Piézoélectricité 578931 31623918 2008-07-16T12:49:38Z 193.251.23.137 /* Mise en forme */ [[Image:SchemaPiezo.gif|thumb|Illustration du comportement d'une pastille piézoélectrique : la contrainte appliquée crée un signal électrique.]] La '''piézoélectricité''', du grec piézein (presser, appuyer), est la propriété que possèdent certains corps de se [[polarisation (diélectrique)|polariser]] électriquement sous l'action d'une [[contrainte|contrainte mécanique]] et réciproquement de se déformer lorsqu'on leur applique un [[champ électrique]]. Les deux effets sont indissociables. Le premier est appelé effet piézoélectrique ''direct'' ; le second effet piézoélectrique ''inverse''. Cette propriété trouve un très grand nombre d'applications dans l'industrie et la vie quotidienne. Une application parmi les plus familières est l'allume-gaz. Dans un allume-gaz, la pression exercée produit une tension électrique qui se décharge brutalement sous forme d'étincelles : c'est une application de l'effet direct. De manière plus générale, l'effet direct peut être mis à profit dans la réalisation de [[capteur]]s (e.g. capteur de [[pression]], [[Microbalance piézoélectrique|microbalance]]...) tandis que l'effet inverse permet de réaliser des actionneurs (e.g. [[injecteur]]s à commande piézoélectrique en [[automobile]], nanomanipulateur...). Les matériaux piézoélectriques sont très nombreux. Le plus connu est sans doute le quartz, toujours utilisé aujourd'hui dans les montres pour générer des impulsions d'horloge. Mais ce sont des céramiques synthétiques, les [[PZT]] qui sont le plus largement utilisées aujourd'hui dans l'industrie. Soulignons enfin que l'effet piézoélectrique inverse ne doit pas être confondu avec l'[[électrostriction]] qui est un effet du second ordre et existe dans tous les matériaux. == Historique == Au milieu du {{s-|XVIII|e}}, [[Carl von Linné]] et [[Franz Aepinus]] avaient étudié l'effet [[Pyroélectricité|pyroélectrique]], par lequel un changement de température entraine une variation de la polarisation électrique d'un cristal. Poursuivant dans cette direction, l'abbé [[René Just Haüy]] et [[Antoine_Becquerel|Antoine César Becquerel]] mirent en évidence l'existence de phénomènes électriques induits par une pression sur le spath d'Islande. Quand bien même ils parlèrent alors d'''électricité de pression'', ce phénomène ne présente pas les caractéristiques de la piézoélectricité<ref>Voir l'introduction aux leçons de René Just Haüy dans {{Ouvrage| directeur = Étienne Guyon | titre = Leçons de physique, de chimie et d'histoire naturelle | collection = L'École normale de l'an III | éditeur = Éditions Rue d'Ulm | année = 2006 | lieu = Paris}}</ref> (le spath d'Islande n'est pas en réalité piézoélectrique). Il s'agissait probablement de la manifestation de charges statiques crées par des frottements dûs à des imperfections des montages expérimentaux de l'époque. La première démonstration de l'effet piézoélectrique direct est due aux frères [[Pierre Curie|Pierre]] et [[Jacques Curie]] en 1880. Combinant leurs connaissances de la pyroélectricité et de la structure cristalline, ils prédirent et vérifièrent l'existence de la piézoélectricité sur des cristaux de [[quartz (minéral)|quartz]], de tourmaline, de topaze, de sucre et de sel de Rochelle. L'existence de l'effet inverse fut prédite l'année suivante par [[Gabriel Lippman]] sur la base de calculs [[thermodynamique]]s<ref>{{périodique|auteur=G. Lippman|titre=Principe de la conservation de l'électricité|journal=Annales de chimie et de physique|vol=24|pages=145|texte=http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k348640|date=1881}}</ref>, et immédiatement vérifiée par les Curie<ref>{{Périodique|auteur=P. Curie et J. Curie|titre=Contractions et dilatations produites par des tensions électriques dans les cristaux hémièdres à faces inclinées|journal=Comptes rendus de l'Académie des Sciences|vol=XCIII|pages=1137|date=séance du 26 décembre 1881|texte=http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k2282p}}</ref>. La piézoélectricité