Brevet FR2841372A1 — publié le 20031226

La presente invention concerne des materiaux ferrites utilises a haute, tres haute et ultra haute frequence (entre 0.5 MHz et 600 MHz) et plus l o particulierement des materiaux presentant de faibles pertes magnetiques pour des puissances appliquees importantes et des permeabilites ajustables ('ur compris entre 100 et 1000). Les particularites de ces materiaux vent une faible temperature de frittage (T frequence des radiocommunications. Actuellement, le developpement des materiels electroniques, tent dans les applications civiles que militaires, est lie a la miniaturisation des composants passifs et actifs. Parmi ces composants, les plus volumineux vent les composants passifs qui realisent les fonctions resistance, inductance et capacite, et plus particulierement les composants passifs inductifs ou inductances. Dans les applications > qui mettent en muvre de fortes puissances electriques, les pertes du composant inductif vent determinees essentiellement par les pertes magnetiques cites pertes totales du materiau magnetique utilise pour la realisation du noyau. Dans la gamme des hautes frequences (f > 1,5 MHz), on utilise pour ces applications des ferrites de nickel-zinc en raison de leurs proprietes magnetiques adaptees et de leur resistivite electrique elevee. Selon l'art connu, les ferrites > destines aux applications haute frequence (f > 1 MHz) vent generalement des ferrites de nickel-zinc de formule chimique NixZnyFe2o4 avec x + y = 1. Ils vent utilises comme noyaux magnetiques de formes variees (tores, pots, batonnets, etc.) permettant la realisation d'inductances ou de transformateurs bobines, la partie bobinage etant realisee a ['aide de fil de cuivre emaille ou de conducteur coaxial. Les performances de ces composants vent souvent limitees par les pertes totales du ferrite qui de ce fait determinant les dimensions du composant et la puissance electrique incidente admissible. Pour realiser des transformateurs qui couvrent une large gamme de frequence, plusieurs conditions vent necessaires. Tout d'abord, il est indispensable de pouvoir disposer de materiau magnetique a faibles pertes de sorte a ce que le transformateur ne s'echauffe pas trop et a ce que son rendement soit satisfaisant, typiquement superieur a 90%. Ensuite il faut que ['impedance cote primaire soit grande devant ['impedance caracteristique, le plus souvent 50 Ohms. Cela impose une inductance minimale qui sera d'autant plus grande que la frequence de fonctionnement sera basse car I'impedance d'une inductance est egale a Lm ou ce = 2f. Pour obtenir une inductance elevee, il est possible soit d'utiliser un materiau a permeabilite elevee, soit d'utiliser un nombre de spires important. Lorsque la frequence de fonctionnement est tres elevee (f > 100 MHz), un nombre de spires important devient problematique car cela provoque des resonances indesirables dues au fait que la longueur d'onde ?: (= c/f, c vitesse de la lumiere) tend a se rapprocher de la longueur totale du bobinage. De ce fait, plus la plage de frequence sera etendue et plus on sera amene a utiliser un noyau magnetique a permeabilite elevee. Pratiquement, on utilisera un materiau ayant une permeabilite d'environ 800 pour un fonctionnement ultra large bande couvrant les gammes des hautes, tres hautes et ultra hautes frequences (1,5 a 600 MHz). Pour des gammes moins etendues, on choisira: -,u = 150 a 800 pour ia gamme HF (1,5 a 30 MHz) -,u = 100 a 150 pour la gamme V/UHF (30 a 600 MHz) La Figure 1 indique les performances typiques d'un ferrite nickel-zinc commercial optimise pour des fonctionnements a haute, tres haute et ultra haute frequence. Wile represente la variation des pertes totales mesurees a 1,5 MHz en fonction de ['induction et a temperature ambiante. La mesure est effectuee sur un tore bobine a ['aide d'un fil de cuivre emaille. La permeabilite initiale statique du ferrite vaut 800. La composition chimique de ce ferrite est NiO 35ZnO 65Fe2O4. La Figure 2 represente la variation des pertes totales du meme materiau en fonction de la frequence et pour un produit frequence.induction egal a 37,5 MHz.mT, conditions correspondent au fonctionnement des transformateurs large bande. II faut noter que les pertes diminuent lorsqu'on augmente la frequence, car ['induction dans le materiau dim in ue. Les pe rtes totales en fonction de la frequence et de ['induction peuvent etre estimees selon la relation: p (f, B) = cste.B.f Ou > 2 et > 1. Wiles diminuent done lo lorsque la frequence augmente si le produit B.f reste fixe. La Figure 3 represente la variation de la permeabilite initiale (axe de gauche) ainsi que les pertes totales volumiques