Brevet FR2498405A1 — publié le 19820723

HYDROPHONE A LAME PIEZOELECTRIQUE MINCE La présente invention concerne la réalisation d'hydrophones dont l'élément transducteur est une lame mince en matériau piézoélectrique. Les hydrophones, qui sont des capteurs de pression dynamique, sont généralement montés dans des dispositifs de détection sous-marine. Il est souhaitable de pouvoir réaliser les hydrophones par une méthode de fabrication simple, pour obtenir un prix de revient assez bas, ceci notamment pour des matériels consommables comme les bouées d'écoute aéroportées. Il en est de même pour toutes les bases d'écoute sous-marines qui comportent un grand nombre d'hydrophones et qui doivent fournir des signaux avec un bon rapport signal sur bruit. L'invention se rapporte cependant à tous les capteurs de pression dynami que, notamment aux hydrophones de bouées acoustiques et aux capteurs de pression pour l'automobile. Contrairement aux transducteurs capables d'émettre de la puissance et le plupart du temps de recevoir également, les hydrophones utilisent un volume très restreint de matériau transducteur, celui strictement nécessaire pour résoudre les problèmes de sensibilité et de bruit. Comme pour les microphones, leur faible capacité conduit à interposer un étage électronique transformateur d'impédance entre l'élément transducteur et le cible de liaison qui, sans cela, jouerait un rôle de diviseur de charges et donc de tension. Le facteur de bruit d'une channe d'amplification dépendant surtout du facteur de bruit du premier étage et de son gain, on donne à l'adapteur le meilleur facteur de bruit possible et un gain en tension nettement supérieur à 1(3 par exemple). Il prend alors le nom de préamplificateur.Le matériau composant l'élément sensible est presque toujours en céramique piézoélectrique, sensible aux contraintes mécaniques. L'invention concerne un hydrophone sensible aux contraintes par flexion. Suivant l'art antérieur, l'élément sensible le plus simple d'un hydrophone de flexion est constitué par une mince lamelle de matériau piézoélectrique, d'axe de polarisation perpendiculaire à cette lamelle, reposant sur ses bords sur un corps indéformable et libre au centre. La pression statique et dynamique qui s'exerce sur l'une des faces induit des contraintes dans la lamelle et la déforme, ces contraintes faisant apparaître des charges sur les deux faces. La différence de potentiel résultante est recueillie et amenée à un amplificateur situé au plus près. Diverses variantes de ce principe conduisent à réaliser soit des bilames entièrement en matériau piézoélectrique, soit des bilames matériau piézoélectrique-métal, soit des trilames matériau piézoélectrique métal-matériau piézoélectrique. Ces hydrophones suivant l'art antérieur présentent le désavantage que la pression peut provoquer soit un décollement des deux constituants du bilame, soit une rupture du disque piézoélectrique. Solidité par augmentation de l'épaisseur du bilame et sensibilité hydrophonique étant deux notions contradictoires, on choisit le plus souvent l'amincissement du bilame, la flèche plus grande qui en résulte étant alors limitée par une butée mécanique. L'amincissement des disques de céramique piézoélectrique est cependant limité par des raisons technologiques de fabrication. Pour remédier à cet inconvénient suivant l'invention, la couche piézoélectrique est obtenue par dépôt sous vide. Suivant une variante préférentielle de l'invention le substrat est en matériau semi-conducteur ce qui permet une intégration du préamplificateur. Brièvement, c'est un capteur de pression dynamique dont l'élément transducteur est une lame piézoélectrique, caractérisé par le fait que le capteur comporte un substrat et que la lame piézoélectrique est réalisée par un dépôt sous vide directement sur le substrat ou sur une couche conductrice déposée sur le substrat, que l'épaisseur de lame piézoélectrique déposée est au moins 10 fois plus faible que celle du substrat et qu'une couche conductrice est déposée sur la lame piézoélectrique. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit, illustrée par les figures qui représentent: - figure 1 : un hydrophone à lame piézoélectrique avec son préamplificateur, suivant l'art antérieur; - figures 2 et 3 : des schémas de déformation d'un disque appuyé et encastré; - figure 4: un exemple de réalisation d'un hydrophone avec appui sur le substrat suivant l'invention - figures 5 et 6 : des schémas électriques équivalents pour des hydrophones; - figure 7: un exemple de réalisation d'un hydrophone avec encastrement du substrat ; - figure 8: un exemple de réalisation d'un hydrophone avec des circuits intégrés sur le substrat ; - figure 9 : un autre exemple de réalisation d'un hydrophone avec des circuits intégrés sur le substrat - figure 10: un exemple d'hydrophone fragmentés avec ses intercon vexions; - figure 11: le schéma électrique pour un ensemble d'hydrophones; - figure 12: un schéma de réalisation de plusieurs hydrophones mis en série; - figure 13 : un schéma détaillé de mise en série d'un ensemble d'hydrophones; - figure 14 : un schéma descriptif des étapes de réalisation de la mise en série d'un ensemble d'hydrophones; - figure 15 : un hydrophone avec deux substrats portant chacune une couche piézoélectrique; - figures 16 et 17: un hydrophone avec un substrat portant sur chacune de ses phases des couches piézoélectriques et son schéma électrique. Le montage d'un hydrophone avec un préamplificateur incorporé, suivant l'art antérieur, est montré par la figure 1. Un corps métallique évidé 1 de révolution, porte un épaulement 2 servant de point d'appui périphérique à un bilame mince composé d'un disque de céramique piézoélectrique 3 et d'un disque métallique 4, généralement en aluminium, collés ensemble. Une électrode 5 déposée sur la face de la lame piézoélectrique collecte les charges électriques produites poar la pression. Une pièce mécanique 10 a une butée qui limite la déformation du bilame 3 et 4. Cet ensemble est placé dans un boitier 9 en matériau viscoélastique protégeant l'ensemble vis-à-vis du milieu extérieur. Un préamplificateur 6 est également placé à l'intérieur du boitier et l'on a représenté sur la figure le cable de sortie 8. Suivant l'invention, la lame piézoélectrique a une épaisseur de qjel- ques dizaines de microns et elle est réalisée par dépôt sous vide sur un substrat. En conséquence les proportions respectives, dans les différentes figures des réalisations, suivnat l'invention, entre lame piézoélectrique, les électrodes, et le substrat ne sont pas respectives. Préférentiellement, on utilise comme matériau piézoélectrique l'oxyde de zinc ZnO. Suivant une variante de l'invention, l'amplificateur est intégré sur le substrat, qui est en matériau semi-conducteur On peut utiliser soit du silicium, soit du germanium, soit de l'arseniure de gallium, soit du phosphure d'indium. Le fait d'utiliser une lame piézoélectrique très mince v.s à vis du substrat conduit à un fonctionnement différent de celui du bilame, suivant l'art antérieur En effet, dans la raideur du bilame ainsi réalisé, celle de la couche piézoélectrique n'intervient plus et l'effet piézoélectrique recherché n'est plus dû qu'à sa déformation S qui est celle du substrat. Le coefficient piézoélectrique qui intervient est le coefficient e31 (les coefficients de la matrice e sont défini symboliquement par: e = #D ou D est l'induction électrique). as. Alors que dans les applications connues de ZoO, on utilise les coefficients e33 ou bien d33 (les coefficients de la matrice d sont définis symboliquement par: d aD où T est la contrainte mécanique). aT. A titre d'exemple, on donnera la déformation du substrat sous l'effet d'une pression extérieure pO supposée uniforme. Pour un disque de rayon a et d'épaisseur h, la déformation locale à la distance r du centre, qui est la somme des déformées radiales et tangentielles, est de la forme: où A est le coefficient qui dépend de la nature du matériau et b un coefficient qui dépend des conditions de fixation, appui simple ou encas trement, du bord du disque. Selon l'un ou l'autre de ces deux cas, la déformation résultante est différente et conduit à deux réalisations différentes.Dans le cas d'un appui simple 21, figure 2, lorsque l'on parcourt le disque selon un rayon, la constante B