Brevet FR2546703A1 — publié le 19841130

NOUVELLE STRUCTURE DE TRANSDUCTEUR ULTRASONORE La présente invention concerne une nouvelle structure de transducteur ultrasonore, utilisable dans les appareils d examen de milieux (tels qu'objets ou tissus biologiques). Un transducteur ultrasonore est constitué essentiel- lement, de façon classique, d'un substrat constituant un milieu arrière d'absorption, d'une couche de matériau piézoélectrique equipee d'électrodes sur ses faces avant et arrière et d'au moins une couche d'adaptation d'impédance acoustique dite quart d'onde, placée devant le matériau piézoélectrique, entre celui-ci et le milieu de propagation Des transducteurs de ce type sont notamment décrits dans l'article ',The effets of backing and matching on the performance cf piezoelectric ceramic transducers" de G.Kossoff, paru dans la revue IEEE Transactions on sonics and ultrasonics, volume SU-13, mars 1966, pages 20 à 30. La mise en place d'une ou de plusieurs de ces couches d'adaptation, dites couches interféren- tielles quart tonde, a pour effet principal d'améliorer la sensibilité des transducteurs et contribue également à augmenter leur largeur de bande. Le but de l'invention est de proposer une nouvelle structure de transducteur ultrasonore dans laquelle le transducteur, constitue comme indique precedemment, est équipé d'une couche d'adaptation d'impédance dont l'épaisseur est egale à la demi-longueur d'onde de la frequence de résonance du transducteur et dont l'impédance ZC est choisie de façon que l'expression ZBZC = ZTZM soit satisfaite ou au moins approchée, les expressions ZB, ZT, ZM designant respectivement les impédances acoustiques du milieu arrière d'absorption, du materiau piézoélectrique et du milieu avant de propagation.Le transducteur ainsi défini est caractérisé par un amortissement remarquable, ce qui, dans les applications échographiques, permet d'avoir une reponse impulsionnelle résonante de faible largeur utile à -20 dB et, en consequence, un très large spectre d'amplitude au voisinage de la fréquence de résonance (et donc des échos brefs). L'invention est d'ailleurs maintenant décrite plus en détail en référence à la figure ci-jointe qui montre effectivement un transducteur ultrasonore 10, à vibration en mode d'épaisseur, composé d'un substrat 20 constituant le milieu arrière d'absorption - ou de réflexion vers l'avant - des ondes ultrasonores émises, d'une couche 30 de matériau piézoélectrique recouverte sur ses faces avant et arrière de feuilles metalliques 31 et 32 constituant des première et deuxième électrodes (reliées de façon connue à un circuit de polarisation non représenté qui fournit le potentiel d'excitation), et d'une couche 40 d'adaptation d'impédance acoustique avec le milieu avant de propagation 50.La flèche représentée à l'arrière du substrat 20 du transducteur 10 schématise les liaisons électriques avec le dispositif d'émission et de réception; non représenté, qui est associé au transducteur. Conformément à l'invention, la couche 40 d'adaptation d'impédance a une épaisseur égale à la demi-longueur d'onde de la fréquence de résonance du transducteur et une impédance 7 choisie de telle façon que l'expression ZB.ZC = ZT.ZM soit vérifiée, au moins approximativement (dans cette expression, ZB' ZT' ZM désignent respectivement les impédances acoustiques du substrat 20, du matériau piézoélectrique 30 et du milieu de propagation 50).En effet, si l'on cherche à déterminer la fonction de transfert d'un transducteur émetteur équipé d'une telle couche d'adaptation d'impédance, on obtient, une expression du type où K est une fonction d'un certain nombre de facteurs dont le détail n'est pas utile ici et où les coefficients des termes de retard pur sont explicites ci-dessous.Pour obtenir une réponse impulsionnelle amortie du transducteur, il faut réduire autant que possible la valeur de ces coefficients des termes de retard pur du dénominateur, c'est-à-dire obtenir que soient vérifiées les inégalités suivantes I RT1(RB - R1L) | 1 (2) I RB. RiL 1 (3) L'inégalité (2) est vérifiée si RB = R1 , c'est-à-dire si l'on a : 'L ZT - ZB - ZC - ZM ZT + ZB - ZC + Z ce qui implique (ZT - ZB).