Brevet FR2719160A1 — publié le 19951027

L'invention concerne le domaine de la piézo-électriCité et a plus particulièrement pour objet un dispositif piézoélectrique à polarisation variable et réglable. Un tel dispositif peut, par exemple, etre utilisé dans les transducteurs électromécaniques mis en oeuvre dans les antennes sonar. Ces transducteurs peuvent être des hydrophones, des accéléromètres, des capteurs de pression hydrostatique, de déformation, de force ou de température ou des systèmes complexes pouvant associer ces différentes fonctions. Ce matériau peut être également utilisé dans l'air dans des microphones, des accéléromètres, des claviers de téléscripteurs ou d'ordinateurs, des détecteurs de chaleur, des revêtements piézochromes. Il existe de nombreux matériaux piézo-électriques composites utilisés dans l'industrie. Ainsi, le brevet US2420864 décrit un procédé de fabrication d'un matériau piézoélectrique comportant une matrice en matière plastique et un monocristal piézoélectrique. Les matières plastiques citées sont les celluloïdes, les acétates de celluloses, les caoutchoucs chlorés, les phénol-formaldéhydes, les résines phénols-furfurol, les acrylates, les méthacrylates et les polystyrènes, tandis que les monocristaux sont choisis parmi le sel de Seignette, la tourmaline, le saccharose et l'acide tartrique. Ces matériaux sont conçus pour être utilisés, uniquement en mode hydrostatique, c'est-à-dire en soumettant toute leur surface à la pression acoustique incidente. Toutefois, ces monocristaux ont de très faibles constantes hydrostatiques et sont donc peu efficaces. Les monocristaux ont été progressivement remplacés par des céramiques de perovskiste, et plus particulièrement par du titano-zirconate de plomb (PZT) ou du titanate de baryum, pour la mise en oeuvre de fortes puissances d'émission. Cependant, à la réception, leur constante hydrostatique est inférieure à celle de monocristaux tel le sulfate de lithium. Aussi, leur utilisation est limitée aux modes de compression privilégiées appartenant aux types 33,31 ou 32. Le brevet US74233485 décrit un matériau piézo-électrique composite constitué de poudre de céramique et de polymère. Cette poudre est un mélange fritté de titanate de plomb et d'oxyde double de fer et de bismuth dont la taille moyenne des grains est de 5 microns tandis que la part pondérale de l'oxyde double de fer et de bismuth va de 50 à 80%. Le brevet US4407054 décrit un matériau piézo-électrique composite composé d'un pré poiymère tel un mélange d'huile de ricin et d'isocyanate de ricinoléate, et un matériau piézo-électrique tel le quartz, le PZT, la tourmaline, L'acide tartrique ou le sulfate de lithium. Enfin, le brevet US4868856 décrit un matériau piézo-électrique composite constitué d'un polymère réalisé à base de polyuréthanne et d'un matériau piézo-électrique tel l'acide tartrique, un monosaccharide, un disaccharide ou un carboxylate. Tous ces matériaux présentent de nombreux inconvénients, notamment lorsqu'ils sont utilisés dans des hydrophones. En effet, leur polarisation ou, d'une manière plus générale, leurs propriétés piézo-électriques, sont figées à l'issue de leur fabrication et, de ce fait, leur mode de fonctionnement est unique ou spécialisé (mode hydrostatique, mode 33, 31, 15 etc.). Un composite obtenu par exemple en mélangeant des grains d'acide tartrique ou de sulfate de lithium avec une résine non encore polymérisée, puis en polarisant les grains par l'un des procédés décrits dans les brevets antérieurs ne pourra être utilisé qu'en mode hydrostatique, et ses propriétés piézo-électriques sont, en principe, invariables ou varient lentement dans le temps. L'un des buts de la présente invention est d'obtenir en revanche un matériau dont la polarisation et par, conséquent, les propriétés piézo-électriques, peuvent varier à volonté par l'application d'un champ électrique lorsque le transducteur comprenant ce matériau, ou l'antenne comprenant les transducteurs utilisant ce matériau composite, est en fonctionnement. Ainsi lorsque, par exemple, une antenne présente une panne, un matériau selon l'invention permet d'y pallier en intervenant dans