Brevet FR2975859A1 — publié le 20121130

i Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un capteur à ondes sonores comportant un film électromécanique pour émettre et recevoir des ondes sonores, et dont une surface porte une électrode de masse, la surface opposée à celle de l'électrode de masse comportant au moins une électrode de capteur. Etat de la technique On utilise les capteurs à ondes sonores par exemple dans l'industrie automobile pour surveiller ou saisir l'environnement du véhicule. Pour cela, on émet tout d'abord un signal sonore qui est en général le signal d'ultrasons réfléchi par les objets situés dans la zone d'émission. L'écho réfléchi est ensuite reçu par au moins un capteur. A partir du temps de parcours du signal entre l'émetteur jusqu'au récepteur de l'écho, on détermine la distance d'un objet. Cela permet au cap- 15 teur qui émet le signal, de recevoir également l'écho. Dans ce cas, le capteur fonctionne comme un émetteur-récepteur. Il émet tout d'abord un signal et après la fin de l'oscillation de la membrane, il peut recevoir l'écho arrivant. En variante, il est également possible de séparer l'émetteur et le récepteur de sorte que l'un des capteurs ne fonctionne que 20 comme émetteur et l'autre que comme récepteur. Actuellement, comme capteurs pour saisir l'environne-ment d'un véhicule, on utilise notamment des capteurs à ultrasons comportant des cristaux piézo-électriques. Mais à côté de tels capteurs à ultrasons utilisant des cristaux piézo-électriques, on connaît égale- 25 ment des films dits électromécaniques ayant des pores dans une matrice de polymère avec des charges électrostatiques sur les surfaces limites des pores. Lorsqu'on applique une tension, elle modifie la hauteur des pores et le film commence à osciller. Réciproquement, à la réception d'un signal sonore, l'onde sonore modifie la hauteur des pores 30 et génère ainsi une tension. Le document US 4 654 546 décrit la structure d'un tel film électromécanique et un procédé pour la fabrication d'un tel film. Ce document indique également que le film peut servir de source sonore. Il est notamment fait référence pour cela à une application comme haut- 35 parleur ou comme micro en appliquant le film par exemple sur la sur- 2 face d'une paroi ou d'un mur. Mais ce document US 4 654 546 n'indique pas qu'il serait possible d'utiliser de tels films comme des capteurs à ultrasons pour saisir l'environnement d'un véhicule. Dans de tels capteurs utilisant un film, les défauts dans le film, peuvent produire des claquages par tension. Cela peut se traduire par un court-circuit et ainsi un endommagement permanent ; dans le cas le plus défavorable, cela se traduit par la destruction complète du capteur. Exposé et avantages de l'invention io La présente invention a pour but de développer des capteurs du type défini ci-dessus, et a pour objet un capteur à ondes sonores comportant un film électromécanique pour émettre et recevoir des ondes sonores, et dont une surface porte une électrode de masse, la surface opposée à celle de l'électrode de masse comportant au moins 15 une électrode de capteur, ce capteur caractérisé en ce qu' au moins une électrode de capteur comporte plusieurs zones d'électrode reliées électriquement par au moins une branche. La branche qui relie électriquement des zones de l'élec- 20 trode crée des zones de sécurité sur le capteur à ondes sonores. Dans le cas d'un défaut dans le film électromécanique qui peut se traduire par un claquage de tension entre l'électrode de capteur et l'électrode de masse, la branche fond dans la région du point défectueux et le cas échéant la matière s'évapore. Ainsi, dans la zone du point défectueux, le 25 passage du courant sera coupé entre l'électrode de capteur et l'électrode de masse. Mais cela ne constitue qu'un dommage local du capteur sans détériorer son fonctionnement. Les branches séparées qui relient entre elles les zones formant les électrodes, fonctionnent ainsi comme des fusibles. 