Capteur piézoélectrique

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Schéma de principe de fonctionnement d'un capteur piézoélectrique

Un capteur piézoélectrique est un capteur utilisant l'effet piézoélectrique afin de mesurer des grandeurs physiques telles que la pression, l'accélération, ou tout autre grandeur physique engendrant des contraintes ou des déformations mécaniques par le biais de matériaux actifs (magnétique, électrique, thermique, mécanique...). En effet, la notion de capteur piézoélectrique peut être étendue à des dispositifs couplant l'utilisation de matériaux piézoélectriques avec celle d'un matériau actif (matériau au sein duquel existe un couplage physique entre plusieurs grandeurs physiques: matériau magnétostrictif, magnétoélectrique p. ex.).

Parmi les capteurs piézoélectriques, on distingue ceux exploitant l'effet piézoélectrique en statique (excitation par une tension continue) et ceux utilisant l'effet piézoélectrique en dynamique (excitation fréquentielle). Parmi ces derniers, on peut distinguer plusieurs classes selon les modes de vibration du matériau piézoélectrique employés, dont: les capteurs utilisant les modes de vibration de volume ("bulk" en anglais), ceux utilisant des modes de surface (via les ondes acoustiques de surface notamment) et enfin ceux utilisant des modes de plaque (ondes de Lamb p. ex.). Ces modes de vibrations sont spécifiques des matériaux piézoélectriques utilisés et font encore l'objet de recherche à l'heure actuelle.

Matériaux[modifier | modifier le code]

Le choix du matériau piézoélectrique dans l'optique du développement d'un capteur piézoélectrique est primordial, quant aux propriétés recherchées en termes de sensibilité, de compatibilité avec l'environnement dans lequel il opérera (hautes températures, acidité du milieu...) ou encore en termes de complexité des procédés de fabrication mis en œuvre ainsi que des coûts mis en jeu. Les matériaux piézoélectriques les plus utilisés à l'heure actuelle sont le quartz, le niobate de lithium, ainsi que le tantalate de lithium.

Quartz[modifier | modifier le code]

Le quartz est un matériau piézoélectrique naturellement présent sur Terre dans la roche (cristaux présentant des macles altérant ces propriétés). Pour cette raison, il est synthétisé par croissance hydrothermale dans le cadre d'applications industrielles (cristal de quartz en électronique, wafer pour les micro-nano technologies...). Le quartz présente des modes de vibration différents selon la coupe utilisée, ce qui en fait un matériau versatile. Les principales coupes cristallines ainsi que leur mode de vibration (mode de volume) sont résumés dans le tableau suivant[1]:

Mode de vibration Coupe cristallographique
Cisaillement d'épaisseur AT, BT
Élongation 5ºX
Flexion XY, NT
Tuning fork (diapason) 2ºX
Cisaillement de contour CT, DT, SL

Le quartz est également un matériau dans lequel peut se propager des ondes acoustiques de surface. La nature de ces ondes acoustiques de surface (polarisation, vitesse de propagation...) dépend de la coupe cristallographique utilisée. Dans le tableau suivant figure quelques propriétés relatives à ce point:

Coupe cristallographique Polarisation Vitesse de propagation
Quartz 36º Y-X + 90º Purement Transverse 5100 m/s
Quartz -75º Y-X Longitudinal 3950 m/s

Niobate de lithium (LiNbO3)[modifier | modifier le code]

Le niobate de lithium est un matériau piézoélectrique se présentant généralement sous forme de substrat (wafer). Il est très utilisé dans les dispositifs à ondes acoustiques de surface (capteurs, filtres) en raison de ses excellentes propriétés electro-mécaniques. Les propriétés des ondes acoustiques de surface existant dans ce matériau sont résumées dans le tableau suivant[2],[3]:

Coupe cristallographique Polarisation Couplage electromécanique Vitesse de propagation
LiNbO3 64º Y-X Transverse 11.3% 4742 m/s
LiNbO3 41º Y-X Transverse 17.2% 4792 m/s
LiNbO3 128º Y-X Rayleigh 5.5% 3979 m/s
LiNbO3 Y-Z Longitudinale 4.9% 3488 m/s