l'antenne. II n'est donc pas nécessaire de procéder à ces corrections au niveau du récepteur, ce qui n'est pas toujours possible, ou ce qui augmente le coût dudit récepteur. Les antennes peuvent être également soumises à des bruits gênants ou à des signaux parasites permanents ou transitoires. L'invention permet d'éliminer ou de réduire ces bruits gênants ou ces signaux parasites en modifiant de manière directe les caractéristiques piézo-électriques des capteurs élémentaires. Pour cela, un dispositif selon l'invention comporte un ou plusieurs matériaux piézo-électriques et des moyens permettant d'appliquer, à ce ou ces matériaux, une tension de polarisation. Cette tension est appelée U dans la suite. Selon une caractéristique privilégiée, lesdits moyens comportent des moyens aptes à régler la valeur de la tension U de polarisation. En outre la tension U appliquée au matériau piézo-électrique peut être continue ou alternative. Selon une caractéristique additionnelle, lesdits moyens comportent une source de tension, un amplificateur polarisateur et des électrodes. Selon une autre caractéristique, le matériau piézo-électrique est constitué d'une matrice de polymère ou de produit organique diélectrique, non piézoélectrique ou faiblement piézo-électrique, et de particules piézo-électriques provenant d'un ou de plusieurs matériaux piézo-électriques différents. Selon une caractéristique particulière, le matériau constituant la matrice est choisi parmi les polystyrènes, molysulfones, polycarbonates, polypropylènes, polyéthylène, téréphtalates de polyéthylène, oxydes de polyphénylène, esters de polyacryalte, esters de polyméthacrylate, chlorures de polyvinyle, polyvinylidènes, polymères d'acrylonitrile, polymère de méthacrylonitriles, acétrates de polyvinyle, celluloldes, acétates de cellulose, polyvinylpyrrolidones, polymères cellulosiques, phénol-formaldéhydes, les résines phénols-furfural, les polymères solubles de polyimide, les résines époxydes, les résines polymérisables, les caoutchoucs naturels, les caoutchoucs synthétiques, les résines silicones, les colles de carbinol ou d'os, les polystyrols, les gommes laque, les copolymères de vinylidéne et de trifluorèthylène, les elastomères de polyuréthane ou les polyvinyles carbazone. Un autre inconvénient des matériaux décrits dans les brevets antérieurs réside dans le fait que, dans le cas de composites bi-composants dont l'un des éléments est une résine non piézo-électrique ou faiblement piézo-électrique, L'autre élément étant constitué par des particules piézo-électriques, les particules piézoélectriques utilisées pour obtenir ledit composite ont des tailles qui sont supérieures au micron (10-6 m), la dispersion de taille allant de quelques microns à plusieurs centaines de microns. Or, I'une des conditions permettant d'obtenir un composite de bonne qualité réside dans la régularité de forme et de taille des particules, comme il est expliqué dans le brevet US 4,407,054 par exemple. L'une des façons d'obtenir des tailles et des formes régulières consiste à découper au massicot dans les feuilles ou dans des plaques de matières plastiques piézo-électriques pré polarisées dans le sens de l'épaisseur ou non pré polarisées tels que du polyvinyldifluoridène ou PVF2, du chrlorure de polyvinyle, des copolymères d'acétate de vinyle et de cyanide de vinylidène, des copolymères de vinylidène et de trifluoréthylène, du fluorure de polyvinyle, des Nylon, des polyacrylonitriles, du polyparaxylylène, du polybichlorométhyloxétane, des polyamides aromatiques, des polysulfones ou des polypeptides synthétiques d'alkyglutamate et d'arylglutamate), ou en sectionnant des fils (de copolymères par exemple) polarisés radialement des macro-particules (de tailles supérieures au mm) dans le matériau d'origine, polarisé ou non. Cela est parfaitement réalisable par exemple en découpant des feuilles de PVF2 ou des plaquettes de copolymères. Le procédé est cependant délicat et ne conduit pas nécessairement à une réduction de coût. Il peut toutefois être mis en oeuvre dans le cadre de la présente invention. Une deuxième méthode consiste à utiliser des matériaux biologiques présentant des