Piézoélectricité

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Illustration du comportement d'une pastille piézoélectrique : la contrainte appliquée crée un signal électrique. 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 ;
Piézoélectricité

Illustration du comportement d'une pastille piézoélectrique : la contrainte appliquée crée un signal électrique. 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 (e.g. capteur de pression, microbalance...) tandis que l'effet inverse permet de réaliser des actionneurs (e.g. 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.

Historique

Au milieu du 18ème siècle, Carl von Linné et Franz Aepinus avaient étudié l'effet pyroélectrique, par lequel un changement de température entraine une variation de la polarisation électrique d'un cristal. Poursuivant dans cette direction, l'abbé René Just Haüy et Antoine César Becquerel mirent en évidence l'existence de phénomènes électriques induits par une pression sur le spath d'Islande. Quand bien même ils parlèrent alors d'électricité de pression, ce phénomène ne présente pas les caractéristiques de la piézoélectricitéVoir l'introduction aux lecons de René Just Haüy dans Lecons de physique, de chimie et d'histoire naturelle - L'École normale de l'an III sous la direction d'E. Guyon, Editions Rue d'Ulm (2006) (le spath d'Islande n'est pas en réalité piézoélectrique). Il s'agissait probablement de la manifestation de charges statiques crées par des frottements dûs à des imperfections des montages expérimentaux de l'époque. La première démonstration de l'effet piézoélectrique direct est due aux frères Pierre et Jacques Curie en 1880. Combinant leurs connaissances de la pyroélectricité et de la structure cristalline, ils prédirent et vérifièrent l'existence de la piézoélectricité sur des cristaux de quartz, de tourmaline, de topaze, de sucre et de sel de Rochelle. L'existence de l'effet inverse fut prédite l'année suivante par Gabriel Lippman sur la base de calculs thermodynamiques, et immédiatement vérifiée par les Curie. La piézoélectricité resta une curiosité de laboratoire pendant une trentaine d'années ; elle donna surtout lieu à des travaux théoriques sur les structures cristallines présentant cette propriété. Ces travaux aboutirent en 1910 à la publication par Woldemar Voigt du Lehrbuch der Kristallphysik qui donne les vingts classes cristallines piézoélectriques, et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques dans le formalisme de l'analyse tensorielle. La première application de la piézoélectricité fut le sonar développé par Paul Langevin et ses collaborateurs pendant la première guerre mondiale. Ce sonar était composé de lames de quartz collées entre deux plaques d'acier et d'un hydrophone et permettait, par la mesure du temps écoulé entre l'émission d'une onde acoustique et la réception de son écho, de calculer la distance à l'objet. Le succès de ce projet suscita un grand intérêt pour la piézoélectricité, relança les recherches et conduisit à travers les années qui suivirent au développement de nouveaux matériaux pour une large palette d'applications dans la vie quotidienne, l'industrie et la recherche. L'amélioration du phonographe ou le développement du réflectomètre et du transducteur acoustique, largement utilisé pour les mesures de dureté ou de viscosité, en sont des exemples. Au cours de la seconde guerre mondiale, la recherche de matériaux plus performants amena différents groupes de recherche au Japon, aux Etats-Unis et en Russie à développer les ferroélectriques, notamment le titanate de Baryum et les PZT qui sont encore aujourd'hui des matériaux de référence. Un nouveau saut a été effectué au début des années 1980 avec la synthèse des cristaux de PZN-PT et PMN-PT qui présentent les coefficients piézoélectriques les plus élevés connus à ce jour. Aujourd'hui, les recherches sur les matériaux piézoélectriques portent notamment sur la compréhension précise de ces propriétés exceptionnelles, leur optimisation, ainsi que sur le développement de matériaux sans plomb.

Matériaux piézoélectriques

Classification des matériaux

Maille cristalline d'un cristal de structure perovskite : PbTiO3 De nombreux matériaux, naturels ou synthétiques, sont piézoélectriques. On peut citer notamment :
- des cristaux naturels : quartz, topaze, tourmaline, berlinite (AlPO4) ;
- des cristaux synthétiques : orthophosphate de gallium (GaPO4), arséniate de gallium (GaAsO4), les cristaux langasites (dont le langasite de composition La3Ga5SiO14) ;
- des cristaux de structure cristalline perovskite ou tungstène-bronze (souvent utilisés sous forme de céramiques) : PbTiO3, BaTiO3, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, BiFeO3, NaxWO3, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15, Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) ;
- des polymères : polymères à base de fibres de caoutchouc, laine, cheveux, bois et soie, polyvinylidine difluoride (PVDF), (-CH2-CF2-)n

Ordres de grandeurs

Les coefficients rapportés dans le tableau suivant relient l'allongement d'une barre (sans unité) au champ électrique appliqué entre ses deux extrémités (en V/m). L'unité du système international pour ce coefficient est donc le mètre par volt (m/V). Les indices (33) se rapportent à la direction cristallographique correspondant à la longueur de la barre.

