Brevet FR2804790A1 — publié le 20010810

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour polariser au moins une partie d'un matériau ferroélectrique sous la forme d'un cylindre. Le plus souvent, outre les céramiques, les matériaux ferroélectriques que l'on polarise sont le PVDF (polyfluorure de vinylidène) ou le copolymère PVDF- TFRE (trifluoréthylène). De façon plus générale, il s'agit de polymères ou de copolymères. Ces matériaux présentent, après avoir été polarisés, une polarisation rémanente et possèdent de ce fait des propriétés piézo-électriques ou pyroélectriques permettant leur utilisation notamment dans les capteurs. On connaît déjà des procédés et des dispositifs de polarisation de feuilles de matériau ferroélectrique, décrits par le demandeur dans les documents FR-2 538 157, FR-2 700 219; FR-2 700 720, et FR-2 730 853. Ces procédés comportent les étapes suivantes: - on place une électrode externe sur chaque face de la feuille de matériau ferroélectrique à polariser, de façon à ce que la zone à polariser s'étende dans l'intervalle entre ces deux électrodes; - on comprime fortement l'ensemble à l'aide d'une presse; - on applique au matériau, selon un cycle prédéterminé, une haute tension par l'intermédiaire des électrodes; la polarisation s'effectue alors au niveau de la zone de recouvrement entre les deux électrodes. La compression de l'ensemble feuille-électrodes permet de limiter les possibles variations de volume locales dues aux valeurs élevées du champ électrique lors de la phase de polarisation, ces variations de volume étant de nature à provoquer des claquages diélectriques ou à affecter la reproductibilité des caractéristiques des capteurs. En pratique, les pressions que l'on peut ainsi exercer sur la feuille de matériau ferroélectrique sont de l'ordre de 200 bars. Ces procédés permettent d'obtenir un niveau de polarisation connu et prédéterminé et de garantir une polarisation homogène et reproductible de par la compression de l'ensemble feuille-électrodes. De plus, les performances piézo-électriques sont beaucoup plus élevées qu'avec d'autres procédés, tels que le procédé Corona par exemple. Cependant, ces procédés ne permettent pas de polariser des matériaux ferroélectriques se présentant sous forme non pelliculaire, par exemple des cylindres. En effet, ces procédés impliquent la mise des matériaux sous presse à plateaux plans, et ce à des pressions pouvant atteindre plusieurs centaines de bars. L'application de ces procédés à des éléments de forme cylindrique entraînerait donc la déformation et l'écrasement de ces éléments. De plus, de 1o cette façon, le processus de polarisation ne s'effectuerait pas correctement. L'invention vise à palier ou à remédier aux limites des procédés de polarisation connus de l'état de la technique en proposant une solution permettant d'appliquer le procédé de polarisation décrit dans les documents précités à des éléments en matériau ferroélectrique ayant une forme cylindrique. L'invention se rapporte selon un premier aspect à un procédé de polarisation de cylindres de matériau ferroélectrique, un conducteur interne étant placé à l'intérieur et dans l'axe dudit cylindre. Un cylindre possédant une symétrie de révolution, il n'est pas nécessaire, pour obtenir une polarisation homogène et reproductible, de le placer sous contrainte lors de la phase de polarisation. Le procédé selon l'invention comprend les étapes suivantes: - on place au moins une partie dudit cylindre dans un liquide conducteur, ledit cylindre étant libre de toute contrainte autre que la pression exercée par le liquide conducteur; - on applique entre une électrode en contact avec le liquide conducteur et le conducteur interne disposé à l'intérieur et dans l'axe du cylindre une tension alternative basse fréquence dont on fait croître progressivement l'amplitude jusqu'à une valeur telle que le champ électrique ainsi créé ait une amplitude supérieure au champ coercitif de polarisation Ec dudit matériau. Ce procédé peut s'appliquer notamment à la polarisation de câbles ferroélectriques, souples ou rigides. Après l'étape de polarisation, ces câbles peuvent être recouverts d'une tresse ou d'une peinture conductrice. Ce procédé