Chapitre 1 Introduction
2.4 Le chargement électrique
Le chargement électrique est l’étape la plus importante dans la fabrication de piézoélectriques à partir de films cellulaires. Le chargement électrique donne au film cellulaire l’effet piézoélectrique recherché. Le chargement électrique est basé sur la loi de Paschen. La loi de Paschen représente les phénomènes de décharges électriques dans un gaz normalement non conducteur entre deux électrodes [27] [28] [29]. Dans le cas des films cellulaires, les parois des cellules internes jouent le rôle des électrodes. Les gaz étant des isolants électriques, il ne peut y avoir des claquages électriques que sous certaines conditions dans lesquelles une ionisation locale et temporaire du gaz en présence peut se produire. À ce moment précis, l’état du gaz se nomme plasma et cet état est conducteur électrique. Les charges traversent alors le plasma sous l’influence du champ électrique et se logent aux parois des cellules où le plasma les mène. Lorsque le champ externe est retiré, les charges électriques demeurent fixées aux parois internes des cellules à cause du caractère diélectrique du polypropylène. La loi de Paschen, représentée par l’équation 2.1, permet de calculer la différence de potentiel minimum nécessaire entre des électrodes à une distance précise pour avoir une décharge électrique dans un gaz donné à une certaine pression.
min ln où ln ln 1 1/ A pd C V B B pd (2.1)Le terme pd représente le produit de la pression et de la distance tandis que ϒ représente le deuxième coefficient d’ionisation du gaz. Les constantes A, B et C sont calculées expérimentalement et sont propres à chaque gaz.
La Erreur ! Source du renvoi introuvable. représente une courbe de Paschen typique pour l’air [29]. Pour charger les films cellulaires, il faut imposer un champ électrique plus grand que celui représenté dans l’équation 2.2 où h représente la hauteur dans chaque cellule afin de provoquer des décharges électriques à l’intérieur des cellules du film.
Emin=Vmin/h (2.2)
Cela peut se faire en connectant une source de tension aux électrodes d’un film déjà métallisé ou en traitant le film dans un montage corona. Le phénomène des décharges électriques, nommées
cellulaires a été démontré (LINDNER, et al., 2002) en enregistrant les émissions de lumière produites lors des décharges. Les décharges s’initient lorsque le champ électrique est plus fort que la valeur minimum et s’éteignent par elle-même lorsque le champ produit par les nouvelles charges emmagasinées contrebalance le champ externe appliqué et que le champ effectif résultant est plus faible que la valeur minimum [28]. La loi de Paschen permet aussi de calculer la densité surfacique de charges effective qu’il est possible d’avoir sur un échantillon donné sans que celui-ci ne provoque des claquages entre lui et son environnement. La densité surfacique de charges effective est la densité qui crée le même champ externe à l’échantillon que la somme des champs créés par les charges internes et les charges en surface (PAAJANEN, et al., 2001). Comme il est visible sur la Figure 2.4-1, il y a un produit pd minimum sur la courbe de Paschen à partir duquel on peut calculer une distance minimum dmin nécessaire au claquage aux conditions atmosphériques. Sachant que la
densité surfacique de charges à la surface négative crée un champ égal et opposé au champ créé à la surface chargée positivement et qu’il faut une différentiel de potentiel Vmin pour avoir un claquage,
on obtient la densité surfacique de charges effective représentée par l’équation 2.3, où dsample est
l’épaisseur du film et Ɛsample et Ɛg, les permittivités du film et du gaz :
sample 0 g surface min sample min o V d d (2.3)
Figure 2.4-1 : Courbe de Paschen pour l’air [29]. 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08
1.E-01 1.E+01 1.E+03 1.E+05 1.E+07
V ol ta ge (V ) Produit pd (m*Pa)
L’équation 2.3 démontre que pour avoir une plus grande densité surfacique de charges effective, il faut avoir une plus grande permittivité du film ou un film plus mince pour des matériaux de la taille des films cellulaires. Cette réalité explique pourquoi les films cellulaires piézoélectriques sont toujours très minces, entre 50 et 100 microns d’épaisseur [31] [32] [26] [33] [30]. Pour atteindre cette densité surfacique de charge maximum, il faut s’assurer qu’il y a un champ électrique suffisant dans chaque cellule. Ceci n’est pas toujours évident étant donné les distributions assez larges des dimensions des cellules. Pour un film chargé par contact avec les électrodes [27] [34], le comportement de l’effet piézoélectrique en fonction de la différence de potentiel entre les surfaces durant le chargement du film va comme dans l’équation 2.4 (lorsque le seul paramètre qui varie est la différence de potentiel entre les surfaces) :
0 33 0 0 0 MAX 33 0 0 2 2 V V d k V V V V V d V V (2.4)Comme attendu de la loi de Paschen, si le voltage de chargement n’est pas suffisant, l’effet piézoélectrique est nul car il ne se produit aucune décharge dans les cellules du film et conséquemment aucune charge n’est emprisonnée. L’existence d’une valeur plancher V0 a été
démontré en enregistrant les émissions de lumières synchronisées au voltage de chargement. Pour un échantillon [28], aucune lumière n’était produite avant de dépasser environ 3 kV. Lorsque ce seuil est dépassé, la quantité de lumière émise augmente avec la force du champ électrique. Puisque l’émission de lumière correspond à des claquages qui déposent des charges électriques qui forment le dipôle électrique créant l’effet piézoélectrique, le coefficient piézoélectrique est proportionnel à la différence entre le voltage imposé et le voltage minimum sur la plage entre ce dernier et le double de sa valeur. Lorsque la différence de potentiel aux surfaces du film est supérieure à 2V0, le champ
produit par les charges emmagasinées est assez fort pour créer des décharges retours (back
discharges) dans le sens inverse des décharges de chargement lorsque le champ extérieur est retiré.
