Brevet FR3027827A1 — publié le 20160506

Transducteur ultrasonore à couche de microballons DOMAINE TECHNIQUE GENERAL ET CONTEXTE DE L'INVENTION La présente invention concerne un transducteur ultrasonore, pour émettre et/ou recevoir un faisceau d'ondes ultrasonores. Pour certaines applications biologiques, les ultrasons sont générés avec une forte intensité acoustique, par exemple pour la destruction de tissus cancéreux, la dislocation de caillots sanguins ou de calculs, ou encore la libération de substances chimiques. D'autres applications se placent entre autres dans le domaine industriel, par exemple en sonochinnie, dans le domaine de la communication et du transfert d'énergie, dans le domaine sous-marin, dans le domaine pétrolier. Lorsque les ultrasons de puissance sont focalisés, on utilise communément l'acronyme HIFU pour l'anglais "High Intensity Focused Ultrasound". Ces ultrasons de forte intensité engendrent des effets physiques ou biophysiques dans les milieux dans lesquels ils sont générés : l'effet peut être thermique ou mécanique et, dans le cadre d'applications biologiques, peut être biophysique en contribuant, par exemple, à l'activation de substances chimiques actives, au transfert de gènes ou au contrôle de perméabilité d'une membrane. Lorsque le faisceau d'ultrasons est focalisé, l'effet est localisé au voisinage du point focal. La génération d'ultrasons de forte densité de puissance moyenne par le transducteur cause l'échauffement de celui-ci, dégradant ses performances. De plus, l'échauffement du transducteur peut entraîner sa déformation par dilatation, ce qui peut se traduire par un déplacement du point focal où convergent les faisceaux d'ultrasons dû au changement de géométrie du transducteur. L'échauffement des transducteurs de l'état de la technique et leur manque de rigidité impose la limitation à de faibles niveaux de leur puissance moyenne d'émission par unité de surface. En outre, les transducteurs de l'état de la technique ne donnent pas entière satisfaction, dans la mesure où ceux-ci sont habituellement fragiles. Il a été proposé de disposer à l'arrière de l'élément actif générant les ondes ultrasonores un élément support afin de rigidifier et de solidifier l'élément actif. Cependant, il y a alors un couplage acoustique entre l'élément actif et l'élément support, et une partie de l'onde ultrasonore est transmise à l'élément support et crée des réflexions qui viennent parasiter l'émission d'ondes ultrasonores et nuisent au rendement du transducteur. La demande de brevet EP 2 602 788 propose un transducteur ultrasonore, notamment de thérapie, comportant un élément actif pour générer des ondes ultrasonores, et un élément support situé à l'arrière de l'élément actif, l'élément support comportant une face avant complémentaire d'une face arrière de l'élément actif, ledit élément support étant conformé de sorte à ce que la face arrière complémentaire de l'élément actif soit en appui simple sans couplage acoustique significatif avec la face avant dudit élément support, l'élément actif et l'élément support étant couplés thernniquennent. Un tel transducteur permet d'obtenir un couplage thermique entre l'élément actif et l'élément support sans couplage acoustique. A cette fin, la face avant de l'élément support et la face arrière de l'élément actif sont conformées pour définir entre elles, lorsque l'élément support et l'élément actif sont en appui simple, une couche discontinue de gaz d'une épaisseur suffisamment faible pour favoriser un couplage thermique entre l'élément support et l'élément actif. Cependant, la conformation de la face avant de l'élément support et la face arrière de l'élément actif doit alors être finement contrôlée, par exemple via les états de surface, ce qui complexifie la fabrication de ce transducteur. En outre, l'étanchéité du transducteur doit être assurée, afin d'éviter que de l'eau ne remplace l'air dans la couche d'air, ce qui complexifie la fabrication. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'état de la technique, et notamment de permettre d'obtenir un transducteur sans couplage acoustique entre l'élément actif et l'élément support, tout en restant de conception et de fabrication simple et peu onéreux. A cet effet, il est proposé un transducteur ultrasonore comportant - un élément actif pour générer et/ou recevoir des ondes ultrasonores, et - un élément support situé à l'arrière de l'élément actif, caractérisé en ce que le transducteur comporte une couche d'assemblage entre ledit élément actif et ledit élément support, ladite couche d'assemblage comprenant des cavités renfermant du gaz. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible: la couche d'assemblage présente une épaisseur comprise entre 1 et 120 [Inn; la couche d'assemblage présente une impédance acoustique apparente à 25°C comprise entre 300 et 150000 Pa.s/nn, et de préférence entre 300 et 3000 Pa.s/nn; - les cavités sont formées par des nnicroballons renfermant du gaz; - la couche d'assemblage comprend une couche de colle adhérant à l'élément actif et à l'élément support, une couche de nnicroballons étant noyée dans ladite couche de colle; - la colle est une résine époxy présentant une dureté inférieure à 90 ShoreA; - les nnicroballons forment une couche continue; - la couche de nnicroballons est une nnonocouche de nnicroballons; - les nnicroballons présentent une dimension maximale inférieure à 50 [Inn. L'invention concerne également des procédés de fabrication d'un transducteur selon l'invention. Selon une première variante : - on dépose une couche de colle sur au moins une face parmi la face arrière de l'élément actif et la face avant de l'élément support, - on dépose des nnicroballons sur la couche de colle, - on assemble la face arrière de l'élément actif et la face avant de l'élément support. Selon une autre variante: - on dépose une couche de nnicroballons à enveloppe thermoplastique sur une face parmi la face arrière de l'élément actif et la face avant de l'élément support, - on assemble la face arrière de l'élément actif et la face avant de l'élément support, - on chauffe les nnicroballons afin d'obtenir une thernno-soudure des nnicroballons. PRESENTATION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un exemple de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma illustrant la disposition d'une couche d'assemblage entre un élément actif et un support dans un transducteur selon un mode de réalisation possible de l'invention; - les figures 2a à 2d sont des schémas illustrant des étapes de fabrication d'un transducteur selon un mode de réalisation possible de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires sont désignés par les mêmes références numériques. DESCRIPTION DETAILLEE En référence à la figure 1, le transducteur 1 ultrasonore comporte un élément actif 3 pour générer et/ou recevoir des ondes ultrasonores, et un élément support 4 situé à l'arrière de l'élément actif 3. L'élément actif 3 est généralement constitué principalement d'un matériau piézoélectrique, éventuellement piézoconnposite, éventuellement multicouche, et d'un ensemble d'au moins deux électrodes qui permettent de créer un champ électrique dans l'épaisseur du matériau piézoélectrique. De préférence, une ou plusieurs couches d'adaptation acoustique sont intégrées dans cet élément actif, sur la face avant de l'élément actif 3, pour faciliter le transfert acoustique vers l'avant du transducteur 1. L'élément actif 3 peut mettre en oeuvre des phénomènes piézoélectriques. Cependant, l'élément actif 3 peut être tout dispositif électro-acoustique tel qu'un transducteur capacitif, par exemple un transducteur capacitif micro-usiné (ou CMUT pour l'anglais Capacitive Micronnachined Ultrasonic Transducer), un transducteur électrostrictif, ... L'élément support 4 sert de référence de forme et de renfort mécanique, permettant notamment au transducteur 1 de résister aux chocs. En outre, en cas de dilatation thermique