Matériaux Piézoélectriques

MATÉRIAUX PIÉZOÉLECTRIQUES

Les micros actionneurs sont l’un des plus importants composant dans les systèmes micro électromécaniques. Les plus simples et les plus rincent éléments actionnant sont  des micros leviers. Dans les dernières années 80 les micros actionneurs ont reçu une augmentation d’attention quand la commande électro statiquement de micro moteur commence à apparaître. Aux cours des 15 dernières années, plusieurs type de micro actionneur utilise des commandes de forces variées  (exemple : l’électrostatique, l’électromagnétique, le piézoélectrique, l’alliage à mémoire de forme (SMA) etc.) qui ont été développé. L’actionneur piézoélectrique est l’un des principes d’actionneur le plus populaire utilisé pour le micro actionneurs.

L’actionneur piézoélectrique génère une importante force mais seulement pour un petit déplacement en appliquant une tension à un matériau piézoélectrique.  Généralement utilisé pour des conceptions sont les éléments bimorphes et des structures multi couches. En outre, de plus en plus de poutre composite monomorphes sont employée pour répondre à l’exigence des applications spéciales.

L’actionneur piézoélectrique est employé  dans plusieurs applications comme l'Hydrophones (hydrophones),

l'Imprimante à jet d’encre  (Inkjet printers)

le Ventilateur électrique (electric fan)

le Contrôle acoustique (acoustic control)

Microphones

Capteur tactile (Tactile sensor)

Micro moteurs (micromotors), etc.

Les principaux avantages des actionneurs sont leurs grandes précisions, leurs vitesses et leurs puissances mécaniques. Dans ces applications, des matériaux céramiques piézoélectriques comme l’oxyde de zinc et le PZT (Lead Zirconate Titanate) sont les plus fréquemment utilisés, comme ils présentent un important coefficient piézoélectrique. Cependant, la difficulté majeure associée à leur utilisation dans beaucoup d’application est l’exigence de technologie avancée de dépôt et d’installation de préparation de couche mince stœchiométrique. De plus, ils sont habituellement très fragiles et ont un relatif important module d’Young., limitant la déformation réalisable. Des polymères composites actifs composés de céramique piézoélectrique et epoxies sont fabriqués pour compenser ces désavantages. Des polymères piézoélectriques comme le PVDF (polyfluorore de vinylidène) et ces copolymères peuvent surmonter quelque un de ces difficultés bien qu’ils ont un relativement faible coefficient piézoélectrique. Faible nombre de valeur de module d’Young de ces polymères ont un potentiel pour autoriser d’importante déformation d’actionneurs piézoélectriques.

Les caractéristiques spéciales des polymères piézoélectriques ont attiré l’attention de plusieurs chercheurs de différentes disciplines. Beaucoup d’appareils ont été conçu de ces matériaux depuis 1980. Une longue liste de document et de patente peuvent être trouvée sur des manuels techniques de capteur à couche piézo de spécialiste de mesure. Dans certains de ces appareils, des PVDF ont été  utilisé plus souvent dans leur forme de couche mince, l’un ou l’autre étiré ou fixé. La capacité de calquer du PVDF dans des formes et des tailles exigées  est hautement désirable dans le but d’augmenter les domaines d’applications, particulièrement dans les échelles millimétrique et micrométrique. Quelque méthode différente sont employée pour modéliser le PVDF, incluant l’utilisation d’un laser excimère, une source lumineuse UV, des rayons X, du gaufrage à chaud. Chaque méthodes possède ces forces et ces problèmes.

M.Schwartz, Smart Materials, CRC Press, 2008. 

FERROELECTRIQUE/PIEZOELECTRIQUE

Les ferroélectriques sont des matériaux présentant une polarisation diélectrique spontané et un effet hystérésis dans la relation entre les déplacements diélectrique et les champs électriques. Ces comportements ferroélectriques  sont observés seulement en dessous de la température de transition Tc appelé aussi température de Curie. Au-dessus la température de Curie, les matériaux ne sont pas longtemps ferroélectriques et montrent un comportement diélectrique.

