Brevet FR3030943A1 — publié le 20160624

B13284FR - 13-T000-0510 1 DISPOSITIF ACOUSTIQUE D'ISOLATION GALVANIQUE Domaine La présente demande concerne un dispositif acoustique d'isolation galvanique. Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe représentant schématiquement un exemple de dispositif acoustique d'isolation galvanique décrit dans le brevet français N° 2954014 (B9908) de la demanderesse. Ce dispositif comprend un substrat 10 en silicium revêtu sur sa face supérieure d'une couche 12A de matériau isolant. Sur la couche 12A est formé un réseau 14A de transducteurs électroacoustiques à membrane vibrante. Ces transducteurs sont souvent désignés dans la technique par l'acronyme CMUT de l'anglais "Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer". Ces transducteurs comprennent une couche conductrice 16A formée sur la couche isolante 12A et formant une première électrode commune à tous les transducteurs. Au-dessus de la couche conductrice 16A est formée une couche 17A en un matériau diélectrique. Des membranes 18A sont définies dans la couche 17A au-dessus de cavités 20A. Sur les membranes 18A et en regard des cavités 20A, sont formées des secondes électrodes 22A. Un ou plusieurs contacts B13284FR - 13-T000-0510 2 24A sont formés sur la première électrode 16A. Les électrodes 22A sont connectées à un noeud 26A. Symétriquement, la face inférieure du substrat 10 comprend des éléments 12B, 14B, 16B, 17B, 18B, 20B, 22B, 24B et 5 26B homologues des éléments 12A, 14A, 16A, 17A, 18A, 20A, 22A, 24A et 26A. En fonctionnement, une tension de polarisation continue est appliquée entre les contacts 24A et 26A du premier réseau 14A de transducteurs et entre les contacts 24B et 26B du deuxième 10 réseau 14B de transducteurs. Une tension alternative de fréquence fo (signal d'entrée) est appliquée au premier réseau 14A de transducteurs, entre les contacts 24A et 26A. Cette tension alternative provoque la mise en oscillation à la fréquence fo des membranes 18A des transducteurs du réseau 14A. Les ondes 15 acoustiques ultrasonores produites se propagent dans le substrat 10 en direction du réseau 14B de transducteurs. L'épaisseur du substrat est choisie pour favoriser la propagation des ondes acoustiques de fréquence fo. Les ondes acoustiques transmises par le substrat 10 atteignent les transducteurs du deuxième réseau 20 14B, ce qui provoque la vibration de leur membrane 18B. Il en résulte l'apparition d'une tension alternative de fréquence fo (signal de sortie) entre les contacts 24B et 26B. Lorsque la fréquence du signal d'entrée s'écarte de la fréquence fo pour laquelle l'épaisseur du substrat 10 a été 25 choisie, on observe une forte atténuation de l'amplitude du signal de sortie. Ainsi, un tel dispositif acoustique d'isolation galvanique ne fonctionne bien que si la fréquence du signal d'entrée reste proche d'une fréquence déterminée fo. Ceci implique qu'il faut associer au dispositif acoustique d'isolation 30 galvanique un générateur de signal d'entrée alternatif fournissant une fréquence qui reste proche de la fréquence fo de fonctionnement optimal du dispositif. La prévision d'un tel générateur fournissant, sans dérive, une fréquence précise entraîne que ce générateur doit être relativement sophistiqué et 35 que son coût est élevé. B13284FR - 13-T000-0510 3 Il existe donc un besoin d'un dispositif acoustique d'isolation galvanique qui puisse accepter un signal d'entrée alternatif dont la fréquence est comprise dans une plage relativement large. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif acoustique d'isolation galvanique comprenant un substrat apte à transmettre une onde acoustique, un premier réseau de transducteurs électro-acoustiques à membrane vibrante disposés sur une première face du substrat, et un deuxième réseau de transducteurs électro-acoustiques à membrane vibrante disposés sur une deuxième face opposée du substrat, dans lequel le substrat présente un gradient d'épaisseur effective entre les première et deuxième faces. Selon un mode de réalisation, le substrat est constitué de silicium non poreux et de silicium poreux, et les première et deuxième faces sont planes et parallèles entre elles, l'interface entre le silicium non poreux et le silicium poreux étant non plane. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur du silicium non poreux varie de manière discrète. Selon un mode de réalisation, la surface du silicium non poreux en contact avec le silicium poreux est concave. Selon un mode de réalisation, le substrat est constitué 25 d'un seul matériau. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur du matériau varie de manière discrète. Selon un mode de réalisation, l'une au moins des première et deuxième faces est concave. 