de l'élément actif 3, en raison de son utilisation ou des conditions extérieures, l'élément support 4 maintient l'élément actif dans une forme utile. L'élément support 4 présente une rigidité supérieure à l'élément actif 3 afin de constituer une référence de forme pour celui-ci. Le transducteur comporte une couche d'assemblage 5 entre ledit élément actif 3 et ledit élément support 4. La couche d'assemblage 5 assure l'assemblage de l'élément actif 3 avec l'élément support 4, c'est-à-dire résiste à une force de dépression d'au moins 400 mbar, sans cependant créer de couplage acoustique significatif, et en assurant un certain couplage thermique. Le couplage acoustique entre l'élément actif 3 et l'élément support 4 est jugé significatif si plus de 10 % de l'énergie acoustique produite par l'élément actif 3 est transmise à l'élément support 4. L'énergie transmise à l'élément support 4 peut être estimée par comparaison entre l'énergie fournie à l'élément actif 3 et l'énergie acoustique recueillie à l'avant de l'élément actif 3, avec et sans l'élément support 4, en prenant soin de prendre en compte des facteurs additionnels tels que l'énergie thermique ou la dispersion acoustique dans l'air. La couche d'assemblage 5 permet cependant un couplage thermique entre l'élément actif 3 et l'élément support 4. Ce couplage thermique permet de drainer la chaleur émise au cours des cycles d'émission d'ondes ultrasonores par l'élément actif 3 depuis celui-ci vers l'élément support 4, autorisant ainsi une puissance accrue d'émission ultrasonore et/ou un fonctionnement prolongé. Le couplage thermique entre l'élément actif 3 et l'élément support 4 est jugé satisfaisant si la résistance thermique de l'interface entre l'élément actif 3 et l'élément support 4 est inférieure à 0,002 rn2.K.W1. De préférence, la résistance thermique est inférieure à 0,0008 rn2.K.W1. Une valeur de résistance thermique de 0,002 rn2.K.W1 correspond à une épaisseur d'air de 50 prn, tandis que celle de 0,0008 rn2.K.W1 correspond à une épaisseur d'air de 20 prn (à la pression atmosphérique). On cherche à obtenir une couche d'assemblage 5 présentant des caractéristiques de découplage acoustique et de couplage thermique proches de celles d'une couche d'air d'une épaisseur maximale de l'ordre de 50 prn. Ainsi, la couche d'assemblage 5 présente une épaisseur comprise entre 1 prn et 120 prn, de préférence inférieure à 50 prn, afin de favoriser le transfert thermique, et de préférence d'au moins 10 prn afin de favoriser le découplage acoustique. Pour créer les conditions favorables au découplage acoustique, l'impédance acoustique apparente de la couche d'assemblage 5 est choisie très différente des impédances acoustiques de l'élément actif 3 et de l'élément support 4. Un rapport d'impédance supérieur à 100 est préférable. Typiquement, la couche d'assemblage 5 présente une impédance acoustique apparente à 25°C comprise entre 300 et 150000 Pa.s/rn, et de préférence entre 300 et 3000 Pa.s/rn. Une telle impédance acoustique apparente peut être estimée par recalage d'un modèle tel qu'un modèle KLM en une dimension, en fonction de résultats de mesure d'impédance électrique du transducteur avec et sans la couche d'assemblage 5. Afin d'obtenir ces caractéristiques similaires à celles d'une couche d'air de moins de 50 prn d'épaisseur, tout en assurant l'assemblage requis, la couche d'assemblage 5 comprend des cavités renfermant du gaz. Les cavités font en moyenne au moins 0,5 prn et moins de 50 prn dans leur plus grande dimension. Le gaz peut être de l'air, de l'isobutane, ou un autre gaz tel que de l'hélium. La description qui suit est faite dans le cadre d'un mode de réalisation préférentiel non limitatif, dans lequel les cavités sont des rnicroballons 7 renfermant du gaz. Les rnicroballons 7, tout du moins leur majorité, présentent une dimension maximale, typiquement leur diamètre, inférieure à 50 prn, de préférence inférieure à 40 prn, et de préférence encore inférieure à 