Brevet FR2818170A1 — publié le 20020621

Le domaine de l'invention est celui des sondes acoustiques notamment utilisées pour l'imagerie médicale et plus précisément celui des sondes composées de plusieurs éléments (ou voies) excités indépendamment les uns des autres. Des méthodes de réalisation de ces sondes ont été décrites dans plusieurs documents et notamment dans la demande de brevet WO 97/17145. Cette méthode consiste à réaliser dans un premier temps un assemblage : circuit imprimé comportant un réseau d'interconnexion/ couche de matériau piézoélectrique/lames d'adaptation acoustique. Plus précisément le circuit imprimé comporte des pistes conductrices permettant d'adresser différents éléments acoustiques. L'électrode de masse est commune à tous les éléments et est réalisée en intercalant entre les lames d'adaptation acoustique et la couche de matériau piézoélectrique, un film mince métallique ou de polymère métallisé. Ce film mince est alors replié sur les côtés comme l'illustre la Figure 1 qui représente des éléments transducteurs T, l (réalisés en matériau piézoélectrique), et des éléments d'adaptation acoustiques Aji et Al2 dont l'impédance varie de manière à assurer une adaptation acoustique efficace. Chaque transducteur élémentaire peut ainsi être commandé entre le plan de masse P et une métallisation Me,, connectée au réseau d'interconnexion 1. Pour satisfaire à des contraintes d'encombrement le plan de masse souple est replié sur les faces latérales de la sonde, conduisant en raison du rayon de courbure dudit plan a une dimension typiquement de l'ordre de 500 um, augmentant par la même l'empreinte de la sonde. Il est à noter par ailleurs que ce plan de masse situé entre les éléments piézoélectriques et les éléments d'adaptation acoustique introduit un élément perturbateur au niveau de la propagation des ondes acoustiques et entraîne une dégradation des performances acoustiques de la sonde. L'augmentation de la taille de l'empreinte de la sonde et/ou la dégradation des performances acoustiques constituent des facteurs limitatifs pour des applications endocavitaires ou cardiologiques qui utilisent des sondes à faible empreinte et à hautes performances acoustiques. Dans ce contexte la présente invention propose un nouveau procédé de fabrication de sonde acoustique utilisant une méthode originale de fabrication du plan de masse. Plus précisément l'invention a pour objet un procédé de fabrication de sonde acoustique comportant des transducteurs piézoélectriques unitaires, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - la réalisation d'un réseau de connexion comprenant des connexions primaires et des plages de masse, à la surface d'un film diélectrique ; - la superposition d'une couche de matériau piézoélectrique à la surface du réseau de connexion ; - la réalisation d'un film conducteur à la surface d'un film souple ; - l'ablation sur une surface déterminée du film souple, laissant à nu le film conducteur, localement au niveau du film souple ; - l'assemblage du film conducteur mis à nu, à la surface du matériau piézoélectrique et du film souple à la surface du film diélectrique ; une opération selon un premier axe de découpe de l'ensemble constitué par le film conducteur et par le matériau piézoélectrique de manière à définir les transducteurs piézoélectriques unitaires. Avantageusement le film souple est un film de Polyimide, et le film conducteur est un film métallique. Avantageusement le film métallique peut être réalisé en deux étapes. Une première métallisation est réalisée à la surface du film souple, puis une seconde métallisation est effectuée pour venir augmenter l'épaisseur de métallisation. Selon une variante de l'invention le film souple peut posséder une épaisseur de l'ordre de 10 à 25 um, et le film diélectrique peut posséder une épaisseur de l'ordre de 25 à 50 um. Selon une variante de l'invention la première étape de métallisation est effectuée par pulvérisation ou par électroless (I'électroless ou la métallisation par voie chimique consiste à tremper le film dans un bain saturé en ions du métal à déposer. La saturation permet d'avoir un dépôt métallique à la surface du film). La seconde étape peut être réalisée par dépôt électrolytique. En effet lors de la première étape de métallisation on peut typiquement obtenir une épaisseur de l'ordre du micron, alors que la seconde étape permet d'obtenir une épaisseur pouvant atteindre une dizaine de microns. Selon une variante de l'invention le film souple peut être ablaté localement