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RÉSUMÉ
Cet article traite des techniques de mesures électriques actuelles pour les diélectriques solides. Il s’agit d’aider les ingénieurs et chercheurs dans leur choix de matériaux et composants intervenant dans les systèmes envisagés grâce à leurs propriétés électriques. Les aspects fondamentaux des grandeurs mesurées seront d’abord présentés, puis les techniques utilisées seront détaillées en développant particulièrement les systèmes utiles pour le stockage, le transport de l’énergie électrique et la fiabilité des composants électroniques. C’est ainsi que les nouvelles techniques de mesure des charges électriques présentes dans ces matériaux sont particulièrement utilisées pour estimer leurs performances attendues (caractérisation, durée de vie, vieillissement…).
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Alain TOUREILLE : Professeur émérite à l’université de Montpellier - Institut Électronique des Systèmes, Montpellier, France
INTRODUCTION
L’objet de cet article est de faire le point sur les techniques de mesures électriques des diélectriques existant au début du XXIe siècle, afin d’aider les ingénieurs et les chercheurs dans leur choix de matériaux et composants intervenant dans les systèmes envisagés grâce à leurs propriétés électriques. En effet, les problèmes industriels liés à la fiabilité des matériaux diélectriques solides (claquage, vieillissement, durée de vie…) font appel à une nécessaire caractérisation la plus complète possible afin de définir les limites du composant dans son environnement. Du côté de la recherche, les aspects fondamentaux liés à la conduction, aux échauffements, aux pertes, aux décharges partielles, à la rupture diélectrique, à l’accumulation de charges d’espace avec le temps sont autant de questions posées aux thésards qui ne peuvent trouver de réponse sans des mesures bien planifiées.
Nous présenterons d’abord les aspects théoriques des grandeurs mesurables, puis le détail des mesures elles-mêmes.
Depuis quelques décennies, de nouvelles techniques de mesures électriques ont été réalisées et adoptées maintenant par le monde industriel pour permettre une meilleure compréhension des diélectriques, éléments principaux du transport, du stockage de l’énergie électrique et de la fiabilité des composants de l’électronique. Compte tenu de la croissance et de la diversification des besoins énergétiques d’une part et du large développement mondial des technologies de communication grâce à la miniaturisation, ces matériaux prennent de plus en plus d’importance à la fois dans les domaines de la recherche et sur le plan sociétal.
Ainsi, nous présenterons les évolutions des techniques de mesure considérées comme classiques puis nous développerons pleinement les nouvelles méthodes notamment au niveau des caractérisation des charges électriques présentes dans ces matériaux. Ces techniques font l’objet d’attentions particulières, car elles changent la vision que l’on avait d’un « isolant ». Liée à la microstructure du matériau, l’accumulation de charges constitue des défauts qui limitent les performances des diélectriques, comme en témoignent les nombreuses publications et brevets déposés à ce sujet.
Ainsi aujourd’hui plusieurs techniques ont été utilisées et agréées par le monde industriel.
Dans la bibliographie, pour chaque technique, nous avons classé les publications chronologiquement de façon à montrer les évolutions dans le temps.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 1978 par Jean-François MOREL
- Version archivée 2 de avr. 1985 par Jean-François MOREL
- Version archivée 3 de juin 2009 par Alain TOUREILLE
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Définitions et grandeurs mesurables
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1. Évolution des matériaux diélectriques
Depuis le début des années 1980, une volonté évidente d’avancer dans la caractérisation des matériaux diélectriques s’est développée au niveau mondial. Cette tendance a pris corps peu à peu devant les problèmes posés par la durée de vie des composants. En effet, le monde industriel de l’électricité, de l’électronique s’est fortement orienté vers la miniaturisation. Celle-ci doit aussi se faire en accroissant les performances des appareils. Les contraintes volumiques ou surfaciques mécaniques, thermiques, électriques, radiatives n’ont cessé de croître, provoquant souvent des réductions de durée de vie.
Les matériaux diélectriques sont considérés alors comme les plus fragilisés. Dans les années 1985-1987, lors des congrès internationaux réunissant chercheurs, universitaires et industriels, un paramètre, longtemps soupçonné – mais non mesurable jusqu’alors –, a émergé : il s’agit de la charge d’espace. Cette charge volumique ou de surface, due à des impuretés ou des défauts de structure, contribue localement à créer des champs électriques très forts qui affaiblissent le matériau et modifient sensiblement ses propriétés. Ainsi, depuis ces dernières années, plusieurs techniques de mesure de distributions spatiales de champ électrique et de charges d’espace sont apparues, permettant de mieux comprendre et de prévenir les défaillances. Cette nouvelle technique, dont certains exemplaires sont maintenant installés dans des laboratoires industriels, caractérise le diélectrique au niveau de sa microstructure : il s’agit donc d’une analyse très fine.
En 2018, deux techniques de mesures de charges d’espace sont agréées par la CIGRE (International Council on Large Electric Systems) et IEEE (Institut of Electrical and Electronic Engineers) : elles seront présentées ici.
En essayant d’aider l’ingénieur et le chercheur dans ses choix et ses solutions, nous détaillerons donc les mesures classiques et nouvelles après avoir défini les termes importants et les grandeurs mesurables. Nous indiquerons aussi les potentialités de chaque technique.
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Évolution des matériaux diélectriques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AMBROSI (L.E.) - Structural Dependence of the Electrical Conductivity of Polyethylene Terephtalate. - Journal of Polymer Science, vol. 62, p. 331-346 (1962).
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(3) - BUCCI (C.), FIESCHI (R.) - Ionic Thermoconductivity Method for the Investigation of Polarization in Insulators. - Physical Review Letters, vol. 12, no 1, p. 16-19 (1964).
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(4) - COELHO (R.) - Considérations Théoriques sur le contact Métal-Isolant. - Revue Générale d’Électricité, no 6, p. 759-768 (1966).
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(5) - LENGYEL (G.) - Schottky Emission and Conduction in Some Organic Insulating Materials. - Journal of Applied Physics, vol. 37, p. 807-810 (1966).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
MATHEMATICA 8-9 Site Web : http://www.Wolfram.com/mathematica
HAUT DE PAGE
Congrès :
JICABLES à Versailles, palais des Congrès depuis 1987, tous les quatre ans
SFE (Société Française d’Electrostatique) tous les deux ans depuis 2000
ICD (International Conference on Dielectrics), IEEE (CEIDP, Conference on Electrical Insulation and Dielectrics), CIGRE (Paris Palais des Congrès).
HAUT DE PAGE
International Electrotechnical Commission (IEC)
Nomenclature : normes de la série 60000, 61000, 62000
HAUT DE PAGEDistributeurs – Fournisseurs – Constructeurs
Charges d’espace (MOT) : Amplificateur Dynamique de Courants faibles :
Keithley Instruments Inc. : Keithley 428, Keithley B2985A http://www.keithley.com/,
CA530 NF Corporation ...
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