Qu’ont en commun les téléphones portables, les injecteurs de carburant diesel, les micros de guitare acoustique, les allumeurs de gril, les transducteurs à ultrasons, les capteurs de vibration, certaines imprimantes et les cartes de voeux musicales? En plus d’être des appareils électroniques, toutes ces applications utilisent la piézoélectricité d’une manière ou d’une autre. Explorons comment fonctionne la piézoélectricité et examinons certaines applications des matériaux piézoélectriques dans la vie quotidienne.
Comment fonctionne le matériau piézoélectrique?,
datant de 1880 et du travail révolutionnaire des frères Pierre et Jacques Curie, l’effet piézoélectrique fait référence à la capacité de matériaux spécifiques — tels que le quartz, la tourmaline, la topaze et le sel de Rochelle — à produire une charge électrique lorsqu’ils sont soumis à des contraintes mécaniques. Le terme « piézo » peut même remonter au grec ancien, où ses significations se rapportent aux actions de pousser, de presser et de presser.
aucune explication de l’effet piézoélectrique ne serait complète sans une brève discussion sur ce que sont également les dispositifs piézoélectriques., Aujourd’hui, grâce au développement supplémentaire de matériaux piézo — électriques artificiels — y compris les céramiques piézoélectriques-les applications de la piézoélectricité dans les appareils électroniques se développent à un rythme passionnant.
fonctionnement de L’effet piézoélectrique avec les capteurs et les moteurs
pour commencer, il n’y a probablement pas d’application plus populaire de l’effet piézoélectrique que comme source d’alimentation haute tension dans les briquets électriques et les grils à gaz., Dans ces cas, un marteau frappe un morceau de matériau piézo-électrique, qui produit alors suffisamment de courant pour créer une étincelle qui enflamme le gaz inflammable en sa présence. Cependant, dans d’autres applications comme les capteurs, le marteau en tant qu’excitateur du matériau piézo — électrique est généralement remplacé par d’autres formes d’énergie comme les ondes sonores-y compris les ultrasons.
lorsqu’ils sont mis au travail dans des capteurs, les matériaux piézo-électriques peuvent détecter même certaines des perturbations et anomalies les plus infimes, ce qui en fait des dispositifs idéaux pour les tests industriels non destructifs et l’imagerie médicale.,
dans d’autres cas, les moteurs piézoélectriques peuvent effectuer des mouvements très précis et reproductibles. Cette capacité en fait d’excellents dispositifs pour les mouvements de précision des dispositifs optiques sensibles comme les télescopes et les microscopes.
avantages et inconvénients piézoélectriques
par rapport aux autres composants électroniques, les dispositifs piézoélectriques présentent plusieurs avantages, ainsi que certains inconvénients.,
Leurs avantages comprennent les aspects suivants:
- Aucune source d’alimentation externe requis: Grâce à leur capacité à produire une tension quand une force est appliquée sur, piezo matériaux ne nécessitent aucune source d’alimentation externe.
- installation facile: avec de petites dimensions, ils s’adaptent parfaitement et s’installent facilement dans les appareils électroniques haute densité.
- réactivité aux hautes fréquences: par rapport aux autres appareils, les matériaux piézo — électriques ont une réponse en fréquence nettement plus élevée-ce qui les rend merveilleusement réactifs même dans les situations les plus exigeantes.,
- matériaux très flexibles: la plupart des matériaux piézo-électriques peuvent être construits dans une grande variété de formes et de tailles, ils sont donc très utiles dans diverses applications et domaines.
Les matériaux piézo-électriques présentent également les limitations ou inconvénients suivants:
- faible quantité de charge électrique: bien qu’ils soient auto-générateurs, les matériaux piézo-électriques produisent des charges électriques assez faibles, ce qui signifie qu’un câble à haute impédance est nécessaire pour les connecter à une interface électrique.,
- Les conditions environnementales affectent les performances: les matériaux piézo-électriques sont affectés par la température et les changements d’humidité. De plus, en état statique, ils ne peuvent pas mesurer la sortie.
- La production est relativement faible: bien que certains matériaux piézo produisent plus de production que d’autres, ils sont tous relativement faibles. Pour que leur utilisation soit optimisée, un circuit externe sera souvent nécessaire.