peut également s'appliquer à la polarisation de cylindres de polymères ou de copolymères ferroélectriques. Selon un mode de réalisation, on peut polariser successivement plusieurs parties d'un même cylindre de grande longueur: une fois la polarisation souhaitée atteinte pour une première partie du cylindre, on déplace ledit cylindre en tirant le conducteur interne, de façon à sortir du liquide conducteur ladite première partie du cylindre et à immerger une deuxième partie du cylindre pour polariser ladite deuxième partie. Selon une variante de ce mode de réalisation, on peut ainsi polariser alternativement positivement et négativement les parties successives du matériau ferroélectrique sous forme de cylindre. Selon une autre variante, on peut ne polariser que certaines parties du cylindre de matériau ferroélectrique. L'invention se rapporte selon un deuxième aspect à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, ledit dispositif comprenant une cuve contenant un liquide conducteur, une électrode en contact avec le liquide conducteur, des moyens pour introduire le matériau ferroélectrique sous forme de cylindre dans le liquide conducteur et des moyens pour appliquer entre l'électrode en contact avec le liquide conducteur et le conducteur interne disposé dans l'axe du cylindre une tension alternative basse fréquence dont on fait croître progressivement l'amplitude jusqu'à une valeur telle que le champ électrique ainsi créé ait une amplitude supérieure au champ coercitif de polarisation Ec dudit matériau. Selon une réalisation, le dispositif comporte également des moyens d'enroulement du cylindre de matériau ferroélectrique, de sorte qu'on peut polariser par exemple de très grandes longueurs de câble ferroélectrique souple en matériau ferroélectrique dans l'axe duquel est disposé un conducteur interne. Le procédé selon l'invention peut être appliqué, entre autres, à la réalisation d'une antenne acoustique ou d'un élément polarisé pour un capteur piézo- électrique. Comme dans l'application à des feuilles de matériau ferroélectrique, la polarisation est contrôlée en niveau et peut être accélérée en temps. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma représentant un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de polarisation selon l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective d'une partie de cylindre de matériau ferroélectrique dans l'axe duquel est disposé un conducteur interne; - la figure 3 est un graphique représentant la courbe d'hystérésis " polarisation P " - " champ électrique E " d'un matériau ferroélectrique polarisé; La figure I représente un dispositif 1 pour polariser des matériaux ferroélectriques sous forme de cylindres. Les matériaux ferroélectriques pouvant être utilisés sont notamment des polymères ou des copolymères, parmi lesquels on peut citer, à titre d'exemples non limitatifs le PVDF (polyfluorure de vinylidène) ou les copolymères PVDF- TFRE (trifluoréthylène). On va décrire dans un premier temps un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. En référence à la figure 1, le dispositif 1 comporte une cuve 2 contenant un liquide conducteur 3 dans lequel plonge une électrode 4. La résistivité du liquide conducteur 3 est de l'ordre de l'ohm par cm3. Des moyens non représentés permettent de placer dans ladite cuve 2 un cylindre 5 de matériau ferroélectrique devant être polarisé. Ce cylindre 5, comme illustré sur la figure 2, comprend un conducteur interne 6, tel qu'un fil de cuivre, disposé dans l'axe 7 et à l'intérieur dudit cylindre 5. Ce conducteur 6 est porté au potentiel nul de la masse. Un calculateur, tel qu'un micro-ordinateur 8, muni d'un écran de visualisation 9, est équipé d'une carte 10 pour commander le déroulement du procédé. La carte 10 commande un générateur basse fréquence 11 pour lui faire délivrer une tension U alternative, par exemple sinusoïdale, à basse fréquence, dont lI'amplitude est variable. Cette tension U est transmise à l'entrée d'un amplificateur haute tension 12 qui applique la tension amplifiée Us à l'électrode 4. Le dispositif comprend également un convertisseur courant/tension 13, monté préférentiellement sur la liaison reliant le conducteur interne 6 à