Piezo Materials / Image by Meggitt Denmark

Accès aux accéléromètres

L'effet piézoélectrique

Image de Meggitt Danemark

Matériaux piézoélectriques

 

 

Classification des matériaux

Pour mettre de l'ordre dans le monde, nous classons normalement les articles. Dans le monde des matériaux piézo, nous avons déjà vu deux types différents, les monocristaux et les céramiques. Une autre classification serait matériaux artificiels ou naturels. Cependant, presque tous les matériaux piézoélectriques qui sont utilisés dans la technique sont fabriqués par l'homme. Seuls quelques monocristaux comme par exemple la tourmaline se trouvent uniquement dans la nature.

Les spécialistes des matériaux utilisent un nombre impressionnant de critères de classification tels que la méthode de fabrication, les aspects cristallographiques ou la composition chimique. Pour notre objectif, lorsque nous voulons construire un capteur piézoélectrique, un simple classement selon la sensibilité (par exemple la constante de charge en compression) est le plus logique. Nous devons cependant garder à l'esprit que les constantes piézoélectriques pour d'autres modes, comme le cisaillement, sont souvent très différentes.

Un autre aspect pratique pour utiliser ou choisir un matériau piézo est la plage de température utile. Nous avons vu qu'au-dessus de la température de Curie, l'effet piézo est perdu. En pratique, la température de fonctionnement maximale autorisée est même bien inférieure à celle-ci.

Hormis la température de Curie qui est une vraie limite dure, il existe d'autres effets limitants due à la température. Un aspect particulier est la résistance électrique interne d'un élément piézoélectrique qui dépend fortement de la température. Nous verrons plus loin que certaines caractéristiques importantes d'un capteur piézoélectrique sont liées à cette résistance.

Il existe également des matériaux, même avec un point de Curie très élevé, qui commencent à se décomposer à des températures élevées. Ils pourraient par exemple perdre des atomes d'oxygène à la surface et ainsi perdre la résistance électrique.

Sensibilité par rapport à la température de fonctionnement maximale

L'image montre quelques matériaux piézo-électriques avec leur sensibilité par rapport à la températurede fonction maximale autorisée.

Elle montre l'énorme diminution de la sensibilité de base avec l'augmentation de la capabilité de température du matériau.

Le titanate-zirconate de plomb (PZT) est la céramique piézo la plus couramment utilisée avec des constantes d33 de quelques centaines de pC / N et des températures autorisées raisonnables.

Sensitivity versus the maximum operation temperature of some typical piezo-materials

PNM-PT est un groupe de monocristaux récemment développés avec une sensibilité ultra élevée. Ils montrent des sensibilités de 1000 à 2000 pC / N mais avec des températures de Curie de 30 à 80 ° C.

Les titanates de bismuth (BT) sont des céramiques dans la plage de 500 à 600 ° C avec des constantes de charge de 10 à 20 pC / N

Enfin, il existe un groupe à vraiment haute température (tous des monocristaux). Ici, on y trouve la langatite et la langasite (LGT, LGS), le phosphate de gallium (GaPO), ou les oxoborates de calcium de terres rares tels que YCOB, avec environ 4 à 8 pC / N. Ce groupe comprend également la Tourmaline, un cristal naturel avec 2 pC / N.

Résistance interne

La résistance interne d'un élément piézoélectrique est la résistance électrique que nous mesurons d'une électrode à l'autre.

Un matériau piézo est essentiellement un isolant. Cela signifie que la résistance interne est extrêmement élevée. Pour la mesurer, nous avons besoin d'un teraohm-mètre . Cet instrument indique la résistance en döcades comme 10⁶, 10⁷, 10⁸, 10⁹ Ohms etc.

Afin d'obtenir un signal électrique d'un accéléromètre correct, la résistance interne doit être aussi élevée que possible. C'est pourquoi c'est une caractéristique importante. A température ambiante, la résistance interne d'un élément piézo sain est normalement de l'ordre de 10¹² à 10¹⁴ Ohms.

Si nous observons la progression de la résistance interne en fonction de la température d'un matériau piézo, nous constatons que la résistance diminue de façon exponentielle avec l'augmentation de la température. Selon le matériau, la résistance peut diminuer d'une décade (dix fois) jusqu'à plus de deux décades (cent fois) par 100°C d'augmentation de température.

Cette figure montre les résistances internes typiques en fonction de la température pour les éléments piézoélectriques de taille courante.

 

La résistance interne d'un élément piézo diminue avec l'augmentation de la température d'environ une décade par 100°C pour un élément Tourmaline et de plus de deux décades par 100°C pour un élément PZT.

Internal resistances vs temperature for common size piezo elements.

Tourmaline

PZT

Avant de partir: ––

Sais-tu comment on fait des céramiques piézo?

more-icon 23x50.png
 
 

Résistance superficielle et volumique

La résistance «interne» d'un élément piézoélectrique comme nous avons vu auparavant est mesurée d'une électrode à l'autre. En réalité, nous avons deux chemins électriques en parallèle et les deux ont leur propre résistance. Le premier chemin passe par le matériau d'un côté à l'autre. Il s'agit de la résistance volumique. Le deuxième chemin conduit sur par l'extérieur, d'un bord à l'autre. C'est la résistance de surface

Surface versus Bulk Resistance

Résistance volumique

La résistance de surface dépend, outre le matériau, de la taille physique de l'élément, de la circonférence des deux électrodes et de la distance entre elles. Cependant, il peut y avoir d'autres facteurs à considérer comme la rugosité de la surface, la pollution de la surface ou l'atmosphère environnante, en particulier l'humidité.

Lorsque nous effectuons un test physique, il y a une troisième résistance à garder à l'esprit. Comme nous mesurons des résistances très élevées, nous devons également tenir compte de la résistance d'isolement inhérente à notre système de mesure. Il est évident que nous ne pouvons pas mesurer une valeur supérieure à cette résistance qui est en parallèle avec tout.

Plus la tension d'essai est élevée, plus la mesure sera robuste. C'est pour cette raison que les mesures normales de la résistance d'isolement sont fait avec 500 V. Cependant, pour les éléments piézo, il n'est pas recommandé de dépasser 100 V DC car le champ électrique à travers l'élément peut modifier la polarisation. À température élevée même 100 V pourraient déjà être trop pour certains matériaux.

Résistance et résistivité

Lors du choix d'un matériau piézo pour concevoir un accéléromètre, nous nous intéressons à la résistance volumique du matériau. C'est la résistance volumique qui déterminera la résistance interne de l'accéléromètre, notamment à température.

Dans les catalogues des propriétés des matériaux, nous trouvons la résistivité ρ.

La résistance R doit être calculée en tenant compte de la forme physique de l'élément:

R = ρ · t / A         [R] = Ohm ou   Ω

Piezo size.png

La résistivité ρ est souvent donné en Ohm · cm . Pour'obtenir correctement la résistance R, il est le plus simple de transformer d'abord les dimensions de l'élément en cm.

Comme montré auparavant, la résistance globale suit une certaine courbe en décroissance exponentielle avec la température croissante. Il est facile de linéariser cette courbe en introduisant pour l'axe de température un paramètre τ

 

τ = 1 / T (abs) · 1000        [τ] = 1 / ° K           

T (abs) est la température absolue en degrés Kelvin.

Si nous traçons la résistivité en fonction de τ, nous obtenons une distribution presque parfaitement linéaire. Cela est vrai pour pratiquement tous les matériaux piézoélectriques.

logarithmic resistivity versus 1/°K

Tourmaline

PZT

Résistance de surface