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| CONSEIL D'EXPERTS TECHNIQUES | DISTRIBUTEUR DEPUIS 1963

Éléments de la céramique piezoélectrique

Posté le: 21/03/22 | Catégories: Actualités, COMPOSANTS & MODULES

Les produits piézo-céramiques sont utilisés comme composants fonctionnels dans une large gamme d'équipements dans de nombreux domaines différents.

Éléments de la céramique piezoélectrique

Les produits utilisant un phénomène piézoélectrique ou ultrasonique se retrouvent dans des objets du quotidien.

La technologie piezoélectrique dans différents domaines :

  • L'Électronique médicale
  • Automobile
  • Domestique
  • Divers domaines industriels.

La piézocéramique est présente à l'intérieur de divers appareils, mais n'apparait pas visuellement.

La céramique piézoélectrique est un matériau qui transforme une pression mécanique en une tension électrique.

  • Une tension électrique appliquée aux bornes de la céramique piezoélectrique génèrera un mouvement mécanique, et vice-versa.

De la R & D à la production en passant par le développement, Fuji Ceramics contrôle tous les étapes de la fabrication de leurs produits

  • Ils s'appliquent à sourcer des matières premières de qualité afin de fournir les meilleures performances pour leurs produits

Découvrir Fuji Ceramics

Matériaux des céramiques piézoélectriques :

Le titanate de zirconate de plomb (Pb(Zr-Ti)O3), communément appelé PZT, est un matériau ferroélectrique à structure cristalline pérovskite qui présente une piézoélectricité importante.

La composition de base du PZT est le titanate de plomb (PbTiO3) et le zirconate de plomb (PbZrO3). En modifiant le rapport de mélange de ces deux composants, il est possible de contrôler les propriétés physiques telles que la piézoélectricité, la diélectricité et l'élasticité, ce qui permet de créer des matériaux céramiques piézoélectriques adaptés à des applications spécifiques.

  • Nous proposons des types doux et durs de PZT, de titanate de plomb (PbTiO3), de métaniobate de plomb (PbNb2O6), de titanate de bismuth (Bi4Ti3O12) et d'autres éléments en céramique piézoélectrique.
  • Nous proposons une large gamme d'éléments en céramique piézoélectrique.

Processus de production

Processus de fabrication des céramiques piézoélectriques :

Les piézocéramiques sont des matériaux polycristallins et sont fabriquées par deux procédés principaux : la fabrication de poudres céramiques et le processus de cuisson où les poudres sont formées et chauffées à une température élevée pour produire une liaison de particules.

D'autres procédés comprennent l'ajout d'additifs pour adapter les propriétés électriques à l'application et l'application d'une tension continue élevée à l'élément à haute température pour polariser la direction du cristal.

Guide d'application :

À propos des produits piézo-céramiques :

Les domaines d'application des céramiques piézoélectriques peuvent être largement divisés en deux catégories : les capteurs et les transducteurs.

Les transducteurs sont utilisés comme entrée électrique - vibration mécanique - sortie électrique et comprennent les résonateurs céramiques, les filtres, les buzzers piézoélectriques et les transformateurs piézoélectriques.

Les transducteurs comprennent des nettoyeurs et des actionneurs à ultrasons avec entrée électrique et sortie mécanique, ainsi que des capteurs de vibrations et de chocs et des générateurs piézoélectriques avec entrée mécanique et sortie électrique. L'éventail des applications à ce jour est très large, mais voici quelques-uns des domaines d'application.

Juste ce qu'il faut pour votre application :

  • Une large gamme de produits piézoélectriques pour une variété d'applications

Pour les instruments de précision :

  • Les piézo-céramiques sont utilisées comme source d'énergie pour les micro-actionneurs des microscopes électroniques à balayage (MEB) et des microscopes à force atomique (AFM).

Dans les équipements médicaux :

  • Les piézo-céramiques sont utilisées comme source d'ondes ultrasonores pour l'imagerie diagnostique par écho ultrasonore et pour la détection des bulles d'air dans les tubes des machines de perfusion et de dialyse.

Dans le secteur automobile :

  • Dans le domaine pionnier de l'électronique, les piézo-céramiques sont utilisées dans les capteurs de contrôle du moteur et les capteurs à ultrasons pour la détection des obstacles.
  • Nos capteurs piézoélectriques sont également utilisés pour le développement et les tests sur le terrain des accéléromètres, des capteurs AE et des capteurs de force.

