Mécanique et électrons
La piézoélectricité concerne la génération de charges électriques dans un matériau soumis à un stress mécanique, souvent il s'agit d'une variation de pression.
Description
La piézoélectricité est un effet réversible : soumis à un champ électrique, le matériau subit une déformation mécanique.
Un matériau piézoélectrique, soumis à un champ électrique, voit sa structure cristalline déformée pour compenser le champ.
L'inverse fonctionne également : des charges apparaissent si on déforme la structure cristalline.
Attention
L'effet piézoélectrique est souvent mêlé à l'effet pyroélectrique. En effet, un changement de température provoque une dilatation/contraction du matériau, qui est donc ainsi stressé.
Matériaux piézoélectriques
Si le quartz est connu pour ses propriétés piézoélectriques utilisées comme horloge de référence (il vibre à une fréquence stable sous l'effet d'un champ électrique), il est dépassé par ce qu'on appelle les PZT, un composé de plomb, zirconium et titane. Le nitrure d'aluminium AlN et l'oxyde de zinc ZnO sont commodes car on peut les déposer en couches sur du silicium, ce qui est rarement le cas des structures céramiques comme le PZT. Encore plus pratique est le PVDF-TrFE, un copolymère (que j'ai longtemps utilisé pour le projet FingerChip).
Applications
Les applications sont tellement nombreuses qu'il est impossible d'en faire une liste exhaustive...
Capteurs & détecteurs
- Capteur de pression (pneus)
- Capteur d'accélération : dans un accéléromètre, une masse déforme un matériau piézo, engendrant des charges électriques que l'on mesure
- Échographie, émission-réception ultrasonique, commode pour les détecteurs d'obstacle des voitures (mais si, les trucs qui couinent quand vous reculez près d'un mur)
- Capteur ultrasonique d'empreintes digitales
- Pèse-personne
- Microphones, sonars
- Résonateurs = vibrations à une fréquence stable
- Actionneurs très précis (genre microscope à effet tunnel)
- Commande d'injection pour moteur, imprimantes
- Allume-gaz et autres briquets
- Filtres à ondes de surface
- brumisateurs
on peut produire des charges importantes, et la haute tension associée.
Microgénérateurs
On peut également se servir de la piézoélectricité pour récupérer de l'énergie de l'environnement, surtout quand des vibrations sont disponibles.
Par exemple, on utilise une poutrelle avec une masse au bout qui vibrera grâce aux vibrations de l'environnement, en adaptant la masse et l'élasticité de la poutre aux fréquences disponibles, et un élément piézoélectrique placé sur la poutrelle se ploiera périodiquement, en produisant des charges électriques que l'on récupèrera.
Cette technique est, par exemple, employée pour générer de petites puissances pour alimenter un capteur pour éviter d'avoir à changer des piles. Mais il faut une source de vibrations, bien sûr.
Je m'en suis même servi pour alimenter un microcontrôleur lorsque l'on extrait un bouchon de bouteille. Cela servait à détecter l'ouverture sans avoir de pile. La première fois notamment (détection de première ouverture).
La chaleur peut également provoquer l'apparition de charges et d'une polarisation, c'est la pyroélectricité, mais il est parfois difficile de la démêler de la piézoélectricité, car la dilatation entre en jeu.