resta une curiosité de laboratoire pendant une trentaine d'années ; elle donna surtout lieu à des travaux théoriques sur les structures cristallines présentant cette propriété. Ces travaux aboutirent en 1910 à la publication par [[Woldemar Voigt]] du ''Lehrbuch der Kristallphysik'' qui donne les vingts classes cristallines piézoélectriques, et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques dans le formalisme de l'analyse tensorielle. La première application de la piézoélectricité fut le [[sonar]] développé par [[Paul Langevin]] et ses collaborateurs pendant la première guerre mondiale. Ce sonar était composé de lames de quartz collées entre deux plaques d'acier et d'un hydrophone et permettait, par la mesure du temps écoulé entre l'émission d'une onde acoustique et la réception de son écho, de calculer la distance à l'objet<ref>{{Périodique|lang=en|auteur=Warren P. Mason|titre=Piezoelectricity, its history and applications|revue=Journal of the Acoustical Society of America|vol=70|issue=6|pages=1561|date=1981}}</ref>. Peu de temps après, au début des années 1920, le premier oscillateur à quartz est mis au point, ouvrant ainsi la voie au contrôle de fréquence<ref>{{Périodique|auteur = Arthur Ballato | titre = Piezoelectricity: Old Effect, New Thrusts | lang = en | journal = IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control | date = 1995 | vol = 42 | pages = 916}}</ref>. Le succès de ces projets suscita un grand intérêt pour la piézoélectricité, relança les recherches et conduisit à travers les années qui suivirent au développement de nouveaux dispositifs pour une large palette d'applications dans la vie quotidienne, l'industrie et la recherche. L'amélioration du phonographe ou le développement du réflectomètre et du transducteur acoustique, largement utilisé pour les mesures de dureté ou de viscosité, en sont des exemples. Au cours de la seconde guerre mondiale, la recherche de matériaux plus performants amena différents groupes de recherche au Japon, aux Etats-Unis et en Russie à développer les [[Ferroélectricité|ferroélectriques]], notamment le titanate de Baryum et les PZT qui sont encore aujourd'hui des matériaux de référence. Un nouveau saut a été effectué au début des années 1980 avec la synthèse des cristaux de PZN-PT et PMN-PT qui présentent les coefficients piézoélectriques les plus élevés connus à ce jour. Aujourd'hui, les recherches sur les matériaux piézoélectriques portent notamment sur la compréhension précise de ces propriétés exceptionnelles, leur optimisation, ainsi que sur le développement de matériaux sans plomb. == Matériaux piézoélectriques == === Composition chimique et structure cristalline === [[Image:MaillePbTiO3.png|thumb|Maille cristalline d'un cristal de structure [[pérovskite]] : PbTiO<sub>3</sub>]] De nombreux cristaux naturels sont piezoélectriques. On peut citer le [[Quartz (minéral)|quartz]], la [[Topaze (minéral)|topaze]], la [[tourmaline]], la [[berlinite]] (AlPO<sub>4</sub>), le sucre, le sel de Rochelle. Mais les matériaux piézoélectriques les plus utilisés sont des matériaux de synthèse. Les plus courants ont une structure cristalline [[pérovskite]] : PbTiO<sub>3</sub>, BaTiO<sub>3</sub>, KNbO<sub>3</sub>, Pb(Zr<sub>''x''</sub>Ti<sub>''1-x''</sub>)O<sub>3</sub> ([[PZT]]). Les matériaux LiNbO<sub>3</sub>, LiTaO<sub>3</sub>, sont quand à eux de maille [[Ilménite]] (3m) Certains matériaux de structure cristalline tungstène-bronze sont également utilisés (Ba<sub>2</sub>NaNb<sub>5</sub>O<sub>5</sub>, Pb<sub>2</sub>KNb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>). Parmi les autres matériaux piézoélectriques de synthèse, on peut citer l'[[orthophosphate de gallium]] (GaPO<sub>4</sub>), l'[[arséniate de gallium]] (GaAsO<sub>4</sub>) ou les cristaux langasites (dont le langasite de composition La<sub>3</sub>Ga<sub>5</sub>SiO<sub>14</sub>). === Mise en forme === Dans les applications, les matériaux peuvent être utilisés sous différentes formes : * sous forme de [[monocristal]]. Ce n'est pas la forme la plus utilisée en pratique