Brevet FR2475792A1 — publié le 19810814

La présente invention concerne des multiplicateurs de tension dits intégrés, c'est-à-dire réalisés suivant la technologie dite multi- couche. Les multiplicateurs de tension à plusieurs étages, tels que celui représenté schématiquement figure 1 sont constitués par une association en cascade de condensateurs et de diodes et leur réalisation, jusqu'à présent, a pris plusieurs formes suivant le choix qui a été fait de leurs éléments constitutifs. Ces éléments sont, d'une part, des capacités élémentaires constituées le plus souvent par des condensateurs à diélectrique céramique, sous forme de disque monolithique ou multicouche, ou à diélectrique film et de diodes. Ces éléments sont disposés en série comme le montre la figure 1 qui représente un multiplicateur de tension connu sous le nom d'échelle de Greinacher. Les capacités utilisées peuvent être également obtenues par métallisation de chacune des faces d'une plaque isolante, céramique ou époxy par exemple, avec des dispositions telles que l'on puisse obtenir une série de plusieurs condensateurs dont les caractéristiques, liées à la tension et à la fréquence de l'alimentation ainsi qu'à la tension et au débit de la sortie sont semblables. Pour réaliser actuellement un multiplicateur de tension, on utilise donc des composants actifs et passifs qui sont assemblés suivant le schéma du montage du multiplicateur, puis surmoulés, le multiplicateur se présentant sous la forme d'un bloc et dans lequel voisinent Différents matériaux. Cette disposition présente des inconvénients provoqués par le comportement différent de ces matériaux aux conditions clima- tiques. De fait, le verre des diodes, le cuivre et l'étain-plomb des connexions et des soudures, la céramique ou le film des conden- sateurs, ainsi que la résine de protection réagissent de façon fort différente aux conditions climatiques et au vieillisement, qui sous l'influence de différentes contraintes thermiques, provoquent une modification des caractéristiques entraînant une dégradation des performances. Il faut également tenir compte de la très haute tension qui, à l'intérieur du bloc, risque de provoquer des lignes de fuite créant des court-circuits d'éléments constitutifs du multi- plicateur. A ces inconvénients, vient s'ajouter celui de l'encombrement et du volume occupé par le bloc que constitue le multiplicateur qui présente actuellement des dimensions relativement importantes peu compatibles avec ce qui est réclamé dans certaines applications, comme par exemple le balayage de la visualisation radar princi- palement dans la version embarquée. De fait, il n'apparaît pas facile de réduire le volume des multiplicateurs de tension actuellement réalisés étant donné qu'il serait nécessaire d'agir sur le volume de chaque composant, dont la somme augmentée des espaces néces- saires à l'isolement de chacun d'eux, donne précisément le volume global du bloc multiplicateur. Un objet de l'invention est donc la réalisation d'un multipli- cateur de tension échappant aux inconvénients signalés dans ce qui précède. Suivant l'invention, pour obtenir une diminution du volume du multiplicateur de tension, on agit plus particulièrement sur les condensateurs que Pon réalise sous la forme d'un bloc homogène, fabriqué par application de la technologie dite multicouche. Suivant l'invention, un bloc homogène de condensateurs montés en série, utilisable dans un multiplicateur de tension, à structure céramique multicouche est réalisé en effectuant successivement une opération de métallisation de feuilles minces de diélectrique céra- mique, cette métallisation étant faite suivant un schéma tel que chaque face d'une feuille porte un certain nombre de zones métal- -30 liques constituant des armatures ou électrodes de condensateurs, ces zones étant disposées de façon telle qu'une zone sur deux constitue une armature commune à deux condensateurs montés en série, une opération d'empilage des feuilles minces métallisées disposées de façon que les armatures se trouvent placées en regard les unes des autres, une opération d'établissement des connexions entre les différentes armatures, en parallèle suivant la disposition desdites armatures suite à l'empilage des feuilles métallisées, l'établissement desdites connexions étant réalisé par métallisation partielle exté- rieure au bloc constitué à la suite des opérations précédentes, ledit bloc constituant un groupe de condensateurs intégrés montés en série, avec chaque condensateur constitué par un certain nombre de condensateurs élémentaires montés en parallèle. Suivant l'invention, également, un bloc homogène de conden- sateurs répartis en deux groupes de condensateurs indépendants est réalisé suivant la technologie dite multicouche. Suivant l'invention également, on effectue une opération sup- plémentaire consistant à établir en creux dans la partie du bloc située entre les deux groupes de condensateurs, un logement destiné aux diodes interconnectant les condensateurs des deux groupes. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront de la des- cription qui suit, d'un exemple de réalisation donné à l'aide des figures qui représentent: - la figure 1, un schéma de principe électrique d'un multi- plicateur de tension à plusieurs étages du type échelle de Grei- nacher; - la figure 2, une vue dans l'espace d'un bloc de condensateurs réalisé suivant l'invention; - la figure 3, le schéma électrique équivalent du bloc de la figure 2; - la figure 4, une vue de la structure intégrée d'un multi- plicateur dans l'espace d'un bloc de deux groupes de condensateurs réalisé conformément à l'invention; - la figure.5, un schéma de montage d'une diode dans un bloc de condensateurs; - la figure 6, un multiplicateur de tension intégré, complet, conforme à l'invention et - la figure 7, un multiplicateur de tension intégré complet avec une résistance de charge également intégrée. Comme cela a été mentionné dans l'introduction à la présente description, on recherche dans de nombreux cas d'utilisation de multiplicateurs de tension, outre la disparition des inconvénients liés aux réalisations actuelles de multiplicateurs et qui sont dus à la présence dans un même bloc de différents matériaux ayant des comportements différents dans les conditions d'utilisation apportant des contraintes d'ordre thermique et/ou électrique et vis-à-vis du vieillisement, une miniaturisation des ensembles. Les multiplicateurs* de tension à plusieurs étages étant des assemblages de condensateurs et de diodes, tel celui de la figure 1 par exemple, et le volume total d'un multiplicateur étant la somme des volumes de ses composants à laquelle il faut ajouter des espaces nécessaires à l'isolement de chacun de ces composants, il a paru judicieux d'agir, pour la miniaturisation, sur l'ensemble des compo- sants occupant le volume le plus important, c'est-à-dire sur les condensateurs. Si on se reporte à la figure 1, qui représente le schéma électrique d'un multiplicateur de tension à plusieurs étages, dit échelle de Greinacher, on remarque qu'un tel multiplicateur comprend deux groupes de condensateurs, Cl, C3, C5, C7 montés en série et C2, C4, C6, C8 montés également en série, et que des diodes CRI, CR2... CR8 sont disposées entre les deux groupes de condensateurs de façon que chaque diode soit connectée entre deux condensateurs de chacun des groupes. Une réduction du volume de chacun des groupes des condensateurs doit conduire à une réduction du volume total, les diodes étant disposées, dans l'espace existant entre les deux groupes de condensateurs. Suivant l'invention, on réalise, en utilisant la technologie dite multicouche, un bloc homogène de condensateurs, comportant au moins deux groupes de condensateurs montés en série et indé- pendants l'un de l'autre, et disposés l'un par rapport à l'autre de façon telle que l'espace existant entre les deux groupes de conden- sateurs est utilisable pour abriter les diodes connectées entre eux. La figure 2 représente sous la forme d'un bloc céramique, un groupe de condensateurs montés en série, et réalisé suivant la technologie multicouche. On utilise pour fabriquer un groupe de tels condensateurs des feuilles minces de diélectrique, de l'ordre par exemple de 20 à 150 ym présentant une tenue en tension par millimètre suffisante pouvant être de l'ordre de 5 à 10 fois supé- rieure à celle des diélectriques massifs de forte épaisseur supérieure au millimètre utilisés actuellement pour fabriquer des conden- sateurs. Ces feuilles minces de diélectrique céramique sont métal- lisées, à l'aide de palladium, d'argent-palladium, d'or-palladium, de nickel, ou autres métaux, suivant une disposition propre à créer plusieurs condensateurs, puis empilées, et pressées de façon à donner un bloc homogène comportant en son intérieur un groupe de condensateurs montés en série. Le schéma électrique équivalent est montré figure 3. On remarque sur ce schéma que chaque conden- sateur, soit CI, C3 et C5 est constitué par plusieurs condensateurs élémentaires, trois dans l'exemple décrit, montés en parallèle, ceci pour la raison qu'un seul condensateur ne pourrait avoir la valeur de capacité nécessaire. La métallisation de chaque feuille de diélec- trique céramique telle que 1, 2,... 