Brevet FR2740933A1 — publié le 19970509

SONDE ACOUSTIQUE ET PROCEDE DE REALISATION Le domaine de l'invention est celui des transducteurs acoustiques pouvant être utilisés notamment en imagerie médicale ou sous-marine. De manière générale, une sonde acoustique comprend un ensemble de transducteurs piézoélectriques reliés à un dispositif d'électronique de commande par l'intermédiaire d'un réseau d'interconnexion. Ces transducteurs piézoélectriques émettent des ondes acoustiques qui après réflexion sur un milieu donné foumissent des informations concemant ledit milieu. Des ondes acoustiques émises non plus vers le milieu extérieur à analyser, mais dans la direction opposée viennent perturber la réponse du milieu rendant indispensable l'interposition d'un milieu absorbant les ondes acoustiques, entre les transducteurs piézoélectriques et le dispositif électronique. La présence de cet élément intermédiaire rend plus complexe encore l'interconnexion de tous les transducteurs. Ce problème d'interconnexion est l'un des principaux problèmes rencontrés à l'heure actuelle pour la fabrication des sondes d'imagerie acoustique. En effet, la miniaturisation et le nombre d'éléments piézoélectriques, associés aux contraintes de limitation de l'encombrement, rencontrées pour des sondes d'échographe destinées à être utilisées intracavité, nécessitent des technologies de plus en plus intégrées. Et lorsque l'on envisage une matrice bidimensionnelle de transducteurs, il est nécessaire de réaliser une connectique surfacique des éléments, compliquée par la présence de la couche absorbante acoustique. A l'heure actuelle, plusieurs solutions ont été envisagées: Ainsi la demanderesse dans sa demande de brevet publiée sous le n" 2 702 309, décrit un procédé de réalisation d'une connectique surfacique utilisant un film intermédiaire de polymère, suffisamment mince pour ne pas perturber le fonctionnement acoustique des transducteurs, film au travers duquel sont réalisées des pistes conductrices mises en contact avec les transducteurs acoustiques. Néanmoins, I'interconnexion d'une matrice bidimensionnelle comportant un grand nombre d'éléments peut nécessiter la réalisation d'une structure multicouches, ce qui représente des limitations en terme de coût de fabrication et de "transparence" acoustique. Lié au problème de multiplicité des connexions, un autre problème est celui de l'électronique des transducteurs. En effet, des circuits électroniques sont nécessaires pour gérer à la fois l'émission et la réception des éléments du transducteur. Dans le cas de l'imagerie médicale où l'ergonomie de la sonde est essentielle, ces circuits sont aujourd'hui déportés dans l'échographe, qui constitue l'unité de commande et de traitement du signal. Cette configuration nécessite l'utilisation de câbles coaxiaux (un par élément de transducteur) entre la sonde et l'échographe, ce qui pose des problèmes dans le cas d'un grand nombre d'éléments. II existe donc une forte motivation pour intégrer au plus près du transducteur une partie de cette électronique, comme par exemple des circuits intégrés de pré-amplification. Pour répondre à ces différents problèmes, I'invention a pour objet une sonde acoustique comprenant une matrice de M transducteurs piézoélectriques selon une direction Dy et de N transducteurs piézoélectriques selon une direction Dx orthogonale à Dy, répartis à la surface d'un matériau absorbant acoustique et un réseau d'interconnexions reliant les transducteurs acoustiques à un dispositif électronique, caractérisée en ce que le réseau d'interconnexion comprend:: - une première partie 1 dans laquelle MxN pistes conductrices ont une section en contact avec les MxN transducteurs piézoélectriques et sont distribuées selon un pas Pn dans la direction Dx et selon un pas Pm dans la direction Dya au sein du matériau absorbant acoustique; - une deuxième partie 2 dans laquelle les MxN pistes conductrices sont réparties sur M substrats diélectriques écartés d'un pas P'm comprenant chacun N pistes distribuées avec un pas P n Selon une variante de l'invention, les substrats diélectriques sont des circuits imprimés souples. Ils peuvent avantageusement comprendre des composants connectés en entrée aux N lignes conductrices et en sortie à NS lignes conductrices, NS étant inférieur à N. Dans une variante de l'invention, le pas P'N peut avantageusement être croissant le long d'un axe Dz perpendiculaire au plan défini par les directions Dx et Dy. Le pas P'M peut également avantageusement être croissant selon ladite direction Dz. De manière non limitative, les pas PN et pM peuvent être égaux. Le matériau absorbant acoustique peut typiquement être une résine époxy chargée de particules ayant pour effet d'absorber ou de diffuser les ondes acoustiques, telles que des particules de tungstène, de silice, de polymère ou des bulles d'air. Les substrats diélectriques peuvent avantageusement être des circuits imprimés. II peut notamment s'agir de circuits souples réalisés à partir de films de polyimide. Ces circuits imprimés peuvent avantageusement comprendre des composants permettant de réduire le nombre de connexion vers le dispositif de commande et de traitement du signal. