Piézoélectricité - Définition

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La piézoélectricité (1880, Pierre et Paul-Jacques Curie) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l'action d'une force mécanique (effet direct) et, réciproquement, de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique (effet inverse). Le découvreur de cette propriété est l'abbé René Just Haüy (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 délivrée était "vitreuse ou résineuse".

Bien que faiblement piézoélectrique, le quartz possède de bonnes caractéristiques mécaniques qui en font un matériau utilisé dans les capteurs ainsi qu'en horlogerie.

Cette caractéristique est utilisée pour mesurer des pressions (la pression génère une contrainte mécanique sur un quartz, qui génère une charge, 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 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 piézoélectrique en automobile (les premiers arrivent chez Siemens en 2004). Lorsque le déplacement 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, 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 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. 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 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

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 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 PZT) ;
  • les polymères à base de fibres 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 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 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. 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 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. 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.

Actionneurs

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

  • microscopie à balayage : le microscope à force atomique et le microscope à effet tunnel emploient la piézoélectricité pour piloter le balayage de la surface sondée ;
  • application opto-acoustique : par micro-positionnement piézoélectrique de miroir, l'ajustement de la longueur de la cavité de laser peut être pilotée pour optimiser la longueur d'onde du faisceau ;
  • moteurs 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 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 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 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. 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.

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