Théorie générale de la piézoélectricité

Piézoélectricité

Pour générer un signal de sortie utile, nos capteurs s'appuient sur l'effet piézoélectrique. (Lorsque les éléments piézoélectriques sont soumis à une force externe, la charge électrique déplacée s'accumule sur les surfaces opposées. La figure 1 illustre le déplacement de la charge électrique dû à la déviation du réseau dans un cristal de quartz naturellement piézoélectrique. Les cercles les plus grands représentent les atomes de silicium, tandis que les plus petits représentent l'oxygène. Le quartz cristallin, qu'il soit naturel ou retraité et de haute qualité, est l'un des matériaux piézoélectriques les plus sensibles et les plus stables qui soient.

Outre les cristaux de quartz, le PCB utilise également des piézocéramiques polycristallines fabriquées par l'homme. Ces matériaux, qui sont forcés de devenir piézoélectriques par l'application d'un champ électrique important, produisent une charge extrêmement élevée. Cette caractéristique est idéale pour les systèmes de mesure à faible bruit. D'autres avantages et inconvénients sont énumérés dans le tableau 1, qui présente une comparaison de chaque matériau piézoélectrique.

Cristal de quartz Céramique polycristalline
matériau naturellement piézoélectrique matériau artificiellement polarisé, fabriqué par l'homme
sensibilité à la tension élevée sensibilité élevée aux charges
rigidité comparable à celle de l'acier disponibilité illimitée de tailles et de formes
excellente stabilité à long terme matériaux disponibles fonctionnant à 1000 F (540 C)
non pyroélectrique sortie due à des transitoires thermiques (pyroélectrique)
faible coefficient de température les caractéristiques varient en fonction de la température

Tableau 1 : Comparaison des matériaux piézoélectriques


De nombreuses tailles et formes différentes de matériaux piézoélectriques peuvent être utilisées dans les capteurs piézoélectriques. Agissant comme de véritables ressorts de précision, les différentes configurations d'éléments illustrées à la figure 2 présentent divers avantages et inconvénients. (Le rouge représente les cristaux piézoélectriques, tandis que les flèches indiquent comment le matériau est sollicité. Les accéléromètres ont généralement une masse sismique, représentée par la couleur grise. Une description plus complète des structures des capteurs est donnée dans la section suivante). La conception de la compression se caractérise par une grande rigidité, ce qui la rend utile pour la mise en œuvre de capteurs de pression et de force à haute fréquence. Son inconvénient est qu'elle est quelque peu sensible aux transitoires thermiques. La simplicité de la conception en flexion est compensée par une gamme de fréquences étroite et une faible capacité de survie aux chocs. La configuration de cisaillement est généralement utilisée dans les accéléromètres car elle offre un mélange bien équilibré de large gamme de fréquences, de faible sensibilité hors axe, de faible sensibilité à la déformation de base et de faible sensibilité aux entrées thermiques.




Figure 2 : Configurations des matériaux

Avec des valeurs de rigidité de l'ordre de 15E6 psi (104E9 N/m2), similaires à celles de nombreux métaux, les matériaux piézoélectriques produisent un rendement élevé avec très peu de déformation. En d'autres termes, les éléments de détection piézoélectriques n'ont pratiquement pas de déviation et sont souvent considérés comme des dispositifs à l'état solide. C'est pour cette raison que les capteurs piézoélectriques sont si robustes et présentent une excellente linéarité sur une large plage d'amplitude. En fait, lorsqu'ils sont associés à des conditionneurs de signaux bien conçus, les capteurs piézoélectriques ont généralement une plage d'amplitude dynamique (c'est-à-dire un rapport entre la plage de mesure maximale et le bruit) de l'ordre de 120 dB. Cela signifie qu'un seul accéléromètre peut mesurer des niveaux d'accélération allant de 0,0001 g à 100 g !

Une dernière remarque importante concernant les matériaux piézoélectriques est qu'ils ne peuvent mesurer que des événements dynamiques ou changeants. Les capteurs piézoélectriques ne peuvent pas mesurer un événement statique continu, comme c'est le cas avec le guidage inertiel, la pression barométrique ou les mesures de poids. Alors que les événements statiques provoquent une sortie initiale, ce signal décroît lentement (ou s'évacue) en fonction de la constante de temps du matériau piézoélectrique ou de l'électronique connectée. Cette constante de temps correspond à un filtre passe-haut de premier ordre et est basée sur la capacité et la résistance du dispositif. Ce filtre passe-haut détermine en fin de compte la coupure à basse fréquence ou la limite de mesure du dispositif.

Structures

La figure 3 présente une représentation d'un capteur de force, de pression et d'accélération typique (la couleur grise représente la structure d'essai. La couleur bleue correspond au boîtier du capteur. Les cristaux piézoélectriques sont colorés en rouge. L'électrode noire est l'endroit où la charge des cristaux s'accumule avant d'être conditionnée par le micro-circuit jaune. L'accéléromètre incorpore également une masse qui est représentée par la couleur verte). Notez qu'ils diffèrent très peu dans leur configuration interne. Dans les accéléromètres, qui mesurent le mouvement, la masse sismique invariante, "M", est forcée par les cristaux à suivre le mouvement de la base et de la structure à laquelle elle est attachée. La force résultante sur les cristaux est facilement calculée à l'aide de la deuxième loi du mouvement de Newton : F=MA. Les capteurs de pression et de force sont pratiquement identiques et dépendent d'une force externe pour solliciter les cristaux. La principale différence réside dans le fait que les capteurs de pression utilisent un diaphragme pour recueillir la pression, qui est simplement une force appliquée sur une surface.