la masse, pour mesurer le courant Is traversant le conducteur interne 6 en réponse à l'application de la tension variable Us. Dans une réalisation, le dispositif I comprend des moyens d'enroulement 14 du cylindre 5 de matériau ferroélectrique, tel qu'un tambour, permettant de limiter l'encombrement et de faciliter le stockage. Il est ainsi possible de polariser des longueurs très importantes de cylindre. On décrit à présent le procédé de polarisation révélé par l'invention. La partie du cylindre 5 de matériau ferroélectrique devant être polarisée est immergée dans le liquide conducteur 3, cette partie de cylindre 5 étant libre de toute contrainte autre que la pression exercée par le liquide 3. La carte 10 commande alors le générateur 11 pour lui faire délivrer une tension alternative U à très basse fréquence et d'amplitude croissant lentement jusqu'à une valeur correspondant, après amplification par l'amplificateur, à l'application au cylindre 5 d'un champ électrique supérieur au champ coercitif Ec du matériau ferroélectrique à polariser. La valeur maximale de l'amplitude de la tension Us correspondante est de l'ordre de 60 V à 300 V par micron d'épaisseur du matériau ferroélectrique. La valeur maximale de l'amplitude de la tension Us peut être, par exemple, de 30 kV pour un cylindre dont l'épaisseur du matériau ferroélectrique est de 300 pm. La fréquence de la tension alternative est choisie lo typiquement inférieure à 1 Hz et de préférence dans la gamme 0,001 Hz 1 Hz. On fait croître l'amplitude de la tension U progressivement. Si on prend l'exemple du copolymère VF2NF3, la valeur de l'incrément est de l'ordre de 2 000 V. Cette valeur n'est cependant pas critique, on peut choisir une valeur dans une gamme allant typiquement de 100 V à 30 000 V en fonction des is caractéristiques piezo ou pyro électriques que l'on souhaite obtenir. Le convertisseur courant/tension 13 mesure le courant Is traversant le conducteur interne 6 en réponse à l'application de la tension variable Us. Le résultat de la mesure est transmis à la carte 10 sous la forme d'un signal de tension Uls proportionnel au courant ls. La carte 10 reçoit en outre le signal de tension U proportionnel à la tension Us appliquée au cylindre 5 de matériau ferroélectrique. La carte 10 comprend des convertisseurs analogique/numérique (non représentés) qui transforment les signaux de tension U et UIs en signaux numériques représentatifs de la tension Us et du courant Is dans le matériau ferroélectrique. Ces signaux numériques sont ensuite traités par la carte 10, de façon analogue à ce qui est décrit dans le document FR-2 700 219, de manière à calculer la valeur de la polarisation P dans le matériau ferroélectrique. Au cours du processus, les variations de la polarisation P en fonction de la tension Us sont affichées sur l'écran 9 sous la forme d'un cycle d'hystérésis 15, représenté sur la figure 3. L'affichage de ce cycle 15 permet de s'assurer de sa stabilisation à la fin du processus. Une fois la stabilisation atteinte, la tension Us est supprimée, et il subsiste alors dans la partie du cylindre 5 immergée dans le liquide conducteur 3 une polarisation rémanente PR indiquée à la figure 3. Du fait, d'une part, de la symétrie de révolution présentée par le cylindre 5 et, d'autre part, de l'application audit cylindre 5 d'un champ électrique entre le conducteur interne 6 disposé dans l'axe 7 dudit cylindre 5 et le liquide conducteur 3 dans lequel ledit cylindre 5 est plongé, la polarisation rémanente du matériau ferroélectrique sous forme de cylindre est radiale. La durée d'immersion du cylindre 5 dans le liquide conducteur 3 est fonction du niveau de polarisation à atteindre. Bien entendu, le procédé de polarisation selon l'invention est effectué à une température inférieure au point de Curie du matériau ferroélectrique considéré. Les mesures de la sensibilité hydrostatique effectuées dans les mêmes conditions sur des échantillons polarisés par effet Corona et par le procédé selon l'invention montrent que les performances obtenues par le procédé selon l'invention sont deux à trois fois supérieures à celles obtenues par le procédé Corona comme l'indique le tableau ci-dessous. Désignation des