Brevet FR2085588A1 — publié le 19711224

La présente invention concerne des dispositifs acoustiques à ondes de surface, les ondes sonores de surface s'accompagnent, dans les milieux piézo-électriques, de champs électriques. Ces champs peuvent provoquer le passage de courant dans 5 des métaux ou des matières semi-conductrices au voisinage ou à proximité de la surface sur laquelle se propage l'onde. Cette interaction est responsable du fonctionnement de divers composants connus à ondes de surface , par exemple des transducteurs entaillés à segments entrelacés et des amplificateurs acoustiques à ondes 10 de surface. L'invention concerne une catégorie analogue de composants mais au lieu des champs électriques qui accompagnent une onde acoustique de surface due à un effet piézo-électrique, il se produit un gradient de potentiel électrostatique à partir d'un effet d'élec-15 trostriction d'un cristal. L'invention concerne un dispositif acoustique à ondes de surface, comprenant une masse de matière ayant des constantes d'électrostriction et piézo-électriques telles que, lorsqu'une onde de surface acoustique passe dans une première direction donnée 20 et qu'un champ électrique est appliqué dans une seconde direction donnée, l'effet piézo-électrique est négligeable, et un dispositif destiné à appliquer un champ électrique à la masse de matière dans la seconde direction donnée. Le champ électrique qu'on applique peut être variable. 25 Les éléments du tenseur T des forces dans un cristal dues à un champ électrique E sont donnés par l'équation : T =e. E. +1 /2g... .. E.E, + ( 1 ) jk ijk 1 ' &iljk 1 1 dans laquelle e. et g... sont des éléments des tenseurs piézo-13k i-i-Ok 30 électriques et d'électrostriction respectivement, et on adopte une convention d'addition telle qu'on fait automatiquement la somme lorsqu'un suffixe se trouve deux fois dans un produit. On ne prend pas en considération les contributions des contraintes. Si le champ électrique local comporte une contribution 35 E.| d'une onde de surface acoustique et une contribution Eq d'un gradient potentiel électrostatique appliqué de l'extérieur, tel que : E = Eq + E1 , B1 « E0> ^ 71 03918 2 2085588 E = Eq + E1 et si de plus, E1 « B0 on a alors, avec une approximation du premier ordre, Tjk=eijk(E0i + E1i^ + l/2giljk (E0iE01 + 2EOlE1i5, (4) car s = R-, . . On obtient les valeurs des forces T-. dues ëil jk - 6li]k m , au gradient de potentiel électrostatique ^0 et des forces dues à l'onde de surface acoustique E^par les formules : 10 et T0jk eijkE0i + 1//^giljkE0iE0l ^ T1jk = ^eijk + giljkE01^E1i* ^ Ainsi, la matière non piézo-électrique mais capable 15 d1 électrostriction placée dans un champ Eq se comporte comme s'il s'agissait d'une matière piézo-électrique dont les éléments efficaces de tenseur piézo-électrique e^^(eff) sont : eijk^eff^ = siljkE01* ^ En d'autres termes, la matière se comporte comme une 20 matière dans laquelle on peut faire varier de façon continue la constante piézo-électrique efficace à l'aide d'une tension appliquée de l'extérieur. Toutes les matières sont sujettes à électrostriction dans une mesure plus ou moins grande mais, pour la majorité 25 d'entre elles, l'effet est faible. Il existe des matières dans lesquelles cet effet est notable, par exemple dans les matières ferro-électriques au voisinage de leur température de Curie, par exemple dans le sulfate de tri-glycine ou le niobate de potassium et de tantale. On peut mettre en oeuvre l'invention en utilisant 30 des matières ayant une constante d'électrostriction importante, mais qui ne sont pas piézo-électriques, et des matières qui sont piézo-électriques,mais en choisissant les orientations du champ, des directions du cristal et de l'onde de surface, de manière que la constante piézo-électrique soit nulle ou si faible qu'on 35 puisse la négliger. Les matières qu'on peut utiliser selon l'invention seront appelées matières d'électrostriction dans la suite du présent mémoire. 71 03918 3 2085588 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une perspective et la figure 2 une coupe 5 d'un transducteur entaillé à segments entrelacés ; la figure 3 est une coupe d'une variante d'un transducteur entaillé à segments entrelacés ; la figure 4 est une perspective d'un transducteur ayant une paire de doigts ; 10 la figure 5 est une coupe d'un amplificateur acoustique à onde de surface ; la figure 6 est une perspective et la figure 7 un schéma, en partie en coupe, d'un autre amplificateur acoustique à onde de surface ; 15 la figure 8 est une vue en plan d'un transducteur entaillé à segments entrelacés connu selon un certain codage ; la figure 9 représente une forme d'onde en fonction du temps, représentatif