Brevet FR2745957A1 — publié le 19970912

MATERIAU PIEZOELECTRIQUE COMPOSITE DE CONNECTIVITE 3-3, APPLICATION AUX SONDES PIEZOELECTRIQUES ET PROCEDE DE REALISATION L'invention concerne un matériau piézoélectrique composite de connectivité 3-3, son application à une sonde piézoélectrique et un procédé de réalisation. L'invention est applicable, par exemple, à la réalisation de sondes d'échographie utilisées notamment dans le domaine médical. Une sonde d'échographie médicale est constituée d'un ensemble de transducteurs élémentaires qui, pilotés par une électronique de commande, agissent chacun comme émetteur ou récepteur. Le choix d'une ligne de retard particulière lors du pilotage des tensions de commande, c'est-à-dire en réglant le déphasage entre chacun des transducteurs, permet de former un faisceau d'ultrasons, de le diriger et de le focaliser latéralement (cest-à-dire dans le plan de la rangée de transducteurs) en un endroit précis. Actuellement, un transducteur acoustique élémentaire (une voie d'échographie) est essentiellement composé d'une lame de céramique dont l'épaisseur est comprise entre 180 et 600 microns et dont la surface totale est en moyenne de l'ordre de 13000*200 cime. L'ensemble de la sonde est composé de 64 à 256 éléments unitaires. Le réseau est unidimensionnel, la focalisation dans le sens transversal est assurée par une lentille. Afin d'assurer un bon transfert d'énergie acoustique entre le transducteur et le corps humain, le transducteur est muni sur la face supérieure de deux lames quart d'onde d'adaptation d'impédance acoustique et sur la face inférieure d'un matériau absorbant appelé "backing". La partie réelle de l'impédance acoustique de ce dernier est choisie de manière à maximiser l'énergie acoustique émise du côté des lames quart d'onde; la partie imaginaire (quantifiant l'absorption acoustique) est adaptée de manière à complètement atténuer l'onde acoustique dirigée vers l'arrière du dispositif. Afin d'améliorer la qualité des images, de nouvelles sondes d'échographie appelées 1.5D sont en cours de mise au point. Elles sont formées d'une matrice de 128*5 éléments. Les cinq éléments transversaux permettent de focaliser le faisceau sans utiliser de lentille acoustique. L'avantage est, par une focalisation dynamique à la fois latérale et transversale aux profondeurs d'observation, d'obtenir des images spatialement mieux résolues. Des sondes 2D sont en cours d'étude, elles sont formées d'un réseau de 128*128 transducteurs (par exemple) ce qui permet de diriger et focaliser un faisceau d'ultrasons dans tout l'espace. Avec ce type de sonde de nouveaux modes d'utilisation de l'échographe sont envisageables en in fine des images tridimensionnelles du corps humain. Aujourd'hui les matériaux piézoélectriques possèdent des propriétés physiques intrinsèques limitant sérieusement les performances des sondes actuelles. Ces propriétés sont une faible valeur de constante diélectrique et une impédance acoustique (PZT : 33.7*106 Rayl) trop différente de celle de l'eau (1.48*106 Rayl) ; elles ont pour effet de diminuer la bande passante de la sonde (et donc la résolution spatiale) et de diminuer la sensibilité (profondeur de pénétration). Ces difficultés sont actuellement levées séparément en réalisant des sondes d'échographie en utilisant soit un matériau composite piézoélectrique-polymère (meilleur accord d'impédance acoustique) soit un matériau multicouche à électrodes enterrées (meilleur accord électrique). Le document Overview of Fine-Scale Piezoelectric Ceramic/Polymer Composite Processing de V.E. JANAS et al publié par Journal Am. Ceram. Soc. 78 [11 l - 1995 - pp. 2945-2955 dresse un panorama des techniques actuelles. L'objet de l'invention est de réaliser un matériau qui à la fois soit un composite et possède des électrodes enterrées. Ce matériau est idéal pour réaliser des sondes d'échographie fonctionnant dans la gamme de fréquence 1-10 MHz. L'invention concerne donc un matériau composite 3-3 caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux couches composites piézoélectriques empilées comprenant chacune des bandes de matériaux présentant des propriétés piézoélectriques alternées avec des bandes de matériaux non piézoélectriques ou séparées par de l'air, les bandes d'une première couche étant parallèles à une première direction et les bandes d'une deuxième couche étant parallèles à une deuxième direction non parallèle à la première direction. Ce matériau présente un meilleur accord d'impédance acoustique avec le corps humain et, grâce à des électrodes enterrées à la manière d'un condensateur multicouche, le transducteur formé avec ce matériau possède une impédance électrique adaptée à l'électronique de commande sur une plus grande bande de fréquence. L'invention est donc applicable à une sonde piézoélectrique comportant un matériau, caractérisée en ce qu'elle comporte des couches conductrices de part et d'autre des couches composites piézoélectriques. