Brevet FR2490348A1 — publié le 19820319

L'invention se rapporte à un élément piézoélectrique oscillant pour la mesure de potentiels de contact entre des électrodes mobiles entre elles et pour la mesure du travail d'expulsion d'électrons à partir de surfaces ou de surfaces li- mites, du type dans lequel une électrode oscillante commandée par un matériau piézoélectrique excité par une tension d'excita- tion est maintenue par un élément de ressort fixé audit maté- riau piézoélectrique, et dans lequel une tension réglable est superposable à la tension d'excitation en vue de faire varier la distance moyenne entre électrodes. Un élément piézoélectrique oscillant de ce genre est connu du brevetaccordé en République Fédérale d'Allemagne sous le No. 26 13 528. L'élément oscillant y est décrit comme une "sonde de Kelvin" pour déterminer le travail d'expulsion d'élec- trons à partir de surfaces limites d'un matériau. Le travail d'expulsion d'électrons est d'importance pour juger les proprié- tés superficielles de matériaux.L'élément oscillant peut, en plus de son utilisation comme sonde de Kelvin, être également utilisé, par exemple, pour la modulation de la transparence op- tique du trajet d'un rayonnement. Dans l'élément oscillant connu, il est prévu, pour l'ex- citation du matériau piézoélectrique, un circuit de commutation à transformateur utilisant, comme source de tension alternative, une génératrice à ondes sinusoïdales. Dans le circuit de comman- de ou de commutation est prévue, pour le réglage de la distance moyenne des électrodes mobiles entre elles, une source de ten- sion continue qui fournit une tension qui est superposée à la tension alternative servant à l'excitation du matériau piézo- électrique. L'inconvénient d'un tel agencement réside dans le fait qu'une excitation de l'élément oscillant à la fréquence de résonance doit être ajustée avec beaucoup de précision par ré- glage du générateur à ondes sinusoïdales. De plus, la fréquence du générateur à ondes sinusoïdales doit être réajustée et l'étalonnage de la phase doit être opéré à nouveau, dès qu'in- tervient une modification de la fréquence de résonance, par exemple par suite de variations de la température ou du vieil- lissement du matériau avec lequel est constitué l'élément oscillant. La présente invention a pour objet une commande simple 2 2490348 et un réglage automatique pour l'élément oscillant piézoélectri- que en vue d'exciter et de faire fonctionner l'élément oscillant à des fréquences de résonance, les grandeurs de mesures a déterminer devant pouvoir être fixées sans erreur. De plus, le réglage de la distance moyenne entre les électrodes mobiles en- tre elles doit pouvoir être séparé de l'excitation de l'élé- ment oscillant. En outre, on doit pouvoir manipuler de façon indépendante les différentes grandeurs de mesure. Selon l'invention, ce problème est résolu dans le cadre d'un élément piézoélectrique oscillant du type rappelé en tête du présent mémoire, grâce au fait que l'une des bornes du maté- riau piézoélectrique est relié, par l'intermédiaire d'un conden- sateur, à un circuit d'excitation opérant en auto-excitation et que l'autre borne du matériau piézoélectrique est au potentiel de référence de base du circuit d'excitation, alors qu'en paral- lèle sur les bornes du matériau piézoélectrique est reliée une source de tension réglable qui provoque la variation de la dis- tance moyenne entre électrodes et que ledit circuit d'excita- tion comporte un circuit de commande pour la variation de l'am- plitude. De cette manière, on obtient une auto-excitation de l'élément oscillant aux fréquences de résonance, indépendamment de la tension qui est superposée à la tension d'excitation et le réglage automatique de la fréquence de résonance souhaitée (fréquence fondamentale ou harmoniques). Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, le circuit d'excitation est constitué, de la façon la plus sim- ple, par un amplificateur opérationnel à circuit à contre- réaction relié à l'entrée inverseuse et à circuit de réaction relié à l'entrée non inverseuse. La borne du matériau piézo- électrique qui n'est pas reliée au circuit d'excitation, est reliée, par l'intermédiaire du condensateur, à l'entrée inver- seuse de l'amplificateur opérationnel. Afin de pouvoir réaliser une variation continue de l'am- plitude de l'élément oscillant, une tension d'alimentation ré- glable est appliquée à l'amplificateur opérationnel. De ce fait, l'amplitude peut être réglée de la même manière que la distance moyenne entre les électrodes de l'élément oscillant, qui oscil- lent entre elles, et cela sans influence notable sur les proprié- tés oscillantes du circuit d'excitation. A titre d'exemple, on a décrit et représenté schémati- quement au dessin annexé une forme de réalisation de l'objet de l'invention. La figure 1 est un schéma-bloc du fonctionnement d'un élément piézoélectrique oscillant utilisé comme sonde de Kelvin; la figure 2 est un schéma de montage d'un circuit d'ex- citation avec réglage de la distance et de l'amplitude. Ainsi que cela ressort du dessin, l'élément piézoélec- trique oscillant comporte une électrode oscillante 1 et une contre-électrode 2 qui est fixe dans l'exemple d'exécution. Pour la mise en oeuvre de l'élément oscillant comme "sonde de Kelvin", l'électrode oscillante 1 forme une électrode de réfé- rence et elle est constituée par un matériau dont le travail d'expulsion ne doit pas varier pendant la mesure, par exemple par de l'or. La contre-électrode 2 constitue la pièce d'essai. L'électrode oscillante 1 est fixée à un élément de ressort 3 qui,- sous la forme d'une lame de ressort; est excitée, à son autre extrémité, en oscillations transversales par un matériau piézoélectrique 4. A la place d'une lame de ressort, d'autres éléments élastiques sont utilisables, plus particulièrement un élément oscillant en mode longitudinal. L'élément élastique 3 est en molybdène. Le matériau piézoélectrique 4 qui est relié à l'élément de ressort 3, et qui est constitué par une feuille d'une cérami- que piézoélectrique d'une épaisseur de 0,1 mm, est recouvert, sur ses deux côtés, d'une couche métallique, et comporte des bornes 5, 6 pour le raccordement de conducteurs électriques. Comme céramique piézoélectrique résistant à la température et à un vide extrêmement poussé, on a utilisé des feuilles de céra- mique piézoélectriques constituées par du zirconate et titanate de baryum et de blomb. A la borne 5 du matériau piézoélectrique est relié, par l'intermédiaire d'un conducteur électrique 7, un circuit d'exci- tation commandant le matériau piézoélectrique 4. Le circuit d'excitation est constitué par un amplificateur opérationnel 8, par un circuit de contre-réaction 9 à résistances 10, 11 et à condensateur 12 monté en parallèle, ainsi que par un circuit de réaction 13 à résistances 14, 15, la résistance 14 étant 4 2490348 réglable. Le circuit de contre-réaction 9 est monté entre l'en- trée inverseuse 16 et la sortie de l'amplificateur opérationnel 8, le circuit de réaction 13 est relié à l'entrée non inverseu- se 18, alors que le potentiel de base de référence 19 est appli- qué à la résistance 15 du circuit de réaction et que la résis- tance 14 est reliée à la sortie 17 de l'amplificateur opération- nel. Le conducteur électrique 7 qui est relié à la borne 5 du matériau piézoélectrique 4 est relié, par l'intermédiaire d'un condensateur 20, à l'entrée inverseuse 16 de l'amplificateur opérationnel 8, alors que le potentiel de base ou de référence 19 est appliqué à la borne 6 du matériau piézoélectrique 4, par l'intermédiaire du conducteur 21. Les valeurs des résistances 10, 11, 14 et 15 ainsi que les capacités des condensateurs 12 et 20 sont choisies de telle manière qu'en tenant compte des grandeurs électriques de l'élé- ment piézoélectrique oscillant, on a, pour le circuit d'excita- tion, des conditions d'impédance optimales. Le coefficient de réaction du circuit d'excitation est réglé au moyen de la résis- tance 14. Aux deux bornes 5, 6 est reliée une source de tension réglable 22 à l'aide de laquelle on peut superposer à la tension d'excitation fournie par le circuit d'excitation une tension servant au réglage de la distance moyenne entre l'électrode os- cillante 1 et la contre-électrode 2. Dans l'exemple d'exécution, on utilise une source de tension continue réglable, que l'on peut ajuster à la main. Mais on peut toutefois utiliser, par exemple, un circuit de réglage à action automatique pour le ré- glage automatique de la distance pour mettre en oeuvre un géné- rateur de tension alternative pouur la double modulation pour l'élément oscillant. L'amplificateur opérationnel 8 est alimenté à partir d'une source de tension d'alimentation réglable 23. Une modifi- cation de la tension d'alimentation provoque une variation de l'amplitude. La source de tension d'alimentation est reliée, par l'intermédiaire de conducteurs 24, 25, à l'amplificateur opéra- tionnel. Chacun des conducteurs 24, 25 est relié à la sortie d'un diviseur de tension constitué par des potentiomètres 26, 27 qui, à leur tour, sont reliés à des sources de tension 28, 29. 