Dans cette section sont rapportés et commentés les principaux résultats relatifs aux compo-sants que nous avons sélectionnés (Tableau I.2, page 32). L’ensemble des données commentées ici sont complétées par l’Annexe A, page 215 pour les mesures suivantes :
– Impédance complexe à différentes températures, comprises entre 25 ◦C et 250 ◦C. – Variation relative de la capacité en fonction de la température (référence à 25 ◦
C). – Variation du facteur de pertes en fonction de la température.
Figure I.18 –Impédance complexe. Condensateur à film métallisé PTFE (EFD-PTFE).
– Capacité en fonction de la tension de polarisation et de la température, pour les matériaux ferroélectriques.
Condensateur à film métallisé PTFE (EFD-PTFE)
Le condensateur à film métallisé PTFE que nous avons caractérisé présente une excellente stabilité de ses propriétés en température. La résistance d’isolement reste supérieure au gi-gaohm, et son facteur de pertes est inférieur à 2 ×10−3 jusqu’à 250 ◦C. La mesure de son impédance à différentes températures, fig.I.18, illustre très bien cette stabilité en température. L’influence du champ électrique est négligeable, seul le facteur de pertes augmente légèrement sous polarisation continue à 250 ◦C et 500 V (environ 30 %). On peut néanmoins remarquer à la résonance, que la résistance série (ESR) est assez élevée à cause de ses connectiques qui sont radiales. Toujours à la résonance, on peut observer l’augmentation de cette résistance série avec la température car la résistivité de la connectique augmente. La faible densité volumique d’énergie stockée est la principale limitation de ce composant (environ 2 mJ/cm3).
Condensateur à film métallisé PPS (EFD-PPS)
La capacité du condensateur à film métallisé PPS est également très stable par rapport à la température et à la tension de polarisation. En ce sens, ses performances sont très comparables au condensateur PTFE, avec un facteur de pertes légèrement supérieur (4×10−3 à 200◦C). En revanche, sa résistance d’isolement est nettement inférieure, elle diminue jusqu’à 3MΩ à 200◦
C. Sur la fig.I.19, on observe l’influence de la transition vitreuse sur le facteur de pertes. La plage de température où le facteur de pertes est le plus élevé correspond à des températures autour de
Figure I.19– Variation du facteur de pertes (symboles ronds) et variation relative de la capacité (sym-boles carrés) en fonction de la température (à 10kHz, données issues des mesures d’impédance complexe). Condensateur à film métallisé PPS (EFD-PPS).
la température de transition vitreuse (Tg = 143 ◦C). Cette transition vitreuse influence aussi légèrement la variation de la capacité en fonction de la température. La densité volumique d’énergie stockée à 200◦C est de 35mJ/cm3 pour ce condensateur. C’est un ordre de grandeur meilleur que pour le condensateur PTFE.
Condensateur céramique ferroélectrique de type X7R (PCI-X7R)
Le condensateur céramique de type X7R montre de fortes variations de ses propriétés en fonction de la tension de polarisation et de la température. Ces variations, dues au caractère ferroélectrique du diélectrique à base deBaT iO3, sont bien illustrées par la fig.I.20. L’influence de la température de Curie est très visible pour une tension de polarisation nulle. Les points de mesure à 40, 80 et 120 ◦C sont tous très proches et autour de 8 µF. Ensuite, pour des températures plus élevées, la capacité, qui est l’image de la permittivité s’effondre entre 120◦C
et 240◦C. On remarque que l’influence du champ électrique, à travers la tension de polarisation, est aussi importante. A 650 V et 40 ◦C, la capacité est divisée par deux. A cette tension, les variations engendrées par la température sont relativement moins prononcées.
La température de Curie est également mesurée à la fig. I.21 par une simple mesure d’im-pédance en fonction de la température. La perte des propriétés ferroélectriques au-delà de la température de Curie influence également le facteur de pertes. Pour ce condensateur, il passe de manière assez linéaire de 12×10−3 à 3×10−3 entre 40 et 240◦C (en annexe A). L’ensemble de ces observations est confirmé par les cycles d’hystérésis quasi-statiques que nous avons
carac-Figure I.20 –Variation de la capacité en fonction de la tension de polarisation et de la température (à 10kHz). Condensateur céramique de type X7R (PCI-X7R).
térisés pour ce composant à la fig. I.22. Bien que les pertes dynamiques soient faibles pour des basses fréquences, la surface des cycles, ainsi que la pente du cycle décroissent brutalement au-delà de la température de Curie. Cette mesure confirme la forte atténuation du comportement ferroélectrique à 200 ◦C. De plus, on peut aussi observer l’évolution de la densité volumique d’énergie stockée (Equation I.11) en fonction de la température. Pour ce type de condensateur, malgré la diminution de cette énergie stockée à 200◦C, elle reste supérieure à celle du PPS, soit environ 100 mJ/cm3. La résistance d’isolement est aussi supérieure à celle du PPS d’environ un ordre de grandeur.