par un laser de type Crû2, dans le but d'enlever localement le film souple et de laisser uniquement la couche métallique. Avantageusement le film métallique peut être en cuivre ou en nickel. Le procédé selon l'invention peut aussi comprendre une troisième étape de métallisation, avec un métal noble de type or pour éviter l'oxydation du film métallique obtenu par les étapes précédentes. Selon une variante de l'invention, l'assemblage du film souple à la surface du film diélectrique peut également être réalisé en utilisant une colle type colle liquide polymérisable à la température ambiante ou à chaud. Selon une autre variante de l'invention, le procédé peut comprendre le dépôt d'une couche conductrice adhésive intermédiaire entre le matériau piézoélectrique et le film diélectrique. Grâce au procédé de l'invention, l'ablation localisée du film souple, permet de laisser uniquement le film conducteur dans une zone de contact avec la couche de matériau piézoélectrique. La fine épaisseur du film conducteur n'entraîne ainsi pas de changement significatif des propriétés acoustiques de la sonde. De plus ce film métallique fin est facilement manipulable car il est supporté sur son périphérique par le film souple. 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 configuration de sonde acoustique selon l'art connu comprenant un plan de masse compris entre les transducteurs piézoélectriques et les lames d'adaptation ; les Figures 2a à 2f illustrent les principales étapes du procédé selon l'invention ; la Figure 3 illustre une vue en coupe d'une sonde fabriquée selon le procédé décrit en Figures 2a à 2f ; la Figure 4 illustre une étape de procédé selon l'invention comportant le dépôt d'une couche conductrice intermédiaire entre le matériau piézoélectrique et le film diélectrique ; la Figure 5 illustre une vue en coupe d'une sonde fabriquée en utilisant une couche intermédiaire conductrice ; la Figure 6 illustre une étape de découpe permettant d'obtenir des transducteurs unitaires, comprise dans le procédé de l'invention ; la Figure 7 illustre une étape de découpe de transducteurs piézoélectriques dans un second exemple de procédé de fabrication de sonde selon l'invention ; la Figure 8 illustre une vue en coupe d'une sonde fabriquée selon le second exemple illustré en Figure 7 ; la Figure 9 illustre une vue en coupe d'une sonde fabriquée selon la Figure 7 et comportant en outre une couche conductrice intermédiaire. Nous allons décrire un exemple de sonde acoustique unidirectionnelle comportant des transducteurs piézoélectriques linéaires et réalisée selon le procédé de l'invention. De façon générale la sonde comprend un ensemble de transducteurs piézoélectriques unitaires comportant chacun une électrode de masse et une électrode de commande encore appelée"point chaud", dans le domaine des capteurs ultrasonores. Pour connecter l'ensemble de ces électrodes on utilise avantageusement un film diélectrique souple sur lequel sont réalisées des connexions destinées aux points chauds et aux électrodes de masse. La Figure 2a illustre un tel circuit imprimé. Plus précisément le film diélectrique Fd comporte des plages de connexions dites primaires Pcp destinées à être en regard des transducteurs piézoélectriques, des plages de connexion dites secondaires Pcs déportées par rapport aux transducteurs et des plages de masse PM destinées à adresser les électrodes de masse. De manière plus précise, les plages de connexion primaires et les plages de connexion secondaires sont reliées par l'intermédiaire de via conducteurs et de pistes conductrices réalisées sur la face du film diélectrique souple opposée à celle sur laquelle sont connectés les transducteurs piézoélectriques. Avec ce type de configuration il est possible d'adresser toutes les électrodes des transducteurs depuis la même face. Nous allons ci-après décrire les étapes nécessaires à la réalisation d'une sonde acoustique selon l'invention. Selon le procédé de l'invention, on dépose au niveau des plages de connexion primaire Pcp (Figure 2a) destiné à connecter électriquement et mécaniquement une couche de matériau piézoélectrique destinée à la fabrication des transducteurs piézoélectriques (Figure 2b). Il est à noter que la couche CT ne vient pas recouvrir les plages de masse PM et les plages de connexion secondaire Pcs qui doivent pouvoir être accessibles depuis la face représentée sur la Figure 2b. La couche de matériau piézoélectrique est métallisée sur ses deux faces. Parallèlement on réalise un film conducteur