FR2965991A1 - Dispositif acoustique d'isolation galvanique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un transducteur électro-acoustique comprenant une première électrode (16) formée sur un substrat (10) apte à transmettre les ultrasons, une membrane (18) formée au dessus de la première électrode (16) et séparée de celle-ci par une cavité (20), une deuxième électrode (23) formée sur la membrane (18), une première couche isolante (30) sur la deuxième électrode (23), et une troisième électrode (28) formée sur la première couche isolante (30).
Description
B10453 - 10-TOC-204 1 DISPOSITIF ACOUSTIQUE D'ISOLATION GALVANIQUE
Domaine de l'invention La présente invention concerne les transducteurs électro-acoustiques et les dispositifs acoustiques d'isolation galvanique.
Exposé de l'art antérieur Un transducteur électro-acoustique permet de convertir un signal électrique alternatif en ondes acoustiques (émission) ou inversement (réception). En associant de part et d'autre d'un substrat des transducteurs électro-acoustiques fonctionnant respectivement en émission et en réception, on peut réaliser une isolation galvanique. La figure 1 illustre un dispositif d'isolation galvanique par liaison acoustique décrit dans la demande de brevet français non publiée 09/58864 déposée le 11 décembre 2009.
Ce dispositif comprend un substrat 10 en tout matériau adapté à la transmission d'ondes acoustiques, par exemple une plaquette de verre ou de silicium. A titre d'exemple, sur la première face d'un substrat 10 de silicium, s'étend une première couche 12A de matériau fortement isolant, par exemple de l'oxyde de silicium thermique ou un autre oxyde thermique. Sur la première couche de matériau isolant 12A est formé un premier réseau 14A de transducteurs ultrasonores connectés en parallèle.
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2 Ces transducteurs comprennent une couche conductrice 16A formée sur la couche isolante 12A et formant une première électrode commune à tous les transducteurs. La couche conductrice 16A peut être en silicium polycristallin fortement dopé ou en un métal.
Au-dessus de la couche conductrice 16A est formée une couche 17A en un matériau diélectrique, par exemple du nitrure de silicium. Des membranes 18A sont définies dans la couche 17A au dessus de cavités 20A. Sur les membranes 18A et en regard des cavités 20A, 10 sont formées des secondes électrodes 22A. Ces électrodes peuvent être en aluminium. Un ou plusieurs contacts 24A sont formés sur la première électrode 16A. Les électrodes 22A sont connectées à un noeud 26A. 15 Symétriquement la deuxième face du substrat 10 comprend des éléments 12B, 14B, 16B, 17B, 18B, 20B, 22B, 24B et 26B homologues des éléments 12A, 14A, 16A, 17B, 18A, 20A, 22A, 24A et 26A. Le dispositif de la figure 1 fonctionne comme suit. Un 20 signal alternatif d'entrée que l'on souhaite transmettre des transducteurs électro-acoustiques du réseau 14A aux transducteurs acousto-électriques du réseau 14B et une tension de polarisation sont appliqués entre les contacts 24A et 26A du premier réseau 14A de transducteurs. La tension alternative d'entrée 25 provoque la mise en oscillation des différentes membranes 18A des transducteurs du premier réseau 14A. Le substrat 10 propage les ondes acoustiques ultra-sonores créées par l'oscillation des membranes 18A en direction du second réseau 14B. Avantageusement, dans le cas d'un substrat 30 10 en silicium, le trajet des ondes acoustiques est très directif, ce qui permet une bonne réception des ondes au niveau du second réseau 14B. Les ondes acoustiques transmises par le substrat 10 atteignent le second réseau de transducteurs ultrasonores 14B, 35 ce qui provoque la vibration des membranes 18B. Un générateur de B10453 - 10-TOC-204
3 tension continue est placé entre les bornes de contact 24B et 26B du second réseau. La vibration des membranes 18B provoque alors une variation de la tension aux bornes d'un circuit électrique de sortie connecté au contact 26B.
