III Caractérisation des échantillons – Comparaison
III.1.5 Synthèse des résultats
Les épaisseurs et performances électro-acoustiques des différents éléments piézo-électriques correspondant chacun à un procédé de fabrication différent sont synthétisées dans le Tableau IV.7 suivant :
Matériau Procédé Substrat e (µm) cl (m/s) fa (MHz) fstruct (MHz) ε33,rS kt (%) δe (%) δm (%) Z (MRa) PMN-PT Coulage en bande – 75 3890 25,9 25,9 730 42,7 4,7 6,6 34,7 PZT/PGO Sérigraphie PZT 36,3 2880 40,0 24,7 425 44,0 0,05 9,9 15,6 PVDF Film polymère – 28 2440 43,0 43,0 7 17,5 6,7 8,6 3,9 PT (Pz34) Pressage /frittage – 121 4860 20,1 19,7 195 37,2 0,8 0,6 37,5
e : épaisseur du film ; cl : vitesse longitudinale ; fa : fréquence d’anti-résonance du film seul ;
fstruct : fréquence de résonance de la structure intégrée ; ε33,rS : permittivité diélectrique relative à déformation constante ; kt : coefficient de couplage en mode épaisseur ; δe : pertes diélectriques ;
δm : pertes mécaniques ; Z : impédance acoustique.
Tableau IV.7 : Synthèse des propriétés caractéristiques des échantillons retenus pour la fabrication de transducteurs haute fréquence.
Les performances électro-acoustiques évaluées des différents échantillons piézo-électriques permettent d’obtenir une fréquence de résonance théorique de 20 à 42 MHz. La permittivité diélectrique relative à déformation constante ε33,rS varie de 7 pour le film polymère à 730 pour le film PMN-PT fabriqué par coulage en bande. Cette caractéristique joue un rôle important dans l’adaptation électrique du transducteur avec l’émetteur et le récepteur.
L’impédance acoustique Zl de ces matériaux varie de 3,9 MRa pour le film polymère (PVDF) à 37,5 MRa pour le film en titanate de plomb (Pz34 Ferroperm Piezoceramics) fabriqué par des méthodes traditionnelles. Elle est à la source d’une désadaptation avec le milieu de propagation (Zm = 1,5 MRa) et nécessite la plupart du temps l’ajout de lames adaptatrices en face avant. Cependant, dans le cas du film PVDF, cette adaptation acoustique n’est pas nécessaire.
IV Conclusion
Pour la structure obtenue par sérigraphie PZT/PGO, la fréquence d’anti-résonance fstruct est bien plus basse que la fréquence d’anti-résonance du film épais piézo-électrique seul fa. Ceci s’explique par le fait que les impédances acoustiques de l’électrode et du milieu arrière sont supérieures à celles du film. Pour le disque en titanate de plomb PT, on observe une légère différence entre fstruct
et fa car des électrodes de 1 µm d’épaisseur ont été prises en compte.
Les techniques de mise en œuvre telles que le coulage en bande et la sérigraphie ont été décrites, puis les caractéristiques acoustiques des structures réalisées ont été évaluées par impédancemétrie. Enfin, elles ont été comparées et les points forts de chacun des matériaux mis en œuvre ont été discutés. Il reste maintenant à évaluer les performances des transducteurs réalisés en terme de réponse électro-acoustique dans le chapitre suivant.
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