Brevet FR2498388A1 — publié le 19820723

La présente invention concerne un circuit de protection pour un circuit intégré prévu pour commander directement un générateur piézoélectrique de signaux ainsi qu'un dispositif pour la réalisation d'un tel circuit de protection. On connaît un tel circuit de protection sous la forme d'un circuit limiteur de tension constitué par la mise en serie de deux diodes Zener orientées en sens inverse et branchées en parallèle avec le générateur de signaux piézoélectriques (publication "Maison" (1979) de la Murata MFG. Co., Ltd. "Piezo-Electric-Buzzer MANUAL Piezzo Buzzer Application", chapitres 3-4). L'inconvénient de ce circuit de protection consiste plus particulièrement dans le fait que le groupement des diodes Zener en opposition que l'on connecte en parallèle avec la sortie du circuit intégré, doit être dimensionné pour une tension déterminée, très légèrement supérieure à la tension de sortie utile, compte tenu des fluctuations de celle-ci, afin, d'une part, de ne pas provoquer un affaiblissement exagéré de la tension appliquée au générateur de signaux, et d'assurer d'autre part une protection efficace de l'étage de sortie du circuit intégré, contre des pointes de tension arrivant de l'extérieur par les bornes de sortie. Afin d'obtenir un bon couplage acoustique, dans le générateur piézoélectrique de signaux, le cristal piézoélectrique en forme de disque est rigidement lié avec une plaque métallique dont la résistance à la flexion est relativement élevée. Ainsi'qu'il ressort de la pratique (et ceci du fait des valeurs différentes des coefficients de dilatation thermiques), lors de variations de la température ambiante il se produit un gauchissement de cette structure composite qui se comporte comme un bilame, et les sollicitations mécaniques appliquées dans ces conditions au cristal piézoélectrique provoquent des déplacements de charges stationnaires qui se traduisent par l'apparition entre les électrodes de celui-ci de tensions de l'ordre de 100 V et davantage. En général, il n'est pas nécessaire de prévoir un circuit de protection contre de telles charges électriques car habituellement, afin d'obtenir une valeur élevée de la puissance acoustiques rayonnée, la commande du générateur de signaux piézoélectrique se fait au moyen d'étages multiplicateurs de tension. Un tel étage multiplicateur comporte des transistors bipolaires discrets, montés à l'extérieur du circuit intégré, et de plus on utilise souvent une bobine d'inductance connectée en parallèle avec le générateur de signaux piézoélectrique pour élever encore la tension avec des phénomènes de résonance.De tels transistors bipolaires sont pratiquement insensibles aux charges électrostatiques pouvant se développer dans des générateurs piézoélectriques dont les dimensions géométriqueue situent dans le domaine qui nous intéresse ici (pour le rayonnement de fréquences de l'ordre de 4 à 2 kHz), et aux surtensions qui peuvent en résulter, abstraction faite de la présence possible de ladite bobine d'inductance de résonance, connectée en parallèle et assurant ainsi la décharge du système. Par contre, la décharge à travers l'étage de sortie intégré d'un circuit intégré de commande, entraînerait la destruction dudit étage de sortie, car celui-ci ne peut pas être dimensionné pour absorber de telles sur tensions arrivant sur la sortie ni pour les courants supplémentaires engendrés par les régimes transitoires déclenchés par ces surtensions. La commande directe à partir d'un circuit intégré est cependant possible et souhaitable, si en montant le générateur de signaux piézoélectrique dans un résonateur acoustique (voir la référence précitée, chapitre 7) on obtient la puissance rayonnée désirée sans recourir à une élévation de tension. Compte tenu de ces considérations, le problème qui est à la base de la présente invention est celui de la réalisation d'un circuit de protection du genre décrit dans le préambule, et ce problème est résolu, selon la présente invention par le fait que le générateur de signaux piézoélectrique est shunté par un circuit de dérivation qui est efficace au moins lorsque ledit générateur est à l'état de repos.Au moyen de cette mesure de protection, dont le principe ne repose pas sur une limitation de la tension et qui