Brevet FR2530108A1 — publié le 19840113

L'invention concerne la prospection sismique, en particulier les capteurs utilisés à cet effet. La demanderesse a remarqué l'intérêt d'utiliser des hydrophones -capteursde pression- dans certaines missions de prospection géophysique : dans les zones humides, des hydrophones enterrés en dessous de la zone altérée et encombrée de surface donnent de précieuses informations, surtout en haute fréquence ; pour ce faire, un second trou, foré à côté du trou, ou des trous, contenant l'explosif -source sismique-, sert à descendre un ou plusieurs hydrophones. L'inconvénient de ce procédé est qu'il induit une multiplication des forages à effectuer. En effet, s'ils donnent entière satisfaction, les hydrophones actuellement disponibles sont sophistiqués et onéreux. Cela implique de les récupérer, et par conséquent de forer un trou spécial d'hydrophone à chaque emplacement de source sismique. La présente invention vient tout d'abord proposer une nouvelle structure dthydrophones, qui donne aussi de bons résultats, tout en apportant une solution nouvelle, par le fait que leur coût modique les rend "consommables". L'hydrophone proposé comporte, en combinaison - un boîtier supportant une membrane en partie supérieure, - collée sur cette membrane, une céramique piézoélectrique avec ses métallisations, - un câble bifilaire aboutissant à-l'intérieur du boîtier, et - à l'intérieur du boîtier, un circuit abaisseur d'impé dance à amplificateur opérationnel, connecté en haute impédance aux métallisations de la céramique, et en basse impédance au câble bifilaire. Selon un aspect important de l'invention, le circuit abaisseur d'impédance comprend une puce de circuit intégré, collée sur la céramique, et reliée directement aux métallisations de la céramique. Très avantageusement, le circuit abaisseur d'impédance est agencé avec sortie et alimentation communes, ce qui permet son alimentation électrique par le câble bifilaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à ltexamen de la description détaillée qui va suivre, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est le schéma électrique de principe d'un hydrophone de la technique antérieure - la figure 2 est une vue schématique en perspective montrant la mise en place d'une capsule de céramique sur une membrane porteuse selon la présente invention ; - la figure 3 illustre sous forme de vue en coupe un premier mode de réalisation d'hydrophone selon la présente invention - la figure 4 illustre le schéma de principe de l'hydro phone selon la présente invention - la figure 5 est une vue correspondant à la figure 3, mais dans le cas d'une variante préférentielle de l'invention ;; - la figure 6 est une vue en coupe comparable à la figure 3, toujours dans le cadre de la variante pré férentielle de l'invention ; et - la figure 7 est une vue en coupe d'une autre variante de l'invention. La figure 1 concerne donc un hydrophone du type couramment utilisé actuellement, tel que le modèle MP 24 fabriqué et vendu par la société GEOSPACE (U.S.A.). On notera tout d'abord que un hydrophone a vocation à être associé à une longueur de câble égale à 20 ou 25 m la plupart du temps, câble qui est en réalisation bifilaire. Sur le schéma de principe de la figure 1, on voit que la céramique piézoélectrique notée 1 est reliée par l'intermédiaire d'un condensateur 2 à l'enroulement primaire 3 d'un transformateur à noyau, dont le secondaire 4 reçoit en parallèle une résistance 5 d'amortissement, pour être ensuite reliée à la sortie bifilaire de l'hydro- phone. Le transformateur est utilisé afin de réaliser une adaptation d'impédance entre la sortie à haute impédance de la céramique, et la liaison bifilaire qui doit être à basse impédance, afin d'être peu sensible aux parasites compte-tenu de sa grande longueur, ainsi que le comprendra l'homme de l'art. Le rapport de transformation du trans formateur est de l'ordre de 10.Le transformateur comporte un assez grand nombre de tours au primaire, d'où il résulte une forte composante inductive, que l'on compense au moyen du condensateur 2. La pointe de résonance qui en résulte est amortie par la résistance 5 du secondaire. La fréquence de cette résonance peut être ajustée au moyen du condensateur 2. L'utilisation d'un transformateur incorporé, ainsi que d'autres agencements mécaniques particuliers, rend