Pour les équipements marins :

  • Le naufrage du Titanic a été le catalyseur du développement des communications maritimes, conduisant à la mise au point de détecteurs sous-marins à ultrasons et de détecteurs de poissons, qui utilisent des céramiques piézoélectriques pour faire osciller et recevoir des ondes ultrasonores.

Pour les équipements à semi-conducteurs :

  • Dans le domaine des semi-conducteurs, les piézo-céramiques sont utilisées dans des actionneurs, des oscillateurs et des récepteurs à ultrasons, tels que les pinces à fil pour le collage à grande vitesse des micro-fils dans les circuits intégrés et les débitmètres à ultrasons pour contrôler le débit d'eau pure lors du traitement des plaquettes de silicone.

Dans l'équipement de bien-être :

  • Les piézo-céramiques sont utilisées comme actionneurs pour lever et abaisser les broches des afficheurs braille utilisés par les malvoyants.

Pour les produits de consommation :

  • Les vibrations piézo-céramiques, les actionneurs et les ondes ultrasoniques sont utilisés pour l'autofocus des appareils photo, le dépoussiérage des lentilles optiques, les écrans tactiles des PC à ultrasons, les capteurs à ultrasons pour l'alimentation en papier des scanners, les équipements de beauté à ultrasons pour les soins de la peau, etc.

Autres applications :

  • Les capteurs piézo-céramiques à ultrasons sont utilisés dans un grand nombre de domaines, notamment la sécurité, l'exploration et la mesure des champs pétrolifères et géologiques.

Capteurs de force :

  • Il s'agit d'un capteur de force dynamique utilisant l'effet piézoélectrique du quartz. C'est un capteur piézoélectrique destiné à mesurer les forces dynamiques et quasi-statiques, des petites charges aux grandes charges, comme la surveillance de la charge de la presse, la surveillance de la force de sertissage des bornes et la mesure de la force axiale de serrage des boulons.

Capteurs d'accélération :

  • Qu'il s'agisse de mesurer l'accélération, la vitesse ou le déplacement pour diagnostiquer un laminage dans une aciérie ou un équipement de puissance dans une usine chimique, les accéléromètres piézoélectriques sont les capteurs de choix pour la mesure des vibrations et des chocs.

Capteurs AE (Emission Acoustique) :

  • Ces capteurs piézoélectriques sont utilisés dans de nombreux domaines, de l'inspection et du test des produits à la surveillance de la sécurité des grandes structures, car les capteurs AE captent les cris des produits et des structures qui ne peuvent être captés par les cinq sens humains.
  • Fuji Ceramics possède le seul système d'étalonnage au Japon qui utilise la méthode d'étalonnage de la sensibilité absolue.

Spécifications des matériaux :

PZT－Pb(Zr･Ti)O3／The lead zirconate titanate materials ( hard ceramics ).
Material No. C-2 C-21 C-201 C-202 C-203 C-204
Use exampls. Ultrasonic washing machines Underwater sonars Fish detectors
Facial equipments using ultrasonic		 In-vehicle sensors Voltage sensors sensors for optical fiber Ultrasonic washing machines Ultrasonic welding machine ultrasonic humidifier
Coupling factors. ×10−2 kp 63 59 60 56 59 63
k31 37 34 34 32 35 37
k33 76 71 71 69 71 74
kt 52 48 46 47 49 52
k15 77 74 74 69 70 71
Frequency constants. m・HZ Np 2100 2210 2170 2240 2130 2110
N31 1550 1630 1570 1620 1530 1530
N33 1410 1510 1500 1550 1470 1450
Nt 2020 2090 2100 2120 2020 2070
N15 880 910 930 990 920 930
Dielectric constants. ε11T/ε0 1970 1900 2010 1700 1470 2240
ε33T/ε0 1460 1400 1550 1600 1450 2200
Piezoelectric charge constants. ×10−12
m/V（C/N）		 d31 -158 -131 -145 -130 -145 -190
d33 367 288 330 315 325 435
d15 692 634 640 540 520 650
Piezoelectric voltage constants. ×10−3
V・m/N（m2/C）		 g31 -12.7 -10.7 -10.3 -9.4 -11.2 -9.7
g33 29.2 27.2 24.3 22.3 25.6 22.0
g15 39.7 37.7 36.0 33.6 39.6 32.7
Yungs mdulus. ×1010
N/m2		 Y11E＝1/s11E 7.3 8.3 7.9 8.2 7.2 7.2
Y33E＝1/s33E 5.3 6.4 6.4 6.8 6.0 5.7
Y55E＝1/s55E 2.2 2.3 2.4 2.8 2.3 2.4
Poisson's ratio. σ 0.30 0.29 0.30 0.31 0.29 0.29
Mechanical Q Qm 1200 1400 900 1200 2000 520
Dissipation factor. % tan δ 0.25 0.30 0.29 0.20 0.30 0.25
Curie point. ℃ Tc 300 307 290 290 350 250
Density. ×103 kg/m3 ρ 7.60 7.80 7.8 7.85 7.7 7.65
Temp. coefficient. frTC ppm/℃ -40～＋20℃ 200 110 400 400 240 140
＋20～＋80℃ 90 110 30 150 240 120
CTC
ppm/℃		 -40～＋20℃ 1820 1810 500 300 1900 1900
＋20～＋80℃ 4120 3630 4100 3000 3200 3600
Characteristics. For high power driving High d33・
Stable temp. coefficient		 High d33 & Qm
High Tc		 Middle Qm
High k33・d33.

