Procédé de Fabrication des Céramiques PZT
PI développe et fabrique ses propres
matériaux de céramiques piézos dans son usine PI Ceramic. Le procédé de fabrication des piézocéramiques
haute tension démarre avec le mélange et le broyage à billes des
matières brutes. Puis, afin d'accélérer la réaction
des composants, le mélange est chauffé à 75 % de la température de
frittage, puis encore moulu. L'étape suivante est la granulation
avec le liant afin d'améliorer les propriétés du traitement. Après façonnage et pressage, la céramique
fraîche est chauffée à 750 °C environ pour brûlage du liant. La
phase suivante est le frittage, à des températures entre 1250 °C et
1350 °C. Ensuite le bloc de céramique est coupé, meulé, abrasé, poli,
etc., à la forme et à la tolérance désirées. Les électrodes sont appliquées
par des procédés de pulvérisation ou de sérigraphie. La dernière
étape est le processus de polarisation qui se déroule dans
un bain d'huile chauffée soumis à des champs électriques jusqu'à plusieurs kV/mm.
Ce n'est qu'à partir de cette étape que la céramique s'approprie des
propriétés
piézoélectriques macroscopiques.
Les actuateurs piézos multicouche nécessitent un procédé de fabrication différent. Après broyage on prépare une pâte qui sera utilisée dans
un procédé de moulage de feuille permettant d'obtenir des épaisseurs de
couches jusqu' à 20 µm. Après, les électrodes sont
sérigraphiées et les feuilles laminées. Un procédé de compactage
augmente la densité de la céramique fraîche et retire l'air emprisonné entre les couches. Les
dernières étapes sont le
brûlage du liant, le frittage, (cuisson simultanée) à des températures
inférieures à 1100 °C , la connexion des fils et la polarisation.
Toutes les étapes des procédés, et tout
particulièrement les cycles de chauffage et de frittage, doivent
être contrôlés avec des tolérances très serrées. La déviation
la plus infime affectera la qualité et les propriétés
du matériau PZT. Le test final sur cent pour-cent des
matériaux et des composants piézos chez PI Ceramic
garantit la qualité du produit la plus élevée possible.
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Définition des Coefficients et des Directions
Piézoélectriques
En raison de la nature anisotrope des
céramiques PZT, les effets piézoélectriques dépendent de la direction.
Pour identifier les directions, on introduit les axes 1, 2, et 3 (correspondant
aux axes X,
Y, Z du trièdre orthogonal droit classique). Les axes 4, 5
et
6 identifient les rotations (cisaillement), qX,
qY, qZ
(connues aussi sous U, V, W.)
La direction de polarisation (axe 3) est établie pendant le
processus de polarisation en appliquant un champ électrique très
fort entre
deux électrodes. Pour les applications utilisant les actuateurs linéaires (translateurs),
les caractéristiques piézos le long de l'axe de polarisation sont les plus importantes (déviation la plus grande).
Les matériaux piézoélectriques sont caractérisés par
plusieurs coefficients.
Exemples :
- dij: Coefficients de Déformation [m/V] ou coefficients
de sortie de charge [C/N]: Déformation développée [m/m] par unité
d'intensité de champ électrique appliquée [V/m] ou (en raison
des propriétés de capteur /actuateur du matériau PZT) densité
de charge développée [C/m2]
pour une contrainte donnée [N/m2].
- gij:
Coefficients de Tension ou coefficients de sortie de champ [Vm/N]:
Champ électrique à circuit ouvert développé [V/m] pour une
contrainte mécanique appliquée [N/m2]
ou (en raison des propriétés de capteur /actuateur du matériau PZT )
déformation développée [m/m] par une densité de charge appliquée [C/m2].
- kij: Coefficients
de Couplage [sans dimension]. Les coefficients sont des rapports
énergétiques décrivant la conversion d'une énergie mécanique
en une énergie électrique ou vice versa. k2 est le rapport de l'énergie stockée (mécanique ou électrique) par l'énergie
(mécanique ou électrique) appliquée.
Les autres paramètres importants sont
le module de Young Y
(décrivant les propriétés élastiques du matériau) et εr
les coefficients diélectriques relatifs (permittivité).
Des indices doubles, comme dans dij, sont utilisés pour
décrire les relations entre les paramètres mécaniques et électriques. Le
premier indice indique la direction du stimulus, le second la direction
de la réaction du système.
Exemple:
d33
signifie que le champ électrique est le long de l'axe de polarisation (direction 3)
et que la déformation (déviation) est le long du même axe. d31
signifie que le champ électrique est dans la même direction
que précédemment, mais que la déviation d'intérêt est le long de l'axe 1 (orthogonal
à l'axe de polarisation).
