Mécanismes de la piézoélectricité

Les principes de symétrie de Curie (qui ont été justement formulés à propos de la pié- zoélectricité) montrent que la matière doit présenter une certaine dissymétrie intrinsèque pour que le phénomène puisse exister. Dans tout diélectrique, l'application d'un champ électrique entraîne un déplacement des charges liées à partir de leur position d'équilibre ; l'apparition ou la modication des moments dipolaires qui en résulte s'accompagne d'une variation des dimensions géométriques. Si la conguration cristalline du diélectrique pré- sente un centre de symétrie, le phénomène est quadratique, proportionnel au carré du champ. Il s'agit le plus souvent d'une contraction, désignée par le terme d'électrostriction. Ainsi, un morceau de matière présentant un centre de symétrie ne peut-être piézoélec- trique, ce qui exclut les gaz ainsi que les liquides ou solides isotropes.

Si la conguration cristalline est dépourvue de centre de symétrie, l'eet géométrique est du premier degré : c'est l'eet piézoélectrique inverse, d'amplitude très supérieure à celle de l'électrostriction. Dans la plupart des cas, une polarisation à l'échelle macrosco- pique existe souvent dans le matériau. Il est alors dénommé polaire. Cette polarisation est susceptible de varier non seulement sous l'eet d'une contrainte (piézoélectricité directe), mais aussi par suite de changements de température, donnant naissance à l'eet pyroélec- trique. Tout corps pyroélectrique est donc piézoélectrique, mais la réciproque n'est pas vraie car la pyroélectricité exige la présence préalable d'une polarisation macroscopique.

Dans certains matériaux pyroélectriques, la polarisation élémentaire peut s'inverser sous l'action d'un champ électrique appliqué ; ce sont les corps ferromagnétiques. Le tita- nate de baryum en est un exemple.

En résumé, les cristaux, selon leurs éléments de symétrie et leurs propriétés phy- siques, peuvent être classés comme ci-dessous :

3.3.1 Cas classique du quartz

Un modéle classique mettant en évidence le mécanisme de la piézoélectricité est fourni par le quartz. Forme cristalline de la silice (SiO2), le quartz appartient au systéme

rhomboédrique (cf gure 3.1).

Pour schématiser la structure de l'édice cristallin, on peut représenter la projection sur un plan perpendiculaire à l'axe −→Z des trois molécules de SiO2 qui constituent une

Piézoélectricité : mécanismes, modélisations et dépositions 53 - 10 classes non pyroélectriques - 21 classes non centrosymétriques

dont 20 sont piézoélectriques - 10 classes pyroélectriques 32 classes (dont les ferroélectriques) cristallines

- 11 classes à centre de symétrie

Tab. 3.1  Classement des cristaux par éléments de symétrie et par propriétés physiques [1].

z x y α β γ

Fig. 3.1 Maille cristalline de type rhomboédrique avec x = y = z et α = β = 90◦_{, γ = 120}◦

maille élémentaire. Les atomes d'oxygéne y sont regroupés par deux faisant ainsi appa- raître la forme hexagonale caractéristique du système cristallin.

Si4+ O2- + + + - - - F F + + + - - _- Electrodes + - a) b) Y X Si4+ O2-

Fig. 3.2  Schéma de la projection d'une maille élémentaire de quartz suivant l'axe −→Z : a) en l'absence de contrainte, b) dans le cas d'une compression mécanique selon l'axe−→X.

54 Piézoélectricité : mécanismes, modélisations et dépositions molécules coïncident : le moment dipolaire résultant est nul. Si l'on exerce une force de compression −→F suivant l'axe −→X, la structure se déforme : une contraction suivant −→X et un allongement suivant −→Y . Les barycentres ne coïncident plus. Il apparaît un moment dipolaire et donc des charges électriques supercielles : c'est l'eet piézoélectrique direct(cf gure 3.2).

3.3.2 Les céramiques piézoélectriques

Mis à part le quartz, dont l'intérêt réside dans sa stabilité et sa raideur, les cristaux piézoélectriques ont été remplacés dans leurs diérentes applications par des céramiques de fabrication plus facile et donc de coût moindre.

Les céramiques sont formées par agrégats de microcristaux piézoélectriques, en géné- ral ferroélectriques. Aucun eet piézoélectrique global n'y apparaît spontanément à cause de la diversité des orientations des microcristaux d'une part et des domaines de polari- sation d'autre part. Une formation du matériau sous champ électrique, destinée à aligner la polarisation des domaines, est donc nécessaire pour faire apparaître une orientation privilégiée et, par conséquent, une piézoélectricité macroscopique.

On distingue trois modes de vibration fondamentaux dans une céramique piézo- électrique : le mode longitudinal, le mode transversal et les modes de cisaillement. La nature et l'ecacité de ces modes dépendent des dimensions de l'échantillon considéré mais également de la direction de polarisation−→P et du champ électrique−→E appliqué à la surface du matériau. Il est ainsi possible de privilégier un mode de vibration donné par un choix convenable de ces grandeurs. La gure 3.3 présente ces modes fondamentaux et les conditions d'excitation nécessaires à leur obtention.

Mode longitudinal Mode transversal Mode de cisaillement

Electrode d'alimentation

V

V

V Sens du champ de polarisation P

Fig. 3.3  Modes de vibrations d'une céramique piézoélectrique

Les céramiques présentent plusieurs avantages :  des modules piézoélectriques élevés (sensibilité),

 une forte permittivité diélectrique d'où une valeur élevée de la capacité du capteur ou actionneur et par suite une moindre inuence des capacités parasites,

 une possibilité d'usinage ou de moulage dans des formes diverses,  une direction de l'axe privilégié xée selon les besoins,

Piézoélectricité : mécanismes, modélisations et dépositions 55  une température de Curie ajustable selon la composition. Il s'agit d'une tempéra- ture à partir de laquelle la polarisation de la céramique se relâche (équivalent à une température de recuit).

Leurs principaux inconvénients sont d'ordre thermique :  des coecients pyroélectriques importants,

 une variation thermique des modules piézoélectriques et des permittivités diélec- triques,

 un hystérésis de température, c'est-à-dire une inuence des antécédents thermiques sur les caractéristiques actuelles ; l'hystérésis en température est notablement atté- nuée par un vieillisement articiel.

La piézoelectricité joue un rôle capital dans la conversion de signaux mécaniques en signaux électriques et inversement. Les cristaux piézoélectriques peuvent être employés comme oscillateurs mécaniques de fréquence élevée, l'énergie leur étant fournie par une tension synchrone. Les sources de fréquence stable sont indispensables à tous les systèmes actuels de télécommunication, les générateurs d'ultrasons... Il est également possible de constituer toutes sortes de capteurs et d'actionneurs. Ils constituent quelques exemples des nombreuses applications de la piézoélectricité.