Brevet FR2472244A1 — publié le 19810626

La présente invention se rapporte généralement à des dispositifs à onde acoustique de surface, et plus particu- lièrement à des transducteurs à onde acoustique de surface pour enregistrer et restituer une information de haute densité sur un support d'enregistrement. Il existe, dans l'art antérieur, une grande variété de tentatives pour l'enregistrement et la restitution de l'information. Des procédés électromécaniques sont couramment utilisés dans l'industrie audio pour enregistrer des modulations du sillon représentatives d'un signal audio dans un maitre-disque en laque. Un système transducteur "passif" emploie une aiguille de phonographe et un dispositif transducteur électromécanique pour dériver des signaux enregistrés sur une surface du support d'enregistrement (corurne un disque). Récemment, on a démontré que les enregistrements du type vidéodisque pouvaient être restitués par un capteur de pression piézo-électrique. Ce type de système, qui est essentiellement une extrapolation des systèmes d'enregistre- ment audio, donne d'assez bonnes performances, au moins quand l'aiguille et le disque sont propres et neufs. Une tête de coupe pour l'enregistrement électroméca- nique d'un signal vidéo dans un maltre-disque ou ou flan en métal est décrite dans le brevet US nP 3 865 997 du 11 Février 1975 au nom-de J.B. Halter intitulé "TRIANGULAR PIEZOELECTRIC TRANSDUCER FOR RECORDING VIDEO INFORMATION". Dans ce brevet, l'aiguille de coupe employée pour enregistrer les modulations dans le sillon du maître- disque est modulée selon l'information vidéo qui doit JO être enregistrée. Ces systèmes transducteurs "passifs" ont eu du succès malgré un certain nombre de problèmes. Par exemple, des transducteurs piézo-électriques d'enregistrement peuvent poser des problèmes de résonance qui ajoutent au prix et nuisent à la performance. Le transducteur de phonographe présente un inconvénient parce qu'il fonctionne souvent à proximité de sa limite pratique en terme de sa capacité d'enregistrer des signaux d'information à haute 2472 244 fréquence. Ces inconvénients et d'autres encore peuvent être surmontés en-utilisant un système transducteur "actif". Dans un système actif de restitution, l'énergie est focalisée sur une cible, par exemple un bit d'information placé sur une surface d'enregistrement et l'énergie réfléchie remporte le signal enregistré,un peu comme un radar. Un type de système transducteur "actif" qui est utilisé pour l'enregistrement vidéo et la restitution est le système optique de vidéodisque décrit dans le brevet US no 4 097 895 au nom de Fred W. Spong du 27 Juin 1978 intitulé "MULTILAYER OPTICAL RECORD". Ce système fonctionne bien mais comme d'autres systèmes optiques, il a tendance à être compliqué à cause du laser et des circuits optiques associés de précision et par ailleurs, les pertes d'énergie ont tendance à être élevées. La présente invention a pour but de surmonter les problèmes ci-dessus en prévoyant un dispositif donnant un système d'enregistrement/restitution de faible prix et efficace utilisant un transducteur "actif". Selon les principes de l'invention, un dispositif à onde de surface est prévu qui comprend un substrat et une électrode interdigitale en forme d'éventail prévue à une extrémité du substrat. Ce dispositif peut être utilisé comme aiguille pour l'enregistrement et/ou la reproduction de signaux d'information sur un support d'enregistrement. De plus, il est possible que le dispositif à onde de surface selon l'invention soit utilisé pour des applica- tions de non enregistrement/restitution comme des applications biologiques (chirurgie), des modifications mécaniques de très petitessurfacesd'un micro-circuit, l'identification de divers matériaux en se basant sur leumspropriét6s acoustiques, et la détermination d'épaisseur de pelliculesminces. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparal- tront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en plan d'une aiguille acoustique de surface présentant une construction selon les principes de la présente invention; - la figure 2 est une vue latérale et agrandie du bout de l'aiguille de la figure 1; - la figure 3 est un schéma de circuit équivalent du système transducteur interdigital de la présente invention; - la figure 4 donne une représentation, partiellement sous forme de schéma bloc, d'un dispositif de restitution à onde acoustique de surface, pouvant être utilisé pour la restitution de l'information; -_ la figure 5 illustre un agencement pour enregistrer une information dans un support d'enregistrement en métal avec un transducteur à onde acoustique de surface; - la figure 6 représente, partiellement sous forme de schéma