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EP3015177B1 - Transducteur ultrasonore à couche de microballons - Google Patents

Transducteur ultrasonore à couche de microballons Download PDF

Info

Publication number
EP3015177B1
EP3015177B1 EP15192348.9A EP15192348A EP3015177B1 EP 3015177 B1 EP3015177 B1 EP 3015177B1 EP 15192348 A EP15192348 A EP 15192348A EP 3015177 B1 EP3015177 B1 EP 3015177B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
microballoons
active element
support element
transducer according
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Active
Application number
EP15192348.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3015177A1 (fr
EP3015177C0 (fr
Inventor
Gérard Fleury
Laurent Chupin
Jean-Luc Guey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Imasonic
Original Assignee
Imasonic
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 Imasonic filed Critical Imasonic
Publication of EP3015177A1 publication Critical patent/EP3015177A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3015177B1 publication Critical patent/EP3015177B1/fr
Publication of EP3015177C0 publication Critical patent/EP3015177C0/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • 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
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/002—Devices for damping, suppressing, obstructing or conducting sound in acoustic devices

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer, for transmitting and/or receiving a beam of ultrasonic waves.
  • ultrasound is generated with high acoustic intensity, for example for the destruction of cancerous tissues, the dislocation of blood clots or stones, or the release of chemical substances.
  • Other applications are located among others in the industrial field, for example in sonochemistry, in the field of communication and energy transfer, in the underwater field, in the petroleum field.
  • the acronym HIFU is commonly used for “High Intensity Focused Ultrasound”.
  • the effect can be thermal or mechanical and, in the context of biological applications, can be biophysical by contributing, for example, to the activation of active chemical substances, gene transfer or control of membrane permeability.
  • the ultrasound beam is focused, the effect is localized in the vicinity of the focal point.
  • the generation of high average power density ultrasound by the transducer causes it to heat up, degrading its performance.
  • heating of the transducer can cause its deformation by expansion, which can result in a displacement of the focal point where the ultrasound beams converge due to the change in geometry of the transducer.
  • the heating of the transducers of the state of the art and their lack of rigidity imposes the limitation to low levels of their average transmission power per unit area.
  • the transducers of the state of the art do not give complete satisfaction, to the extent that they are usually fragile.
  • an ultrasound transducer particularly for medical imaging applications, with a damping and absorbing rear environment.
  • This rear environment mainly plays an acoustic role but also contributes to the mechanical strength of the entire structure of the transducer.
  • the patent application EP 1 542 005 A1 describes an ultrasonic probe comprising a layer of a piezoelectric oscillator forming an active element, comprising possibly porous acoustic adaptation layers towards the front, as well as an acoustic lens, with a damping and absorbing medium at the rear.
  • This rear environment is directly in contact with the active element. There is then an acoustic coupling between the active element and this rear medium and part of the ultrasonic wave is transmitted to the rear element and creates reflections which interfere with the emission of ultrasonic waves and harm the performance of the transducer.
  • the patent application WO 2008/121238 A2 proposes to provide, in a damping and absorbing rear environment, an absorption layer to attenuate the ultrasonic waves propagating in said rear environment.
  • This absorption layer is made of woven porous fibers. There is therefore an acoustic coupling between the active element and this rear medium, and part of the energy of the ultrasonic waves is transformed into heat in these fibers, which attenuates the amplitude of the waves in the rear medium.
  • this configuration is not optimal since the power of the ultrasonic waves emitted by the active element is reduced by this absorption. As a result, transducer efficiency is reduced, preventing high power applications.
  • the absorption layer opposes thermal transfers making it possible to evacuate the heat produced by the active element. This heat cannot then be evacuated through the rear environment, which is problematic for power applications.
  • the patent application EP 2 602 788 proposes an ultrasonic transducer, in particular for therapy, comprising an active element for generating ultrasonic waves, and a support element located at the rear of the active element, the support element comprising a front face complementary to a rear face of the active element, said support element being shaped so that the complementary rear face of the active element is in simple support without significant acoustic coupling with the front face of said support element, the active element and the support element being coupled thermally.
  • Such a transducer makes it possible to obtain thermal coupling between the active element and the support element without acoustic coupling.
  • the front face of the support element and the rear face of the active element are shaped to define between them, when the support element and the active element are in simple support, a discontinuous layer of gas a thickness low enough to promote thermal coupling between the support element and the active element.
  • the conformation of the front face of the support element and the rear face of the active element must then be finely controlled, for example via the surface conditions, which complicates the manufacturing of this transducer.
  • the sealing of the transducer must be ensured, in order to prevent water from replacing the air in the air layer, which complicates manufacturing.
  • the present invention aims to remedy the drawbacks of the state of the art, and in particular to make it possible to obtain a transducer without acoustic coupling between the active element and the support element, while remaining simple in design and manufacture. and inexpensive.
  • the ultrasonic transducer 1 comprises an active element 3 for generating and/or receiving ultrasonic waves, and a support element 4 located at the rear of the active element 3.
  • rear of the active element 3 is meant the side of the active element 3 opposite the direction in which the active element 3 emits the useful beam of ultrasonic waves, this direction of emission corresponding to the front of the active element 3.
  • the active element 3 generally consists mainly of a piezoelectric material, possibly piezocomposite, possibly multilayer, and of a set of at least two electrodes which make it possible to create an electric field in the thickness of the piezoelectric material.
  • one or more acoustic adaptation layers are integrated into this active element, on the front face of the active element 3, to facilitate acoustic transfer towards the front of the transducer 1.
  • the active element 3 can implement piezoelectric phenomena.
  • the active element 3 can be any electro-acoustic device such as a capacitive transducer, for example a micro-machined capacitive transducer (or CMUT for English Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer), an electrostrictive transducer, etc.
