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Conception et modélisation d'un capteur acoustique

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par Abdoun SLIMANI
Université des sciences et de la technologie d' Oran Algérie - Magister 2010
  

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1.7 Les matériaux piézoélectriques

1.7.1 Les principaux matériaux piézoélectriques

Les matériaux piézoélectriques peuvent se regrouper en trois classes principales : les cristaux, les céramiques et les polymères.

1.7.1.1 Les cristaux piézoélectriques

Le quartz et la tourmaline sont sans doute les cristaux naturels les mieux connus découverts respectivement par Matthias et Aurivillus en 1949. Ils ont des caractéristiques stables dans le temps, mais ils présentent des impédances acoustiques relativement élevées et des coefficients de couplage très faibles. Ainsi qu'il faut couper les cristaux le long de certaines directions cristallographiques, ce qui limite le nombre possible de figures géométriques. Il existe d'autres monocristaux synthétisés en laboratoire comme le niobate de lithium (LiNbO3) ou le tantalate de lithium (LiTaO3) qui affichent des valeurs de coefficient plus élevées. Le coût élevé et la fragilité de ces cristaux expliquent qu'on ne les retrouve que très peu dans les produits actuels [43].

Il est actuellement possible de fabriquer de nombreux monocristaux de même composition que les céramiques, mais les techniques mises en jeu sont délicates et coûteuses. Il s'agit de cristaux « nouveaux » de type (1-x)PMN-xPT et (1-x)PZN-xPT. Ces derniers présents des propriétés extraordinaires par rapport aux céramiques piézoélect- riques ou cristaux naturels. Par rapport aux meilleures céramiques de PZT (les plus utilisés des matériaux ferroélectriques), le gain en terme de couplage atteint un facteur 3 en mode latéral, et les coefficients piézoélectriques dépassent 2000pC/N alors qu'ils sont limités à 700pC/N pour les céramiques les plus douces. Par exemple, la composition 0,67PMN0.33PT présente de forts coefficients ??33(2500pC/N) et ??33(>0.9). À présent, ces matériaux bénéficient d'importants efforts de recherche dans leurs procédés d'élaborations et de

caractérisations, car ils pourraient remplacer dans des applications d'actionneurs et de capteurs, les céramiques PZT [18,44].

1.7.1.2 Les céramiques piézoélectriques

1.7.1.2.1 Généralités

Le terme céramique évoque souvent des objets rustiques comme des poteries, des briques et des tuiles, mais le terme de céramique signifie plus généralement un solide qui n'est ni un métal ni un polymère. Une céramique est un matériau solide de synthèse qui nécessite souvent des traitements thermiques pour son élaboration. La plupart des céramiques modernes sont préparées à partir de poudres consolidées (mise en forme) et sont densifiées par un traitement thermique (frittage). Les procédés de fabrication des céramiques sont ajustables afin de pouvoir adapter leurs propriétés diélectriques, mécaniques et piézoélectriques à la demande. La plupart des céramiques sont des matériaux polycristallins, c'est à dire comportant un grand nombre de microcristaux bien ordonnés (grains) reliés par des zones moins ordonnées (joins de grains) comme illustré en figure 1.4 [31,21].

Fig. 1.4 - Microstructure typique d'une surface céramique polie qui illustre les grains
monocristallins, joints de grains et pores [31]

Les céramiques piézoélectriques sont apparues dans les années quarante. Par leurs coefficients piézoélectriques bien supérieurs à ceux des cristaux, elles ont permis un élargissement des applications du phénomène de piézoélectricité. Les céramiques piézoélectriques sont incontestablement les matériaux les mieux adaptés à l'heure actuelle. Ils sont souvent utilisés tels quels, mais entrent également dans la fabrication des composites que nous décrivons plus loin.

La famille des céramiques piézoélectriques comporte de nombreux éléments, citons entre autres, les titanates de baryum (BaTiO3) qui sont les ancêtres des céramiques actuelles, les Zircono Titanates de Plomb, d'où leur appellation abrégée PZT, qui sont les plus répandus et qui comptent à eux seuls cinq à six compositions différentes [29,30].

On distingue ainsi deux familles de céramique : les céramiques dites douces et celles dites dures, selon la propension que présente le matériau à se dépolariser [43]:

· Les matériaux doux sont généralement utilisés dans les applications à bas niveau d'excitation, notamment détecteurs (hydrophones, sondes échographiques...). Ils présentent en effet des couplages électromécaniques et des permittivités élevées.

· Les applications de puissance (piézomoteurs, transducteurs pour nettoyage par ultrasons...) nécessitent l'utilisation de céramiques dures pour leurs faibles pertes mécaniques et diélectriques.

1.7.1.2.2 Les zircono titanates de plomb (PZT) 1.7.1.2.2.1 Structure et polarisation des PZT 1.7.1.2.2.1.1 Structure des PZT

Le matériau PZT, de formule générale Pb (ZrxTi1-x)O3 cristallise dans la structure de type pérovskite ABO3. Au dessus d'une certaine température appelée température de Curie " Tc ", c'est dans le système cubique que les PZT cristallisent (cf. figure 1.5.a). La polarisation du milieu est nulle, car dans chaque maille, le barycentre des charges positives correspond à celui des charges négatives. À des températures inférieures à Tc, une distorsion de la maille cubique apparaît. Les barycentres des charges positives et négatives ne sont plus confondus. Ceci a pour conséquence un dipôle et une structure tétragonale (cf. figure 1.5.b) [35,45].

