Piézoélectricité

Piézoélectricité

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pi%C3%A9zo%C3%A9lectricit%C3%A9

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pdf: http://iramis.cea.fr/spcsi/cbarreteau/physique_du_solide/exposes/pi%E9zo%E9lectricit%E9.pdf

La piézoélectricité (du grec piézein presser, appuyer) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Le premier est appelé effet piézoélectrique direct ; le second effet piézoélectrique inverse. Cette propriété trouve un très grand nombre d’applications dans l’industrie et la vie quotidienne. Une application parmi les plus familières est l’allume-gaz. Dans un allume-gaz, la pression exercée produit une tension électrique qui se décharge brutalement sous forme d’étincelles : c'est une application de l’effet direct. De manière plus générale, l’effet direct peut être mis à profit dans la réalisation de capteurs (capteur de pression etc.) tandis que l’effet inverse permet de réaliser des actionneurs (injecteurs à commande piézoélectrique en automobile, nanomanipulateur…).

Les matériaux piézoélectriques sont très nombreux. Le plus connu est sans doute le quartz, toujours utilisé aujourd’hui dans les montres pour générer des impulsions d’horloge. Mais ce sont des céramiques synthétiques, les PZT qui sont le plus largement utilisées aujourd’hui dans l'industrie.

Soulignons enfin que l’effet piézoélectrique inverse ne doit pas être confondu avec l’électrostriction qui est un effet du second ordre et existe dans tous les matériaux.
Sommaire
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* 1 Aspects historiques
o 1.1 Travaux précurseurs
o 1.2 Découverte de l'effet piézoélectrique
o 1.3 Premières applications
o 1.4 Découverte des oxydes ferroélectriques
o 1.5 Sujets de recherche
* 2 Matériaux piézoélectriques
o 2.1 Oxydes
o 2.2 Semi-conducteurs
o 2.3 Polymères
o 2.4 Mise en forme
+ 2.4.1 Monocristaux
+ 2.4.2 Céramiques
+ 2.4.3 Composites
+ 2.4.4 Couches minces
* 3 Physique macroscopique et formalisme
o 3.1 Approche thermodynamique
o 3.2 Tenseur piézoélectrique
o 3.3 Coefficients de couplage électromécanique
o 3.4 Coefficients piézoélectriques complexes
* 4 Théories et modélisations
o 4.1 Symétries de la structure cristalline
o 4.2 Calculs ab initio
o 4.3 Modélisation des matériaux hétérogènes
* 5 Ondes acoustiques et résonateurs
o 5.1 Ondes de volumes
o 5.2 Ondes de surfaces
* 6 Méthodes de mesures et de caractérisation
o 6.1 Mesures d'impédance complexe
o 6.2 Méthode de Berlincourt
o 6.3 Méthodes acoustiques
o 6.4 Autres méthodes
o 6.5 Propriétés de quelques matériaux types
* 7 Applications
o 7.1 Transducteurs acoustiques
o 7.2 Résonateurs piézoélectriques
o 7.3 Capteurs de pression ou d'accélération
o 7.4 Actionneurs et moteurs piézoélectriques
+ 7.4.1 Actionneurs
+ 7.4.2 Moteurs piézoélectriques
o 7.5 Générateurs et transformateurs
+ 7.5.1 Transformateurs piézoélectriques
+ 7.5.2 Microgénérateurs
o 7.6 Filtres
o 7.7 Microscopie à force piézoélectrique (PFM)
* 8 Notes et références
* 9 Voir aussi
o 9.1 Articles connexes
o 9.2 Bibliographie
o 9.3 Liens externes

Piézoélectricité


http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=6756

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Acoustique   Mécanique des milieux non homogènes
Atome   Mécanique quantique
Biophysique   Mesure physique
Capteur   Métrologie
Catalyseur   Moteur
Chimie   Optique
Chimie organique   Pendule
Constante fondamentale   Physique
Électricité   Physique des particules
Électromagnétisme   Physique nucléaire
Électronique   Physique quantique
Électrotechnique   Relativité
Hydraulique   Science des matériaux
Loi en physique   Thermodynamique
Mécanique   Unité de mesure
Mécanique des fluides   

La piézoélectricité (La piézoélectricité (1880, Pierre et Paul-Jacques Curie) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser...) (1880, Pierre et Paul-Jacques Curie) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l'action d'une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies,...) (effet direct) et, réciproquement, de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement...) (effet inverse). Le découvreur de cette propriété est l'abbé René Just Haüy (L'abbé René Just Haüy, né le 28 février 1743 à Saint-Just-en-Chaussée dans l'Oise et mort le 3 juin 1822 à Paris, est...) (1743-1822) en 1817, en étudiant le spath d'Islande. Etendu aux autres minéraux, il en avait fait un des éléments de détermination de la nature de ces minéraux suivant que l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par...) délivrée était "vitreuse ou résineuse".

