MATERIAUX POUR LA HAUTE FREQUENCE

Matériaux piézo-électriques

Après quelques explications générales concernant les matériaux piézo-électriques disponibles pour la transduction ultrasonore (propriétés principales, caractérisation électromécaniques, résonateur libre ou chargé), un état de l’art concernant les matériaux piézo-électriques dédiés pour les applications haute fréquence est décrit.

Spécifications générales

Pour les matériaux piézo-électriques, en particulier pour les applications médicales, deux des propriétés les plus importantes sont le coefficient de couplage effectif du principal mode de vibration utilisé keff et l’impédance acoustique Z. Le coefficient de couplage keff représente l’activité piézo-électrique du matériau pour le mode de vibration considéré, en d’autres termes, la capacité du matériau à convertir l’énergie électrique en énergie acoustique (et réciproquement). Ce facteur de couplage dépend non seulement des propriétés du matériau actif, mais aussi de sa géométrie. Pour les applications d’imagerie médicale, les modes de vibrations utiles sont longitudinaux, c’est-à-dire le long de la direction de polarisation, selon laquelle sont définies les épaisseurs (Tableau A1.5, Annexe 1). Lorsque les dimensions latérales de l’élément actif sont grandes devant l’épaisseur, le coefficient de couplage en mode épaisseur kt est utilisé [5]. La valeur de la permittivité diélectrique est aussi un paramètre de première importance pour ce qui est de l’adaptation électrique (Annexe 3).La Figure I.1 donne les valeurs du coefficient de couplage en épaisseur kt en fonction de l’impédance acoustique Z pour une large gamme de matériaux piézo-électriques disponibles et utilisés pour la fabrication de transducteurs. Le Tableau I.1 donne les définitions des abréviations utilisées. On peut observer qu’aucun des matériaux n’offre des caractéristiques idéales, à savoir un coefficient de couplage important et une impédance acoustique faible. La zone correspondante est délimitée par le carré rouge sur la Figure I.1 (a). Le meilleur compromis doit donc être trouvé parmi ces matériaux. Pour la plupart des applications médicales, les céramiques PZT sont utilisées pour leur coefficient de couplage élevé, même si leur impédance acoustique est importante, puisqu’elle peut être adaptée à l’aide de lames intermédiaires entre l’élément actif et le milieu de propagation (Annexe 3). Pour une application donnée, les propriétés telles que la permittivité diélectrique et la taille de grain permettent de choisir un matériau spécifique. Une large plage de propriétés peuvent être trouvées avec des constantes diélectriques relatives faibles (quelques centaines) à très importantes (plusieurs milliers), avec des tailles de grain de l’ordre du micromètre. Pour un transducteur mono-élément, une permittivité diélectrique moyenne (zone en bas à gauche) permet une bonne adaptation d’impédance électrique au système d’émission-réception (typiquement 50 W), alors que les éléments de barrette nécessitent une permittivité diélectrique plus importante (Figure I.1 (b), en haut à gauche).

Caractérisation

 La mesure de l’impédance électrique complexe en fonction de la fréquence est réalisée sur un échantillon piézo-électrique vibrant selon un mode dominant (Annexe 1). Cette mesure, grâce à un schéma électrique équivalent, permet d’obtenir les propriétés diélectriques, mécaniques et piézoélectriques par ajustements successifs. Dans certains cas, le standard de la piézo-électricité [5] peut être utilisé, et les courbes expérimentales sont ensuite exploitées directement en utilisant ces formules simples. L’équipement standard est constitué d’un analyseur de réseaux, avec un kit d’impédance qui comprend un ressort pour réaliser les contacts électriques avec le matériau piézoélectrique. La qualité du contact électrique est de grande importance, en particulier pour les mesures en haute fréquence, notamment pour éviter une impédance de contact trop élevée, tout en évitant de perturber la résonance du mode caractérisé. La Figure I.2 (b) montre la résonance typique d’un disque piézo-électrique fabriqué par coulage en bande (tape-casting), avec une fréquence d’anti-résonance autour de 50 MHz. Pour la haute fréquence, le procédé de fabrication consiste souvent à déposer l’élément piézo-électrique sur un substrat (Figure I.2 (a)), qui en amortit la résonance observée sur l’impédance électrique. Avec un schéma électrique équivalent, tel que le schéma KLM [6] (Annexe 3) adapté aux structures multicouches (substrat, électrodes et élément piézo-électrique), les différentes propriétés acoustiques sont paramètrées. Connaissant les propriétés acoustiques des électrodes et du substrat, la procédure d’ajustement permet d’obtenir les propriétés de la couche piézo-électrique (Figure I.2 (c)) [7, 8] comme le décrit l’équation (I.6)

