Un transducteur piézoélectrique est un dispositif qui convertit l’énergie mécanique, comme la pression, en signal électrique et peut également effectuer l’inverse: transformer un signal électrique en mouvement mécanique.
Ce dernier mécanisme est utilisé par exemple dans les contrôles par ultrasons.
Le nom provient du mot grec “piezo”, qui signifie “presser” ou “comprimer”. Cet effet a été démontré pour la première fois par les frères Jacques et Pierre Curie en 1880.
Cette double fonctionnalité leur permet de servir à la fois de capteurs, détectant les forces physiques, et d’actionneurs créant des mouvements précis.
La précision de cette technologie constitue un aspect crucial de son utilisation.
Dans le diagnostic médical, par exemple, les transducteurs à ultrasons doivent respecter des directives strictes.
Mais comment un matériau solide peut il créer une tension simplement en étant comprimé ?
C’est ce que nous allons vous expliquer dans cet article !
Nous aborderons les principes de fonctionnement de la piézoélectricité et les matériaux qui la rendent possible. Nous couvrirons également les différents types de transducteurs, leurs applications les plus courantes, les normes industrielles importantes et les critères de sélection pour vos projets d’ingénierie.
Sommaire
Comment fonctionnent les transducteurs piézoélectriques ?
Au cœur de ces dispositifs se trouve un phénomène appelé effet piézoélectrique.
Certains matériaux (souvent des cristaux ou des céramiques spéciales) génèrent une charge électrique lorsqu’on leur applique une contrainte mécanique.
Le processus fonctionne également en sens inverse, ce qui est connu sous le nom d’effet piézoélectrique inverse.
Si vous appliquez une tension électrique au même matériau, il se déforme physiquement, changeant légèrement de forme.
Ce n’est pas vraiment quelque chose que l’on peut observer à l’œil nu.
Cette double capacité permet à un transducteur piézoélectrique d’agir à la fois comme capteur et comme actionneur.
Lorsqu’il est utilisé comme capteur, une force mécanique telle que la pression ou la vibration comprime le matériau piézoélectrique. Cette action déplace les charges positives et négatives équilibrées dans sa structure cristalline, créant un dipôle électrique.
Le résultat est une tension mesurable qui est directement proportionnelle à la force appliquée.
Dans certains modes de fonctionnement, cette génération de charge reste constante quelle que soit la taille de l’élément.
Modes de fonctionnement
Les ingénieurs peuvent découper et agencer les matériaux piézoélectriques selon trois modes principaux. Chacun détermine de manière différente comment ils réagissent à la force.
Le mode transversal fonctionne en appliquant une force le long d’un axe et en générant une charge sur un axe perpendiculaire à cette force.
Dans ce mode, la quantité de charge produite dépend de la géométrie de l’élément, suivant la relation :
En termes plus simples :
Lorsque vous comprimez le matériau dans une direction (y), il crée une réponse électrique dans une autre direction (x), et l’intensité de cette réponse dépend des propriétés du matériau et de sa forme.
Cela permet aux ingénieurs de personnaliser la sensibilité du capteur en modifiant ses dimensions physiques.
Dans le mode longitudinal, la charge est générée le long du même axe que la force appliquée.
La sortie de charge :
En termes plus simples :
Lorsque vous comprimez ou étirez le matériau sur sa longueur, il crée une charge électrique dans cette même direction, et l’empilement de plusieurs couches renforce l’effet.
Elle est strictement proportionnelle à la force appliquée et ne dépend pas de la taille ou de la forme de l’élément.
Le mode de cisaillement, qui est le dernier, produit une charge à angle droit par rapport à une force de cisaillement appliquée.
Similaire au mode longitudinal, la charge résultante :
Ce qui signifie que lorsque vous tordez ou cisaillez le matériau, il produit une charge électrique et l’empilement de plusieurs couches augmente la sortie.
Encore une fois, elle est directement proportionnelle à la force appliquée.
