présence de découpes particulières telles que des entailles pratiquées dans le matériau piézoélectrique. Ceci est dû au fait que les matériaux polymères piézoélectriques polarisés selon la normale x₃ aux électrodes portées par les deux faces de la feuille, ont un coefficient piézoélectrique d₃₃ nettement supérieur aux coefficients piézoélectriques d₃₁ et d₃₂ qui correspondent aux vibrations selon les axes x_l et x₂.

[0010] Avant d'entamer la description détaillée des figures, il est utile de rappeler les valeurs d'impédance acoustique de quelques matériaux mis en oeuvre dans les transducteurs et des milieux qui encadrent ces matériaux.

[0011] On voit que l'impédance acoustique de l'air est négligeable par rapport à celle des autres matériaux qui figurent dans ce tableau. Le polystyrène utilisé comme transformateur quart d'onde est un matériau permettant d'adapter l'impédance du polyfluorure de vinylidène à celle de l'eau. Le polyéthylène téréphtalate présente une impédance acoustique proche de celle du polyfluorure de vinylidène et il constitue un substrat approprié pour des dépôts métalliques présentant une bonne adhérence.

[0012] Sur la figure 1, on peut voir une vue isométrique d'un transducteur électromécanique réalisé conformément à l'invention. Ce transducteur comporte une embase 1 comportant un évidement central 2. Une feuille mince 3 de polyéthylène téréphtalate est collée par son pourtour sur l'embase 1. Des dépôts d'électrodes 4, 5, 7 et 8 sont effectués sur la face supérieure de la feuille 3. Ces dépôts forment au milieu de la feuille 3 un réseau de bandes conductrices parallèles qui surplombent l'évidement 2. Ces bandes conductrices sont recouvertes par une feuille 6 de polymère piézoélectrique, par exemple du polyfluorure de vinylidène. La feuille 6 est collée à la feuille 3 et porte sur sa face supérieure une contre-électrode 9 qui coopère avec chacune des bandes conductrices en réseau de façon à délimiter des volumes élémentaires de polymère piézoélectrique qui représentent des sources rayonnantes élémentaires.

[0013] Comme le montre la figure 1, les dépôts d'électrodes 4, 5, 7 et 8 se prolongent sur la feuille 3 à l'extérieur de la zone rectangulaire recouverte par la feuille 6, afin de permettre des connexions plus espacées pour l'application de tensions d'excitation entre la contre-électrode commune 9 et les électrodes en réseaux qui s'étendent selon l'interface entre la feuille 6 et la feuille 3. Le système d'axes 0, x_i, x₂, x₃ se situe dans l'espace qui surplombe la face rayonnante du transducteur ici constituée par la contre-électrode 9. Cet espace est en général occupé par un milieu de propagation 12 ayant l'impédance acoustique de l'eau.

[0014] La figure 2 est une vue en coupe partielle du transducteur électromécanique de la figure 1. On voit que la feuille 3 qui est faite d'un matériau polymère passif, est fixée sur l'embase 1 par un joint de colle périphérique 10 et porte les bandes conductrices 4, 5, 8 et 7 qui font office d'électrodes arrière pour la feuille de polymère piézoélectrique 6. Un joint de colle 11 solidarise ces deux feuilles 3 et 6 dans la partie qui surplombe l'évidement 2. Ainsi une structure vibrante mixte active et passive d'épaisseur totale h_l + h₂ se trouve intercalée entre le milieu de propagation 12 et le milieu qui remplit l'évidement 2. Le fonctionnement en demi-onde ou en onde entière de la disposition de la figure 2 a été expérimenté en utilisant une feuille 6 de polyfluorure de vinylidène d'épaisseur h_l = 220 /um. Le milieu 12 était constitué par de l'eau et le milieu de remplissage de l'évidement 2 était de l'air. Une feuille 3 de polyéthylène théréphtalate dont l'épaisseur h₂ variait entre 0 à 200 _jum a permis de dresser les courbes de la figure 3. Les électrodes 4, 5, 7 et 8 avaient une largeur supérieure à l'épaisseur h_l de la feuille 6, afin que la fréquence centrale de fonctionnement corresponde assez exactement au fonctionnement demi-onde ou onde entière.

[0015] Sur la figure 3, on a porté en abscisse le paramètre h₂/h₁ et en ordonnée la fréquence centrale de fonctionnement f_R. On a également porté en ordonnée sur une échelle en décibel la mesure des pertes de conversion du transducteur. Les courbes 13, 14 et 15 se rapportent au mode de fonctionnement en demi-onde, tandis que les courbes 16, 17 et 18 en trait mixte se rapportent au mode de fonctionnement en onde entière.