se présente sous la forme d'un circuit de dérivation disposé en parallèle avec le générateur de signaux piézoélectrique qui peut être commandé directement à partir du circuit intégré (sans composants discrets extérieurs supplémentaires, par conséquent, qui en plus de leur fonction propre assureraient aussi, sans risque de destruction, un équilibrage des charges électriques) on est assuré ainsi qu'il ne peut pas s'accumuler sur le générateur de signaux piézoélectrique suffisamment élevées pour mettre en danger l'intérieur du circuit intégré, à partir de ses bornes de sortie. L'invention se prête à une réalisation particulièrement avantageuse, sans adjonction d'aucun circuit ou composant supplémentaire dans le cas où le générateur de signaux piézoélectrique est branché directement à la sortie du circuit intégré sans insertion d'un interrupteur de coupure du signal, car avec le générateur piézoélectrique raccordé en permanence à l'étage de sortie intégré il suffit d'assurer la mise en court-circuit dudit générateur lorsqu'il est au repos, pour éviter l'accumulation de charges électriques critiques dues aux variations des influences de l'environnement. Si cependant l'interrupteur de coupure, qui ne doit être enclenché que pour commander l'émission du signal, est prévu après le circuit intégré, en série par conséquent avec le générateur de signal piézoélectrique, le circuit de dérivation prévu pour éviter l'accumulation de charges électriques critiques sur ledit générateur à l'état de repos peut être judicieusement réalisé avec une simple résistance de fuite branchée en parallèle. L'invention prévoit aussi une variante avec une structure particulièrement avantageuse de cette résistance de fuite qui est constituée alors par un shunt de pontage en vernis conducteur, disposé entre les deux électrodes du générateur piézoélectrique, car la réalisation du circuit de dérivation ne nécessite alors aucune adjonction de composant supplémentaire dans le circuit existant, la branche de dérivation étant réalisée directement sur le générateur de signal piézoélectrique, directement à l'endroit, par conséquent, où prennent naissance les charges électriques critiques qu'il s'agit d'évacuer. Cette solution présente en outre la possibilité d'une solution avantageuse pour la fabrication, consistant à prévoir dans la ligne d'assemblage un doseur stilligoutte pour l'application du vernis conducteur, on peut ainsi équiper le générateur de signaux piézoélectrique, déjà au stade de sa fabrication, d'une protection convenable contre les charges électriques, critiques pour les circuits intégrés. D'autres caractéristiques et avantages de 1 'in- vention ressortent de la description ci-dessous des exemples de réalisation préférés du circuit de protection selon l'invention ainsi que d'un dispositif selon l'invention pour la fabrication de générateurs piézoélectriques de signaux équipés d'emblée d'une telle protection, toutes ces représentations se limitant autant que possible à l'essentiel. Les différentes figures montrent respectivement: Figure 1 - le schéma de principe de la commande d'un générateur de signaux piézoélectrique directement à partir d'un circuit intégré, avec la structure de dispositif de protection adoptée en raison du mode de raccordement dudit générateur piézoélectrique avec le circuit intégré Figure 2 - en variante aux conditions selon la figure 1, la commande du générateur de signaux piézoélectrique à partir du circuit intégré au moyen d'un interrupteur inséré entre les deux, avec la réalisation du système de protection sous la forme d'une résistance de fuite connectée en parallèle avec le générateur piézoélectrique ; Figure 3 - le système de protection selon la figure 2, dans le cas d'un circuit intégré dont l'étage de sortie est constitué par un transistor bipolaire. Figure 4 - la vue-en plan d'un générateur de signaux en forme de disque, avec la réalisation du dispositif de protection sous la forme d'un pontage en vernis conducteur, entre les électrodes du cristal piézoélectrique. Figure 5 - une vue en coupe selon les flèches V-V de la figure 4 Figure 6 - une représentation sous la forme de blocs fonctionnels d'une suite de postes de fabrication et d'assemblage, avec incorporation d'un poste pour la réalisation du système de