30 Selon un développement de l'invention, au moins une branche relie chaque fois les zones d'électrode voisines. Cela permet d'une part de subdiviser l'électrode de grande surface en des zones distinctes reliées électriquement par des branches. En cas de court-circuit, par exemple à cause d'un défaut dans le film électromécanique, il peut 35 arriver que toutes les branches reliées à une zone d'électrode fondent et 3 le cas échéant se vaporisent de sorte que cette zone d'électrode ne sera plus reliée électriquement. Mais les autres zones qui composent l'électrode de capteur restent toujours alimentées en tension ce qui garantit le fonctionnement du capteur. Selon un autre développement, l'électrode de capteur a une structure en forme de méandres avec un chemin conducteur central d'où partent latéralement des doigts formant des électrodes avec chaque fois une branche constituée par un rétrécissement du côté du doigt d'électrode tourné vers le chemin conducteur. Lorsqu'apparaît un io défaut dans le film électromécanique, ce ne sera qu'un unique doigt qui sera coupé de l'alimentation électrique en ce que la branche qui relie le doigt d'électrode avec le chemin conducteur central fondra ou s'évapore-ra. L'électrode de masse et l'électrode de capteur qui com- as mande le capteur à ondes sonores, sont de préférence réalisées sous la forme d'une couche métallique sur le film électromécanique. Mais en variante, l'électrode de masse ou de préférence l'électrode de capteur est réalisée sous la forme d'un chemin conducteur sur une plaque de circuit et le film électromécanique est collé sur la plaque de circuit avec les 20 électrodes de capteur. De préférence, toutefois, l'électrode de capteur est également réalisée comme couche métallique sur le film électromécanique. La couche métallique se réalise par un procédé quelconque de dépôt. La couche métallique peut par exemple être déposée par dépôt chimique à la vapeur (procédé CVD) ou dépôt physique à la vapeur (pro- 25 cédé PVD). Il est également possible de réaliser la couche métallique formant l'électrode de capteur et/ou l'électrode de masse par un procédé de revêtement galvanique. En plus des procédés cités ci-dessus, on peut envisager n'importe quel autre procédé permettant de réaliser une couche métallique. 30 En particulier, si le capteur à ondes sonores est utilisé dans un véhicule pour saisir l'environnement, il est avantageux que le capteur à ondes sonores détecte les objets en détectant non seulement leur distance mais également leur direction. Pour avoir une saisie directionnelle non équivoque il faut au moins deux éléments de capteur. 35 C'est pourquoi, selon un développement préférentiel, la surface du film 4 électromécanique comporte plusieurs électrodes de capteur séparées les unes des autres par un diélectrique non métallique. Les électrodes de capteur constituent ainsi chaque fois un convertisseur de son qui peut fonctionner comme capteur indépendant. Le diélectrique non métallique qui sépare les électrodes de capteur est par exemple le film électromécanique. Mais les électrodes de capteur sur le film électromécanique peuvent également recevoir un revêtement supplémentaire qui servira de protection des électrodes de capteur fonctionnant comme diélectrique non métallique. io Si les électrodes de capteur sont réalisées sur une plaque de circuit sur laquelle on applique le film électromécanique, cela permet à la couche d'adhésif collant le film électromécanique sur la plaque de circuit de servir de diélectrique non métallique. Le revêtement des électrodes de capteur est un revête- 15 ment qui les protège contre l'influence de l'environnement. En particulier, on utilise un revêtement qui protège les électrodes de capteur et l'ensemble du capteur à ondes sonores contre l'influence des intempéries telles que la pluie, la glace, la neige ou des influences mécaniques telles que par exemple de petits chocs. 20 Si le film électromécanique porte plusieurs électrodes de capteur, celles-ci sont séparées les unes des autres par un diélectrique non métallique, de sorte qu'il est particulièrement avantageux que les électrodes de capteur présentent une structure en forme de méandres et que les doigts d'électrode de capteur voisins s'interpénètrent, les diffé- 25 rents doigts d'électrode de capteur voisins étant chaque fois séparés les uns des autres par le diélectrique non métallique. L'interpénétration des doigts d'électrode associés à des capteurs voisins, permet de réaliser un capteur à plusieurs convertisseurs sonores d'une manière peu encombrante. 