mesurees a 1,5 MHz et mT en fonction du taux molaire de magnesium pour des ferrites de composition chimique NixMgyznxcuo'2cooo24Fe2o4 avec x+y/2 = 0,388. La presente invention propose dans ce contexte une nouvelle famille de materiau ferrite presentant de faibles pertes magnetiques aussi bien a teas niveau d'induction qu'a fort niveau d'induction (de 0,1 mT a 50 mT) et ce a haute, tres haute voire ultra frequence (de l'ordre de 0,5 a 600 MegaHertz) et dans lequel une proportion de nickel des ferrites de l'art anterieur est remplacee par une proportion de magnesium et de cuivre. Ceci permet de diminuer la proportion d'oxyde de nickel dans les matibres premieres de synthese qui est un oxyde couteux et toxique. Plus precisement ['invention a pour objet un materiau ferrite de type spinelle a base de nickel et de zinc caracterise en ce qu'il repond a la formule chimique suivante: NixMgyznzcuwcoúFe2 SO4 avec 2 (x+y+z+w+) +3 (2 6) =8 0,005 0,05 comprise entre environ 0,01 et 0,05. Avantageusement le noyau magnetique propose dans ['invention est utilise pour realiser des inductances ou des transformateurs comprenant un noyau bobine avec notamment du cuivre emaille ou du conducteur coaxial. Typiquement les inductances ou les transformateurs selon lO ['invention peuvent etre utilises dans des gammes de frequences comprises entre environ 0,5 et 600 MegaHertz. L'invention a encore pour objet une alimentation a decoupage ou un convertisseur d'energie electrique utilisant une inductance ou un transformateur selon ['invention. L'invention a enfin pour objet une bague de deflexion utilisee dans les ecrans a tube cathodique (comprenant un noyau magnetique selon ['invention fonctionnant dans une gamme de frequence d'environ 10 a 600 KiloHertz). L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparatront a la lecture de la description qui va suivre donnee a titre non limitatif et grace aux figures annexees parmi lesquelles: - la Figure 1 represente la variation des pertes totales mesurees a 1,5 MegaHertz, en fonction de ['induction a temperature ambiante d'un transformateur bobine comprenant un ferrite classique de l'art anterieur de formule chimique NiO,35ZnO,65Fe2O4; - la Figure 2 represente la variation des pertes totales en fonction de la frequence, a temperature ambiante pour le meme ferrite NiO,35ZnO,65Fe2O; - La Figure 3 represente la variation de la permeabilite initiale (axe de gauche) ainsi que les pertes totales volumiques mesurees a 1,5 MHz et 25 mT en fonction du taux molaire de magnesium pour des ferrites de composition chimique NixMgyznxcuo'2cooo24Fe2o4 avec x+y/2 = 0,388. De maniere generale le materiau ferrite selon ['invention repond a la formule chimique NixMgyznzcuwcoEFe2+:o4 Ce materiau peut etre obtenu selon un procede d'elaboration de l'art connu et notamment decrit dans le brevet EP 0800183. Ce procede comprend principalement les etapes suivantes: Pesee des matieres premieres suivantes Oxyde de nickel (NiO), oxyde de zinc (ZnO), oxyde de fer (Fe2O3) oxyde de cuivre (CuO), oxyde de cobalt (CO3O4) et oxyde de magnesium (MgO) Lors de la pesee de l'oxyde de fer, il est necessaire de compenser l'apport de fer du a l'usure des elements de broyage qui vent generalement des billes ou des barreaux d'acier. Brovace des matieres premieres Cette operation a pour double but de melanger les differents constituents et de reduire ieur taille de grains, les rendant ainsi plus reactifs. Chamottace de la coudre Ce traitement thermique a pour but de former en partie la phase cristalline recherchee. Cette operation peut typiquement etre realisee entre 750 C et 850 C selon la nature recherchee du materiau ferrite selon ['invention, sous air durant environ 2 heures. Rebrovane du produit de chamottace Cette operation est rendue necessaire par le grossissement des grains de poudre induit par le chamottage. Wile est effectuee dans des conditions analogues a celles du premier broyage. Pressace de la poudre 11 est realise a ['aide de moules en acier et de presses mecaniques axiales pouvant delivrer des pressions de l'ordre de 1t/cm2. Frittaqe Ce traitement thermique a pour but la formation complete de la phase cristalline recherchee ainsi que la densification de la ceramique polycristalline. Pour les materiaux ferrites faisant ['objet de la presente invention, ce traitement peut etre realise a des temperatures voisines de 900 C a 1000 C, avec un temps de palier allant de 0,5 heure a 15 heures. Pour valider le concept de ['invention qui propose de nouveaux materiaux a permeabilite ajustable et faibles pertes, permettant d'elaborer des transformateurs fonctionnant sur une large gamme de frequence, des lo ferrites avec des proportions