pour différentes raisons, mais il faut noter que c'est sous cette forme que les meilleures performances sont atteintes. * sous forme de [[Céramique_industrielle|céramique]]. C'est la forme la plus utilisée. C'est notamment le cas pour les céramiques de [[PZT]] dont la technologie est connue depuis les années 50. Une forme intermédiaire entre la céramique et le monocristal est la céramique texturée qui peut être utilisée également. * sous forme de [[Matériau composite|composite]]. Dans un composite, le matériau piézoélectrique est divisé et plongé dans une matrice non piézoélectrique (une résine). Les composites ont montré leur intérêt par rapports aux céramiques conventionnelles dans le domaine des transducteurs acoustiques hautes fréquences pour l'imagerie : leur meilleur coefficient de couplage électromécanique et leur impédance acoustique plus adaptée permettent d'améliorer la résolution des images<ref name="Shung2007">{{Périodique|auteur=Shung KK, Cannata JM, Zhou QF|date=2007|titre=Piezoelectric materials for high frequency medical imaging applications: A review|lang=en|journal=Journal of Electroceramics|vol=19|pages=139-145}}</ref>. * sous forme de [[couche mince]]. La piézoélectricité est une propriété à la base des microsystèmes électromécaniques ([[MEMS]]) comme les micromoteurs, les microvalves, les accéléromètres ou les membranes. Les avantages des couches minces piézoélectriques sont notamment eur faible puissance de fonctionnement, l'importance des forces générées et les larges gammes de fréquences d'utilisation. Les couches sont en général fabriquées par un [[procédé sol-gel]] et ont une épaisseur comprise typiquement entre 0,5 et 5 microns. Le matériau le plus utilisé est là aussi le [[PZT]]. Il faut noter que les coefficients piézoélectriques mesurés sur les couches minces sont plus faibles que ceux du matériau massif à cause de l'effet du substrat<ref>{{Périodique|auteur=N. Setter ''et al.''|titre=Ferroelectric thin films: Review of materials, properties and applications|lang=en|journal=Journal of Applied Physics|vol=100|pages=051606|date=2006}}</ref>. === Les polymères === Il existe également des [[polymères]] qui présentent des propriétés piézoélectriques. Les plus couramments utilisés sont des polymères de synthèse, notamment le polyvinylidine difluoride ([[PVDF]]) (-CH<sub>2</sub>-CF<sub>2</sub>-)<sub>n</sub> et ses dérivés. Dans la pratique, les polymères sont utilisés également en couche mince de 6 à 25 microns pour la réalisation de transducteurs ou d'hydrophones. Ils ont l'avantage de présenter une impédance acoustique plus faible, de permettre une mise en forme facile et donc peu onéreuse. En contrepartie, leurs coefficients de couplage électromécanique restent modestes : 12 à 15% pour le PVDF et jusqu'à 30% pour le co-polymère P(VDF-TrFE). Ils présentent de plus des pertes diélectriques élevées<ref name="Shung2007"/>. == Principes physiques de la piézoélectricité == === Considérations de symétrie === L'existence de la piézoélectricité dans un cristal est liée aux symétries de la maille cristalline. En particulier, un cristal ne peut pas être piézoélectrique si sa maille possède un centre de symétrie (maille dite ''centrosymétrique''). De manière générale, on classe les cristaux suivant leurs symétries en 230 [[Groupe d'espace|groupes d'espace]] regroupés en 32 [[classe cristalline|classes cristallines]]. Il existe 21 classes non centrosymétriques, dont 20 sont piézoélectriques. Parmi ces classes piézoélectriques, 10 possèdent une polarisation électrique spontanée et sont dites polaires. Leur polarisation spontanée varie avec la température, ces cristaux sont donc [[Pyroélectricité|pyroélectrique]]s. Parmi les cristaux pyroélectriques enfin, certaines sont dits [[Ferroélectricité|ferroélectriques]] et se caractérisent par le fait qu'il est possible de renverser leur polarisation électrique permanente en appliquant un fort champ électrique dans le sens opposé. {| class="wikitable" width="90%" align="center" style="border:5px #E00;" ! colspan="4"| 32 [[Classe