L’effet piézoélectrique

De nombreux cristaux génèrent une charge électrique lorsqu’on les soumet à une charge mécanique. Ce phénomène physique est connu dans le monde entier sous le nom d’effet piézoélectrique. La technique de mesure piézoélectrique est prédestinée aux tâches de mesure présentant des exigences extrêmes concernant la géométrie, les plages de température et la dynamique.

L’effet piézoélectrique a été découvert en 1880 par les frères Curie. "Piezein" vient du grec et signifie "comprimer, exercer une pression". Les deux physiciens ont constaté que la surface de certains cristaux se chargeait électriquement lorsque le cristal était soumis à une sollicitation mécanique. Cette charge électrique est exactement proportionnelle à la force qui s’exerce sur le cristal et se mesure en picocoulomb (pC).

Production de la charge
Lorsqu’une charge est exercée sur un cristal, la structure réticulaire typique de ce dernier est déformée. Cela ne peut se produire que si ladite structure ne présente pas de centre de symétrie. C’est le cas du quartz (SiO2), qui est ainsi parfaitement idoine. En outre, il peut être produit par synthèse. Lors de la déformation, les ions positifs de silicium et les ions négatifs d’oxygène sont poussés les uns contre les autres. Les centres de gravité des charges positives et négatives s’en trouvent déplacés, ce qui entraîne la formation d’une charge électrique.

La position
En fonction de la position des axes polaires des cristaux par rapport à la force exercée on distingue plusieurs types d’effet piézoélectrique:

• Effet longitudinal
• Effet de poussée / Effet de cisaillement
• Effet transversal

L’effet piézoélectrique ne s’observe que dans des matériaux non conducteurs. Les matériaux piézoélectriques pour les éléments de capteurs doivent avant tout présenter une haute résistance mécanique et une rigidité élevée. La seconde exigence concerne la stabilité de leurs propriétés mécaniques et électriques sur une large plage de température et sur de longues durées d’utilisation. La haute sensibilité, la linéarité et l’absence d’hystérésis (lorsque les courbes de calibrage ascendantes et descendantes son identiques) et une résistance d’isolation électrique élevée sont également de facteurs favorables. Les principaux matériaux utilisés par Kistler pour ses solutions de mesure sont le quartz, le crystal PiezoStar, similaire au quartz and les céramiques piézoélectriques.

Préparation du signal
La charge électrique est une grandeur assez difficile à saisir par expérience. C’est pour cette raison que l’effet piézoélectrique ne gagna en signification qu'en 1950, grâce au brevet déposé par Walter P. Kistler pour son amplificateur de charge qui permettait pour la première fois des mesures précises dans le respect d’exigences très strictes en matière de géométrie, de plage de température et de dynamique.

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