Brevet FR2868710A1 — publié le 20051014

MATERIAU D'ABSORPTION ACOUSTIQUE POUR RESEAUX DE TRANSDUCTEURS ULTRASONORES EN PETITS ELEMENTS La présente invention concerne d'une façon générale les réseaux de transducteurs ultrasonores. En particulier, l'invention est relative à des réseaux de transducteurs ultrasonores constitués par de petits éléments, par exemple des matrices de petits éléments utilisées en imagerie ultrasonore. Les transducteurs ultrasonores pour imagerie selon la technique antérieure génèrent une énergie acoustique grâce à un effet piézoélectrique dans lequel de l'énergie électrique est convertie en énergie acoustique à l'aide d'un matériau céramique piézoélectrique polarisé. L'énergie acoustique qui est émise vers l'avant, c'est-à-dire dans la direction du patient examiné, est couplée au patient par l'intermédiaire d'une ou plusieurs couches d'adaptation acoustique. Cependant, l'énergie acoustique émise à l'opposé du patient examiné est normalement absorbée dans et/ou diffusée par un matériau d'absorption acoustique (également appelé ici "matériau d'affaiblissement acoustique") situé au dos de la matrice de transducteurs. Cela empêche l'énergie acoustique d'être réfléchie par des structures ou des interfaces situées derrière le transducteur et de revenir dans le matériau piézoélectrique, en réduisant de ce fait la qualité de l'image acoustique obtenue du fait de sa réflexion à l'intérieur du patient. Plus particulièrement, les matrices de transducteurs ultrasonores piézoélectriques fonctionnant en mode par échos nécessitent un matériau d'absorption pour affaiblir l'énergie acoustique se propageant vers l'arrière, c'est-à-dire à l'opposé du patient. Les matériaux d'absorption acoustique couramment utilisés sont des combinaisons d'un matériau de diffusion acoustique à forte densité, par exemple le dioxyde de titane ou le tungstène métal, et/ou d'un matériau d'absorption acoustique tel que la silicone, dans une rnatrice d'époxy ou de polyuréthane. Le matériau d'absorption peut être soit préformé et fixé à la surface du dos du transducteur, soit coulé et durci en place. Les propriétés acoustiques, principalement l'impédance et l'affaiblissement acoustiques, constituent des propriétés essentielles qu'il convient d'optimiser avec le reste de l'empilement acoustique pour assurer des performances maximales des sondes. Les éléments à ultrasons classiques, tels que ceux présents dans des sondes acoustiques linéaires et à plusieurs rangées, possèdent une plus grande dimension des 35 éléments en hauteur qui peut tolérer une plus grande disparité locale dans la composition du matériau d'absorption. Cependant, de petits éléments piézoélectriques tels que ceux présents dans une matrice bidimensionnelle ou à plusieurs rangées de transducteurs à haute fréquence nécessitent une uniformité beaucoup plus grande du matériau d'absorption. La connexion électrique à de petits éléments dans une matrice à deux dimensions de transducteurs ultrasonores peut être obtenue en stratifiant les unes avec les autres des couches alternées d'un circuit imprimé souple et d'un matériau d'absorption acoustique pour former un connecteur électrique à axe z, comme décrit dans la publication internationale n WO 02/040 184 A3 et dans la publication de demande de brevet des E.U.A. n 2003/0 085 635, au nom de Davidsen. Dans ce cas, le matériau d'absorption acoustique doit avoir, en plus des propriétés acoustiques, des propriétés nécessaires concernant les dimensions des particules, l'homogénéité et la compressibilité inélastique. Bien que les éléments transducteurs ultrasonores selon la technique antérieure soient plus grands en hauteur que dans la dimension azimutale, les dimensions des éléments dans une matrice de transducteurs ultrasonores à deux dimensions peuvent être de 300 micromètres ou moins. Afin de maintenir l'uniformité acoustique dans toute la matrice de transducteurs, chacun de ces petits éléments doit faire l'objet d'une absorption à l'aide d'un matériau d'absorption ayant sensiblement la même composition. Par conséquent, les dimensions des particules des additifs utilisés pour ajuster l'impédance et l'affaiblissement acoustiques doivent être beaucoup plus petites que les dimensions des éléments. De plus, pour un connecteur électrique à axe z formé par un procédé de stratification sous pression, l'espacement final des éléments est déterminé d'après l'épaisseur totale des deux composants, c'est-à-dire les circuits souples et les couches de matériau d'absorption acoustique. La compressibilité inélastique du matériau d'absorption acoustique, qui constitue la majeure partie (en volume) d,e cette structure, doit être suffisamment faible dans les conditions de stratification pour ne