Représentation tensorielle de la piézoélectricité

La piézoélectricité est représentée mathématiquement par un tenseur d'ordre trois qui relie un champ électrique E ou un déplacement électrique D (tenseurs d'ordre 1) à une déformation S ou une contrainte T (tenseurs symétriques d'ordre 2). Il existe donc 4 choix de variables indépendantes possibles et donc 4 représentations du tenseur piézoélectrique. Les notations usuelles sont définies dans les standards IEEEANSI-IEEE 176 (1987) Standard on Piezoelectricity. Des conventions de notation appelées convention de Voigt permettent de représenter le tenseur piézoélectrique sous forme matricielle. Il faut noter que la présence de l'effet piézoélectrique dans un matériau impose de reconsidérer l'étude de ses propriétés diélectriques et élastiques : il faut par exemple distinguer les propriétés élastiques du matériau à champ électrique nul et à déplacement électrique nul. De ce fait, les propriétés piézoélectriques, diélectriques et élastiques sont en général étudiées conjointement. Cet ensemble de propriétés est appelé propriétés électromécaniques.

Principes de la piézoélectricité

Symétrie des matériaux piézoélectriques

La propriété de piézoélectricité est fortement liée à la symétrie des mailles cristallines et une maille « centrosymétrique » (i.e. qui possède un centre de symétrie) ne peut donner lieu à un cristal piézoélectrique. Sur les 32 classes cristallines, il en existe 21 non centrosymétriques, dont 20 sont piézoélectriques et dont 10 possèdent une polarisation électrique en l'absence de champ électrique appliqué et sont dites pyroélectriques (leurs moments dipolaires étant sensibles à la température). Parmi les cristaux pyroélectriques on peut distinguer aussi les cristaux ferroélectriques qui se caractérisent par une polarisation électrique permanente qu'il est possible de renverser en applicant un fort champ électrique dans le sens opposé.

Origines d'une variation de polarisation

Dans tous les cas, la piézoélectricité relie une déformation à une variation de moment dipolaire dans le matériau. Le mécanisme précis est différent selon le type de matériau considéré. Les matériaux piézoélectriques modèles sont des cristaux ioniques. Un milieu cristallin ionique est composé de particules chargées positivement (ou cations : Ba2+, Ti4+, Pb2+...) et négativement (ou anions : principalement O2-). Dans un cristal, la piézoélectricité est liée à la variation de position de ces particules et en particulier à la variation du décalage des barycentres des charges positives et négatives de la maille cristalline. Dans le cas de la piézoélectricité, ces variations sont provoquées par une déformation mécanique de la maille. Certains cristaux monoatomiques sont également piézoélectriques : c'est le cas du tellureG. Quentin and J. M. Thuillier, Observation des propriétés piézoélectriques du tellure par résonance électromécanique, Solid State Communications 2, 115 (1964). et du séléniumJ. Bouat et J.M. Thuillier, Electromechanical resonance in selenium determination of the piezoelectric coefficient d11, Physical Letters A 37, 71 (1971).. Dans ce cas l'explication précédente n'est plus valable car on ne peut plus voir ces cristaux comme un empilement d'ions de charges différentes. Les électrons sont néamnoins localisés autour des liaisons covalentes, créant une distribution de charges dans l'espace. L'origine de la variation du moment dipolaire peut s'expliquer par une modification de cette distribution. Dans les polymères piézoélectriques, le mécanisme est différent. Le cas typique est celui du polymère PVDF. Ce polymère est construit à partir du polyéthylène en substituant à deux atomes d'hydrogène deux atomes de fluor. Ceux-ci, plus électronégatifs, attirent à eux les charges négatives. Ceci provoque l'apparition d'un moment dipolaire permanent qui varie avec la pression exercée. Enfin, il a été montré qu'il était possible d'observer un effet piézoelectrique macroscopique dans des matériaux non piézoélectriques. Dans le silicium, il a été montré expérimentalement que la porosité permettait d'obtenir un matériau apparemment piézoélectriqueS. Vinikman-Pinasy and E.N. Ribak, Piezoelectric and piezooptic effects in porous silicon, Applied Physics Letters 88, 111905 (2006).. L'apparition d'un effet piézoélectrique dû à un couplage entre la polarisation et un gradient de déformation (flexoélectricité) a également été soulignée J. Fousek, L.E. Cross, D.B. Litvin, Possible piezoelectric composites based on flexoelectric effect, Materials Letters 39, 259 (1999)..