 PZT－Pb(Zr･Ti)O3／The lead zirconate titanate materials ( hard ceramics ).
Material No. C-205 C-213 C-213P C-3 C-4
Use exampls. Ultrasonic washing machines & welding machines, Medical nebulizers & scalpels, Dental scalers, Ultrasonic motors,
& for other ultrasonic equipments		 Ultrasonic test equipments & Thickness indicators Bolt axial tension meters
Coupling factors. ×10−2 kp 58 58 60 45 36
k31 34 34 35 26 23
k33 70 70 70 64 57
kt 49 48 47 49 39
k15 68 70 69 64 53
Frequency constants. m・HZ Np 2270 2230 2210 2460 2520
N31 1660 1620 1630 1810 1840
N33 1560 1540 1540 1710 1760
Nt 2110 2090 2070 2140 2150
N15 990 960 950 1060 1100
Dielectric constants. ε11T/ε0 1650 1590 1750 820 560
ε33T/ε0 1580 1470 1470 510 330
Piezoelectric charge constants. ×10−12
m/V（C/N）		 d31 -136 -135 -139 -55 -39
d33 322 310 306 154 110
d15 492 510 542 381 201
Piezoelectric voltage constants. ×10−3
V・m/N（m2/C）		 g31 -9.7 -10.2 -10.7 -12.0 -12.8
g33 22.7 23.4 23.5 32.4 33.7
g15 33.6 36.4 34.9 43.5 40.8
Yungs mdulus. ×1010
N/m2		 Y11E＝1/s11E 8.6 8.2 8.4 10.0 10.3
Y33E＝1/s33E 6.8 6.6 6.7 8.2 8.7
Y55E＝1/s55E 2.7 2.6 3.3 2.5 3.5
Poisson's ratio. σ 0.29 0.29 0.28 0.28 0.29
Mechanical Q Qm 2140 2500 1520 1900 1700
Dissipation factor. % tan δ 0.40 0.30 0.10 0.20 0.35
Curie point. ℃ Tc 280 315 318 270 330
Density. ×103 kg/m3 ρ 7.8 7.8 7.9 7.60 7.60
Temp. coefficient. frTC ppm/℃ -40～＋20℃ 30 200 150 10 20
  ＋20～＋80℃ 200 100 20 -180 -170
CTC
ppm/℃		 -40～＋20℃ 2490 2100 1900 2670 2250
  ＋20～＋80℃ 3230 3400 3900 5370 4360
Characteristics. High Qm & d33. Low tan δ Low ε33T