  • the support element 4 serves as a shape reference and mechanical reinforcement, allowing in particular the transducer 1 to resist shocks. Furthermore, in the event of thermal expansion of the active element 3, due to its use or external conditions, the support element 4 maintains the active element in a useful form.
  • the support element 4 has greater rigidity than the active element 3 in order to constitute a shape reference for the latter.
  • the transducer comprises an assembly layer 5 between said active element 3 and said support element 4.
  • the assembly layer 5 ensures the assembly of the active element 3 with the support element 4, that is to say resists a vacuum force of at least 400 mbar, without however creating significant acoustic coupling, and ensuring a certain thermal coupling.
  • the acoustic coupling between the active element 3 and the support element 4 is considered significant if more than 10% of the acoustic energy produced by the active element 3 is transmitted to the support element 4.
  • the energy transmitted to the The support element 4 can be estimated by comparison between the energy supplied to the active element 3 and the acoustic energy collected in front of the active element 3, with and without the support element 4, taking care of take into account additional factors such as thermal energy or acoustic dispersion in the air.
  • the assembly layer 5 allows thermal coupling between the active element 3 and the support element 4. This thermal coupling makes it possible to drain the heat emitted during the ultrasonic wave emission cycles by the active element 3 from the latter towards the support element 4, thus allowing increased ultrasonic emission power and/or prolonged operation.
  • the thermal coupling between the active element 3 and the support element 4 is considered satisfactory if the thermal resistance of the interface between the active element 3 and the support element 4 is less than 0.002 m 2 .KW -1 .
  • the thermal resistance is less than 0.0008 m 2 .KW -1 .
  • a thermal resistance value of 0.002 m 2 .KW -1 corresponds to an air thickness of 50 ⁇ m, while that of 0.0008 m 2 .KW -1 corresponds to an air thickness of 20 ⁇ m (at the atmospheric pressure).
  • the assembly layer 5 has a thickness of between 1 ⁇ m and 120 ⁇ m, preferably less than 50 ⁇ m, in order to promote heat transfer.
  • the apparent acoustic impedance of the assembly layer 5 is chosen to be very different from the acoustic impedances of the active element 3 and the support element 4.
  • An impedance ratio greater than 100 is preferable.
  • the assembly layer 5 has an apparent acoustic impedance at 25°C of between 300 and 150,000 Pa.s/m, and preferably between 300 and 3000 Pa.s/m.
  • Such apparent acoustic impedance can be estimated by registration of a model such as a one-dimensional KLM model, based on the results of measuring the electrical impedance of the transducer with and without the assembly layer 5.
  • the assembly layer 5 comprises cavities containing gas.
  • the cavities are on average at least 0.5 ⁇ m and less than 50 ⁇ m in their largest dimension.
  • the gas may be air, isobutane, or another gas such as helium. The following description is given in the context of a preferred embodiment, in which the cavities are microballoons 7 containing gas.
  • a microballoon 7 comprises an envelope containing a gas.
  • the envelope is very thin compared to the diameter of the microballoons.
  • the thickness of the envelope is thus less than 1 ⁇ m, and preferably less than 0.5 ⁇ m; it is for example 0.1 ⁇ m.
  • the microballoons 7 have a low density, closer to air than to water, typically less than 100 kg.m -3 , for example approximately 55 to 65 kg.m -3 .
  • the envelope of a microballoon 7 can be made of plastic, in particular thermoplastic.
  • the envelope is a mixture of thermoplastics having different phase change temperatures.
  • the envelope is a mixture comprising mainly acrylonitrile, methacrylate and acrylate.
  • the microballoons preferably have high compressibility, the elastic compressibility of the microballoons 7 preferably being greater than 1 ⁇ 10 -6 Pa -1 .
  • the volume of a microballoon 7 is reduced by elastic deformation by half compared to its volume at atmospheric pressure, and returns to its initial volume when it is again subjected to atmospheric pressure.
  • High compressibility of the microballoons allows the assembly layer 5 to conform to the surfaces of the active element 3 and the support element 4.
  • the layer 6 of microballoons is constituted by a layer of cork particles, the closed pores of which, filled with gas, constitute said microballoons 7 and have an average size less than 50 ⁇ m, and preferably less than 40 ⁇ m , or even less than 30 ⁇ m.
  • microballoons 7 preferably form a continuous layer 6 in the assembly layer 5, this layer 6 extending over the entire interface between the active element 3 and the support element 4 constituted by the layer of assembly 5.
  • the continuity of the layer 6 of microballoons 7 ensures the homogeneity of the characteristics of the assembly layer 5.
  • this continuous layer 6 of microballoons is a monolayer of microballoons. The fineness of such a layer 6 of microballoons 7 makes it possible to obtain a thin assembly layer 5.
  • the microballoons 7 are therefore embedded in a binder consisting of a glue.
  • the assembly layer 5 comprises a layer of glue adhering to the active element 3 and the support element 4, the layer 6 of microballoons 7 being embedded in said layer of glue.
  • the glue preferably has the following characteristics. It has a low acoustic impedance, good electrical insulation, for example a dielectric constant of at least 4, and preferably good thermal conduction in order to conduct the heat generated by the active element 3 to the support element 4, with a thermal resistance less than 0.002 m 2 .KW -1 , and preferably less than 0.0008 m 2 .KW -1 .
  • the glue has good fluidity before polymerization, with a dynamic viscosity of less than 0.50 Pa.s (i.e. 500 cP), for example 0.35 Pa.s (i.e. 350 cP), in order to coat the microballoons 7 and conform to the surfaces of the active element 3 and the support element 4.
  • the glue also has a low hardness once polymerized, in order to allow the adaptation of the assembly layer 5 to mechanical constraints resulting from the use of the transducer, for example with the thermal expansion of the active element 3.