Capteurs Piézoélectriques dans les Applications Industrielles
Le secteur industriel emploie souvent capteurs piézoélectriques pour une variété d’utilisations., Parmi les utilisations courantes et quotidiennes, citons:
capteurs de cliquetis du moteur — les fabricants de moteurs sont constamment confrontés à des défis liés au contrôle des paramètres du moteur. Dans de mauvaises circonstances, les moteurs à essence sont sensibles à un phénomène indésirable appelé détonation. Lorsque la détonation se produit, la charge air/carburant explose au lieu de brûler en douceur, endommageant ainsi le moteur. Historiquement, c’est pourquoi la plupart des fabricants ont conçu des moteurs avec des marges d’exploitation au détriment de l’efficacité — c’était pour éviter ce problème notoire.,
avec le développement de meilleurs systèmes de contrôle, les paramètres pertinents du moteur peuvent être ajustés en temps réel pour maximiser l’efficacité et la puissance. Si la détonation commence à se produire, des capteurs piézoélectriques peuvent être utilisés pour détecter la détonation avant qu’elle ne devienne problématique. Cela donne aux systèmes de contrôle le temps de faire les ajustements nécessaires.
capteurs de pression — dans presque toutes les applications nécessitant la mesure de changements de pression dynamiques, l’utilisation de capteurs de pression piézoélectriques donne des résultats plus fiables que l’utilisation de capteurs de pression électromécaniques conventionnels., En effet, les dispositifs piézoélectriques ont une réponse en haute fréquence et une conversion de signal sans nécessiter de soufflet, de diaphragme ou de tout type de liaison mécanique en conjonction avec une jauge de contrainte ou un capteur de déplacement.
équipement de Sonar — les sondeurs de profondeur et les équipements de sonar s’appuient largement sur des capteurs piézoélectriques pour transmettre et recevoir des « pings” ultrasoniques dans la gamme 50-200kHz. En plus d’avoir une réponse en fréquence idéale pour de telles applications, les transducteurs piézoélectriques ont une densité de puissance élevée qui permet de transmettre de grandes quantités de puissance acoustique à partir d’un petit boîtier., Par exemple, un transducteur de seulement 4” (100 mm) de diamètre peut être capable de gérer une puissance de sortie supérieure à 500 watts.
utilisations des actionneurs piézoélectriques dans les Applications industrielles
bien que les capteurs piézoélectriques soient très précieux pour le secteur industriel, l’industrie utilise également des actionneurs piézoélectriques pour une variété d’applications:
injecteurs de carburant Diesel — au cours de la dernière décennie, les réglementations sur les émissions des moteurs diesel sont devenues de De plus, les clients continuent d’exiger des moteurs plus silencieux avec des courbes de puissance et de couple améliorées., Afin de répondre à ces exigences strictes en matière de conformité et de performance, les fabricants de moteurs ont eu recours à des injections de carburant chronométrées et mesurées avec précision pendant le processus de combustion.
aussi incroyable que cela puisse paraître, un seul injecteur de carburant peut commuter le débit de carburant avec des pressions supérieures à 26 000 psi (1 800 bars) plusieurs fois de suite au cours d’une seule course de puissance. Un tel contrôle précis du fluide haute pression est rendu possible en utilisant des actionneurs piézoélectriques contrôlant de petites vannes dans les injecteurs de carburant.,
solénoïdes à Réponse Rapide — certains procédés nécessitent un actionnement mécanique rapide et précis qui est difficile, voire impossible, à réaliser avec des solénoïdes électromagnétiques. Bien que la vitesse ne soit pas toujours une préoccupation, la consommation d’énergie ou la compacité de la taille est une priorité absolue. Dans de tels cas, les actionneurs piézoélectriques sont souvent capables de remplir la niche car ils fournissent une réponse rapide et une faible consommation d’énergie dans de petits emballages, par rapport aux solénoïdes électromagnétiques.,
réglage optique — certaines optiques doivent être ajustées ou modulées avec une large réponse en fréquence et avec un nombre minimum de pièces mobiles. Les actionneurs piézoélectriques sont souvent utilisés dans de telles applications où ils fournissent un contrôle rapide et précis sur une longue durée de vie:
– l’angle d’un miroir ou d’un réseau de diffraction peut nécessiter une variation précise en fonction d’une entrée électrique. De telles applications sont souvent rencontrées dans des expériences optiques ou physiques.,
– les réseaux de télescopes basés sur la Terre sont soumis à une distorsion atmosphérique et les optiques des engins spatiaux sont soumises à des mouvements et à des vibrations. Dans de tels cas, l’optique peut avoir besoin d’être ajustée (en forme ou profilée) en temps réel au moyen d’un système de contrôle. Cela compensera les aberrations qui entraveraient autrement la résolution de l’image.
