Domaine technique

La présente invention se rapporte à un capteur piézoélectrique pour la mesure de vibrations de faible amplitude et d'objets légers. Elle concerne également un instrument pour la mesure de vibrations, en particulier pour un usage médical. Etat de la technique

Le domaine médical demande divers capteurs en particulier acoustiques dans des applications relatives à l'audition et à sa correction. Ces capteurs doivent être compacts et sensibles à une gamme de fréquences dans le domaine audible.

On connaît par le document WO 2012/018400 A1 un capteur sonore destiné à capter le son ambiant pour le transmettre à un implant dans l'oreille. Le capteur est destiné à être implanté sous la peau. Le capteur utilise une membrane en PVDF pour ses propriétés piézoélectriques afin que les ondes sonores soient transformées en signaux électriques. Dans le cas d'implants cochléaires, les signaux électriques sont envoyés par des conducteurs au nerf auditif. Dans certaines configurations présentées, la membrane est fixée sur un corps annulaire de manière à s'étendre au- dessus d'une cavité centrale du corps. De plus, la couche sensible piézoélectrique peut être recouverte par une couche en élastomère de silicone, par exemple en forme de lentille.

Le document US 201 1/0137109 A1 montre un capteur auditif destiné à être implanté dans l'oreille moyenne à l'interface entre deux osselets, avec une membrane en contact avec le premier des osselets, le corps du capteur ou une autre membrane prenant appui sur l'autre osselet. Le capteur comporte également un élément sensible piézoélectrique connecté à la membrane pour générer les signaux électriques.

Un tel capteur comporte une interface entre la membrane et l'élément sensible, laquelle induit des réductions de transmission en fonction des fréquences. Il nécessite également des éléments de ressort pour maintenir l'élément sensible en contact avec la membrane, ce qui rend sa fabrication complexe.

La présente invention vise à fournir un capteur piézoélectrique pour la mesure de vibrations ou de petits déplacements adapté aux fréquences sonores qui ait une bonne sensibilité et qui soit simple à réaliser. Elle concerne également un instrument pour la mesure de vibrations, en particulier pour un usage médical.

Description de l'invention

Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un capteur piézoélectrique comportant un corps avec un évidement central, une membrane s'étendant par-dessus l'évidement, fixée sur le corps par sa périphérie et comportant une couche de support en polymère et une couche sensible en matière synthétique piézoélectrique, la membrane étant apte à se déformer ou à vibrer, caractérisé en ce que la couche sensible est dans un matériau comprenant un polymère chargé en nanomatériaux inorganiques.

Dans un tel capteur, la membrane est la partie qui capte le mouvement mécanique et celle qui convertit ce mouvement en signal électrique. En outre, la couche sensible est située directement à l'extérieur pour venir en contact avec la source de mouvements ou de vibrations. On s'affranchit ainsi d'une interface entre une membrane et un élément sensible. Par ailleurs, l'insertion de nanomatériaux dans la matrice en polymère permet d'adapter l'impédance acoustique de la couche sensible en fonction de l'application souhaitée. Il a été établi que l'insertion des nanomatériaux, dans certaines limites, n'affecte pas les propriétés piézoélectriques de la souche sensible. La proportion de nanomatéhaux peut atteindre par exemple 20% en masse.

La présence de nanomatéhaux dans la couche sensible est centrale car elle permet d'adapter l'impédance acoustique de la couche sensible en fonction de l'application souhaitée. Ceci permet d'optimiser le transfert d'énergie acoustique de l'objet sondé vers la membrane. La variation des constantes élastiques peut atteindre plus de 30%, ce qui entraine une variation favorable du coefficient de transfert de puissance de plus de 100%, et ce, suivant le désaccord d'impédance acoustique entre l'objet sondé et la matrice du nanocomposite.

A titre d'exemples, le polymère de la couche sensible est choisi dans le groupe comprenant du polyfluorure de vinylidène (PVDF), du copolymère de fluorure de vinylidène et trifluoroéthylène P(VDF-TrFE) et du polyamide-1 1 .