Propriétés électriques et circuits équivalents
Pour analyser les performances, un transducteur piézoélectrique peut être modélisé comme une source de tension avec une sortie qui varie avec la fréquence.
En termes simples, voici à quoi cela ressemble :
Modèle de base
La représentation la plus simple traite le capteur comme une batterie (source de tension) connectée à un condensateur. Le condensateur imite la façon dont la charge électrique s’accumule à la surface du capteur lorsqu’on appuie dessus.
Vue alternative :
On peut également le considérer comme une source de courant (pompe à charge) fonctionnant avec ce même condensateur.
Les deux versions expriment la même chose : plus la force appliquée est importante, plus le capteur produit de charge électrique.
Limitations de fréquence :
La résistance interne du capteur et tout dispositif externe qui y est connecté agissent comme un filtre.
Ce filtre empêche le capteur de détecter les vibrations à très basse fréquence ou les mouvements lents. Il existe une fréquence minimale en dessous de laquelle il ne répondra pas efficacement.
Modèles avancés :
Pour une ingénierie précise, on utilise des modèles plus complexes qui traitent le capteur comme un système mécanique traduit en termes électriques.
Cela se fait en utilisant des composants tels que des bobines (inductances) et des condensateurs pour imiter le comportement de la structure physique.
Cela permet de prédire exactement comment le capteur se comportera dans différentes conditions.
Matériaux piézoélectriques pour transducteurs
Choisir le bon matériau pour un transducteur piézoélectrique est une décision cruciale.
Le matériau définit la sensibilité, la durabilité et les limites de température du dispositif.
On peut regrouper ces matériaux en trois familles principales : les céramiques piézoélectriques, les matériaux monocristallins et les matériaux en couches minces modernes.
Matériaux céramiques
La céramique la plus courante est le titanate de zirconate de plomb, connu sous le nom de PZT.
Sa haute sensibilité en a fait un choix privilégié.
Il génère un signal environ 100 fois plus fort que les cristaux naturels, ce qui le rend excellent pour détecter les forces subtiles.
La fabrication du PZT offre de grands avantages :
- Faible coût de production
- Capacité à créer de multiples formes géométriques
- Flexibilité de conception
Les PZT sont fabriqués par un procédé appelé “frittage”.
Fondamentalement, il s’agit de chauffer un matériau en poudre à des températures élevées pour fusionner les particules ensemble en une masse solide sans les faire fondre complètement.
Le PZT n’a pas de propriétés piézoélectriques naturelles.
Cette capacité doit être créée artificiellement par un processus appelé “polarisation”.
Voici comment on procède :
Le PZT brut est chauffé et exposé à un champ électrique puissant. Cela force les structures cristallines internes du matériau à s’aligner dans une direction.
C’est cet alignement qui produit l’effet piézoélectrique.
Ils fonctionnent généralement jusqu’à 250°C (<250°C), mais dépasser leur température de Curie supprimera définitivement leurs propriétés piézoélectriques.
Sa haute sensibilité en fait un excellent choix pour les équipements de Contrôle non destructif.
Matériaux monocristallins
Les matériaux monocristallins offrent une stabilité à long terme.
Les cristaux naturels comme le quartz, le phosphate de gallium et la tourmaline sont moins sensibles que le PZT mais sont incroyablement cohérents.
Voici un aperçu rapide pour choisir entre ces options :
- Le quartz est le plus fiable. Il perd à peine de charge électrique au fil du temps, c’est pourquoi il alimente les horloges des montres par exemple. On peut compter sur lui pour garder l’heure exacte pendant des années.
- Le phosphate de gallium offre la meilleure résistance à la chaleur. Alors que la plupart des matériaux cessent de fonctionner autour de 300°C, celui-ci continue de fonctionner parfaitement même au-dessus de 500°C.
- La tourmaline génère un signal électrique lorsque la température change. (Les scientifiques appellent cela la “pyroélectricité” mais c’est en fait une sorte de thermomètre intégré.)