30 Dans le cas d'une électrode de capteur constituée par une structure en méandres, la branche de chaque doigt d'électrode résulte de la mise en forme des doigts d'électrode dont la largeur augmente à mesure que l'on s'éloigne du chemin conducteur. La zone la plus étroite du doigt d'électrode se trouve ainsi près du chemin conduc- 35 teur et constitue la branche qui, en cas de défaut dans le film électro- mécanique, peut provoquer un claquage de tension et sert ainsi de fusible. En variante, il est possible de relier les doigts par une branche au chemin conducteur et pour que la surface d'électrode qui constitue l'extrémité du doigt soit reliée par la branche par son côté en regard du 5 chemin conducteur. La surface d'électrode peut alors prendre une forme quelconque et par exemple avoir une forme circulaire, rectangulaire, carrée, triangulaire ou n'importe quelle forme de polygone avec un nombre quelconque de sommets. Si la zone d'électrode est de forme circulaire ou ovale, il est préférable que la branche comporte un rétrécissement supplémentaire. Selon l'invention, les branches électroconductrices qui assurent le branchement électrique des zones d'électrode sont dimensionnées pour fondre ou se vaporiser en cas de surtension apparaissant à un point défectueux du film électromécanique. La fusion ou la vapori- 15 sation détruit les branches qui servent ainsi de fusible. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation de capteurs à ondes sonores représentés dans les dessins annexés dans lesquels : 20 - la figure 1 est une vue en trois dimensions d'un capteur à ondes sonores, - la figure 2 est une vue de dessus du capteur de la figure 1, - la figure 3 montre un détail d'une surface de capteur avec des électrodes de capteur en forme de méandres. 25 Description de modes de réalisation La figure 1 montre une vue tridimensionnelle d'un capteur à ondes sonores. Le capteur à ondes sonores 1 comporte une électrode de capteur 3 et une électrode de masse 5. Une matière électromécanique 30 est interposée entre l'électrode de capteur 3 et l'électrode de masse 5 ; lorsqu'on applique une tension à l'électrode de capteur 3 et à l'électrode de masse 5, la matière électromagnétique change d'extension perpendiculairement à l'électrode de masse 5 et l'électrode de capteur 3. En appliquant une tension alternative à l'électrode de capteur 3, on peut de 35 cette manière générer une oscillation. 6 La matière électromécanique selon l'invention est un film électromécanique 7. Comme film électromécanique, on utilise une membrane en un matériau de ferroélectrets encore appelés piézoélectrets. On appelle matériau de ferroélectrets, des mousses de polymère à pores fermés avec à la surface limite des différents pores, des charges électrostatiques positives et négatives localisées de manière permanente. Sous l'effet des charges électrostatiques accentuées, les différents pores se développent lorsqu'on applique une tension électrique ou se rétractent lorsqu'on applique une tension de polarisation opposée. io Une excitation appropriée permet de générer une oscillation qui émet une impulsion sonore. De manière correspondante, lors de l'arrivée d'une onde sonore, la variation mécanique de la taille des pores génère une tension que l'on peut détecter. Les matériaux polymères pour la fabrication de mousse 15 pour la matière de ferroélectrets sont notamment des polymères à base de fluorure tels que le polytétrafluoréthylène, le polyfluoréthylènepropylène et le fluorure de polyvinylidène. On peut également utiliser par exemple le polyéthylènetéréphtalate. A côté des polymères cités ci-dessus, on peut également utiliser les copolymères de ces polymères. 20 Pour utiliser le film électromécanique 7 comme émetteur ou récepteur de signaux sonores, l'électrode de masse 5 est munie de préférence sur toute sa surface, d'une métallisation sur le film électromécanique 7. Sur le côté opposé à l'électrode de masse 5, le film électromécanique 7 porte des électrodes de capteur 3. Les électrodes de 25 capteur 3 sont appliquées aux positions du film électromécanique ou sont localisées aux capteurs. Si l'on ne veut former qu'un unique capteur on peut avoir un film électromécanique comme celui représenté à la figure 1 qui correspond également à la forme du futur capteur. Mais en variante il est 30 également possible de former le film électromécanique 7 comme film continu et d'appliquer les électrodes de capteur 3 aux positions respectives où doivent se localiser les capteurs. Les électrodes de capteur 3 et l'électrode de masse 5 peu-vent être appliquées par différents procédés de dépôt, par exemple des 35 procédés sans courant électrique et/ou des dépôts galvaniques, des dé- 7 pôts chimiques, des dépôts physiques, des dépôts à la vapeur sur le film électromécanique 7. En particulier, pour appliquer l'électrode de capteur 3 et l'électrode de masse 5, on utilise des procédés de dépôt selon lesquels on dépose à la vapeur le métal des électrodes de capteur 3 et de l'électrode de masse 5, par exemple le procédé CVD ou le procédé PVD. En variante à une réalisation de l'électrode de masse 5 sur toute la surface, il est également possible de ne prévoir l'électrode de masse 5 qu'aux positions prévues pour les