Brevet FR2570223A1 — publié le 19860314

DISPOSITIF PIEZOELECTRIQUE ET PROCEDE DE REALISATION D'UN TEL DISPOSITIF L'invention concerne un dispositif piézoélectrique comprenant au moins deux électrodes isolées é-Lectriquement l'une de L'autre par un matériau incLuant une poudre piézoélectrique, et comprenant des moyens pour connecter ces électrodes à un système de mesure de grandeur électrique. L'invention concerne en outre un procédé de réalisation d'un tel dispositif. Cette invention trouve son application dans La détection des vibrations mécaniques et acoustiques ainsi que des variations de pression, dans les domaines où l'utilisation d'un circuit intégré est requise. Un dispositif piézoélectrique tel que défini précédemment est connu par exemple de la demande de brevet GB-2 012 519A du 17 janvier 1978. Le dispositif décrit dans le document cité est formé d'au moins une électrode insérée dans une gaine métallique ou métallisée, servant de seconde électrode, l'intervalle entre les deux électrodes étant empli d'une poudre potentiellement piézoélectrique. Afin de conférer à cette poudre les propriétés piézoélectriques requises, le dispositif est porté à une température voisine du point de Curie de la poudre et soumis à un fort champ électrique. La moudre utilisée comme matériau piézoélectrique peut être, comme il est mentionné dans le document cité, sélectionnée parmi un certain nombre de produits connus, en fonction des conditions d'utilisation du capteur. Mais la demande de plus en plus étendue pour des nouveaux circuits intégrés pose le problème de La réalisation de tels dispositifs dans une technologie de circuit intégré compatible avec la fonction de capteur ou de transmetteur piézoélectrique. Une telle réalisation doit permettre d'accroître la facilité de réalisation, la fiabilité des connexions entre le dispositif piézoélectrique et Le circuit périphérique, et la rapidité du montage, tout en diminuant Les coûts de fabrication. Les dispositifs réalisés selon l'enseignement du document cité ne sont évidemment absolument pas intégrables. C'est pourquoi la présente invention propose un nouveau dispositif piézoélectrique tel que défini dans le préambule, remarquable en ce que les électrodes sont constituées par une couche conductrice, en ce que Le matériau incluant la poudre piézoélectrique est constitué par une couche isolante et en ce gue ces couches sont déposées sur un substrat de manière à former un microcircuit, ta couche isolante étant disposée entre deux couches conductrices, et des plages étant réservées sur chaque couche conductrice de manière à pouvoir y réaliser les contacts électriques avec te système de mesure. Le dispositif réalisé selon la présente invention présente L'avantage d'être entièrement intégrable donc en synergie avec les technologies de pointe. Selon une mise en oeuvre de l'invention, ce dispositif est remarquable en ce que les couches conductrices d'une part et la couche piézoélectrique d'autre part sont réalisées par le dépôt de compositions sérigraphiables respectivement conductrices et piézoélectriques sur un substrat selon une technologie compatible avec la réalisation de microcircuits hybrides. Le dispositif ainsi réalisé offre t'avantage d'être entièrement intégrable sur les substrats conventionnels utilisés pour réaliser les microcircuits hybrides, et éventuellement de pouvoir être monolithiquement intégrés sur un tel substrat avec d'autres circuits tels que par exemple les circuits du système de mesure qui lui sont indispense- bles. Selon une mise en oeuvre particulière de l'inver,t on, e compositions sérigraphiables respectivement conductrices et piézoélectriques incluent des mélanges de poudres céramiques. Dans ces conditions, ce dispositif piézoélectrique est apte à supporter des températures élevées, et est mécaniquement très solide. De telles compositions sérigraphiables destinées à la réalisation de circuits hybrides sont connues de l'art antérieur, par exemple du brevet US-3 374 110 pour une composition conductrice, ou de la demande de brevet français n0 74 13 332 pour une