  • a low hardness after polymerization ensures a low acoustic impedance, which makes it possible to acoustically decouple the active element 3 from the element support 4.
  • the glue preferably has a hardness after polymerization of less than 90 ShoreA, for example less than or equal to 65 ShoreA, and preferably less than 50 ShoreA, or even less than 20 ShoreA.
  • the glue layer can for example be a poly-epoxy resin, better known as epoxy resin.
  • the glue layer 5 may comprise a first layer 51 between the layer 6 of microballoons 7 and the active element 3, and a second layer 52 between the layer 6 of microballoons 7 and the support element 4, the second layer 52 being thicker than the first layer 51, for example at least twice as thick.
  • the first layer 51 has a thickness less than 20 ⁇ m, preferably less than 10 ⁇ m
  • the second layer 52 can have a thickness greater than 40 ⁇ m.
  • the second layer 52 does not play an acoustic role: its characteristics can be chosen different from those of the first layer 51.
  • the first layer 51 can be made up of a first material and the second layer 52 can be made up of a second material , different from the first material.
  • the characteristics of the first material and the second material can be chosen according to the functions that their respective layers must fulfill. For example, while the first material has the glue characteristics discussed above, the second material may have a higher acoustic impedance.
  • the greater thickness of the second layer 52 makes it easier to manufacture the transducer, and in particular makes it possible to reduce the requirements on the surface on the front face 41 of the support element 4 since possible irregularities can be absorbed by the second layer 52.
  • a second thicker layer 52 allows it to withstand the differences in thermal expansion between the active element 3 and the support element 4, particularly when the second material has the mechanical characteristics of glue mentioned above.
  • the second material of the second layer 52 is preferably a good thermal conductor, in order to maintain the thermal coupling between the active element 3 and the support element 4, all the more so as the second layer 52 is thick.
  • the acoustic decoupling carried out by the layer of microballoons makes it possible to broaden the possibilities of choice of the first and second materials.
  • the second material presents a thermal conductivity greater than the thermal conductivity of the first material.
  • a layer of glue 51, 52 is deposited on at least one face among the rear face 31 of the active element and the front face 41 of the support element.
  • a layer of glue 51 is deposited on the rear face 31 of the active element 3 and a layer of glue 52 is deposited on the front face 41 of the support element.
  • the glue layer 52 can be thicker and in a different material from the first glue layer 51. In the example illustrated by the figure 3a , only the layer of glue 51 deposited on the rear face 31 of the active element 3 is illustrated.
  • the glue layer 51, 52 is thin, with a thickness of less than 40 or 50 ⁇ m, and homogeneous. It is possible to scrape the glue layer 51, 52 to homogenize its thickness.
  • a template can be used to ensure the thickness of the glue when scraping with a hard squeegee. However, the surface condition of the scraped surface, with a hard squeegee, may be sufficient to guarantee a residual glue thickness after scraping. Control of the glue thickness can also result from the combined choice of a flexible squeegee pressed against the surface with controlled pressure and a scraping speed adapted according to the viscosity of the glue.
  • microballoons 7 are then placed on the layer of glue 51, or on only one of the layers of glue 51, 52, so as to form a continuous layer of microballoons 7.
  • the microballoons can be placed in abundance on the layer of glue.
  • THE figures 3b and 3c thus respectively illustrate the case before and after evacuation of the excess microballoons 7.
  • a double-sided adhesive tape as a glue layer 51, 52, on one or each of the faces among the rear face 31 of the active element 3 and the front face 41 of the element support 4.
  • the microballoons 7 are placed in the same way as previously, and the assembly is done under pressure, for example with a pressure of the order of 1 bar for 48 hours.
  • the resulting assembly layer 5 has a thickness of around 75 to 100 ⁇ m.
  • Another solution consists of preparing a mixture of glue and microballoons, then depositing this mixture on one face among the rear face 31 of the active element and the front face 41 of the support element, or on both faces, then proceed with the assembly as previously described, for example with a pressure of around 1 bar.
  • a template as previously mentioned can be used.
  • An example mixture includes 14% microballoons by volume, and the remainder glue.
  • these preferably constitute at least 10% of the mixture by volume.
  • microballoons 7 covered with adhesive, in which case the assembly is done without adding glue.
  • Another solution is to use microballoons with a thermoplastic envelope without adding glue.
  • a layer of microballoons 7 with a thermoplastic envelope is deposited on one face among the rear face 31 of the active element 3 and the front face 41 of the support element 4.
  • the rear face 31 of the active element 3 is then assembled and the front face 41 of the support element 4, then the microballoons 7 are heated in order to obtain heat-sealing of the microballoons, without completely melting said microballoons 7 so that they can keep their gas locked in the assembly layer 5.
  • We then obtain a very thin assembly layer for example with a thickness of less than 40 ⁇ m with microballoons with a diameter before assembly of between 18 and 28 ⁇ m.

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Description

    DOMAINE TECHNIQUE GENERAL ET CONTEXTE DE L'INVENTION
  • La présente invention concerne un transducteur ultrasonore, pour émettre et/ou recevoir un faisceau d'ondes ultrasonores. Pour certaines applications biologiques, les ultrasons sont générés avec une forte intensité acoustique, par exemple pour la destruction de tissus cancéreux, la dislocation de caillots sanguins ou de calculs, ou encore la libération de substances chimiques. D'autres applications se placent entre autres dans le domaine industriel, par exemple en sonochimie, dans le domaine de la communication et du transfert d'énergie, dans le domaine sous-marin, dans le domaine pétrolier. Lorsque les ultrasons de puissance sont focalisés, on utilise communément l'acronyme HIFU pour l'anglais "High Intensity Focused Ultrasound".
