Brevet FR2040410A1 — publié le 19710122

Cette invention se rapporte d'une manière générale aux transducteurs électromécaniques et, plus particulièrement, à un réseau d'éléments transducteurs électromécaniques discrets adaptés pour la conversion de l'énergie d'une onde électrique hyperfré- 5 quence en une énergie d'onde ultrasonique, et vice-versa, ainsi qu'aux lignes à. retard employant de tels réseaux» Les transducteurs électromécaniques pour lignes à retard acoustique en hyperfréquence comprennent généralement un corps de matériau piézoélectrique, tel que le sulfure de cadmium, placé en 10 sandwich entre deux électrodes continues. Ces transducteurs sont réalisés aussi fins que possible et ont généralement une épaisseur de l'ordre de quelques microns pour fonctionner dans la gamme des hyperfréquences. Comme les transducteurs sont très minces, et en raison de la nature continue des électrodes, ces transducteurs 15 présentent une capacité relativement élevée entre leurs deux élec— trodes. La capacité entre une paire d'électrodes peut être calculée par la formule mathématique : C = 0,2246 KA S 20 25 30 35 ou C = capacité en picofarads, K = constante diélectrique, A = surface des électrodes en centimètres carrés, et S = distance entre les deux électrodes en centimètres. D'après la formule ci-dessus, on peut voir que lorsque la surface des électrodes augmente, ou lorsque leur distance diminue, la capacité croît. En raison de la capacité élevée entre les deux électrodes de tels transducteurs, il en résulte que ces dispositifs sont des dispositifs à très basse impédance, particulièrement lorsque la fréquence est élevée. De même, la résistance de rayonnement acoustique de ces transducteurs est extrêmement faible, de telle sorte que les résistances ohmiques ou de pertes du circuit électromagnétique normalement associé avec les transducteurs pour lui appliquer les tensions électromagnétiques, sont élevéeso La résistance de radiation extrêmement faible de ces transducteurs et la difficulté correspondante de réaliser une adaptation à faible perte au circuit électromagnétique est le principal désavantage de tels transducteurs. 70 15757 2 2040410 Le principal objet de la présente invention, est de réduire la capacité de tels transducteurs, et par suite, d'augmenter leur impédance, de manière qu'une adaptation à faible perte puisse être réalisée entre de tels transducteurs et les circuits électro-5 magnétiques associés. L'invention tire avantage du fait que la capacité entre les électrodes peut être réduite, soit en diminuant la surface des électrodes, soit en augmentant leur écartement* Avec l'une des deux solutions, l'impédance du transducteur se trouve augmentée. 10 L'invention réside dans un réseau d'éléments transducteurs électromécaniques discrets adaptés pour convertir l'énergie d'une onde électrique hyperfréquence en énergie d'onde ultrasonique et vice-versa, ce réseau étant formé d'un corps unique de matériau piézoélectrique, présentant des faces principales opposées rece— 15 vant chacune une structure d'électrodes, au moins une de ces structures d'électrodes étant construite et disposée de manière à posséder des portions en contact avec des surfaces prédéterminées seulement de l'une desdites faces principales, de manière que seules des régions prédéterminées du corps piézoélectrique possè-20 dent des zones d'électrodes opposées, la disposition étant telle que ces régions d'électrodes opposées de ce corps piézoélectrique définissent les éléments transducteurs électromécaniques individuels dudit réseau. Plus spécifiquement, un réseau d'éléments transducteurs 25 électromécaniques discrets est créé, adapté pour convertir l'é— nergié d'une onde électrique hyperfréquence en énergie ultrasonique, et vice-versa» Le réseau est formé d*un corps unique de matériau piézoélectrique possédant des faces principales opposées, avec une structure d'électrodes sur chacune des faces principales» 30 Au moins une des structures d'électrodes est construite et disposée de manière à posséder des portions en contact avec certaines zones prédéterminées seulement de l'une des faces principales, de telle manière que seules des régions prédéterminées du corps du matériau piézoélectrique possèdent des zones d'électrodes opposées. 