Brevet FR2954014A1 — publié le 20110617

B9908 - 08-T0-234 1 DISPOSITIF D'ISOLATION GALVANIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif d'isolation galvanique. Exposé de l'art antérieur L'isolation galvanique a pour but de supprimer tout lien électrique continu entre deux parties d'un circuit électrique ou électronique, les potentiels de référence des deux parties étant distincts, tout en permettant des échanges de signaux alternatifs entre ces deux parties. Une telle isolation peut être utilisée par exemple pour isoler un circuit de commande référencé à la masse de bornes de commande d'un circuit de puissance référencé à une borne à haute tension, par exemple le secteur. Pour obtenir une isolation galvanique, plusieurs structures sont connues. On utilise couramment des condensateurs de liaison, des transformateurs, des relais électromécaniques ou magnétomécaniques ou encore des liaisons optiques associées à des convertisseurs optoélectroniques. Chacun de ces dispositifs présente des avantages et 20 des inconvénients bien connus. B9908 - 08-T0-234 Résumé Un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un nouveau type de dispositif d'isolation galvanique. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit en outre un dispositif d'isolation galvanique par liaison acoustique ultrasonore. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif d'isolation galvanique acoustique comprenant : un premier moyen permettant la transformation d'une première tension alternative en une première onde acoustique ; un second moyen permettant la transformation d'une seconde onde acoustique en une seconde tension alternative ; et un milieu adapté à la transmission d'ondes acoustiques placé entre les premiers et seconds moyens, ledit milieu comprenant au moins un isolant électrique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le milieu est constitué d'un substrat de silicium sur au moins une face duquel s'étend une couche isolante. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 20 le milieu est constitué d'une plaque de verre sur au moins une face duquel s'étend une couche isolante. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier et second moyens sont constitués respectivement d'un premier et d'un second réseau de transducteurs ultrasonores. 25 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les transducteurs ultrasonores de chaque réseau sont connectés en parallèle. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque transducteur ultrasonore comprend une première électrode 30 conductrice en surface de laquelle s'étend une membrane, une cavité étant définie entre la membrane et la première électrode conductrice, et une seconde électrode conductrice formée sur la membrane, en regard de la première électrode conductrice. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 35 le dispositif comprend en outre des premier et second 2 B9908 - 08-T0-234 3 générateurs de tension continue de polarisation, la tension fournie par le premier générateur étant appliquée, en série avec la première tension alternative, entre les premières et secondes électrodes conductrices du premier réseau de transducteurs ultrasonores, la tension fournie par le second générateur étant appliquée, en série avec la seconde tension alternative, entre les premières et secondes électrodes conductrices du second réseau de transducteurs ultrasonores. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 10 la couche isolante a une épaisseur supérieure à 1 }gym. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le substrat de silicium a une épaisseur comprise entre 50 et 500 }gym. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 15 les premières électrodes conductrices du premier réseau de transducteurs ultrasonores sont placées en regard des premières électrodes conductrices du second réseau de transducteurs ultra-sonores. Brève description des dessins 20 Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 illustre un transducteur acoustique 25 ultrasonore capacitif ; et la figure 2 illustre un dispositif d'isolation galvanique par liaison acoustique selon un mode de réalisation de la présente invention. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été 30 désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée Les inventeurs prévoient de réaliser une isolation galvanique par une liaison acoustique. Pour cela, ils prévoient 35 un dispositif comprenant des moyens de transformation d'un B9908 - 08-T0-234 4 signal électrique en ondes acoustiques, un milieu permettant la transmission d'ondes acoustiques et des moyens de transformation d'ondes acoustiques en un signal électrique. Les systèmes de transformation de signaux électriques en ondes acoustiques et inversement seront de préférence constitués de transducteurs acoustiques ultrasonores capacitifs ("cMUT", de l'anglais capacitive micromachined ultrasonic transducer). La figure 1 illustre un transducteur acoustique 10 ultrasonore capacitif. Sur un substrat 30, par exemple un substrat de silicium, s'étend une première couche conductrice 32 formant une première électrode du transducteur. Au-dessus de la couche conductrice 32 est formée une membrane 34 en un matériau 15 diélectrique, par exemple en nitrure de silicium. La membrane 34 est prévue de façon à définir une cavité 36 au-dessus de la couche conductrice 32. Pour obtenir une telle structure, on pourra utiliser une couche sacrificielle. La membrane ne s'étend pas sur toute la surface de la première électrode, ce qui permet 20 la formation d'un contact sur cette électrode. En surface de la membrane 34, en regard de la cavité 36, est formée une région conductrice 38 formant la seconde électrode du transducteur. Un premier contact électrique 40 est formé en surface de la première électrode 32 et un second 25 contact électrique 42 est formé en surface de la seconde électrode 38. Entre les deux électrodes sont placés, en série, un générateur de tension continue de polarisation 44 et une source de signal alternatif 46. Le dispositif de la figure 1 fonctionne comme suit. 30 Lorsque l'on applique une tension continue entre les électrodes 32 et 42, la membrane 34 est attirée vers la première électrode 32 par des forces de Coulomb. Lorsqu'une tension alternative est ajoutée à la tension continue fournie par le générateur 44, la membrane oscille en réponse à ce signal alternatif, ce qui 35 génère une onde ultrasonore 48. B9908 - 08-T0-234 A l'inverse, si une tension continue est appliquée entre les électrodes du transducteur et que celui-ci reçoit une onde ultrasonore, la membrane se met à vibrer. Cette vibration génère une tension alternative entre les électrodes qui peut 5 être détectée au niveau de la source 46. De nombreuses variantes de tels émetteurs-récepteurs d'ultrasons sont connues. La figure 2 illustre un dispositif d'isolation galvanique par liaison acoustique. Ce dispositif comprend un substrat 50 sur la première face, respectivement sur la seconde face, duquel s'étend une première couche 52A, respectivement une seconde couche 52B, de matériau fortement isolant, par exemple de l'oxyde de silicium thermique ou un autre oxyde thermique. Le substrat 50 pourra être en tout matériau adapté à la transmission d'ondes acoustiques. A titre d'exemple non limitatif, le substrat 50 pourra être une plaquette de silicium ou de verre. En surface de la première couche de matériau isolant 52A, respectivement de la seconde couche de matériau isolant 52B, est formé un premier réseau 54A, respectivement un second réseau 54B, de transducteurs ultrasonores. Le premier réseau forme le primaire du dispositif d'isolation galvanique, le second réseau en formant le secondaire. Chaque réseau 54A et 54B comprend plusieurs trans- ducteurs formés en parallèle. Ces réseaux comprennent une couche conductrice 56A, respectivement 56B, formée en surface de la couche isolante 52A, respectivement 52B, et formant une première électrode commune à tous les transducteurs. Les couches conductrices 56A et 56B peuvent être par exemple en silicium polycristallin fortement dopé ou en un métal. Une membrane 58A, respectivement 58B, est formée sur la première électrode 56A, respectivement 56B. Les membranes 58A et 58B ne s'étendent pas sur toute la surface des premières électrodes 56A et 56B pour permettre la formation d'un contact sur ces électrodes. B9908 - 08-T0-234 6 Des cavités 60A, respectivement 60B, sont définies par la membrane 58A, respectivement 58B, au-dessus de la première électrode 56A, respectivement 56B. Les membranes 58A et 58B peuvent être par exemple en nitrure de silicium et être formées par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD). Les cavités 60A et 60B définissent les surfaces des transducteurs élémentaires des réseaux 54A et 54B. En surface de la membrane 58A, respectivement 58B, et en regard des cavités 