  • Ces ultrasons de forte intensité engendrent des effets physiques ou biophysiques dans les milieux dans lesquels ils sont générés : l'effet peut être thermique ou mécanique et, dans le cadre d'applications biologiques, peut être biophysique en contribuant, par exemple, à l'activation de substances chimiques actives, au transfert de gènes ou au contrôle de perméabilité d'une membrane. Lorsque le faisceau d'ultrasons est focalisé, l'effet est localisé au voisinage du point focal.
  • La génération d'ultrasons de forte densité de puissance moyenne par le transducteur cause l'échauffement de celui-ci, dégradant ses performances. De plus, l'échauffement du transducteur peut entraîner sa déformation par dilatation, ce qui peut se traduire par un déplacement du point focal où convergent les faisceaux d'ultrasons dû au changement de géométrie du transducteur. L'échauffement des transducteurs de l'état de la technique et leur manque de rigidité impose la limitation à de faibles niveaux de leur puissance moyenne d'émission par unité de surface. En outre, les transducteurs de l'état de la technique ne donnent pas entière satisfaction, dans la mesure où ceux-ci sont habituellement fragiles.
  • Il est habituel de concevoir un transducteur ultrasonore, notamment pour des applications d'imagerie médicales, avec un milieu arrière amortisseur et absorbant. Ce milieu arrière joue principalement un rôle acoustique mais contribue aussi à la tenue mécanique de l'ensemble de la structure du transducteur. Par exemple, la demande de brevet EP 1 542 005 A1 décrit une sonde ultrasonore comportant une couche d'oscillateur piézoélectrique formant un élément actif, comportant vers l'avant des couches d'adaptation acoustique éventuellement poreuses, ainsi qu'une lentille acoustique, avec à l'arrière un milieu amortisseur et absorbant. Ce milieu arrière est directement en contact avec l'élément actif. Il y a alors un couplage acoustique entre l'élément actif et ce milieu arrière et une partie de l'onde ultrasonore est transmise à l'élément arrière et crée des réflexions qui viennent parasiter l'émission d'ondes ultrasonores et nuisent au rendement du transducteur.
  • La demande de brevet WO 2008/121238 A2 propose de prévoir, dans un milieu arrière amortisseur et absorbant, une couche d'absorption pour atténuer les ondes ultrasonores se propageant dans ledit milieu arrière. Cette couche d'absorption est constituée de fibres poreuses tissées. Il y a donc un couplage acoustique entre l'élément actif et ce milieu arrière, et une partie de l'énergie des ondes ultrasonores est transformée en chaleur dans ces fibres, ce qui atténue l'amplitude des ondes dans le milieu arrière. Cependant, cette configuration n'est pas optimale puisque la puissance des ondes ultrasonores émises par l'élément actif est réduite par cette absorption. Par conséquent, le rendement du transducteur est réduit, ce qui empêche les applications de forte puissance. En outre, la couche d'absorption s'oppose aux transferts thermiques permettant d'évacuer la chaleur produite par l'élément actif. Cette chaleur ne peut alors pas être évacuée par le milieu arrière, ce qui est problématique pour les applications de puissance.
  • La demande de brevet EP 2 602 788 propose un transducteur ultrasonore, notamment de thérapie, comportant un élément actif pour générer des ondes ultrasonores, et un élément support situé à l'arrière de l'élément actif, l'élément support comportant une face avant complémentaire d'une face arrière de l'élément actif, ledit élément support étant conformé de sorte à ce que la face arrière complémentaire de l'élément actif soit en appui simple sans couplage acoustique significatif avec la face avant dudit élément support, l'élément actif et l'élément support étant couplés thermiquement.
  • Un tel transducteur permet d'obtenir un couplage thermique entre l'élément actif et l'élément support sans couplage acoustique. A cette fin, la face avant de l'élément support et la face arrière de l'élément actif sont conformées pour définir entre elles, lorsque l'élément support et l'élément actif sont en appui simple, une couche discontinue de gaz d'une épaisseur suffisamment faible pour favoriser un couplage thermique entre l'élément support et l'élément actif.
  • Cependant, la conformation de la face avant de l'élément support et la face arrière de l'élément actif doit alors être finement contrôlée, par exemple via les états de surface, ce qui complexifie la fabrication de ce transducteur. En outre, l'étanchéité du transducteur doit être assurée, afin d'éviter que de l'eau ne remplace l'air dans la couche d'air, ce qui complexifie la fabrication.
    • PRESENTATION DE L'INVENTION
  • La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'état de la technique, et notamment de permettre d'obtenir un transducteur sans couplage acoustique entre l'élément actif et l'élément support, tout en restant de conception et de fabrication simple et peu onéreux.
  • A cet effet, il est proposé un transducteur ultrasonore selon la revendication 1, le transducteur ultrasonore comportant
    • un élément actif pour générer et/ou recevoir des ondes ultrasonores, et
    • un élément support situé à l'arrière de l'élément actif,
    remarquable en ce que le transducteur comporte une couche d'assemblage entre ledit élément actif et ledit élément support, ladite couche d'assemblage comprenant des cavités renfermant du gaz et découplant acoustiquement ledit élément actif et ledit élément support, les cavités étant formées par des microballons renfermant du gaz et la couche d'assemblage comprenant une couche de colle adhérant à l'élément actif et à l'élément support, une couche de microballons étant noyée dans ladite couche de colle.
