Brevet FR2673001A1 — publié le 19920821

CAPTEUR DE CHAMP ELECTRIQUE SENSIBLE AUX CHAMPS FAIBLES La présente invention se rapporte aux capteurs de champ électrique qui permettent de mesurer un champ électrique continu ou variant avec une très faible fréquence même si le champ à mesurer est de faible intensité. Ce type de dispositif prend une importance croissante liée aux nouveaux critères de détection fondés sur les champs continus ou quasicontinus associés aux navires. En effet, ces derniers deviennent de plus en plus silencieux acoustiquement ou magnétiquement avec les contre-mesures mises en oeuvre. Une des méthodes à ce jour pour détecter un champ continu consiste à procéder de manière directe en se rapportant à la définition du champ électrique On sait en effet que le champ électrique E existant entre deux points séparés par une distance d est égal au rapport entre la différence du potentiel V entre ces deux points et cette distance C'est-à-dire E = V/d. La mesure de V entre deux électrodes conduit directement à la valeur du champ Une expérience a été réalisée avec un capteur fondé sur la mesure de la circulation du champ électrique le long du segment constitué par l'intervalle d'espace séparant les deux électrodes On accède ainsi à la connaissance de la valeur moyenne du champ électrique sur le segment, long de 1 à 2 m, joignant les électrodes, avec une sensibilité meilleure que 1 Vm 1 Hz-1/2 Malgré cette sensibilité performante, les problèmes liés à l'encombrement, à la difficulté d'obtenir un parallélisme bien contrôlé des deux électrodes en regard et à la nécessité d'établir la circulation du champ le long d'un parcours conducteur, limitent beaucoup le domaine d'application de ce type de capteur. Un autre type de capteur a été proposé, donnant une mesure directe et ponctuelle de la valeur du champ électrique à mesurer Ce capteur utilise un noyau de matériau ferroélectrique disposé entre deux électrodes que l'on soumet à un champ de polarisation alternatif à la fréquence f qui lui fait décrire un cycle d'hystérésis allant jusqu'à saturation dans les deux sens du cycle Le champ continu ou quasicontinu à mesurer S 'ajoutant au champ de polarisation entraîne une dissymétrie du cycle d'hystéréris que décrit la polarisation en fonction du champ électrique En absence de champ extérieur, la courbe P=f (E) o P polarisation et E champ électrique est une fonction impaire dont la transformée en série de Fourier ne donne que des harmoniques impaires La présence d'un champ électrique externe créant la dissymétrie de la courbe génère des harmoniques paires L'analyse du signal à la fréquence 2 f aux bornes du matériau ferroélectrique conduit à la mesure électrique extérieure. Selon ce principe de mesure des capteurs à base de pérovskites de plomb ont pu être réalisés Ils présentent une épaisseur de l'ordre de 200 p Um, un diamètre d'électrodes de 6 mm environ et une sensibilité de 104 V m Hz / Ils fournissent une mesure ponctuelle du champ mais avec une sensibilité devant être améliorée. La sensibilité du capteur est dépendante de la capacité du condensateur formée et plus la capacité de la sonde est élevée, plus on arrive à détecter des champs faibles Pour cela une solution consiste à diminuer l'épaisseur du matériau ferroélectrique, jusqu'à l'obtention d'un film d'épaisseur très faible Cependant dans un tel cas de figure, un autre paramètre revêt une importance prépondérante Il S 'agit d'un champ dit dépolarisant El qui nait de la polarisation P du matériau En effet, lorsqu'un matériau polarisable est soumis à un champ extérieur, il apparaît sur les parois de ce matériau des charges surfaciques et le champ électrique El généré par ces charges dépend de la polarisation avec un facteur dépolarisant N défini comme suit: E 11 = (avec i-x, y ou z directions dans l'espace). Dans le cas général o le matériau a une géométrie en ellipse la figure 1 montre l'influence du rapport c/a sur le paramètre N. c étant l'axe de l'ellipse parallèle au champ a étant l'axe de l'ellipse perpendiculaire au champ Dans le cas d'un film mince o le champ extérieur à mesurer est perpendiculaire au plan du film, le facteur dépolarisant est égal à 1, ce qui revient à dire qu'un tel capteur n'est pas du tout sensible à un tel champ. Pour pallier ce problème de champ dépolarisant et réaliser un capteur sensible aux champs électriques faibles, l'invention propose la réalisation d'un capteur comprenant une sonde comportant un film mince de matériau ferroélectrique sur lequel sont déposées des électrodes, et des moyens de mesurer la polarisation de ce matériau dans le plan du film ou la capacité du condensateur formé par ce matériau et les électrodes (ED), le matériau étant de préférence déposé sur un substrat (S) Une telle configuration présente l'avantage de mesurer la composante du champ parallèle au plan du film, composante qui n'est pas dépolarisée. Dans la présente invention, le nombre de paires d'électrodes peut être variable, notamment si le champ à mesurer possède une fréquence basse mais non nulle, on peut disposer des paires d'électrodes toutes les longueurs d'onde de ce champ pour conduire à une meilleure précision de la mesure. Les moyens de mesure peuvent comprendre des moyens pour appliquer à la sonde une tension électrique alternative permettant de saturer le matériau et des moyens pour mesurer la dissymétrie introduite par le champ à mesurer dans le courant traversant ce matériau. Ces moyens peuvent aussi comprendre des moyens faisant propager dans le plan du film une onde acoustique capable de polariser périodiquement le matériau et des moyens pour mesurer la polarisation résultante toutes les demi périodes de l'onde acoustique. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront grâce à la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: La figure 1 illustre l'incidence de la géométrie d'un matériau polarisable sur le facteur dépolarisant. La figure la représente un ellipsoïde de matériau polarisable et l'orientation des champs extérieur et dépolarisant. La figure lb montre l'évolution du facteur dépolarisant N avec la géométrie du matériau. La figure 2 représente la sonde de matériau ferroélectrique avec ses électrodes, selon l'invention, La figure 3 représente le cycle d'hystérésis décrit par le déplacement électrique d'un matériau ferroélectrique avec le champ électrique appliqué, La figure 4 représente le cycle d'hystérisis D = f (E) modifié par la présence d'un champ extérieur Eo, La figure 5 illustre un exemple de dispositif de capteur selon une première variante de l'invention, La figure 6 illustre un exemple de capteur selon une deuxième variante de l'invention dans laquelle l'onde acoustique est introduite par un transducteur T. La figure 7 illustre un autre exemple de capteur selon une deuxième variante de l'invention dans laquelle l'onde acoustique est générée par l'intermédiaire du peigne d'électrodes interdigitées. Dans une première variante de capteur selon l'invention la sonde ferroélectrique comporte des moyens permettant d'appliquer une tension alternative sinusoïdale de fréquence f par l'intermédiaire des électrodes Cette tension V (t) est telle qu'elle permet au matériau ferroélectrique d'atteindre la saturation (le champ électrique de saturation est d'environ i kv/mm pour des matériaux ferroélectriques) La figure 3 montre le cycle d'hystérésis décrit par la polarisation P ou le déplacement électrique D avec le champ électrique Ex auquel est soumis le matériau. Ce cycle est représenté de façon idéalisé sans tenir compte de la rémanence ES représente le champ de saturation et la direction notée x correspond à l'axe de mesure Lorsque la tension V(t) appliquée est sinusoïdale, le déplacement électrique résultant Dx (t) à allure d'une sinusoïde tronquée. C'est un signal qui, de par sa symétrie, ne présente que des harmoniques impaires lorsqu'il est décomposé en série de Fourier En présence d'un champ électrique Eox continu, le déplacement électrique résultant perd sa symétrie comme le montre la figure 4 et il contient maintenant des harmoniques paires lorsqu'il est décomposé en série de Fourier. Au premier ordre on peut considérer que le taux d'harmonique 2 du signal D x(t) est proportionnel à la valeur de la composante Eox du champ extérieur E que l'on désire mesurer La mesure de E est donc obtenue sur la mesure du ox niveau de l'harmonique 2 du signal Dx (t) On peut ainsi détecter un champ continu ou de fréquence très inférieure à la fréquence f du champ d'excitation (par exemple un rapport au moins 10). Selon ce principe de mesure un montage possible conduisant à la mesure de E est le suivant (figure 5): Un générateur (G) de tension sinusoïdale permet d'appliquer entre A et B une tension alternative sinusoïdale de fréquence f et de valeur crête suffisante pour dépasser la tension de polarisation d'un matériau ferroélectrique (M) Afin de reporter au mieux la tension VAB en VAI on utilise un condensateur (Cd) dont la capacité est grande devant celle du condensateur formée par le matériau (M) et les électrodes (ED). La mesure de Dx (t) est déduite de la mesure de la charge Q (t) aux bornes du condensateur (Cd) Pour mesurer Q (t) on peut utiliser la tension aux bornes du condensateur (Cd) puisque Q (t) = Cd V (t) Cette tension aux bornes de (Cd) est filtrée par un filtre (F) centré sur 2 f, de manière à affaiblir dans un premier temps les harmoniques autres que l'harmonique 2 Le signal en sortie du filtre est appliqué à un détecteur synchrone (DS) qui reçoit également du générateur (G), à titre de référence, un signal à la fréquence 2 f ayant la phase convenable On obtient ainsi un signal proportionnel au taux d'harmonique 2 dans la tension aux bornes de (Cd) représentative de Dx Ce signal est amplifié dans un amplificateur (A) dont la sortie est connectée à la borne A du matériau (M) par l'intermédiaire d'une résistance (R) et d'une inductance (L) de filtrage La polarité de la sortie de l'amplificateur (Ap) est choisie pour que le signal ainsi appliqué à la sonde contrecarre les effets du champ. Ceci correspond à une mesure par une méthode de zéro et la tension représentant le champ à mesurer est ainsi obtenue en sortie de l'amplificateur. On peut augmenter la sensibilité d'un tel capteur en réalisant des mesures à différentes fréquences paires, sur différentes paires