PZT－Pb(Zr･Ti)O3／The lead zirconate titanate materials ( soft ceramics )
Material No. C-5 C-6 C-6H C-62 C-63 C-64 C-601 C-7 C-8
Use exampls. Bone MICs,
Sonic sensors		 Transmit-receive sensors of ultrasonic (for cars, flowmeters, bubble sensors & level meters, etc.), Ultrasonic medical probes (for diagnostic imaging), for various actuators Sound pickups
Coupling factors. ×10−2 kp 64 66 70 68 59 63 65 58 65
k31 38 39 41 40 33 35 37 34 38
k33 73 76 77 77 68 73 76 72 77
kt 53 52 50 52 48 50 50 53 52
k15 78 74 76 76 66 71 73 64 70
Frequency constants. m・HZ Np 2060 1960 1960 1960 2130 1970 2060 2080 1980
N31 1530 1420 1420 1440 1480 1380 1460 1440 1410
N33 1400 1350 1380 1350 1500 1360 1380 1410 1350
Nt 2050 2010 2110 2040 2060 1970 2070 2070 2050
N15 850 850 860 850 950 850 890 950 910
Dielectric constants. ε11T/ε0 2140 2270 2550 2730 1850 1960 2400 3670 3100
ε33T/ε0 1170 2130 2400 2600 2000 1850 2300 4660 3480
Piezoelectric charge constants. ×10−12
m/V（C/N）		 d31 -140 -210 -240 -234 -165 -185 -210 -271 -274
d33 333 472 490 500 320 435 500 665 627
d15 764 758 800 860 530 670 730 737 779
Piezoelectric voltage constants. ×10−3
V・m/N（m2/C）		 g31 -14.5 -11.5 -11.2 -10.6 -9.5 -11.4 -10.0 -6.8 -8.8
g33 32.1 25.0 23.2 24.4 23.0 24.4 23.0 15.0 19.7
g15 40.3 37.7 35.6 35.6 32.5 38.5 34.0 22.7 28.4
Yungs mdulus. ×1010
N/m2		 Y11E＝1/s11E 7.2 6.2 6.3 6.3 6.7 5.9 6.7 6.1 6.0
    Y33E＝1/s33E 5.3 4.9 5.2 4.9 6.2 5.1 5.0 5.2 4.8
    Y55E＝1/s55E 1.9 1.9 2.0 1.9 2.5 2.0 2.2 2.4 2.2
Poisson's ratio.   σ 0.29 0.32 0.31 0.30 0.37 0.34 0.33 0.39 0.32
Mechanical Q   Qm 90 80 70 75 90 80 110 45 65
Dissipation factor. % tan δ 1.65 1.60 2.0 1.65 1.2 1.5 0.9 2.50 1.90
Curie point. ℃ Tc 305 295 290 245 295 345 285 162 193
Density. ×103 kg/m3 ρ 7.65 7.65 7.8 7.60 7.6 7.7 7.8 7.40 7.45
Temp. coefficient. frTC ppm/℃ -40～＋20℃ -550 -330 -250 -380 -20 -180 -260 -540 -340
    ＋20～＋80℃ -680 -130 -5 170 80 180 -120 180 -20
  CTC
ppm/℃		 -40～＋20℃ 4230 3590 3400 3860 1850 3500 3300 4330 3940
    ＋20～＋80℃ 7960 4850 4000 5610 2550 3600 4000 8030 6050
Characteristics.     Middle
ε33T		 General- purpose High k33 & d33   Low temp. coefficient High Tc High
k33 & d33		 High
ε33E
Low Qm		 Middle
ε33E

PZT－Pb(Zr･Ti)O3／The lead zirconate titanate materials ( soft ceramics ).
Material No. C-82 C-83H C-84 C-9 C-91 C-91H C-92H C-93
Use exampls. Ultrasonic medical probes (for diagnostic imaging), & For various actuators
Coupling factors. ×10−2 kp 65 73 69 57 60 69 72 68
k31 37 43 43 37 37 42 44 40
k33 75 78 79 69 69 74 78 77
kt 51 51 54 49 49 50 51 53
k15 70 76 76 58 65 68 69 71
Frequency constants. m・HZ Np 2030 1930 1900 2040 1960 1950 1910 1890
N31 1430 1410 1400 1440 1380 1410 1430 1410
N33 1390 1380 1290 1390 1380 1390 1320 1300
Nt 2090 2150 2000 1950 1960 2080 2070 1970
N15 900 880 840 950 920 900 930 870
Dielectric constants. ε11T/ε0 3090 3900 4870 6050 4400 4900 4400 5600
ε33T/ε0 3650 4200 4760 6640 5500 5800 5300 6050
Piezoelectric charge constants. ×10−12
m/V（C/N）		 d31 -266 -335 -356 -354 -330 -375 -366 -371
d33 600 670 774 718 640 710 770 826
d15 781 980 1140 827 820 920 848 1080
Piezoelectric voltage constants. ×10−3
V・m/N（m2/C）		 g31 -8.3 -9.0 -8.4 -6.0 -7.0 -7.3 -7.8 -6.9
g33 18.5 17.9 18.4 12.2 13.5 13.9 16.4 15.4
g15 28.6 28.3 26.6 15.5 21.0 21.2 21.8 21.8
Yungs mdulus. ×1010
N/m2		 Y11E＝1/s11E 6.2 6.1 6.0 6.5 5.9 6.4 6.6 6.3
Y33E＝1/s33E 5.1 5.1 4.4 5.4 5.4 5.5 4.9 4.6
Y55E＝1/s55E 2.2 2.1 1.9 2.6 2.4 2.4 2.6 2.5
Poisson's ratio. σ 0.34 0.29 0.30 0.36 0.38 0.32 0.28 0.27
Mechanical Q Qm 65 65 46 25 30 24 28 67
Dissipation factor. % tan δ 1.90 2.2 2.0 4.5 3.0 3.7 3.6 1.7
Curie point. ℃ Tc 195 220 186 130 165 170 183 150
Density. ×103 kg/m3 ρ 7.50 7.7 7.67 7.75 7.75 8.1 8.1 7.91
Temp. coefficient. frTC ppm/℃ -40～＋20℃ -260 -290 -704 -970 -1000 -1370 -1580 -690
＋20～＋80℃ 30 100 -185 540 550 330 660 1360
CTC
ppm/℃		 -40～＋20℃ 3650 3500 4360 7610 6000 8400 8450 7190
＋20～＋80℃ 5440 5300 7590 9630 4500 8800 6780 5360
Characteristics.     High ε33T・d33、Low Qm