du signal de sortie du transducteur de la figure 8 ; et 20 la figure 10 est une coupe d'un transducteur entaillé à segments entrelacés comportant un codage selon l'invention. la figure 1 est une perspective et la figure 2 une coupe d'un transducteur entaillé à segments entrelacés. Une masse de matière 1 a une surface plane sur laquelle ont été déposées une 25 première électrode conductrice 3 ayant la forme d'un peigne et une seconde électrode conductrice 5 ayant aussi la forme d'un peigne et disposées de façon que les dents des deux peignes soient placées en alternance, l'électrode 3 est reliée à une borne 2 et l'électrode 5 à une borne 4. On peut relier un inducteur 6 entre 30 les bornes 2 et 4, de manière qu'il participe à un circuit 1C accordé dont la capacité est celle déterminée par les électrodes. la matière de la masse 1 des transducteurs entaillés à segments entrelacés connus est piézo-électrique , et la distance entre les doigts voisins d'une électrode telle que 3 est égale 35 à la longueur d'onde à la surface de l'onde de surface acoustique. la vitesse de phase de l'onde est de l'ordre de 3 x lO^ cm/s f et ainsi pour une onde de fréquence 71 03918 2085588 100 MHz, la distance entre des doigts voisins d'une électrode telle que l'électrode 3 est de l'ordre de 30 microns. Lorsqu'on utilise un tel transducteur, on provoque la propagation d'une onde acoustique en reliant un oscillateur de fréquence convenable 5 aux bornes 2 et 4, et on peut réaliser un détecteur d'ondes de surface en reliant un récepteur entre les bornes 2 et 4. Le transducteur de l'invention a une masse 1 en un morceau de matière d'électrostriction ayant des faces parallèles planes. Il comprend de plus une électrode conductrice 8 déposée sur la face 10 opposée à celle qui porte les électrodes 3 et 5- A titre d'exemple, l'électrode 8 peut être un substrat conducteur sur lequel on a déposé la masse 1. Une source 11 de tension continue est montée entre l'électrode 8 et la prise centrale de l'inducteur 6. Le dispositif fonctionne comme suit. La source 11 fournit 15 un champ électrique continu Eq, comme dans l'équation 2 ci-dessus. Dans ce cas, on applique le champ électrique perpendiculairement au trajet de l'onde de surface. Ainsi, le dispositif agit comme un transducteur entaillé à segments entrelacés ayant une constante piézo-électrique accrue 0U5 ccmmie &ans 20 la matière d'électrostriction les effets piézo-électriques sont négligeables, guj^r piézo-électrique Il faut noter que comme la constante/efficace dépend du champ appliqué Eq , on peut le faire varier en modifiant la valeur du champ appliqué. De cette façon, on peut moduler l'on-25 de de surface lancée par le transducteur. De façon analogue, si le transducteur est récepteur (une prise sur une ligne à retard par exemple), on peut le rendre inactif en réduisant le champ Eq appliqué à zéro et le réactiver en lui appliquant une tension non nulle. On sait que les lignes à retard classiques posent un 30 problème qui concerne les signaux triples de transit qui se produisent du fait de la réflexion d'une partie du signal original au niveau du transducteur de sortie, et au niveau du transducteur d'entrée. Le signal réapparaît au transducteur de sortie avec trois fois le retard voulu. L'invention concerne un procédé permettant 35 de supprimer un signal triple de transit à impulsions par acti-vation du transducteur d'entrée seulement au moment où l'on doit lancer un signal dans la ligne à retard. 71 03918 5 2085588 Ainsi, lorsqu'une fraction du signal qui a été réfléchie par le transducteur de sortie réapparaît au niveau du transducteur d'entrée, celui-ci est inactif et le signal se propage dans ce transducteur sans réflexion. 5 la figure 3 est une coupe d'une variante de transduc teur entaillé à segments entrelacés.Des électrodes entaillées et entrelacées 3 et 5 analogues aux électrodes 3 et 5 de la figure 1 sont déposées sur un substrat 10 en matière non piézo-électrique et non soumise à électrostriction. On dépose une pellicule 12 de 10 matière d'électrostriction à la surface du substrat 10, sur les électrodes 3 et 5. l'épaisseur de la pellicule 12 doit être inférieure ou comparable à la longueur d'onde dans la matière de l'onde de surface acoustique. On dépose une électrode 8 à la surface de la pellicule 12. On relie l'électrode 3 à une borne 2 15 et l'électrode 5 à une borne 4. On relie un inducteur 6 entre les bornes 2 et 4,et une source 11 de tension entre l'électrode 8 et une prise centrale de l'inducteur 6. le transducteur fonctionne de façon analogue,d'une manière générale,à celle qu'on a décrite plus haut en référence aux fi-20 gures 1 et 2, le champ créé par la source 11 apparaissant dans