5, 6 consiste à créer au moins dans l'exemple décrit, deux zones métalliques 7 et 8 de surface différente sur la feuille 1 et 9-10 sur la feuille 2. La zone 7 apparaît comme un carré et la zone 8 comme rectangle de surface double. La zone 7 constitue une armature d'un condensateur élémentaire cons- tituant elle-même l'armature extérieure du condensateur CI, repé- rée par le chiffre 7, tandis que la zone 8, de surface double, représente l'ensemble des armatures en série du condensateur C3 et du condensateur C5. De façon semblable la zone 9 rectangulaire de surface double de la zone 10 représente l'ensemble des armatures en série des condensateurs CI et C3, tandis que la zone 10 représente l'armature de droite du condensateur C5. Ces schémas sont repro- duits alternativement sur chacune des feuilles 3, 4, 5 et 6 par exemple. Au moment de l'empilage des feuilles ainsi métallisées des deux types, on met en place, de façon correcte les armatures des condensateurs élémentaires qui constitueront les condensateurs Cl, C3 et C5. Après l'empilage, c'est-à-dire après que les feuilles de diélectrique céramique aient été mises en place et les condensateurs formés, on établit les connexions entre les différentes armatures des condensateurs élémentaires et on les ramène sur les faces du bloc par une métallisation extérieure ainsi que cela est parfaitement visible sur la figure 2. La métallisation 11 représente la connexion entre la borne d'entrée A et la première armature, de gauche sur la figure 3, du condensateur CI, la métallisation 12 représente la connexion entre l'armature de droite du condensateur Ci et l'arma- ture de gauche du condensateur C3 aboutissant au point B. la métallisation 13 représente la connexion entre l'armature.de droite du condensateur C3 et l'armature de gauche du condensateur C5, aboutissant au point C et la métallisation 14 représente la connexion entre l'armature de droite du condensateur C5 et la borne de sortie du groupe de condensateurs imagé sur la figure 2. Il est évident qu'un autre groupe de condensateurs semblable à celui de la figure 2 peut être réalisé de la même manière pouvant constituer un autre bloc de condensateurs indépendant de celui du premier groupe; les deux groupes peuvent également être disposés dans le même bloc. Ce bloc, tel que montré figure 4, représente dans l'espace deux groupes de condensateurs montés en série, en l'occurrence les groupes de condensateurs Cl-C3-C5-C7 d'une part et C2-C4-C6 et C8 d'autre part de la figure 1 avec leurs connexions 16, 17, 18 et 19. Entre les blocs I et Il,- on a indiqué les emplace- ments que peuvent occuper les diodes dans le bloc. Ceci dans le but également de limiter au maximum le volume du multiplicateur. De fait, le bloc de la f igure 4 ne présente qu'une étape intermédiaire dans la fabrication d'un multiplicateur intégré suivant l'invention. Comme le montre le schéma de la figure 1 les deux groupes de condensateurs sont reliés par des diodes CRI à CR8. Celles-ci doivent être disposées entre les groupes de condensateurs de façon à être soumises à une valeur de champ électrique bien définie et la plus faible possible dans les conditions de fonction- nement du multiplicateur, valeur de champ supportable. Bien que ces diodes puissent être connectées correctement alternativement le aux deux groupes de condensateurs en restant à l'extérieur du bloc, il a paru être une meilleure solution, suivant l'invention, de disposer les diodes dans un logement prévu à cet effet dans les blocs de condensateurs. La figure 6 représente vu de côté, en plan, un multiplicateur de tension intégré. On remarque le premier groupe I des conden- sateurs CI, C3, C5, C7 avec les métallisations extérieures sur lesquelles on a référencé des bornes A, B, C, D, F, la borne d'entrée E connectée au condensateur Ci et la borne de tension nulle OV connectée au condensateur C2 du deuxième groupe. Le deuxième groupe Il des condensateurs C2, C4, C6 et C8, a été réalisé sous le premier groupe et légèrement décalé par rapport à lui et le dernier condensateur C8 est connecté à la borne de sortie S du multipli- cateur. Les métallisations extérieures 16, 17, 18, 19 et 20 sembla- bles à celles 11 à 15 du premier groupe sont visibles sur la figure et on y a repéré les bornes G, H, 1, J et K correspondant à celles de la figure 1. Pour loger les diodes CRI à CR8 dans le bloc on a prévu un logement 21 dont l'emplacement entre les deux groupes de conden- sateurs a été choisi de la façon indiquée, c'est-à-dire dans une zone o le champ électrique est non seulement bien défini et stable, mais aussi le plus faible possible, de sorte que les diodes supportent toutes des tensions identiques et constantes, ce qui peut avoir pour effet d'augmenter leur durée de vie. Ce logement 21 se présente sous la forme d'une fente longitudinale pratiquée dans le bloc homogène des condensateurs, avec les diodes fixées dans la fente; de préférence les diodes sont