Polymères et copolymères

 Les polymères piézo-électriques tels que le PVDF ou ses copolymères  sont disponibles en films avec des épaisseurs de plusieurs micromètres. Grâce à ces faibles épaisseurs, ils peuvent être directement utilisés pour des applications haute fréquence. Leur coefficient de couplage est relativement faible (de 15 à 30 %), ainsi que leur permittivité diélectrique relative (autour de 5). Ces deux dernières propriétés ont tendance à donner une sensibilité relativement faible, et rendent l’adaptation électrique difficile. Cependant, leur impédance acoustique (entre 4 et 5 MRa) est relativement proche de celle des tissus (1,5 MRa). L’adaptation d’impédance acoustique n’est pas indispensable car le gain obtenu (en terme de sensibilité et de bande passante) peut être relativement faible pour des difficultés technologiques importantes correspondant à l’ajout d’une lame adaptatrice de très faible épaisseur. Le Tableau I.2 résume les principales propriétés électromécaniques de ces matériaux relevées dans différentes publications. Le second avantage de ces polymères est leur facilité de mise en forme due à leur flexibilité (Figure I.3 (a)), ce qui permet de réaliser une focalisation géométrique de l’élément piézo-électrique assez facilement, et évite ainsi l’addition d’une lentille de focalisation (Figure I.3 (b)). Bien que le coefficient de couplage en mode épaisseur kt soit relativement faible, le transfert d’énergie mécanique en énergie acoustique reste relativement efficace grâce à une impédance acoustique relativement proche de celle des tissus à caractériser. Ainsi, ces polymères sont toujours couramment utilisés pour la fabrication de transducteurs haute fréquence dans la gamme de 20 à 100 MHz.

Film céramique épais 

De nombreux procédés sont possibles et ont été développés [20] tels que la sérigraphie (screenprinting) [21], le coulage en bande (tape casting) [22, 23], le recouvrement par rotation ou trempage (spin or dip coating) [24, 25], ou les techniques de dépôt par pulvérisation (spray) [26] pour fabriquer des films épais de céramiques piézo-électriques (de quelques dizaines de micromètres). Les trois premières techniques sont largement utilisées, en particulier pour les applications d’imagerie. Dans chaque cas, ces échantillons (généralement de forme circulaire) sont fabriqués directement dans leur forme finale, évitant ainsi les délicates opérations d’usinage qui peuvent être critiques avec l’apparition de fissures ou cassures. Ces bandes peuvent d’ailleurs être utilisées pour fabriquer des échantillons de géométrie quelconque pour de nombreuses applications.

Film seul

Différents échantillons ont été réalisés par coulage en bande (Figure I.4) et leurs propriétés ont été caractérisées en vue d’une comparaison avec celles obtenues pour les céramiques massives.Le Tableau I.3 résume plusieurs caractéristiques représentatives d’échantillons réalisés par coulage en bande, dont le coefficient de couplage en mode épaisseur kt est légèrement plus faible que celui des céramiques massives, mais leurs performances finales permettent tout de même de les intégrer dans la fabrication de transducteurs haute fréquence délivrant des performances satisfaisantes.

 Film sur substrat 

Les substrats pour le dépôt de film épais par sérigraphie peuvent être utilisés de deux façons. La première consiste à choisir le substrat de façon à ce qu’il satisfasse directement la fonction de milieu arrière pour le transducteur [28]. De nombreuses conditions sont nécessaires en terme d’impédance acoustique relative à celle du transducteur et de température de frittage pour le film épais (généralement au-delà de 900°C) tout en évitant la détérioration du substrat. Le PZT poreux peut être un bon choix (Figure I.5 (a)). Cette méthode conduit à un transducteur intégré. La seconde peut être de choisir un matériau intermédiaire tel qu’un substrat en alumine (Al2O3) schématisé sur la Figure I.5 (b) [29]. Le futur milieu arrière constitué de résine époxy chargée avec de la poudre d’argent est collé sur l’autre face de l’élément piézo-électrique (Figure I.5 (b)). En effet, la fraction volumique de poudre d’argent permet d’ajuster l’impédance acoustique désirée du milieu arrière. Finalement, le substrat en aluminium est usiné et/ou attaqué chimiquement, et une nouvelle électrode est déposée sur la face avant du film épais. Cette méthode permet d’optimiser le choix de ces deux matériaux et d’optimiser les performances du futur transducteur.