Ces décharges retours cessent dès que le champ effectif total redevient inférieur au champ critique. Le coefficient d33 atteint un maximum lorsque la différence de potentiel aux surfaces du film est de
2V0 lors du chargement du film, ce qui s’explique clairement par le modèle mathématique présenté
plus loin. Lors du chargement, l’effet piézoélectrique momentané continue d’augmenter avec le voltage de chargement passé 2V0, mais il se rabaisse au coefficient maximum parce que les charges
accumulées créent un champ trop fort et provoquent des décharges retours une fois que le champ externe est éteint.
Il existe principalement deux méthodes pour charger les films cellulaires. La première méthode est la méthode «contact», qui consiste à imposer une différence de potentiel aux électrodes d’un film comportant déjà des électrodes. Cette méthode permet de charger seulement le film se trouvant
entre les électrodes et elle nécessite un très bon contact entre l’électrode et le film pour ne pas abîmer celui-ci. Pour l’utiliser, il faut donc des électrodes déposées sous vide car le contact créé par
une bande adhésive conductrice n’est pas suffisant. Utilisé pour la recherche, c’est un procédé très dispendieux et inimaginable à l’échelle industrielle. La deuxième méthode, l’utilisation d’un montage
corona, est beaucoup plus approprié pour l’industrie. Le montage corona, présenté à la Figure 2-2 : Montage corona .
, consiste à imposer une différence de potentiel entre une aiguille et une assiette conductrices (point-to-plate corona discharge) pour créer un champ électrique sur toute la largeur de l’assiette. En déposant les films cellulaires sur celle-ci, il est possible de les charger.
Figure 2-2 : Montage corona [24].
Cependant, il est beaucoup plus difficile d’atteindre le champ électrique critique au chargement avec la méthode corona qu’avec la méthode contact à cause de la distance entre les électrodes dans le montage. Lors du chargement dans le montage corona, il faut éviter qu’il y ait une décharge externe entre l’aiguille et l’assiette pour éviter d’endommager le film. Pour atteindre les voltages optimaux (2V0) dans le film, il faut des champs électriques de l’ordre de 150 MV/m pour des films d’environ 50
microns avec des cellules d’environ 8 microns de hauteur, ce qui est pratiquement impossible d’atteindre aux conditions atmosphériques sans provoquer de décharges dans un montage corona dans l’air à condition atmosphérique. Il y a deux moyens d’arriver à obtenir le champ critique : augmenter la pression et utiliser un gaz avec une plus grande force diélectrique pour le chargement.
sans décharges externes de 31 kV et 60 kV, le coefficient piézoélectrique d33 est passé de 180 pC/N
à 270 pC/N [35]. La même logique s’applique pour le gaz à l’intérieur des cellules; la présence d’un meilleur diélectrique à une pression plus élevée permet d’avoir une meilleure rétention de charges. La présence d’un meilleur diélectrique augmente la permittivité du film, ce qui fait augmenter la densité de charge. Le remplacement de l’air des cellules par de l’azote grâce à une alternance de vacuum et d’azote à haute pression, le coefficient d33 passe de 270 pC/N à 790 pC/N [35]. Pour les
gaz hautement diélectriques comme le SF6, des problèmes de diffusion sont rencontrés lors du
remplacement de l’air interne des films. En effet, ces gaz ne pénètrent pas facilement à l’intérieur des cellules en raison de leurs tailles moléculaires. Quoique avantageux à court terme, l’effet du remplacement de l’air interne des films par des gaz à caractère diélectrique plus fort et sous haute pression se dissipe relativement rapidement suite au retour aux conditions atmosphériques. En effet, le gaz diélectrique sous haute pression se diffusera peu à peu vers l’extérieur du film et la densité de charges diminuera en conséquence. Si l’utilisation n’est pas immédiatement subséquente au chargement, l’utilisation d’un gaz différent de l’air à l’intérieur des cellules n’est pas utile. Lorsque la pression à l’intérieur des cellules du film est augmentée lors du chargement, il est aussi important de tenir compte de la distribution des tailles des cellules si les conditions de chargements se retrouvent à droite du minimum de la courbe de Paschen, ce qui est le cas dans la majorité des expériences [29]. Lorsque la pression interne est augmentée, la hauteur de cellule nécessaire (pour obtenir le même produit pd de la pression et de la distance) pour avoir un claquage électrique diminue et conséquemment un plus grand nombre de cellules sont chargées. Cependant, le voltage nécessaire au chargement des plus hautes cellules augmente et, puisque la quantité de charges emprisonnées est proportionnelle à la différence entre le voltage minimum et le voltage imposé, l’effet piézoélectrique résultant des grandes cellules diminue. Puisque la contribution des cellules de grandes hauteurs à l’effet piézoélectrique total est très importante à cause de la grande surface qui leur correspond généralement, le chargement à haute pression interne dans les cellules peut mener à un coefficient piézoélectrique plus faible que pour le chargement à basse pression suite au chargement pour un même champ électrique. La meilleure solution pour remédier à cette situation est d’avoir des cellules le plus uniformes possible pour faciliter l’optimisation.