60A, respectivement 60B, sont formées des régions conductrices 62A, respectivement 62B, formant les secondes électrodes des transducteurs des réseaux 54A, respectivement 54B. Les régions conductrices 62A et 62B pourront être en aluminium. On notera que, contrairement à ce qui est représenté, les secondes électrodes 62A et 62B pourront être formées d'une unique couche conductrice recouvrant la surface de la membrane 58A et 58B, au moins en regard des cavités 60A et 60B. Dans l'exemple représenté, les cavités 60A et 60B sont formées en regard les unes des autres. On notera que les cavités pourront être décalées les unes des autres. Un ou plusieurs contacts 64A, respectivement 64B, sont formés sur la première électrode 56A, respectivement 56B. Un contact 66A, respectivement 66B, est également formé sur les secondes électrodes 62A, respectivement 62B. Ainsi, les différents transducteurs formés dans chacun des réseaux 54A et 54B sont connectés en parallèle. Pour faire fonctionner ce dispositif, une tension de polarisation continue, en série avec la tension alternative que l'on souhaite envoyer/recevoir, est appliquée entre les contacts 64A et 66A, respectivement 64B et 66B. Pour former la structure de la figure 2, on pourra réaliser des étapes identiques de part et d'autre du substrat 50, à savoir les étapes suivantes : - former une couche d'oxyde thermique 52 sur les deux faces du substrat 50 ; B9908 - 08-T0-234 7 - former une couche conductrice 56 sur la couche d'oxyde thermique 52 ; - former une couche sacrificielle aux emplacements désirés des cavités 60, par exemple par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) d'une couche de PSG (verre de phosphosilicate) puis par une gravure adaptée de cette couche ; - former la membrane 58 sur la couche sacrificielle ; - éliminer la couche sacrificielle par une gravure 10 adaptée ; et - former les secondes électrodes 62 sur la membrane 58. Le dispositif de la figure 2 fonctionne comme suit. Une tension alternative d'entrée que l'on souhaite transmettre 15 entre le réseau 54A et le réseau 54B est appliquée en série avec une tension de polarisation entre les contacts 64A et 66A du premier réseau 54A de transducteurs. La tension alternative d'entrée est par exemple prise aux bornes d'une charge associée par ailleurs à un circuit électrique. La variation de la tension 20 alternative d'entrée provoque la mise en oscillation des différentes membranes des transducteurs du premier réseau 54A. Le matériau du substrat 50 propage les ondes acoustiques ultrasonores créées par l'oscillation de la membrane 58A en direction du second réseau 54B. Avantageusement, dans le 25 cas d'un substrat 50 en silicium, le trajet des ondes acoustiques est très directif, ce qui permet une bonne réception des ondes au niveau du second réseau 54B. Les ondes acoustiques transmises par le substrat 50 atteignent le second réseau de transducteurs ultrasonores 54B, 30 ce qui provoque la vibration de la membrane 58B. Un générateur de tension continue est placé entre les bornes de contact 64B et 66B du second réseau, en série avec une charge. La vibration de la membrane 58B provoque alors une variation de la tension aux bornes de la charge qui forme la tension de sortie du dispo- 35 sitif. B9908 - 08-T0-234 8 Pour obtenir le fonctionnement ci-dessus, les dimensions des différents éléments du dispositif d'isolation galvanique doivent répondre à certaines exigences. Pour obtenir une tenue en tension adaptée entre les deux faces du substrat 50, notamment dans le cas où l'isolement galvanique est désiré entre deux circuits mettant en oeuvre des tensions de valeurs éloignées, par exemple entre un circuit de commande et un circuit de puissance, les couches d'oxyde 52A et 52B doivent avoir une épaisseur suffisante. L'oxyde thermique ayant une tenue en tension d'environ 1000 V/pm, on pourra prévoir des couches d'oxyde 52A et 52B présentant des épaisseurs comprises entre 1 et 3 pm, par exemple de l'ordre de 2 pm. On notera que cette épaisseur pourra être réduite si on désire une tenue en tension des couches d'oxyde plus faible. De plus, l'épaisseur du substrat 50 doit être adaptée à la fréquence des ondes acoustiques que l'on souhaite transmettre, à savoir être de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde des ondes acoustiques dans le matériau le constituant. Ainsi, pour une tension alternative d'entrée présentant une fréquence comprise entre 