Les applications de la piézoélectricité [13] sont de deux types : les unes sont statiques ou apériodiques, c'est-à-dire qu'elles ne font pas appel à la résonance mécanique des composants piézoélectriques utilisés (mesure des pressions électro-acoustiques, mesure de forces statiques, ...) ; les autres font, au contraire, appel à cette résonance (génération ou ltrage des fréquences, génération d'ultrasons,...).
3.4.1 Mesure de pression, de force et Génération de déplacement,
d'eort
Par l'utilisation de l'eet direct ou/et de l'eet indirect de la piezoélectricité, il est possible de concevoir des actionneurs et des capteurs capables de générer et de mesurer de grands eorts ou des déplacements d'une grande précision.
La mesure des pressions et des forces est l'application la plus évidente de l'eet direct piézoélectrique. Les corps piézoélectriques permettent des mesures de chocs, des mesures d'accélération ou de variations de pression. En eet, l'emploi de lames piézoélectriques dans certaines mesures permet de constituer des accéléromètres [4, 5] ou des gyroscopes [6]. De tels capteurs, petits, légers et robustes, ont de plus une fréquence de résonance propre élevée. Ils rendent possibles la détection et la mesure à large bande des accéléra- tions (mobiles divers, engins, projectiles) et des vibrations de structures mécaniques.
Le premier eet employé dans la plupart des applications produits industriellement est l'eet longitudinal d33. Il permet notamment de concevoir des moteurs à déplacement
linéaire et des pistons de micropositionnement [7]. Une simple poutre avec un patch piezo- électrique peut être employée dans les appareils de microscopie à force atomique [8](ATM :
56 Piézoélectricité : mécanismes, modélisations et dépositions Atomic Force Microscopy) pour la mesure de position de l'extrémité sensible. Le second eet utilisé est l'eet transversal d31. Une poutre faite de deux lms piezoelectriques uni-
axiaux avec des polarités opposées permet d'obtenir un actionneur/capteur en exion. Ce type de dispositif peut être utilisé pour l'actionnement ou la mesure de déformation [9, 10]. Le troisième eet est l'eet de cisaillement produit par le coe cient d15. Le coef-
cient d15 est intéressant à utiliser car sa valeur est très supérieure aux autres. Il conduit
à la conception d'actionneur par torsion à grands eorts [11]. Un autre exemple d'ap- plication de cet eet est proposé par A. Benjeddou [12, 13]. L'architecture du dispositif consiste en une poutre sandwich où le coeur est remplacé par un matériau piézoélectrique. Le champ électrique est appliqué perpendiculairement à la direction de polarisation ce qui induit une déformation de cisaillement transverse.
Des détecteurs de gaz peuvent également être conçus en utilisant le principe des cavités résonantes. En eet, la fréquence de résonance perçue par le capteur dépend de la vitesse du son au travers du gaz dans la cavité [14].
3.4.2 Applications électro-acoustiques
Les têtes de lecture des Disk Compact ont constitué un débouché important pour les céramiques piézoélectriques. Celles-ci permettent la réalisation de capteurs sensibles et possédant une fréquence de résonance mécanique propre élevée, ce qui est indispensable à la reproduction dèle des enregistrements. Les céramiques utilisées doivent être insensibles aux variations des conditions atmosphériques ambiantes. Des microphones et des hauts parleurs audio [15] constitués de matériaux piézoélectriques sont également employés.
3.4.3 Génération et réception de sons ou d'ultrasons
La génération et la réception de sons ou d'ultrasons font en général appel à la résonance du composant piézoélectrique utilisé, a n d'obtenir un bon rendement électroa- coustique. Des pastilles de céramique piézoélectrique sont utilisées comme générateurs de sons (réveils, montres à quartz, signaux sonores de faible intensité). Les ultrasons produits par les céramiques sont en général situés dans la gamme de fréquences allant de 10 kHz à 1 GHz. Les fréquences atteignant 100 kHz sont utilisées dans les cuves de nettoyage. Le choix de la fréquence dépend du liquide nettoyant et de la nature des impuretés à éliminer. L'utilisation sous-marine des ultrasons répond à deux besoins : transmission et génération de signaux (téléphone sous-marin) et détection de corps (sonar). La fréquence choisie est fonction de ce que l'on cherche, banc de poissons ou sous-marin, et des condi- tions de propagation. Des transducteurs ultrasonores sont également très connus pour leurs applications dans l'imagerie médicale [16, 17]. Une onde ultrasonore est produite par un émetteur. Les intensités des ondes ré échies par les diérents organes du corps à diverses fréquences sont mesurées par un capteur en fonction du temps.
3.4.4 Applications radioélectriques
Les applications radioélectriques sont, peut-être, les plus importantes. Toutes se réfèrent à la fréquence de résonance du composant piézoélectrique utilisé : en général, c'est la stabilité de cette fréquence qui constitue le paramètre important. Aussi, pratiquement, seul le quartz, le plus stable des matériaux piézoélectriques connus, est employé. Quelques
Piézoélectricité : mécanismes, modélisations et dépositions 57 réalisations de ltres de fréquence utilisant les céramiques ont cependant vu le jour. Elles sont réservées aux usages dits "grand public" où la qualité des performances est moins essentielle que le prix.