d'électrodes. Dans une deuxième variante de capteur selon l'invention, on fait propager une onde acoustique dans le matériau ferroélectrique Pour cela on utilise de préférence un élément transducteur (T) accolé à une extrémité du film (figure 6), il peut s'agir d'un barreau de matériau photoréfractif On peut également employer un peigne d'électrodes interdigitées (ED) (figure 7) déposées par métallisation à une extrémité du film de matériau ferroélectrique. Le principe de la mesure repose sur la détermination de la capacité C (t) prises entre les électrodes (ED) A un instant t la polarisation dans l'espace Inter électrode est P et la capacité C (t); une demi période T/2 de l'onde acoustique plus tard la polarisation est inversée soit P et la capacité mesurée C(t+T/2) En l'absence de composante de champ électrique E dans le plan du film, ces deux capacités sont égales Par contre, la présence d'une composante Eox dans le plan entraîne une différence entre ces deux capacités, qui sera détectée par le circuit de mesure. Cette différence proportionnelle au champ électrique à mesurer permet par étalonnage la détermination de ce champ électrique. Un tel dispositif présente l'avantage d'une électronique de mesure très simple. Dans les différents dispositifs proposés, il est nécessaire d'avoir un film mince réalisé à partir d'un matériau ferroélectrique ayant la plus forte constante diélectrique possible pour avoir la meilleure sensibilité possible C'est pourquoi les matériaux employés peuvent être des matériaux céramiques à structures pérovskite du type Pb (Zr, Ti) 03 appelé PZT ou de type (Pb, La) (Zr, Ti)03 appelé PLZT qui ont des constantes diélectriques qui peuvent atteindre plusieurs milliers De plus, de tels matériaux ont des coefficients de couplage piézoélectrique forts qui en font de bons candidats pour le dispositif à onde acoustique. Les films minces utilisés dans un capteur selon l'invention peuvent être réalisés par dépôt du matériau ferroélectrique sur un substrat, en orientant l'axe tétragonal de la structure dans le plan du film mince, dans lequel il est nécessaire d'avoir la constante diélectrique élevée Cette situation est réalisée lorsque l'on fait croître le PZT sur un cristal de silicium on peut aussi envisager d'employer du Pb (Mn, Nb) 03 sur de l'oxyde de manganèse Mn O. Pour cela les dépôts peuvent être effectués selon plusieurs procédés: il peut s'agir d'un dépôt sous vide par évaporation d'une cible unique (en matériau céramique) ou de plusieurs cibles contenant chacune un des éléments à évaporer Des variantes de cette technique existent, telles que la pulvérisation réactive (utilisation d'un plasma pour bombarder les cibles plutôt qu'un faisceau d'électrons), ou la pulvérisation par faisceaux d'ions. Ce dépôt peut également être réalisé par voie chimique, par exemple par la méthode Sol-Gel Pour cela on prépare une solution avec des composés organiques des différents métaux (par exemple des alkoxydes), solution qui est ensuite étalée sur le substrat puis séchée et enfin recuite sous air L'intérêt de ce type de dépôt réside bien sûr dans la simplicité de mise en oeuvre. REVENDICATIONS 1 Capteur de champ électrique sensible aux champs faibles, caractérisé en ce qu'il comprend une sonde comportant un film mince de matériau ferroélectrique (M) sur lequel sont disposées une ou plusieurs paires d'électrodes (ED) et des moyens de mesure de la polarisation dudit matériau ou de la capacité du condensateur constituée par le matériau (M) et les électrodes (ED). 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent des moyens pour appliquer à la sonde une tension électrique alternative de fréquence f permettant de saturer le matériau ferroélectrique et des moyens pour mesurer la dissymétrie introduite par le champ à mesurer dans le courant traversant la sonde et déterminer ainsi la valeur de ce champ. 3 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de mesurer comprennent un condensateur connecté en série avec la sonde et des moyens pour analyser la tension apparaissant aux bornes de ce condensateur. 4 Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens permettant de mesurer ladite dissymétrie comprennent des moyens permettant de déterminer le niveau de l'harmonique à la fréquence 2 f du courant traversant la sonde, ou à toute autre fréquence paire. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent des moyens pour faire propager dans le film mince de matériau une onde acoustique capable de polariser périodiquement ce matériau et des moyens pour mesurer la capacité du condensateur formé toutes les demi périodes de l'onde acoustique, dont la dissymétrie introduite par le champ électrique extérieur à mesurer permet de déterminer la valeur de ce champ électrique. 6 Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens pour faire propager l'onde acoustique comportent un transducteur accolé au film mince. 7 Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens pour faire propager l'onde acoustique comportent un peigne d'électrodes interdigitées (E Di) déposées à une extrémité du film, les électrodes (ED) étant déposées sur une autre région du film de matériau ferroélectrique.