EP0072288A2 - Transducteur électroacoustique à polymère piézoélectrique - Google Patents

Transducteur électroacoustique à polymère piézoélectrique Download PDF

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EP0072288A2
EP0072288A2 EP82401393A EP82401393A EP0072288A2 EP 0072288 A2 EP0072288 A2 EP 0072288A2 EP 82401393 A EP82401393 A EP 82401393A EP 82401393 A EP82401393 A EP 82401393A EP 0072288 A2 EP0072288 A2 EP 0072288A2
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EP
European Patent Office
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plate
transducer according
embedded
electrodes
faces
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EP82401393A
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EP0072288B1 (fr
EP0072288A3 (en
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Pierre Ravinet
Christian Claudepierre
Denis Guillou
François Micheron
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Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Publication date
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Publication of EP0072288A3 publication Critical patent/EP0072288A3/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/02—Microphones
    • H04R17/025—Microphones using a piezoelectric polymer
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/005—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers using a piezoelectric polymer

Definitions

  • the present invention relates to electroacoustic transducers for converting an acoustic pressure or a pressure gradient into an electrical voltage. It relates more particularly to microphones and hydrophones at pressure or speed in which the conversion of an acoustic vibration into electrical voltage is ensured by a vibrating element made of piezoelectric polymer.
  • the voltage induced by piezoelectric effect varies in opposite direction to the interelectrode capacitance so that with a thin film, it is necessary to produce a strong deformation to obtain good sensitivity.
  • the mechanical compliance of a thin membrane is high, but the fact of closing the rear face introduces an acoustic capacity which significantly reduces the compliance of the assembly.
  • the volume of the housing can be increased, but this solution is often unacceptable due to the size of the microphone.
  • the predominant deformation energy is that which corresponds to traction and compression stress does not change sign with the alternative acoustic pressure, the voltage delivered is mostly rectified.
  • mechanical polarization can be provided by creating an overpressure in the housing carrying the membrane. This overpressure can be obtained by means of an elastic acoustic cushion. Double frequency operation can be avoided by using a bimorph structure as a vibrating element, which complicates the manufacture of the membranes, but avoids having to provide a prestress.
  • a thermoformed membrane in the form of a protuberance, but the fabrication and the dimensional stability present difficulties.
  • the present invention aims to overcome these drawbacks by retaining a particularly simple structure to achieve through the use of a vibrating plate in place of a membrane.
  • the subject of the invention is an electroacoustic piezoelectric polymer transducer, the vibrating element of which consists of an elastic structure of piezoelectric polymer subjected directly to acoustic pressure on at least one of its faces, the faces of said structure being provided with 'electrodes forming a capacitor connected to an electrical impedance adapter circuit; said structure and said electrical circuit being mounted in a housing provided with a pair of output terminals, characterized in that said elastic structure is a recessed plate comprising at least one curve.
  • FIG. 1 one can see a microphone capsule with a piezoelectric polymer membrane according to the known art. It consists of a two-part housing comprising a bottom 1 and a flange 2. A membrane 3 made of a thin film of piezoelectric polymer is pinched between the flange 2 and the flange of the bottom of the housing 1. This membrane 3 is subjected to the acoustic pressure p and by deforming it compresses the interior volume of the bottom of the housing 1. If this volume is filled with air at atmospheric pressure, an overpressure Ap produces the slump indicated in dotted lines in FIG. 1.
  • Electrodes 4 and 5 covering the two faces of the membrane 3 make it possible to collect electrical charges induced by the intrinsic piezoelectricity of the film 3.
  • An amplifier circuit 7 collects a voltage proportional to these charges and inversely proportional to the apparent dielectric constant of the membrane-electrode assembly. Circuit 7 has a very high input impedance and its output impedance is adapted to the impedance of the transmission line LL. In the presence of an alternating acoustic pressure, the device of FIG. 1 provides a rectified voltage, but the response can be linearized by creating a prestress of the membrane 3.
  • the microphone capsule structure shown in FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only by the use of a recessed plate 3 of thickness e instead of a membrane. However, this seemingly small difference results in significantly different operation of the piezoelectric transducer.
  • a plate Unlike a thin membrane, a plate has a flexural strength which is added to the tensile strength to compensate for the thrust exerted by the pressure p.
  • the deformation 6 When the plate is embedded, the deformation 6 has an inflection point on either side from which the curvature is reversed.
  • the deformation work is made up of several terms which involve tensile tension, bending moment and shear force. Overall, the mechanical compliance of a plate is lower than that of a membrane, which makes this thicker structure less sensitive to the presence of an interior volume to be compressed.
  • the intrinsic piezoelectricity makes it possible to calculate the electric charge induced by stretching of the plate in its plane, but it does not take account of the electric charges induced by bending. It is the bending piezoelectricity, that is to say a piezoelectricity evaluated on the basis of a stress gradient which can account for a good part of the induced electric charge.
  • the stress gradient changes sign with each alternation so that the voltage developed between the electrodes 4 and 5 contains an alternating component, without it being necessary to apply a prestress.
  • the no-load voltage developed by a piezoelectric plate is higher than that which a membrane would produce, because the electric capacity is lower. This is the reason why, a plate is capable of offering with a lower compliance a suitable voltage sensitivity and a lower distortion thanks to the linearizing action of the bending piezoelectricity.
  • PVF 2 polyvinylidene fluoride
  • the diagram of FIG. 8 gives in the case of a piezoelectric polymer PVF 2 plate having a diameter of 15 mm at embedding, the sensitivity S in millivolt by Pascal and the lowest frequency of resonance F in kHz for different thicknesses e expressed in microns.
  • Curves 28 and 29 relate to a recessed plate of planar shape.
  • Curve 28 shows that the resonance frequency increases linearly with the thickness e of the vibrating plate, which is typical of a structure resistant to bending.