Les phénomènes ferroélectriques ont été pour la première fois observé en 1920 par Valasek dans le sel de roche (KNaC4H4O6.4H2O). Dans ca description, Valasek soulève l’attention sur l’analogie avec le phénomène ferromagnétique. Ferro est un préfixe associé avec des matériaux contenant du faire. Mais la nature de l’hystérésis dans la relation entre les déplacements diélectriques et les champs électriques est remarquablement similaire à la relation du champ d’induction magnétique pour des matériaux ferromagnétiques. Les matériaux ferromagnétiques contiennent généralement du fer. Les ferroélectriques sont nommés après la boucle d’hystérésis similaire et rarement contenant du fer comme un constituant signifiant.

E.A.Avallone, T. Baumeister, A.M. Sadegh, Marks’ Standard Handbook for MechanicalEngineers, McGraw-Hill Education, 2006. 

Phonograph cartridges.

microelectromechanical systems

Air transducers/Ultrasonic transducers.

Actuators.

La piézoélectricité est  rencontrée dans certain classe de matériau cristallin. La déformation des matériaux résulte du changement de polarisation (l’effet piézoélectrique directe) : les positions des charges positives et négatives dans le cristallin sont déplacées relativement les uns les autres, causant une polarisation nette ou un changement dans la polarisation intrinsèque. La Figure 1 montre une représentation 2D simplifiée de cet effet.

Figure 1 : Piezoelectricity; larger circles represent positive charges, the smaller negative charges.

P.P.L.Regtien, Sensors for Mechatronics, Elsevier Science, 2012. 

Dans la Figure 1A structure est pleinement symétrique : le centre de gravité de toutes les charges positives est déplacé vers le bas, résultant une polarisation non zéro. Dans le cas d’une compression verticale, (Figure 1C), le centre des charges positives est orienté vers le haut, résultant une polarisation non-zéro dans l’autre direction. Cette orientation des charges positive relatives  aux charges négatives produit des charges opposées sur les surfaces opposées du cristallin. Evidemment la Figure 1 est une forte représentation simplifiée du phénomène piézoélectrique. La structure cristalline, additionnée de dopants et d’autre traitement du matériau détermine substantiellement les propriétés piézoélectrique.

Les matériaux piézoélectriques sont des diélectriques dont les propriétés électriques dépendent des contraintes mécaniques appliquées et des déformations dont le comportement contrainte déformation dépend du champ électrique appliqué ou de la tension.  Ces matériaux sont largement utilisés dans ce qu’on appelle « les matériaux innovants / Smart structures » pour des capteurs et des actionneurs. Quelques configurations sont montrées sur la .

Figure 2 : (a) Vector components of stress T1, elastic strain S1, and electric field E3 in a piezoelectric actuator-sensor. (b) Piezoelectric stack actuator. (c) Piezoelectric bender actuator. 

Ces matériaux se comportent anisotropiquement dans leurs propriétés tension contrainte déformation. L’un des matériaux les plus populaires sont les céramiques PZT (Titano-Zirconate de Plomb) (ou LZT pour les anglophones, pour "Lead Zirconate Titanate").

P.P.L.Regtien, Sensors for Mechatronics, Elsevier Science, 2012. 

Les matériaux piézoélectriques peuvent être subdivisés en trois catégories.

1. Les monocristallins comme le Quartz

2. les céramiques piézoélectriques comme le titanate de baryum (BaTiO3) ou du PZT

3. des polymères comme le PVDF (polyfluorore de vinylidène)

F.C. Moon, Applied Dynamics: With Applications to Multibody and Mechatronic Systems, Wiley, 2008. 

Constitutive Equations and Material Properties of Piezoelectric Systems 

M.Kaltenbacher, Numerical Simulation of Mechatronic Sensors and Actuators,Springer Berlin Heidelberg, 2013. 

Piezoelectric beam actuator Hamilton’s principle

 A. Preumont, Mechatronics: Dynamics ofElectromechanical and Piezoelectric Systems, Springer Netherlands, 2006. 

 A.R. Jha, MEMS and Nanotechnology-Based Sensors and Devices for Communications, Medical and Aerospace Applications, Taylor & Francis, 2008. 

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