Brevet FR2552613A1 — publié le 19850329

La présente invention concerne les dispositifs de chauffage et plus particulièrement les dispositifs de chauffage par micro-ondes guidées vers le matériau à chauffer par guide d'ondes. Les dispositifs de chauffage par ondes hautes fréquences sont maintenant bien connus et utilisés dans de nombreux domaines techniques les plus divers. Ces dispositifs comportent normalement un générateur apte à délivrer une onde haute fréquence à une valeur de fréquence déterminée, un guide d'ondes couplé à la sortie du générateur et coopérant avec un réceptacle apte à recevoir un matériau à traiter thermiquement. Ces dispositifs donnent de bons résultats et sont généralement adaptés pour des traitements thermiques très ponctuels et sur des temps très courts, comme par exemple sur des plaquettes de semi-conducteurs tel que silicium, etc... Dans ces conditions, ces plaquettes sont placées dans le guide d'ondes et subissent un traitement thermique suivant des paramètres qui sont généralement prédéterminés par expériences.Les valeurs de la fréquence et de la puissance du générateur prédeterminées permettent de prérégler le dispositif de chauffage. Cependant, les échantillons de matériaux à soumettre à des traitements thermiques ne sont jamais parfaitement identiques quant à leur forme ou leur structure. Dans ces conditions, il n'est pas facile d'obtenir un réglage optimum de tous les paramètres du dispositif de chauffage et, en plus, d'obtenir un traitement thermique suivant une loi déterminée. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et de réaliser un dispositif de chauffage par micro-ondes d'une structure simple mais permettant un réglage facile des paramètres de traitement thermique et, en plus, de pouvoir programmer préalablement le traitement. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif de chauffage par micro-ondes caractérisé par le fait qutil comporte - un générateur apte à émettre des micro-ondes à une valeur de fréquence déterminée, - un premier guide d'ondes dont l'entrée est couplée à la sortie dudit générateur, - une charge adaptée bouclant la sotie dudit premier guide d'ondes, - un second guide d'ondes en anneau résonnant adapté à ladite fréquence déterminée, - des moyens de couplage dudit premier audit second guide d'ondes et, - un applicateur apte à recevoir un matériau à chauffer intercallé en série dans ledit second guide d'ondes. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description suivante donnée au regard des dessins annexés à titre illustratif mais non limitatif dans lesquels - la figure 1 est un schéma du principe du dispositif de chauffage à guide d'ondes principal couplé à un guide d'ondes en anneau selon l'invention, - la figure 2 représente un mode de réalisation d'un moyen de couplage du guide d'ondes principal au guide d'ondes en anneau, - la figure 3 représente un mode de réalisation perfectionné d'un dispositif de chauffage en accord avec le principe de la figure 1, - les figures 4 A-B représentent, suivant deux coupes perpendiculaires schématiques, un mode de réalisation d'un applicateur apte à recevoir un matériau à traiter en accord avec les figures 1 et 3. En revenant plus particulièrement à la figure 1, celle-ci représente un dispositif de chauffage à micro-ondes comportant un générateur 1 apte à délivrer à sa sortie 2 des micro-ondes à une fréquence déterminée. Un guide d'ondes principal 3 a son entrée 4 couplée à la sortie 2 du générateur 1. Ce guide d'ondes principal 3, généralement rectiligne, a son extrémité 5 fermée par une charge adaptée 6. Un guide d'ondes rectiligne fermé par une charge adaptée est généralement constitué d'un creux dont les dimensions sont calculées en fonction de la valeur de la fréquence de l'onde à guider. Le dispositif de chauffage comporte en plus un guide d'ondes en anneau résonnant 7, ctest-à-dire dont la longueur électrique est un nombre entier de demi-longueurs d'onde dans le guide. Dans cet anneau est disposé en série un applicateur 8 apte à recevoir le matériau à chauffer. Un mode de réalisation avantageux d'un tel applicateur sera ci-après décrit en regard des figures 4 A-B. Enfin, le dispositif comporte des moyens de couplage 9 du guide d'ondes principal 3 au guide d'ondes en anneau 7. Ces moyens de couplage, dont un exemple de réalisation sera décrit en regard de la figure 2, comportent quatre entrées respectivement 10 et 11 branchées en série dans le guide d'ondes principal 3, et 12 et 13 branchées en série dans guide d'ondes en anneau 7. Le dispositif décrit ci-dessus, en regard de la figure 1, fonctionne de la façon suivante Le générateur 1 émet des micro-ondes en direction du guide d'ondes principal 3 et le parcourt