  • Curve 29 shows that the voltage sensitivity increases with the thickness e up to 200 microns and that it then decreases for greater thicknesses. The measurement of the sensitivity is carried out clearly below the resonant frequency, which amounts to making negligible the mass effect of the vibrating plate and to being interested in the static deformation.
  • the frequency F must be considered as illustrative of the frequency band capable of being reproduced faithfully and what curve 29 shows is that up to a thickness of 200 microns the sensitivity and the bandwidth increase simultaneously while beyond, we are witnessing a common phenomenon in acoustics, namely that the gain achieved on the passband is obtained at the expense of sensitivity.
  • the invention provides for systematically creating in the plate a slight curvature taking precedence over all the flatness defects inherent in manufacturing.
  • FIG. 3 an exploded isometric view can be seen of a microphone capsule according to the invention.
  • the piezoelectric plate 3 has sectoral corrugations produced by pinching the latter between the corrugated faces of the flange 2 and the edge of the bottom of the housing 3. Compared to embedding by pinching a plate as flat as possible between two flat annular bearings, there is a significant gain in sensitivity of up to 20 dB. After disassembly and reassembly of the plate 3 in this corrugated type recess, there is good reproducibility of the characteristics of the microphone capsule.
  • the undulations of the plate 3 have a favorable impact on the response to tensile-compression stresses whose effect is added to the flexural stresses. Indeed, the curving of the plate forms a slightly arcbouté structure which reacts linearly to the alternating acoustic pressure.
  • Figure 4 shows a partial isometric view of another embodiment of the invention.
  • the microphone capsule shown uses a partially domed plate 3 thanks to a slightly conical recess.
  • the annular surfaces of the collar 2 and of the bottom of the housing 1 which pinch the plate 3 are portions of coaxial cones whose angle at the top 0 is a little less than 180 °.
  • a top angle of 166 ° and a plate 200 microns thick embedded on a diameter of 15 mm a sensitivity of 3.5 millivolts was obtained by Pascal.
  • Curves 26 and 27 of the diagram in FIG. 8 were obtained with a frustoconical embedding with an apex angle equal to 160 ".
  • Curve 26 shows that the voltage sensitivity is significantly higher than that one obtains with a plane embedding.
  • Curve 27 shows that the frequency of the first resonance mode is raised except for very thick layers.
  • the optimum thickness for a polyvinylidene fluoride plate having an internal diameter of 15 mm is around 200 microns.
  • FIG. 9 illustrates the frequency response curve of a microphone capsule with a thick vibrating plate of 200 microns.
  • Profiles 30 and 31 define the size of a microphone for telephone use.
  • the response curve 32 was obtained with acoustic damping of the first plate resonance.
  • the dotted curve portion 33 shows the difference in layout when acoustic damping is not used.
  • FIG. 5 is a view in meridian section of a microphone capsule with a piezoelectric plate.
  • the housing has an upper metal part 2 which fits into a housing bottom 11 provided with insulated connection terminals 14.
  • the piezoelectric plate 3 provided with its metallizations 4 and 5 is embedded frusto-conically between the edge of the upper part 2 of the housing and a metal ring 8 with trapezoidal section.
  • the ring 8 is pressed against the plate 3 by an insulating washer 9 resting on an elastic blocking piece 10 which enters a circular slot in the upper part 2 of the housing.
  • a pad 12 of sound absorbing material is housed in the central recess of the upper part 2 of the housing. This buffer is wedged between the part 9 and a printed circuit board 11 on which are arranged the electronic components of an electrical impedance adapter circuit.
  • the lower limit of the bandwidth is zero if the capacitance that constitutes the plate is connected to an amplifier circuit with infinite input impedance.
  • the amplifier circuit to be mounted downstream of the microphone capsule must for example provide a voltage gain close to the unit and for debit on an external impedance of 200 ohms. it must provide a current gain equal to
  • FIG 6 we can see an electrical circuit for ensuring the connection between the microphone capsule 3, 4, 5 and a telephone line LL.
  • This circuit uses a unipolar transistor 17 with an insulated gate.
  • the source of transistor 17 is connected by a bias resistor 16 to the ground electrode 4.
  • a diode limiter 18 and a decoupling capacitor 19 can be connected in parallel to the resistor to properly bias the gate of transistor 17.
  • the resistor 15 connected in parallel to the capsule 3, 4, 5 sets the lower cutoff frequency f 2 as indicated above.
  • the load resistors 20 and 21 respectively connect the + and - poles of a power source to the electrode 4 and to the drain of the transistor 17.
  • Decoupling capacitors 22 prevent the DC component from being transmitted to the line LL .
  • the impedance adapter circuit can be produced by means of bipolar transistors as illustrated in the electrical diagram of FIG. 7.
  • the transmission line LL can supply the supply voltage to the amplifier stage via a resistor 25 connected to a capacitor filter 24.
  • the amplifier stage includes a Darlington circuit 23 with two NPN transistors used as a follower transmitter.
  • the resistor 16 plays the role of transmitter load and is connected to the transmission line LL by a connecting capacitor 22.
  • the current bias of the Darlington circuit is obtained by a resistor 15 of high value which connects the base of the first transistor NPN of assembly 23 at the positive pole of capacitor 24.
  • the microphone capsule itself 3, 4, 5 is connected in parallel to resistor 15.
  • FIG. 10 an isometric view can be seen of a piezoelectric plate of a microphone capsule according to the invention. It is an integrated construction in which the polyvinylidene fluoride plate serves as a support for an integrated circuit 34 which groups together the elements 22, 23, 25 and 16 of FIG. 7.
  • the metallization 5 is indented and two tabs of connection L are provided for connection to the transmission line.
  • the capacitor 24 is externally connected to one of these connection tabs and to the counter-electrode 4.
  • the resistor 15 is produced under the form of a dielectric filling 36 made slightly conductive of electricity. Connection 35 connects electrode 5 to the basic connection of the Darlington circuit 23.