30 prn, voire à 20 prn. Dans un mode de réalisation, le diamètre des rnicroballons 7 est compris entre 18 et 28 prn, mais il peut être encore plus petit. Un rnicroballon 7 comprend une enveloppe renfermant un gaz. L'enveloppe est très fine par rapport au diamètre des rnicroballons. L'épaisseur de l'enveloppe est ainsi inférieure à 1 prn, et de préférence inférieure à 0,5 prn; elle est par exemple de 0,1 prn. Les rnicroballons 7 présentent une faible densité, plus proche de l'air que de celle de l'eau, typiquement inférieure à 100 kg.nri3, par exemple d'environ 55 à 65 kg.nri3. L'enveloppe d'un rnicroballon 7 peut être en matière plastique, notamment en thermoplastique. Dans un mode de réalisation, l'enveloppe est un mélange de thermoplastiques présentant des températures différentes de changement de phase. Ainsi, dans un mode de réalisation, l'enveloppe est un mélange comportant principalement de l'acrylonitrile, du méthacrylate et de l'acrylate. De fait, les rnicroballons présentent de préférence une haute compressibilité, la compressibilité élastique des rnicroballons 7 étant de préférence supérieure à 1x10-6 Pa-1. Dans un mode de réalisation, sous une pression de 6 bars, le volume d'un rnicroballon 7 est diminué par déformation élastique de moitié par rapport à son volume à la pression atmosphérique, et retrouve son volume initial lorsqu'il est de nouveau soumis à la pression atmosphérique. Une compressibilité élevée des rnicroballons permet à la couche d'assemblage 5 de se conformer aux surfaces de l'élément actif 3 et de l'élément support 4. Il est également possible que la couche 6 de nnicroballons soit constituée par une couche de particules de liège, dont les pores fermés, remplis de gaz, constituent lesdits nnicroballons 7 et présentent une taille moyenne inférieure à 50 prn, et de préférence inférieure à 40 prn, voire inférieure à 30 prn. Ces nnicroballons 7 forment de préférence une couche continue 6 dans la couche d'assemblage 5, cette couche 6 s'étendant sur l'ensemble de l'interface entre l'élément actif 3 et l'élément support 4 constituée par la couche d'assemblage 5. La continuité de la couche 6 de nnicroballons 7 permet d'assurer l'homogénéité des caractéristiques de la couche d'assemblage 5. De préférence, cette couche continue 6 de nnicroballons est une nnonocouche de nnicroballons. La finesse d'une telle couche 6 de nnicroballons 7 permet d'obtenir une fine couche d'assemblage 5. Les nnicroballons 7 sont donc noyés dans un liant constitué par une colle. Ainsi, la couche d'assemblage 5 comprend une couche de colle adhérant à l'élément actif 3 et à l'élément support 4, la couche 6 de nnicroballons 7 étant noyée dans ladite couche de colle. La colle présente de préférence les caractéristiques suivantes. Elle a une impédance acoustique faible, un bon isolement électrique, avec par exemple une constante diélectrique d'au moins 4, et de préférence une bonne conduction thermique afin de conduire vers l'élément support 4 la chaleur générée par l'élément actif 3, avec une résistance thermique inférieure à 0,002 nn2.K.W-1, et de préférence inférieure à 0,0008 nn2.K.W1. De plus, la colle présente une bonne fluidité avant polymérisation, avec une viscosité dynamique inférieure à 0,50 Pa.s (soit 500 cP), par exemple de 0,35 Pa.s (soit 350 cP), afin d'enrober les nnicroballons 7 et de se conformer aux surfaces de l'élément actif 3 et de l'élément support 4. La colle présente en outre une faible dureté une fois polymérisée, afin de permettre l'adaptation de la couche d'assemblage 5 aux contraintes mécaniques résultant de l'utilisation du transducteur, avec par exemple la dilatation thermique de l'élément actif 3. En outre, une faible dureté après polymérisation assure une faible impédance acoustique, ce qui permet de découpler acoustiquennent l'élément actif 3 de l'élément support 4. Ainsi, la colle présente de préférence une dureté après polymérisation inférieure à 90 ShoreA, par exemple inférieure ou égale à 