variables en magnesium ont ete synthetises. Plus precisement, des formulations ont ete synthetisees en faisant varier la quantite de magnesium en substitution et pour une proportion de cuivre constante avec des rapports Ni/Zn variables. Le Tableau I ci-dessous donne le detail de la composition en mole d'oxyde constitutifs des ferrites faisant ['objet du brevet que l'on pourrait utiliser avantageusement en remplacement d'un ferrite commercial de permeabilite egale a 800. II est a noter que le gain sur le cout des matieres premieres obtenu grace a ['incorporation du cuivre et du magnesium en remplacement du nickel varie de quelques pourcentages a presque 25 pourcent. TABLEAU I % en Gain N iO ZnO Fe203 Cu O CO3O4 MgO PNiios prix/óg Etat de l'art 0, 35 0,65 1 0 0 0 12,5 0 Reference 1 0,205 0,589 0,988 0,2 0,002 0 6,4 13,8 Reference 2 0,195 0,589 0,988 0,2 0,002 0,001 6,1 14,7 Reference 3 0, 185 0,589 0,988 0,2 0,002 0,02 5,8 15,7 Reference 4 0,155 0,589 0,988 0, 2 0,002 0,05 4,9 18,5 Reference 5 0,105 0,589 0,988 0,2 0,002 0,1 3,3 23, 3 Reference 6 0,195 0,599 0,988 0,2 0,002 0 6,1 14,8 Reference 7 0,185 0, 599 0,988 0,2 0,002 0,01 5,8 15,7 Reference 8 0,175 0,599 0,988 0,2 0, 002 0,02 5,5 16,7 Reference 9 0,145 0,599 0,988 0,2 0,002 0,05 4,5 19,5 Reference 10 0,095 0,599 1 0,988 0,2 0,002 0,1 3,0 24,3 A partir des differents ferrites ainsi synthetises, la permeabilite est mesuree sur un echantillon torique en utilisant une cellule de mesure coaxiale et un impedancemetre HP 4291A. Les pertes totales vent mesurees a ['aide d'un wattmetre, sur un echantillon torique que l'on bobine avec du fil de cuivre elaille. Pour cela le frittage des materiaux a ete effectue sous oxygene, dans le but d'amoindrir les pertes comme cela est connu de l'art anterieur. L'ensemble des performances obtenu est recapitule dans le Tableau II cijoint. La densite du ferrite obtenu est egalement indiquee, elle represente un facteur interessant pour l'utilisation des ferrites (une forte densite est generalement recherchee). Les permeabilites initiales relevees a basse frequence (appelee permeabilite statique) vent exprimees en valeur relative. Les pertes totales vent mesurees a 1,5 MegaHertz et pour une induction de 25 mTesta, elles vent exprimees en mW/cm3. TABLEAU 11 y (MgO) Densite Permeabilite Pertes statique totales Echantillon 1 0 4, 83 185 675 Echantilion 2 0,01 4,97 438 320 Echantilion 3 0,02 4, 83 334 420 Echantillon 4 0,05 4,77 272 570 Echantillon 6 4,79 205 720 Echantillon 7 0,01 4,86 436 360 Echantillon 8 0,02 4,81 397 445 Echantillon 9 0,05 4,76 332 700 11 ressort du tableau 11, qu'en presence de magnesium, les pertes diminuent notablement et surtout pour des proportions en y voisines de 0,01 a 0,02. Par ailleurs la permeability statique augments egalement avec la presence du magnesium dans le ferrite. La densite du materiau ferrite obtenu est egalement tout-a-fait satisfaisante en presence de magnesium. REVENDICATIONS 1. Materiau ferrite de type spinelle a base de nickel et de zinc caracterise en ce qu'il repond a la formule chimique suivante: NixMgyznzcuwcoFe2+o4 avec 2 (X + y + Z + W + E) + 3 (2 + 6) = 8 6 0,005 S E S 0, 0,05 0,1 2. Materiau ferrite de type spinelle selon la revendication 1, caracterise en ce que y est compris entre environ 0,01 et 0,05. 3. Noyau magnetique pour applications a hautes frequences superieures a environ 1 MegaHertz, caracterise en ce qu'il comprend un materiau ferrite selon l'une des revendications 1 ou 2. 4. Inductance caracterisee en ce qu'elle comprend un noyau magnetique selon la revendication 3. 5. Inductance selon la revendication 4, caracterisee en ce qu'elle fonctionne pour une induction comprise entre environ 0 et 50 mTesta dans une gamme de frequence de l'ordre de 0,5 a 600 MegaHertz. 6. Transformateur comprenant un noyau bobine, caracterise en ce que le noyau est selon la revendication 3. 7. Transformateur selon la revendication 6, caracterise en ce que le bobinage est realise en cuivre emaille ou en argent ou en conducteur coaxial. 8. Transformateur selon l'une des revendications 6 ou 7, caracterise en ce qu'il est utilise dans une gamme de frequence de l'ordre de 0,5 a 3 MegaHertz. 9. Transformateur large bande selon l'une des revendications 6 ou 7, caracte rise en ce quti l est util ise dans u ne gam me de frequence de l'o rd re de 0,5 a 600 MegaHertz. 10. Alimentation a decouplage caracterise en ce qu'elle comprend lo une inductance ou un transformateur selon l'une des revendications 3 ou 4. 11. Bague de deflexion pour tube cathodique, caracterisee en ce qu'elle comprend un noyau magnetique selon la revendication 3, utilise dans une gamme de frequence d'environ 10 a 500 KiloHertz.