bloc, un dispositif d'enregistrement à onde acoustique de surface pouvant être utilisé pour la forma- tion d'un enregistrement; - la figure 7 illustre un autre mode de réalisation du dispositif à onde acoustique de surfacede la figure 1;et la figure 8 illustre un dispositif à onde acoustique de surface ayant une électrode de réflecteur. L'énergie dans une onde acoustique de surface se propage le long de la surface d'un substrat dans une couche ayant àpeu près l'épaisseur d'une longueur d'onde. La charge acoustique de la surface de propagation affecte les propriétés de propagation du dispositif à onde de surface acoustique. Par exemple, la charge d'air d'une surface de propagation a pour résultat des pertes détecta- bles de propagation et la charge de couchesmoléculaires très mincessur la surface peut provoquer la production harmonique d'ondes acoustiques de surface. Si un faisceau d'onde acoustique de surface est concentré en une petite région d'une surface, alors il apparait que l'onde acoustique de surface est particulièrement sensible à la charge acoustique dans cette région. Le nouveau dispositif décrit ici utilise l'effet de charge acoustique d'ondes -acoustiques de surface concentrées. En se référant à la figure 1, elle montre une vue en plan de l'aiguille 1. L'aiguille 1 se compose d'un substrat 3 qui, par exemple, peut être formé d'un matériau piézo-électrique comme du niobate de lithium ou un quartz monocristallin. Une extrémité du substrat 3 est configurée pour former le bout 5 qui peut, par exemple, être formé en meulant les côtés du substrat 3 jusqu'à un angle inclusde 600, afin de former ainsi la pointe 6. Au bout 5, une électrode 7 en forme d'éventail est déposée sur une surface du substrat 3 par des techniques bien connues dans les ondes acoustiques de surface. L'électrode 7 comprend deux conducteurs 9 et 11 ayant des doigts 10 qui sont entremêlés ou imbriqués pour former des paires de conducteurs courbés et emboltés (par exemple, vingt paires de conducteurs). Par exemple, l'électrode 7 est agencée sur le bout 5 à un angle qui est légèrement inférieure à l'angle dubout, par exemple 500. L'espace entre des doigts 10 successifs de l'électrode 7 est égal à la moitié de la longueur d'onde du signal qui doit être appliqué. Dans un format particulièrement réussi, des aiguilles ont été formées à partir de plaquesde quarts coupéesen Y, ayant typiquement 1,5 cm de long le long d'un axe x, 5 mm de large et 1 mm d'épaisseur, avec une pointe de 10-20 l de large. La figure 2 montre une vue latérale et agrandie du bout 5. Sur cette vue, le bout 5 est encore aiguisé à un angle 0 à la forme de la proue d'un bateau. Par exemple, l'angle 0 peut avoir environ 750 et la longueur "bu peut avoir environ 10-20 L'électrode 7 est configurée pour focaliser la puissance d'onde acoustique de surface sur la pointe de l'aiguille. On a découvert que le comportementpes ondes acoustiques de surface sur le bout de l'aiguille dépendait du fait que ce bout soit ou non en contact avec un autre matériau et s'il est en contact avec un autre matériau, des caractéristiques acoustiques du matériau en contact. Quand le bout est libre, pratiquement toutes les ondes focalisées à la pointe 6 sont réfléchies vers l'électrode 7 (comme un circuit ouvert à la fin d'un guide d'onde). Quand le bout 6 touche un autre matériau, une fraction de la puissance focalisée est réfléchie vers l'électrode 7, une fraction est absorbée dans le matériau contacté et une fraction produit des ondes parasites dans le matériau du substrat. La grandeur et la phase de la puissance d'onde acoustique de surface réfléchie par la pointe 6 sont représentatives de la charge acoustique. Quand l'aiguille selon l'invention est utilisée comme dispositif capteur, l'onde acoustique de surface réfléchie interfère avec l'onde acoustique de surface incidente et module l'impé- dance de l'aiguille 1 et ainsi, quand l'aiguille contacte une surface d'un support d'enregistrement o une information pré-enregistrée est mémorisée sous forme de petits trous, l'impédance de l'aiguille 1 mesurée ou détectée aux conducteurs 9 et 11 varie selon l'information mémorisée sur la surface du support d'enregistrement. En effet, les régions des petits trous représentent une charge acoustique et les régions sans petit, trou représentent une autre charge acoustique. On pense que le dispositif capteur selon l'invention détecte la charge acoustique à la pointe de l'aiguille et non pas le mouvement brut de l'aiguille elle-même, En principe, cela est assez différent du fonctionnement d'autres dispositifs transducteurs électromécaniques o les contraintes mécaniques brutes de l'aiguille, dans l'ensemblesont converties en signaux piézo-électriques