l'hydrophone MP 24 assez onéreux, à tel point qu'il est souhaitable de le récupérer dans toute la mesure du possible après usage, ce qui implique de doubler le nombre de forages nécessaires, puisqu'il y a lieu de forer un trou pour l'hydrophone chaque fois que l'on fore un trou pour une source sismique. Comme précédemment indiqué, la présente invention vient proposer un hydrophone de constitution tout à fait différente, hydrophone qui peut être facilement considéré comme "consommable", c'est-à-dire qu'il n'est pas nécessaire de le récupérer après usage, compte-tenu de son coût. Comme élément sensible, l'hydrophone comporte une membrane définie par un disque plat 1O, muni d'un court rebord, par exemple à angle droit, noté 11. A l'intérieur du disque 10, se trouve fixée par collage une céramique piézoélectrique 20, elle aussi en forme de disque, de diamètre plus petit, et munie d'une métallisation sur chacune de ses faces. Ces éléments sont illustrés séparément sur la figure 2, et on les retrouve sur la figure 3, où apparaissent également les métallisations 21 et 22 de la céramique 20.Le rebord 11 de la membrane, qui est de préférence à base de bronze Cuivre-Béryllium, est fixé sur un boîtier 12, de forme générale cylindrique, sauf pour un prolongement en saillie 38, à travers lequel passe, de préférence par surmoulage, le câble bifilaire 39, qui peut être là encore d'une longueur d'environ 25 m. Dans sa partie opposée à la membrane 10, le boîtier 12 est avantageusement fermé par un bouchon 13 collé, de même matière que le boîtier 12, par exemple en (poly) chlorure de vinyle. En son intérieur, le bottier comporte dans un premier mode de réalisation une plaque de circuit imprimé 30, qui reçoit un circuit intégré 31, ainsi que d'autres composants tels que 32.Cette plaque de circuit imprimé 30 est reliée aux deux métallisations 21 et 22 de la céramique, la liaison à la métallisation 21 située du côté de la membrane 10 pouvant se faire à travers celle-ci, puisqu'-elle est conductrice. De l'autre côté le circuit imprimé 30 comporte des picots de sortie reliés aux deux conducteurs 35 et'36 de la liaison bifilaire 39. Le schéma électrique réalisé sous le circuit imprimé 30 est illustré sur Ia.figure 4, avec en plus la céramique, que l'on retrouve en 20 avec ses métallisations 21 et 22, la métallisation 21 étant reliée à la masse, constituée ici par la membrane de bronze auCuivre-Béryl- lium. Le circuit intégré 31 est un amplificateur opérationnel, dont l'entrée non inverseuse est également reliée à la masse. Son entrée inverseuse est reliée d'une part à travers une résistance 32 à la métallisation 22 de la céramique, et d'autre part à travers une résistance 33 à la sortie. Cette sortie constitue également la sortie de signal analogique en direction de la liaison bifilaire à deux conducteurs 35 et 36, le point chaud étant par exemple le conducteur 35 et la masse le conducteur 36. Bien qu'on puisse également envisager d'incorporer une alimentation interne à l'hydrophone, sous la forme d'une pile jetable, que l'on pourra mettre en oeuvre au moment de l'utilisation, la présente invention considère actuellement qu'il est préférable de réaliser l'alimentation à travers les deux conducteurs 35 et 36. C'est pourquoi la figure 4 comporte, illustrée en trait tireté, un montage de découplage 34, capable de laisser passer les signaux alternatifs utiles captés par l'hydrophone, en interdisant le passage de la tension d'alimentation. Ainsi, le conducteur 35 est relié directement à la borne positive d'alimentation du circuit intégré 31, tandis que le conducteur 36 est relié par la masse à la borne négative d'alimentation du circuit intégré 31. Enfin, la sortie de ce circuit 31 transmet le signal capté par l'hydrophone à travers le circuit de découplage 34 vers la ligne 35. On voit immédiatement que le montage illustré à la figure 4 constitue, par un choix convenable des résistances 32 et 33, un circuit abaisseur d'impédance, possédant de surcroît un facteur d'amplification pour le signal issu de la céramique 20. il en résulte deux avantages - l'abaissement d'impédance est réalisé d'une manière très simple, en utilisant un seul circuit intégré, avec deux résistances ; et - cet abaissement J'impédance est assorti d'un gain quant au signal capté, contrairement à ce qui était le cas avec le transformateur de la technique