A titre d'exemples, les nanomatériaux sont dans un matériau inorganique tel que les métaux, les semiconducteurs, les diélectriques. Ces matériaux ont une densité et une impédance acoustique spécifique, et le choix du matériau permet d'influencer l'impédance acoustique finale de la couche sensible. Ils peuvent également apporter des propriétés spécifiques intrinsèques.

A titre d'exemples, la couche de support est dans un matériau choisi parmi le groupe comprenant du polyimide (PI) et du poly-éther-éther- cétone (PEEK).

Selon certaines caractéristiques, la couche de support a une épaisseur comprise entre 5 et 150 μιτι, de préférence 25 μιτι.

Selon une autre caractéristique, la membrane est fixée sur le corps par collage.

De manière particulière, la membrane est fixée sur le corps par la couche de support.

De manière complémentaire, une première couche conductrice est interposée entre la couche de support et la couche sensible. La première couche conductrice permet de collecter les charges électriques créées par la couche sensible.

De manière complémentaire, une deuxième couche conductrice est déposée sur une partie au moins d'une surface libre de la couche sensible. La deuxième couche conductrice permet de collecter les charges électriques créées par la couche sensible. Les deux couches conductrices permettent d'acquérir le signal électrique.

L'invention a aussi pour objet un instrument caractérisé en ce qu'il comporte un capteur selon l'une des revendications précédentes et une tige de transmission dont une première extrémité est destinée à être appliquée contre une masse susceptible d'entrer en vibration et une deuxième extrémité en appui sur la membrane du capteur.

Ainsi, la combinaison de la membrane nanocomposite avec la tige de transmission permet de mesurer des vibrations de très faible amplitudes sur des éléments de faible dimensions (inférieur à 1 mm).

Un tel instrument est destiné à mesurer les vibrations de la masse. Il est particulièrement destiné à réaliser un contrôle dans le cadre d'une opération chirurgicale de l'oreille, pour vérifier que les ondes acoustiques sont transmises le long de la chaîne de transmission auditive. Par exemple, la tige de transmission peut être appliquée contre l'un des osselets de l'oreille moyenne afin de vérifier que celui-ci reçoit les ondes acoustiques captées par le tympan. Les ondes acoustiques sont transmises au capteur par la tige de transmission. Le capteur peut être adapté à la gamme de fréquence d'onde acoustique désirée par le choix de l'impédance acoustique de la couche sensible.

De manière complémentaire, l'instrument comporte une tête dans laquelle le capteur est logé, la tige étant reliée par des moyens élastiques à la tête. Ainsi, la tige est découplée de la tête et peut transmettre ses ondes au capteur sans atténuation. De plus, la tige de transmission peut être mise en appui en permanence contre la couche sensible du capteur afin d'assurer un bon couplage. Selon une caractéristique constructive, la deuxième extrémité de la tige comporte une surface bombée pour être en appui sur la membrane.

Brève description des figures

L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels :

- la figure 1 représente est une vue d'un instrument conforme à un mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne ll-ll de la figure 1 ; - la figure 3 est un schéma électronique de l'instrument de la figure 1 ;

- la figure 4 est une vue du détail IV de la figure 2 ;

- la figure 5 est une vue du détail V de la figure 4 ;

- la figure 6 est une vue d'un capteur incorporé à l'instrument de la figure 1 ;

- la figure 7 est un diagramme montrant un exemple de mesure faite par un capteur conforme à l'invention soumis à des vibrations à différentes fréquences ;

- La figure 8 montre un exemple de tension mesurée en fonction du temps en sortie d'un capteur conforme à l'invention ;

- La figure 9 montre la tension mesurée en sortie d'un capteur conforme à l'invention en fonction de l'amplitude de la vibration mécanique transmise à la membrane.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Un instrument conforme à un mode de réalisation de l'invention est représenté sur les figures 1 à 5. L'instrument comporte un capteur 1 conforme également à l'invention et représenté en particulier sur la figure 6.

L'instrument comporte un manche 2 prolongé d'un tube 3 au bout duquel se trouve une tête 4. La tête 4 incorpore le capteur 1 et une tige 41 de transmission dont une première extrémité 41 1 est destinée à être appliquée contre un objet ou une masse susceptible d'entrer en vibration. La tête 4 comporte une douille 40 qui s'assemble avec le tube 3, par exemple avec une bague filetée 43. La douille 40 supporte la tige 41 par l'intermédiaire de moyens élastiques 42. La douille 40 est par exemple en matière synthétique isolante électriquement.