  • FIG. 11 is a partial and inverted isometric view of the piezoelectric plate of FIG. 10. It can be seen that the production of the resistor connected between the electrodes 4 and 5 is obtained by drilling a hole 36 and filling it with conductive polymer obtained by example with a carbon charge.
  • FIG. 12 shows that the resistance connecting the electrodes 4 and 5 can be materialized by a weakly conductive deposit 37 occupying part or all of the edge of the piezoelectric plate 3.
  • the leakage resistance 15 of the electrical diagrams of FIGS. 6 and 7 can be obtained by doping in the mass of the piezoelectric polymer. Doping can be carried out by ion diffusion or by mixing traces of potassium iodide with a polymer solution.
  • the advantage of this technique is that the time constant is defined intrinsically, therefore independent of the geometric shape of the plate.
  • the overload constituted by the presence of the integrated circuit 34 is low compared to the effective mass of the vibrating plate and that the corresponding drop in the resonant frequency is not very marked.
  • electrodes 4 and 5 the technique of evaporation under vacuum of metals such as aluminum, nickel-chromium, chromium-gold can be adopted.
  • the circular plates can be cut with a cookie cutter from a double-sided metallized sheet.
  • conductive particles can be metallic, for example nickel, silver-plated copper, silver, but carbon particles can also be used.
  • the polymer used as a binder can be different from the piezoelectric polymer, for example latex, silicones, synthetic or natural rubber. It is also advantageous to use the same polymer as a binder.
  • a polyvinylidene fluoride plate it is possible to start from a solution of 20 gr / liter in dimethyl formamide, to which is added 20% by weight of carbon black Corax L (product of the DEGUSSA).
  • Corax L product of the DEGUSSA
  • a conductive deposit of this type offers excellent adhesion with PVF 2 and a largely sufficient electrical conductivity. Deposits by screen printing, spinning, brush and projection can be used. Drying takes place at a temperature above 70 ° C to avoid the formation of a powdery deposit.
  • FIG. 13 one can see a meridian section of a microphone capsule which is particularly simple to make.
  • the upper flange 2 is in contact with a conductive deposit 4 deposited on the convex face of the plate 3; it plays the role of cap and for this purpose, it has a recess 46 communicating with the outside by a series of orifices 38 drilled in the bottom.
  • a textile damping washer 39 is glued to the bottom of the recess 46. The external acoustic pressure therefore acts on the convex face of the plate 3 via the orifices 38 and the damping layer 39.
  • the concave face of the plate 3 is coated with a conductive deposit 5 in contact with the upper edge of the flange 1.
  • the flange 1 has an inner wall pierced with an orifice 42 which establishes communication between two cavities 47 and 48.
  • a damping textile pad 41 is glued to the orifice 42.
  • the cavity 47 is delimited by the concave face of the plate 3 and an upper recess of the flange 1.
  • the cavity 48 is delimited by a lower recess of the flange 1 and by a plate 43 of insulating material which carries terminals of connection 45 and the electronic components 44 of an impedance adapter circuit.
  • the closure of the microphonic capsule is ensured by crimping by means of a metal casing 40 which clamps the flange 1 and 2 against one another, the plate 3 and the circuit holder plate 43.
  • the flange 2 serves as ground electrode and the envelope 40 provides electrostatic shielding.
  • the flange 1 is isolated from the casing 40 and is connected to the input of an amplifier.
  • the response curve 50 of the microphone capsule of FIG. 13 is given in FIG. 15. It can be seen that the shape of this response curve is very regular and well located within the template imposed for the telephone application.
  • FIG. 16 shows the electrical diagram of the impedance adapter circuit used in connection with the microphone capsule 51 of FIG. 13. It comprises two amplifier stages with direct connection.
  • the first stage comprises a bipolar NPN transistor T 1 , the emitter of which is connected to a resistor R 2 having a terminal to ground 4.
  • a collector-base resistor R 1 provides current polarization.
  • the electrode 5 is connected to the base of the transistor T 1 .
  • the second amplifier stage comprises a PNP bipolar transistor T 2 , the collector of which is connected to the emitter of transistor T 1 .
  • the base of transistor T2 is connected to the collector of transistor T 1 and its emitter is connected via a load resistor R 3 to the posistive pole + V of a power source.
  • the negative pole - V of the power source is connected to ground 4 via another resistor R 3 .
  • the variable voltage drop generated between the emitter of transistor T2 and ground 4 is transmitted to the transmission line Z by two coupling capacitors 22.
  • Figure 14 is an isometric view of a microphone capsule whose piezoelectric plate 3 has a rectangular shape.
  • the box 1 has two opposite edges which cooperate with two longitudinal members 2 in order to create a recess having the effect of bending the plate 3.
  • the other two edges of the box 1 are upward, in order to frame the non-recessed edges of the plate 3.
  • Seals 49 in elastic foam lining the rising edges of the housing 1 isolate the concave face of the plate 3 from the action of the external acoustic pressure.
  • the housing 1 has a rigid bottom and at least one internal cavity compressed by the vibration of the plate 3.
  • the invention also applies to microphone capsules with a pressure gradient.
  • the vibrating plate is embedded in a screen which creates a differentiation between the acoustic pressures acting on the two faces.
  • two piezoelectric plates embedded in a frame so as to enclose a volume of air. The electrical interconnection of these plates makes it possible to obtain a response characteristic of the pressure gradient type, in order to favor the sound sources. closer together at the expense of distant sources.
  • the microphone described above can advantageously be used as a hydrophone with a first resonance frequency reduced by the water load.
  • the coupling between the vibrating element and the aqueous medium can be done by means of a coating, for example made of polyurethane chosen to have an acoustic impedance close to that of water.

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Abstract

L'invention se rapporte aux microphones et hydrophones piézoélectriques dans lesquels la structure élastique (3) réagissant directement à la pression acoustique est faite en polymère piézoélectrique. L'invention a pour objet un transducteur électroacoustique utilisant une structure élastique en forme de plaque encastrée (3) présentant au moins une incurvation et recouverte sur ses deux faces d'électrodes (4, 5) reliées à un circuit électrique adaptateur d'impédance (13). L'invention s'applique notamment à la réalisation de combinés téléphoniques.