Les monocristaux offrent stabilité et précision, mais on paie cela avec une sensibilité plus faible et un coût plus élevé par rapport au PZT.
Matériaux en Couches Minces et Composites
Lorsqu’on doit travailler avec des fréquences très élevées ou dans des espaces minuscules, les matériaux en couches minces sont la meilleure option disponible.
Produits avec des méthodes avancées comme la pulvérisation cathodique ou le dépôt chimique en phase vapeur, ces matériaux sont conçus pour :
- Les fréquences très élevées (au dessus de 100 MHz) : utilisées dans l’échographie médicale, le radar et la technologie 5G
- Les dispositifs miniaturisés : capteurs de smartphones, moniteurs de santé portables, dispositifs MEMS
Options disponibles dans cette catégorie :
Piézo-polymères et composites : matériaux flexibles qui se plient tout en produisant des signaux électriques. Utilisés dans les dispositifs portables, les capteurs flexibles et les patchs médicaux.
Sel de Rochelle : a historiquement produit l’un des signaux piézoélectriques les plus forts parmi les matériaux naturels, mais les céramiques modernes dépassent maintenant ses performances. Mais il est complexe : il supporte mal l’humidité et se décompose au-dessus de 46°C. Il est donc principalement confiné aux laboratoires et aux applications spécialisées.
Matériaux composites intelligents : on prend des particules de PZT et on les mélange dans de l’aluminium, un peu comme des pépites de chocolat dans de la pâte à biscuits.
Lorsque le matériau est soumis à une contrainte (plié, fissuré ou vibré), les particules de PZT à l’intérieur le détectent et envoient un signal électrique.
C’est la signification du “intelligent” dans le nom : c’est comme avoir des milliers de petites alarmes intégrées dans toute la structure.
Mais ces matériaux comportent des compromis.
Ils sont techniquement avancés mais souvent coûteux et moins durables que les céramiques ou cristaux traditionnels.
Types et formes de transducteurs piézoélectriques
L’une des caractéristiques les plus intéressantes des matériaux piézoélectriques est leur polyvalence de fabrication.
Contrairement à de nombreux autres composants électroniques, ils peuvent être produits dans une grande variété de formes et de tailles.
Cette adaptabilité explique pourquoi on les trouve dans tant de produits et d’industries différents.
La géométrie d’un transducteur piézoélectrique est directement liée à sa fonction.
Une forme spécifique est choisie pour optimiser sa réponse à la contrainte mécanique ou la façon dont il génère un mouvement physique.
Sa forme est un paramètre crucial pour les performances dans une application donnée.
Géométries courantes de transducteurs
Les formes circulaires comme les disques et les anneaux sont très courantes.
On trouve des transducteurs à disque dans les capteurs automobiles et les systèmes de nettoyage par ultrasons, tandis que les transducteurs annulaires sont souvent utilisés dans les dispositifs médicaux pour des tâches comme le nettoyage dentaire.
Les plaques et blocs sont des formes simples et solides, idéales pour mesurer les vibrations ou la pression. Ils sont fréquemment utilisés comme composants centraux à l’intérieur des accéléromètres ou des générateurs ultrasoniques de haute puissance.
Les transducteurs tubulaires ou cylindriques sont utilisés pour les applications nécessitant de la précision, comme le contrôle du débit de fluide, la microscopie à balayage et le microdosage de médicaments.
Les transducteurs en bande sont des couches actives minces collées sur une base passive. Leur capacité à se plier les rend utiles pour les commandes de pompe et les interrupteurs activés au toucher.
Les transducteurs bimorphes et unimorphes sont des composants en couches conçus pour le mouvement :
- Bimorphe possède deux couches actives qui créent une action de flexion,
- Unimorphe utilise une couche active pour une déformation unidirectionnelle.
Les deux sont utiles pour créer un mouvement précis dans les actionneurs et les capteurs.