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une sonde piézoélectrique caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) réalisation d'un ensemble de couches en matériau piézoélectrique alternées avec des couches en matériau volatile ou pouvant être éliminées chimiquement; b) découpe dans cet ensemble de couches de tranches perpendiculairement au plan des couches, lesdites tranches présentant ainsi des bandes alternées de matériau piézoélectrique et de matériau à éliminer; c) empilement des tranches de telle façon que les bandes des tranches de rangs pairs sont parallèles à une première direction (Ox) et les bandes des tranches de rangs impairs sont parallèles à une deuxième direction (Oy), et de telle façon que les bandes homologuées des tranches de rangs pairs sont contenues dans des plans perpendiculaires au plan des tranches et que les bandes homologues des tranches de rangs impairs sont contenues dans des plans également perpendiculaires au plan des tranches; d) frittage de l'empilement réalisé et élimination des bandes en matériau volatile ou pouvant être éliminées chimiquement; e) réalisation de couches conductrices sur les faces extérieures de l'empilement. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - les figures 1 et 2, un exemple de réalisation d'un matériau composite 3-3; - la figure 3, un matériau composite 2-2 utilisable dans le procédé selon l'invention; - les figures 4a à 4f, différentes étapes de réalisation d'une sonde d'échograhique selon l'invention; - la figure 5, une sonde d'échographie selon l'invention; - les figures 6a à 6e, différentes étapes de réalisation du composite 2-2 de la figure 3; - les figures 7a à 7c, différentes étapes de réalisation d'une sonde 2D. On va donc tout d'abord décrire une structure en matériau composite 3-3. Cette structure comporte des couches C1, C2, .. empilées les unes sur les autres. Chaque couche comporte des bandes de matériaux B1 pour la couche C1, 82 pour la couche C2. Les bandes B1 sont orientées parallèlement à une direction Oy non parallèle à la direction Ox. De préférence, les directions Ox et Oy sont orthogonales. De préférence, le pas de répartition des bandes B1 dans la couche C1 et celui des bandes B2 dans la couche C2 sont réguliers et si possible égaux. L'intersection de deux bandes des deux couches C1, C2 forme un élément perpendiculaire au plan des couches. En empilant une alternance de couches C1 et C2 de telle façon que les bandes B1 homologues des différentes couches C1 soient dans un plan perpendiculaire au plan des couches et que les bandes B2 homologues des différentes couches C2 soient des plans également perpendiculaires au plan des couches, on constitue des éléments perpendiculaires au plan des couches. Sur la figure 2 on a schématisé en pointillés un tel élément bl. Selon l'invention, les bandes B1, 82 sont en matériau piézoélectrique. On réalise ainsi une matrice d'éléments piézoélectriques de forme allongée et perpendiculaire au plan des couches. Une telle structure peut être alors utilisée dans une sonde d'échographie. Pour cela, on prévoit sur les faces extérieures de l'empilement de couches C1, C2, ... qui sont parallèle au plan xOy, des électrodes. Pour des raisons de performances (constante diélectrique) des éléments piézoélectriques (bl) on prévoit entre chaque couche des électrodes. On a ainsi des électrodes enterrées. En se reportant à la figure 5, on va donc maintenant décrire un exemple d'une sonde d'échographie. On retrouve dans cette sonde un empilement de couches C1, C2. Cet empilement est répété deux fois sur la figure 5. Les bandes de matériaux B1 de la couche C1 sont parallèles à la direction Ox. les bandes de matériau B2 de la couche C2 sont parallèles à la direction Oy. Des fentes f1 parallèles au plan xOz et des fentes f2 parallèles au plan yOz coupent les couches telles que C1, C2 de façon à découpler mécaniquement des éléments de la sonde tel que par exemple l'élément P1 qui constitue ainsi un transducteur élémentaire. De part et d'autre des couches telles que C1, C2 sont prévues des électrodes El, E2. Une électrode sur deux telle que l'électrode E2 affleure la face d'un élément P1 délimitant une fente f1 (ou la face extérieure de la sonde opposée à une fente fil). Les autres électrodes telles que El affleurent la face opposée de l'élément P1. Ces faces sont métallisées de façon à interconnecter les électrodes El d'une part et les électrodes E2 d'autre part. Des