  • L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible:
    • la couche d'assemblage présente une épaisseur comprise entre 1 et 120 µm;
    • la couche d'assemblage présente une impédance acoustique apparente à 25°C comprise entre 300 et 150000 Pa.s/m, et de préférence entre 300 et 3000 Pa.s/m;
    • la couche de colle comprend une première couche entre la couche de microballons et l'élément actif, et une seconde couche entre la couche de microballons et l'élément support, la seconde couche étant plus épaisse que la première couche;
    • la première couche est constituée d'un premier matériau et la seconde couche est constituée d'un second matériau, différent du premier matériau, ledit second matériau présentant une conductivité thermique plus importante ou égale à celle du premier matériau;
    • la colle est une résine époxy présentant une dureté inférieure à 90 ShoreA;
    • les microballons forment une couche continue;
    • la couche de microballons est une monocouche de microballons;
    • les microballons présentent une dimension maximale inférieure à 50 µm;
    • l'élément actif et l'élément support sont découplées acoustiquement par la couche d'assemblage de sorte que moins de 10% de l'énergie acoustique produite par l'élément actif est transmise à l'élément support;
    • la couche d'assemblage couple thermiquement l'élément actif et l'élément support, de sorte que la résistance thermique de l'interface entre l'élément actif et l'élément support est inférieure à 0,002 m2.K.W-1.
  • L'invention concerne également des procédés de fabrication d'un transducteur selon l'invention. Selon une première variante et la revendication 12 :
    • on dépose une couche de colle sur au moins une face parmi la face arrière de l'élément actif et la face avant de l'élément support,
    • on dépose des microballons sur la couche de colle,
    • on assemble la face arrière de l'élément actif et la face avant de l'élément support.
  • Selon une autre variante et la revendication 13 :
    • on dépose une couche de microballons à enveloppe thermoplastique sur une face parmi la face arrière de l'élément actif et la face avant de l'élément support,
    • on assemble la face arrière de l'élément actif et la face avant de l'élément support,
    • on chauffe les microballons afin d'obtenir une thermo-soudure des microballons.
    PRESENTATION DES FIGURES
  • L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un exemple de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels:
    • les figures 1 et 2 sont des schémas illustrant la disposition d'une couche d'assemblage entre un élément actif et un support dans des transducteurs selon des modes de réalisation possible de l'invention;
    • les figures 3a à 3d sont des schémas illustrant des étapes de fabrication d'un transducteur selon un mode de réalisation possible de l'invention.
  • Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires sont désignés par les mêmes références numériques.
    • DESCRIPTION DETAILLEE
  • En référence à la figure 1, le transducteur 1 ultrasonore comporte un élément actif 3 pour générer et/ou recevoir des ondes ultrasonores, et un élément support 4 situé à l'arrière de l'élément actif 3. On entend par arrière de l'élément actif 3 le côté de l'élément actif 3 opposé à la direction dans laquelle l'élément actif 3 émet le faisceau utile d'ondes ultrasonore, cette direction d'émission correspondant à l'avant de l'élément actif 3.
  • L'élément actif 3 est généralement constitué principalement d'un matériau piézoélectrique, éventuellement piézocomposite, éventuellement multicouche, et d'un ensemble d'au moins deux électrodes qui permettent de créer un champ électrique dans l'épaisseur du matériau piézoélectrique. De préférence, une ou plusieurs couches d'adaptation acoustique sont intégrées dans cet élément actif, sur la face avant de l'élément actif 3, pour faciliter le transfert acoustique vers l'avant du transducteur 1.
  • L'élément actif 3 peut mettre en oeuvre des phénomènes piézoélectriques. Cependant, l'élément actif 3 peut être tout dispositif électro-acoustique tel qu'un transducteur capacitif, par exemple un transducteur capacitif micro-usiné (ou CMUT pour l'anglais Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer), un transducteur électrostrictif, ...
  • L'élément support 4 sert de référence de forme et de renfort mécanique, permettant notamment au transducteur 1 de résister aux chocs. En outre, en cas de dilatation thermique de l'élément actif 3, en raison de son utilisation ou des conditions extérieures, l'élément support 4 maintient l'élément actif dans une forme utile. L'élément support 4 présente une rigidité supérieure à l'élément actif 3 afin de constituer une référence de forme pour celui-ci.
  • Le transducteur comporte une couche d'assemblage 5 entre ledit élément actif 3 et ledit élément support 4. La couche d'assemblage 5 assure l'assemblage de l'élément actif 3 avec l'élément support 4, c'est-à-dire résiste à une force de dépression d'au moins 400 mbar, sans cependant créer de couplage acoustique significatif, et en assurant un certain couplage thermique.
  • Le couplage acoustique entre l'élément actif 3 et l'élément support 4 est jugé significatif si plus de 10 % de l'énergie acoustique produite par l'élément actif 3 est transmise à l'élément support 4. L'énergie transmise à l'élément support 4 peut être estimée par comparaison entre l'énergie fournie à l'élément actif 3 et l'énergie acoustique recueillie à l'avant de l'élément actif 3, avec et sans l'élément support 4, en prenant soin de prendre en compte des facteurs additionnels tels que l'énergie thermique ou la dispersion acoustique dans l'air.
  • La couche d'assemblage 5 permet cependant un couplage thermique entre l'élément actif 3 et l'élément support 4. Ce couplage thermique permet de drainer la chaleur émise au cours des cycles d'émission d'ondes ultrasonores par l'élément actif 3 depuis celui-ci vers l'élément support 4, autorisant ainsi une puissance accrue d'émission ultrasonore et/ou un fonctionnement prolongé.
  • Le couplage thermique entre l'élément actif 3 et l'élément support 4 est jugé satisfaisant si la résistance thermique de l'interface entre l'élément actif 3 et l'élément support 4 est inférieure à 0,002 m2.K.W-1. De préférence, la résistance thermique est inférieure à 0,0008 m2.K.W-1. Une valeur de résistance thermique de 0,002 m2.K.W-1 correspond à une épaisseur d'air de 50 µm, tandis que celle de 0,0008 m2.K.W-1 correspond à une épaisseur d'air de 20 µm (à la pression atmosphérique).
  • On cherche à obtenir une couche d'assemblage 5 présentant des caractéristiques de découplage acoustique et de couplage thermique proches de celles d'une couche d'air d'une épaisseur maximale de l'ordre de 50 µm. Ainsi, la couche d'assemblage 5 présente une épaisseur comprise entre 1 µm et 120 µm, de préférence inférieure à 50 µm, afin de favoriser le transfert thermique.