Description

  • La présente invention se rapporte aux transducteurs électroacoustiques permettant de convertir une pression acoustique ou un gradient de pression en une tension électrique. Elle concerne plus particulièrement les microphones et les hydrophones à pression ou à vitesse dans lesquels la conversion d'une vibration acoustique en tension électrique est assurée par un élément vibrant en polymère piézoélectrique.
  • Il est connu de réaliser des microphones à membrane en polymère piézoélectrique tendue ou thermoformée. En particulier, il est courant d'utiliser un film mince de polyfluorure de vinylidène (PVF 2) d'une épaisseur de l'ordre de quinze microns pour former un élément transducteur sollicité à se déformer sous l'action d'une différence de pression créée entre ses faces. La différence de pression est obtenue en montant la membrane piézoélectrique dans un écran, mais pour obtenir une sensibilité à la pression acoustique l'écran est remplacé par un boîtier fermé. L'élément piézoélectrique forme un condensateur électrique dont la capacité varie en sens contraire de l'épaisseur du film utilisé. L'effet transducteur piézoélectrique fournit sur les électrodes une charge électrique induite par les contraintes mécaniques subies par le film piézoélectrique. En circuit ouvert, la tension induite par effet piézoélectrique varie en sens inverse de la capacité interélectrode de sorte qu'avec un film mince, il est nécessaire de produire une forte déformation pour obtenir une bonne sensibilité. La compliance mécanique d'une membrane mince est élevée, mais le fait de clore la face arrière introduit une capacité acoustique qui réduit sensiblement la compliance de l'ensemble. Pour diminuer l'effet de charge de la membrane par le coussin d'air à comprimer, on peut augmenter le volume du boîtier, mais cette solution est souvent inacceptable par suite de l'encombrement du microphone.
  • Lorsqu'on utilise comme élément vibrant une membrane plane faite d'une seule couche de matériau polymère, l'énergie de déformation prédominante est celle qui correspond à la traction-compression et comme cette sollicitation ne change pas de signe avec la pression acoustique alternative, la tension délivrée est en majeur partie redressée. Pour utiliser une telle membrane, on peut prévoir une polarisation mécanique en créant une surpression dans le boîtier porteur de la membrane. Cette surpression peut être obtenue au moyen d'un coussin élastique acoustique. Le fonctionnement à fréquence double peut être évité en utilisant comme élément vibrant une structure bimorphe, ce qui complique la fabrication des membranes, mais évite d'avoir à prévoir une précontrainte. Enfin, on peut utiliser une membrane thermoformée en forme de protubérance, mais la fabrication et la stabilité dimensionnelle présentent des difficultés.
  • La présente invention vise à pallier ces inconvénients en conservant une structure particulièrement simple à réaliser grâce à l'utilisation d'une plaque vibrante en lieu et place d'une membrane.
  • L'invention a pour objet un transducteur électroacoustique à polymère piézoélectrique dont l'élément vibrant est constitué par une structure élastique en polymère piézoélectrique soumise directement à la pression acoustique sur l'une au moins de ses faces, les faces de ladite structure étant munies d'électrodes formant condensateur reliées à un circuit électrique adaptateur d'impédance ; ladite structure et ledit circuit électrique étant montés dans un boîtier muni d'une paire de bornes de sortie, caractérisé en ce que ladite structure élastique est une plaque encastrée comportant au moins une incurvation.
  • L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées, parmi lesquelles :
    • La figure 1 représente une capsule microphonique de type connu.
    • La figure 2 représente une capsule microphonique à l'élément vibrant en forme de plaque encastrée.
    • La figure 3 représente un premier mode de réalisation d'une capsule microphonique selon l'invention.
    • La figure 4 représente un second mode de réalisation d'une capsule microphonique selon l'invention.
    • La figure 5 est une vue en coupe méridienne d'un microphone selon l'invention.
    • Les figures 6 et 7 représentent les schémas électriques des circuits adaptateurs d'impédance.
    • Les figures 8 et 9 sont des diagrammes explicatifs.
    • Les figures 10 à 12 représentent des détails de réalisation de l'élément transducteur en forme de plaque.
    • La figure 13 est une vue en coupe méridienne d'un autre microphone selon l'invention.
    • La figure 14 est une vue isométrique d'une capsule microphonique utilisant une plaque cintrée.
    • La figure 15 est un diagramme explicatif.
    • La figure 16 est un schéma électrique de circuit adaptateur d'impédance.
  • Sur la figure 1, on peut voir une capsule microphonique à membrane en polymère piézoélectrique selon l'art connu. Elle se compose d'un boîtier en deux parties comprenant un fond 1 et une collerette 2. Une membrane 3 en film mince de polymère piézoélectrique est pincée entre la collerette 2 et le rebord du fond de boîtier 1. Cette membrane 3 est soumise à la pression acoustique p et en se déformant elle comprime le volume intérieur du fond de boîtier 1. Si ce volume est rempli d'air à la pression atmosphérique, une surpression Ap produit l'affaissement indiqué en pointillé sur la figure 1. Avec un film de 15 microns d'épaisseur et un diamètre de membrane de 15 millimètres, la déformée de la membrane est régie par les tensions de traction dont la composante verticale doit équilibrer la poussée. Des électrodes 4 et 5 recouvrant les deux faces de la membrane 3 permettent de recueillir des charges électriques induites par la piézoélectricité intrinsèque du film 3. Un circuit amplificateur 7 recueille une tension proportionnelle à ces charges et inversement proportionnelle à la constante diélectrique apparente de l'ensemble membrane-électrodes. Le circuit 7 présente une très forte impédance d'entrée et son impédance de sortie est adaptée à l'impédance de la ligne de transmission LL. En présence d'une pression acoustique alternative, le dispositif de la figure 1 fournit une tension redressée, mais la réponse peut être linéarisée en créant une précontrainte de la membrane 3.