Sensibilité échantillons de câble hydrostatique d3h Remarques polarisés (pC.N-1') A: polarisé par le procédé Polarité inverse de celle selon l'invention 7,74 des échantillons B et C B polarisé par le procédé selon l'invention 7,17 C: polarisé par le procédé selon l'invention 9,24 D: polarisé par le procédé Polarité identique à celle Corona par ORMAL 3,13 des échantillons B et C Le procédé selon l'invention peut également comporter une étape de séchage du matériau ferroélectrique sous forme de cylindre après la sortie dudit matériau du liquide conducteur 3. Selon une réalisation, il est prévu de polariser différentes parties du matériau ferroélectrique sous forme de cylindre indépendamment les unes des autres, de sorte qu'on puisse obtenir différents niveaux de polarisation le long du cylindre 5. A cet effet, l'invention prévoit, une fois le niveau de polarisation souhaité atteint pour une première partie dudit matériau, de déplacer le cylindre 5 en tirant sur le conducteur interne 6, afin d'une part de sortir du liquide conducteur 3 la partie du cylindre 5 qui vient d'être polarisée, et d'autre part d'immerger une autre partie du cylindre 5 en vue de sa polarisation. Ainsi, selon une première variante de cette réalisation, des parties successives du cylindre 5 peuvent présenter des polarisations de même signe mais de niveaux différents. Pour cela, il suffit de définir, pour chacune des parties du cylindre 5, le niveau de polarisation souhaité, et de déterminer la valeur de l'amplitude maximale de la tension U correspondante. On immerge dans le liquide conducteur 3 une première partie du cylindre 5 de matériau ferroélectrique devant être polarisée, et on règle l'amplitude maximale de la tension U qui conduira au niveau de polarisation souhaité pour cette première partie. Le processus se déroule alors comme précédemment. Une fois la stabilisation du cycle d'hystérésis 15 atteinte, on supprime la tension Us, et la première partie du cylindre 5 présente le niveau de polarisation prédéfini. En tirant sur le conducteur interne 6, on déplace le cylindre 5 pour immerger une deuxième partie dudit cylindre 5. On règle l'amplitude maximale de U correspondant au niveau de polarisation souhaité pour cette deuxième partie et on lance à nouveau le processus. On procède de façon identique pour les parties successives du cylindre 5 de matériau ferroélectrique à polariser. Selon une deuxième variante, le procédé selon l'invention permet de polariser le matériau ferroélectrique sous forme de cylindre selon des séquences alternées, de sorte que, le long de son axe, le cylindre 5 présente des parties polarisées alternativement positivement et négativement. Le signe de la polarisation rémanente du matériau ferroélectrique dépend du sens de variation de la tension U précédant immédiatement son annulation. Ainsi, comme le montre I'hystérésis 15, une annulation de la tension U par décroissance conduit à une valeur positive de la polarisation rémanente, tandis qu'une annulation de la tension U par croissance à partir d'une valeur négative conduit à une valeur négative de la polarisation rémanente. Selon une troisième variante, il est prévu de ne polariser que certaines parties du cylindre 5. A cet effet, les parties du cylindre 5 de matériau ferroélectrique ne devant pas être polarisées sont soit immergées dans le liquide conducteur 3 mais non soumises à la haute tension, soit non immergées dans le liquide conducteur 3. Bien entendu, il est possible de combiner les trois variantes précédemment décrites afin d'obtenir la polarisation souhaitée pour chaque partie du cylindre 5 de matériau ferroélectrique. Le procédé selon l'invention est utilisé notamment pour la polarisation de câbles ferroélectriques comprenant un matériau ferroélectrique placé autour d'un conducteur interne 6, en particulier pour la polarisation de câbles ferroélectriques souples. Une fois la polarisation souhaitée atteinte pour le câble, celui-ci peut être recouvert d'une tresse ou d'une peinture conductrice. Le diamètre du câble est de préférence compris entre quelques dixièmes de microns et 1 mm. Le procédé selon l'invention s'applique également à la réalisation d'éléments polarisés pour des capteurs