pas aboutir à un grand changement dans l'espacement final. On a besoin d'un matériau d'absorption acoustique qui réponde aux contraintes précitées. La présente invention concerne une matrice de transducteurs acoustiques faiblement espacés qui assure un amortissement grâce à un matériau d'affaiblissement acoustique obtenu en combinant de manière homogène un constituant de matrice et des constituants de charges dont les particules mesurent moins d'un cinquième (de préférence moins d'un dixième) de la plus petite dimension des éléments constituant la matrice. Selon certaines formes de réalisation de l'invention, le matériau d'affaiblissement acoustique comprend 25 à 45% en poids de particules de tungstène, 15 à 35% en poids de particules de silicone et 40 à 60% en poids de résine époxy. Il doit être entendu dès le départ que les aspects de l'invention décrits ici ne se limitent pas à des éléments transducteurs en céramique piézoélectrique, mais s'appliquent en fait à toute matrice composée d'éléments transducteurs ultrasonores 1 o faiblement espacés. En particulier, les éléments d'une matrice de transducteurs à deux dimensions peuvent avoir une dimension (par exemple, la largeur ou le diamètre) de l'ordre de 300 micromètres ou moins. D'autres types d'éléments transducteurs utilisables conjointement avec le matériau d'absorption acoustique décrit ici comprennent des transducteurs ultrasonores fabriqués par micro-usinage, du type capacitif (cTUM) et piézoélectrique (pTUM). Un premier aspect de l'invention consiste en un dispositif de transducteur ultrasonore comprenant: un élément qui convertit l'énergie acoustique d'arrivée en énergie électrique délivrée et qui convertit l'énergie électrique appliquée en énergie acoustique de départ, et un corps en matériau d'affaiblissement acoustique qui est couplé acoustiquement à l'élément, le matériau d'affaiblissement acoustique comportant des particules d'un matériau de diffusion acoustique d'un diamètre moyen inférieur à 20 micromètres et des particules d'un matériau d'absorption acoustique d'un diamètre moyen inférieur à 20 micromètres, les particules de matériau de diffusion et d'absorption acoustiques étant dispersées dans une matrice. Un autre aspect de l'invention consiste en une matrice de transducteurs ultrasonores comprenant un grand nombre d'éléments transducteurs ultrasonores et une couche de matériau d'affaiblissement acoustique qui est couplée acoustiquement à des surfaces formant dos des éléments transducteurs ultrasonores, chacun des éléments transducteurs ultrasonores convertissant l'énergie acoustique d'arrivée en énergie électrique délivrée et convertissant l'énergie électrique appliquée en énergie acoustique de départ, et le matériau d'affaiblissement acoustique comprenant des particules d'un matériau de diffusion acoustique d'un diamètre moyen inférieur à 20 micromètres et des particules d'un matériau d'absorption acoustique d'un diamètre moyen inférieur à 20 micromètres, les particules de matériaux de diffusion et d'absorption acoustiques étant dispersées d'une manière sensiblement homogène dans une matrice. Un autre aspect de l'invention consiste en un amortissement acoustique stratifié comprenant un grand nombre de circuits souples séparés les uns des autres par un matériau d'affaiblissement acoustique, chacun des circuits souples comportant une couche mince respective de matériau électriquement isolant sur laquelle sont formés en grand nombre des rubans électriquement conducteurs respectifs, et le matériau d'affaiblissement acoustique comprenant des particules d'un matériau de diffusion acoustique d'un diamètre moyen inférieur à 20 micromètres et des 1 o particules d'un matériau d'absorption acoustique d'un diamètre moyen inférieur à 20 micromètres, les particules de matériaux de diffusion et d'absorption acoustiques étant dispersées d'une manière sensiblement homogène dans une matrice. Encore un autre aspect de l'invention consiste en un dispositif transducteur ultrasonore comprenant: un élément qui convertit l'énergie acoustique d'arrivée en énergie électrique délivrée et qui convertit l'énergie électrique appliquée en énergie acoustique de départ, l'élément ayant une plus petite dimension d'élément égale ou inférieure à 300 micromètres, et un corps de matériau d'affaiblissement acoustique qui est acoustiquement couplé à l'élément, le matériau d'affaiblissement acoustique comprenant des particules d'un matériau de diffusion acoustique d'un diamètre moyen inférieur à 20% de la plus petite dimension de l'élément, et des particules d'un matériau d'absorption acoustique d'un diamètre moyen inférieur à 20% de la plus petite dimension de l'élément, les particules de matériaux de diffusion et d'absorption acoustiques étant dispersées dans une matrice. D'autres aspects de l'invention sont décrits et revendiqués ci-après. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1 est un dessin représentant un élément d'une matrice de 30 transducteurs ultrasonores ayant une couche d'absorption acoustique couplée acoustiquement aux surfaces arrière des éléments transducteurs; et la Fig. 2 est une microphotographie d'un matériau d'absorption acoustique selon une forme de réalisation de la présente invention. A titre d'illustration, on va décrire diverses formes de réalisation de l'invention qui appartiennent à la catégorie des transducteurs ultrasonores en céramique piézoélectrique. Cependant, il doit être entendu que les aspects de l'invention décrits ici s'appliquent également à d'autres types de matrices de transducteurs ultrasonores faiblement espacés, comme les cTUM et les pTUM. La Fig. 1 représente un exemple d'éléments transducteurs ultrasonores comprenant une couche de céramique piézoélectrique 2 ayant une surface inférieure qui a été métallisée pour former une électrode 4 de signal et une surface supérieure qui a été métallisée pour former une électrode 6 de masse. Une couche 14 1 o d'adaptation d'impédance acoustique en matériau électriquement conducteur est réunie à la surface supérieure métallisée de la céramique par une mince (acoustiquement transparente) couche d'époxy (non représentée) qui permet un contact ohmique entre la couche d'adaptation 14 et l'électrode de masse 6. Comme illustré partiellement sur la Fig. 1, la couche d'adaptation 14 est commune à tous les éléments transducteurs, ce qui signifie qu'elle couvre toute la matrice et qu'elle est électriquement au contact des électrodes de masse de tous les éléments transducteurs de la matrice, seulement deux éléments transducteurs étant représentés sur la Fig. 1. Si plus d'une couche d'adaptation d'impédance acoustique est placée à l'avant de la céramique métallisée, la couche d'adaptation intérieure doit alors être électriquement conductrice ou avoir une couche électriquement conductrice pour la connexion aux électrodes de masse. La matrice de transducteurs est installée par-dessus une matrice à motif de connecteurs électriques de signaux. Un exemple d'une telle matrice de connecteurs électriques est constitué par une série de circuits souples espacés et mutuellement parallèles noyés dans une couche d'absorption acoustique 12 dont seulement une partie est représentée sur la Fig. 1, de façon que les extrémités de chaque ruban 8 imprimés sur chaque substrat 10 en diélectrique (par exemple un film de polyimide du type Kapton ) soient exposées à la surface de la couche d'absorption acoustique. Dans une matrice à deux dimensions, les éléments transducteurs de chaque colonne sont respectivement connectés électriquement à des rubans disposés sur un substrat respectif en diélectrique. Il y aura donc un circuit souple par colonne dans le réseau de transducteurs. La Fig. 1 représente deux circuits souples correspondant à deux colonnes d'éléments transducteurs ultrasonores et représente également un seul ruban métallique 8 sur chaque substrat 10 en diélectrique électriquement connecté à un élément transducteur respectif de chaque colonne. La couche d'absorption acoustique 12 est réunie à la surface inférieure métallisée de la céramique par une mince (acoustiquement transparente) couche d'époxy (non représentée) qui permet un contact ohmique entre l'électrode 4 de signal et l'extrémité découverte du ruban métallique 8. Selon une autre possibilité, un plot métallique peut être formé au-dessus de l'extrémité découverte du ruban métallique, le contact ohmique se faisant alors entre l'électrode de signal et le plot métallique. De préférence, la couche d'absoption acoustique est réunie à la couche de matrice de transducteurs avant que les colonnes respectives ne soient découpées et avant que la couche d'adaptation d'impédance acoustique ne soit mise en place. Dans ce cas, la scie peut couper jusqu'à une profondeur qui entame la couche d'absorption acoustique 12, comme on le voit sur la Fig. 1. Un exemple de trait de scie 16 est représenté sur la Fig. 1. Le trait de scie 16 isole acoustiquement les éléments transducteurs d'une colonne des éléments transducteurs adjacents présents dans des colonnes adjacentes. Le trait de scie 16 isole également électriquement les électrodes 4 de signaux des transducteurs adjacents présents dans des colonnes adjacentes. Le découpage dans une direction orthogonale produit des traits de scie (non représentés) qui isole acoustiquement les uns des autres les éléments transducteurs d'une rangée donnée et qui isole électriquement les électrodes de signaux de ces mêmes éléments transducteurs. Des