électrodes de capteur 3. io L'électrode de masse 5 a, de préférence, la même forme géométrique que l'électrode de capteur 3 et se situe à l'opposé de l'électrode de capteur sur le film électromécanique 7. Pour faire fonctionner le capteur d'onde sonore 1, l'électrode de masse 5 est reliée à un contact de masse 9 et l'électrode de 15 capteur 3 est reliée à un contact de capteur 11. L'électrode de masse 9 et le contact de capteur 11, ne sont représentés que schématiquement à la figure 1. Le contact de capteur 11 est par exemple réalisé comme chemin conducteur sur le film électromécanique servant de diélectrique. Le film électromécanique 7 utilisé pour la fabrication du 20 capteur à ondes sonores 1 peut comporter des points de défaut, par exemple des pores de trop grandes dimensions. Dans la région des points de défaut, on aura un claquage de tension entre l'électrode de capteur 3 et l'électrode de masse 5 qui se traduit par un court-circuit qui peut endommager le capteur dans le cas des capteurs usuels ; ce 25 dommage peut aller jusqu'à la défaillance du capteur. Pour éviter un tel dommage du capteur, l'invention subdivise l'électrode de capteur 3 en plusieurs zones d'électrode reliées électriquement chacune par au moins une branche. Une telle électrode de capteur est par exemple représen- 30 tée à la figure 2. Une électrode de capteur 3 selon l'invention comporte plusieurs zones d'électrode 13 reliées électriquement chaque fois par des branches 15. En plus, la forme de l'électrode de capteur 3 présentée à la figure 2, a une zone d'électrode 17 annulaire entourant les zones 35 d'électrode 13. La zone d'électrode 17 de forme annulaire entoure les 8 zones d'électrode 13 et est également en contact avec les zones d'électrode 13 par des branches 15. La zone d'électrode 17 de forme annulaire réalise une limite extérieure définie pour l'électrode de capteur 3. Le contact électrique de l'électrode de capteur 3 se fait de préférence par la zone d'électrode 17 de forme annulaire. Pour permettre la saisie d'objets en utilisant un capteur à ondes sonores, par exemple comme capteur de distance dans un véhicule automobile et permettre non seulement de capter une distance mais également une direction, on utilise plusieurs capteurs à ondes so- lo nores. Il est ainsi par exemple possible d'utiliser un réseau de capteurs à ondes sonores 1. Pour cela, on utilise plusieurs électrodes de capteur 3 chaque fois à une distance définie les unes des autres sur un film électromécanique. Le film électromécanique sert ainsi de diélectrique entre les différentes électrodes de capteur si bien que les électrodes de 15 capteur 3 définissent chaque fois un seul capteur à ondes sonores. L'électrode de masse en regard de l'électrode de capteur 3 peut ainsi servir d'unique électrode de masse pour tous les capteurs à ondes sonores ou encore pour chaque électrode de capteur, on a une électrode de masse qui lui est propre, en face de l'électrode de capteur 3. De façon 20 préférentielle, on a une électrode de masse commune à toutes les électrodes de capteur sur le film électromécanique. Entre les différentes zones d'électrode 13 reliées par les branches 15 on a des zones diélectriques 19. Les zones diélectriques 19 sont par exemple des zones non revêtues du film électromécanique 7. 25 Si un point de défaut se produit dans le film électromécanique 7 produisant un claquage par tension et ainsi un court-circuit, la zone de la branche 15 fond sous l'effet du claquage de tension et coupe ainsi la liaison entre deux zones d'électrode 13 voisines. Après fusion de la branche 15 et le cas échéant évaporation de la matière, la 30 liaison entre les zones d'électrode 13 sera coupée et il ne pourra plus y avoir de claquage de tension à cet endroit. Dans ces conditions, le capteur reste globalement apte à fonctionner et ce n'est pas toute l'électrode de capteur 3 qui sera détruite à cause du claquage de tension. La figure 3 montre un détail d'une variante de réalisation. 