cristalline|classes cristallines]] |- !width="75%" colspan="3" align="center"| 20 classes piézoélectriques | align="center" rowspan="3"| non piézoélectriques |- !width="50%" colspan="2" align="center"| 10 classes polaires [[pyroélectricité|pyroélectriques]] | align="center" rowspan="2"| non pyroélectriques |- !width="25%" align="center"| [[Ferroélectricité|ferroélectriques]] | align="center" |non ferroélectriques |- |ex : BaTiO<sub>3</sub>, PbTiO<sub>3</sub> |ex : [[Tourmaline]] |ex : [[Quartz_(minéral)|Quartz]] | |} === Origines microscopiques de l'effet piézoélectrique === Dans tous les cas, la piézoélectricité relie une déformation à une variation de moment dipolaire dans le matériau. Selon le type de matériau, plusieurs mécanismes permettent d'expliquer la piézoélectricité, par l'hétérogénéité des distributions de charges : ;ioniques : Les matériaux piézoélectriques modèles sont des [[cristal ionique|cristaux ioniques]]. Un milieu cristallin ionique est composé de [[particule chargée|particules chargées]] positivement (ou [[cation]]s : Ba<sup>2+</sup>, Ti<sup>4+</sup>, Pb<sup>2+</sup>...) et négativement (ou [[anion]]s : principalement O<sup>2-</sup>). Dans un cristal, la piézoélectricité est liée à la variation de position de ces particules et en particulier à la variation du décalage des [[barycentre]]s des charges positives et négatives de la [[Maille (cristallographie)|maille]] cristalline. Dans le cas de la piézoélectricité, ces variations sont provoquées par une [[déformation]] mécanique de la maille. ;électroniques délocalisées par la structure cristalline : Certains cristaux monoatomiques sont également piézoélectriques : c'est le cas du tellure<ref>{{Périodique|lang=fr|auteur=G. Quentin, J. M. Thuillier|titre=Observation des propriétés piézoélectriques du tellure par résonance électromécanique|revue=Solid State Communications|vol=2|pages=115|date=1964}}</ref> et du sélénium<ref>{{Périodique|lang=en|auteur=J. Bouat, J.M. Thuillier|titre=Electromechanical resonance in selenium determination of the piezoelectric coefficient d<sub>11</sub>|revue=Physical Letters A|vol=37|pages=71|date=1971}}</ref>. Dans ce cas l'explication précédente n'est plus valable car on ne peut plus voir ces cristaux comme un empilement d'ions de charges différentes. Les électrons sont néamnoins localisés autour des liaisons covalentes, créant une distribution de charges dans l'espace. L'origine de la variation du moment dipolaire peut s'expliquer par une modification de cette distribution. ;électroniques délocalisées par la structure moléculaire : Dans les [[polymères]] piézoélectriques, le mécanisme est différent. Le cas typique est celui du polymère [[PVDF]]. Ce polymère est construit à partir du polyéthylène en substituant à deux atomes d'hydrogène deux atomes de fluor. Ceux-ci, plus électronégatifs, attirent à eux les charges négatives. Ceci provoque l'apparition d'un moment dipolaire permanent qui varie avec la pression exercée. ;électroniques en différents points d'un milieu poreux : Enfin, il a été montré qu'il était possible d'observer un effet piézoelectrique macroscopique dans des matériaux non piézoélectriques. Dans le silicium, il a été montré expérimentalement que la porosité permettait d'obtenir un matériau apparemment piézoélectrique<ref>{{Périodique|lang=en|auteur=S. Vinikman-Pinasy, E.N. Ribak|titre=Piezoelectric and piezooptic effects in porous silicon|revue=Applied Physics Letters|vol=88|pages=111905|date=2006}}</ref>. L'apparition d'un effet piézoélectrique dû à un couplage entre la polarisation et un gradient de déformation (flexoélectricité) a également été soulignée <ref>{{Périodique|lang=en|auteur=J. Fousek, L.E. Cross, D.B. Litvin|titre=Possible piezoelectric composites based on flexoelectric effect|revue=Materials Letters|vol=39|pages=259|date=1999}}</ref>. == Formalisme == === Coefficient piézoélectrique === Dans une approche simplifiée, on peut définir un coefficient piézoélectrique <math>d</math> en se référant à l'effet inverse comme le coefficient de proportionnalité entre une déformation <math>S</math> et un champ électrique appliqué <math>E</math>. On écrira alors :<math> S = d E </math> L'unité de ce coefficient dans le système international est alors le [[mètre]] par [[volt]] (m/V). L'unité usuelle, étant donné les ordres de grandeurs des coefficients piézoélectriques connus, est le picomètre par volt (10<sup>-12</sup> m/V). Un tel coefficient peut être mesuré directement, notamment par [[interférométrie laser]] ou [[PFM]]<ref>Les mesures quantitatives par PFM sont toutefois récentes et très délicates.