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'une sonde acoustique comprenant une matrice de MxN éléments piézoélectriques répartis à la surface d'une couche d'atténuation acoustique, lesdits éléments étant reliés à un dispositif électronique (circuit de commande) par un réseau d'interconnexion, caractérisé en ce que la réalisation du réseau d'interconnexion comprend les étapes suivantes:: - la réalisation de M substrats diélectriques sur chacun desquels sont réalisées N pistes conductrices et une fenêtre laissant localement à nu les pistes conductrices; - I'empilement des M substrats diélectriques conduisant à l'obtention d'une cavité correspondant à l'empilement des M fenêtres; - le remplissage de la cavité préformée par un matériau isolant électrique et absorbant acoustique; - la découpe de l'empilement des M substrats diélectriques au niveau d'un plan PC situé dans la cavité remplie de matériau isolant et absorbant acoustique. Les pistes conductrices peuvent être réalisées à partir du dépôt d'une couche métallique, suivi d'une étape de gravure permettant de définir lesdites pistes. L'invention a enfin pour objet un procédé de réalisation d'une sonde acoustique, caractérisé en ce qu'il comprend: - le dépôt d'une couche conductrice à la surface de la partie 1 du réseau d'interconnexion; - le collage d'une couche de matériau piézoélectrique; - la découpe des couches conductrice et piézoélectrique, selon N 1 direction Dy; - le collage d'une lame quart d'onde sur l'ensemble de la surface de la couche piézoélectrique découpée en N éléments; - la découpe selon M-1 directions Dx des trois épaisseurs de couche conductrice, couche piézoélectrique et lame quart d'onde. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre une étape du procédé de fabrication de sonde acoustique, selon l'invention; - la figure 2 illustre l'étape de découpe selon un plan Pç de l'empilement réalisé et illustré en figure 1, de manière à définir des sections de pistes conductrices, pouvant être connectées aux transducteurs piézoélectriques; - la figure 3 illustre un exemple de circuit imprimé souple pouvant être utilisé dans un réseau d'interconnexion de la sonde acoustique selon l'invention; - la figure 4 illustre un second exemple de circuit imprimé pouvant être utilisé dans le réseau d'interconnexion de la sonde acoustique selon l'invention; ; - la figure 5 illustre un exemple de réseau d'interconnexion utilisé dans une sonde selon l'invention, comprenant des circuits imprimés tels que ceux illustrés en figure 4; - la figure 6 illustre un substrat diélectrique intégrant une puce et pouvant être utilisé dans la partie 2 du réseau d'interconnexion; - la figure 7 illustre l'ensemble des Tij transducteurs piézoélectriques recouverts de Li lames quart d'onde, connectés à la partie 1 du réseau d'interconnexion. De manière générale, la sonde acoustique selon l'invention comprend un transducteur constitué d'une matrice (linéaire ou de façon préférentielle bidimensionnelle) de capteurs piézoélectriques reporté sur une matrice de plots d'interconnexion en regard. Cette matrice d'interconnexion est constituée par des extrémités de pistes métalliques émergeant sur l'une des faces d'un réseau d'interconnexions décrit ci-après et nommé "backing". Les extrémités opposées des pistes métalliques sont connectées à un dispositif électronique de commande et d'analyse. Dans le cas d'une matrice de MxN éléments piézoélectriques, le réseau d'interconnexion peut être réalisé de la manière suivante: Selon une variante de l'invention on utilise M substrats diélectriques, sur lesquels ont été réalisés N pistes conductrices le long d'un axe Dx. Chaque substrat comporte une fenêtre laissant localement à nu les pistes conductrices. L'ensemble des M substrats sont alignés et empilés selon une direction Dy comme l'illustre la figure 1. On obtient ainsi un empilement de M substrats diélectriques, ledit empilement présentant une cavité comportant MxN pistes conductrices. On remplit cette