Brevet FR2223899A1 — publié le 19741025

a présente invention a trait à des lignes à retard dispersives. Elle concerne, plus particulièrement, des lignes dispersives utilisant des ondes acoustiques de surface guidées par une couche mince de fluide occupant l'interface de deux solides et dont la largeur de bande de fréquences de fonctionnement est de l'ordre de quelques dizaines de mégahertz. lies lignes à retard dispersives à ondes acoustiques de surface dont la largeur de bande est supérieure à quelques me{.llertz appartiennent essentiellement à deux catégories distinctes. Ce sont d'une part, les lignes à retord exploitant la diffraction par un réseau d'une onde acoustique de surface non dispersive, et d'autre part, les lignes à retard utiiisant la propagation d'une onde acoustique de surface dispersive sur un substrat recouvert d'une couche de matériau dont la célérité acoustique est lente. Un inconvénient important de ces deux catégories de lignes à retard dispersives est de n'être réalisables qu'au moyen d'une technologie complexe et par conséquent onéreuse. En outre, elles conviennent mieux à l'utilisation aux fréquences élevées car les taux de compression d'impulsion, c'est-à-dire le produit de la largeur de bande par l'excursion linéaire du temps de retard, quelles permettent d'obtenir pour des largeur de bande inférieures à la dizaine de mégaherts ne peuvent être importants que si leur longueur est elle-même grande. Un autre type de ligne à retard dispersive est décrit dans l'article de W.C. WANG, P. STAECKSR et R.C.M. LI, intitulé "Elastic Waves Guided by a Fluid Layer : A new Type of Ultrasonic Wave Propagation " publié dans "Applied Physics Setters" Volume 16, n0 8 , pages 291-293, 1970 qui exploite un nouveau type de propagation d'onde ultrasonore guidée par une couche de fluide placée entre deux solides. la structure décrite est essentiellement de type expérimental et se compose d'une nappe d'eau maintenue par capillarité entre un substrat piézoélectrique, dont la surface porte des transducteurs à peignes interdigités d'émission et de réception d'onde de Reyleigh, et un autre matériau isolant tel que du verre.L'expérience a montré que ce type de ligne à retard dispersive est particulièrement avantageux lorsque la largeur de bande requise est comprise entre quelques mégahertz et quelques dizaines de mégeihertz. Toutefois, la technologie utilisée jusqu'à présent pour réaliser ces lignes dispersives ne permet d'obtenir que des dispositifs expérimentaux et non des composants reproductibles, robustes, aisés à mettre en oeuvre et peu onéreux. Un objet de la présente invention est de réaliser une ligne à retard dispersive ayant une structure stratifiée composée d'une couche fluide disposée entre deux matériaux solides,avec une technologie de fabrication appropriée à une production en série de telles lignes. Selon une caractéristique de la présente invention, une ligne à retard dispersive utilisant des ondes acoustiques de surface guidées par un fluide qui réalise le couplage mécanique entre deux corps solides d'une structure dispersive stratifiée et occupe la zone d'interface entre les faces planes parallèles de ces corps dont l'un comporte un transducteur d'émission et un transducteur de réception respectivement disposés aux extrémités de chemin de propagation desdites ondes, est principalement caractérisé en ce que:: - l'impédance acoustique de chacun des trois corps formant ladite structure est choisie d'une valeur sensiblement égale, le fluide étant un corps liquide ayant un faible coefficient d'atténuation des ondes acoustiques, - le premier corps solide comporte un accès obturable d'introduction dudit liquide dans la zone d'interface d'épaisseur donnée h et fermée sur ses côtés, - les faces opposées, suivant ledit chemin de propagation, du deu xiéme solide sont perpendiculaires à la face substrat de l'interface, parallèles entre elles, polies et recouvertes d'une couche métallique, - sur chaque couche métallique est soudé un transducteur