</ref>. Il ne s'agit toutefois que d'une caractérisation très partielle du comportement piézoélectrique du matériau. === Tenseur piézoélectrique === Afin de caractériser plus complètement les propriétés piézoélectriques d'un matériau, il convient le prendre en compte la nature [[tenseur|tensorielle]] des grandeurs physique en jeu. Ainsi : * le champ électrique est un vecteur, ou encore un tenseur d'ordre 1, * la déformation est représentée par un tenseur symétrique d'ordre 2, le [[tenseur des déformations]]. On représentera donc la piézoélectricité par un tenseur d'ordre 3 et on écrira :<math> S_{ij} = d_{kij} E_k </math> Dans le cas le plus général, il faut 18 coefficients indépendants pour caractériser complètement les propriétés piézoélectriques d'un matériau. Ce nombre est réduit si la structure cristalline du matériau présente des symétries particulières : il n'en faut plus que 4 dans le [[Quartz_(minéral)|quartz]] et 3 dans le titanate de baryum BaTiO<sub>3</sub>. === Propriétés électromécaniques === La présence de l'effet piézoélectrique dans un matériau impose de reconsidérer l'étude de ses propriétés diélectriques et élastiques. Il faut par exemple distinguer les propriétés élastiques du matériau à champ électrique nul et à déplacement électrique nul. De ce fait, les propriétés piézoélectriques, diélectriques et élastiques sont en général étudiées conjointement. Cet ensemble de propriétés est appelé '''propriétés électromécaniques''' ; on les représente par un tenseur dit piézoélastique. Il existe 4 représentations du tenseur piézoélastique correspondant à 4 choix de variables indépendantes possibles. La représentation pertinente dépend en général des conditions aux limites du problème considéré. Les notations usuelles sont définies dans la norme ANSI/IEEE<ref name="StandardIEEE">{{ANSI/IEEE Standard on Piezoelectricity}}</ref>. En choisissant comme précédemment le champ électrique <math>E</math> comme variable, ainsi que la contrainte <math>T</math>, les équations de la piézoélectricité s'écrivent : :<math> \left\{ \begin{array}{l l l l l} S_{ij} & = & s_{ijkl}^E\,T_{kl} & + & d_{kij}\,E_k \\ D_i & = & d_{ikl}\,T_{kl} & + & \varepsilon^T_{ij}\,E_j \end{array} \right. </math> Une convention de notation appelée [[notation de Voigt]] permet de contracter les indices et de représenter le tenseur piézoélectrique sous forme matricielle. == Caractérisation des matériaux piézoélectriques == De manière générale, on entend par ''caractérisation'' d'un matériau la détermination d'un certain nombre de ses paramètres permettant d'évaluer sa qualité et son adaptation à une application donnée. On caractérise un matériau piézoélectrique en mesurant notamment ses propriétés électromécaniques décrites précédemment, mais aussi d'autres propriétés comme le coefficient de couplage électromécanique ou le facteur de qualité mécanique qui s'avèrent particulièrement utiles dans la conception de différents dispositifs à base de piézoélectriques. === Coefficients de couplage électromécanique === Les coefficients de couplage électromécanique, généralement notés <math>k_{ij}</math>, sont des grandeurs tout à fait centrales dans la caractérisation d'un matériau piézoélectrique. Ces coefficients sont compris en 0 et 1 et peuvent être vus comme une sorte de rendement : ils traduisent la faculté d'un matériau piézoélectrique à transformer l'énergie mécanique qu'il reçoit en énergie électrique et inversement. Il s'agit d'une caractéristique essentielle d'un matériau dans