transducteurs acoustiques faiblement espacés sont soumis à des exigences particulières pour le matériau d'absorption servant à affaiblir la puissance acoustique dans la direction opposée au patient examiné. Les petites dimensions des éléments acoustiques et la nécessité de performances homogènes sur toute la face de la matrice imposent un matériau d'absorption homogène avec des charges en particules de petites dimensions. Le matériau d'absorption doit également posséder une impédance et un affaiblissement acoustiques suffisants pour servir de matériau d'absorption acoustique pour la matrice de transducteurs. Une autre complication pour la connexion à un connecteur électrique à deux dimensions fabriqué en stratifiant les unes avec les autres des couches alternées de circuits souples et de matériau d'absorption acoustique réside dans la possibilité de préformer sur une épaisseur donnée le matériau d'absorption acoustique, puis de conserver cette épaisseur pendant tout le processus de stratification. Cet ensemble d'exigences représente un ensemble exclusif de propriétés pour un matériau d'absorption acoustique d'ultrasons. L'ensemble d'exigences ci-dessus est respecté grâce à un matériau d'absorption acoustique constitué par des perles de silicone et des particules de tungstène qui ont les unes et les autres des dimensions moyennes de particules inférieures à 20% et, de préférence, inférieures à 10% (et de préférence encore inférieures à 5%) de la plus petite dimension des éléments, dispersées de façon homogène dans une matrice d'époxy à température de transition vitreuse supérieure à la température maximale de stratification. Au sens de la présente description (et des revendications), l'expression "dimension des éléments" désigne la dimension des éléments dans la direction en élévation ou en azimut (par exemple la largeur, la longueur ou le diamètre de l'élément) et non dans la direction de la profondeur. Les matériaux d'absorption acoustique selon la présente invention sont réalisés en combinant de façon homogène un constituant de matrice et des constituants de charges, ces derniers ayant des dimensions de particules inférieures à un cinquième de la plus petite dimension des éléments piézoélectriques, et de préférence inférieures à un dixième (de préférence encore un vingtième) de la plus petite dimension des éléments piézoélectriques. Les propriétés acoustiques du matériau d'absorption dépendent de la densité locale d'absorption, laquelle est à son tour déterminée principalement par la matière de charge choisie et par le rapport de la charge à la matrice. Les propriétés thermiques du matériau d'absorption sont d'autre part principalement déterminées par le matériau choisi pour la matrice. Selon une catégorie de formes de réalisation de l'invention, le matériau d'absorption acoustique contient 40 à 60% en poids de résine époxyde, de 25 à 45% en poids de poudre de tungstène et de 15 à 35% en poids de poudre de silicone pouvant être très finement dispersées. De plus, la poudre de tungstène et la poudre de silicone possèdent l'une et l'autre des particules mesurant respectivement moins de 20 micromètres. Dans d'autres formes de réalisation, les particules de tungstène à densité élevée peuvent être remplacées par TiO2, Al2O3 ou d'autres particules à haute densité mesurant en moyenne moins de 20 micromètres. Pour faciliter la dispersion de la poudre de silicone dans la matrice en époxyde, il est préférable que la silicone soit sous la forme d'une poudre ou de perles non agglomérées (c'est-à-dire sphérique). On peut citer comme exemple de perles de silicone la silicone sphérique TospearlTM commercialisée par GE/Toshiba Silicones. Cependant, d'autres sources de silicone dans lesquelles la silicone est présente sous la forme de particules individuelles de forme sphérique ou analogue sont également utiles dans la présente composition. La résine époxy est choisie parmi un large éventail de matières qui peuvent être des molécules organiques aromatiques ou aliphatiques possédant une ou plusieurs fonctionnalités d'un époxy, et elle est à son tour réticulée à l'aide d'un durcisseur normal tel qu'un amine ou un anhydride. On peut citer comme exemple le diépoxyde de bisphénol-A formé par réaction avec l'épichlorhydrine, qui est réticulé avec une amine aliphatique. Dans une forme de réalisation de l'invention, un matériau d'absorption acoustique a été réalisé à l'aide d'un mélange homogène de 45% en poids de poudre de tungstène en particules mesurant en moyenne environ 5 micromètres, 15% en i 0 poids de perles de silicone en particules mesurant en moyenne moins de 10 micromètres, et 40% en poids d'une matrice d'époxy réalisée à l'aide d'une résine de bisphénol-A et d'un