antérieure. Comme élément sensible 20, on peut utiliser une céramique du type SP 51, vendue par la société ROSENTHAL, et possédant un diamètre de 14 mm pour une-épaisseur de 0,2 mm. La membrane 10 peut être d'une hauteur de 3 mm pour un diamètre de 20 mm, avec une épaisseur de 0,15 mm. La capacité associée à la céramique possède une valeur de 11 nanoFarads, pour un angle ae perte dont la tangente est 0,01. Ce montage permet d'obtenir une sensibilité d'environ 16 Volts par Bar, donc tout à fait comparable à celle des hydrophones de type MP 24 de la technique antérieure. Comme circuit intégré amplificateur opérationnel 31, on peut dans le mode de réalisation de la figure 3 utiliser des amplificateurs du commerce possédant une tension d'alimentation de 3 Volts maximum, un gain de 20 décibels, une impédance de sortie de 500 ohms, et une bande passante de 1 à 1000 Hertz environ. On notera par exemple les modèles TDE 01462 vendus par THOMSON-CSF, ou LM 4250 vendus par NATIONAL SEMICONDUCTOR, en réalisation à transistor bipolaire, ou encore les modèles OP 12 de la société PMI, ou bien PBL 3721 de la société RIFA, réalisés sous forme de transistors à effet de champ, de préférence du type C MOS. On se référera maintenant aux figures 5 et 6 qui illustrent une variante préférentielle. Sur la figure 5, il apparaît que la céramique 20 reçoit, directement collée sur elle, une puce de circuit intégré 30. Dans ce cas, on utilise un circuit intégré fabriqué à la demande, dans lequel les résistances 32 et 33 sont incorporées, de même qu'éventuellement le circuit de découplage en courant continu 34. On voit alors que les entrées 21 et 22 de la puce de circuit intégré 30 sont reliées directement aux deux métallisations de la céramique. Sur la figure 5, on a représenté une échancrure dans la céramique pour faire passer par une connexion électrique courte la liaison vers l'autre face t ou plus exactement vers la membrane conductrice 10. Les deux autres sorties de la puce 30 sont reliées à des connexions intermédiaires 35 et 36, formant ilot conducteur sur la métallisation, et servant de relais pour la liaison ultérieure vers les deux conducteurs du câble fibilaire 39-. Les liaisons directes entre la puce 30 et les différents éléments circonvoisins peuvent être effectuées, de manière connue en elle-même, par les techniques de liaisons habituelles au circuit intégré, et connues sous le nom de BALL-BONDING". On peut éviter d'avoir à faire une échancrure dans la céramique pour passer la liaison 21, en plaçant la puce 30 de manière décentrée sur la céramique, par exemple aux environs de la moitié d'un rayon de celle-ci. Cela présente en outre l'avantaqe que la puce est alors moins fortement soumise aux sollicitations mécaniques résultant des efforts de pression captés par l'hydrophone. La figure 6 montre alors la structure de l'hydrophone ainsi obtenue, avec une légère variante, où les points de relais des connexions 35 et 36 ne sont plus situés sur la céramique elle-même, mais sur des picots 15 et 16 montés à l'intérieur du boîtier 12 en matière synthétique de l'hydrophone. Ce sont donc d ces liaisons par picots 15 et 16 que vont partir les sorties vers les fils conducteurs 35 et 36, ainsi que venir en retour l'alimentation nécessaire à la puce de circuit intégré. Les deux solutions peuvent être d'ailleurs réunies, -en utilisant à la fois des ilots sur la céramique, et les picots intermédiaires 15 et 16 à l'intérieur du boîtier. On observera aussi, comme d'ailleurs dans le mode de réalisation précédent, quel'accès permis avant montage du bouchon 13 est largement suffisant pour réaliser les opérations de liaison électrique-à effectuer à l'intérieur de l'hydrophone, dans des conditions de prix de revient tout à fait satisfaisantes. Bien que d'autres formes de réalisation puissent être envisagées, en particulier avec une membrane porteuse de céramique en réalisation tubulaire', et avec un boîtier d'une autre forme, la demanderesse considère actuellement comme préférable la réalisation avec un boîtier en forme générale de disque plat, comme le montrent les figures 3 et 6. Les dimensions sont par exemple les suivantes - diamètre de la membrane 10, déjà mentionnée, 20 mm, - hauteur du boîtier en forme de disque, 15 mm. Le montage est alors le suivant - la céramique avec ses métallisations est collée sur la membrane de bronze, dont