protection selon les figures 4 et 5. La figure 1 montre sous une forme simplifiée le schéma de principe d'un circuit intégré 1 dans la technique CMOS (Compatible Metal Oxyde Semi-Conductor), c'est-à-dire avec des transistors à effet de champ (FET) 2 connectés en série entre les polarités VDD et VSS d'une source d'alimentation et qui sont rendus conducteurs à tour de rôle. Dans l'exemple représenté les transistors à effet de champ 2 connectés en série sont dopés avec des polarités inverses et on les commande en parallèle ; il est possible cependant de prévoir aussi des transistors à effet de champ 2 de même polarité dont l'un est commandé directement et l'autre au moyen d'un étage inverseur ou d'un conducteur sépa avec un signal inversé ; ceci est déjà connu dans la technique des circuits intégrés CMOS et ne constitue pas l'objet de la présente invention. A l'intérieur du circuit intégré 1 ce schéma de principe montre un étage de sortie CMOS 3 avec des transistors à effet de champ 2, qui convient pour commander directement un générateur piézoélectrique de signaux 4, sans insertion d'un circuit multiplicateur de tension intégré ou extérieur. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 1, contrairement à ce qui est indiqué pour les autres exemples de réalisation ci-dessous, un interrupteur de coupure du signal 5 est inséré non pas entre l'étage de sortie du circuit intégré 1 et le générateur de signal piézoélectrique 4 mais dans l'entrée 6 de la partie du circuit intégré 1 qui, lorsque l'interrupteur de signal 5 est fermé, fournit pour commander le générateur de signaux piézoélectrique 4 dans le domaine des fréquences audibles, par l'intermédiaire de l'étage de sortie intégré 3 représenté dans la figure 1, la suite d'impulsions à fréquence acoustique obtenue, par exemple, par démultiplication du signal engendré par un oscillateur à haute fréquence et, le cas échéant, en modulant le signal à la fréquence ainsi divisée. Le générateur de signaux piézoélectrique 4 est donc relié en permanence à la. prise médiane 7 de l'étage de sortie CMOS 3 qui, lorsque l'interrupteur de signal 5 est fermé, est reliée alternativement au potentiel VDD et au potentiel VSS, au rythme de la fréquence d'excitation du générateur de signal piézoélectrique. Dans ces conditions, le choix du potentiel auquel est reliée l'autre électrode 8 du générateur piézoélectrique, celle qui n'est pas raccordée à l'étage de sortie 3, n'a en principe aucune importance. Si l'on admet, partant de ce qui précède, que le circuit intégré 1 est conçu de manière que lorsque l'interrupteur 5 du signal est fermé, le conducteur 9 qui commande l'étage de sortie soit au potentiel VSS, à l'état de repos du générateur de signal piézoélectrique 4, c'est celui des deux transistors à effet de champ 2, qui, dans la figure 2, se trouve en bas qui est conducteur et la prise médiane 7 est donc reliée en permanence au potentiel VSS. Si donc, contrairement à ce qui est représenté dans la figure 1, la deuxième électrode 8 du générateur piézoélectrique, dont le branchement est indifférent, était reliée au potentiel VDD, à l'état de repos le générateur piézoélectrique 4 se chargerait à l'état stationnaire à la tension correspondant à la différence entre les potentiels VSS et VDD.Cette tension se trouverait majorée du fait des sollicitations mécaniques appliquées au cristal piézoélectrique 10 en particulier en raison des fluctuations de la température provoquant des déformations de cette structure bilame constituée par le cristal 10 et la plaque de support 17, cette charge électrique supplémentaire ne pourrait pas alors être évacuée à l'état stationnaire par le circuit intégré 1 ou par la source d'alimentation de celui-ci. A la mise en service du générateur de signaux piézoélectrique 4 au moyen de l'interrupteur 5 il se produit une inversion de la conduction entre les deux transistors à effet de champ 2 de l'étage de sortie 3, la prise médiane 7 se trouve commutée sur le potentiel VDD et il se produit un équilibrage des charges électriques entre les électrodes 8 et 11 du générateur de signaux 4, à travers celui des deux transistors à effet de champ 2 représenté dans la figure 3, qui se trouve au-dessus, avec un risque de destruction dudit transistor à effet de champ 2 et par conséquent