[0016] La courbe 13 montre que la fréquence centrale de fonctionnement du transducteur diminue lorsqu'on augmente l'épaisseur de la feuille 3, qui sert de support aux électrodes. Cet effet est tout à fait prévisible, puisque le fonctionnement demi-onde de la structure vibrante lie la fréquence de fonctionnement au choix des épaisseurs h_l et h₂ compte tenu des vitesses de propagation dans les milieux 3 et 6 qui composent cette structure. Les vibrations prenant naissance dans la feuille active 6 subissent peu de réflexion lorsqu'elles pénètrent dans la feuille 3 car les impédances des deux milieux juxtaposés sont avantageusement choisies proches l'une de l'autre. Par contre, les vibrations subissent une réflexion quasi parfaite au niveau de la face inférieure de la feuille 3 d'où elles sont renvoyées vers le milieu 12 afin d'obtenir un rayonnement maximal. La courbe 15 qui représente les pertes de conversion montre que l'adjonction de la feuille 3 permet de conserver de faibles pertes n'excédant pas 15 dB pour une épaisseur h₂ atteignant 200 fume La courbe 14 se lit sur l'échelle des fréquences et donne en valeur absolue la bande passante AF de transducteur. On voit que cette bande passante varie peu puisqu'elle reste comprise entre 1, 2 et 0,8 MHz. La présence de la feuille 3 permet donc d'obtenir un bon rendement de conversion et une bonne résolution tout en apportant un net avantage en ce qui concerne la réalisation de dépôts métalliques ayant une bonne adhérence. Les courbes en trait mixte qui concernent le fonctionnement en onde entière indiquent des caractéristiques en général moins favorables. La courbe 17 donne la fréquence de fonctionnement qui est plus élevée, puisqu'une onde entière doit s'établir entre les faces extrêmes de la structure vibrante. La courbe 18 donne la valeur des pertes de conversion qui sont en général plus fortes qu'en fonctionnement demi-onde. Cependant, lorsque l'épaisseur de la feuille 3 est du même ordre que celle de la feuille 6, on voit que la perte de conversion est pratiquement aussi faible qu'avec la feuille 6 seule en fonctionnement demi-onde. La courbe 16 qui donne la bande passante montre que celle-ci peut être aussi bonne, voire meilleure qu'avec le mode de fonctionnement en demi-onde.

[0017] D'après ce qui précède, on voit que la feuille 3, bien qu'elle soit passive, résoud parfaitement le problème de l'adhérence des électrodes 4, 5, 7, 8 tout en conservant bonnes les qualités de fonctionnement du transducteur tant en sensibilité qu'en résolution.

[0018] Sur la figure 4, on peut voir une variante de réalisation dans laquelle l'électrode 9 est surmontée d'une couche quart d'onde 19 en polystyrène qui réalise l'adaptation d'impédance entre le milieu de propagation 12 et le matériau polymère piézoélectrique 6. Cette adaptation d'impédance augmente la bande passante relative à 5 MHz qui passe de 26 % à 32 % et la couche 19 peut servir de support pour le dépôt de l'électrode 9 avant d'être collée sur la feuille 6 de polymère piézoélectrique.

[0019] En général, un dépôt métallique adhère beaucoup mieux sur les supports en matériau organique ayant une double liaison carbone oxygène et beaucoup moins bien sur les matériaux polymères piézoélectriques tels que le polyfluorure de vinylidène PVF₂ ou les copolymères PVF - TRFE.

[0020] Sur la figure 4, on peut voir que l'évidement 2 de l'embase 1 peut être rempli complètement ou partiellement par un matériau poreux à faible densité ayant une impédance acoustique assez faible pour assurer une forte réflectivité au niveau de la face inférieure de la feuille 3.

[0021] Pour résumer, on voit que la technique proposée consiste à additionner une couche de polymère non piézoélectrique dont l'impédance acoustique est proche de celle du polymère piézoélectrique et dont l'épaisseur varie entre 3,04 et 0,5 longueur d'onde. Le collage des couches peut se faire au moyen de résine époxy en placant de préférence les électrodes contre les faces de la feuille de polymère piézoélectrique.

[0022] Dans les figures qui précèdent, on a décrit un transducteur monosonde et un transducteur en réseau ayant des surfaces rayonnantes planes.

[0023] Sur la figure 5, on peut voir un transducteur monosonde qui diffère du transducteur de la figure 4 par la forme en calotte sphérique donnée à sa face rayonnante. Cette forme peut être obtenue en pressant l'ensemble des feuilles 3, 6, 19 dans une préforme. La solidification de la colle peut avoir lieu pendant l'opération de préformage, afin d'assurer la conservation des déformations imposées par la préforme. On peut également coller entre elles des pièces préformées séparément par thermoformage. Lorsque le dispositif monosonde de la figure 5 présente la symétrie de révolution autour de l'axe 22 et que F est le centre de courbure de la face rayonnante, l'onde E émise peut être focalisée au point F.