3.4.5 Équivalent électrique du résonateur piézoélectrique
Les électroniciens ont continué d'appeler "quartz" non pas le matériau naturel ou synthétique, mais le composant qui en est tiré, dont la coupe et les dimensions dé nissent une fréquence précise. La transformation des signaux électriques en signaux mécaniques et vice versa disparaît pour ces électroniciens devant l'intérêt du schéma électrique équivalent du "quartz" directement utilisable dans l'élaboration de schémas radio-électriques.
L1 C1 R1
C0
Fig. 3.4 Schéma électrique équivalent d'un résonateur piéozélectrique
Ce schéma électrique équivalent comporte deux branches parallèles, formant un dipôle (cf gure 3.4). La première branche possède, en série, une inductance L1 (self mo-
tionnelle), un condensateur C1 et une résistance R1 (résistance série). La seconde branche
est constituée par un simple condensateur C0, représentant la capacité statique inter-
électrodes du "quartz". Aux basses et aux hautes fréquences, ce dipôle est pratiquement équivalent, du point de vue de l'impédance, à la capacité C0. Au voisinage de la réso-
nance mécanique, cette impédance prend d'abord une valeur purement ohmique faible (R1), devient sel que, redevient purement ohmique mais de valeur élevée, puis rejoint le
comportement de C0. Les deux fréquences pour lesquelles l'impédance est ohmique sont
dites fréquence de résonance-série (impédance minimale) et fréquence d'antirésonance ou de résonance parallèle (impédance maximale). Les "quartz" résonant à basses fréquences (quelques kHz) ont des selfs équivalant à quelques milliers de henrys et des résistances série de quelques centaines de milliers d'ohms. Aux hautes fréquences (quelques MHz), ces valeurs sont respectivement de quelques millihenrys et de quelques ohms. Le facteur de qualité (Q) d'un "quartz" est usuellement compris entre 50000 et 500000. Il dépasse 2500000 pour certains types de "quartz" de haute qualité.
3.4.6 Générateurs de fréquences
Les générateurs de fréquences sont également appelés oscillateurs à "quartz", pilotes à "quartz", étalons secondaires ou standards de fréquences, suivant leur classe de stabi- lité. Ils sont constitués avant tout d'un "quartz" , dont la fréquence de résonance-série est dé nie avec précision, et d'un dispositif électronique d'entretien. Celui-ci est, dans de nombreux cas, assimilable à un ampli cateur non déphaseur. Le "quartz" est connecté entre la sortie et l'entrée de cet ampli cateur. Le "quartz" lui-même n'a pas une stabilité
58 Piézoélectricité : mécanismes, modélisations et dépositions absolue : ses paramètres équivalents, donc sa fréquence, varient en fonction de la tempéra- ture (dérive thermique) et du temps. Les oscillateurs à "quartz" sont fréquemment inclus dans des enceintes thermostatiques. C'est ainsi que des stabilités de quelque 106 par jour
peuvent être obtenues. Elles ne sont surpassées que par celles des horloges atomiques. Les oscillateurs, ou pilotes à "quartz", sont désormais des éléments indispensables aux télécommunications. Tous les émetteurs de radiodiusion ou de télévision en possèdent, ainsi que tous les postes portables émetteurs-récepteurs. Depuis 1970, le "quartz" équipe la grande majorité des montres qui utilisent un résonateur à basses fréquences oscillant en exion.
3.4.7 Filtres à "quartz"
Un ltre de fréquences est un quadripôle passif comportant en général des induc- tances et des capacités et qui a la propriété de laisser passer une certaine bande de fréquences et d'arrêter les autres. Cette propriété s'exprime par une "courbe de réponse" reliant la fréquence à l'atténuation. Les performances sont d'autant meilleures que le nombre de composants élémentaires est plus important. Les "quartz" présentent, en un seul composant, l'équivalent d'une inductance, de deux capacités et d'une résistance. Ils permettent donc la réalisation, dans un encombrement limité, de ltres aux performances particulièrement élevées. De plus, leur stabilité, beaucoup plus importante que celle de tout autre composant électronique, donne à ces ltres à "quartz" une qualité irrempla- çable. Ces ltres ont constitué l'un des principaux débouchés de l'industrie du "quartz". Ils équipent tous les émetteurs-récepteurs à usage civil et militaire et de nombreux appa- reillages de mesure industriels et scienti ques.
3.4.8 Lignes de retard
Une ligne de retard est un composant permettant de créer un léger retard temporel a n de favoriser une autre action. De nombreux types de lignes de retard utilisent des vitesses de propagation d'ordre acoustique dans les solides (métaux-quartz fondus). À l'entrée et à la sortie de ces lignes de retard, sont placés respectivement un émetteur et un récepteur piézoélectriques [18].