Elaboration et caractérisation de matériaux piézoélectriques pour capteurs haute température

= Piezoelectric miaterials elaborated and Cartacterized for high temperature sensors

• Auteur / Autrice : Adel Megriche
• Direction : Michel Troccaz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie inorganique
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hautes températures

Capteurs de pression

Céramiques piézoélectriques

Résumé

La finalité industrielle et technologique des matériaux piézoélectriques pour capteur haute température impose : *une température de Curie Tc élevée (>500 °C) * une résistivité électrique élevée ( > 107cm à Température >Tc/2) * une bonne stabilité des propriétés piézoélectriques et diélectriques avec la température. Les matériaux ferroélectriques de type niobate de lithium (Tc = 1210 °C) et les titanates de bismuth à structure pérovskite en couches ( Tc > 550 °C) sont des candidats potentiels pour ce genre d' appiication, car ces matériaux présentent des températures de Curie suffisamment élevées pour pouvoir conserver des propriétés piézoélectriques jusqu'à 500 oc. L'influence de substitutions et d'un dopage en masse sur ces matériaux a été étudiée. Nous obtenons ainsi une amélioration des propriétés piézoélectriques et des caractéristiques électriques tout en conservant une bonne stabilité en température et une température de Curie élevée. Trois formulations ont par suite été retenues pour lesquelles une caractérisation tensorielle complète a été donnée: • Li0. 97Na0,03NbO3 + 0. 2% MnO2 • Bi4Ti2,95W0,05O12 + 0. 2%Cr203 • Na0,5La0,5Bi4Ti3,85Nb0,15O15 + 0. 3% MnO2. Un premier prototype de capteur est réalisé par le collage d'une céramique sur une feuille métallique formant ainsi un bimorphe travaillant en flexion. Les mesures en température montrent une limite de ce prototype vers 300 °c due au décollement céramique - métal. Pour contourner ce problème, une alternative intéressante a été la réalisation d'un capteur par le dépôt par sérigraphie d'un film épais de matériau actif sur un substrat en alumine. Sa stabilité en température a été confirmée jusqu'à 450°C.

The need for high temperature piezoelectric material sin, for example, ultrasonic probes and pressure sensors is very important for automobile industry or chemical transformations. At present, only single crystals of tourmaline, which has poor piezoelectric coefficients can be operated above 600 °c. The objective of this work is to develop a piezoelectric ceramics with improved properties, which can be operated up to 500 °c. Two families of materials with Curie temperature above 600 °c have been selected, namely LiNbO3 and a Bismuth Titanates belongs to the Aurivillius compounds family that can be represented by the general formula Bi2An-1BnO3n+3 in which A can be a monovalent, divalent or trivalent cation or a mixture of them, B represents Ti 4 +, Nb5+, W6+ etc. , and n can have values of 2,3,4. . . Preparation of dense ceramics with the required properties will be achieved with varied substitutions and some additives impurities. Tree compositions are chosen and caracterized in high temperature device. -* Li0,97Na0,03NbO3+0,2% MnO2 -* Bi4Ti2?95W0,05O12+0,2%Cr2O3 -* Na0,5Bi4Ti3,85N0,15O15+0,3%MnO2. At the same time a two high temperature acoustic pressure sensors will be developed for use with the piezoelectric ceramics and thick films. The response of the realized sensor to an acoustical load is analysed in relation to temperature