la conception de différents dispositif ; il est notamment relié très directement à la bande passante des transducteurs acoustiques. On peut définir un coefficient de couplage soit en quasi-statique, soit plus couramment en dynamique dans le cadre de l'étude de la propagation des ondes acoustiques dans le matériau. === Méthodes de caractérisation === * par mesures d'impédance complexe : cette méthode, parfois appelée Méthode IRE<ref>en référence à la première normalisation qui en fut donnée par l'IRE : {{Périodique|titre=IRE Standards on Piezoelectric Crystals|date = 1961|journal =Proceedings of the IRE|pages = 1162-1169| lang=en}}.</ref>, est la méthode standard de caractérisation des céramiques piézoélectriques. En mesurant l'[[Impédance (électricité)|impédance complexe]] de différents échantillons de formes et de dimensions différentes en fonction de la fréquence, on remonte aux différentes caractéristiques du matériau : propriétés électromécaniques, coefficients de couplage, facteurs de qualités mécanique. La procédure est normalisée dans la norme de l'IEEE<ref name="StandardIEEE" /> et décrite au moins partiellement dans les ouvrages de référence<ref>Diverses présentations sont également disponibles en ligne, voir par exemple : {{en}} [http://www.morganelectroceramics.com/pdfs/tp234.pdf Procedures for Measuring Properties of Piezoelectric Ceramics].</ref>. * ''pulse-echo'' * par [[spectroscopie acoustique]] * par [[diffusion Brillouin]] : faire une expérience de diffusion Brillouin revient à mesurer des vitesses d'ondes acoustiques longitudinales et transverses se propageant dans différentes directions. Il est en principe possible, en effectuant plusieurs mesures, de remonter à l'ensemble des propriétés élastiques<ref>{{Périodique|auteur = R. Vacher et L. Boyer |titre = Brillouin Scattering: A Tool for the Measurement of Elastic and Photoelastic Constants | journal = Physical Review B | vol = 6 | pages = 639 | date = 1972 | lang=en}}</ref> et électromécaniques. Cette méthode a été notamment utilisée pour la détermination des propriétés de certains piézoélectriques modèles (BaTiO<sub>3</sub><ref>{{Périodique | auteur = Z. Li, S. K. Chan, M. H. Grimsditch, E. S. Zouboulis | titre = The elastic and electromechanical properties of tetragonal BaTiO<sub>3</sub> single crystals | journal = Journal of Applied Phyics | vol = 70 | pages = 7327 | date = 1991 | lang = en}}</ref>, PbTiO<sub>3</sub><ref>{{Périodique|auteur=A. G. Kalinichev, J. D. Bass, B. N. Sun, D. A. Payne|titre=Elastic properties of tetragonal PbTiO<sub>3</sub> single crystals by Brillouin scattering|journal=Journal of Materials Research |vol=12 |pages=2623 |date=1997 |lang=en}}</ref>, KNbO<sub>3</sub><ref>{{Périodique|auteur=A. G. Kalinichev, J. D. Bass, C. S. Zha, P. Han, D. A. Payne|titre=Elastic properties of Orthorhombic KNbO<sub>3</sub> single crystals by Brillouin scattering|journal=Journal of Applied Physics |vol=74 |pages=6603 |date=1993 |lang=en}}</ref>) mais souffre de plusieurs limitations et reste assez marginale. * méthode de Berlincourt * par interférométrie laser * par PFM {{...}} === Propriétés de quelques matériaux types === Les coefficients rapportés dans le tableau suivant relient l'allongement d'une barre (sans unité) au champ électrique appliqué entre ses deux extrémités (en V/m). L'unité du système international pour ce coefficient est donc le mètre par volt (m/V). Les indices (33) se rapportent à la direction cristallographique correspondant à la longueur de la barre. {| class="wikitable" |+ Coefficients piézoélectriques de matériaux types ! Matériau ! d<sub>33</sub> (10<sup>-12</sup> m/V) |----- | [[Quartz (minéral)|Quartz]] | 2,3 |-{{ligne grise}} | BaTiO<sub>3</sub> | 90 |----- | PbTiO<sub>3</sub> | 120 |-{{ligne grise}} | [[PZT]] | 560 |----- | PZN-9PT | 2500 |} == Applications == === [[Transducteur|Transducteurs acoustiques]] === [[Image:Piezoelectric_pickup1.jpg|thumb|Microphone de contact piézoélectrique sur une guitare classique.]] Les matériaux piézoélectriques permettent de convertir une onde