propriétés piézo-électriques et que l'on peut diviser par ultra-centrifugation différentielle. Les matériaux biologiques intéressants du point de vue piézoélectrique peuvent être des oligosaccharides (raffinose et stachyose végétales par exemple), des homopolysaccharides (cellulose, chitine, chitosane, par exemple), des hétéropolysaccharides (glucomannanes et galactomannanes par exemple), des glycosaminoglycanes (appelés aussi glycosamino-glycurono-glycanes ou mycopolysaccharides acides), des protéoglycanes, des terpènes (monohydrate de terpène par exemple), des stéroides (cholestérol et stérols par exemple), des acides aminés, des oligopeptides et des polypeptides (polypeptides d'alkylglutamate ou d'aryglutamate, poly-y-méthyl-L-glutamate, poly-ybenzylglutamate, copolymères de Q hydroxybutyrate et de Qhydroxyvalérate, poly-Qhydroxybutyrate par exemple), des protéines (kératines a et Q, tropocollagènes et collagènes de types I, II, III, IV, V, myoglobines et hémoglobines par exemple), des nucléotides et des acides nucléiques (acide désoxyribonucléique ou acide ribonucléique). Une troisième méthode peut être employée lorsqu'on synthétise des monocristaux d'origine minérale comme la brushite ou le sel de Seignette. Elle consiste à accélérer le processus de cristallisation en agitant la solution par vibration ou par ultrasons. On détermine ainsi la formation de cristallides de taille beaucoup plus faible que celle des particules obtenues généralement par des procédés ordinaires. II est également clair que, comme mentionné précédemment, on peut réaliser dans le cadre de cette invention, des composites constitués par des mélanges de particules piézo-électriques différentes (par exemple, particules de brushite associées à des particules de collagène et à de la résine silicone). Ces mélanges peuvent être utilisés sans application d'une pression statique ou après application d'une pression statique suffisamment élevée pour obtenir un matériau homogène ou quasi-homogène. De plus, on peut utiliser simultanément des particules appartenant à la première catégorie (taille comprise entre 1 mm et 5 mm) et à la deuxième catégorie (taille inférieure à quelques centaines de microns) ; mais, dans la plupart des cas, il est préférable d'utiliser des particules différentes appartenant à la même catégorie. On peut ainsi obtenir un matériau bimode ou polymode, c'est à dire un matériau qui, suivant la nature de ses composants piézo-électriques, peut être, par exemple, utilisé soit en mode 33, soit en mode hydrostatique, le mode de fonctionnement dépendant du champ qui lui est appliqué. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaitront dans la description de variantes de réalisation appliquées principalement à des hydrophones, en regard des figures annexées parmi lesquelles: - les figures la à if présente des schémas d'agencement de matériaux piézo-électriques à l'intérieur d'un bottier d'hydrophone. - les figures 2a à 2d présentent des moyens d'application d'une tension de polarisation U aux matériaux piézo-électriques figurant sur la figure if. - la figure 3 présente un schéma d'un moule servant à la fabrication d'un matériau piézo-électrique selon l'invention,. - la figure 4 montre un schéma des moyens de raccordement électriques des électrodes, - la figure 5 présente un schéma général des moyens constitutifs de l'invention, - les courbes de la figure 6 présente l'évolution de la sensibilité d'un hydrophone selon la variante en fonction de la fréquence et de la tension de polarisation. La figure la montre le schéma d'un hydrophone dont l'élément sensible est un disque ferroélectrique 1 présentant une forte polarisation dans les sens de l'épaisseur, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire à ses faces. Si le matériau est une céramique polarisée dans cette direction et si la pression acoustique ne s'exerce que sur les faces planes de la céramique on dit que celle-ci fonctionne en mode 33. Pour garantir ce type de fonctionnement on est obligé de soustraire la tranche de la céramique à la pression p au moyen d'une lame d'air continue, ce qui oblige à utiliser un boîtier 2 résistant lorsque