Condensateur céramique de type BNT (NOV-H)
La composition de cette nouvelle céramique de type BNT (Bi0.5N a0.5T iO3) atténue très fortement le comportement ferroélectrique. La fig. I.21 montre la capacité en fonction de la température de notre échantillon qui est aussi comparée à celle du condensateur de type X7R (PCI-X7R). La permittivité reste donc stable sur une large plage de températures. Elle est rela-tivement élevée, entre 500 et 800. Ce diélectrique fournira potentiellement une meilleure densité volumique d’énergie stockée que des diélectriques à base de BaT iO3 à 200 ◦C. Malheureuse-ment, notre échantillon, un condensateur 24 V-120 nF, n’est pas représentatif pour comparer expérimentalement cette grandeur avec le condensateur de type X7R. Pour des températures inférieures à environ 100 ◦C, le facteur de pertes qui est assez bon à 200 ◦C (3 ×10−3) aug-mente significativement ( 17 ×10−3 à 40◦C). Cependant, cela reste acceptable et comparable
Figure I.21–Variation relative de la capacité en fonction de la température (référence à 25◦C, données issues des mesures d’impédance complexe à 10 kHz). Comparaison entre un condensateur céramique de type BNT (NOV-H) et de type X7R (PCI-X7R).
Figure I.22–Cycles d’hystérésis ferroélectriques quasi-statiques à différentes températures d’un conden-sateur céramique de type X7R (PCI-X7R). Mesure réalisée sur le dispositif de mesure en demi-pont,Rsérie = 4.7kΩ,fexc = 4Hz.
aux performances de composants couramment utilisés. La résistance d’isolement est comparable à celle d’un condensateur de type X7R mais la question de représentativité d’un échantillon de petite taille par rapport à un composant de grande taille "multichip" peut être posée. De plus, il apparaît que ce composant de petite taille (prototype) présente expérimentalement une densité volumique d’énergie stockée bien inférieure à celle que l’on peut attendre avec ce type de diélectrique. Il est par ailleurs intéressant de noter que l’on retrouve des caractéristiques très proches de celles publiées par [30].
Condensateur à film métallisé Mica (EFD-Mica)
Comme pour le condensateur PTFE, le condensateur à film métallisé Mica démontre une très bonne stabilité de ses propriétés en fonction de la tension de polarisation et de la tempéra-ture. Toutefois, des différences existent pour le facteur de pertes qui est compris entre 10×10−3
et 20×10−3 sur la plage de températures 25◦C-200◦C. Sa résistance d’isolement est aussi infé-rieure, environ 100 MΩ à 200 ◦C. Des performances un peu moins bonnes qui sont compensées par une densité volumique d’énergie stockée supérieure au PTFE, de l’ordre de 10 mJ/cm3 à 200 ◦C.
Condensateur céramique stable de type NP0 (AMC-NP0)
Ce condensateur présente les meilleures performances à 200◦C, hormis sa densité volumique d’énergie stockée qui reste environ trois fois inférieures à celle du condensateur de type X7R. On l’estime à 38 mJ/cm3. Son facteur de pertes et sa capacité sont extrêmement stables. Le facteur de pertes est le plus faible de notre panel de composants, il reste toujours inférieur à 1×10−3 entre 25◦C et 250 ◦C. De plus, pour cet échantillon la mesure est réalisée à 100kHz. La résistance d’isolement décroit d’environ 3 décades sur cette plage de température, mais reste autour de 1 GΩ à 200 ◦C.
Condensateur céramique piézoélectrique de type BS–PMN–PT (TRS-HT300)
Cette nouvelle céramique possède un comportement piézoélectrique très marqué par rapport aux autres céramiques des composants sélectionnés. Outre ce comportement un peu original, on observe que la capacité augmente énormément entre 150 ◦C et 250 ◦C. Le rapport est de 5, c’est-à-dire que le composant passe de 20nF à 120nF entre 25◦Cet 250◦C, température à la-quelle la capacité atteint un maximum. Les résonances piézoélectriques disparaissent également lorsque la température augmente sur les mesures d’impédances complexes sans polarisation. De manière opposée au condensateur de type X7R, le comportement ferroélectrique apparaît à "haute température". On pourrait faire une analogie avec les céramiques de type III-Z5U dont le pic de Curie serait déplacé entre 250◦
C et 300 ◦
C. Les dépendances par rapport à la tension de polarisation sont donc plus importantes à 250◦C. A 500 V et200 ◦C, la capacité est divisée par trois à cause de la tension de polarisation (30 nF au lieu de 90 nF à 0 V-200 ◦C). Les pertes de ce composant sont assez élevées, entre 10 ×10−3 et 22 ×10−3. La résistance d’isole-ment à 200◦C est de 6GΩ, ce qui est très satisfaisant. Les grandes variations en fonction de la température ne sont pas favorables à ce type de condensateur. Cependant, si l’on considère une
N om tan δ W vol.(mJ/cm3) Ri.C(s) coef f. de T ◦ coef f. de T ension EFD-PTFE 2×10−3 2 5 ×104 0,97 1 EFD-PPS 4×10−3 35 4,1 1,02 1,01 PCI-X7R 3,5×10−3 100 38,3 0,45 0,35 NOV-H 3×10−3 10 (150*) 10,8 0,9 1 EFD-Mica 10×10−3 23 (10**) 1 1 1 AMC-NP0 0,5×10−3 38 50 0,97 0,98 TRS-HT300 21×10−3 150 540 0,98 0,33
Tableau I.3 – Synthèse et comparaison des performances des composants sélectionnés à 200 ◦C (*, estimation selon bibliographie ; **, à 1kV au lieu de 1,5kV).
application fonctionnant uniquement entre 200 et 300 ◦C, les performances sont bonnes et la densité volumique d’énergie stockée est supérieure de 50 % à celle du composant de type X7R (150 mJ/cm3).