35 La disposition est telle que ces zones d'électrodes opposées du corps piézoélectrique, définissent les éléments transducteurs électromécaniques individuels du réseau» 70 15757 3 2040410 I»ans le but de faire mieux comprendre l'invention, et de permettre sa mise en oeuvre, on va se référer maintenant aux dessins d'accompagnement dans lesquels : la figure 1 illustre une disposition typique de l'inven- 5 tion ; Les figures 2 et 3 illustrent la construction des électrodes supérieure et inféx-ieure utilisées dans une forme de l'invention ; la figure 4 illustre un transducteur assemblé employant 10 les électrodes employées sur la figure 1, en combinaison avec une extrémité d'une ligne à retard partiellement représentée ; les figures 5 et 6 représentent des structures d'électrodes modifiées, conformes à la présente invention ; la figure 7 représente en coupe un transducteur assemblé 15 utilisant la structure d'électrode de la figure 5 comme électrode la plus proche de la ligne à retard et la structure de l'électrode de la figure 6 comme électrode opposée ; et, la figure 8 représente en coupe un transducteur assemblé employant la structure d'électrode dë la figure 6 comme électrode 20 la plus proche de la ligne à retard et la structure d'électrode de la figure 5 pour l'électrode opposée. En se référant maintenant aux dessins sur lesquels les mêmes références numériques se rapjiortent aux éléments semblables dans les diverses figures, on a représenté une forme schématique 25 d'une ligne à retard 10. Des cristaux transducteurs piézoélectriques 12 de forme rectangulaire, équipés d'électrodes conductrices 14 et 16 sur leurs faces principales opposées, sont collés ou fixés de toute autre manière aux extrémités gauche et droite, respectivement, d'un milieu de transmission ultrasonique 1b. Les 30 cristaux piézoélectriques 12 peuvent être constitués d'un corps connu quelconque, présentant des propriétés piézoélectriques telles que par exemple du sulfure de cadmium. Les électrodes 14 et 16 du transducteur 12, du côté-gauche, sont reliées par les connexions associées 20 à une source d'énergie électrique hyperfréquence 35 représentée à: titre d'exemple par l'émetteur hyperfréquence 22» Les électrodes 14 et -16, du transducteur 12 situé sur la droite, sont reliées, de même grâce aux liaisons associées 70 15757 4 2040410 d'utilisation pour l'énergie électrique hyperfréquence, représenté à titre d'exemple par le récepteur hyperfréquence 26. En conséquence, l'application d'énergie électrique hyperfréquence sur les électrodes i4 et 16 du transducteur 12 situé à gauche par l'émet-5 teur 22, provoquent la. naissance d'ondes ultrasoniques de fréquence correspondante, qui sont envoyées dans le milieu 18 et le traversent vers son extrémité opposée ou extrémité droite, où le transducteur 12 reconvertit les ondes ultrasonores en ondes électriques qui sont alors acheminées par les liaisons 24 associées à ce 10 transducteur vers le dispositif d'utilisation représenté par le récepteur hyperfréquence 26, Les spécialistes comprendront que l'appareillage qui vient d'être décrit est classique, ainsi que son mode de fonctionnement. Le point important de la présente invention est la géo-15 métrie des structures d'électrodes 14 et 16, On se référera maintenant plus particulièrement aux figures 2 à 4 sur lesquelles une forme possible pour les électrodes 14 et 16 est représentée. Dans un but d'identification, l'électrode illustrée sur la figure 2 pourra être désignée comme électrode supérieure 14 et l'électrode 20 représentée sur la figure 3 pourra être désignée par l'électrode inférieure 16. x3ien entendu, l'une et l'autre peuvent être soit l'électrode supérieure soit l'électrode inférieure. Ainsi qu'on l'a représenté, chacune des électrodes 14 et 16 possèdent une pluralité de portions parallèles espacées, 30, qui sont inter-25 connectées à une extrémité au moins par une portion 32 terminale de base, adaptée pour la connexion à un circuit extérieur, A titre d'exemple, l'écartement entre les portions 30 peut être approximativement égal à une demi-longueur d'onde du signal électrique hyperfréquence appliqué, et la largeur de chaque portion peut être 30 approximativement égale au dixième de cette longueur d'onde. Dans l'assemblage des transducteurs, l'électrode supérieure 14 est placée sur la couche de matériau piézoélectrique 12, avec la pluralité des parties 30 disposées orthogonalement par rapport à la pluralité des portions 30 de l'électrode inférieure 1b. Avec une 35 telle disposition, on peut voir que seules, certaines zones prédéterminées des surfaces principales inférieure et supérieure du matériau piézoélectrique 12 sont garnies d'électrodes des deux 70 15757 5 2040410 cotés. Ces régions du matériau piézoélectrique définissent un réseau d'éléments transducteurs électromécaniques discrets qui vont convertir l'énergie électrique hyperfréquence en énergie ultrasonique et vice-versa. 