65 ShoreA, et de préférence inférieure à 50 ShoreA, voire inférieure à 20 ShoreA. La couche de colle peut par exemple être une résine de poly-époxydes, plus connue sous le nom de résine époxy. Différents procédés de fabrication d'un transducteur selon l'invention sont proposés. Dans un premier mode de réalisation, illustré par les figures 2a à 2d, on dépose une couche de colle 51, 52 sur au moins une face parmi la face arrière 31 de l'élément actif et la face avant 41 de l'élément support. De préférence, une couche de colle 51 est déposée sur la face arrière 31 de l'élément actif 3 et une couche de colle 52 est déposée sur la face avant 41 de l'élément support. Dans l'exemple illustré par la figure 2a, seule la couche de colle 51 déposée sur la face arrière 31 de l'élément actif 3 est illustrée. La couche de colle 51, 52 est fine, avec une épaisseur inférieure à 40 ou 50 pnn, et homogène. Il est possible de racler la couche de colle 51, 52 pour en homogénéiser l'épaisseur. Un gabarit peut être utilisé pour s'assurer de l'épaisseur de la colle lors du raclage avec une raclette dure. Cependant, l'état de surface de la surface raclée, avec une raclette dure, peut suffire à garantir une épaisseur de colle résiduelle après raclage. Le contrôle de l'épaisseur de colle peut aussi résulter du choix combiné d'une raclette souple appuyée contre la surface avec une pression contrôlée et d'une vitesse de raclage adaptée en fonction de la viscosité de la colle. On dépose ensuite les nnicroballons 7 sur la couche de colle 51, 52, ou sur une seule des couches de colle 51, 52, de sorte à former une couche continue de nnicroballons 7. Par exemple, on peut mettre les nnicroballons en abondance sur la couche de colle 51, 52, et évacuer les nnicroballons en excès, c'est-à-dire ceux qui ne sont pas retenus par la colle, par soufflage d'un flux d'air ou en secouant. Les figures 2b et 2c illustrent ainsi respectivement le cas avant et après évacuation des nnicroballons 7 en excès. On assemble ensuite la face arrière 31 de l'élément actif 3 avec la face avant 41 de l'élément support 4, comme sur la figure 2d. A cet égard, l'élément actif 3 et l'élément support 4 sont pressés l'un contre l'autre, et un traitement thermique peut éventuellement être mené. Avec des nnicroballons 7 d'un diamètre compris entre 18 et 28 pnn, et des épaisseurs de 20 prn à 30 prn avant assemblage pour les couches de colle 51, 52, on obtient alors une couche d'assemblage 5 avec une épaisseur comprise entre 35 et 50 pnn. L'épaisseur de la couche d'assemblage peut être calibrée par dépôt de cales d'épaisseur connue dans la couche de colle avant mise en pression des surfaces l'une contre l'autre. Ces cales peuvent par exemple prendre la forme de fils dont le diamètre calibré correspond à l'épaisseur cible de la couche d'assemblage. Par exemple, il peut s'agir de fils de cuivre émaillé d'un diamètre de 30 prn ou de fils en polyéthylène de 20 prn. Il est également possible d'utiliser un ruban adhésif à double face en tant que couche de colle 51, 52, sur une ou sur chacune des faces parmi la face arrière 31 de l'élément actif 3 et la face avant 41 de l'élément support 4. Les nnicroballons 7 sont déposés de même que précédemment, et l'assemblage se fait sous pression, par exemple avec une pression de l'ordre de 1 bar pendant 48h. Par exemple avec des rubans adhésifs doubles faces avec une épaisseur de colle de l'ordre de 40 à 50 prn, la couche d'assemblage 5 résultante présente une épaisseur de l'ordre de 75 à 100 prn. Une autre solution consiste à préparer un mélange de colle et de nnicroballons, puis à déposer ce mélange sur une face parmi la face arrière 31 de l'élément actif et la face avant 41 de l'élément support, ou bien sur les deux faces, puis à procéder à l'assemblage comme précédemment décrit, par exemple avec une pression de l'ordre de 1 bar. Un gabarit comme précédemment cité peut être utilisé. Un exemple de mélange comprend 14 % de nnicroballons en volume, et