Brevet FR2551611A1 — publié le 19850308

-1 NOUVELLE STRUCTURE DE TRANSDUCTEUR ULTRASONORE ET APPAREIL D'EXAMEN DE MILIEUX PAR ECHOGRAPHIE ULTRASONORE COMPRENANT UNE TELLE STRUCTURE La présente invention concerne une nouvelle structure de transducteur ultrasonore, ainsi qu'un appareil d'examen de milieux, tels qu'objets ou tissus biologiques, par échographie ultrasonore. Un transducteur ultrasonore est constitué essentiel05 lement, de façon classique, d'un substrat constituant un milieu arrière d'absorption ou de réflexion, d'une couche de matériau piézoélectrique équipée d'électrodes sur ses faces avant et arrière et d'au moins une couche d'adaptation d'impédance acoustique, placée devant le matériau piézoélectrique, entre celui-ci et le milieu de propagation Des transducteurs de ce type sont notamment 10 décrits dans l'article "The effects of backing and matching on the performance of piezoelectric ceramic transducers" de G Kossoff, paru dans la revue IEEE Transactions on sonics and ultrasonics, volume SU13, mars 1966, pages 20 à 30 La mise en place d'une ou de plusieurs de ces couches d'adaptation, dites couches interféren15 tielles quart d'onde, a pour effet principal d'améliorer la sensibilité des transducteurs et contribue également à augmenter leur largeur de bande. On rappellera ici, cependant, que les transducteurs ultrasonores utilisés en échographie doivent réunir deux qualités principales au niveau de la transduction: non seulement une bonne sensibilité (car l'augmentation du rapport signal-sur-bruit facilite le traitement des signaux reçus) mais aussi un amortissement suffisant (car la brièveté de la réponse impulsionnelle conditionne la résolution axiale). Le but de l'invention décrite dans la présente demande est de proposer de nouvelles structures de transducteur ultrasonore conciliant de façon simple mais originale les exigences de sensibilité et d'amortissement. L'invention concerne à cet effet une structure de trans30 ducteur ultrasonore dans laquelle le ou les transducteurs élémentaires utilisés comprennent un substrat constituant un milieu -2 arrière, une couche de matériau piézoélectrique et éventuellement une ou plusieurs couches d'adaptation d'impédance acoustique, caractérisée en ce que la ou les éventuelles couches d'adaptation sont placées uniquement entre le matériau piézoélectrique et le milieu avant de propagation, en ce que le milieu arrière a une valeur d'impédance acoustique suffisamment élevée par rapport à celle du matériau piézoélectrique pour pouvoir être considéré commne rigide, c'est-à-dire à déformation nulle, et en ce que l'épaisseur de la couche de matériau piézoélectrique est égale au quart de la lon10 gueur d'onde associée à la fréquence de résonance du transducteur. L'invention concerne également, de façon similaire, une structure de transducteur ultrasonore dans laquelle le ou les transducteurs élémentaires utilisés comprennent un substrat constituant un milieu arrière, une couche de matériau piézoélec15 trique d'épaisseur égale à la moitié de la longueur d'onde associée à la fréquence de résonance du transducteur, et éventuellement une ou plusieurs couches d'adaptation d'impédance acoustique, caractérisée en ce que les éventuelles couches d'adaptation sont placées en nombre identique de part et d'autre du matériau piézoélectrique, 20 les couches deux à deux symétriques ayant la même valeur d'impédance acoustique, et en ce que le milieu arrière a une valeur d'impédance acoustique aussi voisine que possible de celle du milieu avant de propagation, de façon que la structure soit symétrique par rapport au plan médian de la couche de matériau piézoélectrique. 25 Les particularités et avantages de l'invention vont être maintenant décrits ci-dessous plus en détail en se référant aux figures 1 et 2, données à titre d'exemples non limitatifs et qui montrent deux types de structures conformes à l'invention. La première structure, représentée sur la figure 1, con30 siste en un transducteur ultrasonore à vibration en mode d'épaisseur, composé d'un substrat 10 constituant le milieu arrière du transducteur, d'une couche 20 de matériau piézoélectrique recouverte sur ses faces avant et arrière de feuilles métalliques 21 et 22 constituant des première et deuxième électrodes (reliées de fa35 çon connue à un circuit de polarisation non représenté qui fournit -3 le potentiel d'excitation), et, entre cette couche 20 et le milieu avant de propagation 50, de deux couches 30 et 40 d'adaptation d'impédance acoustique (dites couches interférentielles quart d'onde). Dans cette première structure selon l'invention, le substrat 10 présente par rapport à la couche 20 de matériau piézoélectrique une valeur d'impédance acoustique très nettement supérieure, et suffisamment élevée en tout cas pour que ce substrat puisse être considéré comme rigide relativement au matériau piézo10 électrique, c'est-à-dire comme un milieu arrière à