cavité d'une résine durcissable isolante électriquement et possédant les propriétés d'atténuation acoustique désirée. Après durcissement de la résine, on coupe l'empilement selon un plan PC perpendiculaire à l'axe des pistes, au niveau de la cavité préformée comme l'illustre la figure 2, afin de réaliser une surface constituée de MxN sections de pistes affleurant perpendiculairement la résine. Pour assurer la connexion entre ces MxN sections de pistes et les éléments piézoélectriques on peut avantageusement procéder de la manière suivante: On métallise l'ensemble de la surface constituée des MxN sections de pistes. On y appose une couche de matériau piézoélectrique, pouvant être de type PZT et éventuellement une couche d'adaptation acoustique de type lame quart d'onde. L'ensemble de ces couches et de la métallisation est alors découpé par exemple par sciage de manière à définir la matrice de plots transducteurs Tii indépendants les uns des autres. L'arrêt de la découpe peut être effectué à la surface de la résine et le contrôle de cette gravure ne nécessite pas une précision extrême, rendant ce procédé particulièrement intéressant.Ce type de procédé permet à partir d'une section étroite de piste conductrice, d'aligner et de définir une surface conductrice d'interconnexion, aussi large que la base d'un transducteur piézoélectrique. Le réseau d'interconnexion ainsi élaboré comprend deux parties jointes, I'une étant à base de matériau absorbant acoustique (partie 1), I'autre étant à base de diélectrique (partie 2), L'ensemble des deux parties comprenant les pistes conductrices. Les substrats diélectriques peuvent avantageusement être des circuits imprimés souples comprenant à une de leur extrémité des pistes conductrices; un exemple de ce type de circuit imprimé et illustré en figure 3. Avec ce type de substrat, lorsqu'on s'éloigne de l'extrémité portant les sections métalliques destinées à être connectées aux transducteurs, le pas P'N des pistes et le pas p'M d'empilement des substrats peuvent avantageusement augmenter lorsque l'on s'éloigne de ladite extrémité. En "éclatant" ainsi les géométries on facilite l'interconnexion avec le dispositif électronique de commande et de traitement du signal et l'ensemble de ces composants. Le pas p'N des pistes des circuits imprimés peut facilement être contrôlé par les techniques conventionnelles de photolithographie et de gravure.L'élargissement du pas d'empilement p'M est directement maîtrisé grâce à l'emploi de circuits souples. La configuration ici proposée pour le "backing" permet à la fois de déporter la connectique de la matrice d'une certaine distance (grâce au matériau absorbant acoustique) et d'éclater la géométrie afin de permettre le report des câbles (soudage de câbles coaxiaux à raison d'un câble par élément). Par ailleurs, les circuits imprimés utilisés dans l'invention peuvent avantageusement être du type de celui illustré en figure 6. Il s'agit d'un circuit imprimé sur lequel N pistes métalliques d'entrée sont connectées à une puce, présentant un nombre d'entrées plus important que le nombre de sorties dirigées vers le dispositif de commande et de traitement du signal. En effet, des composants peuvent être directement montés sur le circuit imprimé par exemple par câblage filaire, TAB (Tape Automated Bonding) ou procédé par microbilles flip-chip technologies parfaitement maîtrisées et fiables. Dans ce cas, le nombre de contacts à l'autre extrémité du "backing" peut être grandement diminué. Nous allons décrire un exemple de réalisation de sonde acoustique selon l'invention comportant une matrice de 64x64 éléments transducteurs piézoélectriques. - Pour réaliser le réseau d'interconnexions, on utilise des films de polyimide d'épaisseur voisine de 100 pm. - On effectue une métallisation par dépôt de cuivre sur une face desdits films de polyimide; I'épaisseur de la métallisation étant de l'ordre de 35 pm. - On grave 64 pistes conductrices de 50 pm de largeur au pas pN de l'ordre de 200 Clam. - Sur chaque substrat diélectrique de polyimide on réalise une fenêtre et des trous de positionnement à la périphérie dudit substrat, par découpe laser (type laser CO2). - On procède à l'empilement de l'ensemble des 64 films de polyimide en insérant éventuellement des couches d'adhésif et des cales d'épaisseur; - On remplit la cavité résultant de l'empilement de l'ensemble des fenêtres par une résine de type époxy, chargée de billes de tungstène. - On procéde à la découpe selon le plan pC de l'empilement des substrats diélectriques. Sur le réseau d'interconnexion ainsi réalisé on procède au dépôt