le reste en colle. De fait, afin que le mélange soit suffisamment chargé en nnicroballons, notamment pour assurer une continuité d'une couche 6 de nnicroballons 7, ceux-ci constituent de préférence au moins 10% du mélange en volume. Il est également possible d'utiliser des nnicroballons 7 recouverts d'adhésif, auquel cas l'assemblage se fait sans ajout de colle. Une autre solution consiste à utiliser des nnicroballons à enveloppe thermoplastique sans ajout de colle. Une couche de nnicroballons 7 à enveloppe thermoplastique est déposée sur une face parmi la face arrière 31 de l'élément actif 3 et la face avant 41 de l'élément support 4. On assemble ensuite la face arrière 31 de l'élément actif 3 et la face avant 41 de l'élément support 4, puis on chauffe les nnicroballons 7 afin d'obtenir une thernno-soudure des nnicroballons, sans faire fondre complètement lesdits nnicroballons 7 afin qu'ils puissent conserver leur gaz enfermé dans la couche d'assemblage 5. On obtient alors une couche d'assemblage très fine, par exemple d'épaisseur inférieure à 40 prn avec des nnicroballons d'un diamètre avant assemblage compris entre 18 et 28 prn.35 L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux figures annexées. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS1. Transducteur (1) ultrasonore comportant : - un élément actif (3) pour générer et/ou recevoir des ondes ultrasonores, et - un élément support (4) situé à l'arrière de l'élément actif (3), caractérisé en ce que le transducteur comporte une couche d'assemblage (5) entre ledit élément actif (3) et ledit élément support (4), ladite couche d'assemblage comprenant des cavités renfermant du gaz. 2. Transducteur selon la revendication précédente, dans lequel la couche d'assemblage (5) présente une épaisseur comprise entre 1 et 120 pnn. 3. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche d'assemblage (5) présente une impédance acoustique apparente à 25°C comprise entre 300 et 150000 Pa.s/nn, et de préférence entre 300 et 3000 Pa.s/nn. 4. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les cavités sont formées par des nnicroballons (7) renfermant du gaz. 5. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche d'assemblage (5) comprend une couche de colle (51, 52) adhérant à l'élément actif (3) et à l'élément support (4), une couche (6) de nnicroballons (7) étant noyée dans ladite couche de colle. 6. Transducteur selon la revendication précédente, dans lequel la colle est une résine époxy présentant une dureté inférieure à 90 ShoreA. 7. Transducteur selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel les nnicroballons (7) forment une couche (6) continue. 8. Transducteur selon la revendication précédente, dans lequel la couche (6) de nnicroballons (7) est une nnonocouche de nnicroballons. 9. Transducteur selon l'une des revendications 4 à 8, dans lequel les nnicroballons (7) présentent une dimension maximale inférieure à 50 pnn. 10. Procédé de fabrication d'un transducteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel : - on dépose une couche de colle (51, 52) sur au moins une face parmi la face arrière (31) de l'élément actif (3) et la face avant (41) de l'élément support (4), - on dépose des nnicroballons (7) sur la couche de colle (51, 52), - on assemble la face arrière (31) de l'élément actif (3) et la face avant (41) de l'élément support (4). 11. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on évacue les nnicroballons (7) en excès sur la couche de colle (51, 52) avant l'assemblage. 12. Procédé de fabrication d'un transducteur selon 1 à 9, dans lequel: - on dépose une couche de nnicroballons (7) à enveloppe thermoplastique sur une face parmi la face arrière (31) de l'élément actif (3) et la face avant (41) de l'élément support (4), - on assemble la face arrière (31) de l'élément actif (3) et la face avant (41) de l'élément support (4), - on chauffe les nnicroballons (7) afin d'obtenir une thernno-soudure des nnicroballons (7).20