collées. Pour éviter une capacité d'entrée et une capacité de sortie trop importantes, on prévoit dans le bloc, deux autres fentes 22 et 23 fines, placées de part et d'autre de la fente 21 et d'axes longitudinaux décalés par rapport à l'axe de la fente 21. Cette disposition permet de ramener les capacités d'entrée et de sortie du multiplicateur à des valeurs normales. Ce logement peut également se présenter sous la forme de trous, chacun abritant une diode. Pour les mêmes raisons que celles évoquées précédemment, on prévoit une fente fine longitudinale dans le bloc. La figure 5 montre de façon schématique comment les diodes sont disposées dans le bloc de diélectrique céramique. Celui-ci est vu par la tranche et on reconnaît un condensateur C7 par exemple, du premier groupe I et C8 du deuxième groupe II par leurs armatures à 75 et 80 à 85. Entre les deux condensateurs, se trouve le logement 21 dans lequel est placée une diode, dans l'exemple retenu, la diode CR8 dont les bornes sont connectées aux métallisations extérieures 15 d'une part et 19 d'autre part, respectivement par les connexions 43 et 44. Comme on le voit clairement sur la figure 6, les autres diodes placées respectivement dans la fente 21 qui leur sert de logement sont connectées aux -différents condensateurs des deux groupes suivant le schéma de la figure 1. Ainsi, la diode CRI est connectée aux armatures en série des condensateurs- CI et C3 (point B) par sa connexion 29 et au condensateur C2 (borne G) par sa connexion 30. La diode CR2 est connectée par sa connexion 31 à la borne B également et par sa connexion 32 à la métallisation 17 (borne 4). Il en est de même pour. les diodes suivantes CR3, CR4, CR5, CR6 et CR7 par leurs connexions 33-34; 35-36; 37-38; 39- 40; 41-42. La fente 21 servant de-logement aux diodes est établie au cours du processus de fabrication du bloc homogène, quand la céramique est -encore pateuse. Cette solution est préférable à celle consistant à usiner le bloc achevé. On évite en particulier le risque de microfélures. La figure 7 représente une vue complète du multiplicateur de tension intégré suivant l'invention, comportant une résistance de charge à haute impédance 45, obtenue au cours d'une opération pré- finale, par dépôt d'une couche résistive sur l'une des faces du bloc. Cette résistance est utilisée comme pont atténuateur de mesure et bleeder de décharge. De plus, l'isolement entre les divers points de la résistance et les différentes parties du multiplicateur est réduit, les parties en présence étant sensiblement au même potentiel. L'opération finale de la fabrication du multiplicateur intégré consiste à recouvrir le bloc d'une fine couche de silicone, d'époxy ou encore d'émail. On a ainsi décrit le processus de fabrication d'un multipli- cateur de tension dit intégré suivant la technologie dite multicouche et le multiplicateur ainsi que le bloc des condensateurs, celui-ci à titre de produit intermédiaire, que l'on obtient ainsi. On peut donner les avantages d'une telle réalisation. Un bloc de condensateurs dont les dimensions sont X 25 X 3, pourra comprendre deux séries de quatre condensateurs ayant pour valeur unitaire 2,5 nF avec une tension de source de l'ordre de 2,5 Kv. Un ensemble intégré complet de 75 x 25 x 3 pourra fournir une tension de sortie de l'ordre de 20 Kv, occupant un volume de 4 à 6 fois moindre que le volume d'un multiplicateur de même performance de l'art antérieur. Outre cette réduction en volume, le multiplicateur intégré présente une meilleure stabilité en tension et température. De fait, le diélectrique et le mode opéra- toire étant les mêmes pour tous les condensateurs, les dérives vont dans le même sens et sont de même valeur, et les diodes, on le rappelle, sont soumises à des tensions identiques et constantes. On peut noter que la tolérance sur la capacité est meilleure que + 5 %. Le surmoulage consistant en une mince pellicule de résine diminue les contraintes aléatoires provoquant des défauts. Les connexions sont réduites le plus possible et la simplification de leur forme tendent à éliminer les champs parasites et partant à augmenter la fiabilité. De plus, il est aisé dans un même bloc d'obtenir des capacités de valeurs différentes. Enfin, la reproductibilité de la fabrication est assurée. Quant à l'utilisation de tels multiplicateurs intégrés; elle s'impose plus particulièrement dans les cas o la recherche de la miniaturisation domine ainsi que la durée de vie et la fiabilité. On pourra citer à titre d'exemple, les dispositifs de balayage d'une visualisation radar embarquée, les caméras de télévision portatives, les oscilloscopes. REVENDICATIONS 1. Multiplicateur de tension intégré constitué par au moins deux groupes indépendants de