L'instrument comporte des conducteurs électriques 5 qui traversent le manche 2 et le tube 3 et qui sont reliés à un circuit électronique 6 d'amplification. Le circuit électronique 6, tel que schématisé sur la figure 3, comporte des plots élastiques 60 qui viennent en contact avec des lames 44 conductrices déposées à l'intérieur de la douille 40, lesquelles sont reliées au capteur 1 , d'une manière détaillée ci-après.

Le capteur 1 est logé à l'intérieur de la douille 40, guidé dans un alésage 400. Il comporte un corps 10 de forme annulaire et une membrane 1 1 fixée sur le corps 10 par sa périphérie et s'étendant au-dessus d'un évidement 12 au centre du corps 10. La membrane 1 1 est mise en appui contre une deuxième extrémité 412 de la tige 41 . La deuxième extrémité 412 de la tige 41 comporte une surface bombée pour être en appui sur la membrane 1 1 sur une surface limitée à l'opposé de l'évidement 12. Il est préférable que la surface de contact entre la membrane 1 1 et la tige 41 soit une faible proportion de la section de l'évidement 12 afin de laisser la possibilité de flexion à la membrane 1 1 . Le capteur 1 est mis en appui de manière élastique contre la tige 41 par un poussoir 30 logé de manière coulissante dans le tube 3.

La membrane 1 1 comporte successivement une couche de support 1 1 1 en matière synthétique, une première couche conductrice 1 12 déposée sur la couche de support 1 1 1 , une couche sensible 1 13 en matière synthétique piézoélectrique déposée sur la première couche conductrice 1 12 et comprenant un polymère et des nanomatériaux inorganiques, et une deuxième couche conductrice 1 14 déposée sur une partie d'une surface libre de la couche sensible 1 13. La membrane 1 1 est apte à se déformer ou à vibrer au-dessus de l'évidement 12. La membrane 1 1 comporte au moins une encoche à sa périphérie de manière à laisser libre une partie de la première couche conductrice 1 12. L'une des lames 44' s'y insère pour établir un contact électrique sur la première couche conductrice 1 12. Au moins une autre lame 44 s'étend jusqu'à la deuxième couche conductrice 1 14 pour y établir un contact électrique.

Le corps 10 est par exemple un substrat de silicium obtenu par des techniques en usage en micro-électronique. L'évidement 12 est réalisé par exemple par lithographie optique et gravure ionique réactive profonde (DRIE). La gravure est stoppée environ 50 micromètres avant la surface supérieure du corps 10 pour garder celle-ci intacte afin de réaliser les étapes de fabrication suivantes. La membrane 1 1 est fixée par collage sur la face du corps 10 non évidée grâce à une couche de colle 1 10 étendue sur ladite face.

La fabrication de la membrane 1 1 est décrite ci-après. La couche de support 1 1 1 est découpée dans un film polymère laminé de 25 μιτι d'épaisseur en Polyimide (PI, Kapton®) ou PolyEtherEtherKetone (PEEK, Aptiv100®). Ces films ont de bonnes propriétés de maintien de forme. Le corps 10 et le film laminé sont exposés à un traitement plasma d'oxygène afin de modifier leurs états de surface pour les rendre hydrophiles et maximiser ainsi leur affinité chimique avec la colle 1 10. La face plane du corps 10 est recouverte de Poly Diméthyle Siloxane (PDMS, Sylgard® 184) assurant le rôle de la colle par la technique de l'épandage centrifuge pour déposer une épaisseur homogène. La couche de support 1 1 1 est ensuite appliquée à la surface de la colle 1 10 par une méthode de plaquage. L'ensemble est ensuite mis au four pendant 2h45 (temps de montée en température compris) à 100°C pour l'étape de polymérisation croisée assurant la rigidification de la colle 1 10 et son adhérence avec les deux matériaux.