d'ondes transversales à direction de polarisation perpendiculaire à ladite face substrat, les transducteurs affleurant cette face et ayant une électrode localisée dans l'épaisseur de peau de l'onde de surface engendrée. Selon une autre caractéristique, une ligne à retard dispersive selon l'invention se distingué par le fait que dans sa rea- lisation les deux corps solides sont à base de silice, le corps liquide est du mercure et les transducteurs sont en céramique piëzoélectrique et en ce que la hauteur de la deuxième électrode est suffisamment petite pour ne pas exciter des ondes de volume dans ledit deuxième solide, en l'occurrence inférieure à 10 fols l'épaisseur h de la couche de mercure. D'autre caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple, en se référant aux figures annexées qui représentent - la figure 1 : une vue en coupe médiane longitudinale, suivant bb , d'une ligne à retard réalisée conformément à l'invention, et - la figure 2 : une vue en coupe médiane partielle transversale, suivant an , de cette même ligne les figures 1 et 2 montrent respectivement une vue en coupe médiane longitudinale bb et une vue en coupe médiane partielle transversale aa d'une ligne à retard dispersive conforme à l'invention. Ces vues sont purement schématiques et ne représentent ni les dimensions à l'échelle, ni les organes mécaniques annexes de la ligne à retard. Tout comme la structure décrite par W.C. WANG et al dans l'article précité, une ligne dispersive conforme à l'invention comporte un premier substrat solide 1 dont au moins une face 10 est bien plane, un deuxième substrat solide 2 dont au moins trois faces sont planes, deux d'entre elles 21 étant parallèles entre elles et perpendiculaires à la troisième 20 , ainsi qu'une couche de fluide 3 insérée entre les faces planes 10 et 20 parallèles entre elles, respectivement des substrats 1 et 2 Comme il est également connu, cette couche fluide 3 réalise un couplage mécanique entre les substrats solides I et 2 Lorsqu'une onde acoustique, par exemple du type Rayleîgh, est engendrée sur la surface 20 du solide 2 , cette onde est guidée par le fluide 3 et s'y propage suivant différents modes de propagation, symétriques et anti-symétriques. Dans une ligne à retard, il est avantageux qu'un seul mode de propagation soit utilisé, ce qui n'est possible que si ce mode est le seul à être excité ou à pouvoir exister. il est donc nécessaire de réaliser une bonne séparation entre les différents modes possibles de propagation, ce qui. est obtenu en choississant des matériaux solides 1 et 2 et fluide 3 ayant des impédances acoustiques voisines. En outre, le fluide 3 est choisi de manière à ce que les pertes de propagation y soient aussi faibles que possible. Dans la ligne dispersive réalisée, le couplage mécanique entre les solides 1 et 2 est assuré par une couche mince 3 de mercure, dont l'épaisseur h est par exemple égale à 5 /um et dans laquelle les pertes de propagation sont de l'ordre de 0,16 dB/us à 50 MEz. Quant aux matériaux solides 1 et 2 , mis à part le fait que leur impédance acoustique est voisine de celle du mercure, ils sont essentiellement choisis en fonction de leurs bonnes propriétés acoustiques, leur coût et leur facilité de polissage. il n'est pas nécessaire que les solides 1 et 2 soient réalisés en un même matériau. A titre d'exemple, on choisit un verre du type borosilicate ou encore de la silice fondue. Pour exciter une onde acoustique dans une structure conforme à l'invention, il faut tenir compte du fait que le coefficient de couplage mécanique varie d'une marnière très brutale lors de la dispersion étant donné que lrénergie acoustique tend à se concentrer dans la couche fluide. Dans la structure faisant l'objet de la présente invention, on utilise à cet effet une excitation de l'onde acoustique de surface dans son épaisseur de peau au moyen de transducteurs d'ondes de volume. Un tel mode d'excitation a été notoimnent décrit dans l'article de P. Tournois et C. Lardait, intitulé "Love