avec une certaine puissance. La puissance émise au niveau des moyens de couplage 9 dont le coefficient de couplage est inférieur à l'unité est dérivée en partie dans le -guide d'ondes en anneau.Cependant, étant donné que le guide d'ondes en anneau est accordé, et donc résonnant, il est facile de constater que le champ électriqué est un facteur du coefficient de couplage et de l'atténuation apportée par les éléments insérés en série dans l'anneau, notamment l'applicateur 8, entre ses deux entrées 14 et 15, avec le matériau à chauffer. avec un couplage convenabler.)cl t resalez la Lvemanderesse a constaté que l'intensité du champ electrique pouvant régner dans le guide d'ondes en anneau est nettement supérieure å celle du champ dans le guide d'ondes principal, ceci pouvant s'expliquer par le fait que l'anneau se comporte comne une cavité de surtension. La figure z représente un mode de réalisation des moyens de couplage 9 entre le guide d'ondes principal 3 et le guide d'ondes en anneau 7. Ces moyens de couplage 9 comportent deux portions de guides 20 et Z1 parallèles constituées comme des guides d'ondes rectilignes appartenant respectivement au guide d'ondes principal 3 par ses entrées 10 et 11 et au guide d'ondes en anneau 7 par ses entrées 12 et 13. Ces deux portions de guides 20 et 21 comportent une paroi commune 22 dans laquelle sont réalisées des "ouvertures" 23 et 24 connues par les techniciens par "jonctions hybrides", qui sont donc en série à la fois dans les deux guides d'ondes principal et en anneau, ces jonctions permettant le transfert d'une partie de la puissance du champ électrique appliqué entre les deux entrées 10 et 11, fournie par le générateur 1, au guide d'ondes en anneau connecté en série entre les entrées 10 et 11, fournie par le générateur 1, au guide d'ondes en anneau connecté en serie entre les entrées 12 et 13, suivant une valeur de coefficient de couplage qui est fonction du déphasage obtenu entre les ouvertures 23 et 24 et qui peut être donné par un déphaseur commandable comme expliqué ci-après. Cependant, il est avantageux de pouvoir faire varier la valeur de ce coefficient de couplage. Pour cela, dans la portion de guide 21, est disposé un déphaseur commandable représenté schématiquement en 25, situé entre les deux jonctions 23 et 24. Ce déphaseur commandable peut être constitué par un élément à ferrite ou un déphaseur à diodes l'un et l'autre à commande électronique par des signaux appliqués à l'entrée 26, ces éléments connus étant intéressants pour leur temps de réponse très rapide. Cette caractéristique est avantageuse notamment pour optimiser les paramètres de fonctionnement du dispositif de chauffage. Celle-ci apparaît dans le mode perfectionné de dispositif cie chauffage par micro-ondes illustré sur la figure 3. Celui-ci comprend un générateur de micro-ondes 30 dont la sortie 31 est reliée à l'entrée 32 d'un premier guide d'ondes principal 33 dont l'extrémité 34 est bouclée sur une charge adaptée 35. il comporte aussi un guide d'ondes en anneau résonnant 36 dans lequel est inséré en série, par ses entrées 37 et 38, un applicateur 39 du même type que l'applicateur 8 selon la figure 1. Ce dispositif comporte aussi des moyens de couplage 40 commandables comme ceux décrits selon la figure 2 par des signaux appropriés appliqués à leur entrée de commande 41, comparable à l'entrée de commande Z6 decrite selon la figure 2. en plus des éléments mentionnés ci-dessus, le dispositif de chauffage comporte des moyens pour maintenir le guide d'ondes en anneau accordé, quel que soit le materiau a chauffer introduit dans l'applicateur 39. Ces moyens comprennent essentiellement un coupleur directif 42 inséré en serie par ses entrées 43 et 44 dans le guide d'ondes en anneau 36 et apte à délivrer à sa sortie 45 un signal représentant une fraction de la puissance électrique circulant dans l'anneau. Cette sortie 45 est connectée à l'entrée 46 d'un détecteur 47 constitué, par exemple, d'une diode apte à délivrer à sa sortie 48 un signal électrique représentatif de la valeur de la puissance prélevée, et donc, de celle circulant dans le guide d'ondes en anneau 36. La sortie 48 du détecteur 47 est reliée à l'entrée 49, avantageusement à travers un amplificateur 50, d'un organe de traitement 51 du signal délivré par le détecteur, selon une fonction de traitement préétablie, cet organe pouvant être un microprocesseur. La sortie 52 de cet organe de traitement 51 est reliée à l'entrée de commande 53 d'un déphaseur 54 inséré en série entre ses deux entrées 55 et 56 dans le guide d'ondes en anneau 36. Ce déphaseur peut aussi être constitué d'une diode, ou même, pour certains cas, d'un moteur couplé en rotation avec l'élément ferrite. Cet ensemble