le rebord il est collé à son tour sur le corps en oly) chlorure de vinyle de 1 'hydrophone. Dans le cas de la figure 3, on relie ensuite la céramique au circuit intégré 30 qui comporte le préamplificateur adaptateur d'impédance, on met en place le circuit et on le colle à l'intérieur du boîtier, après quoi la liaison bifilaire de sortie est reliée au même circuit imprimé. Dans le cas de la figure 6, les choses sont plus simples, car la puce de circuit intégré a été collée a priori sur la céramique, et possède déjà des liaisons nécessaires avec celle-ci. il reste alors à faire lEnter- connexion entre cette puce et les lignes de sortie 35 et 36 du câble bifilaire 39, éventuellement après passage sur les picots relais 15 et 16. Une fois ces opérations de câblage terminées, on met en place le bouchon 13, qui est à son tour collé. Enfin, l'ensemble est trempé dans une cire d'enrobage à bas point de fusion, qui permet de parfaire l'étan chéité entre les différents éléments, ainsi que la résistance de l'hydrophone aux agents agressifs qu'il pourra rencontrer lorsqu'il sera enterré. Dans une Variante représentée figure 7, ce n'est plus la membrane qui ferme le boîtier 12, mais un couvercle rapporté 40, de préférence en matière rigide. Ce couvercle maintient par sa périphérie la membrane 10' portant la céramique 20, et permet de ménager une cavité 41 entre la membrane et la face intérieure du couvercle. Cette cavité est mise en communication avec l'extérieur par l'intermédiaire d'un ou plusieurs orifices de couplage 42. Par ailleurs, le bouchon 13' est prévu pour supporter directement et maintenir en place la plaque 30 de circuit imprimé. Avantageusement, la sortie de la paire de fils 39 s'effectue axialement par rapport au boîtier, et non plus radialement comme dans les variantes précédentes. il va de soi que la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, et qu'elle s'étend à toute variante conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Capteur sismique du genre hydrophone, caractérisé par le fait qu'il comporte, en combinaison - un boîtier (12) supportant une membrane (10), en partie supérieure, - collée sur cette membrane, une céramique piézoélectrique (20) avec ses métallisations (21, 22), - un câble bifilaire (39) aboutissant à l'intérieur du boîtier (12), et - à l'intérieur du boîtier, un circuit (30) abaisseur d'impédance à amplificateur opérationnel, connecté en haute impédance aux métallisations (21, 22) de la céramique, et en basse impédance (35, 36) au câble bifilaire (39). 2. Capteur sismique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit abaisseur d'impédance (30) comprend une puce de circuit intégré (31, collée sur la céramique (20) et reliée directement aux métallisations (21, 22) de la céramique. 3. Capteur sismique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la membrane (10) est en bronze Cuivre-Béryllium, collée sur un boi- tier (12) en matière synthétique telle que du (poly) chlorure de vinyle. 4. Capteur sismique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le-fait qu'à l'opposé de la membrane, le boîtier est fermé par un bouchon collé (13), qui permet le montage électrique du circuit abaisseur d'impédance. 5. Capteur sismique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le boîtier comporte des picots conducteurs internes (15, 16), formant bornes-relais pour la connexion du câble bifilaire. 6. Capteur sismique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le boîtier (12) est en forme générale de disque plat. 7. Capteur sismique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'ensemble est enrobé dans une cire à bas point de fusion. 8. Capteur sismique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le circuit abaisseur d'impédance (30) est agencé avec sortie et alimentation communes, ce qui permet son alimentation électrique par le câble bifilaire. 9. Capteur sismique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le boîtier (12) est fermé à sa partie supérieure par la membrane (10). 10. Capteur sismique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le boîtier (12) est fermé à sa partie supérieure par un couvercle rapporté (40) ménageant une cavité 41) entre la face intérieure du couvercle et la membrane (10'), ce couvercle comportant en outre au moins un orifice de couplage (42) de la cavité avec l'extérieur.