  • Pour créer les conditions favorables au découplage acoustique, l'impédance acoustique apparente de la couche d'assemblage 5 est choisie très différente des impédances acoustiques de l'élément actif 3 et de l'élément support 4. Un rapport d'impédance supérieur à 100 est préférable. Typiquement, la couche d'assemblage 5 présente une impédance acoustique apparente à 25°C comprise entre 300 et 150000 Pa.s/m, et de préférence entre 300 et 3000 Pa.s/m. Une telle impédance acoustique apparente peut être estimée par recalage d'un modèle tel qu'un modèle KLM en une dimension, en fonction de résultats de mesure d'impédance électrique du transducteur avec et sans la couche d'assemblage 5.
  • Afin d'obtenir ces caractéristiques similaires à celles d'une couche d'air de moins de 50 µm d'épaisseur, tout en assurant l'assemblage requis, la couche d'assemblage 5 comprend des cavités renfermant du gaz. Les cavités font en moyenne au moins 0,5 µm et moins de 50 µm dans leur plus grande dimension. Le gaz peut être de l'air, de l'isobutane, ou un autre gaz tel que de l'hélium. La description qui suit est faite dans le cadre d'un mode de réalisation préférentiel, dans lequel les cavités sont des microballons 7 renfermant du gaz.
  • Les microballons 7, tout du moins leur majorité, présentent une dimension maximale, typiquement leur diamètre, inférieure à 50 µm, de préférence inférieure à 40 µm, et de préférence encore inférieure à 30 µm, voire à 20 µm. Dans un mode de réalisation, le diamètre des microballons 7 est compris entre 18 et 28 µm, mais il peut être encore plus petit.
  • Un microballon 7 comprend une enveloppe renfermant un gaz. L'enveloppe est très fine par rapport au diamètre des microballons. L'épaisseur de l'enveloppe est ainsi inférieure à 1 µm, et de préférence inférieure à 0,5 µm; elle est par exemple de 0,1 µm. Les microballons 7 présentent une faible densité, plus proche de l'air que de celle de l'eau, typiquement inférieure à 100 kg.m-3, par exemple d'environ 55 à 65 kg.m-3.
  • L'enveloppe d'un microballon 7 peut être en matière plastique, notamment en thermoplastique. Dans un mode de réalisation, l'enveloppe est un mélange de thermoplastiques présentant des températures différentes de changement de phase. Ainsi, dans un mode de réalisation, l'enveloppe est un mélange comportant principalement de l'acrylonitrile, du méthacrylate et de l'acrylate.
  • De fait, les microballons présentent de préférence une haute compressibilité, la compressibilité élastique des microballons 7 étant de préférence supérieure à 1×10-6 Pa-1. Dans un mode de réalisation, sous une pression de 6 bars, le volume d'un microballon 7 est diminué par déformation élastique de moitié par rapport à son volume à la pression atmosphérique, et retrouve son volume initial lorsqu'il est de nouveau soumis à la pression atmosphérique. Une compressibilité élevée des microballons permet à la couche d'assemblage 5 de se conformer aux surfaces de l'élément actif 3 et de l'élément support 4.
  • Il est également possible que la couche 6 de microballons soit constituée par une couche de particules de liège, dont les pores fermés, remplis de gaz, constituent lesdits microballons 7 et présentent une taille moyenne inférieure à 50 µm, et de préférence inférieure à 40 µm, voire inférieure à 30 µm.
  • Ces microballons 7 forment de préférence une couche continue 6 dans la couche d'assemblage 5, cette couche 6 s'étendant sur l'ensemble de l'interface entre l'élément actif 3 et l'élément support 4 constituée par la couche d'assemblage 5. La continuité de la couche 6 de microballons 7 permet d'assurer l'homogénéité des caractéristiques de la couche d'assemblage 5. De préférence, cette couche continue 6 de microballons est une monocouche de microballons. La finesse d'une telle couche 6 de microballons 7 permet d'obtenir une fine couche d'assemblage 5.
  • Les microballons 7 sont donc noyés dans un liant constitué par une colle. Ainsi, la couche d'assemblage 5 comprend une couche de colle adhérant à l'élément actif 3 et à l'élément support 4, la couche 6 de microballons 7 étant noyée dans ladite couche de colle.
  • La colle présente de préférence les caractéristiques suivantes. Elle a une impédance acoustique faible, un bon isolement électrique, avec par exemple une constante diélectrique d'au moins 4, et de préférence une bonne conduction thermique afin de conduire vers l'élément support 4 la chaleur générée par l'élément actif 3, avec une résistance thermique inférieure à 0,002 m2.K.W-1, et de préférence inférieure à 0,0008 m2.K.W-1.
  • De plus, la colle présente une bonne fluidité avant polymérisation, avec une viscosité dynamique inférieure à 0,50 Pa.s (soit 500 cP), par exemple de 0,35 Pa.s (soit 350 cP), afin d'enrober les microballons 7 et de se conformer aux surfaces de l'élément actif 3 et de l'élément support 4. La colle présente en outre une faible dureté une fois polymérisée, afin de permettre l'adaptation de la couche d'assemblage 5 aux contraintes mécaniques résultant de l'utilisation du transducteur, avec par exemple la dilatation thermique de l'élément actif 3. En outre, une faible dureté après polymérisation assure une faible impédance acoustique, ce qui permet de découpler acoustiquement l'élément actif 3 de l'élément support 4. Ainsi, la colle présente de préférence une dureté après polymérisation inférieure à 90 ShoreA, par exemple inférieure ou égale à 65 ShoreA, et de préférence inférieure à 50 ShoreA, voire inférieure à 20 ShoreA.