Avantages et limitations
Comme toute technologie en ingénierie, ces dispositifs comportent à la fois des avantages et des compromis. Lorsqu’on doit en utiliser un dans ses projets, il est important de les prendre en considération.
Avantages
Ils sont auto-générateurs, créant leur propre signal électrique lorsque la pression est appliquée sans avoir besoin d’une source d’alimentation externe.
Ils ont également un module d’élasticité élevé pouvant atteindre 1011 N/m², un niveau de rigidité similaire à de nombreux métaux. Cela rend le dispositif mécaniquement robuste, avec presque aucune flexion sous charge.
Ces dispositifs offrent également d’excellentes performances.
Ils possèdent une fréquence naturelle très élevée et présentent une linéarité constante sur une large plage d’amplitude.
Cela leur confère une réponse en fréquence rapide, leur permettant de réagir en microsecondes et de générer des ultrasons jusqu’à 20 MHz. Ils sont, dans certains cas, également insensibles aux champs électromagnétiques et aux radiations, ce qui les rend très fiables dans des conditions difficiles.
La flexibilité à l’étape de fabrication constitue également un grand avantage.
Les matériaux utilisés peuvent être façonnés en de nombreuses formes et tailles différentes pour répondre aux besoins spécifiques de l’application. Ils fonctionnent également bien même à basses tensions, ce qui ajoute à leur polyvalence.
Les comparer à d’autres types de capteurs montre leur avantage en termes de performances.
Le tableau ci-dessous, utilisant des informations de Gautschi (2002), montre comment ils se comparent à d’autres conceptions courantes en termes de sensibilité et de plage de mesure.
| Principe | Sensibilité de déformation [V/με] | Seuil [με] | Rapport plage/seuil |
|---|---|---|---|
| Piézoélectrique | 5.0 | 0.00001 | 100,000,000 |
| Piézorésistif | 0.0001 | 0.0001 | 2,500,000 |
| Inductif | 0.001 | 0.0005 | 2,000,000 |
| Capacitif | 0.005 | 0.0001 | 750,000 |
| Résistif | 0.000005 | 0.01 | 50,000 |
Comme on peut le voir, les capteurs piézoélectriques combinent une sensibilité très élevée avec un seuil de détection faible.
Cela se traduit par une excellente capacité à mesurer un large spectre de forces, des plus petites aux très grandes.
Limitations
Malgré leurs avantages, les transducteurs piézoélectriques ne sont pas idéaux pour tout.
Une contrainte importante est leur incapacité à mesurer des forces vraiment statiques ou constantes.
Lorsqu’une force constante est appliquée, le transducteur génère une quantité fixe de charge électrique. Cette charge s’échappe progressivement en raison d’une isolation imparfaite et d’une résistance interne, provoquant la décroissance du signal.
La sortie électrique de ces dispositifs est assez faible.
Cette minuscule charge nécessite des câbles spéciaux et des amplificateurs externes pour rendre le signal utilisable.
L’ajout d’amplificateurs peut parfois introduire leurs propres erreurs électriques ou du bruit dans la mesure.
C’est un compromis à considérer pour les applications de précision.
Ces transducteurs peuvent également être sensibles à leur environnement.
Les variations de température et d’humidité peuvent affecter leur sortie, les rendant moins fiables dans des environnements non contrôlés.
Les températures élevées sont particulièrement problématiques, provoquant une chute de la résistance interne et de la sensibilité.
Par exemple, les capteurs à quartz nécessitent des systèmes de refroidissement actifs lorsqu’ils fonctionnent à des températures supérieures à 300°C.
Même dans la récupération d’énergie, une source constante d’énergie ambiante peut provoquer une perte lente d’électrons, conduisant à une diminution de la puissance de sortie au fil du temps.
Applications et utilisation dans le monde réel
Jusqu’à présent, nous avons appris que les transducteurs piézoélectriques sont des dispositifs ingénieux qui convertissent la contrainte mécanique en signaux électriques, et vice versa.