30 Selon un mode de réalisation, le substrat comprend en outre des zones de silicium poreux disposées à la périphérie du substrat et s'étendant de la première à la deuxième face. Selon un mode de réalisation, l'onde acoustique a une fréquence comprise entre une fréquence haute fmax et une fréquence B13284FR - 13-T000-0510 4 basse fmin, et le substrat a une épaisseur effective maximale Lmax et une épaisseur effective minimale Lmin choisies telles que : Lmax - n 2frnin , et Lmin n' -imax n étant un entier, et c désignant la célérité des ondes acoustiques dans le ou les matériaux du substrat. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens aptes à modifier la polarisation des transducteurs de manière à adapter la fréquence de résonance des transducteurs à 10 la fréquence de l'onde acoustique. Brève description des dessins Ces 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 15 avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, représente schématiquement un exemple de dispositif acoustique d'isolation galvanique décrit dans le brevet français N° 2954014 ; la figure 2 est une vue en coupe représentant 20 schématiquement un dispositif acoustique d'isolation galvanique ; la figure 3 est une vue en coupe représentant schématiquement un mode de réalisation du dispositif de la figure 2 ; la figure 4 est une vue en coupe représentant 25 schématiquement une variante de réalisation du dispositif de la figure 2 ; la figure 5 est une vue en coupe représentant schématiquement un autre mode de réalisation d'un dispositif acoustique d'isolation galvanique ; 30 la figure 6 est une vue en coupe représentant schématiquement une variante de réalisation du dispositif de la figure 5 ; la figure 7 est une vue en coupe représentant schématiquement une variante de réalisation du dispositif de la 35 figure 6 ; et B13284FR - 13-T000-0510 la figure 8 est une vue en coupe représentant schématiquement une autre variante de réalisation du dispositif de la figure 6. Description détaillée 5 Dans les figures 2 à 8, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références et, de plus ces figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, dans ces figures, les transducteurs de type CMUT sont représentés de façon simplifiée. Par ailleurs, des termes tels que "supérieur", "inférieur", "latéral", etc., s'appliquent à des dispositifs orientés de la façon illustrée dans les figures correspondantes, étant entendu que, dans la pratique, ces dispositifs peuvent être orientés différemment. Dans la suite de la description, sauf indication contraire, le te= "sensiblement" signifie "à 10% près". La figure 2 est une vue en coupe représentant schématiquement un dispositif acoustique d'isolation galvanique prévu pour transmettre des signaux alternatifs entre des réseaux d'entrée et de sortie de transducteurs électro-acoustiques à membrane vibrante. Le dispositif comprend un substrat 30 en tout matériau adapté à transmettre des ondes acoustiques ultrasonores. Des premier et deuxième réseaux 32A et 32B de transducteurs électroacoustiques 34A et 34B de type CMUT sont disposés respectivement sur les faces supérieure et inférieure du substrat 30. Chacun des éléments de ces réseaux est constitué de la façon décrite en relation avec la figure 1. La face inférieure du substrat 30 est plane et la surface supérieure du substrat est concave. Il en résulte que le substrat 30 présente un gradient d'épaisseur entre ses faces supérieure et inférieure. L'épaisseur du substrat 30 varie d'une valeur maximale Lmax à une valeur minimale Lmin, les épaisseurs lima>, et Lmin du substrat favorisant la propagation d'ondes acoustiques de fréquences respectives fmin et fmax. Ainsi, le dispositif de la figure 2 transmet avec 35 sensiblement la même intensité des signaux d'entrée alternatifs B13284FR - 13-T000-0510 6 ayant chacun une fréquence différente comprise dans une plage de fréquences relativement large s'étendant d'une fréquence basse fmin à une fréquence haute fmax. La figure 3 est une vue en coupe représentant 5 schématiquement un mode de réalisation du dispositif de la figure 2. Dans ce mode de réalisation, la face supérieure concave du substrat 30 est structurée en paliers échelonnés 36. Dans la vue en coupe représentée, par souci de simplification, un unique transducteur 34A est disposé sur la largeur de chaque palier 36. 10 Du fait que les paliers ont des surfaces supérieures planes, chaque transducteur 34A s'étend parallèlement aux transducteurs 34B. La figure 4 est une vue en coupe représentant schématiquement une variante de réalisation du dispositif de la 15 figure 2. Dans cette variante, les faces supérieure et inférieure du substrat 30 sont toutes deux concaves et structurées en paliers échelonnés 36. A titre d'exemple, dans les dispositifs des figures 2 à 4, le substrat 30 est en silicium ou en verre. Le profil de la 20 face supérieure, et éventuellement celui de la face inférieure, du substrat peut être obtenu par gravure. Dans le cas où les faces supérieure et inférieure du substrat 30 sont toutes deux concaves, deux portions de substrat peuvent être gravées séparément puis collées l'une à l'autre, par exemple par collage moléculaire. 