composition isolante. Mais les compositions isolantes connues ne sont absolument pas adaptées à former une composition piézoélectrique d'une part, et d'autre part la formulation de la composition conductrice connue devra être légèrement modifiée pour s'adapter parfaitement à une nouvelle composition piézoélectrique sérigraphiable. C'est pourquoi la présente invention présente en outre un dispositif piézoélectrique selon la riseien oeuvre particulière décrite précédemment, remarquable en ce que la composition piézoélectrique est formée d'une part d'un verre dans les proportions de 5 à 15 % en volume et d'autre part d'une poudre céramique piézoélectrique dans les proportions complémentaires. Dans une forme de réalisation de ce dispositif, le verre inclus dans La composition piézoélectrique est un silico-borate d'alca- lino-terreux associé à un oxyde de plomb et à de l'alumine. Dans une forme de réalisation, le verre inclus dans la compo sition piézoélectrique est formé des proportions molaires : 20 à 50 % d'anhydride borique (B203), 10 à 40 % de silice (SiO2), 0 à 10 % d'anhydride calcique (CaO), O à 10 % d'alumine (Al203), 14 à 35 % d'oxyde de plomb (PbO). Dans une forme de réalisation, la poudre piézoélectrique incluse dans la composition piézoélectrique est un titano-zirconate de plomb. Selon la mise en oeuvre décrite, ce dispositif est également remarquable en ce que la composition conductrice est formée d'une part d'un verre et d'autre part d'un mélange métallique constitué en poids dudit mélange de 80 % à 70 % d'argent et de 20 % à 30 % de palladium, la proportion en poids du verre dans la composition étant de 10% à 1 %, et la proportion en poids du mélange métallique dans la composition étant alors de 90 à 99 %. Dans une forme de réalisation de ce dispositif, le verre inclus dans la composition conductrice est un borosilicate de plomb et d'aluminium. Dans une forme de réalisation, le verre inclus dans la composition conductrice est constitué en poids de 4 % d'anhydride borique (B203), de 10 % de silice (SiC2), de 85 % de monoxyde de plomb (PbO) et de 1 % d'alumine (au203). Enfin la présente invention propose un procédé de réalisation d'un tel dispositif, remarquable en ce qu'il comprend les étapes suivantes a) Dépôt sur Le substratchoisi d'une première couche d'une encre conductrice formée par la dispersion dans un véhicule organique de la composition conductrice selon l'invention, ce dépôt étant effectué au travers d'un écran de sérigraphie formant masque et délimitant la forme de La première électrode. b) Cuisson de cette couche avec un palier c) Dépôt sur ta première couche conductrice d'une couche d'encre potentiellement piézoélectrique formée par la dispersion dans un véhicule organique de la composition piézoélectrique selon l'invention, ce dépôt étant fait au travers d'un écran de sérigraphie formant masque, et délimitant la couche piézoélectrique de manière à ce que celle-ci couvre la première couche conductrice à t'exception d'une plage destinée à permettre un premier contact électrique avec le système de mesure. d) Cuisson de cette couche avec un palier. e) Dépôt et cuisson d'au moins une seconde couche d'encre piézoélectrique identiquement à la première couche piézoélectrique. f) Dépôt sur la dernière couche piézoélectrique d'une seconde couche d'encre conductrice, de composition semblable à la première, ce dépôt étant effectué au travers d'un écran de sérigraphie formant masque, de manière à ce que cette couche conductrice couvre les couches piézoélectriques sans avoir de contact avec la première couche conductrice, et de manière à ce qu'une plage soit réservée pour permettre un second contact électrique avec le système de mesure. g) Cuisson de cette couche conductrice dans les mêmes conditions que celles de la première couche conductrice. h) Polarisation du matériau ptézoélectrique du dispositif ainsi réalisé, obtenue en portant te dispositif à une température légèrement supérieure au point de Curie de la poudre piézoélectrique et en le soumettant à un fort champ électrique continu pendant le refroidissement. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, illustrée par les figures annexées. La figure la représente en coupe un dispositif selon la présente invention. La figure lb représente ce même dispositif vu du dessus. Tel que représenté sur la figure 1, le dispositif réalisé selon la présente invention est formé d'une première couche conductrice 1 déposée sur un substrat S. Cette première couche 1 constitue la première électrode E1. Une plage C1 est réservée sur cette électrode pour permettre la connexion avec le système de mesure. Le dispositif comprend ensuite, déposée(s) sur cette première couche conductrice 1, une lou plusieurs) couche(s) piézoelectrique(s) 2 (ou 2,3) qui laisse(nt) dégagé le contact C1 mais peut(ou peuvent) déborder la couche conductrice 1 dans les autres régions. Le dispositif comprend enfin, déposée sur la (ou les) couche(s) piéozétectrique(s), une seconde couche conductrice 4, constituant la seconde électrode E2 sur laquelle est réservée une plage C2 pour permettre la seconde connexion avec le système de mesure. La (ou les) couche(s) piézoélectriques(s) P se trouve(nt) donc disposée(s) entre les deux électrodes E1 et E2. La figure 1 montre une disposition particulière des contacts C1 et C2. Mais cette disposition n'est pas impérative et ces contacts peuvent être pris sur toute partie jugée adéquate pour la connexion avec les circuits périphériques. D'autre part toutes les formes et dimensions du dispositif sont possibles à condition de respecter dans le dépôt des couches la succession : couche conductrice/couche(s) piézoétectrique(s)/couche conductrice. Lorsque les dimensions de (des) couches piézoélectrique(s) excèdent légèrement celles des couches conductrices, les risques de claquages entre couches conductrices sont réduits et cette disposition est donc favorable. Une forme de réalisation est décrite ici dans laquelle chacune des couches constituant le dispositif est -réalisée au moyen d'encres conductrices ou piézoélectriques, par une technique de sérigraphie, formant donc un microcircuit de type hybride. Des formulations d'encres piézoélectriques et conductrices sont proposées, à titre d'exemple, dans le cas où le dispositif selon l'invention est réalisé sur un substrat en céramique, ces encres incluant des liants vitreux et étant destinées à subir une cuisson sous atmosphère oxydante. On rappelle que l'impression par sérigraphie a pour but de transférer sur un substrat rigide, au travers d'un écran formant masque et délimitant un motif, un matériau liquide ou encre qui, à l'issue d'un traitement thermique ou cuisson, présente par exemple des propriétés de conducteur ou d'isolant et devient en outre solidaire du substrat. Pour remplir avant cuisson la fonction d'impression et après cuisson une fonction électrique et mécanique, une encre comprend essentiellement trois composants : un véhicule organique liquide qui remplit la fonction impression et qui doit être éliminé lors de la cuisson, un matériau actif qui remplit la fonction électrique et qui peut être entre autres, conducteur ou isolant, et un matériau destine à rendre le précédent solidaire du substrat après cuisson et qui est un liant. Chacune des couches formant un circuit doit être à la fois compatible avec les autres couches du circuit et avec le substrat choisi tant en ce qui concerne les coefficients de dilatation que les températures de cuisson. C'est pourquoi les formulations des encres doivent être sDé- cialement adaptées à chaque cas précis d'utilisation. Ainsi, aucune encre présentant des propriétés piézoélectriques n'ayant été réalisée à ce jour, la formulation de cette dernière pour l'application à la réalisation d'un dispositif selon l'invention, est entièrement nouvelle. Par contre des formulations d'encres conductrices sont connues de l'art antérieur. Mais dans le but de rendre ces encres conductrices compatibles avec la nouvelle encre piézoélectrique, les formulations connues devront être modifiées. Dans L'exemple de réalisation proposé du dispositif selon l'invention, le liant vitreux de chacune des encres, conductrice