2490348 L'élément piézoélectrique oscillant est opéré à sa réso- nance propre (fréquence fondamentale ou harmoniques) automati- quement à l'aide de ce circuit d'excitation, même en cas de mo- dification des propriétés élastiques de l'élément oscillant qui serait due par exemple à des variations de température ou au vieillissement du matériau. Les conditions de résonance ne changent pas même si l'impédance de l'élément oscillant est mo- difiée par application de tensions à l'aide de la source de tension 22. La source de tension d'alimentation 23 qui est réglable au niveau de l'amplificateur opérationnel 8 permet de modifier l'amplitude de façon continue. Le signal de mesure qui est déterminé par la différence de potentiels de contact entre l'électrode oscillante 1 et la contre-électrode 2 est appliqué, par l'intermédiaire d'un con- ducteur électrique 30, à un amplificateur 31 sensible à la phase, amplificateur qui est synchronisé avec un signal de réfé- rence de phase provenant du circuit d'excitation, par l'intermé- diaire d'un conducteur de signaux 32.Par l'amplificateur 31 sensible à la phase, le signal de mesure est appliqué à un dispo- sitif de traitement de signaux 33, dispositif qui est relié avec un appareil enregistreur 34 pour tracer le signal de mesure. Pour un réglage automatique du zéro, le dispositif de traitement des signaux 33 comporte une borne de raccordement pour un conducteur de renvoi 35 passant, par l'intermédiaire d'une source de tension 36, au potentiel de base ou de référen- ce 19. La source de tension 36 sert à la compensation et à la simulation de différences de potentiels de contact et à l'éta- lonnage. Indépendamment de la fréquence de résonance et de l'am- plitude, le circuit d'excitation émet un signal de référence stable du point de vue de la phase. L'amplificateur sensible à la phase n'a pas besoin d'être réajusté même dans le cas d'un changement de la fréquence de résonance, plus particulièrement par suite d'une modification de la température ou du vieillis- sement du matériau. 6 2490348 REVENDICATIONS 1. Elément piézoélectrique oscillant pour la mesure de potentiels de contact entre des électrodes mobiles entre elles et pour la mesure du travail d'expulsion d'électrons à partir de surfaces ou de surfaces limites, du type dans lequel une électrode oscillante commandée par un matériau piézoélectrique excité par une tension d'excitation, est maintenue par un élé- ment de ressort fixé audit matériau piézoélectrique et dans le- quel une tension réglable est superposable à la tension d'exci- tation en vue de faire varier la distance moyenne entre élec- trodes, caractérisé par le fait que l'une des bornes (5) du matériau piézoélectrique (4) est reliée, par l'intermédiaire d'un condensateur (20) , à un circuit d'excitation (8, 9, 13) opérant en auto-excitation et que l'autre borne (6) du matériau piézoélectrique (4) est au potentiel de base ou de référence du circuit d'excitation (8, 9, 13), alors qu'en parallèle sur les bornes (5, 6) du matériau piézoélectrique (4) est reliée une source de tension réglable (22) qui provoque la variation de la distance moyenne entre électrodes et que le circuit d'excitation (8, 9, 13) comporte un circuit de commande (26, 27, 28, 29) pour la variation de l'amplitude. 2. Elément piézoélectrique oscillant selon la revendica- tion 1, caractérisé par le fait que le circuit d'excitation com- porte un circuitce contre-réaction (9) entre l'entrée inverseu- se (16) d'un amplificateur opérationnel (8) et la sortie (17) de ce dernier, et un circuitci réaction (13> entre l'entrée non inverseuse (18) et la sortie (17), la borne (5) du matériau piézoélectrique (4), qui n'est pas reliée au circuit d'excita- tion étant reliée, par l'intermédiaire du condensateur (20), à l'entrée inverseuse (16) de l'amplificateur opérationnel. 3. Elément piézoélectrique oscillant selon la revendica- tion 2, caractérisé par le fait que la tension d'alimentation réglable est appliquée à l'amplificateur opérationnel (8).