Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Centre de Recherche
en Technologies Industrielles CRTI

crti

Equipe 3 : Transformateurs Piézo-électriques

Chef d'équipe :

Maitre de Recherche Classe « B »

Membres d'équipe :

Attaché de Recherche
Attaché de Recherche

Projet de l'équipe :

Intitulé du projet : Modélisation et Caractérisation de transducteurs piézoélectriques


Projet :
Modélisation et Caractérisation de transducteurs piézoélectriques
Durant ces vingt dernières années, la demande de transformateurs de tension miniaturisés s’est accrue avec la multiplication rapide des équipements portables (caméras, téléphone, appareils de mesure, micro-ordinateur…etc.).
La miniaturisation du transformateur électromagnétique semble difficile (bobinages, noyau…etc.), une solution intéressante consiste en l’utilisation du transformateur piézoélectrique de dimensions petites, il est constitué de deux ou de plusieurs résonateurs piézoélectriques couplés entre eux par une vibration mécanique. Il présente plusieurs avantages par rapport à son homologue électromagnétique classique dans des applications bien spécifiques : taille réduite, simple structure, haut voltage, bon rendement, hautes fréquences…etc.
Depuis que le transformateur piézoélectrique fut proposé par Rosen en 1956, plusieurs études ont été menées à son sujet et de nouvelles structures ont été proposées, fabriquées et testées.
L'axe du projet concerne d'abord la fabrication de quelques transformateurs de tension piézoélectriques de type Rosen, la céramique utilisée est de type PZT (P191). Ensuite, des méthodes de modélisation sont proposées pour la caractérisation électrique et mécanique. Enfin, des mesures expérimentales sont faites pour valider les modèles proposés.
Intérêts du projet :
Technologique :
  • Miniaturisation des dispositifs électroniques, les transducteurs et transformateurs piézoélectriques étant de taille millimétrique.
  • Environnement
  • Absence de bruit magnétique
Problématiques
  • Développer de nouvelles méthodes de modélisation des structures piézoélectriques (circuit électrique équivalent, modélisation par éléments finis : Comsol Multiphysique).
  • Tester des transformateurs piézoélectriques afin de valider les résultats théoriques obtenus par les deux méthodes.
Résumé
Actuellement, les céramiques piézoélectriques de type PZT sont utilisées avec succès dans la fabrication des différents types des transformateurs de tension piézoélectriques ( Rosen, radial,...etc), leurs caractéristiques dépassent de loin celles des autres matériaux piézoélectriques (cristaux et polymères).
Pour décrire le comportement électrique et mécanique du transformateur de Rosen et étudier ses performances (gain en tension, puissance fournie, rendement, ...etc), le modèle de Masson qui modélise généralement les résonateurs piézoélectriques est utilisé pour le modéliser, le logiciel Comsol est utilisé pour la modélisation numérique par éléments finis. Les résultats obtenus sont comparés et afin de les valider, un dispositif expérimental est mis en place. Il comprend un générateur de fonction pour exciter les échantillons avec une tension sinusoïdale dont la fréquence est égale à la fréquence de résonance mécanique des échantillons et aussi, un oscilloscope numérique pour la mesure des tensions électriques. Les résultats expérimentaux obtenus sont en parfait accord avec la théorie.

Transformateur piézoélectrique
Dispositif expérimental
Résultats
  • Possibilité de fabriquer facilement des transformateurs de tension piézoélectriques.
  • Possibilité de modéliser la structure Rosen en utilisant un circuit électrique équivalent.
  • Possibilité de modéliser la Structure Rosen en utilisant la méthode des éléments finis (Comsol Multiphysique).
  • Mesure des rapports de transformation (gain en tension) de la structure.
  • Excellent accord entre les résultats théoriques obtenus (gain en tension, fréquence de résonance, puissance fournie, rendement).
Perspectives
  • Étendre l'étude sur d'autres types de transformateurs.
  • Généraliser ces modèles analytiques et numériques sur tous les types de transducteurs utilisés dans le contrôle non destructif.
Capteurs SAW (Surface acoustic wave)
Les capteurs SAW (Surface acoustic wave) jouent un rôle très important dans le contrôle non destructif CND des matériaux. Ils permettent de détecter les défauts de surface de ces matériaux.
Parmi les objectifs de notre division (DCI) figure la réalisation de capteurs interdigités (IDT pour Interdigital Transducer) sur des supports piézoélectriques pour application CND. L’enjeu est de disposer de capteurs dont la fréquence propre est la plus élevée possible afin de générer des ondes de surface de hautes fréquences. Dans la littérature scientifique, les fréquences maximales proposées, pour ce type de capteurs, sont de l’ordre de quelques mégahertz. Or pour analyser des matériaux revêtus avec des couches minces, il est nécessaire de disposer de capteurs travaillant à plus hautes fréquences pour obtenir une meilleure sensibilité des ondes ultrasonores vis-à-vis des paramètres physiques des couches permettant ainsi leur caractérisation.
Nous avons pris une partie importante de ce projet, cette partie est consacrée aux techniques permettant de réaliser des électrodes interdigitées, ayant des résolutions importantes, à la surface des substrats ZnO. Les techniques utilisées dans ce travail sont la photolithographie (processus d'imprimer un modèle géométrique d'un masque sur une couche mince de matériel appelée résine).Elle est sensible aux rayonnements tels que : rayons X, ions, ultraviolets) et le dépôt des couches minces ZnO piézoélectrique par voie physique PVD. Les impératifs de réalisation de ces capteurs interdigités imposent premièrement des largeurs d’électrodes extrêmement faibles et deuxièmement de s’adapter aux caractéristiques intrinsèques des PZT avec en particulier une porosité et une rugosité relativement importantes.
Pour cela nous avons effectués une recherche bibliographique riche sur ce thème de recherche.


Productions scientifiques :

Publications


F. Boukazouha, G. Poulin-Vittrant, L.P. Tran-Huu-Hue, M. Bavencoffe, F. Boubenider, M. Rguiti, M. Lethiecq,  A comparison of 1D analytical model and 3D Finite Element Analysis with experiments for a Rosen-type piezoelectric transformer, Ultrasonics , Volume 60 , 2015 , pp 41-50.
F.Boukazouha, F.Boubenider,  Piezoelectric transformer: Comparison between a model and an analytical verification, Computers and structures , Volume 86 , Issue 3-5 , 2008 , pp 374-378.

Communications


Projet

Equipes

Divisions