conducteurs d'interconnexion tels que 11, 12 sont connectés aux faces métallisées pour commander individuellement chaque élément piézoélectrique tel que PI. Enfin une plaque PL permet de raccorder mécaniquement les différents éléments piézoélectriques pour les maintenir sous forme d'un capteur unique. Cette plaque PL est par exemple en polyimide et ne propage pas les contraintes mécaniques entre éléments piézoélectriques. En se reportant aux figures 4a à 4e, on va maintenant décrire un procédé de réalisation de la sonde selon l'invention. Le point de départ de réalisation de ce composite est un composite de type 2-2 formé de lames de matériau 1 séparées par des lames de matériau 2 (voir figure 3). Le matériau 1 est une poudre de céramique piézoélectrique enrobée dans un polymère, ce matériau est appelé "vert" ou "cru" dans la technique des céramiques. Cette expression implique que ce matériau doit encore subir un traitement thermique de densification. Le matériau 2 est simplement un polymère chargé d'un produit disparaissant à hautes températures (matériau sacrificiel) par exemple du graphite ou un autre polymère. Typiquement dans le cas de l'application sonde médicale d'échographie l'épaisseur des lames est comprise entre 10 et 50 microns. Le composite 2-2 se présente sous la forme extérieure d'un barreau de dimensions extérieures par exemple 5*5*1 cm3. Des bandes d'épaisseur 100 pm, par exemple, sont découpées dans ce barreau perpendiculairement au plan du barreau. Chaque bande a donc des dimensions égales 5*5 cm2*100 pm. Les bandes sont empilées les unes sur les autres mais chaque couche est tournée de 90" par rapport aux couches adjacentes. On réalise ainsi une structure du type de la figure 2. Au bout de 5 couches nous obtenons un empilement de 500 microns de haut dont la couche inférieure est formée de plans verticaux de matériau piézoélectrique dirigés par exemple parallèlement au plan xOz. La couche directement supérieure est formée de plans verticaux dirigés parallèle au plan yOz, celle encore dessus est orientée de nouveau parallèlement au plan xOz. Sur les faces supérieures et inférieures sont déposées des couches de matériau piézoélectrique, par exemple par sérigraphie. Une fois frittée cette couche aura pour objectif de maintenir en place les barres verticales des niveaux supérieurs et inférieurs. L'ensemble est fritté, les couches sacrificielles disparaissent, il reste un matériau composite à air formé de barres placées en croix les unes sur les autres (figures 1 et 2). La réalisation d'une sonde piézoélectrique ou sonde d'échographie utilise le même procédé de réalisation avec en plus la réalisation d'électrodes. Dans ce cas toutes les opérations réalisées sur le matériau cru de l'exemple précédent sont identiques. L'épaisseur est ajustée par usinage jusqu'à obtenir la résonance mécanique dans l'épaisseur égale à la fréquence d'utilisation de la sonde. Les électrodes sont déposées par sérigraphie sur les surfaces supérieure et inférieure du matériau cru. L'ensemble est fritté. II ne reste plus qu'à passer aux opérations de connexion et d'empilement des lames quart d'onde et du backing et enfin la mise en boîtier de l'ensemble. Une variante de cette sonde est de désolidariser les différents transducteurs en découpant le composite perpendiculairement à la face principale de la sonde, cette opération peut se faire soit avant soit après frittage. La réalisation de sondes 1,5D et 2D conduit à une diminution drastique de la surface des transducteurs élémentaires. Cela combine à la diminution de constante diélectrique apparente (du fait du composite) amène à modifier la géométrie des électrodes de chacun des transducteurs. Cellesci sont placées à l'intérieur de la céramique de manière similaire aux électrodes d'un condensateur multicouche. L'actuateur est construit couche après couche de la même façon que le composite hormis le fait que sur chaque couche composite une série d'électrodes est déposée par le sérigraphie (figure 4a). Quand l'empilement est terminé (figure 4b) une première série de fentes fl est pratiquée de manière à découvrir une extrémité de chacune des électrodes (figure 4c). Les flancs des fentes fl sont métallisés (figure 4d). La technique de métallisation peut être soit le dépôt d'une encre de sérigraphie à propriété rhéologique adaptée soit une métallisation par dépôt sous vide suivi d'une recharge électrolytique. Des fentes transversales f2 sont alors pratiquées dégageant ainsi les transducteurs élémentaires (figure 4e). L'ensemble est fritté. Après avoir réalisé le système d'interconnexion électrique, on obtient une sonde 2D telle que représentée en figure 5 et décrite précédemment. Afin d'augmenter la