Qu’est-ce qu’un capteur piézoélectrique ?
1.Schéma des Capteurs Piézolélectriques
Les capteurs piézoélectriques sont des éléments passifs qui utilisent les effets piézoélectriques et piézoélectriques inverses qui se produisent dans les matériaux diélectriques tels que le quartz et le quartz pour contrôler et détecter des mouvements infimes.
Ils ont une structure simple qui ne nécessite pas d’engrenages ou de moteurs pour fonctionner et sont donc plus petits que d’autres éléments de mécanismes de micro-opération.
2.Utilisations des capteurs piézoélectriques
Les capteurs piézoélectriques sont principalement utilisés dans des dispositifs qui détectent et contrôlent des micro-mouvements pour des applications industrielles.
Par exemple, ils sont utilisés dans les appareils de mesure des vibrations, où d’infimes variations de force causées par les vibrations sont transmises à l’élément piézoélectrique sous forme de pression. La tension générée dans l’élément piézoélectrique sous pression est ensuite utilisée comme sortie pour obtenir une valeur de tension, qui est quantifiée comme étant l’ampleur de la vibration.
Ils sont également utilisés comme systèmes d’entraînement accompagnant le mouvement des étages dans des équipements tels que les microscopes et les interféromètres, qui nécessitent un mouvement précis.
Les capteurs piézoélectriques de ces systèmes d’entraînement sont appelés pilotes piézoélectriques ou actionneurs piézoélectriques, et les actionneurs multicouches avec plusieurs couches d’éléments piézoélectriques sont également des composants courants.
Dans ces derniers, des mouvements infimes sont obtenus en appliquant des courants d’impulsion infimes aux éléments piézoélectriques. Les capteurs piézoélectriques conviennent aux situations où une grande réactivité et un contrôle précis des mouvements sont nécessaires.
3.Principe des capteurs piézoélectriques
Les céramiques piézoélectriques sont principalement utilisées comme matériau dans les éléments piézoélectriques, qui présentent une polarité, une tension électrique, à l’intérieur du cristal.
Un élément piézoélectrique est constitué d’un matériau piézoélectrique pris en sandwich entre des électrodes positives et négatives.
L’application d’une tension entre les électrodes exerce une pression sur le corps piézoélectrique, qui se dilate, se contracte et se déplace comme indiqué par les flèches bleues en fonction de l’amplitude de la tension, et ce déplacement est utilisé comme force motrice, etc. De plus, il est également possible de détecter une tension en appliquant une pression qui déforme le capteur piézoélectrique dans la direction opposée.
Le réseau cristallin du corps piézoélectrique reste électriquement stable dans des conditions normales en absorbant les ions de l’atmosphère. Cependant, lorsqu’une tension est appliquée, l’équilibre est facilement rompu et la polarité au sein du cristal change, ce qui entraîne l’expansion et la contraction du réseau cristallin dans la direction indiquée par la flèche, qui correspond au déplacement du corps piézoélectrique.
L’élément piézoélectrique utilise cette polarité pour convertir efficacement l’énergie électrique en énergie de déformation pour l’élément, et est structuré avec un corps piézoélectrique pris en sandwich entre des électrodes.
En réponse à la tension appliquée entre les électrodes, une pression est exercée sur le corps piézoélectrique, ce qui entraîne sa déformation.
Le corps piézoélectrique peut également détecter une tension lorsque la pression est appliquée dans la direction opposée.
Dans ce cas, la déformation du matériau piézoélectrique est au mieux de l’ordre de quelques microns, en raison de la déformation due à la polarité électronique du réseau cristallin du matériau piézoélectrique.
Par conséquent, en général, il n’est possible d’exprimer qu’une quantité d’entraînement de quelques microns, de sorte que plusieurs éléments piézoélectriques doivent être combinés et empilés si l’on veut obtenir une quantité d’entraînement plus importante.
4.Comment choisir des capteurs piézoélectriques ?
Il est nécessaire de déterminer l’élément piézoélectrique qui fonctionne de manière appropriée selon que le matériau dans lequel l’élément est installé et exploité. Il faut également prendre en compte la constitution soit d’une charge de masse, soit d’une charge élastique.
Lors du fonctionnement d’une structure en mouvement maintenue par un élément élastique tel qu’un ressort, l’élément piézoélectrique est soumis à des conditions de charge élastique. En effet, lorsque la charge est appliquée par l’élément piézo-électrique, l’élasticité du ressort agit pour repousser la force exercée par l’élément piézo-électrique, ce qui modifie la manière dont la force est transmise.
