Examples of man-made piezoelectric ceramics. Image kindly provided by Meggit Denmark

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L'effet piézoélectrique

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  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 d'un élément piézoélectrique qui dépend fortement de la température. Nous verrons plus tard que certaines caractéristiques importantes d'un capteur piézoélectrique sont liées à cette résistance.

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 dans des décades comme 10⁶, 10⁷, 10⁸, 10⁹ Ohms etc.

Savais-tu ce que signifie "Ohm"?

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?