5 En raison de la géométrie des électrodes 14 et 16, on peut voir que la surface des électrodes a été sensiblement réduite. En conséquence, la formule mathématique de la capacité montre que la capacité entre les électrodes a été réduite. Il en résulte une augmentation de l'impédance des transducteurs, amenant 10 ainsi une adaptation à faible perte entre les transducteurs et les circuits électromagnétiques associés. On comprendra évidemment que différentes techniques peuvent être utilisées conjointement avec la technique qui vient d'être décrite, de manière que l'inductance et la résistance ne 15 soient pas sensiblement augmentées en même temps que l'on diminue la capacité. A titre d'exemple, les deux extrémités des portions 30 peuvent être interconnectées au lieu d'être interconnectées seulement à une extrémité par la portion de base 32, ce qui réduira l'inductance série et la résistance présentée par la largeur 20 très faible des portions 30. Alternativement, les portions 30 peuvent etre élargies dans les zones qui ne présentënt pas d'électrodes sur l'autre face, ce qui réduira l'inductance et la résistance entre les zones actives du matériau piézoélectrique. En se référant maintenant aux figures 5 à 8, on peut voir 25 une autre structure d'électrodes possibles pour réduire la capacité entre électrodes. Bans la version de l'invention, représentée dans les figures 5 à 8, l'espacement entre les électrodes est effectivement augmenté pour amener la réduction désirée de la capacité. La structure d'électrodes représentée sur la figure 5 30 comprend une plaque conductrice plate 36, possédant une pluralité de portions surélevées 38, qui sont mieux mises en évidence sur les figures 7 et 8. La structure d'électrodes représentée sur la figure 5 peut être soit l'électrode inférieure, soit l'électrode supérieure. Dans la figure 7, elle est utilisée comme électrode 35 inférieure et dans la figure 8 elle est utilisée comme électrode supérieure. La structure d'électrode illustrée sur la figure 6 comprend une plaque conductrice plate 40, elle peut également être 70 15757 6 2040410 utilisée soit comme électrode inférieure, soit comme électrode supérieure. Sur la figure 7 on peut voir que la couche piézoélectrique 12 recouvre l'électrode inférieure, c'est-à-dire la plaque 36 et les portions surélevées 38, et que l'électrode supérieure 5 40 est en contact avec la couche 12 de matériau piézoélectrique uniquement dans les zones pour lesquelles la portion 38 supporte la couche piézoélectrique. Comme dans la forme de l'invention décrite en premier, la disposition est telle que seules certaines régions prédéterminées du matériau piézoélectrique présentent des 10 zones recouvertes d'électrodes sur les deux faces, ces régions prédéterminées définissant le réseau des éléments transducteurs électro-mécaniques discrets. 70 15757 7 2040410 RE VENDICaTIOMS 1, Un réseau d'éléments transducteurs électromécaniques discrets, adapté pour la conversion d'une énergie électrique hyper-fréquence en une énergie d'onde ultrasonique, et vice-versa, ce réseau étant formé d'un corps unique de matériau piézoélectrique 5 ayant des faces principales opposées, avec une structure d'électrodes sur chacune de ces faces, au moins une de ces structures d'électrodes étant construite et disposée de manière à posséder des portions en contact avec des surfaces prédéterminées seulement de l'une desdites faces principales, de manière que seules des 10 régions prédéterminées du corps piézoélectrique possèdent des zones d'électrodes sur les faces opposées, la disposition étant telle que ces régions d'électrodes opposées du corps piézoélectrique définissent des éléments transducteurs électro—mécaniques individuels dudit réseau» 15 c-. Un réseau selon la revendication 1, dans lequel la dite structure d'électrodes possède une pluralité de portions surélevées et dans lequel le matériau piézoélectrique est une couche recouvrant cette structure d'électrodes et ces portions surélevées. 20 3. Un réseau selon la revendication 2, dans lequel une deuxième structure d'électrodes est prévue, en contact avec le matériau piézoélectrique, uniquement dans les zones pour lesquelles lesdites portions surélevées de la première structure d'électrodes supportent le matériau piézoélectrique. 25 4. Un réseau selon la revendication 1, dans 1 equel la dite structure d'électrodes possède une pluralité de portions parallèles espacées, qui sont interconnectées à aumoins une extrémité par une portion de base terminale, le matériau piézoélectrique se présentant sous la forme d'une couche recouvrant cette struc-30 ture d'électrodes et dans lequel une seconde structure d'électrodes est prévue, au contact de ladite couche de matériau piézoélectrique, cette deuxième structure d'électrodes possédant une pluralité de portions parallèles espacées qui sont interconnectées à une extrémité par une portion terminale, cette deuxième structure d'élec-35 trodes étant placée sur la couche de matériau piézoélectrique, ces oortions espacées parallèles étant disposées orthogonalement par 70 15757 8 2040410 rapport aux portions parallèles espacées de la première structure d'électrodes, afin de définir les régions prédéterminées de la couche de matériau piézoélectrique, présentant des zones recouvertes d'électrodes sur les deux faces et pour définir les éléments 5 transducteurs électro-mécaniques discrets. 5 « line ligne à retard comprenant un milieu de transmission ultrasonique et un réseau d'éléments transducteurs électromécaniques discrets, selon l'une des revendications précédentes et en contact avec ledit milieuo