ou piézoélectrique, est formé de plusieurs oxydes fondus ensemble pour constituer, après une trempe, une fritte de verre. Cette fritte est ensuite finement broyée pour former une poudre, afin de pouvoir être mélangée au matériau actif qui se présente également sous forme de poudre. Dans le cas où L'effet piézoélectrique est recherché cette poudre sera constituée, par exemple, de céramique piézoélectrique. Dans le cas où l'effet conducteur est recherché, cette poudre sera formée de grains métalliques. Le mélange de la poudre de verre et de la poudre de matériau actif est enfin dispersé dans un véhicule organique qui permet d'obtenir les propriétés rhéologiques requises pour l'application à la sérigraphie et qui doit être éliminé lors de la cuisson de l'encre. Cette cuisson intervient à une température qui dépend des trois constituants de l'encre. Dans la forme de réalisation du dispositif selon l'invention proposée à titre d'exemple la nouvelle encre piézoélectrique est donc constituée tout d'abord d'un liant vitreux dont la composition est présentée dans le tableau I en proportions molaires. L'exemple A donne les fourchettes de compositions possibles de ce verre et l'exemple B donne une composition préférentielle. Le tableau I donne en outre le point de recuit supérieur du verre (PR S) en OC, le coefficient de dilatation linéaire a et la densité P. TABLEAU I Verre Exemple A Exemple B B203 20 à 50 % moles 25 % moles SiO2 10 à 40 f lp rr 35 % " CaO 0 à 10 % " " 5 % Al2O3 0 à 10 % " " 5 % PbO 14 à 35 % " " 30 % " " &alpha; (entre 20 et 320 C) 73 . 10-7 . C-1 P R S 440 C P 4060 kg m-3 Les différents oxydes formant le verre sont fondus dans Les proportions molaires indiquées, puis le verre est refroidi par une trempe et broyé de manière à obtenir des grains de quelques m de diamètre. La poudre obtenue est alors méLangée à une poudre piézo- électrique, tel qu- par exemple un tîtano-zirconate de plomb (PbTiZrO3),# dont les grains sont de l'ordre de 10 m environ, dans les proportions volumiques indiquées dans le tableau II. TABLEAUtE J Exemples A B Poudre de verre de diamètre # 10 m 5 à 15 % en vol. 12 % vol. Poudre de PbTiZrO3 de diamètre # 10 m 95 à 85 % " " 88 % vol. L'encre piézoélectrique peut alors être obtenue par la dispersion d'un des mélanges précédents dans une solution à 4 d d'éthyl cellulose dans du terpinéol, dans les proportions volumiques de 60 % du mélange pour 40 % du véhicule organique par exemple. L'encre ainsi réalisée admet une température de cuisson de l'ordre de 85000 avec un palier d'environ 10 mn, dans une atmosphère oxydante. La formulation de L'encre conductrice choisie pour être compatible avec L'encre piézoélectrique décrite et avec le substrat en céramique, comprend d'abord un verre dont la composition est donnée par le tableau m, en proportions molaires. i TABLEAU m I Verre B2O3 21 % en moles SiO2 24 % " " PbO" 45 % " " Al2O3 10 % " " L'encre conductrice formée, doit, également par soucis de compatibilité avec L'encre piézoélectrique, pouvoir subir une cuisson sous atmosphère oxydante. Les métaux formant le matériau actif doivent donc être non oxydables. Le tableau IV donne les proportions pondérales des poudres de métaux aptes à former un mélange de poudres non oxydables, et le tableau 8 les proportions pondér:ales.reL#tives de la poudre du verre précédent et du mélange des poudres métalliques. TABLEAU TABLEAU Mélange de poudres métalliques Argent 80 à 70 % en poids Palladium 20 à 30 % TABLEAU v Mélange de poudres métalliques 90 à 99 % en poids Poudre de verre 10 à 1 % " " Un véhicule organique identique à celui qui est utilisé pour former L'encre piézoélectrique, permet la dispersion de la composition précédente dans les proportions pondérales de 80 % pour la composition et 20 % pour le véhicule organique par exemple. L'encre ainsi formée admet alors également une température de cuisson de l'ordre de 8500C avec un palier d'environ 10 mn sous atmosphère oxydante. Un procédé de réalisation du dispositif piézoélectrique selon l'invention a L'aide des matériaux décrits précédemment est enfin