détectables. Un circuit équivalent représentant schématiquement le système transducteur interdigital de.la présente inven- tion est illustré sur la figure 3. Une onde acoustique de surface lancée d'un coté 21 (orifice 1) du transducteur interdigital 27 vers le bout 20 de l'aiguille (orifice 0) par le milieu de transmission 25 est partiellement dissipée par conversion de mode de l'ensemble des ondes et par transfert à tout matériau en contact avec le bout. Cette dissipation de puissance est décrite par la résistance de charge RL terminant l'orifice 0. La puissance de l'onde acoustique de surface rayonnée par l'autre côté 22 (orifice 2) du transducteur interdigital est absorbée par un milieu approprié et aucune puissance n'est réfléchie. Ce comporte- ment est décrit par une impédance caractéristique R0 se terminant à l'orifice 2. Le côté d'entrée 23 (orifice 3) du transducteur interdigital 27, c'est-à-dire l'orifice auquel est appliqué la puissance, complète une description à trois orifices du transducteur interdigital. Environ la moitié de la puissance d'onde acoustique de surface produite par le transducteur interdigital 27 est rayonnée par le transducteur interdigital dans une direction opposée à celle du bout (c'est-à-dire dans l'orifice 2). Pour réduire tout effet d'interférence potentielle que pourrait avoir la puissance produite dans l'orifice 2, un absorbeur d'onde acoustique de surface approprié (non représenté), par exemple, un morceau de ruban de cellophane, est attaché à la surface de l'aiguille derrière l'électrode interdigitale. Cet absorbeur absorbe non seulement la puissance d'onde acoustique de surface rayonnée vers l'ariièie (c'està-dire l'orifice 2) du transducteur, mais également la puissance réfléchie du bout et retournant jusqu'à proximité de l'électrode inter- digitale, mais non capturée par elle. Un moyen de réflexion contrôlée pouvant aider à conserver ces puissances dissipées sera décrit en se référant à la figure 8. Quand l'aiguille 1 est à l'état libre, c'est-à-dire qu'elle n'est pas en contact avec un support d'enregistre- ment, l'impédance du transducteur interdigital 27 semble être principalement capacitive (par exemple un transducteur interdigital de la forme illustrée en se référant à la figure 1 aura une capacité de l'ordre de 2,3 pF). Une inductance accordable 29 peut être reliée en série avec le transducteur interdigital 27 pour compenser sa capacité. Quand le bout de l'aiguille est amené en contact avec d'autres matériaux, une partie de la puissance d'onde acoustique de surface incidente est transférée à ces matériaux. De plus, il y a un transfert de puissance dans l'nIsemb2e de l'onde réfléchie ainsi que dans le faisceau d'onde acoustique de surface qui retourne au transducteur inter- digital. L'onde acoustique de surface réfléchie interfère avec l'onde acoustique de surface produite, effectuant ainsi un changement de l'impédance du transducteur. Le changement d'impédance du transducteur 27 semble également être affecté par la force de contact de l'aiguille etla composition du matériau contacté par l'aiguille. Le changement d'impédance dû à la force de contact de l'aiguille a tendance à s'aplanir tandis que la force de contact augmente au-delà d'un seuil donné, par exemple, on a trouvé expérimentalement avec l'aiguille telle qu'indiquéeci-dessus par rapport à la figure 1, que les variations d'impédance s'aplanissaient à des valeurs de force de contact supérieures à 1 g. Le fait que la composition du matériau affecte les variations d'impédance permet d'utiliser l'aiguille de la figure 1 pour identifier des matériaux particuliers en comparant la variation d'impédance dûe à un échantillon inconnu aux variations provoquées par des échantillons standards. En se référant à la figure 4, on peut y voir une représentation d'un système de restitution du type à onde acoustique de surface, pouvant être utilisé dans la mise en pratique de la présente invention. Une bande 51 (par exemple en un matériau vinylique) se déplace par rapport à une aiguille 53 (par exemple du type décrit en se référant à la figure 1). L'aiguille 53 est montée dans un support 55 de façon que son bout repose sur la surface de la bande 51e Dans un système indiqué à titre d'exempleune piste d'information 61 se compose d'une succession de trous espacés 63 formés à la surface de la bande 51. Des variations de la longueur et de la séparation des trous représentent l'information enregistrée à la surface de la bande. La piste 61 se compose de régions non perturbées de surface qui effectuent une première impédance dans le transducteur de l'aiguille 53 (le transducteur de l'aiguille est acoustiquement îhargé), alternant avec des régions de trous