1 MHz et 10 MHz, l'épaisseur du substrat 50 sera de préférence comprise entre 50 et 500 pm (pour 1 MHz). On notera que le nombre et la surface des transducteurs acoustiques ultrasonores de chaque réseau pourront être ajustés pour optimiser la transmission entre les deux faces du substrat 50 et permettre un transfert de puissance de bonne qualité entre primaire et secondaire. Le dispositif d'isolation galvanique proposé ici a l'avantage de ne pas être sensible à des variations du champ électrique ambiant puisqu'il met en oeuvre des transmissions par ondes acoustiques. Ce dispositif peut être utilisé lorsque les différences de potentiels de référence entre circuit de commande et circuit commandé sont très élevées (supérieures à 1000 V), l'isolation électrique étant assurée par les couches d'oxyde thermiques formées de part et d'autre du substrat. Il a B9908 - 08-T0-234 9 également l'avantage d'être bidirectionnel. En effet, puisque le dispositif est symétrique, il est possible de prévoir une transmission du réseau 54B vers le réseau 54A sans modifier la structure. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que les couches de matériau diélectrique 52A et 52B pourront être en un autre matériau qu'un oxyde thermique tant que ce matériau présente une bonne tenue en tension. De plus, les matériaux des régions conductrices 56 et 62 ne sont pas limités aux exemples donnés ici. Enfin, plutôt que de former deux couches isolantes 52A et 52B de part et d'autre du substrat 50, on pourra prévoir de former une unique couche isolante sur une seule des faces du substrat, d'épaisseur adaptée à l'isolation entre le primaire et le secondaire, par exemple supérieure à 1 pm. REVENDICATIONS1. Dispositif d'isolation galvanique acoustique comprenant : un premier moyen (54A) permettant la transformation d'une première tension alternative en une première onde acous-5 tique ; un second moyen (54B) permettant la transformation d'une seconde onde acoustique en une seconde tension alter-native ; et un milieu adapté à la transmission d'ondes acoustiques 10 placé entre les premiers et seconds moyens, ledit milieu comprenant au moins un isolant électrique. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit milieu est constitué d'un substrat de silicium (50) sur au moins une face duquel s'étend une couche isolante (52A, 52B). 15 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit milieu est constitué d'une plaque de verre (50) sur au moins une face duquel s'étend une couche isolante (52A, 52B). 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les premier et second moyens sont constitués 20 respectivement d'un premier et d'un second réseau de transducteurs ultrasonores (54A, 54B). 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les transducteurs ultrasonores de chaque réseau (54A, 54B) sont connectés en parallèle. 25 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, dans lequel chaque transducteur ultrasonore comprend une première électrode conductrice (56A, 56B) en surface de laquelle s'étend une membrane (58A, 58B), une cavité (60A, 60B) étant définie entre la membrane et la première électrode conductrice, et une 30 seconde électrode conductrice (62A, 62B) formée sur la membrane, en regard de la première électrode conductrice. 7. Dispositif selon la revendication 6, comprenant en outre des premier et second générateurs de tension continue de polarisation, la tension fournie par le premier générateur étantB9908 - 08-T0-234 11 appliquée, en série avec la première tension alternative, entre les premières et secondes électrodes conductrices (56A, 62A) du premier réseau de transducteurs ultrasonores (54A), la tension fournie par le second générateur étant appliquée, en série avec la seconde tension alternative, entre les premières et secondes électrodes conductrices (56B, 62B) du second réseau de transducteurs ultrasonores (54B). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel la couche isolante (52A, 52B) a une 10 épaisseur supérieure à 1 pm. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel le substrat (50) a une épaisseur comprise entre 50 et 500 pm. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- 15 cations 6 à 9, dans lequel les premières électrodes conductrices (56A) du premier réseau de transducteurs ultrasonores (54A) sont placées en regard des premières électrodes conductrices (56B) du second réseau de transducteurs ultrasonores (54B).