En plus les exposants S, T, E, D peuvent être utilisés pour
décrire une condition aux limites électriques ou mécaniques.
Définition:
S (Strain) pour déformation = constante (bloqué mécaniquement)
T (Stress) pour contrainte = constante (non bloqué )
E pour champ = 0 (court circuit)
D pour déplacement de charge (courant) = 0 (circuit ouvert)
Les coefficients piézoélectriques individuels sont reliés les uns aux
autres par des
systèmes d'équations qui ne seront pas détaillés ici.
Notes
Les coefficients piézoélectriques
décrits ici sont souvent présentés comme des constantes. Il doit être
parfaitement clair que leurs valeurs ne sont pas invariables. Les coefficients
décrivent les propriétés des matériaux dans des conditions de
petits signaux seulement. Ils varient avec la température,
la pression, le champ électrique, le facteur de forme et les
conditions aux limites mécaniques et électriques, etc. Les composants
composites, tels que les actuateurs à empilements piézos, sans parler des actuateurs préchargés ou des
systèmes à amplification par levier,
ne peuvent pas être décrits uniquement par ces paramètres du matériau. C'est pourquoi chaque composant ou système fabriqué par PI
est accompagné par ses données spécifiques telles que raideur, capacité
de charge, déplacement, fréquence de résonance etc., déterminées par des
mesures individuelles. Les paramètres décrivant ces systèmes
se trouvent dans la table de données techniques du produit.
Important:
Il n'existe pas de
standards internationaux pour définir ces spécifications. Ce qui signifie que les valeurs déclarées par les différents
fabricants ne peuvent pas être directement comparées entre elles.
Résolution
Comme le déplacement
d'un actuateur piézo est basé sur le décalage ionique et
l'orientation
des cellules unitaires PZT, la résolution dépend du champ électrique
appliqué. La résolution est théoriquement illimitée. Puisqu'il
n'existe pas de tensions seuils, la stabilité de la source
de tension est critique; le bruit même dans la gamme du µV
produit des changements de position. Quand les actuateurs piézos
sont pilotés par un amplificateur faible bruit, ils peuvent être
utilisés dans les microscopes à effet tunnel et à force atomique, fournissant un déplacement
régulier, continu avec une résolution subatomique (voir Fig. 8).
Bruit d'Amplificateur
Un facteur déterminant
la stabilité de la position (résolution) d'un actuateur piézo
est le bruit de la tension de commande. La spécification de la valeur du
bruit de l'électronique de commande du piézo en millivolts,
ne présente que peu d'intérêt sans une information spectrale. Si
le bruit se produit dans une bande de fréquence loin au-delà de la
fréquence de résonance du système mécanique, son influence sur la
résolution et sur la stabilité mécanique peut être négligée. Si elle coïncide avec la fréquence de résonance, son influence sera nettement plus significative sur la
stabilité du système.
En conséquence, une information significative sur la stabilité et la résolution
d'un système de positionnement piézo peut seulement être acquise
si la résolution du système complet — actuateur piézo et
électronique de commande —est mesurée
en
termes de nanomètres plutôt que de millivolts. Pour plus d'informations voir p.see link et p.see link.
Notes
Le
déplacement régulier dans la gamme subnanométrique présentée dans la Fig. 8
peut être atteint uniquement par des actuateurs et des guidages à l'état
solide sans frottement et sans striction tels que les actuateurs et
les flexions piézos.
Les technologies “traditionnelles” utilisées dans les
positionneurs de déplacement (moteurs à pas ou servomoteurs DC en combinaison
avec des glissières à queue-d'aronde, des roulements à billes,
et des roulements à rouleaux) présentent toutes une quantité excessive de
frottement et de striction. Cette propriété
fondamentale limite la résolution et produit du voile, de l'hystérésis,
du jeu, et une incertitude dans la répétabilité en position.
En pratique leur utilisation est ainsi
limitée à une précision de plusieurs ordres de grandeur inférieure
à celle obtenue avec les nanopositionneurs piézos de PI.
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Installation de pulvérisation à PI
Ceramic
Fig. 7. Système orthogonal décrivant les
propriétés d'une céramique piézoélectrique polarisée. L'axe 3 est la direction
de polarisation
Fig. 8. Réponse régulière d'un translateur P-170 HVPZT
pour un signal de commande triangulaire de 1 V, 200 Hz. Notez qu'une
division correspond à seulement 2 nanomètres.
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