Wave-Dispersive Delay Lunes for Wide-Band Pulse Compression" publié dans "TEF,2 Transactions on Sonics and Ultrasonics", Volume BU t6, nG 3 July 1969, page 113. Comme il est illustré sur les figures t et 2 , un transducteur 4 d'ondes transversales à directions de polarisation perpendiculaires à la surface 20 du solide 2 est soudé sur chacune des deux faces 21 de ce solide 2 de manière à affleurer à ladite surface 20 . Ces faces 21 sont préalablement convenablement polies et recouvertes d'une couche métallique, par exemple d'indium, de manière à permettre la soudure des transducteurs 4 Chaque transducteur 4 consiste par exemple en une céramique piézoélectrique du type PSN , d'épaisseur 30 /um, sur laquelle est gravée une électrode 5 localisée directement dans l'épaisseur de peau de l'onde de surface engendrée.Il est-important que cette électrode 5 ne sait pas trop haute et n'excite pas de ce fait des ondes de volume qui, en se propageant directement dans le solide 2 , provoqueraient l'apparition d'un signal parasite impossible à supprimer. A titre d'exemple, cette hauteur est choisie égale à 3,5 h, h étant l'épaisseur de la couche du fluide 3 , de sorte que l'électrode 5 , par sa partie inférieure sur les figures, couvre une zone où, pour la fréquence centrcle la bande de fonctionnement de cette ligne, en l'occurence 50 MHz, l'amplitude de l'onde acoustique est égale à la moitié de celle obtenue au niveau de l'interface. Pour une couche 3 de mercure d'épaisseur 5/um , cette hauteur d'électrode 5 est donc choisie sensible- qent égale à 17 /um. L'utilisation du mercure comme matériau fluide 3 fait apparattre certain problèmes de réalisation pratique. C'est ainsi que, le mercure étant un liquide non mouillant, il est nécessaire de vaincre les tensions superficielles pour le contraindre àoccuper toute la zone de l'interface d'épaisseur h , par exemple de 5 /um. A cet effet, au moins un orifice 6 est pratiqué dans le solide f pour permettre l'introduction du mercure, dont la répartition et l'occupation de la totalité de l'interface est obtenue par la pression exercée à l'aide d'un piston 7 qui pénètre en bouchant cet orifice.Du fait de cette pression exercée, il est important qu'au niveau de la couche de mercure le montage présente une bonne étanchéité pour empêcher le mercure de stéchap- per. Dans ce but, une couche 8 de matériau solide, par exemple de la silice, de même épaisseur h que celle désirée pour la couche de mercure, est déposée sur la face 10 du substrat I ce dépôt étant limité à la zone entourant le chemin acoustique de propagation. Un autre problème à résoudre réside dans la protection des transducteurs 4 vis-d-vis du mercure 3 de manière que ce dernier ne court-circuite les électrodes 5 des transducteurs et ne vienne en contact avec la couche d'indium des faces 21 sur laquelle ils sont soudés, l'affinité du mercure avec l'indium risquant de provoquer un décollement des transducteurs 4. la solution donnée à ce problème consiste en une couche isolante très mince, de matériau solide 9, par exemple de silice, déposée sur la surface 20 du solide 2 ainsi que sur les faces non soudées des transducteurs 4 ; une telle couche protège la soudure réalisée et le court-circuit des électrodes 5 .En outre, la couche 9 recouvrant ces faces non soudées des transducteurs 4 est enrobée par un matériau Il , tel qu'une résine non conductrice, qui affleure à la surface 20 du solide 2 Au cours de la fabrication une fois que, d'une part le solide t est équipé de sa couche 8 , et que outre part le solide 2 est équipé des transducteurs 4 et de leurs couches de protection 9 et il , le montage s'effectue en positionnant ces solides de manière à réaliser un contact mécanique entre la couche 8 du solide 1 et la couche 11 du solide 2 .La position définitive des solides 1 et 2 et le maintien fixe de ce contact mécanique, 8 et 11, est réalisé par tout dispositif convenable, par exemple par des ooflitri de serrage, non représentés sur les figures, et utilisables pour la