Tantalate de lithium (LiTaO3)[modifier | modifier le code]

Le tantalate de lithium est également très utilisé dans les dispositifs à ondes acoustiques de surface. Ci-dessous, figurent les propriétés des ondes acoustiques de surface existant dans ce matériau[4]:

Coupe cristallographique Polarisation Couplage electromécanique Vitesse de propagation
LiTaO3 X-112ºY Longitudinale 0.75% 3300 m/s
LiTaO3 36º Y-X Transverse 5% 4212 m/s

Applications[modifier | modifier le code]

Capteurs à ondes de volume[modifier | modifier le code]

Microbalance à quartz[modifier | modifier le code]

Microbalance à quartz

Une microbalance à quartz est un résonateur à quartz qui se présente sous la forme d'un disque de quartz d'environ 330 μm d'épaisseur (fréquence de résonance comprise généralement entre 5 et 6 MHz) et d'environ 1 cm de diamètre qui est utilisé pour mesurer de très faibles masses. Le principe de mesure est basé sur la variation de fréquence de résonance du quartz due à l'ajout d'une épaisseur de matière à sa surface et ce, de manière proportionnelle (équation de Sauerbrey[5]). Celle-ci est définie de la manière suivante:

Principe d'une microbalance à quartz

– Fréquence de résonance du quartz (Hz)
– Variation de fréquence (Hz)
– Variation de masse (g)
– Surface piézoélectrique active du quartz (surface des électrodes, cm2)
– Densité du quartz ( = 2.648 g.cm-3)
– Module de cisaillement du quartz (coupe AT) ( = 2.947x1011 g·cm−1·s−2)


Lorsque le quartz entre en résonance sous l'effet d'une excitation par un signal alternatif (ou bien lorsque monté dans un oscillateur), une onde stationnaire naît dans l'épaisseur du disque. Lorsque celle-ci est modifiée par un dépôt de matière, la longueur d'onde de l'onde stationnaire s'en trouve modifiée, modifiant ainsi la fréquence du mode de vibration du quartz. Typiquement, une variation de quelques nanogrammes par centimètre carré peut être détectée en raison du très grand facteur de qualité du quartz (environ 106) assurant une très grande stabilité de la fréquence (de l'ordre de quelques ppm).

Les applications des microbalances à quartz sont nombreuses: suivi et mesure de l'épaisseur de dépôt de matériau en couches minces (notamment par pulvérisation cathodique ou évaporation sous vide), suivi de processus de type électrochimique (corrosion), biologique (capteur ADN), physico-chimique[6]...

Capteurs à ondes acoustique de surface[modifier | modifier le code]

Depuis plusieurs années, les capteurs à ondes acoustiques de surface connaissent un intérêt croissant en raison de la miniaturisation toujours plus poussée des dispositifs électroniques, notamment via les microsystèmes électromécaniques.

Capteur de champ magnétique[modifier | modifier le code]

Les capteurs de champ magnétique à ondes acoustiques de surface repose sur un principe simple: l’interaction entre les ondes acoustiques de surface et un matériau magnétostrictif via un couplage magnéto-élastique. Des électrodes en peignes inter-digités sont déposées en couches minces sur un matériau piézoélectrique. La longueur d'onde (et donc la fréquence d'excitation) est fixée par le pas du réseau des électrodes en peignes inter-digités. Lorsque celles-ci sont excitées par un signal sinusoïdal, des ondes acoustiques de surface sont générées par effet piézoélectrique et se propagent à la surface du substrat. Un matériau magnétostrictif (Ni[7], FeGa[8], FeCoSiB[9], TbCo2/FeCo[10]...) ayant la particularité de se déformer sous l'effet d'un champ magnétique est déposé à la surface du substrat piézoélectrique sur le trajet de l'onde acoustique de surface (généralement par pulvérisation cathodique). Les contraintes engendrées par le matériau magnétostrictif lors de sa déformation sous l'effet du champ magnétique, modifient localement l'élasticité du matériau piézoélectrique, modifiant ainsi la vitesse de propagation de l'onde acoustique dans le substrat. Ce phénomène porte le nom d'effet ΔE (E représentant le module d'élasticité du matériau).