  • La structure de capsule microphonique représentée sur la figure 2 ne diffère de celle de la figure 1 que par l'utilisation d'une plaque encastrée 3 d'épaisseur e à la place d'une membrane. Cependant, cette différence en apparence minime entraîne un fonctionnement sensiblement différent du transducteur piézoélectrique.
  • Contrairement à une membrane mince, une plaque présente une résistance à la flexion qui s'ajoute à la résistance à la traction pour compenser la poussée exercée par la pression p. Lorsque la plaque est encastrée, la déformée 6 présente un point d'inflexion de part et d'autre duquel la courbure s'inverse. Le travail de déformation se compose de plusieurs termes qui font intervenir la tension de traction, le moment fléchissant et l'effort tranchant. Globalement, la compliance mécanique d'une plaque est moindre que celle d'une membrane, ce qui rend cette structure plus épaisse moins sensible à la présence d'un volume intérieur à comprimer.
  • La piézoélectricité intrinsèque permet de calculer la charge électrique induite par étirement de la plaque dans son plan, mais elle ne rend pas compte des charges électriques induites par flexion. C'est la piézoélectricité de flexion, c'est à dire une piézoélectricité évaluée sur la base d'un gradient de contrainte qui peut rendre compte d'une bonne partie de la charge électrique induite. Lorsqu'une pression acoustique alternative excite une plaque plane, le gradient de contrainte change de signe à chaque alternance de sorte que la tension développée entre les électrodes 4 et 5 renferme une composante alternative, sans qu'il soit nécessaire d'appliquer une précontrainte. A charge électrique induite égale, la tension à vide développée par une plaque piézoélectrique est supérieure à celle que produirait une membrane, car la capacité électrique est plus faible. C'est la raison pour laquelle, une plaque est susceptible d'offrir avec une compliance plus faible une sensibilité en tension convenable et une distorsion plus faible grâce à l'action linéarisante de la piézoélectricité de flexion.
  • Les considérations qui précèdent ont conduit à expérimenter avec des plaques de polyfluorure de vinylidène (PVF2) d'épaisseur (e) croissante les propriétés microphoniques du dispositif de la figure 2.
  • Le diagramme de la figure 8 donne dans le cas d'une plaque de polymère piézoélectrique PVF2 ayant un diamètre de 15 mm à l'encastrement la sensibilité S en millivolt par Pascal et la plus basse fréquence de résonance F en kHz pour différentes épaisseurs e exprimées en microns.
  • Les courbes 28 et 29 se rapportent à une plaque encastrée de forme plane. La courbe 28 montre que la fréquence de résonance croit linéairement avec l'épaisseur e de la plaque vibrante, ce qui est typique d'une structure résistant à la flexion. La courbe 29 montre que la sensibilité en tension augmente avec l'épaisseur e jusqu'à 200 microns et qu'elle s'infléchit ensuite pour des épaisseurs plus fortes. La mesure de la sensibilité est effectuée nettement en deça de la fréquence de résonance, ce qui revient à rendre négligeable l'effet de masse de la plaque vibrante et à s'intéresser à la déformation statique. La fréquence F doit être considérée comme illustrative de la bande de fréquences susceptible d'être reproduite fidèlement et ce que montre la courbe 29, c'est que jusqu'à une épaisseur de 200 microns la sensibilité et la bande passante croissent simultanément alors qu'au delà on assiste à un phénomène courant en acoustique, à savoir que le gain réalisé sur la bande passante s'obtient au détriment de la sensibilité.
  • L'utilisation d'une plaque plane encastrée comme organe transducteur directement soumis à la pression acoustique présente un grand intérêt du point de vue de la commodité de fabrication et de la stabilité dans le temps des caractéristiques. Cependant, la notion de planéité et celle d'encastrement sont dans la pratique des approximations qui peuvent avoir une grande influence sur la reproductibilité des caractéristiques d'un microphone. Un petit défaut de planéité changeant d'un échantillon au suivant crée une grande dispersion de sensibilité à tel point qu'en veillant à réaliser une plaque aussi plane que possible, on a observé un véritable effondrement de la sensibilité.
  • Au lieu de laisser au hasard le soin de fixer la sensibilité d'un microphone, l'invention prévoit de créer systématiquement dans la plaque une légère incurvation prenant le pas sur tous les défauts de planéité inhérents à la fabrication.
  • Sur la figure 3, on peut voir une vue isométrique éclatée d'une capsule microphonique selon l'invention. La plaque piézoélectrique 3 présente des ondulations sectorales produites en pinçant celle-ci entre les faces ondulées de la collerette 2 et du rebord du fond de boîtier 3. Comparativement à un encastrement par pinçage d'une plaque aussi plane que possible entre deux portées annulaires planes, on observe un gain sensible de sensibilité pouvant atteindre 20 dB. Après démontage et remontage de la plaque 3 dans cet encastrement de type ondulé, on constate une bonne reproductibilité des caractéristiques de la capsule microphonique. Les ondulations de la plaque 3 ont une incidence favorable sur la réponse aux sollicitations de traction-compression dont l'effet s'ajoute aux sollicitations de flexion. En effet, l'incurvation de la plaque forme une structure légèrement arcboutée qui réagit linéairement à la pression acoustique alternative.
  • La réalisation des surfaces de pinçage ondulées de l'encastrement nécessite un usinage précis de la collerette 2 et du fond de boîtier 1.