Bien que faiblement piézoélectrique, le quartz possède de bonnes caractéristiques mécaniques qui en font un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) utilisé dans les capteurs ainsi qu'en horlogerie.

Cette caractéristique est utilisée pour mesurer des pressions (la pression (La pression est la force exercée sur une surface donnée.) génère une contrainte mécanique sur un quartz, qui génère une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de...), amplifiée par la suite). Une autre utilisation de cet effet est la création d'horloges : le quartz soumis à une charge à une certaine fréquence (Cet article ou cette section doit être recyclé. Sa qualité devrait être largement améliorée en le réorganisant et en le...) vibre à la fréquence propre du cristal, qui est utilisée comme référence de pulsation.

L'effet inverse est utilisé pour commander certains systèmes mécaniques, comme des injecteurs à commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) piézoélectrique en automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est...) (les premiers arrivent chez Siemens en 2004). Lorsque le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En...) est de l'ordre de quelques nanomètres, il permet des nano-manipulations en nanotechnologies.

La piézoélectricité est aussi utilisée dans certaines des imprimantes de la marque Epson (EPSON France est une filiale Européenne de Seiko EPSON Corp. Les produits Epson sont conçus pour une large clientèle...), rare entreprise à fabriquer des têtes jet d'encre piézoélectriques. Des impulsions électriques font se contracter de fines buses, emplies d'encre, qui expulsent alors de minuscules gouttes d'encre. Enfin, une utilisation tout à fait courante et anodine de la piézoélectricité est celle qui en est faite dans les allume-gaz : la pression exercée sur le manche de l'appareil produit un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).) qui se manifeste sous la forme d'étincelles.


Mécanisme piézoélectrique

Dans de tels cristaux au repos, les charges électriques sont séparées, mais symétriquement distribuées. Le cristal reste donc électriquement neutre.

Quand une pression agit, l'asymétrie des charges génère une tension (La tension est une force d'extension.). Par exemple, un quartz de 1 cm³ soumis à une force de 2 kN peut produire environ 12 500 V. On a là donc un capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable,...) de pression.

L'effet piézoélectrique inverse fait que, lorsqu'on applique un champ électrique, une force importante est créée (de l'ordre de la dizaine de MN), causant un déplacement de quelques nanomètres.

La première application fut le sonar Paul Langevin. D'autres applications suivirent (montre à quartz, capteurs, actuateurs).
Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.)

Les matériaux suivants possèdent une propriété piézoélectrique :

* le quartz ;
* la topaze ;
* la tourmaline ;
* la berlinite (AlPO4) ;
* l'orthophosphate de gallium (GaPO4) ;
* les cristaux d'hydroxy-apatite (formant la trame (Le mot trame peut désigner des os).
* l'arséniate de gallium (GaAsO4) ;
* les céramiques de structure cristalline perovskite ou de structures tungstène-bronze (BaTiO3, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, BiFeO3, NaxWO3, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15, Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 désigné sous le nom de céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne...) PZT) ;
* les polymères à base de fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous...) de caoutchouc, laine, cheveux, bois et soie ;
* le polymère polyvinylidine difluoride (PVDF), (-CH2-CF2-)n, a une piézoélectricité dépassant plusieurs fois celle du quartz.
* les langasites (exemple : le composé Ba3NbFe3Si2O14)

Applications

Les champs d'application sont assez nombreux :
Sources de haute tension

Les applications les plus courantes sont l'allume-gaz et le briquet « électronique ». L'effet piézoélectrique direct du quartz permet de générer des tensions, de l’ordre du kilovolt, supérieures à la tension de claquage (En électronique ou électrotechnique, le claquage est un phénomène qui touche entre autres tous les éléments qui ont un...) de l'air 30 kV/cm. Sur des électrodes proches de quelques millimètres, une étincelle de décharge se forme qui est mise a profit pour allumer le gaz (Au niveau microscopique, on décrit un gaz comme un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi...) du briquet ou de la gazinière.