qui effectuent une seconde impédance dans le transducteur de l'aiguille 53 (le transducteur de l'aiguille 53 a une impédance sensiblement égale à celle du transduc- teur à l'état libre). Les signaux à la-sortie de l'aiguille 53 sont appliqués par un démodulateur 65 à un circuit de traitement de signaux 67. Les signaux d'information précédemment enregistrés sur le support d'enregistrement 51 sont récupérés à la sortie du circuit de traitement 67. Quand un signal de télévision en couleur a été enregistré sur le support d'enregistrement 51, le signal de sortie du circuit de traitement 67 peut être appliqué à un téléviseur en couleur (non représenté) pour voir les signaux enregistrés de télévision. Pour effectuer l'enregistrement avec une aiguille à onde acoustique de surface du type illustré sur la figure 1 et utilisée dans le système de la figure 6, on augmente la puissance d'entraInement. On pense qu'un watt de puissance électrique d'entraînement appliqué à une aiguille fonctionnant à plusieurs centaines de MHz, a pour résultat une densité de puissance d'onde acoustique de surface de l'ordre de 106 W/cm2 à un bout de l'aiguille ayant quelques microns de large (par exemple 2 x 2 Ce niveau de la densité de puissance acoustique de l'onde acoustique de surface correspond à une contrainte mécanique de l'ordre de 100 kg/mm2 et une amplitude du mouvement du bout de plusieurs dizaines dtangstr8ms. Bien que la puissance de l'onde acoustique de surface au bout de l'aiguille ne soit pas totalement transférée au support d'enregistrement, un seuil suffisant de puissance est transféré et la surface du support d'enregistrement en contact avec le bout de l'aiguille est perturbée ou déformée. Ce mode de fonctionnement, bien que remémorateur de celui d'un outil coupant et vibrant mécaniquement, diffère parce que l'amplitude des vibrations du bout est faible et que l'aiguille elle-même ne subit pas un fort déplacement par vibration. La capacité d'enregistrement de l'aiguille est accrue quand la puissance, PSAW (SAW = onde acoustique de surface) est très concentrée au bout. La plus grande partie de la puissance de l'onde acoustique de surface est concentrée dans une longueur d'onde de la surface de propagation et est ainsi plus fortement concentrée aubout quand la longueur d'onde de l'onde acoustique de surface est relativement courte. On obtient également une forte concentration de puissance de l'onde acoustique de surface au bout en aug- mentant la puissance électrique d'entrée Pee cependant, cela est limité par la constante diélectrique entre les électrodes interdigitales. La limite supérieure de la puissance dans la structure interdigitale dépend particu- lièrement du nombre N de paires de doigts de l'électrode. En se référant à la figure 5, on peut y voir un agencement pour enregistrer dans un support d'lenregistrement en métal (par exemple du cuivre). L'aiguille 72 d'onde acoustique de surface qui est agencée de façon que sa pointe 74 contacte le support d'enregistrement 70,forme un angle c> (par exemple de 450) avec la surface du support d'enregistrement 70. On pense que l'orientation de l'aiguille un certain angle améliore la coupe d'une aiguille (par exemple en quartz) dans le métal o l'acuité, la dureté et l'orientation du bout par rapport à la surface d'enregis- trement sont importantes. En se référant à la figure 6, on peut y voir une représentation d'un système d'enregistrement àonde acous- tique de surface pouvant être utilisé dans la mise en pratique de la présente invention. Une bande 101 (par exemple en un matériau vinylique) se déplace par rapport à une aiguille 103 (par exemple du type décrit en se référant à la figure 1). L'aiguille 103 est montée dans un support 105 de façon que le bout de l'aiguille contacte la surface de la bande 101. Les signaux provenant d'une source sont appliqués par un modulateur 107, à l'aiguille 103 pour former des ondulations 111 représentatives de la source des signaux d'information. Ce mode de fonctionnement est semblable, sur la plupart des points, au mode de restitition décrit par rapport à la figure 4, à-une exception majeure. Dans le mode d'enregistrement, la puissance appliquée à l'aiguille 103 est suffisante pour effectuer une déformation du support d'enregistrement/bande 101 représentant l'infor- mation enregistrée tandis que dans le mode de restitution, la puissance appliquée à l'aiguille est insuffisante pour effectuer la déformation du support d'enregistrement. La figure 7 montre une vue latérale d'un autre mode de réalisation du dispositif à onde acoustique de surface selon l'invention. Dans certaines applications, l'usure du bout de l'aiguille peut poser un problème, et un substrat plus dur peut être