9 A la différence du mode de réalisation de la figure 2, la figure 3 présente une électrode de capteur 21 en forme de méandres. Une telle électrode de capteur 21 en forme de méandres a un chemin conducteur central 23 d'où partent des doigts latéraux 25 formant des électrodes. Les différents doigts d'électrode 25 ont chacun un rétrécissement 27 du côté tourné vers le chemin conducteur. Le rétrécissement 27 constitue ainsi une branche qui, en cas de défaut du film électromécanique 7, fondra et se vaporisera en cas de court-circuit. De cette manière, les différents doigts d'électrode 25 seront séparés du io chemin conducteur 23 et le fonctionnement global de l'ensemble du capteur 21 en forme de méandres ne sera pas détérioré. Sur le côté à l'opposé du chemin conducteur 23 central, la largeur des doigts d'électrode 25 augmente et forme par exemple comme représenté à la figure 3, une terminaison circulaire 29. A côté 15 d'une terminaison circulaire 29 le doigt d'électrode 25 peut également avoir une terminaison ovale, une terminaison triangulaire, une terminaison quadrangulaire, rectangulaire ou polygonale avec un nombre quelconque de sommets. Dans le cas d'une forme triangulaire du doigt d'électrode 25, il est également possible de relier le triangle par un 20 sommet au chemin conducteur central 23. S'il est prévu un réseau formé de plusieurs électrodes de capteur 21 en forme de méandres, il est possible de former les différents doigts d'électrode 25 de capteur 21 pour que les doigts d'électrode 25 voisins soient imbriqués. Les différents doigts 25 des électrodes de cap- 25 teur 21 respectivement en forme de méandres, sont séparés par un diélectrique, par exemple constitué par le film électromécanique 7. La distance entre les doigts d'électrode 25 est choisie pour permettre un passage de tension d'une électrode de capteur 21 en forme de méandres à une électrode de capteur voisine en forme de 30 méandres. L'utilisation d'électrodes de capteur 21 en forme de méandres convient notamment pour des capteurs allongés. Dans la di-rection de la plus grande extension, on pourra alors commander séparément les différents segments avec un déphasage pour que la 35 membrane n'oscille pas en phase. i0 NOMENCLATURE 1 capteur 3 électrode de capteur 5 électrode de masse 7 film électromécanique 9 contact de masse 11 contact de capteur 13 zone d'électrode io 15 branche 17 zone d'électrode 19 zones diélectriques 21 électrode de capteur en forme de méandres 23 chemin conducteur 15 25 doigt formant électrode 27 rétrécissement 29 terminaison de forme circulaire 20 REVENDICATIONS1°) Capteur à ondes sonores comportant un film électromécanique (7) pour émettre et recevoir des ondes sonores, - une surface du film électromécanique (7) portant une électrode de masse (5) et la surface opposée à celle de l'électrode de masse (5) comporte au moins une électrode de capteur (3), capteur caractérisé en ce qu' au moins une électrode de capteur (3) comporte plusieurs zones d'électrode (13, 17, 25) reliées électriquement par au moins une branche (15). i0 2°) Capteur à ondes sonores selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins une branche (15) relie des zones d'électrode (13, 17) voisines. 15 3°) Capteur à ondes sonores selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de capteur (3) a une forme de structure en méandres (21) avec un chemin conducteur central (23) d'où partent des doigts d'électrode (25) latéraux, 20 la branche étant réalisée respectivement comme rétrécissement (27) sur le côté des doigts d'électrode (25) tourné vers le chemin conducteur (23). 4°) Capteur à ondes sonores selon la revendication 1, caractérisé en ce que 25 l'électrode de masse (5) et au moins une électrode de capteur (3, 21) sont réalisées chaque fois comme couche métallique sur le film électromécanique (7). 5°) Capteur à ondes sonores selon la revendication 1, 30 caractérisé en ce que plusieurs électrodes de capteur (3, 21) sont réalisées à la surface du film électromécanique (7), ces électrodes étant séparées les unes des autres par un diélectrique non métallique (19). 35 12 6°) Capteur à ondes sonores selon la revendication 5, caractérisé en ce que pour plusieurs électrodes de capteur (21) à structure en forme de méandres, les doigts (25) d'électrodes de capteur (21) voisines, sont im- briqués et les différents doigts (25) correspondant à des électrodes de capteur (21), voisines, sont séparés les uns des autres par un diélectrique non métallique. 7°) Capteur à ondes sonores selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le diélectrique non métallique qui sépare les électrodes de capteur (3, 21) les unes des autres est la surface du film électromécanique (7). 8°) Capteur à ondes sonores selon la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur des doigts d'électrode (25) augmente avec la distance par rapport au chemin conducteur (23). 9°) Capteur à ondes sonores selon la revendication 1, caractérisé en ce que les branches électroconductrices (15, 27) qui relient électriquement les zones d'électrode (13, 17, 25) sont dimensionnées pour qu'en cas de dé-faut dans le film électromécanique, la surtension produite entraîne leur fusion ou leur vaporisation. 30