Les matériaux piézoélectriques, dont les matériaux piézocéramiques sont un sous-ensemble, sont particulièrement utiles car ils peuvent générer une charge électrique à partir d'une force physique et / ou d'une déformation mécanique. Ce domaine peut être utilisé dans un nombre restreint de capteurs. Dans cet article, nous examinons comment les matériaux piézocéramiques peuvent être utilisés dans des applications de capteurs et comment ces capteurs fonctionnent.
Matériaux piézoélectriques
Les matériaux piézoélectriques sont une classe de matériaux qui présentent l’effet piézoélectrique et peuvent exister sous de nombreuses formes. à condition qu'ils aient un réseau cristallin sous-jacent régulier. Par conséquent, les matériaux inorganiques présentent plus généralement des propriétés piézoélectriques (bien qu’il existe quelques exceptions).
L'effet piézoélectrique est la génération d'une charge électrique lorsqu'un matériau est soumis à une force physique. Dans de nombreux cas, cette force est une déformation ou une compression, ou une contrainte / déformation induite. Il existe également un effet piézoélectrique inverse, qui est essentiellement l'opposé de l'effet piézoélectrique; un matériau se dilate ou se contracte sous une tension appliquée.
Pour qu'un matériau cristallin puisse présenter l'effet piézoélectrique, son réseau cristallin doit être non centrosymétrique et posséder des ions avec une charge efficace importante. Les ions ayant une charge effective plus petite peuvent générer un courant piézoélectrique, mais il est souvent beaucoup plus petit.
La présence d’une force physique entraîne une modification de la structure du réseau cristallin interne du matériau, et c’est ce mécanisme qui entraîne la génération de la charge électrique. Dans un réseau cristallin normal, les ions sont bien ordonnés (à l'exception des défauts de niveau atomique, toujours présents sous une forme ou une autre). C'est la distorsion de ce réseau bien ordonné qui génère l'effet piézoélectrique tout en conservant une charge neutre globale. Sous une force physique, les ions du réseau sont forcés de se rapprocher, créant un déséquilibre de charge qui résonne dans tout le matériau. Il en résulte que les deux extrémités du cristal ont des charges opposées, produisant une tension. Une fois la force supprimée, le matériau reprend son état normal.
Capteurs piézocéramiques
Comme leur nom l’indique, les capteurs piézocéramiques sont des capteurs dans lesquels le matériau de détection actif est à la fois céramique et piézoélectrique. Les matériaux céramiques sont définis comme des matériaux inorganiques non métalliques. Il existe de nombreux exemples dans cette catégorie, notamment les oxydes inorganiques, les nitrures et les carbures. Un exemple courant de piézocéramique utilisé dans les capteurs est le titanate de zirconate de plomb, couramment appelé PZT.
L'effet piézoélectrique étant généré dans de nombreux environnements physiques, les capteurs piézo-céramiques peuvent être utilisés pour mesurer les changements de facteurs physiques, notamment la pression, l'accélération, la température, les chocs, les contraintes ou les forces induits. Un changement dans l'environnement déclenchera une sorte de force sur la piézocéramique, entraînant une charge électrique pouvant être détectée et mesurée par le capteur. Un exemple est celui des jauges de contrainte / déformation utilisées en génie civil, où le déplacement d'une structure (quelle que soit sa taille) peut être détecté lorsqu'il exerce une force sur le capteur.
La plupart des capteurs piézocéramiques sont conçus pour mesurer plusieurs propriétés, la pression et l’accélération étant les plus courantes. Dans les accéléromètres, un mécanisme légèrement différent est utilisé. Les mécanismes qui s'appuient sur une force directe sur le capteur sont appelés capteurs actifs, alors qu'un accéléromètre est un capteur passif. Cela signifie qu'une force est exercée par un autre composant à l'intérieur du capteur lors d'une modification du paramètre en cours de mesure. Dans les accéléromètres, une masse sismique est fixée au matériau piézocéramique et s’appuie avec une force relative lorsque l’objet détecté s’accélère.
L'un des principaux avantages de l'utilisation de matériaux piézocéramiques dans les capteurs est qu'ils peuvent s'adapter à de nombreuses géométries différentes sans perdre leurs propriétés fonctionnelles. Tandis qu’ils génèrent une charge électrique sous compression, la structure physique globale ne change pas beaucoup, ce qui les empêche de se rompre sous une déformation prolongée. Les matériaux piézocéramiques sont également résistants aux rayonnements électromagnétiques, ce qui leur permet d'être utilisés dans de nombreux environnements pour diverses applications.
Écrit par Liam Critchley