Mais à quoi servent-ils dans le monde réel ?
Leur capacité à agir à la fois comme capteurs et actionneurs, combinée à leurs nombreuses formes, en fait un composant très puissant en ingénierie.
Cette polyvalence explique pourquoi on les trouve dans presque tous les secteurs de haute technologie.
Depuis que les fabricants ont commencé à les utiliser dans les années 1950 pour l’assurance qualité et le contrôle des processus, leur utilisation s’est étendue aux secteurs industriel, aérospatial, automobile, médical et de l’électronique grand public.
Ils constituent un outil de référence pour les équipes de recherche et développement qui repoussent les limites de la technologie.
Un accéléromètre utilise une petite masse sismique pour mesurer le mouvement, tandis qu’un capteur de pression utilise une membrane mince pour détecter la force.
On les trouve surveillant la combustion à l’intérieur d’un moteur, assistant une voiture au freinage automatique, ou alimentant des nettoyeurs ultrasoniques qui nettoient des pièces avec des vibrations à haute fréquence.
Le domaine médical s’appuie largement sur cette technologie pour la sécurité des patients et les diagnostics. Au-delà de l’imagerie, les transducteurs piézoélectriques sont utilisés dans les outils chirurgicaux et pour briser les calculs rénaux.
On interagit avec des transducteurs piézoélectriques tous les jours, souvent sans s’en rendre compte.
Ils sont dans les microphones qui capturent notre voix, les avertisseurs sonores des alarmes de sécurité, les portes coulissantes automatiques et les pavés tactiles des téléphones mobiles.
Cette large gamme d’utilisations montre à quel point cette technologie est profondément intégrée dans la vie moderne.
Récupération d’énergie
Ces composants offrent une méthode pour générer de l’énergie en convertissant les vibrations mécaniques ambiantes en énergie électrique utilisable.
Cette capacité est utile pour les applications où l’alimentation par câble ou les batteries sont trop coûteuses ou physiquement impossibles à mettre en œuvre.
Au lieu d’avoir besoin d’une ligne d’alimentation dédiée, le dispositif peut puiser sa propre énergie de l’environnement ambiant.
Ces systèmes sont particulièrement performants pour alimenter des dispositifs à faible consommation, qui ne nécessitent que quelques milliwatts de puissance pour des équipements comme les capteurs sans fil ou les montres mécaniques.
Leur utilisation optimale se situe lorsque les besoins en énergie sont périodiques et que la fréquence de vibration est proche de la fréquence de résonance du récupérateur.
Ce principe s’applique aux grands environnements industriels.
Les transducteurs installés dans les voies ferrées peuvent récupérer l’énergie de l’accélération et de la pression d’un train pour générer de l’énergie pour les équipements de surveillance.
Une autre application tournée vers l’avenir concerne l’Internet des objets.
Les capteurs peuvent recevoir des signaux ultrasoniques et convertir les vibrations résultantes en charge électrique, devenant ainsi des systèmes auto-alimentés qui fonctionnent sans remplacement de batterie.
Sélection du bon transducteur piézoélectrique
Choisir le bon transducteur commence par une bonne vue d’ensemble de votre projet.
Il faut identifier ce qu’on mesure, comme la pression, l’accélération ou la force. Il convient de penser aux plages de fréquence et d’amplitude requises, ainsi qu’aux conditions environnementales spécifiques comme la température et l’humidité.
Le choix suivant concerne le matériau.
On peut sélectionner des céramiques pour une haute sensibilité ou des monocristaux pour une stabilité à long terme, en équilibrant cela avec la tolérance à la température et le coût.
La géométrie, qu’il s’agisse d’un disque, d’un anneau, d’une plaque ou d’une bande, affecte les possibilités de montage, les contraintes d’espace et la sensibilité directionnelle.
Il faut faire attention à la sortie électrique et à l’interface.