Figure 3 : Construction du capteur

En raison de leur similitude, les capteurs conçus pour mesurer un paramètre spécifique sont également quelque peu sensibles à d'autres entrées. En minimisant leur sensibilité aux événements indésirables, les capteurs peuvent mesurer avec plus de précision le paramètre auquel ils sont destinés. Par exemple, les capteurs de pression sophistiqués utilisent souvent un élément de compensation pour réduire leur sensibilité à l'accélération. D'autres capteurs utilisent des amplificateurs de compensation thermique pour réduire le coefficient thermique global du capteur. Enfin, les accéléromètres utilisent des éléments de détection alternatifs structurés en cisaillement pour réduire les effets des transitoires thermiques, des mouvements transversaux et de la déformation de la base.

Conditionnement du signal

Une fois que l'élément sensible produit une sortie présumée souhaitable, ce signal doit être conditionné avant d'être analysé par l'oscilloscope, l'analyseur, l'enregistreur ou tout autre dispositif de lecture. Comme le montre la figure 4, ce traitement du signal peut être réalisé par deux méthodes différentes : (1) à l'intérieur du capteur par un circuit microélectronique ; ou (2) à l'extérieur du capteur dans une "boîte noire". (PCB utilise la marque déposée ICP® pour désigner les capteurs qui intègrent des circuits microélectroniques. Les capteurs sans électronique sont généralement appelés capteurs à mode de charge).



Figure 4 : Systèmes de capteurs

Ces circuits de traitement analogique remplissent les mêmes fonctions générales, à savoir (1) la conversion en un signal de tension utile à faible impédance ; (2) l'amplification/atténuation du signal ; et (3) le filtrage. Cependant, il est important de noter que l'emplacement du circuit peut être critique pour le bon fonctionnement du système de détection. Une description plus détaillée de chaque méthode suit.

Le capteur ICP® sera abordé en premier. Ce concept a fait l'objet d'un grand nombre d'améliorations techniques depuis sa mise au point en 1967. En effet, les circuits sont devenus plus petits, le prix des composants a baissé et les capacités de traitement des signaux ont augmenté grâce aux circuits intégrés miniatures et aux résistances mirco hi-meg. Même avec ces améliorations, l'objectif initial de l'idée reste inchangé... simplicité et facilité d'utilisation. Ce système à deux fils utilise un conducteur commun pour l'alimentation et le signal et un conducteur supplémentaire pour la masse du signal. Les circuits intégrés sont des amplificateurs de charge ou de tension miniatures, selon le type d'élément sensible. L'alimentation de ces composants provient généralement d'une alimentation en courant constant de 18 à 30 VDC, 2 mA. (Hormis le prix, la commodité et/ou les caractéristiques, il n'y a aucun avantage technique à disposer d'une source d'alimentation à courant constant externe ou intégrée au dispositif de lecture). Un schéma détaillé du système est présenté à la figure 5.



Figure 5 : Système de capteur ICP

Les caractéristiques de ce système sont les suivantes (1) la microélectronique intégrée produit un signal de tension à faible impédance compatible avec la plupart des appareils de lecture ; (2) il suffit d'un conditionneur de signal à courant constant simple et facile à utiliser, ce qui réduit le coût par canal ; (3) le signal peut être transmis par de longs câbles dans des environnements difficiles sans perte de qualité du signal ; (4) la température de fonctionnement du circuit est généralement limitée à 250 F (121 C) ou parfois 325 F (154 C) ; (5) les fonctions sont assurées par des câbles coaxiaux ou à paires torsadées ordinaires à deux conducteurs ; et (6) les caractéristiques du capteur (sensibilité et gamme de fréquences) sont fixées à l'intérieur du capteur et sont indépendantes de la tension d'alimentation.

Les capteurs à mode de charge utilisent la même structure de détection mécanique que les capteurs ICP®, mais l'électronique de traitement du signal est placée à l'extérieur. Étant donné que les microcircuits intégrés n'avaient pas encore été développés, les premiers capteurs piézoélectriques, mis au point dans les années 1950, fonctionnaient selon ce principe. Ces systèmes de charge étaient souvent difficiles à faire fonctionner correctement et étaient traditionnellement coûteux en raison de l'amplificateur de charge externe sophistiqué. (Aujourd'hui, les capteurs à mode de charge ne sont généralement utilisés que dans des environnements où la température interdit l'utilisation de capteurs à électronique intégrée.

Comme on peut s'y attendre, les systèmes à mode de charge présentent divers avantages et inconvénients : (1) le capteur émet un signal à haute impédance qui doit être conditionné avant d'être analysé ; (2) il faut un conditionneur de signal externe (amplificateur de charge de laboratoire, suiveur de source en ligne, etc...) ; (3) l'impédance élevée des capteurs est un facteur déterminant de la qualité de la mesure.) ; (3) le signal à haute impédance peut être contaminé par des influences environnementales telles que les mouvements du câble, les signaux électromagnétiques et les interférences de radiofréquence ; (4) l'électronique étant externe, certains modèles peuvent fonctionner jusqu'à 1000 F (540 C) ; (5) un câblage spécial à faible bruit est nécessaire ; et (6) les caractéristiques du capteur (sensibilité et gamme de fréquences) sont variables et peuvent être modifiées en commutant des composants dans le conditionneur de signal externe.

Conclusion

Les capteurs piézoélectriques offrent des possibilités uniques que l'on ne retrouve généralement pas dans d'autres technologies de détection. Comme nous l'avons vu, il existe certains avantages (comme une large gamme de fréquences et d'amplitudes) et certains inconvénients (pas de capacité de mesure statique) en fonction de l'application particulière. Par conséquent, lors du choix d'un capteur ou d'une technologie de capteur spécifique, il est important de prêter une attention particulière aux spécifications de performance.