acoustique en signal électrique et inversement. Ils constituent le coeur des transducteurs acoustiques utilisés pour émettre ou détecter des ondes acoustiques dans toutes les gammes de fréquences. On les retrouve dans plusieurs domaines. * Dans les gammes de fréquences audibles, on réalise des [[microphone]]s (et en particulier des [[microphone de contact|microphones de contact]]) et des [[haut-parleur]]s, notamment dans les [[téléphone portable|téléphones portables]]. * Dans les [[sonar]]s, utilisés dans la marine, mais aussi dans l'automobile, pour la détection d'obstacles. * En médecine, on en utilise pour la réalisation d'[[échographie]]s, qui nécessitent l'émission et la détection d'ondes ultrasonores, ainsi que pour certaines thérapies par ultrasons. {{clr}} === Résonateurs piézoélectriques === {{Article détaillé|Quartz (électronique)}} Il est possible de réaliser des [[Résonance|résonateur]]s piézoélectriques très stables (dérivant avec les changements de température et au cours du temps) et avec des fréquences très précises. La vibration piézoélectrique très stable permet de réaliser des références de temps exploitables en électronique. Les [[montre (horlogerie)|montre]]s à quartz utilisent la résonance d'un diapason en quartz pour générer les impulsions régulières d'horloge. Les [[Microbalance piézoélectrique|microbalances piézoélectriques]], et particulièrement les [[Microbalance à quartz|microbalances à quartz]], reposent également sur ce principe et permettent des mesures de masses très précises. === [[Capteur]]s === De manière plus générale, les matériaux piézoélectriques sont des candidats naturels pour les applications basées sur la détection de pressions : * Capteurs de pression, notamment pour l'automobile (pression des pneus), l'aéronautique (pression dans les tuyères) ou la musique (batterie électronique) : La contrainte mécanique que la pression exerce sur un matériau piézoélectrique génère des charges que l'on peut mesurer électroniquement * Détecteurs de mouvements : capteurs inertiels ([[accéléromètre]] à lame vibrante, [[gyromètre]] vibrant [[force de Coriolis|Coriolis]]) qui peuvent être utilisés dans les [[centrale à inertie|centrales à inertie]] ou plus couramment dans des applications de plus basse précision ([[coussin gonflable de sécurité]], [[guidage]], manette de jeu vidéo ([[wii]])) === Micromanipulateurs === Les déplacements très faibles produits par les cristaux piézoélectriques en font des micromanipulateurs idéaux mis à profit dans différentes applications : * [[microscope|microscopie]] à balayage : le [[microscope à force atomique]] et le [[microscope à effet tunnel]] emploient la piézoélectricité pour réaliser les petits déplacement nécessaire au balayage de la surface sondée ; * application opto-acoustique : par micro-positionnement piézoélectrique de miroir, l'ajustement de la longueur de la cavité de [[laser]] peut être pilotée pour optimiser la [[longueur d'onde]] du faisceau ; * [[optique adaptative]] en [[astronomie]] : des actionneurs piézoélectriques sont utilisés pour déformer un [[miroir]] afin de corriger les effets de la [[turbulence]] atmosphérique. === Microgénération === Les piézoélectriques sont aussi au coeur d'applications plus récentes visant à récupérer l'énergie présente dans notre environnement sous différentes formes ou effectuées par des mouvements quotidiens <ref>{{Périodique| lang=en|auteur=S. R. Anton, H. A. Sodano|titre=A review of power harvesting using piezoelectric materials (2003-2006)|revue=Smart Materials and Structures|vol=16|pages=R1-R21|date=2007}}</ref>. Un exemple étudié en laboratoire est l'incorporation d'un film piézoélectrique dans les chaussures afin de produire de l'énergie grâce à la pression du talon pendant la marche. Les faibles puissances produites pourraient suffire à terme à alimenter certains dispositifs électroniques. Toutefois, la mise au point de tels dispositifs piézoélectriques reste délicate et de nombreux obstacles restent à surmonter. Les premiers produits, dit microgénérateurs, sont