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 tension plus élevée, par exemple le secteur. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un transducteur électro-acoustique intégrant des moyens de découplage des signaux électriques continu et alternatif. Un objet d'un mode de réalisation de la présente 15 invention est de prévoir un dispositif acoustique d'isolation galvanique. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un transducteur électro-acoustique comprenant une première électrode formée sur un substrat apte à transmettre les 20 ultrasons, une membrane formée au dessus de la première électrode et séparée de celle-ci par une cavité, une deuxième électrode formée sur la membrane, une première couche isolante sur la deuxième électrode, et une troisième électrode formée sur la première couche isolante. 25 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la membrane et la couche isolante sont en nitrure de silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le transducteur comprend des contacts adaptés à connecter un générateur de tension continue entre les première et deuxième 30 électrodes et une source alternative entre les première et troisième électrodes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le substrat est une tranche de silicium sur au moins une face de laquelle s'étend une deuxième couche isolante.
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4 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le substrat est une plaque de verre. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif acoustique d'isolation galvanique compre- nant des transducteurs tels que ci-dessus, respectivement formés sur les première et seconde faces d'un substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les deuxième et troisième électrodes sont connectées selon une structure matricielle.
Brève description des dessins 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, décrite précédemment, représente un dispositif d'isolation galvanique par liaison acoustique ; la figure 2 représente un dispositif d'isolation galvanique par liaison acoustique selon un mode de réalisation de la présente invention connecté à un interrupteur de puissance ; et la figure 3 est une vue de dessus représentant une réalisation matricielle d'un réseau de transducteurs. Description détaillée Comme cela est habituel dans la représentation des 25 circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 2 représente un dispositif d'isolation galvanique par liaison acoustique utilisant des transducteurs électro-acoustiques intégrant un condensateur. 30 Comme le dispositif de la figure 1, ce dispositif comprend, de manière symétrique, des premier et second réseaux 14A et 14B de transducteurs ultrasonores en parallèle formés de part et d'autre d'un substrat 10. Au lieu de ne comprendre qu'une électrode 22 sur 35 chaque membrane 18, chacun des transducteurs de la figure 2 B10453 - 10-TOC-204
comporte une paire d'électrodes 23 et 28 séparées par une couche isolante 30. Ainsi on peut appliquer une tension continue de polarisation entre l'électrode 16 et l'une des électrodes 23 et 28, le signal de haute fréquence étant appliqué ou utilisé entre 5 l'électrode 16 et l'autre des électrodes 23 et 28. Les électrodes 23 et 28 constituent donc les deux électrodes de condensateurs. Comme précédemment toutes les électrodes 23A sont interconnectées, de même que toutes les électrodes 28A, 23B et 28B. Les condensateurs permettent de découpler la partie polarisation de la partie haute fréquence et leur avantage ressortira notamment de la description ci-après d'une application du dispositif d'isolement galvanique décrit ici. Dans l'exemple représenté en figure 2, du côté émission, un générateur 34A applique une tension continue de polarisation entre les électrodes 16A et 23A. Un microcontrôleur 38 commande une source haute fréquence 40, qui applique des salves de tension haute fréquence entre les électrodes 16A et 28A du réseau 14A. Côté réception, un générateur 34B polarise les électrodes 23B par rapport à l'électrode 16B, et un signal haute fréquence résultant de la vibration de la membrane 18B est recueilli sur le contact de sortie 26B relié aux électrodes 28B. Le signal haute fréquence est appliqué à la borne de gâchette 48 d'un triac ou tout autre interrupteur de puissance 46. Le triac fait partie d'un circuit de puissance comprenant une charge 44 reliée à une source d'alimentation alternative 42, par exemple le secteur. Ainsi la conduction du triac est déterminée par le signal haute fréquence contrôlé par le microcontrôleur 38 et ce microcontrôleur est isolé du triac par le dispositif acoustique d'isolation galvanique.
