Investigation des caractéristiques des composants BAW par acoustique picoseconde coloré

 Effet piézoélectrique

L’effet piézoélectrique directe est considéré comme étant une propriété que possèdent certains corps de se charger en surface quand ils sont soumis à une contrainte mécanique, tandis que l’effet piézoélectrique inverse est définit comme étant la déformation de certains corps sous l’effet d’un champ électrique. Ces propriétés sont de natures anisotropes et impaires (le sens de la déformation piézoélectricité s’inverse avec l’inversion du sens du champ électrique). La figure I.1 schématise les deux effets [11]. © LSC, UBMA, 2018 Chapitre I Piézoélectricité 7 + + + – – – + + + – – – + + – – + – + – Contrainte Contrainte Corps centrosymétrique Corps non centrosymétrique F F F F P C+ CFigure I.1. Schématisation des effets piézoélectriques [11] La présence ou nom de la piézoélectricité dans un cristal est relié à ses propriétés de symétrie sachant que les corps possédant un centre de symétrie ne peuvent être d’une nature piézoélectrique (Fig.I .2) [12]. I.3.2 Piézoélectricité naturelle Dans la nature, on trouve des cristaux qui sont piézoélectriques comme le quartz dont la maille est composée d’atomes de silicium de charges positives et d’atomes d’oxygène de Générateur de tension D E F O R M A T I O N Apparition de charges C O N T R A I N T E Effet direct : Apparition de charges Sous l’effet d’une contrainte. Effet inverse : Déformation suite à une application d’une tension  Chapitre I Piézoélectricité 8 charges négatives. La figure I.3.a montre que les deux barycentres des charges positives et négatives sont superposés et peuvent se confondre dans le cas où aucune force de compression n’est appliquée (représenté par un point noir). Mais en présence de cette dernière, la déformation de la maille se traduit par la séparation des barycentres des charges positives et négatives (Fig.I.3.b). Donc un dipôle électrique apparait conduisant à son tour à l’apparition des charges sur les deux électrodes de sens opposé: Il s’agit de l’effet piézoélectrique direct. Par ailleurs, l’application d’une différence de potentiel entre les électrodes conduit à une déformation de la maille cristalline afin de rétablir l’équilibre des forces statiques : C’est l’effet piézoélectrique inverse [13]. Figure I.3. La piézoélectricité naturelle [13] Puisque le champ électrique et la déformation sont proportionnels alors l’effet piézoélectrique est linéaire. Si une tension alternative de fréquence égale à 5 MHz est appliquée entre les deux électrodes métalliques limitant le matériau piézoélectrique, il en résulte la naissance des ultrasons. La piézoélectricité est un phénomène pratique aussi bien pour l’énergie électrique que mécanique 

Effet piézoélectrique artificielle

Pour la fabrication des transducteurs, la plupart des matériaux piézoélectriques utilisés sont des matériaux ferroélectriques. Donc la caractéristique déformation/champs électrique n’est plus linéaire. De plus malgré le changement de signe du champ électrique, la déformation reste toujours positive. © LSC, UBMA, 2018 Chapitre I Piézoélectricité 9 Les matériaux ferroélectriques, qui sont composés de multitude de grains sont des pollycristallins. Ils sont composés de plusieurs régions; ces régions sont appelées domaines ferroélectriques et leurs polarisation est homogène et uniforme. Chaque domaine présente un axe privilégié. L’orientation de ces axes est aléatoire, ainsi l’effet piézoélectrique global est nul. La réorientation de tous ces axes dans un même et seul sens s’effectue via l’application d’un champ électrique intense. Notons que lorsqu’on baisse la température jusqu’à l’ambiante; certains matériaux ferroélectriques se transforment en matériaux piézoélectriques (Fig.I.4). Autrement dit, le champ électrique appliqué se conserve sous forme d’un champ électrique permanent. Notons qu’un matériau ferroélectrique chauffé à une température supérieure à celle de Curie, TC, il perd sa piézoélectricité (Tc est typiquement compris entre 80 et 400 °C). Figure I.4. La piézoélectricité artificielle 

MATÉRIAUX PIÉZOÉLECTRIQUES

Parmi les trente-deux classes cristallines, une vingtaine ne possèdent pas de centre de symétrie et par conséquent peuvent être piézoélectriques, dont dix sont spontanément polarisés en l’absence de toute contrainte ou champ électrique. Le changement de température agit sur leur polarisation spontanée. Ces classes sont définies comme étant polaires et sont caractérisées par un moment dipolaire permanent. Les matériaux ferroélectriques sont divisés en deux groupes selon leur composition chimique [15]. Le premier groupe contient les matériaux dont la ferroélectricité est attribuée à la liaison d’hydrogène. Pour le second, la ferroélectricité résulte de la déformation d’une structure à base d’octaèdres d’oxygène. Ce dernier assemble la plupart des matériaux piézoélectriques. Matériau non polarisé Matériaux polarisé  Le classement d’un matériau piézoélectrique dans une catégorie, nécessite la connaissance de sa microstructure et l’organisation des atomes dans la maille primitive. La figure I.5 illustre la répartition des différentes classes cristallines [15]. Figure I.5. Différentes classes cristallines 

Nature physique

Dans la nature, les matériaux piézoélectriques se trouvent comme : 

Monocristaux

D’excellent résonateurs et capteurs sont réalisés à base de monocristaux tels que le quartz et le niobate de lithium. Ce dernier est un matériau ferroélectrique contenant des octaèdres d’oxygène (Fig.I.6), il se présente sous forme d’empilement hexagonal compact [15]. Quant au SiO2, il se trouve sous deux aspects cristallisés et chacune des formes possède deux variables allotropiques :  ou . Notons que le quartz trigonal  se stabilise en dessous de 573 °C. Par contre le quartz hexagonal , sa stabilisation est obtenue pour des températures variantes entre 573 à 870 °C.