apparus en 2006{{ref nec}}. Ils récupèrent par exemple l'énergie mécanique fournie par la pression du doigt sur un bouton. L'électricité ainsi récupérée sert à alimenter un circuit radio, qui émet un message. Ce principe est utilisé pour fabriquer des sonnettes de maison. Il existe des applications plus techniques comme les réseaux de capteurs sans fil où la source d'énergie est la vibration. Les applications sont la maintenance préventive, ou le contrôle de processus. === Autres applications === * L'allume-gaz et le [[briquet]] « électronique ». L'effet piézoélectrique direct permet de générer de très fortes tensions, supérieures à la tension de claquage de l'air 30 kV/cm pour un écartement de quelques millimètres. Lorsque cette tension est atteinte, une étincelle de décharge est produite et mise à profit pour allumer le gaz du briquet ou de la gazinière. * Un [[Transformateur électrique|transformateur]] piézoélectrique est un multiplicateur de tension alternative. Contrairement au transformateur classique qui utilise un couplage magnétique, le couplage mis à profit est acoustique. Par effet piézoélectrique inverse, une tension d'excitation permet de générer (à l'aide d'[[électrode|électrodes]] situées sur une des deux extrémités de la barre) une contrainte alternative dans une barre d'un matériau fortement piézoélectrique (une céramique PZT par exemple). Cette contrainte permet la mise en [[vibration]] de la barre à une fréquence choisie pour correspondre à une fréquence de résonance. Par effet piézoélectrique direct, une tension est générée sur des électrodes situées sur la deuxième extrémité de la barre. Cette tension, qui bénéficie de l'amplification du mouvement dû à la résonance, peut être 1 000 fois plus élevée. * Les moteurs piézoélectriques : utilisés dans les systèmes [[autofocus]] d'[[Appareil photographique|appareils photographiques]], dans les mécanismes de vitre électrique de voiture, et en général dans les applications où la taille réduite de ces moteurs répond à des contraintes volumiques. * Certaines imprimantes à jet d'encre utilisent des éléments piézoélectriques pour produire les fines gouttelettes d'encre qui sont propulsées sur le papier. * Dans l'automobile, certains [[injection directe|injecteurs]] sont réalisés à partir de matériaux piézoélectriques. Cette technologie est assez récente et permet de gagner en rapidité d'injection<ref>[http://www.auto-innovations.com/actualite/actu-z041moteur.html auto-innovations : actualite moteur et transmission<!-- Titre généré automatiquement -->]</ref>. * La microscopie à force piézoélectrique (en anglais piezoresponse force microscopy - PFM) est un mode particulier d'utilisation du [[microscope à force atomique]] : l'application d'une tension entre la pointe et l'échantillon permet de sonder la structure en domaines ferroélectriques à l'échelle nanométrique. Cette technique est encore très récente et fait l'objet de recherches intensives<ref>A. Gruverman and S. V. Kalilin, ''Piezoresponse force microscopy and recent advances in nanoscale studies of ferroelectrics'', Journal of Material Sciences '''41''', 107-116 (2006).</ref>. * Les [[Filtre_(électronique)#Filtres_SAW|filtres à ondes acoustiques de surface (filtres SAW)]]. == Notes et références == {{Références|colonnes=2}} {{Traduction/Référence|en|Piezoelectricity|149517667|type=note}} == Voir aussi == === Articles connexes === * [[Pyroélectricité]] * [[Ferroélectricité]] * [[Électrostriction]] === Bibliographie === * {{Nye}} * {{Ouvrage|auteurs = E Dieulesaint, D Royer |titre = Ondes élastiques dans les solides - Application au traitement du signal|éditeur = Masson et Cie|année = 1974}} {{Électricité}} {{Portail|physique|électricité et électronique}} [[Catégorie:Électricité]] [[ca:Piezoelectricitat]] [[cs:Piezoelektrický jev]] [[da:Piezoelektrisk effekt]] [[de:Piezoelektrizität]] [[en:Piezoelectricity]] [[es:Piezoelectricidad]] [[it:Piezoelettricità]] [[ja:圧電効果]] [[nl:Piëzo-elektrisch effect]] [[pl:Zjawisko piezoelektryczne]] [[ru:Пьезоэлектрик]] [[sv:Piezoelektricitet]]