la pellicule 12. Comme celle-ci est mince, il faut une tension relativement faible pour qu'il existe un champ électrique donné. Comme l'épaisseur de la pellicule 12 n'est pas importante lorsqu'on la compare à la longueur d'onde de l'onde de surface, 25 celle-ci pénètre dans le substrat 10 et est ainsi lancée à la surface du substrat 10. De cette façon, on peut lancer une onde acoustique à la surface d'une matière qui, bien qu'ayant des propriétés élastiques convenables, ne possède pas des propriétés électriques nécessaires pour créer une onde 30 acoustique sur sa propre surface, par application de signaux électriques. Par exemple, on peut faire passer une onde superficielle acoustique par ce moyen à la surface d'un morceau de silicium (qui peut faire partie d'un circuit intégré) ou d'un verre dit 35 "isopaustique"( c'est-à-dire un verre dans lequel le retard est pratiquement indépendant de la température sur une plage raisonnable). la figure 4 est une perspective d'un transducteur ne 71 Û3918 6 2085588 comportant qu'une paire de doigts. Une masse 1 de matière d'électrostriction a une surface plane sur laquelle on dépose côte à côte une première électrode conductrice 3 sous forme d'un doigt unique et une seconde électrode conductrice 5 elle aussi sous forme d'un 5 simple doigt et placée à côté de l'électrode 3 et parallèlement à elle. Celle-ci est reliée à la borne 2 et l'électrode 5 à la borne 4. On dépose deux autres électrodes conductrices 7 et 9 sous forme de doigts uniques, l'une de chaque côté des électrodes 10 3 et 5 et parallèlement à elles. Une source 11 de tension continue est montée entre les électrodes 7 et 9. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. La source 11 fournit un champ électrique continu Eq comme dans l'équation 2 ci-dessus. Dans ce cas, on applique le champ dans une direction 15 parallèle au trajet de l'onde acoustique. Ainsi, le dispositif agit comme un transducteur à une paire de doigts ayant une constante piézo-électrique accrue e. ... + g En. ou, I3J£ il comme les effets piézo-électriques sont négligeables dans une matière d'électrostriction, g.. E., . ' &il;jh 01 20 La figure 5 est une coupe d'un amplificateur acoustique à onde de surface , la figure 6 étant une perspective de la figure 7 d'un schéma en coupe partielle d'une variante d'un tel amplificateur. Le corps de matière 1 porte un corps 19 de matière semi-conductrice séparé de lui de manière connue par un espace 21 25 rempli d'air et dont l'épaisseur est uniforme. Une source de tension 23 est montée de part et d'autre du semi-conducteur 19, de manière à provoquer un déplacement des électrons dans la direction d'une onde de surface acoustique 25 qu'on veut amplifier. Selon la technique antérieure, la matière qui constitue la masse 1 est 30 piézo-électrique et l'onde 25 prélève de l'énergie aux électrons du corps 19» de manière à amplifier l'onde de surface 25. Si on retire la source de tension 23, l'onde agit sur les porteurs libres du semi-conducteur 1 9 et se trouve atténuée en conséquence. Il faut en général régler la 35 tension de la source 23 pour que la vitesse de déplacement des électrons dans le semi-conducteur 19 soit supérieure à celle de l'onde de surface de manière à obtenir une amplification. 71 03918 7 2085588 Dans l'amplificateur d'onde de surface correspondant selon l'invention, la masse 1 est en matière d'électrostriction, les deux électrodes 7 et 9 sont déposées sur le corps 1, une de chaque côté du corps 19. Dans l'amplificateur de la figure 5, les 5 électrodes 7 et 9 sont distantes dans une direction parallèle à l'onde 25 , et dans l'amplificateur des figures 6 et 7 les électrodes 7 et 9 sont distantes dans une direction qui est perpendiculaire à l'onde 25. la source 11 de tension continue est montée entre les électrodes 7 et 9. En consé-10 quence, lorsque la source 11 est reliée, le dispositif fonctionne de la même façon qu'un amplificateur piézo-électrique d'onde de surface, le réglage de la tension de la source 11 à zéro supprime totalement l'effet des porteurs libres dans le corps 19, si bien que l'absorption d'énergie par le dispositif est nulle et le 15 semi-conducteur 19 n'atténue pas l'onde acoustique. la figure 8 est une vue en plan d'un transducteur entaillé à segments entrelacés connu chiffré dans lequel une électrode 3 est reliée à une borne 2 et une électrode 5 à une borne 4. les bornes 2 et 4 peuvent être des bornes d'entrée ou de sortie. Dans le trans-20 ducteur représenté, les doigts des électrodes 3 et 5 n'alternent pas, mais ils sont placés dans l'ordre 3, 5, 3, 5,5, 3, 3, 5, 3, •••, les chiffres 3 et 5 désignant des doigts correspondant aux électrodes 3 et 5 respectivement. On voit