principes, applications et investigations récentes
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F. Pigache Jeudi 26 mai 2011 Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration Conclusion 2 Introduction 1 Propriétés physiques piézoélectrique, ferroélectrique, pyroélectrique 1 Applications conventionnelles 2 Emission d’électrons des milieux ferroélectriques 1 Emission faible 1 Emission forte 1 Applications 2 Le Transformateur piézoélectrique 1 Principe et architectures 1 Application à la génération de décharge plasma 1 Avantages-Inconvénients: Etat des lieux Abbé Just-Hauy (1743-1822) Minéralogiste français, père de la minéralogie et de la cristallographie moderne. Premier observateur de la propriété piézoélectrique direct sur des matériaux naturels (quartz, sel de Seignette). Pierre et Jacques Curie (1859-1906)-(1856-1941) Physiciens français. Découvrent et interprètent le phénomène piézoélectrique direct en 1881. Gabriel Lippmann (1845-1921) Physicien français, (Nobel en 1908 photographie couleur). prédit l’effet piézoélectrique inverse. Confirmé ensuite par les frères Curie. Woldemar Voigt (1850-1919) Physicien allemand. Améliore l’interprétation du phénomène avec Gottlieb Hankel. Paul Langevin (1872-1946) Physicien français, Inventeur de la première application piézoélectrique, le sonar sous-marin durant la première guerre mondiale en 1917 avec Constantin Chilowski. Introduction 2 Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration Conclusion Piézoélectrique -> couplages électrique-thermique-mécanique Etymologie: du grec piezo [-pièse, -piésie, -pisie], signifie presser La piézoélectricité est la propriété de certains cristaux à générer des charges électriques sous l’effet d’une contrainte mécanique (effet direct). La propriété est réversible (effet inverse). Parmi les 32 classes de cristaux, 20 présentent des propriétés piézoélectriques. Ces cristaux se décomposent également en deux sous catégories imbriquées: 1 Pyro-électrique 1 Ferro-électrique Pyro-électrique ex: tourmaline Ferro-électrique ex:BaTiO3 Pb(Zrx,Ti1-x)O3 . Matériaux pyro-électriques: Ils génèrent un potentiel électrique sous l’effet d’une variation de température. Ce potentiel électrique se développe dans la même direction que le cristal. Matériaux ferro-électriques: Ils possèdent une polarisation rémanente même en l’absence de l’application d’un champ électrique: Les dipoles élémentaires qui le constituent présentent une orientation similaire. piézoélectrique ex: quartz Introduction 2 Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration Conclusion Piézoélectrique -> couplages électrique-thermique-mécanique Etymologie: du grec piezo [-pièse, -piésie, -pisie], signifie presser La piézoélectricité est la propriété de certains cristaux à générer des charges électriques sous l’effet d’une contrainte mécanique (effet direct). La propriété est réversible (effet inverse). Equations constitutives Parmi les 32 classes de cristaux, 20 présentent des propriétés piézoélectriques. 3 E = 1hS + 2 S D 4 D t 5T =c S 1h D Ces cristaux se décomposent également en deux sous catégories imbriquées: 1 Pyro-électrique 1 Ferro-électrique Synthèse des céramiques ferroélectriques 3 D = eS + 2 S E 4 E t 5T = c S 1 e E Ferro-électrique ex:BaTiO3 Pb(Zrx ,Ti1-x)O3 . Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration Les transducteurs piézoélectriques entrent dans de nombreuses applications : 2 2 2 2 2 Capteurs (accéléromètre, détection d’intrusion…), Générateurs mécano-électriques (résonateur à quartz…), Amortisseurs, Transformateurs (adaptation de tension/courant/impédance), Filtres (SAW, BAW) Conclusion Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique RAPPEL Emission d’électron à partir d’un métal ex: par effet thermoionique sur du tungstène Illustration Conclusion Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration EFFET FERROELECTRIQUE Emission d’électron à partir d’un matériau ferroélectrique (PZT, LiNbO3, BaTiO3) 1 Commutation rapide de la polarisation Faible travail de sortie nécessaire à l’expulsion d’ d’un électron 1 EMISSION FAIBLE Origine de l’émission Emission d’électrons (10-12 - 10-7 A.cm-2) jusqu’à ~105eV jusqu’à~10 1 1 1 1 Par effet pyroélectrique (observé en 1964) Par effet piézoélectrique (1980) Par inversion de polarisation (1974-1980) Champ électrostatique issu de la déviation de la polarisation initiale