d'une couches conductrice par exemple par métallisation sous vide sur laquelle on dépose une lame de matériau piézoélectrique de type PZT, par collage. On procède à la découpe dans la direction Dy de la matrice de transducteurs comprenant 64 éléments séparés d'un pas pN = 200 pm dans la direction Dx. On colle les lames d'adaptation acoustiques de la même manière. La face inférieure de la première lame est métallisée, ce qui permet de ramener les masses sur les bords de la matrice. Enfin on procède à la découpe (de l'ensemble lame quart d'onde, couche céramique) dans la direction Dx des 64 rangées d'éléments au pas PM: : 200 pm dans la direction Dy. La figure 7 illustre ces différentes étapes de procédé conduisant à l'obtention de MxN éléments piézoélectriques Tij, recouverts de Li lames quart d'onde. Sur cette figure, seule la partie 1 du réseau d'interconnexion est représentée, s'agissant de la partie supportant les différents transducteurs. REVENDICATIONS 1. Sonde acoustique comprenant une matrice de M transducteurs piézoélectriques selon une direction (Dx) et de N transducteurs piézoélectriques selon une direction (Dy) orthogonale à (Dx), répartis à la surface d'un matériau absorbant acoustique, et un réseau d'interconnexions reliant les transducteurs acoustiques à un dispositif électronique de commande et de traitement du signal, caractérisée en ce que le réseau d'interconnexion comprend:: - une première partie (1) dans laquelle MxN pistes conductrices ont une section en contact avec les MxN transducteurs piézoélectriques et sont distribuées selon un pas (PN) dans la direction (Dx) et selon un pas (PM) dans la direction (Dy), au sein du matériau absorbant acoustique; - une deuxième partie (2) dans laquelle les MxN pistes conductrices sont réparties sur M substrats diélectriques écartés d'un pas (P'M) comprenant chacun N pistes distribuées avec un pas (P'N). 2. Sonde acoustique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les M substrats diélectriques sont des circuits imprimés souples. 3. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le pas (P'N) est croissant le long d'un axe perpendiculaire en plan défini par les directions (Dx) et (Dy). 4. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le pas (P'M) est croissant le long d'un axe perpendiculaire au plan défini par les directions (Dx) et (Dy). 5. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que les M substrats sont des circuits imprimés. 6. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les M substrats comprennent des composants connectés en entrée à N lignes conductrices et en sortie à N5 lignes conductrices, Ns étant inférieur à N 7. Sonde acoustique selon la revendication 5, caractérisée en ce que les circuits imprimés sont des films souples de polyimide. 8. Sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que le matériau absorbant acoustique est une résine époxy chargée. 9. Procédé de fabrication d'une sonde acoustique comprenant une matrice de MxN éléments piézoélectriques répartis à la surface d'une couche d'atténuation acoustique, lesdits éléments étant reliés à un dispositif électronique de commande et de traitement du signal par un réseau d'interconnexion, caractérisé en ce que la réalisation du réseau d'interconnexion comprend les étapes suivantes:: - la réalisation de M substrats diélectriques sur chacun desquels sont réalisées N pistes conductrices et une fenêtre laissant localement à nu les pistes conductrices; - I'empilement des M substrats diélectriques conduisant à l'obtention d'une cavité correspondant à l'empilement des M fenêtres - le remplissage de la cavité préformée par un matériau isolant électrique et absorbant acoustique; - la découpe de l'empilement des M substrats diélectriques au niveau d'un plan (Pc) situé dans la cavité remplie de matériau isolant et absorbant acoustique. 10. Procédé de réalisation d'une sonde acoustique selon la revendication 9, caractérisée en ce que les M supports diélectriques sont des circuits imprimés. 11. Procédé de réalisation d'une sonde acoustique selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comprend: - le dépôt d'une couche conductrice à la surface de la partie (1) du réseau d'interconnexion; - le collage d'une couche de matériau piézoélectrique; - la découpe des couches conductrice et piézoélectrique, selon N1 direction Dy; - le collage d'une lame quart d'onde sur l'ensemble de la surface de la couche piézoélectrique découpée en N éléments; - la découpe selon M-l directions (Dx) des trois épaisseurs de couche conductrice, couche piézoélectrique et lame quart d'onde.