proposé. Un substrat en céramique, pour lequel les encres conductrices et piézoélectriques ont été spécialement étudiées, est d'abord préparé. Une première couche conductrice 1 est déposée par sérigraphie puis soumise à une cuisson. Une couche d'encre piézoélectrique 2 est déposée par sérigraphie sur la couche conductrice 1. Une plage C1 de cette dernière est laissée à découvert grâce au masque mis en oeuvre par la technique de sérigraphie. Cette couche piézoélectrique 2 est ensuite soumise à une cuisson. -. Une ou plusieurs autres couches piézoélectriques 3 sont alors déposées en surface de la couche piézoélectrique 2 précédente, en coïncidence avec celle-ci puis sont soumises à cuisson, la cuisson intervenant entre chaque dépôt. Deux ou trois dépôts de couches piézoélectriques permettent d'obtenir une épaisseur appropriée pour le bon fonctionnement du dispositif. Une seconde couche conductrice 4 est déposée sur L'ensemble, sans contact avec la première couche conductrice 1, puis est soumise à une cuisson. A ce stade de la réalisation, la forme du dispositif est définitive, puisqu'elle a été déterminée par les masques de sérigraphie qui délimitent chaque couche, mais le matériau piézoélectrique n'a pas acquis les propriétés indispensables au fonctionnement du dispositif. Ceci est dû au fait que lorsque la poudre de titanozirconate de plomb ou toute autre poudre potentiellement piézoélectrique, est incorporée aux autres matériaux constituant l'encre, on peut considérer que chaque grain de poudre forme, électriquement, un ensemble de dipôles élémentaires. Dans chaque grain de poudre et dans l'ensemble de la poudre elle-même, ces dipôles sont orientés de façon aléatoire, en sorte que, si une contrainte est appliquée au matériau ainsi réalisé, ta s#n;me déplacements de charges est nulle, et l'effet piézoélectrique est par conséquent nul. C'est pourquoi, pour obtenir un effet piézoélectrique, les dipôles doivent d'abord être orientés.Cet effet est obtenu en soumettant le matériau potentiellement piézoélectrique à un fort champ électrique continu en même temps qu'à une température voisine du point de Curie. A cet effet, le dispositif piézoélectrique est alors porté à une température légèrement supérieure au point de Curie de la poudre piézoélectrique, c' est-à-dire 2850C pour la poudre de zirconate de plomb par exemple, et soumis à un fort champ électrique continu, de l'ordre de 500 W pendant son refroidissement, au moment où il atteint ce point de Curie. Il est évident que l'on peut concevoir de nombreuses variantes de la présente invention, en particulier dans les formes et dimensions du dispositif, dans le choix du substrat et des compositions des différentes couches sans toutefois sortir du cadre de cette invention, tel que défini par le5rrevendications ci-après annexées. REVENDICATIONS 1. Dispositif piézoélectrique comprenant au moins deux électrodes isolées électriquement l'une de l'autre par un matériau incluant une poudre piézoélectrique et comprenant des moyens pour connecter ces électrodes à un système de mesure de grandeur électrique, carac térisé en ce que les électrodes sont constituées par une couche conductrice, en ce que le matériau incluant la poudre piézoélectrique est constitué par une couche isolante et en ce que ces couches sont déposées sur un substrat de manière à former un microcircuit, ta couche isolante étant disposée entre deux couches conductrices et des plages étant réservées sur chaque couche conductrice de manière à pouvoir y réaliser Les contads électriques avec le système de mesure. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que Les couches conductrices d'une part et la couche piézoélectrique d'autre part sont réalisées par le dépôt de compositions sérigraphiables respectivement conductrices et piézoélectriques sur un substrat selon une technologie compatible avec la réalisation de microcircuits hybrides. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les compositions sérigraphiables respectivement conductrices et piézoélectriques incluent des mélanges de poudres céramiques. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la composition piézoélectrique est formée d'une part d'un verre dans les proportions volumiques de 5 à 15 d, et d'autre part d'une poudre céramique piézoélectrique dans les proportions complémentaires. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le verre inclus dans la composition piézoélectrique est formé des proportions molaires suivantes de 20 à 50 % d'anhydride borique (B203), 10 à 40 % de silice (SiO2), O à 10 #% d'anhydride calcique (CaO), O à 10 % d'alumine (Al203), et de 14 à 35 % de monoxyde de plomb (PbO). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le verre inclus dans la composition piézoélectrique est formé des proportions molaires suivantes : 25 % d'anhydride borique 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la poudre piézoélectrique incluse dans le matériau piézoélectrique est un titanozirconate de plomb (PbTiZrO3). 8. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la composition conductrice est formée d'une part d'un verre et d'autre part d'un mélange métallique constitué en poids dudit mélange de 80 à 70 M d'argent et de 20 à 30 % de palladium, la proportion en poids du verre dans la composition étant de 10 à 1 Z et la proportion en poids du mélange métallique dans la composition étant alors de 90 à 99 X 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le verre inclus dans la composition conductrice est un borosilicate de plomb et d'aluminium. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le verre inclus dans la composition conductrice est constitué en poids de 21 Z d'anhydride borique (B203), de 24 Z de silice (SiO2), de 45 Z de monoxyde de plomb (PbO) et de 10 Z d'alumine (Al203). 11. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que le substrat est en céramique. 12. Procécé de réalisation d'un dispositif selon l'une des revendications 2 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes a) Dépôt sur le substrat choisi d'une première couche d'une encre con ductrice (1) formée par La dispersion dans un véhicule organique te la composition conductrice, ce dépôt étant fait au travers d'un écran de sérigraphie formant masque et délimitant la forme de la première électrode. b) Cuisson de cette couche avec un palier. c) Dépôt sur la première couche conductrice (1) d'une couche (2) d'encre potentiellement piézoélectrique formée par la dispersion dans un véhicule organique de la composition piézoélectrique, ce dépôt étant fait au travers d'un écran de sérigraphie formant masque et délimitant la couche piézoélectrique de manière à ce que celle-cicouvre la première couche conductrice à l'exception d'une plage destinée à permettre un premier contact électrique avec le système de mesure. d) Cuisson de cette couche avec un palier. e) Dépôt et cuisson d'au moins une seconde couche (3) d'encre potentiellement piézoélectrique identiquement à la première couche (2) piézoélectrique. f) Dépôt sur la dernière couche Diézoélectricue d'une seconde couche (4) d'encre conductrice de composition semblable à la première couche conductrice (1), ce dépôt étant fait au travers d'un écran de sérigraphie formant masque, de manière à ce que cette couche conductrice couvre les couches piézoélectriques sans toutefois avoir de contact avec la première couche conductrice (1), et de manière à ce qu'une plage C2 soit réservée pour permettre un. second contact électrique avec le système de mesure. g) Cuisson de cette couche avec un palier. h) Polarisation du matériau potentiellement piézoélectrique du dispositif ainsi réalisé, obtenue en portant le disDositif à une température légèrement supérieure au point de Curie de la poudre piézoélectrique et en le soumettant à un fort champ électrique continu pendant le refroidissement. 13. Procédé de réalisation selon la revendication 12, dans la mesure où le dispositif ainsi réalisé dépend des revendications 6, 7, 10 et 11, caractérisé en ce que les cuissons sont effectuées avec un palier d'environ 10 mn à 8500C, et la polarisation à une température de 2850C sous un champ électrique d'environ 500 S.