  • La couche de colle peut par exemple être une résine de poly-époxydes, plus connue sous le nom de résine époxy.
  • Comme illustré sur la figure 2, la couche de colle 5 peut comprendre une première couche 51 entre la couche 6 de microballons 7 et l'élément actif 3, et une seconde couche 52 entre la couche 6 de microballons 7 et l'élément support 4, la seconde couche 52 étant plus épaisse que la première couche 51, par exemple au moins deux fois plus épaisse. A titre d'exemple, alors que la première couche 51 présente une épaisseur inférieure à 20 µm, de préférence inférieure à 10 µm, la seconde couche 52 peut présenter une épaisseur supérieure à 40 µm.
  • La couche 6 de microballons 7 est ainsi plus près de l'élément actif 3 que de l'élément support 4. Le découplage acoustique est alors obtenu par la couche 6 de microballons au plus près de l'élément actif 3. Ainsi, la seconde couche 52 ne joue pas de rôle acoustique : ses caractéristiques peuvent être choisies différentes de celles de la première couche 51. Notamment, la première couche 51 peut être constituée d'un premier matériau et la seconde couche 52 peut être constituée d'un second matériau, différent du premier matériau. Les caractéristiques du premier matériau et du second matériau peuvent être choisies selon les fonctions que doivent remplir leur couche respective. Par exemple, tandis que le premier matériau présente des caractéristiques de la colle exposées plus haut, le second matériau peut présenter une impédance acoustique plus élevée.
  • La plus grande épaisseur de la seconde couche 52 permet de faciliter la fabrication du transducteur, et permet en particulier de réduire les exigences sur la surface sur la face avant 41 de l'élément support 4 puisque d'éventuelles irrégularités peuvent être absorbées par la seconde couche 52. En outre, une seconde couche 52 plus épaisse permet à celle-ci d'encaisser les différences de dilatation thermique entre l'élément actif 3 et l'élément support 4, notamment lorsque le second matériau présente les caractéristiques mécaniques de la colle mentionnées plus haut.
  • Le second matériau de la seconde couche 52 est de préférence un bon conducteur thermique, afin de maintenir le couplage thermique entre l'élément actif 3 et l'élément support 4, et ce d'autant plus que la seconde couche 52 est épaisse. Le découplage acoustique opéré par la couche de microballons permet d'élargir les possibilités de choix des premiers et seconds matériaux. Ainsi, de préférence, le second matériau présente une conductivité thermique plus importante que la conductivité thermique du premier matériau.
  • Différents procédés de fabrication d'un transducteur selon l'invention sont proposés. Dans un premier mode de réalisation, illustré par les figures 3a à 3d, on dépose une couche de colle 51, 52 sur au moins une face parmi la face arrière 31 de l'élément actif et la face avant 41 de l'élément support. De préférence, une couche de colle 51 est déposée sur la face arrière 31 de l'élément actif 3 et une couche de colle 52 est déposée sur la face avant 41 de l'élément support. La couche de colle 52 peut être plus épaisse et dans un matériau différent de la première couche de colle 51. Dans l'exemple illustré par la figure 3a, seule la couche de colle 51 déposée sur la face arrière 31 de l'élément actif 3 est illustrée.
  • La couche de colle 51, 52 est fine, avec une épaisseur inférieure à 40 ou 50 µm, et homogène. Il est possible de racler la couche de colle 51, 52 pour en homogénéiser l'épaisseur. Un gabarit peut être utilisé pour s'assurer de l'épaisseur de la colle lors du raclage avec une raclette dure. Cependant, l'état de surface de la surface raclée, avec une raclette dure, peut suffire à garantir une épaisseur de colle résiduelle après raclage. Le contrôle de l'épaisseur de colle peut aussi résulter du choix combiné d'une raclette souple appuyée contre la surface avec une pression contrôlée et d'une vitesse de raclage adaptée en fonction de la viscosité de la colle.
  • On dépose ensuite les microballons 7 sur la couche de colle 51,ou sur une seule des couches de colle 51, 52, de sorte à former une couche continue de microballons 7. Par exemple, on peut mettre les microballons en abondance sur la couche de colle 51, et évacuer les microballons en excès, c'est-à-dire ceux qui ne sont pas retenus par la colle, par soufflage d'un flux d'air ou en secouant. Les figures 3b et 3c illustrent ainsi respectivement le cas avant et après évacuation des microballons 7 en excès.
  • On assemble ensuite la face arrière 31 de l'élément actif 3 avec la face avant 41 de l'élément support 4, comme sur la figure 3d. A cet égard, l'élément actif 3 et l'élément support 4 sont pressés l'un contre l'autre, et un traitement thermique peut éventuellement être mené. Avec des microballons 7 d'un diamètre compris entre 18 et 28 µm, et des épaisseurs de 20 µm à 30 µm avant assemblage pour les couches de colle 51, 52, on obtient alors une couche d'assemblage 5 avec une épaisseur comprise entre 35 et 50 µm. L'épaisseur de la couche d'assemblage peut être calibrée par dépôt de cales d'épaisseur connue dans la couche de colle avant mise en pression des surfaces l'une contre l'autre. Ces cales peuvent par exemple prendre la forme de fils dont le diamètre calibré correspond à l'épaisseur cible de la couche d'assemblage. Par exemple, il peut s'agir de fils de cuivre émaillé d'un diamètre de 30 µm ou de fils en polyéthylène de 20 µm.
  • Il est également possible d'utiliser un ruban adhésif à double face en tant que couche de colle 51, 52, sur une ou sur chacune des faces parmi la face arrière 31 de l'élément actif 3 et la face avant 41 de l'élément support 4. Les microballons 7 sont déposés de même que précédemment, et l'assemblage se fait sous pression, par exemple avec une pression de l'ordre de 1 bar pendant 48h. Par exemple avec des rubans adhésifs doubles faces avec une épaisseur de colle de l'ordre de 40 à 50 µm, la couche d'assemblage 5 résultante présente une épaisseur de l'ordre de 75 à 100 µm.