bande passante de la couche d'adaptation d'impédance il est intéressant de remplacer les lames quart d'onde par un composite ayant un gradient de concentration en céramique variable avec la hauteur. II suffit dans ce cas de réaliser des matériaux composites 2-2 avec des épaisseurs d'intercalaire variable par exemple 15, 20, 30 microns pour une épaisseur de céramique toujours identique égale par exemple à 10 microns. La fabrication de l'ensemble de couches de la figure 3 peut se faire à partir de deux pâtes d'extrusion (mélange de polymères) chargées respectivement de poudre de céramique piézoélectrique et de poudre de graphite (ou un autre polymère). La granulométrie des poudres doit être sutfisamment fine (inférieure au micron) de même que la texture des pâtes de manière à ce que même après une forte déformation ces dernières gardent une certaine tenue ou continuité. Ces deux pâtes sont laminées de façon à obtenir deux plaques d'environ 1 cm d'épaisseur (figure 6a). Ces deux plaques sont superposées et laminées ensemble sans mofifier l'écartement des rouleaux du laminoir (figure 6b). Le bicouche obtenu est coupé en deux dans le sens transversal (figure 6c). Les deux parties sont superposées et à nouveau laminées (figure 6a). Une plaque composée de quatre couches et de dimensions identiques au bicouche initial est alors obtenu. Les opérations de découpe et laminage sont renouvelées plusieurs fois de manière à obtenir le nombre de couches (et donc l'épaisseur de couche) visé. Le nombre de couches augmente comme deux à la puissance le nombre d'opérations. Par exemple si l'épaisseur des couches visée est de 10 microns et si l'épaisseur des plaques (ou de l'espacement des rouleaux du laminoir) est de 1 cm, le nombre d'opérations à effectuer sera égal à 10. Deux autres procédés possibles de réalisation de cet empilement couches céramiques-couches sacrificielles sont le coulage en bande et la sérigraphie (ces deux techniques sont largement utilisées dans l'industrie du condensateur céramique multicouche). L'ensemble est alors découpé perpendiculairement aux plans de manière à obtenir des tranches de 100 microns environ d'épaisseur. Cette opération peut être réalisée par exemple avec un microtome, une scie à fil ou avec un disque abrasif tournant à grande vitesse. De manière à ajuster les propriétés mécaniques du polymère chargé aux opérations de découpe, un traitement préalable de durcissement par polymérisation pourra être réalisé (chauffage ...). Les différents niveaux sont alors collés les uns sur les autres par thermocompression ou compression après application d'un brouillage de solvants. Les électrodes sont sérigraphiées sur l'empilement. La forme des électrodes peut être avantageusement choisie de manière à ce que les opérations de découpe découvrent automatiquement les électrodes. Dans ce cas les électrodes ont la forme de rubans placés en quinconce d'un plan à l'autre (figures 4a - 4e et 5). La largeur des rubans est légèrement inférieure à une longueur équivalente à deux fois la largeur d'un élément piézoélectrique (tel que P1 sur la figure 5) plus la distance entre deux de ces éléments. La distance entre les deux rubans est légèrement supérieure à la largeur de la fente. Des fentes (fil) sont pratiquées dans le sens des rubans sérigraphiés. Une fente sur deux est placée au centre des rubans de la face supérieure, une fente sur deux est placée entre ces mêmes rubans (figures 4c et 7b). Les fentes f2 sont ensuite réalisées par découpes transversales aux fentes f1 (figure 4f). L'ensemble est ensuite fritté. La courbe de température et l'atmosphère de frittage doit être ajustée de manière à ménager un brulage lent des matières organiques et du graphite. Selon une variante de réalisation, I'épaisseur des bandes telles que B1 et leurs espacements peuvent varier d'une couche à l'autre. On peut ainsi obtenir un gradient contrôlé d'impédance acoustique selon le sens perpendiculaire aux couches. REVENDICATIONS 1. Matériau composite de connectivité 3-3 caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux couches composites piézoélectriques empilées comprenant chacune des bandes de matériaux présentant des propriétés piézoélectriques alternées avec des bandes de matériaux non piézoélectriques ou séparées par de l'air, les bandes d'une première couche étant parallèles à une première direction et les bandes d'une deuxième couche étant parallèles à une deuxième direction non parallèle à la première direction. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plus de deux couches, les croisements des bandes de matériaux, présentant des propriétés piézoélectriques des différentes couches constituant des colonnes de matériaux piézoélectriques. 