– certains convertisseurs à fibre optique s’appuient sur des actionneurs piézoélectriques pour moduler la sortie d’un laser.
nettoyage ultrasonique — des actionneurs piézoélectriques sont également employés pour des applications de nettoyage ultrasonique., Pour effectuer le nettoyage par ultrasons, les objets sont immergés dans un solvant (eau, alcool, acétone, etc.). Un transducteur piézoélectrique agite alors le solvant. De nombreux objets avec des surfaces inaccessibles peuvent être nettoyés en utilisant cette méthodologie.
soudure ultrasonore — beaucoup de plastiques peuvent être joints ensemble utilisant un processus connu sous le nom de soudure ultrasonore. Ce type de processus nécessite que les ondes ultrasonores soient transmises à une zone focalisée où elles peuvent provoquer la fusion de morceaux de plastique. Fréquemment, des actionneurs piézoélectriques sont utilisés pour accomplir cette tâche.,
moteurs piézoélectriques — un avantage de l’utilisation de matériaux piézoélectriques est que leurs caractéristiques sont précises et prévisibles. Ainsi, l’expansion et la contraction d’un actionneur piézoélectrique peuvent être contrôlées avec précision tant que la tension d’alimentation est contrôlée. Certaines conceptions de moteurs tirent parti de ce fait en utilisant des éléments piézoélectriques pour déplacer un rotor ou un élément linéaire par incréments précis. Une précision de l’ordre du nanomètre peut être obtenue avec certaines conceptions de moteurs piézo-électriques. Les moteurs piézo-électriques fonctionnent à une large gamme de fréquences, mais fonctionnent généralement mieux dans une gamme de basses fréquences.,
en plus de leur précision inhérente, les moteurs piézoélectriques peuvent être utilisés dans des environnements avec de forts champs magnétiques ou des températures cryogéniques — des environnements où les moteurs conventionnels sont peu susceptibles de fonctionner. Ces défis uniques sont présents dans les machines NMRI, les accélérateurs de particules et d’autres environnements similaires.
actionneurs de pile — plusieurs éléments piézoélectriques peuvent être empilés pour multiplier le déplacement obtenu pour une tension donnée. Ces types de dispositifs sont connus comme pile actionneurs, et ils sont utilisés dans une variété d’applications spécialisées., Comparés aux actionneurs électromagnétiques conventionnels, les actionneurs de pile présentent les avantages uniques suivants:
– ils peuvent fonctionner à des températures cryogéniques ou dans des environnements avec de forts champs magnétiques.
– ils peuvent produire une grande quantité de force dans un petit paquet
– ils peuvent répondre presque instantanément à l’entrée avec des taux d’accélération élevés.
– ils peuvent atteindre des degrés de précision extrêmement élevés.
– Ils ne consomment de l’énergie lorsque le travail est effectué.,
ces actionneurs trouvent leurs utilisations dans les vannes de dosage, les relais électriques, la modulation optique, l’amortissement des vibrations et d’autres applications nécessitant un contrôle rapide ou Précis du mouvement.
actionneurs à bandes — deux bandes de matériau piézoélectrique peuvent être prises en sandwich dans une configuration similaire à une bande bimétallique. Dans cette configuration, l’entrée électrique provoque l’expansion d’une bande tandis que l’autre bande se contracte simultanément, provoquant une déviation.,
Relais piézoélectriques — des éléments piézoélectriques peuvent être mis en œuvre pour actionner des relais ou des commutateurs électromécaniques. Pour ces applications, des actionneurs stripe ou des actionneurs stack peuvent être utilisés pour ouvrir et fermer les contacts électriques. De tels dispositifs ne nécessitent aucun entretien et durent de nombreux cycles sans usure notable. En outre, l’utilisation d’actionneurs piézoélectriques pour actionner les contacts électriques permet un contrôle rapide et précis dans de petits boîtiers difficiles ou impossibles à réaliser avec des relais électromagnétiques.,
utilisations des capteurs piézoélectriques dans les Applications médicales
Découvrez comment le domaine médical met également en œuvre des capteurs piézoélectriques pour une variété d’applications quotidiennes:
imagerie par ultrasons-les transducteurs piézoélectriques sont souvent utilisés dans les équipements à ultrasons médicaux. Les progrès de l’équipement au fil des décennies ont permis d’améliorer le suivi des grossesses et de faciliter les interventions chirurgicales mini-invasives.,
procédures par ultrasons — certaines procédures médicales non invasives reposent sur l’utilisation d’ondes ultrasonores focalisées pour briser les calculs rénaux ou détruire les tissus malins. De plus, l’avènement du scalpel harmonique a permis aux chirurgiens d’inciser et de coaguler simultanément les tissus au cours d’une intervention chirurgicale sans avoir besoin de cautérisation. Cela conduit à moins de dommages aux tissus, moins de perte de sang et des temps de guérison plus rapides.