Céramiques massives

La découverte des céramique piézoélectriques fut lors des années quarante. Ils possèdent un coefficient piézoélectrique très élevé à comparer aux cristaux, ce qui permet d’élargir considérablement les applications des matériaux piézoélectriques. Les céramiques piézoélectriques les plus connu sont les titano-Zirconate de Plomb, PZT. Possédant une structure de type pérovskite, le PZT est composé d’atomes d’oxygène entouré par le plomb et le Zirconium se trouve au centre [17]. L’utilisation des procédés de frittage de poudre mélangée avec un liant des microcristaux élémentaires ferroélectriques dont la polarisation est spontanée constituent la céramique simplement frittée dont la forme géométrique est simple (barreaux, disques, anneaux, etc.). La figure I.7 résume les étapes à suivre pour l’obtention d’une céramique. Ces dernières sont d’habitude multipolaires et exigent un cycle de polarisation afin de saturer leurs moments dipolaires globaux [18]. Notons qu’à échelle macroscopique, le moment dipolaire de cet agrégat désordonné est nul. Figure I.7. Présentation schématique des étapes de fabrication d’une céramique [19] Elaboration de la poudre Frittage à haute température Mise en forme des échantillons  L’alignement des moments élémentaires du céramique est dirigé selon le champ électrique intense qui lui y appliqué. Pour faciliter d’avantage cette opération, la température est élevé simultanément donc en passent par cette étape de polarisation, les effets piézoélectrique sont macroscopiquement cohérents. Par ailleurs, afin d’éviter la détérioration lors d’une utilisation massive des céramiques, il est important de respecter les limites du champ ainsi que la contrainte :  Rigidité diélectrique : la valeur de la tension appliquée est limitée automatiquement par la rigidité diélectrique que possède la céramique.  Champ coercitifs : la valeur limitée du champ coercitif est déterminé à partir du cycle d’hystérésis, P(E), des céramiques; cette valeur est dépendante de la composition. Si la limite des champs est dépassée, les matériaux se dépolarisent.  Contrainte Max admissible : les céramiques ne résistent pas bien aux chocs, par contre elles supportent des valeurs élevées de contrainte.  Déformation relative maximale : l’endommagement de la céramique suivi de sa rupture peut être causé par une déformation supérieure à 3.10-4 . De plus, les matériaux céramiques supportent plus la compression que la dilatation.  Échauffement : il est fortement conseillé de ne pas dépasser la moitié de la température de Curie pour protéger la céramique du risque de dépolarisation, qui peut survenir lors de l’échauffement de la structure, causé par les pertes diélectriques en utilisation hautes fréquences. Par ailleurs, en se basant sur le taux des pertes générés lors des fortes sollicitations électriques ou mécaniques ou la possibilité à se dépolariser ; il est possible de regrouper les céramiques en deux familles :  Céramique douce : sa polarisation est facile avec des pertes importantes ; ses applications se limitent aux bas niveaux d’excitation, par exemple dans les détecteurs (sondes médicales, hydrophone, etc.)  Céramique dures : De pertes mécaniques et diélectriques faibles, sont surtout utilisés dans des applications de puissance (transducteurs, piézomoteurs, etc.)

Polymères piézoélectriques

Au début des années 80, les films polymères piézoélectriques de type poly-fluorure de vinilydène (PVF2 on PVDF polyvinylidineflouride) est rentré dans le marché. Du point de vue structure, il s’agit d’une chaine organique dont les caractéristiques sont de nature piézoélectrique (Fig. I.8). Grâce à leurs flexibilités, ces polymères peuvent subir de grandes déformations. Pour pouvoir superposer les chaines macromoléculaires dans une même et unique direction il faut tout d’abord passer par une phase d’étirement mécanique avant l’étape de polarisation. Certaines de leurs propriétés sont remarquables: le découpage facile en forme complexe, la flexibilité, la haute résistance mécanique et la possibilité d’avoir des films minces (qlq 10 µm à 100 µm). Aussi, les polymères possèdent de faibles facteurs de couplage électro-mécanique (0,2 – 0,3) et une faible tension de claquage [20]. Figure I.8. Structure du PVDF

Piézocomposites

Il existe deux types de piézocomposites : l’un s’obtient en mélangeant une poudre de céramiques piézoélectrique et une matrice polymère (Fig.I.9). L’autre avec une phase céramique se manifestant sous forme de barreaux verticaux dont la répartition est périodique dans une matrice polymère moins dure que les bâtonnets en céramique [22 23]. La matrice facilite le déplacement de ces derniers à comparer à une configuration massive. La proposition et la nature des constituants neutres et actifs [22] définissent les caractéristiques diélectriques, piézoélectriques et mécaniques de l’ensemble.