l'hydrophone doit être plongé à des immersions importantes (plusieurs centaines de mètres). La masse de l'hydrophone est donc supérieure à celle d'un capteur, tel que celui présenté à la figure i b, qui n'aurait pas cette contrainte et qui fonctionne en mode hydrostatique. Toutefois le facteur de mérite des matériaux piézo-électriques connus fonctionnant en mode hydrostatique est inférieur au facteur de mérite des matériaux fonctionnant dans des modes de compression ou de cisaillement privilégiés. On peut, pour pallier cet inconvénient, réaliser un hydrophone comportant deux matériaux piézoélectrique différents, voire plus, fonctionnant selon des modes différents. Par exemple, I'un 3 peut fonctionner mode 33 et l'autre 4, en mode hydrostatique, comme le montre la figure ic. Ce type de montage permet de mieux résister à la pression hydrostatique et donc d'utiliser un boitier d'hydrophone relativement léger. On peut en outre, en appliquant, au moyen de tensions électriques, des champs électriques de polarisation distincts aux différents éléments piézo-électriques, les champs électriques pouvant eux-memes être appliqués dans des directions différentes, obtenir des sensibilités différentes pour les éléments de cet hydrophone, de façon à compenser par exemple des accélérations parasites, ou à doter 'hydrophone d'une directivité intrinsèque comme présenté sur la figure id. Sur cette dernière figure, un même matériau 5, composite en l'occurrence, est utilisé selon deux modes de fonctionnement. On peut évidemment réaliser par des procédés analogues des hydrophones combinant les modes hydrostatiques, de compression, de cisaillement ou de flexion et faisant appel à des matériaux piézo-électriques fonctionnant suivant des modes différents. La figure le représente ainsi un hydrophone constitué par des tubes 6 de matériau piézo-électrique polarisables radialement, au moyen d'une tension continue ou alternative, et fonctionnant en cisaillement dans le mode 15, et par des disques 7 de matériau piézo-électrique polarisables longitudinalement, au moyen d'une tension continue ou alternative, et fonctionnant en mode 33. Le montage est symétrique de façon à compenser l'effet des vibrations lorsque les céramiques sont montées en hydrophones ou à les augmenter lorsque les céramiques sont montées en accéléromètres. Les éléments 6 et 7 peuvent être réalisées avec des matériaux différents comme présenté sur la figure le ou avec un meme matériau 8, en l'occurrence composite, comme figuré sur la figure if. Les figures 2a et 2b montrent des moyens 9a, 9b d'application, respectivement aux tubes 6 et aux disques 7 montrés sur la figure If, d'une tension de polarisation U. Chacun de ces moyens 9a, 9b, comporte une source de tension 10, un amplificateur polarisateur 11 et des électrodes 12,13. Chaque amplificateur comporte, notamment, un préamplificateur différentiel 14. L'intérêt de ce type de montage est le suivant: les tubes 6 sont montés et reliés à un préamplificateur différentiel comme le montre la figure 2c, ce qui permet d'exploiter pleinement leur sensibilité hydrophonique. En revanche les disques 7 étant montés et reliés à un préamplificateur différentiel comme l'indique la figure 2b, ils fonctionnent en accéléromètres. On a ainsi l'exemple d'un capteur doté de deux fonctions. La polarisation variable appliquée aux éléments sensibles crée une troisième fonction qui est la correction des dissymétries des éléments sensibles (différences de sensibilités aux pressions acoustiques) comme mentionné précédemment et la compression des défauts qui pourraient apparaître dans ces matériaux au cours du temps. On peut ainsi obtenir une véritable fonction adaptative. Là encore, on peut faire varier la polarisation à volonté et corriger ainsi les défauts de symétrie des éléments sensibles pour mieux compenser des accélérations parasites. Le matériau composite constituant les disques 7 et les tubes 6 comporte une résine, non piézo-électrique ou faiblement piézo-électrique, et des particules piézoélectriques provenant, dans cette variante de réalisation de deux matériaux piézoélectriques différents, I'un étant apte à fonctionner avec