Piézoélectricité
La piézoélectricité 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 Pierre Curie.
Le quartz possède une bonne caractéristique piézoélectrique.
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.
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Mécanisme piézoélectrique
Dans de tels cristaux, 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 des capteurs 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 :
- les têtes de lecture de disques ;
- les microphones ;
- les capteurs.
Les fabricants Japonais de composants électroniques ont développé des composants piézo qui pouvaient être montés directement sur les circuits.
Matériaux
Les matériaux suivants possèdent une propriété piézoélectrique :
- le quartz
- la topaze
- berlinite (AlPO4)
- orthophosphate de gallium (GaPO4)
- arséniate de gallium (GaAsO4)
- céramiques avec perovskite ou structures tungstène-bronze
(BaTiO3, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, BiFeO3, NaxWO3, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15) ;
- polymères à base de fibres de caoutchouc, laine, cheveux, bois et soie ;
- le polymère polyvinylidene fluoride, (-CH2-CF2-)n, a une piézoélectricité dépassant plusieurs fois celle du quartz.
Applications
Les champs d'application sont très nombreux :
Sources de haute tension
On peut obtenir des centaines de volts grâce à des matériaux comme le quartz.
- Les applications les plus courantes sont probablement l'allume-gaz et les briquets piezo.
- Un transformateur piézoélectrique utilise un PZT qui est mis en vibration résonnante sur une petite partie du cristal (dans le domaine des 100 kHz à 1 MHz) ; cela génère une plus haute tension sur les extrémités du cristal et cette tension peut être 1000 fois plus élevée.
Capteurs
- capteurs sonores (microphones) ;
- microbalance piézoélectrique ;
- piézos utilisés sur les batteries.
L'avantage, en utilisant un capteur piézoélectrique, c'est sa très grande rigidité : il ne se déforme que très peu, pour des forces très importantes.
Manipulateurs
Les déplacements très précis produits par les cristaux piézoélectriques en font des micromanipulateurs qui ont fait faire de formidables progrès en microscopie à balayage :
- le microscope à force atomique et le microscope à effet tunnel emploient la piézoélectricité pour piloter l'aiguille de balayage ;
- l'alignement de miroir et l'ajustement de la longueur de la cavité de laser peut être pilotée par piézoélectricité pour en optimiser le faisceau.
Certains haut-parleurs sont fabriqués avec des films polymères piézoélectriques.
Fréquence d'horloge
Les horloges à quartz utilisent un tuning fork en quartz pour générer les impulsions régulières de l'horloge : le cristal de quartz a une fréquence de résonance très précise et stable, et cela est utilisé pour bloquer la fréquence de l'horloge.
Dans les émetteurs et récepteurs radio ou dans les ordinateurs, un quartz règle la fréquence d'horloge avec un multiplicateur de fréquence pour atteindre les megahertz ou les gigahertz.
Moteurs piézoélectriques
Dans les auto-focus des appareils photographiques, des moteurs linéaires inchworm fonctionnent avec l'effet piézoélectrique. Le cristal est excité par un signal sinusoïdal à la fréquence de résonance du moteur, ce qui permet d'obtenir avec une faible tension une amplitude de vibration importante.
Liens externes
- http://www.techonline.com/community/ed_resource/feature_article/8277
- http://www.piezo.com/history.html
- http://www.msiusa.com/piezo_documentation.htm
- http://www.gapo4.com
- http://www.nanomotion.com