Piézoélectrique, piézoélectricité - physique du phénomène, types, propriétés et applications

Piézoélectriques Les diélectriques sont mis en évidence effet piézoélectrique.

Le phénomène de piézoélectricité a été découvert et étudié en 1880-1881 par les célèbres physiciens français Pierre et Paul-Jacques Curie.

Pendant plus de 40 ans, la piézoélectricité n'a pas trouvé d'application pratique, restant la propriété des laboratoires de physique. Ce n'est que pendant la Première Guerre mondiale que le scientifique français Paul Langevin a utilisé ce phénomène pour générer des vibrations ultrasonores dans l'eau à partir d'une plaque de quartz à des fins de repérage sous-marin ("sondeur").

Après cela, un certain nombre de physiciens se sont intéressés à l'étude des propriétés piézoélectriques du quartz et de certains autres cristaux et à leurs applications pratiques. Parmi leurs nombreux travaux figuraient plusieurs applications très importantes.

Par exemple, en 1915 S.Butterworth a montré que la plaque de quartz en tant que système mécanique unidimensionnel, qui est excité en raison de l'interaction entre un champ électrique et des charges électriques, peut être représentée comme un circuit électrique équivalent avec une capacité, une inductance et une résistance connectées en série.

Introduisant une plaque de quartz comme circuit oscillateur, Butterworth a été le premier à proposer un circuit équivalent pour un résonateur à quartz, qui est à la base de tous les travaux théoriques ultérieurs. à partir de résonateurs à quartz.

L'effet piézoélectrique est direct et inverse. L'effet piézoélectrique direct est caractérisé par la polarisation électrique du diélectrique, qui se produit sous l'action d'une contrainte mécanique externe sur celui-ci, tandis que la charge induite à la surface du diélectrique est proportionnelle à la contrainte mécanique appliquée :

Avec l'effet piézoélectrique inverse, le phénomène se manifeste dans l'autre sens — le diélectrique change de dimension sous l'action d'un champ électrique extérieur qui lui est appliqué, tandis que l'amplitude de la déformation mécanique (déformation relative) sera proportionnelle à la force de le champ électrique appliqué à l'échantillon :

Le facteur de proportionnalité dans les deux cas est le piézomodule d. Pour le même piézoélectrique, les piézomodules pour l'effet piézoélectrique direct (dpr) et inverse (drev) sont égaux entre eux. Ainsi, les piézoélectriques sont un type de transducteurs électromécaniques réversibles.

Effet piézoélectrique longitudinal et transversal

L'effet piézoélectrique, selon le type d'échantillon, peut être longitudinal ou transversal.Dans le cas de l'effet piézoélectrique longitudinal, des charges en réponse à une contrainte ou une contrainte en réponse à un champ électrique externe sont générées dans le même sens que l'action d'amorçage. Avec l'effet piézoélectrique transversal, l'apparition des charges ou la direction de déformation sera perpendiculaire à la direction de l'effet qui les provoque.

Si un champ électrique alternatif commence à agir sur un piézoélectrique, une déformation alternative de même fréquence y apparaîtra. Si l'effet piézoélectrique est longitudinal, alors les déformations auront le caractère de compression et de tension dans la direction du champ électrique appliqué, et s'il est transversal, alors des ondes transversales seront observées.

Si la fréquence du champ électrique alternatif appliqué est égale à la fréquence de résonance du piézoélectrique, alors l'amplitude de la déformation mécanique sera maximale. La fréquence de résonance de l'échantillon peut être déterminée par la formule (V est la vitesse de propagation des ondes mécaniques, h est l'épaisseur de l'échantillon):

La caractéristique la plus importante du matériau piézoélectrique est le coefficient de couplage électromécanique, qui indique le rapport entre la force des vibrations mécaniques Pa et la puissance électrique Pe dépensée pour leur excitation par impact sur l'échantillon. Ce coefficient prend généralement une valeur comprise entre 0,01 et 0,3.

Les piézoélectriques sont caractérisés par une structure cristalline d'un matériau à liaison covalente ou ionique sans centre de symétrie. Les matériaux à faible conductivité, dans lesquels les porteurs de charge libres sont négligeables, se distinguent par des caractéristiques piézoélectriques élevées.Les piézoélectriques comprennent tous les ferroélectriques, ainsi qu'une multitude de matériaux connus, y compris la modification cristalline du quartz.

Piézoélectrique monocristallin

Cette classe de piézoélectriques comprend les ferroélectriques ioniques et le quartz cristallin (bêta-quartz SiO2).

Un monocristal de quartz bêta a la forme d'un prisme hexagonal avec deux pyramides sur les côtés. Soulignons ici quelques directions cristallographiques. L'axe Z passe par les sommets des pyramides et est l'axe optique du cristal. Si une plaque est découpée dans un tel cristal dans une direction perpendiculaire à l'axe donné (Z), alors l'effet piézoélectrique ne peut pas être obtenu.