actionneurs piézoélectriques dans L’Électronique grand public
Qu’en est-il de l’électronique grand public et de la technologie qui est vendue dans les magasins à travers le pays?, Inconnus de nombreux consommateurs, les actionneurs piézoélectriques sont utilisés partout dans l’électronique:
Imprimantes piézoélectriques — D’une manière générale, il existe deux principaux types d’imprimantes qui utilisent des actionneurs piézoélectriques:
– Une imprimante à matrice de points-dans une imprimante à matrice de points piézoélectrique, les actionneurs piézoélectriques dans la tête d’imprimante déplacent des broches en forme d’aiguille qui « piquent” à travers une bande de ruban d’encre (semblable à une machine à écrire) contre un morceau de papier selon divers motifs pour former des caractères. Pour la plupart des applications, l’utilisation d’imprimantes matricielles a été remplacée par d’autres technologies., Cependant, une imprimante matricielle est la seule technologie d’imprimante capable de générer des impressions en double et en triple copie carbone.
– imprimante à jet d’encre — dans une imprimante à jet d’encre piézoélectrique, des actionneurs piézoélectriques dans la tête d’imprimante agissent sur de petits diaphragmes ou modifient autrement la géométrie d’un encrier de sorte que des gouttelettes d’encre sont expulsées d’un orifice sur du papier. C’est l’une des technologies dominantes sur le marché des imprimantes à ce jour.,
haut — parleurs piézoélectriques-les haut-parleurs piézoélectriques sont utilisés dans pratiquement toutes les applications qui doivent produire efficacement du son à partir d’un petit gadget électronique. Ces types de haut-parleurs sont généralement peu coûteux et nécessitent peu d’énergie pour produire des volumes sonores relativement importants., Ainsi, les haut-parleurs piézoélectriques se trouvent souvent dans des appareils tels que:
– téléphones cellulaires
– écouteurs
– jouets produisant du Son
-cartes de voeux musicales
– ballons musicaux
Buzzers piézoélectriques– les buzzers piézoélectriques sont similaires aux haut — parleurs piézoélectriques, mais ils sont généralement conçus avec une fidélité inférieure pour produire un volume plus fort sur une plage de fréquences plus étroite., Les Buzzers sont utilisés dans une gamme apparemment infinie d’appareils électroniques, y compris:
Humidificateurs piézoélectriques — de nombreux humidificateurs à brume fraîche utilisent un transducteur piézoélectrique pour transmettre l’énergie sonore ultrasonique dans une piscine d’eau. Les vibrations ultrasoniques provoquent de fines gouttelettes d’eau à se détacher et à s’atomiser de la surface de la piscine où elles s’entraînent dans un courant d’air et pénètrent dans l’espace souhaité.
Brosses À Dents électroniques — des actionneurs piézoélectriques linéaires sont mis en œuvre pour faire vibrer les poils de certaines brosses à dents électroniques.,
matériaux piézoélectriques pour applications musicales
outre les applications technologiques et industrielles, la piézoélectricité profite également aux arts. Il existe une variété d’applications musicales qui utilisent la piézoélectricité:
Micros D’Instruments — de nombreux instruments à cordes acoustiques-électriques utilisent des micros piézoélectriques pour convertir les vibrations acoustiques en signaux électriques. Typiquement, une bande de matériau piézoélectrique est placée entre le corps de l’instrument et une structure qui supporte les cordes., Par exemple, une guitare acoustique-électrique abrite généralement sa bande piézoélectrique sous le pont et dans la selle. Lorsque les cordes vibrent, la bande est agitée pour générer un signal électrique. Les micros électriques sur violons, altos et violoncelles utilisent le même concept, mais le Micros piézoélectrique peut être serré au pont ou intégré dans le pont — au lieu d’être situé entre le pont et le corps de l’instrument.,
Microphones — certains microphones (tels que les microphones de contact pour les instruments à percussion) utilisent des matériaux piézoélectriques pour convertir les vibrations sonores en une sortie électrique. Ces microphones possèdent généralement des impédances de sortie élevées qui doivent être adaptées lors de la conception de leurs préamplificateurs respectifs.
