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Un matériau piézoélectrique de 4 microns d’épaisseur !

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La firme nippone Fujifilm Corp a développé une céramique PZT (titanate zirconate de plomb) dont la constante piézoélectrique est 2 fois plus élevée grâce à l’ajout de niobium concentré (Nb).

Ce type de matériau possède des propriétés piézoélectriques – ce qui signifie qu’il développe une tension électrique entre ses deux faces une fois compressé, ou qu’il change physiquement de forme selon le champ électrique externe auquel on l’applique.

Le PZT peut être utilisé dans une grande variété de capteurs et d’actionneurs tels que des capteurs de pression, des capteurs d’accélération, des gyroscopes, des têtes d’imprimante, des  têtes magnétiques pour disques durs, des micro-pompes et encore des micro-miroirs.

Cette fois, Fujifilm a utilisé un procédé de pulvérisation pour former un film mince piézoélectrique par l’ajout de niobium PZT : la proportion de Nb atteint environ 13%. "Sa constante googlepiézoélectrique est beaucoup plus élevée (-d31 = 250pm/V), que celle des PZT existantes (-d31 = 130pm/V)", a ainsi indiqué le conglomérat japonais.

Il était connu que la constante piézoélectrique pouvait être améliorée par l’ajout de Nb PZT. Mais selon Fujifilm, "avec la méthode de production actuelle qui utilise un procédé sol-gel, le taux de Nb dépasse péniblement les 3%."

Fujifilm a donc employé une méthode de pulvérisation cathodique – de dépôt de couche mince – et a réussi à former un mince film de PZT contenant un taux élevé de Nb sur substrat de silicium (Si). La température du substrat est d’environ 500°C, et le taux de dépôt est d’environ 4µm/h. L’épaisseur du film peut être ajusté dans la fourchette de 1 à 5 um (microns).

Avec ce nouveau PZT, même peu après que le film mince se soit formé, on constate que la direction de polarisation demeure uniforme. Pour utiliser le PZT standard comme un élément piézo-électrique, il est généralement nécessaire d’appliquer une tension haute à l’objet de sorte que le processus de polarisation devient uniforme.

D’autre part, le nouveau PZT ne nécessite pas de processus de polarisation. En vérifiant son diagramme de diffraction par une rayons X (analyse XRD), Fujifilm a confirmé qu’il était fortement orienté vers (100).

"Le nouveau PZT possède une grande stabilité" a ajouté la compagnie. "Aussi, il n’y a pas à s’inquiéter d’une possible dépolarisation même si le matériau est réchauffé à une température supérieure au point de Curie, température à laquelle le matériau perd son aimantation spontanée." De plus, même si la température du nouveau PZT dépassait le point de Curie, ce dernier reviendrait à l’état polarisé. Ainsi, toujours d’après Fujifilm, "il peut être utilisé dans le procédé de soudure par refusion."

Fujifilm indique avoir conçu son matériau sur un substrat en silicium de six pouces (15,24 cm) et aurait déjà commencé à expédier des échantillons à certains de ses clients.

"Lorsque nous avons appliqué un film mince de 3 um, la marge d’erreur constatée était de 3,8% sur toute la surface du substrat de 6 pouces. Ce taux est normalement plus petit que le niveau requis (± 5%) et assez faible pour envisager une commercialisation" a affirmé Fujifilm. A ce sujet, la firme espère commercialiser le PZT en couche mince cette année au plus tôt.


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