plus souhaitable. La figure 7 montre une aiguille 81 formée d'un substrat 83 en un matériau non piézo-électrique relativement dur (par exemple du diamant ou du saphir). Une électrode interdigitale 85 recouvre le substrat 83, comme celle décrite par rapport à la figure 1. De plus, une pellicule piézo-électrique mince 87 (par exemple une pellicule de 0,4 > d'épaisseur en ZnO) recouvre l'électrode 85. Dans ce mode de réalisation, l'action de transducteur est mise en oeuvre par la pellicule mince piézo-électrique 87. Pour améliorer la sensibilité d'un dispositif à onde acoustique de surface, la figure 8 illustre un autre mode de réalisation de la présente invention. Un dispositif 91 à onde acoustique de surface est formé d'un substrat 93 o est formée une électrode interdigitale 95. Entre les contacts 92 et 94 de l'électrode 95 est nichée une seconde électrode interdigitale 96 qui sert de réflecteur. Par exemple, l'électrode 96 peut être plac& sur le substrat 93 de façon que la distance entre l'électrode interdigitale formant réflecteur 96 et l'électrode interdigitale princi- pale 95 soit X(n + 1/4) o lest la longueur d'onde des ondes acoustiques de surface et n est un nombre entier. On pense que l'électrode 96 a tendance à mieux focaliser et concentrer l'énergie de l'onde acoustique de surface sur le bout de l'aiguille. Dans la structure de la figure 7, la pellicule piézo-électrique pourrait être interposée entre le substrat et l'électrode interdigitale. Bion entendu l'invention n'est nullement limitée atrmodesde réalisation décritset représentésqui n' ont été donné qu'là titre d'exemple. En particulier elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles- ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquées REVENDICATIONS 1. Dispositif à onde acoustique de surface dans un disque ou système de restitution pour l'enregistrement ou la restitution d'une information sous forme de variations de surface dans un support d'enregistrement en forme de disque, caractérisé par un organe allongé (3) effilé en un bout (5) à une extrémité, ledit organe étant agencé pour supporter la propagation des ondes acoustiques de surface dans au moins une région dudit organe; et un moyen formant électrode (7) prévu à proximité dudit bout pour -focaliser les ondes acoustiques de surface sur ledit bout. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen formant électrode de focalisation précité comprend une électrode interdigitale en forme dt'ventail. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'électrode précitée comprend des doigts courbés (10). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'électrode précitée est placée sur l'organe précité de façon que la section plus étroite de ladite électrode soit à proximité de la partie plus étroite de l'extrémité effilée dudit organe. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par un moyen relié à ladite électrode pour produire des ondes acoustiques de surface sur la surface dudit organe dans au moins la région précitée; et un moyen, relié à ladite électrode interdigitale, pour détecter les variations d'impédance de ladite électrode; ainsi ledit dispositif est utilisé-pour restituer des signaux enregis- très sur une surface d'un support d'enregistrement, les variations d'impédance détectées par ladite électrode étant représentatives des signaux enregistrés sur ladite surface. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe précité a une extrémité en tige opposée à l'extrémité effilée précitée et en ce qu'une électrode inLterdigitale de réflexion-(96) est interposée entre l'électrode interdigitale en forme d'éventail (95) précitée et l'extrémité en tige dudit organe. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe précité est formé en un matériau piézo-électrique. 8. Dispositif selon la revendication 4,caractérisé par une pellicule piézo-électrique (87) recouvrant l'électrode interdigitale en forme d'éventail précitée (85). 9. Dispositif dans un système d'enregistrement de signaux sur un support d'enregistrement, caractérisé par: une aiguille (53) à onde acoustique de surface ayant un bout effilé à une extrémité, une structure d'électrode interdigitale en forme d'éventail étant formée. sur ledit bout effilé; ledit dispositif à onde acoustique de surface étant supporté de façon que ledit bout effilé contacte ledit support d'enregistrement (51); un moyen (55) pour établir un mouvement relatif entre ledit bout effilé et ledit support d'enregistrement; et un moyen (65) pour appliquer les signaux d'information à enregistrer à ladite structure d'électrode interdigitale afin que ledit bout effilé effectue des variations dans ledit support d'enregistrementcorrespondant auxditssignaux.