La gâchette 48 du triac ou autre interrupteur de puissance 46 est amorcée par le signal haute fréquence et ne doit pas être connectée à une tension continue. Toutefois, il demeure le problème que la polarisation continue des membranes des transducteurs risque de se retrouver sur la gâchette 48 du triac ou autre interrupteur de puissance. C'est le rôle des B10453 - 10-TOC-204
6 condensateurs décrits ici d'éviter que cette tension continue 34B se retrouve sur la gâchette 48 et affecte le fonctionnement de l'interrupteur de puissance 46. Comme cela a été décrit précédemment, des structures de condensateur entre les électrodes 23A et 28A sont également prévues côté émission. Ces condensateurs présentent l'avantage supplémentaire de découpler la source de tension continue 34A du générateur haute fréquence 40. Ils sont essentiellement prévus pour assurer la symétrie du dispositif, ce qui procure l'avantage de simplifier son procédé de fabrication et son utilisation. La capacité totale des condensateurs en parallèle dépend de l'épaisseur d'isolant, de la surface des condensateurs et également du nombre de condensateurs. A titre d'exemple, pour un condensateur dont l'isolant 30 est en nitrure de silicium de constante diélectrique égale à 7,5, d'épaisseur 100 nm et de surface 400 11m2, la capacité du condensateur intégré est 0,26 pF. Pour un dispositif acoustique d'isolation galvanique de surface de 7 x 7 mm2 sur laquelle sont formés 35546 transducteurs dont chacun est muni d'un condensateur d'une capacité de 0,26 pF, la capacité totale des condensateurs en parallèle est de 10 nF. Une telle valeur permet de transmettre sans problème le signal de haute fréquence (supérieur à 1 MHz) généré par les membranes 18B des transducteurs du réseau 14B.
La figure 3 est une vue de dessus représentant une réalisation matricielle d'un réseau de transducteurs tel que décrit précédemment. Par souci de simplification, on a représenté seulement un réseau de 4x4 transducteurs, mais comme on l'a indiqué ci-dessus, ce réseau sera en pratique de beaucoup plus grande dimension. Au dessus de l'électrode 16 sont disposées des électrodes 23 connectées les unes aux autres selon des colonnes par des pistes conductrices 43, toutes les colonnes de pistes conductrices 43 aboutissant à un contact commun 32. De même, au dessus des électrodes 23, toutes les électrodes 28 d'une même ligne sont interconnectées par des pistes conduc- B10453 - 10-TOC-204
7 trices 48 à un contact commun 26. Bien que cela ne soit pas visible sur la figure, il est clair que les premières électrodes 23 sont disposées au dessus des membranes 18 et qu'une couche isolante 30 est interposée entre les électrodes 23 et 28. Cette disposition matricielle permet de réduire les capacités parasites. De plus, bien que l'on ait représenté en figures 2 et 3 chaque électrode 28 comme ayant une surface inférieure à celle de l'électrode 23 correspondante, on notera que ceci a été fait essentiellement pour faciliter la représentation et que ces deux électrodes pourraient avoir de mêmes surfaces. L'épaisseur d'ensemble des membranes 18 et des couches isolantes 30 sera choisie en tenant compte des épaisseurs des électrodes métalliques pour optimiser l'introduction, respecti- vement la réception, d'ondes acoustiques à la fréquence d'oscillation du signal haute fréquence de la source 40 en direction, respectivement à partir, du substrat. A titre d'exemple l'épaisseur de la membrane en nitrure de silicium est comprise entre 250 et 400 nm, l'épaisseur de la couche isolante 30 étant choisie par l'homme de l'art, par exemple entre 80 et 250 nm. 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, les dimensions et formes des transducteurs, les dimensions du dispositif d'isolation galvanique, l'épaisseur des électrodes, la fréquence acoustique, la fréquence de la source alternative et la tension continue de polarisation seront choisies par l'homme de l'art selon les performances souhaitées.
Claims (7)
- REVENDICATIONS1. Transducteur électro-acoustique comprenant : une première électrode (16) formée sur un substrat (10) apte à transmettre les ultrasons, une membrane (18) formée au dessus de la première électrode (16) et séparée de celle-ci par une cavité (20), une deuxième électrode (23) formée sur la membrane (18), une première couche isolante (30) sur la deuxième électrode (23), et une troisième électrode (28) formée sur la première couche isolante (30).
- 2. Transducteur selon la revendication 1, dans lequel la membrane (18) et la couche isolante (30) sont en nitrure de silicium.
- 3. Transducteur selon la revendication 1 ou 2, comprenant des contacts adaptés à connecter un générateur de tension continue (34) entre les première et deuxième électrodes et une source alternative entre les première et troisième électrodes.
- 4. Transducteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, dans lequel le substrat (10) est une tranche de silicium sur au moins une face de laquelle s'étend une deuxième couche isolante (12).
- 5. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le substrat (10) est une plaque de 25 verre.
- 6. Dispositif acoustique d'isolation galvanique comprenant des transducteurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, respectivement formés sur les première et seconde faces d'un substrat (10). 30
- 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les deuxième et troisième électrodes (23, 28) sont connectées selon une structure matricielle.
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