  • Une autre solution consiste à préparer un mélange de colle et de microballons, puis à déposer ce mélange sur une face parmi la face arrière 31 de l'élément actif et la face avant 41 de l'élément support, ou bien sur les deux faces, puis à procéder à l'assemblage comme précédemment décrit, par exemple avec une pression de l'ordre de 1 bar. Un gabarit comme précédemment cité peut être utilisé. Un exemple de mélange comprend 14 % de microballons en volume, et le reste en colle. De fait, afin que le mélange soit suffisamment chargé en microballons, notamment pour assurer une continuité d'une couche 6 de microballons 7, ceux-ci constituent de préférence au moins 10% du mélange en volume.
  • Il est également possible d'utiliser des microballons 7 recouverts d'adhésif, auquel cas l'assemblage se fait sans ajout de colle. Une autre solution consiste à utiliser des microballons à enveloppe thermoplastique sans ajout de colle. Une couche de microballons 7 à enveloppe thermoplastique est déposée sur une face parmi la face arrière 31 de l'élément actif 3 et la face avant 41 de l'élément support 4. On assemble ensuite la face arrière 31 de l'élément actif 3 et la face avant 41 de l'élément support 4, puis on chauffe les microballons 7 afin d'obtenir une thermo-soudure des microballons, sans faire fondre complètement lesdits microballons 7 afin qu'ils puissent conserver leur gaz enfermé dans la couche d'assemblage 5. On obtient alors une couche d'assemblage très fine, par exemple d'épaisseur inférieure à 40 µm avec des microballons d'un diamètre avant assemblage compris entre 18 et 28 µm.

Claims (13)

  1. Transducteur (1) ultrasonore comportant :
    - un élément actif (3) pour générer et/ou recevoir des ondes ultrasonores, et
    - un élément support (4) situé à l'arrière de l'élément actif (3) et adapté pour
    servir de référence de forme et de renfort mécanique audit élément actif (3), caractérisé en ce que le transducteur comporte une couche d'assemblage (5) entre ledit élément actif (3) et ledit élément support (4), ladite couche d'assemblage (5) comprenant une couche de colle (51, 52) adhérant à l'élément actif (3) et à l'élément support (4), et assurant l'assemblage de l'élément actif (3) avec l'élément support (4), ladite couche d'assemblage comprenant des cavités renfermant du gaz et découplant acoustiquement ledit élément actif (3) et ledit élément support (4) au moyen desdites cavités renfermant du gaz présentes dans la couche d'assemblage, les cavités étant formées par des microballons (7) renfermant du gaz, et une couche (6) de microballons (7) étant noyée dans ladite couche de colle.
  2. Transducteur selon la revendication précédente, dans lequel l'impédance acoustique apparente de la couche d'assemblage (5) diffère des impédances acoustiques de l'élément actif (3) et de l'élément support (4) selon un rapport d'impédance supérieur à 100.
  3. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche d'assemblage (5) présente une épaisseur comprise entre 1 et 120 µm.
  4. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche d'assemblage (5) présente une impédance acoustique apparente à 25°C comprise entre 300 et 150000 Pa.s/m, et de préférence entre 300 et 3000 Pa.s/m.
  5. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes,, dans lequel la couche de colle comprend une première couche (51) entre la couche (6) de microballons (7) et l'élément actif (3), et une seconde couche (52) entre la couche (6) de microballons (7) et l'élément support (4), la seconde couche (52) étant plus épaisse que la première couche (51).
  6. Transducteur selon la revendication 5, dans lequel la première couche (51) est constituée d'un premier matériau et la seconde couche (52) est constituée d'un second matériau, différent du premier matériau, ledit second matériau présentant une conductivité thermique plus importante ou égale à celle du premier matériau.
  7. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la colle est une résine époxy présentant une dureté inférieure à 90 ShoreA.
  8. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les microballons (7) forment une couche (6) continue et/ou la couche (6) de microballons (7) est une monocouche de microballons.
  9. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les microballons (7) présentent une dimension maximale inférieure à 50 µm.
  10. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément actif (3) et l'élément support (4) sont découplées acoustiquement par la présence de cavités renfermant du gaz dans la couche d'assemblage (5) de sorte que moins de 10% de l'énergie acoustique produite par l'élément actif (3) est transmise à l'élément support (4).
  11. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche d'assemblage (5) couple thermiquement l'élément actif (3) et l'élément support (4), de sorte que la résistance thermique de l'interface entre l'élément actif (3) et l'élément support (4) est inférieure à 0,002 m2.K.W-1.
  12. Procédé de fabrication d'un transducteur selon l'une des revendications précédentes, ledit procédé comprenant les étapes selon lesquelles :
    - on dépose une couche de colle (51, 52) sur au moins une face parmi la face arrière (31) de l'élément actif (3) et la face avant (41) de l'élément support (4),
    - on dépose des microballons (7) sur la couche de colle (51, 52),
    - on assemble la face arrière (31) de l'élément actif (3) et la face avant (41) de l'élément support (4).
  13. Procédé de fabrication d'un transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel les cavités sont formées par des microballons (7) renfermant du gaz, ledit procédé comprenant les étapes selon lesquelles :
    - on dépose une couche de microballons (7) à enveloppe thermoplastique sur une face parmi la face arrière (31) de l'élément actif (3) et la face avant (41) de l'élément support (4),
    - on assemble la face arrière (31) de l'élément actif (3) et la face avant (41) de l'élément support (4),
    - on chauffe les microballons (7) afin d'obtenir une thermo-soudure des microballons (7).
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