Diagramme d'un capteur à onde acoustique de surface (ligne à retard)

Les capteurs de champ magnétique à ondes acoustiques de surface se présentent principalement sous deux formes:

  • une ligne à retard comprenant deux électrodes en peignes inter-digités (un émetteur et un récepteur) entre lesquelles est déposé le matériau magnétostrictif. La variation de vitesse de propagation de l'onde acoustique de surface en raison de l'effet ΔE engendre un déphasage (en plus du déphasage dû à la propagation entre l'émetteur et le récepteur) dépendant du champ magnétique externe. La mesure du champ magnétique avec un tel capteur s'effectue donc en transmission. Ce type de structure peut être utilisé dans une configuration interférométrique afin de s'affranchir des variations de température notamment.
  • un résonateur comprenant une électrode en peignes inter-digités (émetteur et récepteur confondus) entourée de réflecteurs métalliques en court-circuit ou en circuit ouvert. La mesure du champ magnétique avec un tel capteur s'effectue en réflexion. Dans cette configuration, la fréquence de résonance varie en fonction du champ magnétique environnant le capteur. La sensibilité d'un tel capteur est principalement dépendante du facteur de qualité du résonateur (celui-ci dépendant du design du résonateur, du matériau des électrodes, du substrat piézoélectrique utilisé, de la polarisation de l'onde acoustique de surface...[11]). Plus précisément, la figure de mérite pertinente est le produit facteur de qualité-fréquence. Typiquement, celui-ci est de l'ordre de 1013 pour le plus sensible des capteurs (104 à 1GHz).

Capteur de gaz[modifier | modifier le code]

Le principe des capteurs de gaz à ondes acoustiques de surface est basé sur l'absorption des molécules de gaz par l'intermédiaire d'un film mince en polymère. Celui-ci est placé sur le trajet de l'onde acoustique de surface dans une structure de type ligne à retard. Une matrice de films minces en polymères présentant chacun une sensibilité à une molécule chimique particulière peut être réalisée sur un même substrat afin de détecter des molécules chimiques de nature différente et ainsi constituer une structure type "lab-on-chip" autorisant une résolution de l'ordre de quelques parties par trillions (ppt)[12].

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) « Crystal Unit »
  2. (en) « Surface Acoustic Wave Filters: With Applications to Electronics »
  3. (en) « Lithium niobate crystal properties »
  4. (en) « Lithium tantalate properties »
  5. (en) « Quartz Crystal Microbalance Theory and Calibration » (consulté le 22 avril 2019)
  6. (en) Yi Fu, and Harry O. Finklea, « Quartz Crystal Microbalance Sensor for Organic Vapor Detection Based on Molecularly Imprinted Polymers », Analytical Chemistry,‎
  7. (en) Michio Kadota and al., « SAW magnetic sensors composed of various Ni electrode structures on quartz », IEEE International Ultrasonics Symposium,‎
  8. (en) Weiyang Li and al., « Surface Acoustic Wave Magnetic Sensor using Galfenol Thin Film », IEEE Transactions on Magnetics,‎
  9. (en) Anne Kittman and al., « Wide Band Low Noise Love Wave Magnetic Field Sensor System », Scientific Reports, Nature,‎
  10. (en) Huan Zhou and al., « Multilayer magnetostrictive structure based surface acoustic wave devices », Appl. Phys. Lett. 104, 114101,‎
  11. (en) Michio Kadota and al., « Resonator Filters Using Shear Horizontal-Type Leaky Surface Acoustic Wave Consisting of Heavy-Metal Electrode and Quartz Substrate », IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control,‎
  12. (en) Zdravko P.Khlebarov, Any I.Stoyanova et Diana I.Topalova, « Surface acoustic wave gas sensors », Sensors and Actuators B: Chemical,‎