utilisation de la piézoélectricité dans D’autres Applications
avez-vous une application qui ne figurait pas sur la liste? Vous vous demandez si vous pouvez utiliser la piézoélectricité?, Les utilisations suivantes de la piézoélectricité représentent d’autres options pour votre industrie:
Allumeurs piézoélectriques — c’est peut-être l’utilisation la plus connue et la plus omniprésente de la piézoélectricité. Dans un allumeur piézoélectrique, un bouton ou une gâchette est utilisé pour actionner et libérer un marteau à ressort, et le marteau est utilisé pour frapper une céramique piézoélectrique en forme de tige. Le choc mécanique soudain à la céramique piézoélectrique produit une augmentation rapide de la tension qui est assez élevée pour sauter un éclateur important et enflammer le carburant., Les allumeurs piézoélectriques sont couramment utilisés pour les briquets au butane, les grils à gaz, les poêles à gaz, les chalumeaux et les canons à pommes de terre improvisés.
production D’électricité — certaines applications nécessitent la récupération d’énergie à partir de changements de pression, de vibrations ou d’impulsions mécaniques. La récolte d’énergie est possible en utilisant des matériaux piézoélectriques pour convertir les déflexions ou les déplacements en énergie électrique qui peut être utilisée ou stockée pour une utilisation ultérieure.,
systèmes mécaniques microélectroniques (MEMS) — les dispositifs MEMS sont devenus plus courants car des capacités plus intégrées sont requises dans des emballages plus petits, tels que les téléphones cellulaires, les tablettes, etc. L’avantage des dispositifs MEMS est que les gyroscopes, les accéléromètres et les dispositifs de mesure inertiels peuvent être intégrés dans des boîtiers de la taille d’une puce. Afin d’accomplir un tel exploit, des actionneurs et des capteurs piézoélectriques sont souvent utilisés.,
raquettes de Tennis — une application quelque peu inhabituelle pour la piézoélectricité intègre des fibres piézoélectriques dans la gorge d’une raquette de tennis avec un microcontrôleur dans la poignée. Lorsque le joueur de tennis frappe la balle, le cadre de la raquette dévie et génère une sortie électrique qui est stimulée, inversée et réinjectée dans les fibres. Il s’agit d’une tentative de provoquer des interférences destructrices et d’amortir les vibrations structurelles.,
utilisation de la piézoélectricité dans les Applications de défense
Si vous faites partie de l’industrie de la défense, vous pouvez utiliser la piézoélectricité pour une variété d’applications:
Micro robotique — dans le domaine de la petite robotique, de petits actionneurs et capteurs mécaniques économes en énergie sont nécessaires. Avec l’utilisation d’actionneurs piézoélectriques, construire quelque chose d’aussi petit qu’une mouche robotique capable de ramper et de voler est techniquement réalisable. En fait, un nouveau domaine de la technologie robotique connu sous le nom de micro air Vehicles vise à construire de petits drones de la taille d’insectes ou d’oiseaux qui volent en battant des ailes., Ils contrôlent les surfaces tout comme les oiseaux et les insectes. Ces types d’exploits en miniaturisation sont possibles, en partie, en utilisant des actionneurs piézoélectriques.
balles changeantes-récemment, DARPA a inventé un .Balle de calibre 50 qui peut changer de cap en plein vol. Aussi absurde que cette innovation puisse paraître à certains lecteurs, la balle utilise un capteur optique monté sur son nez en conjonction avec un système de contrôle et des ailerons de queue mobiles pour se diriger vers une cible éclairée par laser., Bien que la DARPA n’ait pas révélé grand-chose sur leur balle D’Ordonnance chargée D’une extrême précision (EXACTO), le moyen le plus probable de manipuler les ailerons de queue implique probablement des actionneurs piézoélectriques.