fixation en place des lignes réalisées. La zone de contact mécanique est en outre avantageusement enrobée par exemple au moyen d'une résine 12 afin d'assurer une meilleure étanchéité, le mercure étant ensuite introduit dans l'interface de la structure ainsi réalisée. Des connexions reliées d'une part aux électrodes 5 des transducteurs 4 et d'autre part à la métallisation que porte-chaque face 21 du solide 2 permettent d'appliquer le signal électrique d'excitation E à une extrémité de la ligne et de recueillir le signal électrique de réception R à l'autre extrémité. Pour éviter un éventuel couplage capacitif entre l'électrode 5 et le mercure 3 , il est en outre avantageux de disposer sur la surface 20 , dans la zone des transducteurs 4 e une couche mince de résine photo-sensible 13, par exemple de quelques microns d' épaisseur. On a ainsi décrit une ligne dispersive utilisant des matériaux faciles à travailler et peu coûteux, cette ligne possèdant une bonne reproductibilité et permettant d'obtenir des taux de compression, c'est-à-dire un produit de leur bande passante par leur excursion de temps de retard, très élevés, par exemple de l'ordre de 500 pour des bandes passantes de l'ordre de 20 à 30 MHz. REVENDICATIONS t. Ligne à retard.dispersive utilisant des ondes acoustiques de surface guidées par un fluide qui réalise le couplage mécanique entre deux corps solides d'une structure dispersive stratifiée et occupe la zone d'interface entre les faces planes parallèles de ces corps dont l'un comporte un transducteur d'émission et un transducteur de réception respectivement disposés aux extrémités de chemin de propagation desdites ondes, caractérisée en ce que - l'impédance acoustique de chacun des trois corps ( 1, 2, 3) formant ladite structure est choisie d'une valeur sensiblement égale, le fluide étant un corps liquide (3) ayant un. faible coefficient d'atténuation des ondes acoustiques - le premier corps solide (1) comporte un accès (6) obturable (7) d'introduction dudit liquide (3) dans la zone d'interface d'épaisseur donnée h et fermée (8) sur ses côtés, - les deux faces opposées, suivant ledit chemin de propagation, du deuxième solide (2) sont perpendiculaires à la face substrat (20) de l'interface, parallèles entre elles, polies et recouvertes d'une couche métallique (21), - sur chaque couche métallique est soudé un transducteur (4) d'ondes transversales à direction de polarisation perpendiculaire à ladite face substrat (2C),les transducteurs affleurant cette face et ayant une électrode (5) localisée dans l'épaisseur de peau de 1'onde de surface engendrée. 2. Ligne à retard selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux corps solides sont à base de silice, le corps liquide est du mercure et les transducteurs sont en céramique piézoélectrique et en ce que la hauteur de la deuxième électrode (5) est suffisamment petite pour ne pas exciter des ondes de volume dans ledit deuxième solide (2), en l'occurrence inférieure à 10 fois l'épaisseur h de la couche de mercure. 3. Ligne à retard selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif d'obturation d'accès d'introduction du liquide (3) comporte au moins un orifice (6) traversant ledit premier corps solide (f) et un piston (7) d'obturation à pénétration ajustable produisant une pression appliquée sur ledit liquide qui s'étale dans ledite zone d'interface fermée sur ses côtés par une couche solide entourant ledit chemin acoustique de propagation et de hauteur h prévue pour le liquide, cette couche permettant la mise en contact mécanique étanche des deux dits. corps solides (i, 2). 4. ligne à retard selon la revendication 3, caractérisée en ce que une couche isolante très mince de matériau solide (9) recouvre totalement les deux transducteurs (4) et ladite face substrat (20), sa partie correspondant aux transducteurs étant enrobée d'un autre matériau isolant (11) qui affleure cette face substrat et concourt avec encore un autre matériau (t2) àl'étanchéisation de ladite zone d'interface.