est telle que la déformation varie avec r sans changement de signe pour passer par un maximum au centre du disque 22. Elle change au contraire de signe pour r = 8 avec deux maxima l'un au bord, l'autre au centre, dans le cas de l'encastrement 23, figure 3. Il en résulte que les charges élémentaires dq qui apparaissent sur des couronnes de ZnO de largeur dr à la distance r du centre telles que dq = e31 S 2 sr dr ne pourront être collectées de la même façon dans les deux cas. Dans le cas de l'appui simple, les charges dq ayant toutes le même signe, on peut les collecter par une même électrode.Dans le cas de l'encastrement, il est nécessaire de faire deux électrodes, l'une occupant le centre du disque et de rayon a/ ; l'autre occupant le reste de la surface, chacune recueillant des charges de signes opposés. La charge recueillie Q est naturellement l'intégrale des charges élémentaires prises sur toute la surface de l'électrode, d'où: Q = 5 21re31 Srdr. Elle serait nulle dans le cas de l'encastrement si l'on ne scindait l'électrode en deux. Suivant une réalisation préférentielle de l'invention, le substrat est en silicium ou en germanium, ou en arséniure de gallium ou en phosphore. Les figures 4 et 7 donnent deux exemples de réalisation avec un substrat de silicium. La figure 4 s'applique au cas de l'appui simple 41 sur les bords du disque de silicium 42. Une électrode conductrice 44 est déposée sur la face supérieure du silicium. Une couche de Si 02, 43, peut éventuellement être également déposée pour réaliser un isolement galvanique entre l'amplificateur et le corps du bottier. Sur l'électrode 44 est déposée une couche piézoélectrique 45, préférentiellement du ZnO. Sur la face supérieure de la couche piézoélectrique 45 est déposée une autre couche métallique 46, constituant la seconde électrode. Deux soudures sont réalisées sur les électrodes 44 et 46 permettant de recueillir le signal Vs entre une connexion 47 et une connexion 48 reliée à la masse. Par ailleurs, le ZnO peut très bien ne pas être pur et comporter en particulier, selon un art connu, jusqu'à 20 % en atomes de divers corps, destinés à diminuer sa fréquence de relaxation et donc à constituer des capteurs susceptibles de descendre beaucoup plus bas en fréquence. Le schéma électrique est donné figures 5 et 6 sous les deux formes de générateur de courant I = Q. a3(w=pulsation et Q la charge ou générateur de tension, O V = C (CO = capacité statique de lthydrophone). Pour une épaisseur de ZnQ de 10 m et une épaisseur de substrat de silicium de 500 m, la capacité CO est de l'ordre de 3000 pF pour r = 1 cm. Un exemple de réalisation avec encastrement en 71 d'un disque de silicium 72 est montrée par la figure 7. Une couche métallique 73 est déposée sur la face supérieure du disque en silicium 72 avec interposition éventuelle dune couche isolante en Si 02, 74. La couche piézoélectrique 75 déposée sur la couche métallique 73 porte sur une face supérieure des électrodes 77.1 et 77.2. Etant donné que l'encastrement produit un changemment de signe dans la contrainte à une distance du centre r = a/g, a étant le rayon d'encastrement, ltélectrode doit être scindée en deux électrodes conductrices 77.1 et 77.2 respectivement centrale et annulaire dont les potentiels sont symétriques par rapport à l'électrode de masse 73 et donc en opposition de phase entre eux.Ces tensions 51 et S2 récupérées entre les électrodes 78.1 et 78.3 et entre 78.2 et 78.3 sont donc amplifiées par un amplificateur à entrées différentielles, ce qui procure un fonctionnement particulièrement avantageux lors d'un fonctionnement en milieu électriquement bruyant. La sensibilité de ce dispositif, définie comme la tension aux bornes en circuit ouvert pour une pression unité, est de l'ordre de - 94 dB en prenant volt pour référence 1pb alrt. Suivant une variante préférentielle de l'invention, on utilise un substrat de silicium pour y intégrer les transistors, diodes et résistances du circuit amplificateur et éventuellement d'un circuit de filtrage. La figure 8 montre le détail de connexion des électrodes 85 et 87 respectivement à la source 82 et à la grille 83, d'un transistor 88 de type