Une fois l'échantillon revenu à température ambiante, la première couche conductrice 1 12 est réalisée par le dépôt d'aluminium en épaisseur de 100 nm par pulvérisation cathodique continue. La préparation du matériau sensible est effectuée par ajout de nanomatériaux d'alumine AI2O3 (Degussa AG, Francfort) dans du copolymère de fluorure de vinylidène et trifluoroéthylène (P(VDF-TrFE), Piézotech S.A. S.) en solution dans du méthyl-éthyl-cétone (MEK, Sigma AIdrich). Le mélange des deux matériaux se fait par ultrasonification avec la solution plongé dans un bain de glace pour éviter son réchauffement. Pour former la couche sensible 1 13, l'ensemble est ensuite recouvert par épandage centrifuge avec la solution de polymère et son nanomatériau d'une couche d'épaisseur de 100 nm à 15 μιτι. Le tout est ensuite mis au four directement à 138 °C pendant une heure suivie du temps nécessaire à la redescente à température ambiante. Un tel recuit permet de configurer la couche sensible 1 13 par recristallisation afin de lui conférer les propriétés piézoélectriques.

Cette couche sensible est ensuite soumise à une étape de polarisation, par une technique corona par exemple, afin d'orienter les propriétés piézoélectriques pour maximiser la réponse électrique de la couche aux déformations et vibrations.

L'électrode supérieure est ensuite déposée par évaporation d'une couche d'accroché en chrome de 10 nm et d'une épaisseur d'or de 70 nm par exemple. Cette électrode est ensuite structurée par microlithographie optique et gravure humide pour obtenir le motif désiré à la surface de la membrane 1 1 . Afin de libérer la zone libre en vibration, le reste du corps 1 1 au niveau de l'évidement 12 est gravé par gravure réactive (RIE) ou gravure humide.

Lors de l'utilisation, un objet vibrant est mis en contact avec la première extrémité 41 1 de la tige 41 . Les vibrations sont transmises par la tige 41 jusqu'à la membrane 1 1 , qui assure une fonction de capteur 1 de déformation. La déformation de la membrane 1 1 , par exemple le fléchissement et l'étirement sur les bords périphériques, est convertie par effet piézoélectrique en signal électrique qui est collecté par l'intermédiaire des deux couches conductrice 1 12, 1 14, par la création d'une différence de potentiel. Le signal électrique est transmis au circuit d'amplification 6 par l'intermédiaire des lames 44, 44' et des plots élastiques 60. Le signal fournit des informations sur la fréquence et l'amplitude des vibrations de l'objet sondé. Le signal amplifié est transmis à un appareil extérieur 7 qui en réalise son traitement et fournit des résultats par des moyens d'interface 8.

La figure 7 montre un digramme représentant la tension mesurée entre les couches conductrices en fonction de l'amplitude de sollicitation de la membrane et pour certaines fréquences de vibrations de la membrane sous l'excitation d'un pot vibrant pour une couche de P(VDF-TrFE) de 7 μιτι d'épaisseur et avec 5% de nanomatériaux d'AI ₂ O3.

La figure 8 montre un exemple de tension mesurée en fonction du temps en sortie du capteur conforme à l'invention réalisé à partir d'une membrane nanocomposite piézoélectrique selon l'invention décrite ci- avant. L'amplitude d'excitation mécanique est de 20 nm.

La figure 9 montre l'évolution de la tension mesurée en sortie dudit capteur, en fonction de l'amplitude de la vibration mécanique transmise à la membrane.

Pour les deux figures, la fréquence de vibration est de 1024Hz et la tension obtenue est représentée en volt après une amplification de x2000.

Comme le montrent ces deux figures 8 et 9, le capteur conforme à l'invention est capable de détecter des vibrations mécaniques de quelques nanomètres d'amplitude.

L'objet sondé est par exemple l'un des osselets de l'oreille moyenne lors d'une opération chirurgicale. Ceci permet au chirurgien de s'assurer que la chaîne des osselets conserve sa fonctionnalité au moins partiellement. Le chirurgien peut ainsi déterminer quelle partie reste fonctionnelle et mérite d'être conservée. L'instrument peut aussi être utilisé pour évaluer l'efficacité d'un implant après sa mise en place. Il peut aussi être utilisé pour déterminer une force d'appui sur un implant. Le geste chirurgical est ajusté en conséquence afin de garantir un résultat optimal après l'opération.