de moyens permet, par le coupleur directif 42, de pouvoir, par asservissement et traitement à travers le microprocesseur 51, commander le déphaseur 54 pour faire varier l'accord du guide d'ondes en anneau (sa longueur apparente) afin d'obtenir le maximum de puissance détectée à la sortie 45. Ce dispositif permet, avec les moyens décrits ci-dessus, de pouvoir maintenir une puissance maximum de chauffage, ce qu'il n'était par facile de réaliser avec les dispositifs de l'art antérieur. De plus, il peut être avantageux, dans un dispositif de chauffage par micro-ondes, de programmer le processus de traitement thermique, suivant une loi déterminée. Le dispositif de chauffage illustré sur la figure 3 comporte des moyens pour faire varier la puissance véhiculée dans le guide d'ondes en anneau suivant une loi mémorisée. Ces moyens comportent un programmeur 60, par exemple à microprocesseur, dont une entrée d'information 61 est reliée à la sortie 62 d'un capteur, par exemple de température, 63, disposé en association avec l'applicateur 39, pour contrôler les variations de la température de la pièce à traiter thermiquement. Ce programmeur 60 comprend une mémoire dans laquelle est préenregistrée la loi de variation, par exemple en fonction du temps, ce qui permet d'optimiser le traitement thermique du matériau contenu dans l'applicateur 39. Les signaux de commande élaborés par le programmeur 60 sont délivrés à la sortie 62 qui est reliée à l'entrée de commande 41 des moyens de couplage commandables 40. Ainsi, pour faire varier la puissance de chauffage du matériau, il suffit, grâce à ces moyens decrits ci-dessus de faire varier le coefficient de couplage entre les deux guides d'ondes, ce qui est une procédure plus facile et plus rapide qu'avec les dispositifs de l'art antérieur. Dans un perfectionnement pour obtenir une loi de variation plus élaborée, une sortie 63 du programmeur 60 peut être reliée à une autre entrée de commande 64 de l'organe ae traitement 51, afin d'obtenir une commande annexe de l'asservissement, pour tenir compte des données de cette dernière loi, pour réaliser simultanément la variation du couplage entre les deux guides d'ondes et l'accord du guide d'ondes en anneau. On constate qu'avec des dispositifs comme ceux décrits en regard des figures 1 à 3, il est facile d'obtenir n'importe quel processus de traitement thermique d'un matériau placé dans un applicateur comme ceux référencés 8 et 39. Il possible d'optimiser encore le procédé par un mode avantageux d'applicateur comme celui illustré sur les figures 4 A-B qui en représentent respectivement une coupe transversale et longitudinale. Les deux figures représentant un même mode de réalisation d'un applicateur, les mêmes références désigneront les mêmes éléments. L'applicateur représente comporte une paroi 70 plane, fermée sur ellemême, de préférence autour d'un axe 71, pour former un cylindre avantageusement de révolution délimitant une cavité 72. Un côté de cette cavité 72 est fermé par un couvercle 73 reliant la surface intérieure 74 de la paroi 70. De façon avantageuse, ce couvercle 73 est constitué par deux grillages 75, 76, tres peu distants l'un de l'autre, et superposés, dont la dimension des mailles est inférieure au quart de la longueur d'onde X des micro-ondes aptes à être véhiculées dans un guide d'ondes 77 dans lequel pourra être inséré en série un tel applicateur. L'autre côté de la cavité 72 est fermé par un plateau 78 dont les dimensions sont telles que son bord latéral 79 définisse avec la surface 74 un espace annulaire 80. De plus, ce bord latéral 79 est défini pour que sa longueur parallèle à la paroi 74 soit donnée par la formule (2k + 1) B/4, dans laquelle k est un entier naturel. Avantageusement, on choisira k + 0 pour que la longueur du bord latéral 79 soit la plus courte possible, c'est-à-dire également au quart de la longueur d'onde définie précédemment. Ainsi, l'espace annulaire 80 est équivalent à une ligne coaxiale ouverte qui définit un piège ramenant un court-circuit au niveau du plan 85 passant par le sommet 84 du plateau 78. De cette façon, la surtension qui peut régner dans la cavité n'est pas affectée car les fuites de micro-ondes au niveau bas 86 du plateau sont presque totalement supprimées. De plus, la paroi latérale 70 comporte au moins un diaphragme 81, et un deuxième 82 quand cet applicateur est inséré en série dans le guide d'ondes 77 situé de part et d'autre de cet applicateur. Ces diaphragmes centrés sur un même axe 83 débouchent dans la cavité 72 à un niveau situé sensiblement entre le couvercle 73 et le haut 84 du plateau 78. Bien entendu, la hauteur et le diamètre de la cavité 72 pourront être facilement déterminés par l'homme de l'art