 PT－PbTiO3  ● PN－PbNb2O6. BiT－Bi4Ti3O12／The lead titanate, metaniobate & bismuth titanate materials.
Material No. PT     PN BiT
M-1 M-5 M-6 F-100 B-600
Use exampls. Ultrasonic flowmeters Ultrasonic test equipments Ultrasonic level meters Touch-sensitive LCDs High-intensity focused ultrasonics   Ultrasonic test equipments Ultrasonic thickness gauges Ultrasonic flowmeters (high-temp. type)
Coupling factors. ×10−2 kp 6.0 6.0 4.0 (30) 4.7
k31 6.5 6.0 2.6 (24) 2.9
k33 37 47 53 (31) －
kt 38 43 51 39 20.1
k15 － － 37 (39) －
Frequency constants. m・HZ Np 2630 2800 2860 (2015) 2710
N31 2050 2150 2200 (1570) 2080
N33 2060 2150 2240 (1580) －
Nt 2130 2250 2230 1630 2180
N15 － － 1450 (1030) －
Dielectric constants. ε11T/ε0 － － 250 (370) －
ε33T/ε0 185 220 215 300 150
Piezoelectric charge constants. ×10−12
m/V（C/N）		 d31 -4.3 -4.7 -3.7 (55) -2.9
d33 43.9 58.2 71.0 80 (19.0)
d15 － － 41.0 (145) －
Piezoelectric voltage constants. ×10−3
V・m/N（m2/C）		 g31 -2.7 -2.4 -1.6 (19) -2.2
g33 25.1 30.3 37.3 (22) (14.3)
g15 － － 21.3 (45) －
Yungs mdulus. ×1010
N/m2		 Y11E＝1/s11E 11.9 13.9 13.2 (5.4) 12.4
Y33E＝1/s33E 13.5 14.4 11.6 (5.5) －
Y55E＝1/s55E － － 8.7 (2.3) －
Poisson's ratio. σ 0.26 0.20 0.21 ー 0.22
Mechanical Q Qm 1200 1450 850 20 5980
Dissipation factor. % tan δ 1.5 1.5 2.0 (1.0) 0.30
Curie point. ℃ Tc 385 310 250 530 670
Density. ×103 kg/m3 ρ 7.6 7.4 6.92 5.7 7.2
Temp. coefficient. frTC ppm/℃ -40～＋20℃ -70 -60 -50 (1400) -66
  ＋20～＋80℃ -70 -40 -100 (800) -66
CTC
ppm/℃		 -40～＋20℃ 2350 2550 3000 (950) 450
  ＋20～＋80℃ 3600 4000 4500 (1100) 820
Characteristics. Anisotropics, kt>kp Low Qm・ High Tc・ Low ρ Anisotropics,
kt>kp
High Qm
High Tc High Qm High kt

Fuji Ceramics propose une large gamme d'actionneurs piézoélectriques et de capteurs piézoélectriques. Veuillez nous contacter pour la conception et la fabrication.

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