(ZC + ZM) = (ZC - ZM).(ZT + ZB) ZT.ZM = ZB.ZC (6) ou encore ZB=ZM (7) ZT ZC Si RB = R1L , l'inégalité (3) devient : ou encore Cette inégalité (9) n'est pas satisfaite si le rapport ZB/ZT est très élevé et prédominant devant le terme 1, et ne l'est pas non plus si ZB/zT est faible, devenant ainsi négligeable devant 1. Il existe par contre une valeur intermédiaire de compromis, ou une gamme de valeurs, qui assure que l'inégalité (9) est raisonnablement satisfaite. Il apparat donc qu'une réponse amortie du transducteur peut être obtenue en annulant dans 1 expression (1) le coefficient du terme de retard en -2pt, ce qui est réalise si l'égalité (7) est satisfaite. L'amortissement ainsi obtenu peut être encore amélioré en rendant minimal le terme de retard résiduel en -4pt, ce qui est réalisé si l'inégalité (9) est vérifiée de façon satisfaisante, c'est-à-dire pour la valeur de ZB/ZT qui rend le terme (1 - ZB/ZT)2/(1 + ZB/ZT)2 minimal ou pour une valeur voisine de celle-ci. Les essais réalisés pour la mise en oeuvre de l'invention qui vient d'être décrite ont conduit à proposer, à titre d'exemple particulier, une structure de transducteur constitué (a) d'une couche piézoélectrique 30 réalisée en céramique dite PZT de diamètre égal à 1 cm, d'impédance acoustique ZT = 30 x 106kg.s-1.m-2, et de fréquence de résonance égale à 2 mégahertz (avec un temps de vol des ondes ultrasonores égal à 250 nanosecondes), (b) d'un milieu arrière 20 en résine époxy chargée par centrifugation de poudre de tungstène et d'impédance acoustique ZB = 14,8 x 106kg.s-1.m-2 et (c) d'une couche d'absorption demi-onde 40 en-résine époxy d'impédance acoustique Zc = 3,1 x 106kg.s-1.m-2. La largeur relative, à -6dB, du spectre d'amplitude est de l'ordre de 110%. L'impédance du milieu avant de propagation 50 étant de l'ordre de 1,5 x 106kg.s-1 .m-2, l'inégalité (7) est bien vérifiée. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à l'exemple de realisation qui vient d'être décrit et représenté, à partir desquels des variantes ou modifications peuvent être envisagées. En particulier, on n'a décrit l'invention que dans son application à un transducteur unique, mais elle s'applique de la meme manière à un dispositif de transduction composé de tout un réseau linéaire ou matriciel de transducteurs élémentaires. REVENDICATIONS 1. Structure de transducteur ultrasonore dans laquelle le ou les transducteurs élémentaires utilisés comprennent un substrat constituant un milieu arrière d'absorption, une couche de matériau piézoélectrique equipée d'électrodes sur ses faces avant et arrière et une couche d'adaptation d'impédance acoustique placée entre le matériau piézoélectrique et le milieu avant de propagation, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche d'adaptation d'impédance acoustique est égale à la demi-longueur d'onde de la fréquence de résonance du transducteur et en ce que son impédance est choisie de façon que l'expression suivante soit satisfaite ou au moins. appro- chée : : ZB.ZC = ZT.ZM les expressions ZB' ZT, ZC, ZM désignant respectivement les impédances acoustiques du-milieu arrière d'absorption, du matériau piézoélectrique, de la couche d'adaptation et du milieu avant de propagation. 2. Structure de transducteur ultrasonore selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport d'impédance ZB/ZT est choisi de façon que l'expression (îZB/ZT)2/(î+ZB/ZT)2 soit minimale ou aussi faible que possible.