3. Matériau selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites colonnes sont perpendiculaires au plan des couches. 4. Matériau selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première direction est orthogonale à la deuxième direction. 5. Matériau selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de couches, les couches dont les bandes sont parallèles à la première direction étant alternées avec les couches dont les bandes sont parallèles à la deuxième direction. 6. Matériau selon la revendication 5, caractérisé en ce que les différentes couches sont frittées ensemble. 7. Matériau selon la revendication 1, les largeurs des bandes en matériau piézoélectrique et leurs espacements varient d'une couche à l'autre. 8. Sonde piézoélectrique comportant un matériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des couches conductrices de part et d'autre des couches composites piézoélectriques. 9. Sonde selon la revendication 8, caractérisée en ce que les couches conductrices de part et d'autre des couches composites se présentent sous forme de bandes, une bande d'une couche composite affleurant un flanc de la couche tandis que la bande située sur la face opposée affleure le flanc opposé de la couche, chacun de ces flancs étant muni d'une couche conductrice interconnectant chacune les bandes conductrices affleurant le flanc correspondant. 10. Sonde selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'elle comporte des premières fentes (f1) parallèles à la première direction, et des deuxièmes fentes (f2) parallèles à la deuxième direction, les couches conductrices se présentent sous forme de bandes, une bande d'une couche composite affleurant une des premières fentes (fil) située d'un côté de la couche composite tandis que la bande située sur la face opposée de la couche composite affleure une fente (fil) située du côté opposé de la couche composite, les surfaces des premières fentes (f2) étant métallisées. 11. Sonde selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte des conducteurs connectés à chaque surface métallisée. 12. Sonde selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte une plaque de solidarisation (PL) sur laquelle sont fixés les différents éléments piézoélectriques définis par les premières fentes et les deuxièmes fentes. 13. Procédé de réalisation d'une sonde piézoélectrique caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) réalisation d'un ensemble de couches (11) en matériau piézoélectrique alternées avec des couches (2) en matériau volatile ou pouvant être éliminées chimiquement; b) découpe dans cet ensemble de couches de tranches (C1, C2) perpendiculairement au plan des couches (C1, C2, ...), lesdites tranches présentant ainsi des bandes alternées de matériau piézoélectrique et de matériau à éliminer; c) empilement des tranches de telle façon que les bandes des tranches de rangs pairs sont parallèles à une première direction (Ox) et les bandes des tranches de rangs impairs sont parallèles à une deuxième direction (Oy), et de telle façon que les bandes homologuées des tranches de rangs pairs sont contenues dans des plans perpendiculaires au plan des tranches et que les bandes homologues des tranches de rangs impairs sont contenues dans des plans également perpendiculaires au plan des tranches; d) frittage de l'empilement réalisé et élimination des bandes en matériau volatile ou pouvant être éliminées chimiquement; e) réalisation de couches conductrices sur les faces extérieures de l'empilement. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les première et deuxième directions (Ox, Oy) sont orthogonales. 15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'avant empilement des tranches, cellesci sont revêtues sur leurs deux faces principales de couches conductrices. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les couches conductrices sont réalisées sous forme de bandes conductrices et qu'après empilement des tranches, des première fentes et deuxièmes fentes non parallèles sont réalisées perpendiculairement au plan des tranches pour individualiser des éléments en matériau piézoélectrique. 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les bandes conductrices sont réalisées de telle façon qu'après réalisation des fentes, chaque élément possède selon le sens de l'épaisseur, alternativement une bande qui atteint une première fente qui borde une face, I'élément et une bande qui atteint une première fente qui borde la face opposée de l'élément. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que les premières fentes sont métallisées. 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que des connexions sont réalisées sur les métallisations des fentes.