  • Pour simplifier l'usinage,la figure 4 montre une vue isométrique partielle d'une autre forme de réalisation de l'invention. La capsule microphonique représentée utilise une plaque 3 partiellement bombée grâce à un encastrement légèrement conique. A cet effet, les surfaces annulaires de la collerette 2 et du fond de boîtier 1 qui pincent la plaque 3 sont des portions de cônes coaxiaux dont l'angle au sommet 0 vaut un peu moins de 180°. Avec un angle au sommet de 166° et une plaque de 200 microns d'épaisseur encastrée sur un diamètre de 15 mm on a obtenu une sensibilité de 3,5 millivolts par Pascal.
  • D'après ce qui vient d'être dit, on voit que la sensibilité d'une plaque piézoélectrique est fortement dépendante de petits défauts de planéité qui sont perceptibles lorsqu'on examine en réflexion les faces métallisées. Ce léger gondolement peut résulter de contraintes internes que l'on peut relacher par un traitement thermique approprié. Cependant, on obtient une bien meilleure sensibilité et une bonne reproductibilité de la courbe de réponse en imposant à la plaque encastrée des déformations supérieures aux déformations aléatoires dues à un montage imparfait, ou à un manque de planéité initial. Le montage d'une plaque initialement plane dans un encastrement tronconique tend à lui donner une forme de dôme qui dépend de la rigidité à la flexion. Cette forme ne nécessite ni formage préalable, ni appui de la plaque sur un milieu élastique destiné à créer un renflement.
  • Les courbes 26 et 27 du diagramme de la figure 8, ont été obtenues avec un encastrement tronconique d'angle au sommet égal à 160". La courbe 26 montre que la sensibilité en tension est nettement supérieure à celle que l'on obtient avec un encastrement plan. La courbe 27 montre que la fréquence du premier mode de résonance est relevée sauf pour les fortes épaisseurs. L'épaisseur optimale pour une plaque de polyfluorure de vinylidène ayant un diamètre intérieur de 15 mm se situe aux alentours de 200 microns.
  • La figure 9 illustre la courbe de réponse en fréquence d'une capsule microphonique à plaque vibrante épaisse de 200 microns. Les profils 30 et 31 délimitent le gabarit d'un microphone à usage téléphonique. La courbe de réponse 32 a été obtenue avec un amortissement acoustique de la première résonance de plaque. La portion de courbe 33 en pointillé montre la différence de tracé lorsque l'amortissement acoustique n'est pas employé.
  • La figuré 5 est une vue en coupe méridienne d'une capsule microphonique à plaque piézoélectrique. Le boîtier comporte une partie supérieure 2 en métal qui s'emboîte dans un fond de boîtier 11 muni de bornes de raccordement isolées 14. La plaque piézoélectrique 3 munie de ses métallisations 4 et 5 est encastrée tronconiquement entre le rebord de la partie supérieure 2 du boîtier et un anneau métallique 8 à section trapézoidale. L'anneau 8 est pressé contre la plaque 3 par une rondelle isolante 9 reposant sur une pièce élastique de blocage 10 qui pénètre dans une fente circulaire de la partie supérieure 2 du boîtier. Un tampon 12 de matière absorbante acoustique est logé dans l'évidement central de la partie supérieure 2 du boîtier. Ce tampon est coincé entre la pièce 9 et une plaquette 11 de circuit imprimé sur laquelle sont agencés les composants électroniques d'un circuit électrique adaptateur d'impédance.
  • Les matériaux polymères piézoélectriques tels que le polyfluorure de vinylidène et ses copolymères sont particulièrement indiqués, car ils permettent de réaliser aisément les incurvations illustrées sur les figures 3 à 5. En ce qui concerne la bande passante, on peut définir en première approximation la limite supérieure à partir du calcul de la fréquence f du premier mode de résonance d'une plaque circulaire soit :
    Figure imgb0001
    • où e est l'épaisseur de la plaque
      • R le rayon intérieur du cercle non encastré
      • E le module d'Young du matériau piézoélectrique
      • v le coefficient de Poisson
      • ρ la masse volumique.
      • Pour une plaque de PVF2 on a :
        Figure imgb0002
        Figure imgb0003
        Figure imgb0004
        avec R = 0,75 cm et e = 200 microns, on trouve :
      • f 2 = 2,45 kHz.
  • En amortissant cette pointe de résonance avec un coussin de mousse en appui sur la face arrière de la plaque, on peut atteindre une limite supérieure de l'ordre de 3,6 kHz, comme illustré sur la figure 9.
  • La limite inférieure de la bande passante est nulle si la capacité que constitue la plaque est reliée à un circuit amplificateur à impédance d'entrée infinie.
  • Cependant, en pratique on souhaite atténuer la réponse en deça d'une fréquence f2 et dans ce cas une résistance Re doit être branchée en parallèle sur la capacité C de la plaque. On applique alors la relation :
    Figure imgb0005
  • Si f2 est par exemple égale à 300 Hz et si les électrodes ont un diamètre de 15 mm et sont séparées par une épaisseur de 225 microns de PVF2, sachant que E r ε o = 10-10 F.m-1, on trouve :
    Figure imgb0006
    et
    Figure imgb0007
  • Le circuit amplificateur à monter en aval de la capsule microphonique devra par exemple fournir un gain en tension' proche de l'unité et pour débiter sur une impédance extérieure de 200 ohms. il devra fournir un gain en courant égal à
  • Figure imgb0008
  • Sur la figure 6, on peut voir un circuit électrique permettant d'assurer la liaison entre la capsule microphonique 3, 4, 5 et une ligne téléphonique LL. Ce circuit fait appel à un transistor unipolaire 17 à grille isolée. La source du transistor 17 est reliée par une résistance de polarisation 16 à l'électrode de masse 4. Un limiteur à diodes 18 et un condensateur de découplage 19 peuvent être branchés en parallèle sur la résistance pour polariser convenablement la grille du transistor 17. La résistance 15 branchée en parallèle sur la capsule 3, 4, 5 fixe comme indiqué ci-dessus la fréquence de coupure inférieure f2. Les résistances de charge 20 et 21 relient respectivement les pôles + et - d'une source d'alimentation à l'électrode 4 et au drain du transistor 17. Des capacités de découplage 22 empêchent la composante continue d'être transmise à la ligne LL.