à la surface d'un film souple. Le film souple peut être un film de type polyimide d'épaisseur comprise entre environ 10 et 25 um et métallisé sur une face comme illustré en Figure 2c. Une première métallisation mi peut être effectuée par pulvérisation ou électroless sur le film souple Fs. Cette métallisation mi peut typiquement avoir une épaisseur inférieure à environ 1um. Une seconde métallisation m2 peut ensuite être effectuée à la surface de la métallisation mi par recharge électrolytique du même métal pour atteindre une épaisseur comprise entre environ 5 et 10 um. Avantageusement un flash (pulvérisation sur une faible épaisseur) de métal noble ne s'oxydant pas peut être effectué (métallisation m3) à la surface de la seconde métallisation m2 et d'épaisseur très faible de l'ordre de 0, 3 um. L'ensemble des méta !) ! sat ! ons mi/ms/ms constitue ainsi le film conducteur Fe, d'épaisseur de l'ordre de 5 à 10 um. Dans une seconde étape, illustrée en Figure 2d, le film souple Fs est localement gravé par laser C02 par exemple, pour laisser à nu au niveau de la surface S, le film conducteur Fc. Avantageusement un autre flash d'or peut être réalisé au niveau de la surface S constituant la métallisation m'3. Le drapage peut être réalisé par pressage sous pression à la température ambiante ou à haute température. On utilise une colle liquide polymérisable à chaud pour coller l'ensemble (interface couche piézoé ! ectrique/f !) m Fc et interface film FJfilm Fd). La Figure 3 illustre une vue en coupe selon l'axe AA'représenté en Figure 2f. Lorsque la couche CT de matériau piézoélectrique métallisée en face inférieure et en face supérieure est positionnée sur les plages de connexion primaire Pcp, on vient positionner le film Fs recouvert du film Fc, destiné à draper l'ensemble de la couche céramique sur le film diélectrique Fd. Pour cela le film Fs ablaté présente une surface supérieure à celle du matériau piézoélectrique de manière à réaliser un drapage efficace, retombant sur le film diélectrique (Figure 2e). Plus précisément la Figure 3 met en évidence le contact électrique entre la métallisation inférieure Me, de la céramique et la plage de connexion primaire, et la mise en contact électrique entre la métallisation supérieure Mes de la couche de céramique et la plage de masse PM grâce au film conducteur Fc supporté par le film Fs. Les contacts électriques entre les différentes couches sont réalisés la l'aide de la rugosité des surfaces. Sur la Figure 3 la couche de colle très fine (moins d'un micron) n'est pas représentée, elle flue dans des cavités dues aux rugosités des différentes couches et permet à la fois d'assembler les surfaces, tout en ne perturbant pas les contacts électriques. Nous venons de décrire une variante dans laquelle la couche de matériau piézoélectrique est en contact avec le film diélectrique et l'assemblage est effectué par une colle liquide de fine épaisseur. Selon une autre variante de l'invention il est également possible d'utiliser une couche intermédiaire de connexion Ci adhésive conductrice. Cette couche conductrice intermédiaire Cl peut avantageusement être de type matériau conducteur anisotrope, c'est-à-dire qui présente la propriété d'être conducteur dans une direction privilégiée et qui pressé à chaud permet d'assurer le contact électrique uniquement selon par exemple une direction perpendiculaire au plan du film diélectrique Fd, soit selon un axe Z, perpendiculaire au plan (X, Y) représenté en Figure 4. Une telle résine permet ainsi tout en assurant une adhérence continue et uniforme au niveau d'une couche de matériau piézoélectrique déposée sur un substrat de ne connecter que selon un axe Z et non des axes X ou Y des éléments piézoélectriques à des connexions électriques situées au niveau du film diélectrique Fd. Typiquement ce matériau peut comprendre un liant chargé de particules conductrices. On vient alors superposer une couche Cr de matériau piézoélectrique sur la couche intermédiaire conductrice Ci. Il est à noter que les couches Ci et Cr ne viennent pas recouvrir les plages de masse PM et les plages de connexion secondaire Pcs qui doivent pouvoir être accessibles depuis la face représentée sur les Figures 2b et 4. La Figure 5 illustre une vue en coupe d'une sonde selon l'invention comportant la couche Ci. De manière générale la première couche Ca1 présente une impédance acoustique relativement élevée et la couche Ca2 représente une couche d'adaptation acoustique d'impédance acoustique plus faible. Typiquement la