déformation nulle En outre, l'épaisseur de la couche 20 est égale au quart de la longueur d'onde associée à la fréquence de résonance du transducteur Enfin, si l'on veut optimiser le transfert d'énergie de la couche 20 de matériau piézoélectrique vers le milieu avant de 15 propagation 50, les valeurs des impédances de cette couche 20, des couches d'adaptation 30 et 40 et du milieu de propagation forment, considérées dans cet ordre, une suite décroissante, par exemple et de façon non limitative une suite arithmétique ou géométrique. Pour comprendre maintenant comment la première structure 20 ainsi décrite présente à la fois une bonne sensibilité et un excellent amortissement, on imagine (voir la figure 2) une deuxième structure de transducteur ultrasonore, totalement symétrique, comprenant un substrat servant de milieu arrière, une couche de matériau piézoélectrique d'épaisseur égale à la moitié de la lon25 gueur d'onde associée à la fréquence de résonance du transducteur, et deux couches d'adaptation d'impédance acoustique d'une part entre le milieu arrière et le matériau piézoélectrique et d'autre part entre ce matériau et le milieu avant de propagation Dans cette deuxième structure, les valeurs des impédances acoustiques 30 forment de même une suite décroissante à partir de celle du matériau piézoélectrique et sont symétriques de part et d'autre de ce matériau Les tests et simulations effectués avec une structure ainsi constituée (structure qui entre dans le cadre de l'invention) montrent que le spectre (ou module de la transformée de Fourier) de 35 la réponse électrique en mode échographique à une excitation -4 électrique de type impulsionnel et de durée effective égale au temps de vol dans le matériau piézoélectrique (le temps de vol est la durée du parcours des ondes ultrasonores d'une face à l'autre du matériau piézoélectrique vibrant en X/2) est de forme gaussienne; 05 par suite, l'enveloppe de la réponse électrique est également gaussienne et cette réponse s'amortit rapidement Par ailleurs, de la symétrie de la deuxième structure, il résulte que les déformations sur les deux faces du matériau piézoélectrique sont identiques (puisque ces deux faces sont, acoustiquement, chargées de 10 façon identique) et que, par suite, la déformation est nulle dans le plan médian de ce matériau La partie de la deuxième structure qui se trouve située d'un seul c 6 té de ce plan médian est donc équivalente à un milieu arrière infiniment rigide, c'est-à-dire à déformation nulle Un tel milieu est assez facilement réalisable si 15 le matériau piézoélectrique choisi ne possède pas une impédance acoustique trop élevée: d'o la proposition de la première structure conforme à l'invention, dite à symétrie virtuelle et comprenant donc un milieu arrière rigide, une couche piézoélectrique résonnant en quart d'onde, et les éventuelles couches d'adaptation 20 d'impédance acoustique, structure qui présente les mêmes caractéristiques d'amortissement que la première structure totalement symétrique et une sensibilité améliorée. Les essais ou simulations réalisés (dans d'égales conditions électriques d'émission et de réception) ont montré la pos25 sibilité d'obtenir effectivement diverses structures répondant aux objectifs de l'invention (sensibilité et amortissement simultanément satisfaisants) Dans le cas o le matériau piézoélectrique est une céramique ferroélectrique de type PZT5 (matériau piézoélectrique à base de zirconate titanate de plomb: voir l'ouvrage 30 "Physical Acoustics, Principles and Methods", de Warren P Mason, Vol 1, partie A, page 202), on peut citer les exemples suivants (exemples à deux couches d'adaptation d'impédance acoustique): ( 1) première structure (à symétrie virtuelle): (a) conditions d'impédance (en kg/cm 2 sec x 106): 35 milieu arrière: 1000 (simulation) -5 matériau piézoélectrique: 30 première couche d'adaptation: 4 deuxième couche d'adaptation: 1,8 milieu avant de propagation: 1,5 05 (b) résultats obtenus: indice de sensibilité = -10,03 d B largeur de bande relative à 6 d B = 55 % durée de réponse à -20 d B = 7,6 T durée de réponse à -40 d B = 8,9 T 10 (on rappellera ici que la sensibilité est caractérisée par un indice de sensibilité dont l'expression est du type log Vs/VREF et qui est exprimé en d B, et que l'amortissement est généralement caractérisé par la largeur de bande relative à -6 d B du spectre fondamental, exprimée en %; cependant, cette 15 dernière information est insuffisante pour caractériser complètement l'amortissement puisqu'elle ne tient compte ni de la forme, qui peut être irrégulière, du spectre fondamental ni de la présence d'harmoniques supérieurs qui perturbent la fin des échos, et elle est complétée par deux autres indicateurs temporels qui sont les durées de la réponse à une excitation résonnante à -20 et -40 d B, exprimées en temps de vol T). ( 2) deuxième structure, à symétrie totale, duale de la précédente: (a) conditions d'impédance: 25 milieu arrière: 1,5 couches d'adaptation: 1,8 et 4 matériau piézoélectrique: 30 couche d'adaptation: 4 et 1,8 milieu avant de propagation: 1,5 30 (b) résultats obtenus: indice de sensibilité = -13 d B largeur de bande relative à -6 d B = 53 % durée de réponse à 20 d B = 7,79 T durée de réponse à -40 d B = 9,8 T 35 Dans le cas o le matériau piézoélectrique est du polyfluorure de -6 vinylidène, on peut citer de même les exemples suivants (exemples à une couche d'adaptation d'impédance acoustique): ( 3) première structure (à symétrie virtuelle): (a) conditions d'impédance: 05 milieu arrière: 46 matériau piézoélectrique: 4,6 couche d'adaptation: 1,8 milieu avant de propagation: 1,5 (b) résultats obtenus: 10 indice de sensibilité = -19,66 d B largeur de bande relative à -6 d B = 82 % durée de réponse à -20 d B = 5,4 T durée de réponse à -40 d B = 7,8 T ( 4) deuxième structure, à symétrie totale, duale de la 15 précédente: (a) conditions d'impédance: milieux arrière et avant: 1,5 couches d'adaptation arrière et avant: 1,8 matériau piézoélectrique: 4,6 20 (b) résultats obtenus: indice de sensibilité = -23,8 d B largeur de bande relative à -6 d B = 75 % durée de réponse à -20 d B = 5,63 T durée de réponse à -40 d B = 8 T 25 La caractéristique essentielle de la structure à symétrie totale (figure 2) est un très bon amortissement Les avantages de la structure à symétrie virtuelle (figure 1) sont, eux, les suivants: gain de 6 d B (au maximum) sur l'indice de sensibilité de la structure à symétrie totale, grâce à l'effet de 30 "miroir acoustique" du milieu arrière rigide qui réfléchit toute l'énergie acoustique vers l'avant, maintien du même amortissement que celui, très satisfaisant, de la structure à symétrie totale, épaisseur du matériau piézoélectrique deux fois plus faible, pour une fréquence de travail donnée, qu'avec les transducteurs 35 classiques à couche piézoélectrique en X/2 (cette dernière -7 caractéristique est importante pour des polymères piézoélectriques tels que le polyfluorure de vinylidène cité plus haut, qui sont difficiles à obtenir en fortes épaisseurs). Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux 05 exemples de réalisation décrits et représentés, à partir desquels des variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention, en particulier celles dans lesquelles on aurait choisi un nombre différent de couches d'adaptation d'impédance acoustique entre le matériau piézoélectrique et les milieux extrêmes Par ailleurs, l'invention concerne non seulement une structure telle que décrite ci-dessus avec ses variantes, mais aussi tout appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore qui comprend une ou plusieurs structures de transducteur ultrasonore de ce type. -8 REVENDICATIONS: 1 Structure de transducteur ultrasonore dans laquelle le ou les transducteurs élémentaires utilisés comprennent un substrat constituant un milieu arrière, une couche de matériau piézoélec05 trique et éventuellement une ou plusieurs couches d'adaptation d'impédance acoustique, caractérisée en ce que la ou les éventuelles couches d'adaptation sont placées uniquement entre le matériau piézoélectrique et le milieu avant de propagation, en ce que le milieu arrière a une valeur d'impédance acoustique suffisamment 10 élevée par rapport à celie du matériau piézoélectrique pour pouvoir être considéré comme rigide, c'està-dire à déformation nulle, et en ce que l'épaisseur de la couche de matériau piézoélectrique est égale au quart de la longueur d'onde associée à la fréquence de résonance du transducteur. 2 Structure de transducteur ultrasonore dans laquelle le ou les transducteurs élémentaires utilisés comprennent un substrat constituant un milieu arrière, une couche de matériau piézoélectrique d'épaisseur égale à la moitié de la longueur d'onde associée à la fréquence de résonance du transducteur, et éventuellement une 20 ou plusieurs couches d'adaptation d'impédance acoustique, caractérisée en ce que les éventuelles couches d'adaptation sont placées en nombre identique de part et d'autre du matériau piézoélectrique, les couches deux à deux symétriques ayant la mrme valeur d'impédance acoustique, et en ce que le milieu arrière a une valeur d'im25 pédance acoustique aussi voisine que possible de celle du milieu avant de propagation, de façon que la structure soit symétrique par rapport au plan médian de la couche de matériau piézoélectrique. 3 Structure selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les valeurs des impédances de la couche de 30 matériau piézoélectrique, des éventuelles couches d'adaptation d'impédance acoustique et du milieu avant de propagation forment, considérées dans cet ordre, une suite décroissante. 4 Appareil d'examen de milieux par échographie ultrasonore, caractérisé en ce qu'il comprend une ou plusieurs struc35 tures de transducteur ultrasonore selon l'une des revendications 1 à 3.