  • Le circuit adaptateur d'impédance peut être réalisé au moyen de transistors bipolaires comme illustrés sur le schéma électrique de la figure 7. La ligne de transmission LL peut fournir la tension d'alimentation à l'étage amplificateur via une résistance 25 reliée à un condensateur de filtrage 24. L'étage amplificateur comprend un montage Darlington 23 à deux transistors NPN utilisé en émetteur suiveur. La résistance 16 joue le rôle de charge d'émetteur et est reliée à la ligne de transmission LL par un condensateur de liaison 22. La polarisation en courant du montage Darlington est obtenue par une résistance 15 de forte valeur qui relie la base du premier transistor NPN du montage 23 au pôle positif du condensateur 24. La capsule microphonique proprement dite 3, 4, 5 est branchée en parallèle sur la résistance 15.
  • Sur la figure 10, on peut voir une vue isométrique d'une plaque piézoélectrique de capsule microphonique selon l'invention. Il s'agit d'une construction intégrée dans laquelle la plaque de polyfluorure de vinylidène sert de support à un circuit intégré 34 qui regroupe les éléments 22, 23, 25 et 16 de la figure 7. La métallisation 5 est échancrée et deux languettes de connexion L sont prévues pour le raccordement à la ligne de transmission. Le condensateur 24 est relié extérieurement à l'une de ces languettes de connexions et à la contre-électrode 4. La résistance 15 est réalisée sous la forme d'un remplissage de diélectrique 36 rendu légèrement conducteur de l'électricité. La connexion 35 relie l'électrode 5 à la connexion de base du montage Darlington 23.
  • La figure 11 est une vue isométrique partielle et retournée de la plaque piézoélectrique de la figure 10. On voit que la réalisation de la résistance branchée entre les électrodes 4 et 5 est obtenue en perçant un trou 36 et en le remplissant de polymère conducteur obtenu par exemple avec une charge de carbone.
  • La figure 12 montre que la résistance reliant les électrodes 4 et 5 peut être matérialisée par un dépôt faiblement conducteur 37 occupant en partie ou en totalité la tranche de la plaque piézoélectrique 3.
  • Enfin, il faut signaler que la résistance de fuite 15 des schémas électriques des figures 6 et 7 peut être obtenue par un dopage dans la masse du polymère piézoélectrique. Le dopage peut être réalisé par diffusion d'ions ou en mélangeant à une solution de polymère des traces d'iodure de potassium. L'avantage de cette technique est que la constante de temps est définie de façon intrinsèque, donc indépendante de la forme géométrique de la plaque.
  • Il est à noter que la surcharge constituée par la présence du circuit intégré 34 est faible par rapport à la masse effective de la plaque vibrante et que la baisse correspondante de la fréquence de résonance est peu marquée.
  • En ce qui concerne la réalisation des électrodes 4 et 5, on peut adopter la technique de l'évaporation sous vide de métaux tels que l'aluminium, le nickel-chrome, le chrome-or. Les plaques circulaires peuvent être découpées à l'emporte-pièce dans une feuille métallisée double face. Etant donné les hautes impédances rencontrées à l'entrée du circuit électrique adaptateur, il n'y a aucun inconvénient à réaliser les électrodes 4 et 5 sous la forme de minces pellicules dé ' polymère chargé de particules conductrices. Ces particules peuvent être métalliques, par exemple en nickel, cuivre argenté, argent, mais on peut également utiliser des particules de carbone.
  • Le polymère utilisé comme liant peut être différent du polymère piézoélectrique, par exemple latex, silicones, caoutchouc synthétique ou naturel. On peut également utiliser avantageusement le même polymère comme liant. Ainsi, pour confectionner les électrodes d'une plaque de polyfluorure de vinylidène, on peut partir d'une solution à 20 gr/litre dans le diméthyl formamide, à laquelle est ajouté 20 % en poids de noir de carbone Corax L (produit de la firme DEGUSSA). Un dépôt conducteur de ce type offre une excellente adhérence avec le PVF 2 et une conductivité électrique largement suffisante. Les dépôts par sérigraphie, tournette, pinceau et projection sont utilisables. Le séchage a lieu à une température supérieure à 70° C pour éviter la formation d'un dépôt pulvérulent.
  • Sur la figure 13, on peut voir une coupe méridienne de capsule microphonique particulièrement simple à réaliser.
  • Elle comprend deux flasques métalliques 1 et 2 à rebords tronconiques qui pinçent le bord d'une plaque 3 en polymère piézoélectrique de façon à lui donner une forme bombée. Le flasque supérieur 2 est en contact avec un dépôt conducteur 4 déposé sur la face convexe de la plaque 3 ; il joue le rôle de coiffe et à cet effet, il présente un évidement 46 communiquant avec l'extérieur par une série d'orifices 38 percés dans le fond. Une rondelle d'amortissement en textile 39 est collée au fond de l'évidement 46. La pression acoustique extérieure agit donc sur la face convexe de la plaque 3 via les orifices 38 et la couche amortissante 39. La face concave de la plaque 3 est revêtue d'un dépôt conducteur 5 en contact avec le rebord supérieur du flasque 1. Le flasque 1 comporte une paroi intérieure percée d'un orifice 42 qui établit une communication entre deux cavités 47 et 48. Un tampon textile amortisseur 41 est collé sur l'orifice 42. La cavité 47 est délimitée par la face concave de la plaque 3 et un évidement supérieur du flasque 1. La cavité 48 est délimitée par un évidement inférieur du flasque 1 et par une plaquette 43 de matériau isolant qui porte des bornes de connexion 45 et les composants électroniques 44 d'un circuit adaptateur d'impédance. La fermeture de la capsule .microphonique est assurée par sertissage au moyen d'une enveloppe métallique 40 qui serre l'un contre l'autre les flasque 1 et 2, la plaque 3 et la plaquette porte circuit 43. Le flasque 2 sert d'électrode de masse et l'enveloppe 40 assure le blindage électrostatique. Le flasque 1 est isolé de l'enveloppe 40 et est raccordé à l'entrée d'un amplificateur. La courbe de réponse 50 de la capsule microphonique de la figure 13 est donnée à la figure 15. On voit que l'allure de cette courbe de réponse est très régulière et bien située à l'intérieur du gabarit imposé pour l'application téléphonique.