du circuit intégré.Si par contre le générateur de signaux piézoélectrique 4, lorsqu'il est au repos, est shunté directement par un circuit de dérivation constitué par l'un des deux transistors à effet de champ 2 (par exemple celui du bas, comme on l'a représenté dans la figure 1), qui est conducteur lorsque l'interrupteur de signal 5 est ouvert (et dans ce cas de l'exemple représenté la prise médiane 7 est alors également au potentiel VSS), le générateur de signal piézoélectrique est ainsi court-circuité au repos et il ne peut pas se développer de charges statiques du fait d'influences extérieures, en particulier d'influences thermo-mécaniques. Avec l'exemple de réalisation présenté en variante dans la figure 2, où le générateur de signal piézoélectrique 4 est commandé directement par l'étage de sortie 3 d'un circuit intégré I, meme en régime d'attente du sytème, la suite d'impulsions à fréquence audible 13 est toujours présente sur la prise médiane 7 et par conséquent sur la borne de sortie 12 du circuit intégré, mais elle n'est transmise au générateur de signaux 4 que lorsque l'interrupteur de signal 5 est fermé (lorsque l'interrupteur de déclenchement de la sonnerie est libéré, dans le cas d'un réveil -matin électrique). Le choix du potentiel auquel est reliée la deuxième électrode 8 n'a maintenant aucune importance, puisque le générateur de signal 4 est shunté maintenant par un circuit de dérivation constitué par une résistance de fuite 14.Celle-ci est dimensionnée de manière que lorsque l'interrupteur de signal 5 est fermé, il ne se produise pas un potentiortrage de la tension avec l'étage de sortie 3, au détriment de la puissance sonore rayonnée, et que d'autre part, avec la capacité du générateur de signaux 4 et la résistance de fuite 14 la constante de temps résultante soit suffisamment petite pour assurer une disparition rapide des charges'électriques susceptibles de s'accumuler sur le générateur piézoélectrique 4 du fait d'influences variables de l'environnement. Dans la pratique; il est apparu qu'une valeur de résistance comprise entre 10 kilohms et 1 mégohm pouvait convenir, avec une valeur moyenne de la résistance de fuite propre du cristal piézoélectrique de 103 mégohms et une capacité statique moyenne du générateur piézoélectrique 4 de l'ordre de 10 nF. Avec ce circuit de dérivation connecté directement en parallèle avec le générateur de signaux piézoélectrique 4 sous la forme de la résistance de fuite 14, on est assuré qu'à la fermeture de l'interrupteur de signal 5 il ne va plus se produire de régime critique de compensation de charges à travers l'étage de sortie intégré 3, dont les transistors à effet de champ 2 sont ainsi protégés contre la destruction du fait des charges statiques électriques du générateur piézoélectrique 4, indépendamment du potentiel auquel est raccordée la deuxième électrode 8 dudit générateur. La figure 3 montre le circuit de protection shuntant le générateur de signaux piézoélectrique 4 réalisé sous la forme de la résistance de fuite 14 et correspondant à celui de la figure 2, pour le cas d'un circuit intégré 1 avec un étage de sortie constitué par un transistor bipolaire 15 avec un collecteur 16 dit ouvert qui, lorsque l'interrupteur de signal 5 est fermé est relié à travers le générateur de signal 4 par exemple au potentiel VDD. Là encore, avec la constante de temps de décharge qui résulte du branchement en parallèle de la résistance de fuite 14 avec les électrodes 8, 11 du générateur de signal 4, on empêche que des charges critiques ne s'accumulent sur le générateur piézoélectrique 4 du fait des influences extérieures et qu'ensuite, la fermeture de l'interrupteur 5 ne provoque une décharge accompagnée d'une sollicitation critique du transistor 15. La figure 4 montre une vue en plan d'un générateur de signaux piézoélectrique 4, à peu près en vraie grandeur, et la figure 5 en donne une vue en coupe. Un cristal piézoélectrique 10, ayant la forme d'un cylindre plat, est pourvu sur ses deux faces frontales d'un revêtement électriquement conducteur (d'argent par évaporation sous vide, par exemple), l'une de ces faces métallisées servant d'électrode 11 ; l'autre face est réunie électriquement à une plaque métallique 17 qui joue le rôle de deuxième électrode 8, la jonction est