La petite charge électrique signifie souvent qu’on aura besoin d’un amplificateur et de câbles spéciaux. Il faut également vérifier que le point de Curie et les caractéristiques de dégradation du matériau correspondent à la température maximale.
Toute caractéristique choisie est un choix qui dépend de l’utilisation et de l’environnement dans lequel on placera le transducteur.
Conclusion
Un transducteur piézoélectrique est un dispositif polyvalent qui effectue une conversion d’énergie bidirectionnelle.
Il transforme la contrainte mécanique en signal électrique, ou prend un signal électrique et génère un mouvement physique.
Cette double fonction lui permet de fonctionner comme un capteur détectant la pression et comme un actionneur créant du mouvement. Cela en fait un excellent composant à utiliser dans les domaines industriel, médical, automobile, aérospatial et commercial.
La technologie présente des avantages clairs.
Ces dispositifs sont auto-générateurs, ils n’ont donc pas besoin d’une source d’alimentation externe.
Ils offrent une réponse en fréquence élevée, sont mécaniquement robustes et peuvent être fabriqués dans presque toutes les formes.
Les compromis incluent une incapacité à mesurer les forces statiques, une sortie électrique faible nécessitant une amplification et une sensibilité aux conditions environnementales comme la température.
Le choix du matériau dicte le comportement :
- Les céramiques offrent une haute sensibilité,
- Les monocristaux fournissent de la stabilité,
- Les couches minces conviennent aux applications haute fréquence.
Prendre des décisions éclairées sur le matériau, la géométrie et la conception permet aux ingénieurs d’utiliser la technologie piézoélectrique pour une conversion d’énergie précise et fiable.
Questions fréquemment posées
Qu’est-ce qu’un transducteur piézoélectrique en termes simples ?
C’est un dispositif spécial qui convertit l’énergie mécanique comme la pression ou les vibrations en tension électrique. Il peut également fonctionner en sens inverse, convertissant une tension électrique en mouvement mécanique.
Un transducteur piézoélectrique peut-il également créer du mouvement ?
Oui. Lorsqu’un champ électrique est appliqué au matériau piézoélectrique, son réseau cristallin se déforme, provoquant le changement de forme du matériau. C’est ce qu’on appelle l’effet piézoélectrique inverse.
Quelle est la principale limitation d’un capteur piézoélectrique ?
Sa principale faiblesse est son incapacité à mesurer de vraies forces statiques. La charge électrique produite par une force constante s’échappe progressivement, rendant ces capteurs idéaux uniquement pour les mesures dynamiques ou changeantes.
Pourquoi les céramiques PZT sont-elles souvent préférées aux cristaux naturels comme le quartz ?
Les céramiques PZT ont généralement une sensibilité beaucoup plus élevée, ce qui signifie qu’elles génèrent un signal électrique plus important pour une force donnée. Elles sont également moins coûteuses à fabriquer et peuvent être moulées en de nombreuses formes différentes.
Quelle est l’importance de la température de Curie d’un matériau ?
La température de Curie est la température maximale à laquelle un matériau piézoélectrique peut fonctionner. S’il est chauffé au-delà de ce point, le matériau perd définitivement ses propriétés piézoélectriques et ne fonctionnera plus.
En quoi la conception d’un accéléromètre diffère-t-elle de celle d’un capteur de pression ?
La différence clé réside dans la façon dont la force est transmise à l’élément piézoélectrique. Un capteur de pression utilise un diaphragme pour collecter et concentrer la pression. Un accéléromètre attache un petit poids, appelé masse sismique, qui exerce une force sur l’élément pendant le mouvement.
Pourquoi les capteurs piézoélectriques nécessitent-ils des câbles et des amplificateurs à haute impédance ?
Ces capteurs produisent une petite quantité de charge et ont une impédance de sortie très élevée. L’utilisation d’électronique à haute impédance empêche le petit signal électrique de s’échapper, permettant une mesure de tension précise.