Plus précisément, lorsque la force générée par la pression exercée par l’élément piézoélectrique sur l’élément moteur est transmise directement au composant en mouvement, on parle de chargement de masse, et une force constante dans le sens de la flèche bleue est continuellement appliquée à partir du moment où la tension est appliquée à l’élément piézo-électrique.
En revanche, dans le cas du chargement élastique décrit ci-dessus, la force générée lorsque l’élément piézoélectrique représenté par la flèche bleue appuie sur l’élément moteur est transmise au composant en mouvement par l’intermédiaire d’un élément élastique tel qu’un ressort.
À partir du moment où la tension est appliquée à l’élément piézoélectrique, celui-ci est pressé contre la résistance du ressort représenté par la flèche rouge, et la force appliquée au composant augmente progressivement jusqu’à ce qu’elle atteigne une force constante.
Si l’élément piézoélectrique n’est capable d’une tension constante que lorsqu’il est pressé à travers un élément élastique tel qu’un ressort, la quantité de mouvement sera différente entre la première et la seconde moitié de l’opération.
De plus, comme l’élément piézoélectrique a une course fixe qui peut être déplacée, il est important de choisir un élément piézoélectrique dont la course peut satisfaire au mouvement souhaité.
5.Matériaux pour les capteurs piézoélectriques
Les matériaux à effet piézoélectrique peuvent être à base de céramique ou de film.
5-1.Céramiques piézoélectriques
Titanate de zirconate de plomb (PZT)
La céramique piézoélectrique est le matériau le plus répandue, utilisé dans une large gamme d’applications, incluant les buzzers, les capteurs de vibrations et les actionneurs.
5-2.Tantalate de lithium (LT)
Utilisé dans les appareils électroniques en raison de son cristal unique et de sa bonne stabilité. L’application la plus courante est celle des dispositifs électroniques appelés filtres SAW, qui ne laissent passer que certaines ondes radio. Il est également largement utilisé dans les téléphones portables.
5-3.Films piézoélectriques
Polyfluorure de vinylidène (PVDF)
Il s’agit d’un film de résine ayant des propriétés piézoélectriques. Bien que sa capacité de déplacement ne soit pas aussi élevée que celle des céramiques, il peut être produit à peu de frais et transformé en diverses formes. Il est donc largement utilisé dans les appareils ménagers, tels que les capteurs de proximité dans les aspirateurs autopropulsés et les capteurs tactiles.
6.Exemples de produits utilisant des capteurs piézoélectriques
6-1.Capteurs piézoélectriques pour briquets
Les capteurs piézoélectriques sont utilisés dans les pièces d’allumage des briquets électroniques et des réchauds à gaz, en utilisant le fait qu’ils génèrent une charge à haute tension lorsqu’un choc est appliqué.
Les silex (pierres d’allumage) s’usent à chaque utilisation, mais les éléments piézoélectriques utilisés dans les briquets électroniques peuvent être utilisés de manière semi-permanente tant qu’ils ne sont pas endommagés, ce qui permet de les utiliser dans les briquets à gaz rechargeables.
6-2.Capteurs piézoélectriques pour composants sonores
Les capteurs piézoélectriques sont également utilisés comme composants sonores, en utilisant leur propriété d’expansion et de contraction lorsqu’un signal électrique est appliqué. De minces feuilles de céramique piézoélectrique sont laminées sur une plaque métallique afin d’obtenir une amplitude de vibration par propagation des vibrations, ce qui peut produire un son fort.
Il sont principalement utilisés pour les sons de notification dans les appareils ménagers, les bips d’ordinateur, les sons électroniques dans les horloges, les sons de recul dans les cabines de voiture et les sons de clic dans les équipements audio.
Certains systèmes audio haut de gamme sont équipés de haut-parleurs piézoélectriques comme tweeters qui produisent des sons autour de 20kHz qui sont à peine audibles pour l’oreille humaine, créant un effet d’élargissement du son dans la musique classique, etc.
6-3.Les actionneurs piézoélectriques
Les capteurs piézoélectriques conviennent également comme actionneurs (unités d’entraînement) pour pousser et tirer des objets, en tirant parti de leur capacité à se dilater et à se contracter sous l’effet de signaux électriques.
Ils sont utilisés dans l’unité d’entraînement des imprimantes à jet d’encre pour réaliser des fonctions d’éjection d’encre de haute précision et des fonctions de distribution pour faire sortir le liquide.
Les actionneurs utilisant des éléments piézoélectriques ont l’avantage d’être plus petits que les actionneurs utilisant des bobines électromagnétiques. Toutefois, comme ils ne peuvent pas rivaliser avec les actionneurs de type bobine en termes d’amplitude de vibration, ils ne sont utilisés que dans des applications où des amplitudes d’entraînement minuscules et de haute précision sont requises.