un bon rendement en mode 33 et l'autre, avec un bon rendement en mode 15. La taille des particules de matériau piézo-électrique dépendant, comme mentionné précédemment, de la nature du matériau et du procédé utilisé pour les obtenir. La part pondérale ou volumique de chacun des matériaux étant pré définie, les parts correspondantes aux matériaux piézo-électriques sont mélangées et le mélange obtenu est dégazé sous vide. La phase suivante consiste à insérer le mélange sec de particules dans la résine pré polymérisée. II est préférable de réaliser cette opération sous pression, mais elle peut aussi être exécutée manuellement, ce qui est suffisant lorsque les quantités de résine manipulées n'excèdent pas quelques dizaines de grammes. On contrôlera par un examen visuel l'uniformité de la répartition des particules dans le mélange au repos. Le mélange résine-particules est ensuite dégazé sous vide, puis injecté sous pression dans un moule ayant la forme désirée. Le mélange pré polymèrelparticules est injecté entre deux électrodes métalliques 12,13 ayant la forme souhaitée pour les applications recherchées. Ces électrodes 12,13 sont pourvues de deux fils de connexion 17 qui permettent simultanément de recueillir le signal 16 délivré par le capteur lorsqu'il est excité par une grandeur convenable (pression acoustique pour un hydrophone, accélération pour un accéléromètre, etc.), et d'appliquer la tension de polarisation, provenant de la source 10, nécessaire au fonctionnement du capteur. On notera que le signal 16 est recueilli à la sortie d'un amplificateur polarisateur 11, qui permet de séparer la tension continue de polarisation, qui peut varier de quelques volts à 3 k V, et le signal basse tension délivré par le capteur. A titre d'exemple, pour la réalisation d'un hydrophone utilisant un matériau composite piézo-électrique à base de microcristaux de brushite fournie par la Société ALDRICH et une matrice en résine silicone fournie par la Société RHODORSYL, le procédé de réalisation de l'ensemble matériau- électrodes peut être le suivant. La résine silicone se présente sous la forme d'une résine A et d'un durcisseur B. Quarante grammes de résine et quatre grammes de durcisseur sont mélangés au moyen d'un mélangeur et 2,2 grammes de microcristaux de brushite sont incorporés progressivement dans le mélange de pré polymère, et ce, jusqu'à homogénéisation complète. Le mélange est ensuite dégazé au moyen d'une pompe à vide. La résine étant toujours à l'état de pré polymère le mélange a été injecté, à travers un orifice d'injection 123, dans un moule en matière plastique et pourvu d'électrodes métalliques. Ce moule, montré à la figure 3, a la forme d'un cylindre. II comprend deux parties 124,125 en Plexiglas et les électrodes sont constituées par deux cylindres métalliques 121 et 122 en bronze d'aluminium. On laisse le mélange de résine et de microcristaux se polymériser pendant 48 heures. On rapporte sur les électrodes 121 et 122, comme montré sur la figure 4, un câble électrique coaxial 131,et équipé à son extrémité extérieure d'une prise 132. La tresse 133 du câble 131 est reliée à l'électrode externe 122. Le conducteur central 134 du câble 131 est relié à l'électrode interne 121. L'ensemble est placé dans un autre moule pour recevoir un enrobage extérieur 135 de résine polyuréthanne. Au cours de cette opération, une partie du cable est 131 surmoulé par l'enrobage 135. On obtient ainsi un capteur qui est utilisé comme hydrophone. Comme montré sur la figure 5, la prise 132 est reliée à un amplificateurlpolarisateur 11, se présentant sous la forme d'un coffret, qui est pourvu d'une embase coaxiale 142, et qui permet en même temps de recueillir le signal délivré par l'hydrophone et de le soumettre à une tension de polarisation continue. Cette tension peut varier, en fonction de la sensibilité que l'on désire, de 0V à 2kV. Elle est réglée par un potentiomètre 143. L'amplificateur/polarisateur Il est relié à une source de tension continue 10 par l'intermédiaire d'un câble 145. Le câble 145 est connecté directement à l'intérieur du coffret et ce dernier est muni d'une prise 146, qui permet de récupérer le