 

+

 
 
 

(a) (b)

Fig. 1.5 - Représentation de la structure pérovskite de PZT : (a) cubique (T=Tc), (b)
tétragonale (T<Tc) [46]

1.7.1.2.2.1.2 Polarisation des PZT
> Processus de polarisation

Les PZT sont des céramiques polycristallines ferroélectriques. Ils sont formés de grains et de joints de grains. Chaque grain est divisé en domaines au sein desquels les dipôles sont orientés dans la même direction. Chaque domaine présente une polarisation microscopique spontanée, mais leur répartition dans le matériau est aléatoire : le matériau est donc globalement non polaire. La frontière entre les domaines est appelée mur de domaine (cf.

figure 1.6). Pour que le matériau ferroélectrique devienne piézoélectrique, on doit le polariser [12,47].

Domaines

Murs de domaines

Fig. 1.6 - Microstructure d'une céramique PZT montant les domaines
ferroélectriques [42,46]

L'orientation des domaines dans une direction donnée par application d'un champ électrique intense est une étape importante. Après cette étape et lorsque le champ est supprimé, une polarisation rémanente et une déformation rémanente subsistent dans le matériau et le matériau devient piézoélectrique (cf. figure 1.7).

Champ el ectrique

Pol ari sdi on remanente

Déformation provoquée par le champ électrique

(a) (b)

Déformation rémanente

(c)

Fig. 1.7 - Représentation du processus de polarisation dans une céramique ferroélectrique : (a) domaines aléatoirement distribués avant la polarisation, (b) application d'un champ électrique, (c) champ électrique supprimé [20,46]

> Cycle d'hystérésis

Si un champ extérieur suffisamment intense est appliqué au matériau, il se polarise : les domaines, orientés dans le sens du champ, grossissent au détriment des autres. Plus le champ n'est élevé, plus le nombre de dipôles orientés est grand, ce qui contribue à l'augmentation progressive de la polarisation. Ce phénomène se manifeste par un cycle d'hystérésis P=f(E) (cf. figure 1.8). P représente la polarisation moyenne de l'ensemble des domaines et E est le champ extérieur appliqué au matériau ferroélectrique. La polarisation est saturée à #177;Ps pour des valeurs de champ très importantes et la polarisation rémanente #177;Pr correspond à la valeur de la polarisation à champ nul. La valeur du champ à polarisation nulle est le champ coercitif noté Ec qui définit un nouvel axe de polarisation [12,22,30].

P

E

Ec

-Ec

Ps

Pr

-Pr

Fig. 1.8 - Cycle d'hystérésis d'un matériau ferroélectrique [48]

> Température de Curie

La polarisation rémanente induite par orientation des dipôles n'est stable que dans un domaine de température donné. Au-delà de la température de Curie " Tc", il se produit une transition de phase. Le matériau passe de l'état ferroélectrique à l'état paraélectrique et il ne présente plus alors l'effet piézoélectrique. Cette température est l'un des critères de choix de céramiques piézoélectriques ; en fait, plus le point de Curie est grand, plus la gamme en température d'utilisation de la céramique est importante [12,49].

1.7.1.2.2.2 Matrice plasto-pipzo-diplectrique des PZ T

La matrice élasto-piézo-diélectrique décrit le comportement électromécanique global d'une céramique piézoélectrique. Pour les PZT qui sont assimilables aux cristaux de la classe de symétrie 6mm du système hexagonal, cette matrice s'écrit [50,51]:

d15

0

0 0 0 0

d15

0
0
0

0
0

d13
d13
d33

0
0
0

0

T E11

0

T E11

0
0

0
0

T

E33

0
0
0

T1

T2

T3

T4

. T5

T6

E1

E2

E3

S55

S55

S66

d15

0

0
0

0

d15

0
0
0

E

0

0

0 0 0 0

E

0

0 0 0 0 0

E

(1.5)

??1

S2

S3

S4

S5

S6

D1

D2

D3

 

SE

11

E

S12

E

S13

0
0
0

E SE

S12 13

E E

S11 S13

E E

S13 S33

0 0

0 0

0 0

 
 

1.7.1.2.2.3 Caractéristiques des céramiques piézoélectriques PZT

Les avantages des céramiques PZT peuvent être regroupés comme suit [34,52,53]:

· Possibilité d'usinage ou moulage dans une grande variété de formes et de tailles.

· Coût abordable ; coefficient de couplage électromécanique très élevé par rapport à d'autres matériaux piézo-électriques. Cela nécessite une application d'une énergie électrique moyenne pour obtenir une énergie mécanique.

· Pertes électriques sont faibles, elles ne s'échauffent donc presque pas et leur rendement acoustique est très bon.

· Robustesse mécanique, elles peuvent supporter des déformations beaucoup plus grandes que la plupart des autres céramiques, c'est pourquoi on peut obtenir la même puissance, avec un cristal de plus faible volume.

· Permittivités diélectriques relatives fortes.

· Constantes de charges piézoélectriques élevées.

· Température de curie ajustable selon la composition.

A cause de leurs excellentes propriétés piézoélectriques (bons coefficients de couplages électromécaniques), les PZT sont largement utilisés dans les capteurs et les actionneurs.

Leurs principaux inconvénients sont :

· Impédances acoustiques très élevées par rapport à d'autres matériaux piézoélectriques. Elles sont donc plus difficiles à coupler aux autres matériaux.

· Coefficients pyroélectriques importants.

· Variation thermique des constantes piézoélectriques et des permittivités diélectriques.

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"Il faudrait pour le bonheur des états que les philosophes fussent roi ou que les rois fussent philosophes"   Platon