piézo-électriques. En particulier, le fait de ne polariser que certaines parties du matériau ferroélectrique sous forme de cylindre permet de réaliser des capteurs séquences du type binaire piézo- électrique / pyroélectrique - non piézo-électrique / pyroélectrique. La présente invention s'applique également à la réalisation d'antennes acoustiques ou de détecteurs d'intrusion. REVENDICATIONS 1. Procédé pour polariser au moins une partie d'un matériau ferroélectrique sous forme de cylindre dans l'axe (7) duquel est disposé un conducteur s interne (6), ledit conducteur interne (6)étant placé à l'intérieur du cylindre (5), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - on place au moins une partie dudit cylindre (5) dans un liquide conducteur (3), ledit cylindre (5) étant libre de toute contrainte autre que la pression exercée par le liquide conducteur (3); - on applique entre une électrode (4) en contact avec le liquide conducteur (3) et le conducteur interne (6) disposé à l'intérieur et dans l'axe (7) du cylindre (5) une tension alternative basse fréquence dont on fait croître progressivement l'amplitude jusqu'à une valeur telle que le champ électrique ainsi créé ait une amplitude supérieure au champ coercitif de polarisation Ec dudit matériau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'applique à la polarisation d'un câble ferroélectrique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il s'applique à la polarisation d'un polymère ou d'un copolymère. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la résistivité du liquide conducteur (3) est de l'ordre de l'ohm par cm3. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la fréquence de la tension appliquée au matériau ferroélectrique est comprise entre 0.001 Hz et 1 Hz. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'amplitude maximale de la tension appliquée au matériau ferroélectrique est de l'ordre de 60 V à 300 V par micron d'épaisseur dudit matériau ferroélectrique. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la polarisation d'un câble dont l'épaisseur du matériau ferroélectrique est comprise entre quelques dixièmes de microns et 1 mm. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, une fois la polarisation souhaitée atteinte pour une première partie du cylindre (5), on déplace ledit cylindre (5) en tirant le conducteur interne (6), de façon à sortir du liquide conducteur (3) ladite première partie du cylindre (5) et à immerger une deuxième partie du cylindre (5) pour polariser ladite deuxième partie. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on polarise alternativement positivement et négativement les parties successives du matériau ferroélectrique sous forme de cylindre. 10.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on ne polarise pas certaines parties du matériau ferroélectrique sous forme de cylindre. 1 1. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce qu'on recouvre le câble d'une tresse ou d'une peinture conductrice après sa polarisation. 12. Dispositif (1) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve (2) contenant un liquide conducteur (3), une électrode (4) en contact avec le liquide conducteur (3), des moyens pour introduire le matériau ferroélectrique sous forme de cylindre dans le liquide conducteur (3) et des moyens pour appliquer entre l'électrode (4) en contact avec le liquide conducteur (3) et le conducteur interne (6) disposé dans l'axe (7) du cylindre (5) une tension alternative basse fréquence dont on fait croître progressivement l'amplitude jusqu'à une valeur telle que le champ électrique ainsi créé ait une amplitude supérieure au champ coercitif de polarisation Ec dudit matériau. 13. Dispositif (1) selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'enroulement (14) du cylindre (5) de matériau ferroélectrique, et en ce qu'il est appliqué à la polarisation d'un câble ferroélectrique souple en matériau ferroélectrique dans l'axe duquel est disposé un conducteur interne. 14.Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 à la réalisation d'une antenne acoustique. 15.Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 à la réalisation d'un élément polarisé pour un capteur piézo-électrique.