J-FET ou MOS intégré sur le substrat 81 de silicium. Le drain 84 est connecté au reste du circuit électronique également implanté mais non représenté. On a représenté également la couche de ZnO déposée-86 sur l'électrode 85. La figure 9 représente le même montage, où une couche 99 de Si O, a été déposée afin de protéger le reste du circuit 95 de l'électrode 98. De plus, l'électrode 98 reliée à la porte 93 est protégée électro-statiquement par l'électrode "point froid" 96 des champs électriques extérieurs (montage "source commune"). Dans la mesure où c'est le bruit du préamplificateur qui est prépondérant, ce qui est le cas dans la gamme de fréquence de 2 à 30 kHz, on a intérêt à fragmenter la surface de captation en N hydrophones suivis chacun d'un préamplificateur, les sorties de ces N préamplificateurs étant ensuite sommées. En effet, la fragmentation de la surface de ZnO en N surfaces élémentaires ne change pas la sensibilité des hydrophones élémentaires par rapport à celle de l'hydrophone non fragmenté (dans la mesure où cette fragmentation est faite dans une zone, où la contrainte peut être considérée comme uniforme). Ceci se vérifie aisément en partant de la définition de la sensibilité : sont toutes deux proportionelles à la surface. V étant la tension et PO la pression. La sommation de ces N tensions amplifiées chacune de G fois donne un signal de sortie V5 =V.G.N. (les dimensions de la surface totale de captation étant considérées comme faibles devant la longueur d'onde du signal acoustique, les différentes tensions élémentaires sont en effet en phase) alors que le bruit électrique, comme il est connu, n'augmente que comme VB.G. si, VB étant la tension de bruit d'entrée sur chaque préamplificateur. La figure 10 représente une réalisation de fragmentation, où l'on fait figurer deux hydrophones seulement, sur le substrat 101. L'interconnexion entre les différents préamplificateurs, par exemple 105 et 106 associés respectivement aux hydrophones élémentaires 103 et 104 se fait comme pour la réalisation de la figure 9 dans la zone 102. Le sommateur qui reçoit les sorties de tous les préamplificateurs dont la réalisation est comme implantée dans une autre zone non représentée. La figure 11 montre le schéma électrique équivalent de la réalisation de la figure 10. Les signaux des N hydrophones 11.1, 11.2, ... 11.N sont appliqués aux amplificateurs 12.1, 12.2, ... 12.N. Les signaux amplifiés sont sommés dans un sommateur 113. Le signal, à meilleur rapport signal sur bruit que celui d'hydrophones non fragmentés, est obtenu en sortie du sommateur 113. Le circuit sommateur 113 peut comprendre un étage de sortie à faible impédance implantée sur le substrat. L'invention se prête également particulièrement bien à la mise en série des tensions issues des divers hydrophones. La figure 12 donne un exemple de cette réa'.sation de cette mise en série. Le substrat 120 est en verre ou en silicium et la mise en série est obtenue en connectant l'électrode inférieure 121 de l'hydrophone élémentai- re 125 à l'électrode supérieure 122 de l'hydrophone élémentaire suivant 126 par un pont 123. Les couches de matériau piézoélectriques 124 et 127 sont déposées sur les électrodes inférieures 121 et 128 du premier hydrophone et du second hydrophone. La figure 13 montre le schéma électrique équivalent de la mise en série des hydrophones élémentaires 13.1, 13.2 ... 13.N avec ses sorties i30 et 131. La figure 14 donne un exemple du mode de fabrication correspondant au dispositif de la figure 12. La ligne a montre le substrat 141 et la ligne b l'électrode déposée 142. La ligne c montre la gravure du métal de cette électrode à des emplacements, tels que 143. La ligne d montre le dépôt d'une couche piézoélectrique 144 et la ligne e montre les emplacements 145, où a été enlevée la couche piézoélectrique par gravure. Sur la ligne f est montré le dépôt d'une deuxième couche de métal 146 et la ligne g montre la rupture du court circuit entre l'électrode supérieure et inférieure par gravure. La figure 15 montre la constitution d'un hydrophone symétrique comportant deux éléments sensibles, réalisés selon l'invention. Les substrats 