que la troisième paire de doigts est inversée, si bien que le transducteur a une réponse 25 maximale pour un signal dans lequel la troisième période à deux alternances a une phase inversée de 180°, comme représenté sur la figure 9, par la forme d'onde, donnée en fonction du temps et représentant le signal de sortie du transducteur. Il est clair qu'on peut perfectionner cette idée et l'appliquer à des transducteurs 30 chiffrés très divers. Dans de nombreuses applications, il est certainement souhaitable d'utiliser non pas un code fixe, mais un code variable. On peut facilement obtenir cette disposition de manière relativement incommode en utilisant un grand nombre de transducteurs, et en 35 - commutant le cas échéant. On trouve une application d'un tel concept dans une compression d'impulsions codées à phases dispersées au hasard. Si au lieu d'une masse de matière piézo-électrique, on 71 03918 8 2085588 utilise un corps en matière d'électrostriction, on peut obtenir électroniquement la variation des caractéristiques de réponse du transducteur codé, ce qui évite la nécessité d'un grand nombre de transducteurs et de la commutation entre eux. ^ La figure 10 est une coupe d'une variante de transducteur entaillé à segments entrelacés chiffré de façon variable selon l'invention. Les électrodes 3 et 5 analogues aux électrodes 3 et 5 de la figure 3 sont déposées sur un substrat 10 en matière non piézo-électrique et non susceptible d'électrostriction. On dépose 1Q une pellicule 12 de matière d'électrostriction à la surface du substrat 10 sur les électrodes 3 et 5. L'épaisseur de la pellicule 1? doit être inférieure ou comparable à la longueur d'onde dans la matière de l'onde de surface acoustique. On dépose plusieurs électrodes 8a, 8b, 8£, 8d 8^ et 8f à la surface de la pellicule 12, ^ chacune d'entre elles étant perpendiculaire soit en face d'un doigt séparé de l'une des électrodes 3 ou 5 soit en face des espaces entre les doigts. L'électrode 3 est reliée à une borne 2 et l'électrode 5 à une borne 4. Un inducteur 6 est monté entre les bornes 2 et 4. 2Q Différents circuits électroniques 29a, 29b, 2°c,29d, 29e et 29f sont montés séparément entre l'une des électrodes séparées 8a à 8f et une borne commune, qui est une prise centrale de l'inducteur 6. Les circuits 29a à 29f sont de simples circuits réversibles destinés à appliquer une tension. L'action de ce dispositif est la suivante. Si on commande les circuits 29a à 29f de façon qu'ils créent tous des tensions dans la même direction, le dispositif agit comme décrit ci-dessus à propos de la figure 3. Si maintenant on abaisse ou on supprime la tension créée par l-'un des circuits 29a à 29f, le doigt particulier qui se trouve en face 30 de ce circuit est moins efficace ou inefficace. De plus,si on élève la tension de l'un des circuits 29a à 29f, le doigt qui ~ particulier/se trouve en face a un effet opposé. En conséquence en réglant les circuits électroniques 29a à 29f on peut lancer divers signaux ou les recevoir de façon préférentielle à l'aide 35 du transducteur. 71 03918 2085588 Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel, et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention, qui est défini dans les revendications annexées. 71 03918 10 2085588 REVENDICATIONS 1. Dispositif acoustique à onde de surface , caractérisé en ce qu'il comprend un corps de matière ayant des constantes d'électrostriction et piézo-électrique telles que pour une on- 5 de de surface passant dans une première direction donnée et un champ électrique appliqué dans une seconde direction donnée, l'effet piézo-électrique est négligeable,et un dispositif destiné à appliquer un champ électrique au corps de matière dans la seconde direction donnée. 10 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un transducteur à une seule paire de doigts. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un transducteur entaillé à segments entrelacés. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en 1 5 ce que le dispositif destiné à appliquer un champ électrique au corps de matière dans la seconde direction comprend un dispositif destiné à appliquer des champs électriques variables à des parties séparées des électrodes du transducteur entaillé à segments entrelacés . 20 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de matière comprend une couche de la matière sur un substrat. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche est égale au maximum à deux 25 longueurs d'onde dans la matière d'une onde de surface acoustique, et le substrat est en matière capable de supporter une telle onde. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un amplificateur acoustique à onde de surface.