signal basse tension délivré par l'hydrophone et amplifié dans ce coffret. La sensibilité de cet hydrophone a été évaluée dans une cuve acoustique. Les mesures ont été faites en utilisant un signal acoustique étalonné dans une bande de fréquence allant de 2,5 kHz à 10kHz. En l'absence de tension de polarisation, I'hydrophone ne présente pas de sensibilité mesurable. On obtient une sensibilité mesurable à partir d'une tension de polarisation de 100V, et la sensibilité optimale est acquise pour une tension de polarisation de 500V. La figure 6 représente les courbes de sensibilité obtenues à 100V et à 500V dans la bande de fréquences précitée. La sensibilité est exprimée en décibels, la référence étant de 1V/pPa. REVENDICATIONS 1. Dispositif piézoélectrique caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs matériaux piézo-électriques (1,3,5,6,7) et des moyens (9) permettant d'appliquer, à ce ou ces matériaux, une tension de polarisation U. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (9) sont aptes à régler la valeur de la tension (U) de polarisation. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la tension (U) appliquée au matériau est continue. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la tension (U) appliquée au matériau est alternative. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens (9) comportent une source (10) de tension, un amplificateur polarisateur (11) et des électrodes (12,13). 6. Capteur piézo-électrique caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux matériau piézo-électriques fonctionnant selon des modes différents. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'un au moins des matériaux piézo-électriques est constitué d'une matrice de polymère ou de produit organique diélectrique, non piézo-électrique ou faiblement piézo-électrique, et de particules piézo-électriques provenant d'un ou de plusieurs matériaux piézo-électriques différents. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les particules sont issues d'au moins un matériau biologique. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les particules sont choisies parmi des oligosaccharides, des homopolysaccharides, des hétéropolysaccharides, des glycosaminoglycanes, des protéoglycanes, des terpènes, des stéroïdes, des acides aminés, des oligopeptides et des polypeptides, des protéines, des nucléotides ou des acides nucléiques. 10 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les particules sont des microcristaux ou des fibres de tartrate d'ammonium, de tartrate de potassium, de tartrate de diamine éthylène, de tartrate de dipotassium, de chlorate de sodium, de bromate de sodium, d'hexahydrate de sulfate de nickel, d'acide iodique, de benzophénone, de gallate de lithium hydraté, ou déshydraté, de polyvinyldifluoridéne , de chrlorure de polyvinyl, de copolymère d'acétate de vinyl et de cyanide de vinylidène, de copolymère de vinylidène et de trifluoréthylène, du fluorure de polyvinyl, de nylon, de polyacrylonitrile, du polyparaxylylêne, de polybichlorométhyloxétane, de polyamide aromatique, de polysulfone, de cyanoéthylcellulose, de monosaccharides, de disaccharides, de brushite, de monétite ou de sels d'acide carboxylique. Il Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la matrice de polymère ou le produit organique diélectrique, non pz ou faiblement pz est choisi parmi les polystyrènes, molysulfones, polycarbonates, polypropylènes, polyéthylène, téréphtalates de polyéthylène, oxydes de polyphénylène, esters de polyacryalte, esters de polyméthacrylate, chlorures de polyvinyle, polyvinylidènes, polymères d'acrylonitrile, polymère de méthacrylonitriles, acétrates de polyvinyle, celluloïdes, acétates de cellulose, polyvinylpyrrolidones, polymères cellulosiques, phénolformaldéhydes, les résines phénols-furfural, les polymères solubles de polyimide, les résines époxydes, les résines polymérisables, les caoutchoucs naturels, les caoutchoucs synthétiques, les résines silicones, les colles de carbinol ou d'os, les polystyrols, les gommes laque, les copolyméres de vinylidène et de trifluorèthyiene, les elastomères de polyuréthane ou les polyvinytes carbazone.