de fanon à permettre la résonance de la cavité sur les modes choisis, de même que la position de la partie haute 84 du plateau 78, de façon que sur la pièce à chauffer 86 disposée sur le plateau, il apparaisse un maximum de champ magnétique tangentiel. Le plateau 78 est maintenu dans cette position par un arbre 87 d'un moteur d'entrainement en rotation 88 pouvant faire pivoter le plateau 78 et donc la pièce à chauffer 86, autour de l'axe 71 de la cavité 72. Un tel applicateur présente incontestablement des avantages car il permet de pouvoir facilement déplacer le plateau afin d'y positionner la pièce à chauffer, puisque ce plateau est désolidarisé de la paroi 70, de pouvoir, pour ces mêmes raisons, animer la pièce à chauffer d'un mouvement de rotation afin d'obtenir, si nécessaire, un traitement thermique de celle-ci plus homogène, et enfin, de pouvoir observer l'intérieur de cette cavité à travers les grilles 75, 76, éventuellement de pouvoir y placer des capteurs, par exemple de température, de champ magnétique, etc... Avantageusement, le plateau pourrait comporter des moyens de translation qui permettraient de le déplacer suivant l'axe 71, afin de bien positionner la pièce 86 dans la cavité 72 et d'obtenir la bonne adaptation. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage par micro-ondes CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comporte - un générateur (1) apte à émettre des micro-ondes à une valeur de fréquence déterminée, - un premier guide d'ondes (3) dont l'entrée (4) est couplée à la sortie dudit générateur, - une charge adaptée (6) bouclant la sortie dudit premier guide d'ondes, - un second guide d'ondes en anneau (7) résonnant adapté à ladite fréquence déterminée, - des moyens de couplage (9, 41) dudit premier audit second guide d'ondes, et - un applicateur (8) apte à recevoir un matériau à chauffer, intercallé en série dans ledit second guide d'ondes (7). 2. Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE lesdits moyens de couplage (9, 41) comportent deux portions de guides d'ondes ayant une paroi commune (22) dans laquelle sont réalisées deux jonctions hybrides (23, 24). 3. Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comporte des moyens pour commander l'accord dudit second guide d'ondes en anneau (7). 4. Dispositif selon la revendication 3, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE lesdits moyens pour commander l'accord dudit second guide d'ondes en anneau comportent - un coupleur directif (42) inséré en série dans le second guide d'ondes en anneau, apte à élaborer un premier signal représentatif de la puissance électrique parcourant ledit second guide d'ondes, - d'un déphaseur (54) commandable, coopérant avec ledit second guide d'ondes, et - des moyens de commande (47, 50, 51) dudit déphaseur en fonction dudit premier signal. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE lesdits moyens de couplage (9, 41) comportent des moyens pour faire varier le coefficient de couplage entre les deux dits premier et second guides d'ondes. 6. Dispositif selon la revendication 5, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE lesdits moyens pour faire varier ledit coefficient de couplage comportent - un programmeur (60), - un déphaseur (25, 26, 41) situé au niveau desdits moyens de couplage, l'entrée de commande (41) dudit déphaseur étant reliée à la sortie (69) dudit programmeur (60). 7. Dispositif selon l'une des revendications précedentes, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE ledit applicateur (8) comporte - une paroi latérale (70) fermee formant une cavite (72), - au moins un plateau (78) apte à recevoir ledit materiau (86) à chauffer1 fermant un côté de ladite cavité, les dimensions dudit plateau étant définies pour laisser un espace annulaire réduit (80) entre soli bord latéral (79) et la surface intérieure (74) de ladite paroi latérale sur une longueur donnée par la formule (2kil)X/4 dans laquelle k est un entier naturel et X la longueur d'onde correspondant à ladite fréquence déterminée, et - au moins un diaphragme (81, 82) de couplage débouchant dans ladite cavité. 8. Dispositif selon la revendication 7, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE ledit applicateur comporte un couvercle (73) fermant l'autre côté de ladite cavité (72). 9. Dispositif selon la revendication 8, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE ledit couvercle est constitué par au moins un grillage (75, 76) dont la dimension des mailles est inférieure au quart de ladite longueur d'onde > . 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE ledit plateau (78) est de révolution et qu'il comporte des moyens (87, 88) pour animer ledit plateau d'un mouvement de rotation.