autour de l’é tat d’é quilibre l’état d’équilibre Conclusion Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration EFFET FERROELECTRIQUE+DIELECTRIQ UE Emission d’électron à partir d’un matériau ferroélectrique (PZT, LiNbO3, BaTiO3) Disposition d’ d’une électrode maillée en surface de la zone active 1 Excitation par pulses de haute tension >5kV200kV 1 EMISSION FORTE Emission d’électrons (100 A.cm-2) 1 observé en 1989 Origine de l’émission 1 Claquage en surface initiée par application de haute tension sur un diélectrique à forte permittivité (y compris ferroélectrique) (plasma assisted effect) effect) 1 Transition de phase forcée (ferroélectrique(ferroélectriqueparaélectrique-antiferroélectrique) paraélectrique-antiferroélectrique) Les origines physiques de l’émission forte sont encore discutées et ne font pas consensus Conclusion Introduction Emission des milieux ferroélectriques Architecture de base Effet piézoélectrique Ferroelectric plasma thruster Autres applications 1 Magnetron à bande S 1 Reflex Triode interrupteur à gaz fort courant - faible inductance 1 1 Lampe à cathode creuse Conclusion Ioniseur pour spectroscopie de masse ambiant 1 faible consommation <1W 1 pression atmosphérique 1 faible masse/faible dimension 1 large plage de température 1 sans consommable Neidholdt et al., 2011 Krasik et al., 2003 Illustration Kemp, Kowaleski, Kowaleski, 2007 Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration Conclusion Leur principe physique: une double conversion électromécanique Association mécanique de deux transducteurs piézoélectriques Différentes architectures Transformateur type Rosen Transformateur mode radial Transformateur mode épaisseur Différentes dimensions et puissances Quelques applications courantes 1 Rétro éclairage d’é cran LCD d’écran 1 Lampe à cathode froide Alimentation pour Tube photomultiplieur 1 Puissance de sortie: 0.2W rendement optimal 95% 0.1W 1 Alimentation pour systèmes embarqués 1 Isolation galvanique de capteurs 1 Commande rapprochée de transistors 10W Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration Conclusion Décharge couronne 1 Transformateur type Rosen V Fort gain en tension 30W.cm-3 1Fréquences de fonctionnement 1kHz-1MHz 1 1 1 Décharge luminescente V 1 Décharge à barrière diélectrique V Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration 3) Evolution dynamique du potentiel de surface selon le mode vibratoire 2/2-mode 2-mode 32/2-mode Conclusion Evolution en fonction de la pression 1mBar 2/2-mode 70,8kHz – 1,8V 2-mode 140,9kHz – 1,8V 32/2-mode 207,6kHz – 1,8V 100mBa r Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration Conclusion 3) Simulation électrostatique du potentiel électrique environnant 2/2-mode 70kHz – 1,8V P 1 50mBar 2-mode 140kHz – 1,8V P 1 50mBar 32/2-mode 207kHz – 1,8V P150mBar Nadal, Pigache, 2010 Introduction Emission des milieux ferroélectriques Glow discharge in various gases Effet piézoélectrique Illustration Conclusion Deported DBD (ozonizer (ozonizer)) Alonso and al. 2007 Itoh, Itoh, Teranishi, Teranishi, Suzuki, 2002 DBD Radio frequency excitation of microdischarges (10-23MHz) Ostrom, Ostrom, Vojak, Vojak, Eden, 2004 Teranishi, Teranishi, Itoh, Itoh, Suzuki, 2006 Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration Conclusion Teschke, Teschke, Engemann and al. 2009 DBD classique 13kHz - 4 kVpp DBD piezo 116kHz – 75 Vpp Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration Avantages des transformateurs piézoélectriques 1 1 1 1 1 1 Propriété diélectrique de la céramique, également siège du potentiel électrique Configurations géométriques diverses (ex: planes) Elévation en tension au plus près de la décharge Tension d’ d’entrée nécessaire à l’l’amorçage - de 1V quelques 10V Graduation du potentiel le long du diélectrique (Av (Av et In) In) Modularité dans les profils de décharges Inconvénients des transformateurs piézoélectriques 1 1 1 1 Fonctionnement à la résonance Limité en température (seuil de Curie) Régime alternatif Faible densité de courant Etat actuel des besoins 1 1 1 1 Mieux connaitre les phénomènes de couplage Identifier les limites physiques du procédé de génération Définir des architecture optimales pour la génération Etudes collégiales autour des communautés plasma/matériau/ingénierie électrique Conclusion Introduction Emission des milieux ferroélectriques Effet piézoélectrique Illustration Conclusion