condensateurs montés en série, et des diodes interconnectant les condensateurs des deux groupes, carac- térisé par le fait qu'il est réalisé sous la forme d'un bloc homogène comprenant au moins les deux groupes de condensateurs indé- pendants, chaque groupe étant réalisé suivant la technologie dite multicouche en effectuant successivement une opération de métal- lisation de feuilles minces de diélectrique céramique, cette métal- lisation étant faite suivant un schéma tel que chaque face d'une feuille porte un certain nombre de zones métallisées constituant des armatures ou électrodes de condensateurs, ces zones étant disposées de façon telle qu'une zone sur deux constitue une armature com- mune à deux condensateurs montés en série, une opération d'empi- lage des feuilles minces métallisées disposées de façon que les armatures se trouvent placées en regard les unes par rapport aux autres, une opération d'établissement des connexions entre les différentes armatures en parallèle. suivant la disposition desdites armatures suite à l'empilage des feuilles métallisées, l'établissement desdites connexions étant réalisé par une métallisation partielle extérieure du bloc constitué à la suite des opérations précédentes, une opération d'établissement des connexions d'entrée et de sortie du multiplicateur et une opération finale de dépôt d'une fine couche de silicone, d'époxy ou d'émail. 2. Multiplicateur de tension intégré réalisé suivant la reven- dication 1, caractérisé par le fait que l'on réalise une opération supplémentaire consistant à établir, dans l'espace entre les deux groupes indépendants de condensateurs en série, une ou plusieurs fentes occupant tout ou partie de la longueur du bloc, servant l'une de logement aux diodes interconnectant les condensateurs des deux groupes, et les autres agissant sur les capacités d'entrée et de sortie du multiplicateur. 3. Multiplicateur de tension suivant la revendication 1, carac- il térisé par le fait que l'on réalise une opération supplémentaire consistant à établir, dans l'espace entre les deux groupes indépen- dants de condensateurs en série, des trous servant de logement aux diodes interconnectant les condensateurs des deux groupes et une fente fine longitudinale occupant tout ou partie de la longueur du bloc prévu pour agir sur les capacités d'entrée et de sortie du multiplicateur. 4. Multiplicateur de tension suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'il est constitué par deux groupes de condensateurs réalisés sous la forme de deux blocs indépendants. 5. Multiplicateur de tension suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que l'on réalise une opération supplé- mentaire consistant à déposer suivant la technologie dite couche épaisse, une couche résistive sur l'une des faces du bloc, constituant une résistance de charge. 6. Multiplicateur de tension intégré, réalisé sous la forme d'un bloc homogène, suivant l'une des revendications précédentes, carac- térisé par le fait qu'il comprend un premier groupe (1) de conden- sateurs montés en série, réalisés sur une feuille de diélectrique céramique, un second groupe (Il) de condensateurs montés en série, réalisés sur une feuille de diélectrique céramique, chaque conden- sateur (CI à C8) des deux groupes étant constitué par un certain nombre de condensateurs élémentaires (ClO-CIl-C12) montés en parallèle, des diodes (CRI à CR8) disposées dans le bloc dans une zone entre les deux groupes de condensateurs o le champ électrique est bien défini, constant et le plus faible possible, dans un logement prévu à cet effet (21), lesdites diodes étant connectées aux conden- sateurs des deux groupes en des points (A B C D E F G H I J K) ramenés par métallisation extérieure (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) sur les faces du bloc. 7. Multiplicateur de tension intégré, suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend, associées au logement des diodes réalisé suivant une fente longitudinale ou des trous disposés sur la longueur du bloc, une ou plusieurs fentes fines longitudinales y, bai nls) j,@ Xs agissant sur les capacités dentrée et de sortie du multiplicateur. 8. Multiplicateur de tension intégré, suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend une résistance de charge intégrée (45). 9. Multiplicateur de tension intégré comprenant au moins un bloc homogène de condensateurs, caractérisé par le fait que le bloc homogène comprend, réalisé suivant la technologie dite multicouche sur des feuilles de diélectrique, un certain nombre de condensateurs montés en série, chaque condensateur étant constitué par des condensateurs élémentaires montés en parallèle, les connexions étant faites par une métallisation ramenée à l'extérieur du bloc.