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Explorer les secrets de l'effet piézoélectrique : Comment les matériaux piézoélectriques peuvent-ils révolutionner les applications industrielles
Dans le monde technologique d'aujourd'hui, les capteurs piézzoélectriques émergent progressivement et deviennent un élément important dans de nombreuses applications industrielles. Cet appareil utilise l'effet piézoélectrique pour mesurer les changements de pression, d'accélération, de température, de déformation et de force et les convertir en charges électriques. Le mot « piézo » pour l'effet piézoélectrique vient du mot grec signifiant « presser » ou « presser ». Cependant, l’application généralisée de cette technologie repose sur une base scientifique solide.
La polyvalence des capteurs piézoélectriques en fait un outil essentiel pour l'assurance qualité, le contrôle des processus, ainsi que la recherche et le développement dans de nombreux secteurs.
Bien que l'effet piézoélectrique ait été découvert pour la première fois par Jacques et Pierre Curie en 1780, ce n'est que dans les années 1950 que cet effet a commencé à être largement utilisé dans les capteurs industriels. Au fil du temps, ce principe de mesure a mûri et s’est révélé extrêmement fiable. Aujourd'hui, ce type de capteur est utilisé avec succès dans l'instrumentation médicale, aérospatiale et nucléaire, et même dans les capteurs d'inclinaison de l'électronique grand public et les capteurs de pression dans les écrans tactiles des téléphones portables.
Dans l'industrie automobile, les composants piézoélectriques sont utilisés pour surveiller le processus de combustion dans les moteurs à combustion interne. Ces capteurs peuvent être installés directement dans des trous supplémentaires de la culasse, ou des capteurs piézoélectriques miniatures peuvent être intégrés dans le dispositif d'allumage. L'essor de cette technologie repose principalement sur sa série d'avantages inhérents. Premièrement, le module d'élasticité élevé de nombreux matériaux piézoélectriques est comparable à celui des métaux, pouvant même atteindre 106 N/m2.
Bien que les capteurs piézoélectriques soient des systèmes mécatroniques qui répondent à la compression, leurs éléments de détection ne présentent pratiquement aucune déviation, ce qui leur confère une robustesse et une fréquence naturelle extrêmement élevée, présentant d'excellentes performances sur une large plage de linéarité.
De plus, la technologie piézoélectrique est insensible aux champs électromagnétiques et aux rayonnements, ce qui lui permet d'effectuer des mesures dans des environnements difficiles. Certains de ces matériaux, notamment le phosphate de gallium et la tourmaline, sont également assez stables à haute température, fonctionnant jusqu'à 1 000°C. En même temps, en plus de son effet piézoélectrique, la tourmaline a également un effet thermoélectrique ; cela signifie que lorsque la température du cristal change, elle peut générer un signal électrique.
Bien que les capteurs piézoélectriques soient de plus en plus utilisés dans l’industrie, l’un de leurs inconvénients majeurs est qu’ils ne peuvent pas réaliser de mesures véritablement statiques. Lorsque des forces statiques sont appliquées à un matériau piézoélectrique, une charge fixe est stockée, mais le signal s'affaiblit rapidement en raison d'une isolation imparfaite au sein du matériau et d'une réduction de la résistance interne. Toutefois, cela ne signifie pas que les capteurs piézoélectriques ne peuvent être utilisés que pour des processus très rapides ou fonctionner dans des conditions environnementales.
De nombreuses applications piézoélectriques sont capables de générer des mesures quasi-statiques, et d'autres fonctionnent même à des températures supérieures à 500°C.
De plus, les capteurs piézoélectriques peuvent également mesurer simultanément la résonance et la capacité pour identifier les odeurs dans l’air. Avec le développement d'équipements électroniques contrôlés par ordinateur, le champ d'application des capteurs piézoélectriques continue de s'étendre. Ce qui est plus intéressant, c’est que les principes de la technologie piézoélectrique se reflètent même dans la nature. Par exemple, le collagène lui-même possède des propriétés piézoélectriques et est considéré comme un capteur de forces biologiques.
Les grands principes de fonctionnement des matériaux piézoélectriques
La manière dont les matériaux piézoélectriques sont découpés détermine leurs trois principaux modes de fonctionnement : transversal, longitudinal et cisaillement. L'effet transversal est que lorsqu'une force est appliquée le long de l'axe neutre, la charge se déplace perpendiculairement à la direction de la force, tandis que l'effet longitudinal est que la charge appliquée est proportionnelle à la force appliquée, ce qui entraîne une charge constante quelle que soit la force appliquée. taille du matériau. Enfin, l’effet de cisaillement crée une charge perpendiculaire à la force, là encore indépendante de la taille ou de la forme du composant.
Conception et matériaux du capteur
La technologie piézoélectrique est souvent utilisée pour mesurer des grandeurs physiques, notamment la pression et l’accélération. Les conceptions de capteurs de pression comprennent généralement une membrane et une base lourde pour appliquer une pression dans une direction spécifique, tandis que les accéléromètres utilisent une masse montée sur un élément cristallin pour tester l'élément contre les forces exercées par les lois du mouvement de Newton. De plus, les capteurs sont souvent sensibles à plusieurs grandeurs physiques, qui nécessitent une prise en compte détaillée lors de la conception.
Actuellement, les matériaux des capteurs piézoélectriques sont principalement divisés en trois catégories : les céramiques piézoélectriques, les matériaux monocristallins et les matériaux piézoélectriques à couches minces. Chaque matériau a des caractéristiques différentes et convient à différents scénarios d'application.
Les céramiques piézoélectriques, telles que les céramiques PZT, sont deux ordres de grandeur plus sensibles que les matériaux monocristallins naturels et peuvent être produites grâce à un processus de frittage à faible coût. Cependant, la sensibilité de ces matériaux diminue avec le temps, notamment dans les environnements à haute température. Les matériaux monocristallins naturels tels que le phosphate de gallium et la tourmaline présentent une stabilité à long terme pratiquement illimitée dans de bonnes conditions de traitement. De plus, les matériaux piézoélectriques en couches minces sont principalement produits par divers procédés modernes tels que la pulvérisation cathodique et le dépôt chimique en phase vapeur, et leurs avantages sont utilisés dans des applications nécessitant une haute fréquence et une petite taille.
Aujourd’hui, alors que la technologie continue de progresser, la question mérite d’être réfléchie : comment mieux utiliser l’effet piézoélectrique pour promouvoir de futures applications industrielles ?