  • La figure 16 montre le schéma électrique du circuit adaptateur d'impédance utilisé en liaison avec la capsule microphonique 51 de la figure 13. Il comprend deux étages amplificateurs à liaison directe. Le premier étage comprend un transistor T1 bipolaire NPN dont l'émetteur est relié à une résistance R2 ayant une borne à la masse 4. Une résistance collecteur- base R1 assure la polarisation en courant. L'électrode 5 est reliée à la base du transistor T1. Le deuxième étage amplificateur comprend un transistor T2 bipolaire PNP dont le collecteur est relié à l'émetteur du transistor T1. La base du transistor T2 est reliée au collecteur du transistor T1 et son émetteur est relié via une résistance de charge R3 au pôle posistif + V d'une source d'alimentation. Le pôle négatif - V de la source d'alimentation est relié à la masse 4 via une autre résistance R3. La chute de tension variable engendrée entre l'émetteur du transistor T2 et la masse 4 est transmise à la ligne de transmission Z par deux condensateurs de couplage 22.
  • Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée à des plaques circulaires encastrées sur leur pourtour. La figure 14 est une vue isométrique d'une capsule microphonique dont la plaque piézoélectrique 3 a une forme rectangulaire. Le boîtier 1 comporte deux bords opposés qui coopèrent avec deux longerons 2 afin de réaliser un encastrement ayant pour effet de cintrer la plaque 3. Les deux autres bords du boîtier 1 sont remontants, afin d'encadrer les bords non encastrés de la plaque 3. Des joints 49 en mousse élastique garnissant les bords remontant du boîtier 1 isolent la face concave de la plaque 3 de l'action de la pression acoustique extérieure. Dans ce cas, le boîtier 1 possède un fond rigide et au moins une cavité interne comprimée par la vibration de la plaque 3.
  • L'invention s'applique également aux capsules microphoniques à gradient de pression. Dans ce cas, la plaque vibrante est encastrée dans un écran qui crée une différenciation entre les pressions acoustiques agissant sur les deux faces. On peut aussi utiliser deux plaques piézoélectriques encastrées dans un cadre de façon à enfermer un volume d'air. L'interconnexion électrique de ces plaques permet d'obtenir une caractéristique de réponse de type gradient de pression, afin de favoriser les sources sonores rapprochées au détriment des sources éloignées.
  • Le microphone décrit ci-dessus peut être utilisé avantageusement comme hydrophone avec une fréquence de premièe résonance réduite par la charge d'eau. Dans ce cas, le couplage entre l'élément vibrant et le milieu aqueux peut se faire par l'intermédiaire d'un enrobage, par exemple en polyuréthane choisi pour présenter une impédance acoustique proche de celle de l'eau.

Claims (20)

1. Transducteur électroacoustique à polymère piézoélectrique dont l'élément vibrant est constitué par une structure élastique en polymère piézoélectrique (3) soumise directement à la pression acoustique (p) sur l'une au moins de ses faces, les faces de ladite structure étant munies d'électrodes (4, 5) formant condensateur reliées à un circuit électrique adaptateur d'impédance (7) ; ladite structure et ledit circuit électrique étant montés dans un boîtier (1, 11) muni d'une paire de bornes de sortie (14), caractérisé en ce que ladite structure élastique est une plaque encastrée comportant au moins une incurvation.
2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite plaque encastrée est une plaque encastrée sur son pourtour.
3. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite plaque encastrée est circulaire.
4. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les pièces de pinçage réalisant l'encastrement de ladite plaque ont une forme ondulée.
5. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les pièces de pinçage réalisant l'encastrement de ladite plaque ont une forme tronconique.
6. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une résistance (15) est branchée entre lesdites électrodes (4, 5), afin d'atténuer la sensibilité en deça d'une fréquence inférieure à la première fréquence de résonance de plaque.
7. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens d'amortissement (12) sont associés à ladite plaque en vue d'étaler la pointe de sensibilité correspondant à la. première résonance de plaque.
8. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit électrique adaptateur d'impédance comporte un transistor unipolaire (17).
9. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit électrique adaptateur d'impédance comporte au moins un transistor bipolaire (T l, T 2).
10. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression acoustique agit sur ladite plaque par l'une de ses faces ; l'autre face de ladite plaque comprimant un volume fermé (47, 48) délimité par un boîtier rigide (1, 2).
11. Transducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite pression acoustique agit sur ladite plaque par l'intermédiaire d'une cavité (46) coiffée par une grille (38).
12. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites électrodes (4, 5) sont métalliques.
13. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites électrodes (4, 5) sont faites d'un dépôt de matériau polymère chargé de particules conductrices.
14. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite résistance (15) est un élément discret (36, 37) solidaire de ladite plaque.
15. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite résistance (15) est distribuée dans l'étendue de ladite plaque ; ledit polymère piézoélectrique étant dopé de façon à conduire l'électricité.
16. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit électrique adaptateur d'impédance (34) est au moins partiellement porté par ladite plaque.
17. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite plaque est une plaque ayant deux bords rectilignes opposés encastrés de façon à lui communiquer une forme cintrée.
18. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux faces de ladite plaque sont soumises à des pressions acoustiques différenciées au moyen d'un écran.
19. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux plaques encastrées sensibles à ladite pression acoustique.
20. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit polymère piézoélectrique est du polyfluorure de vinylidène ou l'un de ses copolymères.
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