réalisée au moyen d'une colle électriquement conductrice (qui n'apparalt pas dans le dessin), pour obtenir un bon couplage des vibrations, cette colle assure une liaison superficielle rigide entre le cristal piézoélectrique 10 et la plaque métallique 17.La résistance de fuite 14 qui joue le rôle de circuit de dérivation dans les figures 2 et 3, est réalisée sous la forme d'un pont en vernis conducteur 18, déposé sur la hauteur du pourtour cylindrique du cristal piézoélectrique, depuis le bord de l'une des électrodes 11 jusqu'à la zone correspondante de la plaque métallique 17.Comme la résistance électrique de ce pont de vernis conducteur 18 peut s'ajuster non seulement en jouant sur son étendue superficielle mais aussi sur la conductibilité du vernis conducteur utilisé, pour réaliser le circuit de dérivation constituant le dispositif de protection de l'étage de sortie intégré dans le cas de la commande directe d'un générateur de signal piézoélectrique 4 (sans l'insertion d'un multiplicateur de tension), il suffit de déposer sur le bord de la première électrode 11 une petite goutte de vernis conducteur, une masse tellement insignifiante qu'elle'ne peut pratiquement pas altérer le comportement vibratoire du générateur de signaux piézoélectrique 4 ni un amortissement des vibrations. Ce dispositif de protection sous la forme d'un circuit de dérivation constitué par le pont de vernis conducteur 18, appliqué directement sur le générateur de signaux piézoélectrique 4, peut être réalisé d'une manière particulièrement simple et économique au moyen d'un dispositif tel que celui qui est représenté symboliquement dans la figure 6, inséré dans la ligne de fabrication d'un tel générateur piézoélectrique 4, dans le fil d'une ligne d'usinage et d'assemblage, après un poste de collage 19 (pour l'application de la colle conductrice sur la plaque métallique 17) et un poste d'assemblage 20 (pour la mise en place et le placage du cristal piézoélectrique 10 sur la surface de collage) est disposé un doseur stilligoutte 21 pour l'application d'une goutte de vernis conducteur sur le bord de l'électrode libre 11 du cristal piézoélectrique 10. Avant de se figer, cette goutte dosée de vernis conducteur s'écoule le long du bord du disque qui constitue le cristal piézoélectrique 10, jusqu'à la plaque métallique 17, et forme ainsi le circuit de dérivation constitué par le pontage en vernis conducteur 18. REVENDICATIONS 1. - Circuit de protection pour un circuit intégré prévu pour commander directement un générateur de signaux piézoélectrique, caractérisé par le fait que le générateur de signaux piézoélectrique (4) est shunté par un circuit de dérivation qui est efficace au moins lorsque le-générateur 4 est à l'état de repos. 2. - Circuit de protection selon la revendication 1, pour le cas du raccordement direct du générateur de signaux piézoélectrique à la sortie du circuit intégré sans insertion d'interrupteur de coupure du signal, caractérisé par le fait que le circuit de dérivation est constitué par celle des branches, d'un étage de sortie intégré (3) à structure fonctionnelle complémentaire, qui à l'état de repos du générateur de signaux piézoélectrique (4) se trouve maintenue à l'état conducteur ou faiblement résistant. 3. - Circuit de protection selon la revendication 1, pour le cas où un interrupteur de coupure du signal est branché en série avec le générateur de signaux piézoélectrique raccordé à la sortie du circuit intégré, caractérisé par le fait que le circuit de dérivation est constitué par une résistance de fuite (14). 4. - Circuit de protection selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la résistance de fuite (14) est constituée par un shunt de pontage, en vernis conducteur, disposé entre les deux électrodes (8, 11) du générateur de signaux piézoélectrique (4). 5. - Dispositif pour la réalisation d'un circuit de protection d'un circuit intégré prévu pour commander directement un générateur de signaux piézoélectrique, en part culier selon la revendication 4, caractérisé par le fait que dans une ligne d'assemblage, pour la construction du générateur de signaux piézoélectrique (4), à la suite d'un poste de collage et d'un poste d'assemblage (19, 20) il est prévu un doseur stilligoutte (21) alimenté avec du vernis conducteur.