FR2531298A1 - Transducteur du type demi-onde a element actif en polymere piezoelectrique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE AUX TRANSDUCTEURS ELECTROMECANIQUES DE TYPE DEMI-ONDE DANS LESQUELS L'ELEMENT ACTIF EST UNE FEUILLE DE POLYMERE PIEZOELECTRIQUE 6 ENCADREE PAR DES ELECTRODES 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 POLYMERE PIEZOELECTRIQUE 6, AU MOINS UNE FEUILLE PASSIVE 3 SERVANT DE SUPPORT AUX ELECTRODES 4, 5, 7, 8. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A L'EXCITATION ET A LA DETECTION DE RAYONNEMENTS ULTRASONORES DANS LES TISSUS BIOLOGIQUES.

Description

TRANSDUCTEUR DU TYPE DEMI-ONDE

A ELEMENT ACTIF EN POLYMERE PIEZOELECTRIQUE

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.

Ces transducteurs reçoivent des applications intéressantes dans le domaine du diagnostic médical par examen d'images tomo-échographique. Les matériaux polymères piézoélectriques offrent l'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 piézo-

électriques et ils posent des problèmes technologiques notamment en ce qui

concerne l'adhérence médiocre des couches métalliques destinées à matéria-

liser 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 cer-

taines configurations d'électrodes un tant soit peu étendues ou correspon-

dant 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.

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'in Térieur 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 Pépaisseur correspond le plus souvent à une demi

longueur d'onde de la fréquence centrale de fonctionnement.

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.

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

253 1 298

polymère piézoélectrique; la face libre dudit substrat constituant ladite

face interne.

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. Là 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 Pinvention.

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 rayonne-

ments 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 limpédance acoustique est du même ordre de grandeur que celle

des matériaux actifs ou passifs constituant la structure vibrante.

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

2 531298

plézoélectriquement 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 À 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. 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 transduc-

teur 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 du au fait que les matériaux polymères piézoélectriques polarisés selon la normale x 3 aux électrodes portées par les deux faces de la feuille, ont un coefficient piézoélectrique d 33 nettement supérieur aux coefficients piézoélectriques

d 31 et d 32 qui correspondent aux vibrations selon les axes x 1 et x 2.

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.

Matériaux Impédance acoustique

6 2

Eau 1,5 106 kg/m s Polystyrène 2,2106 kg/m 2 s Polyfluorure de vinylidène (PVF 2) 3 7 106 kg/m 2 s Air 4,28102 kg/m 2 s Polyéthylène téréphtalate (PETP) 3,21 o 6 kg/m 2 s 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 dfonde est un matériau permettant 1 e d'adapter Pimpédance 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.

Sur la figure 1, on peut voir une vue isométrique d'un transducteur

électromécanique réalisé conformément à l'invention Ce transducteur com-

porte 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 conduc-

trices 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.

Comme le montre la figure i, 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 contreélectrode 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, xl, x 2, X 3 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.

La figure 2 est une vue en coupe partielle du transducteur électro-

mécanique 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 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 1 I

solidarise ces deux feuilles 3 et 6 dans la partie qui surplombe l'évidement 2.

Ainsi une structure vibrante mixte active et passive dépaisseur totale h 1 + h 2 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 1 = 220 ium 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 h 2 variait entre O à 200 /um 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 1 de la feuille 6, afin que la fréquence centrale de fonctionnement corresponde

assez exactement au fonctionnement demi-onde ou onde entière.

Sur la figure 3, on a porté en abscisse le paramètre h 2/h 1 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 fonctionne-

ment en demi-onde, tandis que les courbes 16, 17 et 18 en trait mixte se

rapportent au mode de fonctionnement en onde entière.

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 1 et h 2 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

2 5 3 1 2 9 8

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'o 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 d B pour une épaisseur h 2 atteignant 200 dum La courbe 14 se lit sur l'échelle des fréquences et donne en valeur absolue la bande passante A F de transducteur On voit que cette

bande passante varie peu puisqu'elle reste comprise entre 1, 2 et 0,8 M Hz.

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 adhé-

rence 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.

D'après ce qui précède, on voit que la feuille 3, bien qu'elle soit passive, résoud parfaitement le problème de ladhérence des électrodes 4, 5,

7, 8 tout en conservant bonnes les qualités de fonctionnement du transduc-

teur tant en sensibilité qu'en résolution.

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 M Hz 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.

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 PVF 2 ou les copolymères PVF TRFE.

Sur la figure 4, on peut voir que l'évidement 2 de l'embase l 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.

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 lépaisseur varie entre 0,04 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.

Dans les figures qui précèdent, on a décrit un transducteur monosonde

et un transducteur en réseau ayant des surfaces rayonnantes planes.

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 Pensemble 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. 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 fonc-

tionner 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.

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 acous-

tique en un point F de la ligne 21.

A titre d'exemple de réalisation, non limitatif, les agencements en réseaux des figures l 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 /um et un

pas de 250 /um Un tel agencement en réseau peut fonctionner à 3 M Hz.

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 l.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1 Transducteur du type demi-onde à élément actif en polymère piézoélectrique comprenant au moins deux é"lectrodes ( 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 lace 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 piézo-

électrique ( 6).

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 Pimpédance 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.

253 1298

8 Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,

caractérisé en ce que ladite face rayonnante comporte au moins une section incurvee.

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).

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 M 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.