25 La figure 5 est une vue en coupe représentant schématiquement un autre mode de réalisation d'un dispositif acoustique d'isolation galvanique prévu pour transmettre des signaux alternatifs entre des réseaux d'entrée et de sortie de transducteurs électro-acoustiques à membrane vibrante. 30 Le dispositif comprend un substrat 30, et des premier et deuxième réseaux 32A et 32B de transducteurs 34A et 34B de type CMUT. Le substrat 30 comprend une partie supérieure 38 en silicium poreux et une partie inférieure 40 en silicium non poreux, par exemple en silicium monocristallin. Les faces supérieure et 35 inférieure du substrat 30 sont planes et parallèles entre elles. B13284FR - 13-T000-0510 7 La surface supérieure 42 de la partie 40 en contact avec la partie 38 est concave. En fonctionnement, quand une onde se propage dans le substrat 30 d'un transducteur 34A à un transducteur 34B en regard, 5 elle traverse du silicium poreux et du silicium non poreux. Pour un substrat ayant une épaisseur donnée de silicium poreux et une épaisseur donnée de silicium non poreux, on appelle épaisseur effective du substrat l'épaisseur qu'aurait un substrat de silicium non poreux traversé en la même durée par une onde 10 acoustique de même fréquence. Le substrat 30 présente un gradient d'épaisseur effective. Ainsi, comme cela a été exposé en relation avec le dispositif de la figure 2, le dispositif de la figure 5 transmet efficacement des signaux dans une plage de fréquences relativement 15 large. En choisissant les épaisseurs des parties 38 et 40 et le profil de la surface 42 pour que l'épaisseur effective du substrat 30 varie de Lmin à 4max, cette plage de fréquences s'étendra de fmin à fmax- En outre, du fait que les faces supérieure et inférieure 20 du substrat 30 sont planes, les opérations de dépôt et de gravure nécessaires à la réalisation des transducteurs 34A et 34B sont simplifiées par rapport au cas où ces faces sont courbes ou comprennent des portions situées à des hauteurs différentes. A titre d'exemple, le silicium poreux peut être obtenu 25 en déposant sur la surface supérieure d'un substrat en silicium un masque résistif dont l'épaisseur varie de manière complémentaire à l'épaisseur de silicium poreux que l'on souhaite former, puis en effectuant une étape d'anodisation électrochimique, c'est-à-dire en immergeant le substrat dans un bain 30 électrolytique et en faisant circuler un courant à travers le masque et ce substrat. La figure 6 est une vue en coupe schématique d'une variante de réalisation du dispositif de la figure 5. Dans cette variante, au lieu d'être régulièrement concave, la surface 35 supérieure 42 de la partie 40 est structurée en paliers échelonnés B13284FR - 13-T000-0510 8 44. Ainsi, l'épaisseur de la partie supérieure 38 du substrat varie de façon discrète. Il en résulte que la réalisation du silicium poreux est simplifiée. A titre d'exemple, les diverses épaisseurs de silicium poreux peuvent être obtenues en répétant des étapes de dépôt d'un masque isolant sur des portions de la face supérieure d'un substrat, et d'anodisation électrochimique de ce substrat. La figure 7 est une vue en coupe représentant schématiquement une variante de réalisation du dispositif de la 10 figure 6. Dans cette variante, les portions de silicium poreux de diverses profondeurs sont disjointes. Plusieurs transducteurs 34A sont disposés sur la largeur de chaque portion de silicium. poreux. On notera que des réalisations échelonnées telles que celles des figures 5 à 7 peuvent comprendre seulement un nombre 15 limité de paliers, par exemple 4 comme cela est représenté en figure 7. Le nombre d'étapes nécessaires à la réalisation d'un tel dispositif est donc limité. La figure 8 est une vue en coupe représentant schématiquement une autre variante de réalisation du dispositif 20 de la figure 6. Dans cette variante, du silicium. poreux 46 s'étend à la périphérie du substra t 30, de la face supérieure à la face inférieure de celui-ci. Ce silicium poreux 46 limite la propagation d'éventuelles ondes acoustiques transverses. Il en résulte une diminution des effets de bord. Cette disposition peut 25 également être prévue dans les dispositifs des figures 2 à 4 dans les cas où le substrat 30 est en silicium, et dans les dispositifs des figures 5 à 7. Dans les dispositifs des figures 2 à 8, les valeurs Lmin et Lmax de l'épaisseur effective du substrat sont choisies en 30 fonction de la fréquence du signal d'entrée alternatif allant d'une fréquence minimale fmin à une fréquence maximale fmax. Cette épaisseur effective correspond à l'épaisseur réelle du substrat dans les dispositifs des figures 2 à 4, et tient compte de la superposition de silicium poreux et de silicium non poreux dans B13284FR - 13-T000-0510 9 les dispositifs des figures 5 à 8. En particulier, Lmin et Lmax sont choisies telles que : Lmax - n2 f min, et Lmin n2fmax n étant un entier et c désignant la célérité du son dans le matériau ou l'ensemble de matériaux du substrat dans une direction allant d'un réseau de transducteurs à un autre. A, titre d'exemple, pour fmin=11 MHz, fmax=13 MHz, n=2 et un substrat 30 en silicium, c=8433 m.s-1, Lmin=648,7 