151.1 et 151.2 comportent des amplificateurs intégrés 154.1 et 154.2 sur chacun des éléments sensibles. Cependant il peut êtfe prévu un prdamplififl cateur sommateur sur un seul substrat, celui recevant d'une part directe- ment le signal de l'hydrophone sur lequel il est Intégré et d'autre part par câblage non représenté, le signal, en phase avec le premier, du second hydrophone. L'espace entre les substrats 151.1 et 151.2 est réduit à une valeur telle, qu'à une pression extérieure prédéterminée les deux substrats viennent en contact afin de limiter leur déformation.Le corps métallique 155 a sa partie 156 usinée en coin de façon que les substrats 151.1 et 151.2 ne reposent à ce moment sur aucun point anguleux. On peut concevoir tous les capteurs précédemment décrits avec deux dépôts de ZnO réalisés sur chacune des faces du substrat 161 comme le montre la figure 16, à titre d'exemple. Les charges récupérées entre les électrodes supérieure 164 et inférieure 167, sur les connexions 168 et 169 sont en opposition de phase. Comme pour le montage de la figure décrit précédemment, il est nécessaire d'utiliser un préamplificateur de type différentiel dont le schéma électrique de principe est donné figure 17, où 171 et 172 sont les deux hydrophones. Les signaux recueillis sont appliqués h un amplificateur différentiel 173 qui fournit le signal de sortie en 174. L'avantage du dépôt double de ZnO est similaire à celui d'une fragmentation en deux de l'hydrophone. REVENDICATIONS 1. Capteur de pression dynamique dont l'élément transducteur est une lame piézoélectrique, caractérisé par le fait que le capteur comporte un substrat (42) et que la lame piézoélectrique (45) est réalisée par un dépôt sous vide directement sur le substrat ou sur une couche conductrice (44) déposée sur le substrat, que l'épaisseur de lame piézoélectrique (45) déposée est au moins 10 fois plus faible que celle du substrat (42) et qu'une couche conductrice (46) est déposée sur la lame piézoélectrique (45). 2. Capteur de pression dynamique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche piézoélectrique (45) est en oxyde de zinc. 3. Capteur de pression dynamique suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la couche piézoélectrique (45) est déposée par bombardement cathodique. 4. Capteur de pression dynamique suivant la revendication 1, caractérisé par Je fait que le substrat (42) est en matériau semi-conducteur. 5. Capteur de pression dynamique suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le substrat (42) est en silicium. 6. Capteur de pression dynamique suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le substrat (42) est en germanium. 7. Capteur de pression dynamique suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le substrat (42) est en arseniure de gallium. 8. Capteur de pression dynamique suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le substrat est en phosphure d'indium. 9. Capteur dynamique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ce capteur est fragmenté en capteurs élémentaires, chaque capteur élémentaire comprenant une électrode inférieure sur laquelle est déposée la couche piézoélectrique et une électrode supérieure déposée sur cette couche piézoélectrique et que l'électrode inférieure est connectée électriquement à l'électrode supérieure du capteur élémentaire suivant. 10. Capteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une couche piézoélectrique est déposée de chaque côté du substrat. 11. Capteur de pression dynamique suivant les revendications 4, 9 ou 11, caractérisé par le fait que des circuits électroniques, comprenant des transistors (88) et des éléments passifs sont implantés sur le substrat, ces circuits étant reliés aux électrodes (85, 87) et réalisent les traitements des signaux recueillis par le capteur. 12. Capteur dynamique suivant les revendications 9 et 11, caractérisé par le fait que le capteur est fragmenté en capteurs élémentaires (103, 104) implantés sur le substrat, dans des zones comprenant des transistors et que les signaux amplifiés fournis par ces capteurs élémentaires sont sommés dans un sommateur (113), également implanté sur le substrat.