couche Ca1 peut être réalisée avec un mélange de résine thermodurcissable ou thermoplastique avec des charges métalliques, type résine époxy chargée de nickel. La résistivité volumique d'un tel matériau peut être typiquement inférieure à 10 3 Q. m et son impédance acoustique de l'ordre de 9M Rayleigh, la couche Ca2 présente avantageusement une impédance de l'ordre de 3 Mega Rayleigh. L'épaisseur du film Fs peut avantageusement être comprise entre environ 10 et 30 microns pour permettre un drapage correct (c'est-à-dire épouser la forme de la couche de matériau piézoélectrique : il s'agit le plus souvent d'une lame de céramique de type PZT d'une épaisseur de l'ordre de 150-600 un) et pour garder la souplesse des plages de masse. En effet on peut ainsi diminuer l'encombrement de la sonde en pliant et en collant la plage de masse sur les faces latérales de l'absorbeur. Les opérations d'assemblage peuvent être réalisées sous vide ou sous pression. Typiquement, on peut soit exercer une pression au-dessus du film de drapage Fs, soit exercer une dépression en dessous de ce film. Il est également possible de cumuler les deux effets en créant une dépression au niveau du film Fs et en enfermant le tout dans une enveloppe sur laquelle on exerce une pression. Lorsque l'opération ou les opérations d'assemblage précitées sont effectuées, on procède alors à une operation de découpe T, de l'ensemble de manière à individualiser des transducteurs piézoélectriques élémentaires TP, comme illustré en Figure 6. Cette opération de découpe peut être effectuée avec une scie diamantée selon la direction Dy illustrée en Figure 6. On définit ainsi des transducteurs linéaires dont la largeur peut typiquement varier entre 50 et 500 microns. Pour isoler électriquement les transducteurs linéaires, les traits de découpe s'arrêtent dans l'épaisseur du film diélectrique Fd. Il est également possible de procéder à une découpe laser de l'assemblage réalisé précédemment. Il est enfin possible de combiner les deux types de découpe. Ainsi les lames d'adaptation acoustique peuvent être découpées au laser alors que le matériau piézoélectrique en l'occurrence la céramique peut être découpé grâce à la scie mécanique. Cette dernière méthode de découpe permet de libérer les contraintes thermiques dues au collage de matériaux possédant des coefficients de dilatation thermique différents. En découpant en premier les lames d'adaptation acoustique, on libère la céramique des contraintes thermiques et en conséquence, on évite de briser la céramique lors de la deuxième découpe. Lorsque les transducteurs linéaires sont ainsi élaborés à la surface du film diélectrique, on peut procéder de manière classique à une opération de conformation qui permet de réaliser des sondes courbes, particulièrement recherchées dans le domaine de l'échographie. En effet grâce au film diélectrique souple employé et à la découpe préalable de transducteurs linéaires, on obtient un degré suffisant de courbure dudit film diélectrique pour venir l'assembler à la surface d'un absorbeur (matériau absorbant les ondes acoustiques) de surface courbe. Cet assemblage se fait de manière classique par collage du film souple à la surface dudit absorbeur. Nous avons décrit l'invention dans le cadre d'une sonde acoustique unidirectionnelle, mais l'invention peut être tout aussi bien appliquée dans le cadre d'une sonde présentant un réseau de connexion en surface du film diélectrique souple, permettant de réaliser des sondes acoustiques comprenant des transducteurs matriciels, recouverts d'éléments d'adaptation acoustique linéaires. Dans ce cas on procède de la même façon que dans le procédé de fabrication des sondes unidirectionnelles pour déposer une couche de matériau piézoélectrique par l'intermédiaire d'un film souple Fs sur un film diélectrique souple Fd (Figure 2b). On procède ensuite à une opération de découpe selon un axe Dx du matériau piézoélectrique comme illustré en Figure 7, montrant les découpes T, dans la couche CT. La Figure 8 illustre une vue en coupe selon l'axe BB', lorsque l'on a procédé aux dépôts successifs du film Fs/Fc, de la couche CT et des couches Ca1 et Ca2. On procède enfin de manière analogue au cas des sondes unidirectionnelles comportant des transducteurs linéaires, à une opération de découpes T, selon l'axe Y, de l'ensemble de )'assemb ! age Cai/Cas/Fc/Cr et ce jusque dans le film diélectrique souple Fd. La Figure 9 illustre une vue en coupe selon l'axe BB'dans le cas de l'utilisation d'une couche intermédiaire conductrice Ci. Les découpes Tj selon l'axe Y, sont alors réalisées dans l'ensemble de l'assemblage Ca1/Ca2/Fc/CT/Ci. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de sonde acoustique comportant des transducteurs piézoélectriques unitaires, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - la réalisation d'un réseau de connexion comprenant des connexions primaires (Pcp) et des plages de masse (PM), à la surface d'un film diélectrique (Fd) ; - la superposition d'une couche de matériau piézoélectrique (CT) à la surface du réseau de connexion ; - la réalisation d'un film conducteur (fic) à la surface d'un film souple (Fs) ; - l'ablation sur une surface déterminée (S) du film souple (Fs), laissant à nu le film conducteur (Fc), localement au niveau du film souple (Fs) ; - l'assemblage du film conducteur mis à nu, à la surface du matériau piézoélectrique et du film souple à la surface du film diélectrique (Fd) ; - une opération selon un premier axe de découpe (tel) de découpe (Dx) de l'ensemble constitué par le film conducteur (Fc) et par le matériau piézoélectrique (CT) de manière à définir les transducteurs piézoélectriques unitaires (Tp,). 2. Procédé de fabrication de sonde acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film conducteur (fic) est un film métallique. 3. Procédé de fabrication de sonde acoustique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend le dépôt d'une première couche métallique (mi) à la surface du film souple (Fs) présentant une première épaisseur suivi du dépôt d'une seconde couche métallique (m2) présentant une seconde épaisseur supérieure d'au moins un ordre de grandeur à la première épaisseur. 4. Procédé de fabrication de sonde acoustique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première couche métallique est réalisée par pulvérisation d'un métal sur le film souple (Fs). 5. Procédé de fabrication de sonde acoustique selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la seconde couche métallique est réalisée par dépôt électrolytique sur la première couche métallique, d'un métal identique ou différent de celui constitutif de la première couche métallique. 6. Procédé de fabrication de sonde acoustique selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend le dépôt d'une couche très fine de métal noble type or, lors de l'élaboration du film métallique, pour éviter l'oxydation dudit film métallique. 7. Procédé de fabrication de sonde acoustique, selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le film métallique est en cuivre ou en nickel. 8. Procédé de fabrication de sonde acoustique selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que l'épaisseur du film conducteur est comprise entre environ 5 et 10 microns. 9. Procédé de fabrication de sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'ablation du film souple sur une surface déterminée, laissant à nu le film souple, est réalisée par un laser C02. 10. Procédé de fabrication de sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'assemblage du film conducteur à la surface du matériau piézoélectrique et du film souple à la surface du film diélectrique est réalisé avec une colle liquide, le contact électrique entre les différentes surfaces métalliques étant réalisé par la rugosité des surfaces 11. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend le dépôt d'une couche adhésive conductrice (Ci) à la surface du film diélectrique, pour assurer le contact électrique entre le matériau piézoélectrique (cet) et les connexions primaires Pcp). 12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce que la couche adhésive conductrice comprend un matériau conducteur anisotrope. 13. Procédé de fabrication de sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre le dépôt d'au moins une couche d'adaptation acoustique (Ca1) à la surface du film conducteur (fic) positionné au niveau du matériau piézoélectrique. 14. Procédé de fabrication de sonde acoustique selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend le dépôt d'une première couche d'adaptation acoustique de forte impédance (Ca1) sur le film conducteur et le dépôt d'une seconde couche d'adaptation acoustique de faible impédance (Ca2), sur la première couche d'adaptation acoustique. 15. Procédé de fabrication de sonde acoustique selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une opération préalable de découpe (tri) selon un second axe de découpe (Dy) de la couche de matériau piézoélectrique selon une direction perpendiculaire au premier axe de découpe.