et Lmax=766,7 Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En pratique, les réseaux 32A et 32B comportent un grand nombre de transducteurs 34P, et 34B, par exemple plusieurs milliers à plusieurs dizaines de milliers de transducteurs. Dans les dispositifs des figures 2 à 8, on a décrit des substrats à épaisseur effective variable. Pour réduire encore plus les différences d'intensités entre des signaux transmis à des fréquences différentes, on peut prévoir d'adapter la fréquence de résonance des transducteurs 34A et 34B à la fréquence du signal d'entrée alternatif. Ceci peut se faire, par exemple, comme cela est décrit dans la demande de brevet américaine N° 2013/135970 (B11326) de la demanderesse, sans modifier les caractéristiques structurelles des transducteurs 34A et 34B, mais seulement en modifiant la tension de polarisation de ces transducteurs en fonction de la fréquence du signal alternatif. On pourra prévoir un asservissement entre la fréquence du signal d'entrée et cette tension de polarisation. Différents types de transducteurs électro-acoustiques à membrane vibrante peuvent être utilisés dans les dispositifs des figures 2 à 8. Par exemple, on peut prévoir d'utiliser des transducteurs de type CMUT tels que ceux décrits dans le brevet américain N° 8791624 (B10453) de la demanderesse pour découpler les tensions alternatives appliquées aux transducteurs 34A et 34B des tensions continues servant à polariser ces transducteurs. B13284FR - 13-T000-0510 10 Dans les dispositifs des figures 2 à 8, le substrat 30 est symétrique par rapport à un axe central. Le substrat 30 pourrait toutefois ne pas être symétrique. En outre, la face supérieure et éventuellement la face inférieure du substrat des dispositifs des figures 2 à 4 peuvent avoir des profils autres que concaves. De manière analogue, on peut modifier le profil de l'interface entre le silicium poreux et le silicium non poreux du substrat des dispositifs des figures 5 à 8. De manière analogue à ce qui a été décrit en relation avec la figure 7, plusieurs transducteurs 34A peuvent être disposés sur la largeur de chaque palier 36 des dispositifs des figures 3 et 4, et plusieurs transducteurs 34A peuvent être disposés sur la face supérieure du substrat en regard d'un même palier 44 des dispositifs des figures 6 et 8. Dans les dispositifs des figures 5 à 8, pour faire varier l'épaisseur effective du substrat, de façon analogue à ce qui a été décrit en relation avec la figure 4, du silicium poreux peut être formé du côté de la face inférieure et du côté de la face supérieure du substrat. Divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. L'homme de l'art pourra combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive. REVENDICATIONS1. Dispositif acoustique d'isolation galvanique comprenant un substrat (30) apte à transmettre une onde acoustique, un premier réseau (32A) de transducteurs électroacoustiques (34A) à membrane vibrante disposés sur une première face du substrat, et un deuxième réseau (32B) de transducteurs électro-acoustiques (34B) à membrane vibrante disposés sur une deuxième face opposée du substrat, dans lequel le substrat présente un gradient d'épaisseur effective entre les première et deuxième faces. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le substrat (30) est constitué de silicium non poreux (40) et de silicium poreux (38), et les première et deuxième faces sont planes et parallèles entre elles, l'interface entre le silicium non poreux et le silicium poreux étant non plane. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'épaisseur du silicium non poreux varie de manière discrète. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la surface (42) du silicium non poreux (40) en contact avec le silicium poreux (38) est concave. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le substrat (30) est constitué d'un seul matériau. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l'épaisseur du matériau varie de manière discrète. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, dans lequel 25 l'une au moins des première et deuxième faces est concave. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le substrat (30) comprend en outre des zones de silicium poreux (46) disposées à la périphérie du substrat et s'étendant de la première à la deuxième face. 30 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'onde acoustique a une fréquence comprise entre une fréquence haute fmax et une fréquence basse fmin, et le substrat (30) a une épaisseur effective maximale Lmax et une épaisseur effective minimale Lmin choisies telles que :B13284FR - 13-T000-0510 12 Lmax - n2fmin, et Lmin n2fmax n étant un entier, et c désignant la célérité des ondes acoustiques dans le ou les matériaux du substrat. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le dispositif comprend des moyens aptes à modifier la polarisation des transducteurs (32A, 32B) de manière à adapter la fréquence de résonance des transducteurs (34A, 34B) à la fréquence de l'onde acoustique.