Applications

Transducteurs acoustiques

Microphone de contact piézoélectrique sur une guitare classique. Les matériaux piézoélectriques permettent de convertir une onde acoustique en signal électrique et inversement. Ils constituent le coeur des transducteurs acoustiques utilisés pour émettre ou détecter des ondes acoustiques dans toutes les gammes de fréquences. On les retrouve dans plusieurs domaines.
- Dans les gammes de fréquences audibles, on réalise des microphones (et en particulier des microphones de contact) et des haut-parleurs, notamment dans les téléphones portables.
- En médecine, on en utilise pour la réalisation d'échographies, qui nécessitent l'émission et la détection d'ondes ultrasonores, ainsi que pour certaines thérapies par ultrasons.
- Dans les sonars, utilisés dans la marine, mais aussi dans l'automobile, pour la détection d'obstacles.

Résonateurs piézoélectriques

Il est possible de réaliser des résonateurs piézoélectriques très stables (dérivant avec les changements de température et au cours du temps) et avec des fréquences très précises. La vibration piézoélectrique très stable permet de réaliser des références de temps exploitables en électronique. Les montres à quartz utilisent la résonance d'un diapason en quartz pour générer les impulsions régulières d'horloge.

Capteurs

De manière plus générale, les matériaux piézoélectriques sont des candidats naturels pour les applications basées sur la détection de pressions :
- Capteurs de pression, notamment pour l'automobile (pression des pneus), l'aéronautique (pression dans les tuyères) ou la musique (batterie électronique) : La contrainte mécanique que la pression exerce sur un matériau piézoélectrique génère des charges que l'on peut mesurer électroniquement
- Microbalance piézoélectrique
- Détecteurs de mouvements : capteurs inertiels (accéléromètre à lame vibrante, gyromètre vibrant Coriolis) qui peuvent être utilisés dans les centrales à inertie ou plus couramment dans des applications de plus basse précision (airbag, guidage, manette de jeu vidéo (wii))

Micromanipulateurs

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 réaliser les petits déplacement nécessaire au 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 ;
- optique adaptative en astronomie : des actionneurs piézoélectriques sont utilisés pour déformer un miroir afin de corriger les effets de la turbulence atmosphérique.

Récupération d'énergie

Les piézoélectriques sont aussi au coeur d'applications plus récentes visant à récupérer l'énergie présente dans notre environnement sous différentes formes ou effectuées par des mouvements quotidiens S. R. Anton et H. A. Sodano, A review of power harvesting using piezoelectric materials (2003-2006), Smart Materials and Structures 16, R1-R21 (2007). Un exemple souvent envisagé est l'incorporation d'un film piézoélectrique dans les chaussures afin de produire de l'énergie grâce à la pression du talon pendant la marche. Les faibles puissances produites pourraient suffire à terme à alimenter certains dispositifs électroniques. Toutefois, la mise au point de tels dispositifs piézoélectriques reste délicate et de nombreux obstacles restent à surmonter. Le sujet est en vogue, mais les résultats sont encore très préliminaires.

Autres applications

- L'allume-gaz et le briquet « électronique ». L'effet piézoélectrique direct permet de générer de très fortes tensions, supérieures à la tension de claquage de l'air 30 kV/cm pour un écartement de quelques millimètres. Lorsque cette tension est atteinte, une étincelle de décharge est produite et mise à 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 générer (à l'aide d'électrodes situées sur une des deux extrémités de la barre) une contrainte alternative dans une barre d'un matériau fortement piézoélectrique (une céramique PZT par exemple). Cette contrainte permet la mise en vibration de la barre à une fréquence choisie pour correspondre à une fréquence de résonance. Par effet piézoélectrique direct, une tension est générée sur des électrodes situées sur la deuxième extrémité de la barre. Cette tension, qui bénéficie de l'amplification du mouvement dû à la résonance, peut être 1 000 fois plus élevée.
- Les 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.
- Certaines imprimantes à jet d'encre utilisent des éléments piézoélectriques pour produire les fines gouttelettes d'encre qui sont propulsées sur le papier.
- Dans l'automobile, certains injecteurs sont réalisés à partir de matériaux piézoélectriques.

Notes et références

Warren P. Mason, Piezoelectricity, its history and applications, J. Acoust. Soc. Am. 70 (6) p. 1561, 1981.

Voir aussi

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