durcisseur constitué par une amine aliphatique. L'amine a été choisie pour donner une température de transition vitreuse finale nettement supérieure à la température de traitement la plus élevée à laquelle le matériau d'absorption durci serait exposé pendant la fabrication. Cette composition a donné une impédance acoustique de 4,2 Mrayls et un affaiblissement acoustique à 5 MHz de 3,1 dB/mm. Une photomicrographie du matériau d'absorption acoustique réalisée avec cette composition est représentée sur la Fig. 2. Les perles de silicone sont désignées par le repère 20, les plus petites particules de tungstène (qui apparaissent en blanc) sont désignées par le repère 22 et la matrice d'époxy environnante est désignée par le repère 24. L'homogénéité du matériau d'absorption d'affaiblissement acoustique est suffisante pour permettre une atténuation et une impédance uniformes dans toute la matrice acoustique même si la matrice possède de nombreux petits éléments. La composition ci-dessus peut être modifiée pour faire varier à la fois l'atténuation et l'impédance en changeant soit le rapport tungstène/silicone soit la teneur totale en charges. Selon une autre possibilité, des poudres de dimensions micrométriques d'une densité inférieure à celle du tungstène peuvent être ajoutées ou substituées au tungstène pour réduire encore l'impédance acoustique tout en conservant l'affaiblissement acoustique. Il importe que le matériau d'absorption acoustique soit constitué par des charges en particules de petites dimensions de façon que le matériau d'absorption ait une composition uniforme par rapport aux dimensions de l'élément acoustique. Il importe également que l'impédance et l'affaiblissement du matériau d'absorption soient optimisées en tant que parties de l'empilement acoustique total. Une forme de réalisation de celui-ci consiste en un matériau d'absorption réalisé à partir de poudre de tungstène en particules de dimensions micrométriques et de poudre de silicone en particules de dimensions micrométriques dispersées dans une matrice d'époxy. Une excellente dispersion est obtenue si la poudre de silicone est de type sphérique. Au sens des revendications, l'expression " transducteur ultrasonore" englobe des transducteurs ultrasonores capacitifs ou piézoélectriques. REVENDICATIONS 1. Dispositif transducteur ultrasonore, comprenant: un élément (2) qui convertit une énergie acoustique d'arrivée en énergie électrique délivrée et qui convertit l'énergie électrique appliquée en énergie acoustique de départ; et un corps (12) en matériau d'affaiblissement acoustique qui est couplé acoustiquement audit élément, ledit matériau d'affaiblissement acoustique comprenant des particules d'un matériau de diffusion acoustique d'un diamètre 1 o moyen inférieur à 20 micromètres et des particules d'un matériau d'absorption acoustique d'un diamètre moyen inférieur à 20 micromètres, lesdites particules de matériau de diffusion et d'absorption acoustiques étant dispersées dans une matrice. 2. Dispositif transducteur ultrasonore selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau de diffusion acoustique comprend du tungstène. 3. Dispositif transducteur ultrasonore selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau de diffusion acoustique comprend en outre un matériau d'une densité inférieure à la densité du tungstène. 4. Dispositif transducteur ultrasonore selon la revendication 2, dans lequel ledit matériau à densité inférieure à celle du tungstène est du TiO2. 5. Dispositif transducteur ultrasonore selon la revendication 4, dans lequel ladite matrice comprend une résine époxyde. 6. Dispositif transducteur ultrasonore selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau d'affaiblissement acoustique comprend 25 à 45% en poids de particules de tungstène, 15 à 35% en poids de particules de silicone et 40 à 60% en poids d'époxy. 7. Dispositif transducteur ultrasonore selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau d'absorption acoustique est de la silicone. 8. Dispositif transducteur ultrasonore selon la revendication 7, dans lequel lesdites particules de silicone se présentent sous la forme de poudre ou de perles non agglomérées. 9. Dispositif transducteur à ultrasons selon la revendication 5, dans lequel ladite résine époxyde est choisie dans le groupe comprenant des molécules organiques aromatique ou aliphatiques réticulées à l'aide d'un durcisseur choisi dans le groupe comprenant une amine et une anhydride. 10. Dispositif transducteur ultrasonore selon la revendication 5, dans lequel ladite résine époxy a une température de transition vitreuse supérieure d'au moins 20 C à la température maximale de traitement à laquelle est exposé ledit matériau d'affaiblissement acoustique.