Dessinez les axes X à travers les sommets de l'hexagone, il y a trois de ces axes X. Si vous coupez les plaques perpendiculairement aux axes X, nous obtenons un échantillon avec le meilleur effet piézoélectrique. C'est pourquoi les axes X sont appelés axes électriques dans le quartz. Les trois axes Y tracés perpendiculairement aux côtés du cristal de quartz sont des axes mécaniques.

Ce type de quartz appartient aux piézoélectriques faibles, son coefficient de couplage électromécanique est de l'ordre de 0,05 à 0,1.

Le quartz cristallin a eu la plus grande applicabilité en raison de sa capacité à maintenir les propriétés piézoélectriques à des températures allant jusqu'à 573 ° C. Les résonateurs piézoélectriques à quartz ne sont rien de plus que des plaques planes parallèles avec des électrodes qui leur sont attachées. Ces éléments se distinguent par une fréquence de résonance naturelle prononcée.

Le niobite de lithium (LiNbO3) est un matériau piézoélectrique largement utilisé lié aux ferroélectriques ioniques (avec le tantalate de lithium LiTaO3 et le germanate de bismuth Bi12GeO20).Les ferroélectriques ioniques sont pré-recuits dans un champ électrique intense à une température inférieure au point de Curie pour les amener dans un état à domaine unique. De tels matériaux ont des coefficients de couplage électromécanique plus élevés (jusqu'à 0,3).

Sulfure de cadmium CdS, oxyde de zinc ZnO, sulfure de zinc ZnS, séléniure de cadmium CdSe, arséniure de gallium GaAs, etc. Ce sont des exemples de composés de type semi-conducteur à liaison ionique-covalente. Ce sont les soi-disant semi-conducteurs piézo.

Sur la base de ces ferroélectriques dipolaires, on obtient également du tartrate d'éthylènediamine C6H14N8O8, de la tourmaline, des monocristaux de sel de Rochelle, du sulfate de lithium Li2SO4H2O - des piézoélectriques.

Piézoélectriques polycristallins

Les céramiques ferroélectriques appartiennent aux piézoélectriques polycristallins. Afin de conférer des propriétés piézoélectriques aux céramiques ferroélectriques, ces céramiques doivent être polarisées pendant une heure dans un champ électrique intense (d'une intensité de 2 à 4 MV/m) à une température de 100 à 150°C, de sorte qu'après cette exposition , la polarisation y reste, ce qui permet d'obtenir un effet piézoélectrique. Ainsi, des céramiques piézoélectriques robustes avec des coefficients de couplage piézoélectrique de 0,2 à 0,4 sont obtenues.

Des éléments piézoélectriques de la forme requise sont réalisés en piézocéramique afin d'obtenir ensuite des vibrations mécaniques de la nature requise (longitudinale, transversale, flexion). Les principaux représentants de la piézocéramique industrielle sont fabriqués à base de titanate de baryum, de calcium, de plomb, de zirconate-titanate de plomb et de niobate de plomb de baryum.

Piézoélectriques polymères

Les films polymères (par exemple le fluorure de polyvinylidène) sont étirés de 100 à 400 %, puis polarisés dans un champ électrique, puis des électrodes sont appliquées par métallisation. Ainsi, on obtient des éléments piézoélectriques en film avec un coefficient de couplage électromécanique de l'ordre de 0,16.

Application des piézoélectriques

Des éléments piézoélectriques séparés et interconnectés peuvent être trouvés sous la forme de dispositifs d'ingénierie radio prêts à l'emploi - des transducteurs piézoélectriques avec des électrodes qui leur sont attachées.

De tels dispositifs, constitués de quartz, de céramiques piézoélectriques ou de piézoélectriques ioniques, sont utilisés pour générer, transformer et filtrer des signaux électriques. Une plaque plane parallèle est découpée dans un cristal de quartz, des électrodes sont fixées - un résonateur est obtenu.

La fréquence et le facteur Q du résonateur dépendent de l'angle avec les axes cristallographiques auxquels la plaque est coupée. Typiquement, dans la gamme de fréquences radio jusqu'à 50 MHz, le facteur Q de tels résonateurs atteint 100 000. De plus, les transducteurs piézoélectriques sont largement utilisés comme transformateurs piézoélectriques à haute impédance d'entrée, pour une gamme de fréquences généralement large.

En termes de facteur de qualité et de fréquence, le quartz surpasse les piézoélectriques ioniques, capables de fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 1 GHz. Les plaques de tantalate de lithium les plus fines sont utilisées comme émetteurs et récepteurs de vibrations ultrasonores d'une fréquence de 0,02 à 1 GHz, dans des résonateurs, des filtres, des lignes à retard d'ondes acoustiques de surface.

Des films minces de semi-conducteurs piézoélectriques déposés sur des substrats diélectriques sont utilisés dans des transducteurs interdigitaux (ici, des électrodes variables sont utilisées pour exciter des ondes acoustiques de surface).

Les transducteurs piézoélectriques basse fréquence sont fabriqués à base de ferroélectriques dipôles : microphones miniatures, haut-parleurs, micros, capteurs de pression, déformation, vibration, accélération, émetteurs ultrasonores.