[0024] Sur la figure 6, on peut voir une variante de réalisation du dispositif de la figure 4 qui consiste à prévoir de chaque côté de la feuille active 6 des feuilles 3 et 20 faites de matériaux passifs ayant une impédance acoustique proche de l'impédance acoustique du matériau actif de la feuille 6. La structure vibrante obtenue par collage des feuilles 20, 6 et 3 peut fonctionner en demi-onde ou en onde entière entre une couche adaptatrice quart d'onde 19 et un milieu à basse impédance tel que l'air emplissant l'évidement 2 de l'embase 1. L'impédance acoustique de la couche adaptatrice quart d'onde est choisie proche de la moyenne géométrique des impédances acoustiques du milieu de propagation et de la feuille active 6.

[0025] Sur la figure 7, on peut voir une autre variante de transducteur selon l'invention. Cette variante met en oeuvre une face rayonnante de forme cylindrique ayant pour axe la ligne 21. Ainsi, le rayonnement est focalisé dans un plan perpendiculaire à la ligne 21. Pour qu'il soit focalisable dans un plan contenant la ligne 21, le transducteur comporte un réseau de sources. Chaque source est une partie de structure vibrante délimitée par une portion active de la feuille 6 comprise entre la contre-électrode 9 et une électrode 4, 5, 7 ou 8. En appliquant aux électrodes 4, 5, 7, 8 des tensions électriques convenablement retardées, on peut faire converger le rayonnement acoustique en un point F de la ligne 21.

[0026] A titre d'exemple de réalisation, non limitatif, les agencements en réseaux des figures 1 et 7 peuvent être réalisés sur une feuille de polyéthylène téréphtalate mesurant 12,5 cm de longueur et 3,5 cm de largeur. Le réseau central de bandes conductrices parallèles peut occuper une plage rectangulaire de 4 cm de longueur et de 1,4 cm de largeur. Les bandes conductrices du réseau peuvent avoir une largeur de 125 _lum et un pas de 250 fume Un tel agencement en réseau peut fonctionner à 3 MHz. Dans ce cas, les électrodes sont photogravées ou déposées à travers un masque sur la feuille 3 de polyéthylène téréphtalate, après quoi on rapporte dans la partie centrale une feuille 6 de polyfluorure de vinylidène mesurant 4 cm de longueur et 1,4 cm de largeur. Après collage de la feuille 6 munie de sa métallisation 9 sur la feuille 3 et après collage d'une lame adaptatrice 19 en polystyrène sur l'électrode 9, l'ensemble est monté sur une embase 1 en forme de cadre de façon que toute la surface active surplombe un évidement central de l'embase 1.

Revendications

1. Transducteur du type demi-onde à élément actif en polymère piézoélectrique comprenant au moins deux électrodes (4, 9) encadrant une feuille de matériau polymère piézoélectrique (6) montée sur un support (1) ; ledit transducteur ayant une face rayonnante externe destinée à être couplée à un milieu (12) présentant une impédance acoustique du même ordre que celle dudit matériau polymère piézoélectrique (6) et une face interne en relation directe à l'intérieur (2) dudit support (1) avec un milieu réflecteur d'impédance acoustique très sensiblement inférieure, caractérisé en ce que, au moins l'électrode (4) située du côté dudit milieu réflecteur est formée sur un substrat (3) en forme de feuille faisant corps avec ladite feuille de matériau polymère piézoélectrique (6) ; la face libre dudit substrat (3) constituant ladite face interne.

2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode (9) opposée à ladite électrode (4) est disposée sur l'une des faces de ladite feuille de matériau polymère piézoélectrique (6).

3. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode (9) opposée à ladite électrode (4) est formée sur un autre substrat (19, 20) en forme de feuille faisant corps avec ladite feuille de matériau polymère piézoélectrique (6).

4. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un jeu d'électrodes (4, 5, 7, 8) et une contre-électrode (9) encadrant ladite feuille de matériau polymère piézoélectrique (6).

5. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont en contact avec ladite feuille de matériau polymère piézoélectrique (6).

6. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'impédance acoustique dudit substrat (3, 20) est proche de l'impédance acoustique de ladite feuille de matériau polymère piézoélectrique (6).

7. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite face rayonnante est plane.

8. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite face rayonnante comporte au moins une section incurvée.

9. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite feuille de matériau polymère piézoélectrique (6) recouvre une partie centrale dudit substrat (3) surplombant un évidement (2) dudit support (1) ; la partie non recouverte dudit substrat (3) étant fixée audit support (1).

10. Transducteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites électrodes (4, 5, 7, 8) comportent des prolongements dans la partie dudit substrat (3) non recouverte par ladite feuille de matériau polymère piézoélectrique (6).

11. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un élément quart d'onde adaptateur d'impédance (19).

12. Transducteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit élément (19) est une feuille de polystyrène ; ledit matériau polymère piézoélectrique (6) étant du polyfluorure de vinylidène.

13. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit substrat (3, 20) est fait de polyéthylène téréphtalate.

Dessins