Un transformateur piézoélectrique est un multiplicateur de tension alternative. Contrairement au transformateur classique qui utilise un couplage magnétique, le couplage mis à profit est acoustique (L'acoustique est une branche de la physique dont l'objet est l'étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel...). Par effet piézoélectrique inverse, une tension d'excitation permet de génèrer une contrainte alternative dans une barre d'un matériau fortement piézoélectrique (une céramique PZT (Les PZT sont un matériau de la famille de céramiques ferroélectriques qui une fois polarisées possèdent de bonnes...) par exemple).Cette tension est appliquée à l'aide d'électrodes situées sur une des deux extrémités de la barre. Cette contrainte permet la mise en vibration de la totalité de la barre, la fréquence est choisie pour correspondre à une fréquence de résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à...). Par effet piézoélectrique direct, une tension plus forte est récupérée par des électrodes situées sur la deuxième extrémité de la barre. Cette tension peut être 1000 fois plus élevée.
Capteurs

La particularité de l'effet piézoélectrique est la génération de fortes contraintes pour de petits déplacements. Il est donc un candidat idéal pour les applications basées sur la détection de pression :

* capteurs de pression, notamment pour l'automobile (pression des pneus) et l'aéronautique (pression dans les tuyère) ;
* capteurs sonores (microphones et en particulier microphones de contact) ;
* microbalance piézoélectrique ;
* batterie électronique (musique);
* détecteurs de mouvements du corps (jambes, respiration,...) dans les laboratoires de sommeil.

L'effet piézoélectrique peut aussi être mis à profit dans des applications plus évoluées tels que les capteurs inertiels (accéléromètre à lame vibrante, gyromètre de Coriolis) qui peuvent être utilisés dans une centrale à inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle)....).
Actionneurs

Les déplacements très faibles produits par les cristaux piézoélectriques en font des micromanipulateurs idéaux mis à profit dans différentes applications :

* microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur)...) à balayage : le microscope à force atomique et le microscope à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel,...) emploient la piézoélectricité pour piloter le balayage de la surface sondée ;
* application opto-acoustique : par micro-positionnement piézoélectrique de miroir (Un miroir est une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion. C'est souvent une couche...), l'ajustement de la longueur (La longueur d’un objet représente la distance entre deux de ses extrémités, les plus éloignées possibles. Lorsque...) de la cavité de laser (L'effet laser est un principe d'amplification cohérente de la lumière par émission stimulée. Laser est l'acronyme...) peut être pilotée pour optimiser la longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés...) du faisceau ;
* moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par...) piézoélectriques : utilisés dans les systèmes autofocus d'appareils photographiques, dans les mécanismes de vitre électrique de voiture, et en général dans les applications où la taille réduite de ces moteurs répond à des contraintes volumiques ;
* haut-parleurs ;
* optique adaptative (L'optique adaptative est une technique qui permet de corriger en temps réel les déformations évolutives et...) en astronomie : des actionneurs piézoélectriques sont utilisés pour déformer un miroir afin de corriger les effets de la turbulence atmosphérique.

Fréquence d'horloge

Une vibration piézoélectrique stable (peu de dérive avec les changements de température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de...) et au cours du temps), permet de réaliser des références de temps exploitables électroniquement. Les horloges à quartz utilisent la résonance d'un diapason (En musique, le diapason désigne un outil et une caractéristique des instruments à cordes.) en quartz pour générer les impulsions régulières de l'horloge.
Dans les émetteurs et récepteurs radio ou dans les ordinateurs, un quartz règle la fréquence horloge avec un multiplicateur de fréquence pour atteindre les mégahertz ou les gigahertz.
Imprimantes à jet d'encre

Certaines imprimantes à jet d'encre utilisent des éléments piézoélectriques pour produire de fines gouttelettes d'encre qui sont propulsées sur le papier. Cette technique, commercialement exploitée depuis le début des années 80, utilise des encres très fluides qui peuvent créer des problèmes quand les supports ont un fort pouvoir d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre...). Depuis quelques années, certains fabricants proposent des imprimantes utilisant des encres solides (type hotmelt), qui ont la particularité de se comporter comme des encres fluides quand elles sont chauffées et de se solidifier rapidement quand elles sont en contact avec le substrat, évitant ainsi une absorption excessive et donnant des couleurs plus saturées.