La recherche franc-comtoise en piézoélectricité est directement issue des recherches dans le domaine du Temps-Fréquence. Les oscillateurs de haute performance, basés sur des résonateurs piézoélectriques, utilisent le quartz comme matériau de base depuis avant la deuxième guerre mondiale. Aujourd’hui, plus de cent ans après sa découverte (par Pierre et Jacques Curie 1880), le quartz n’a pas livré tous ses secrets. Très récemment le laboratoire de Physique et métrologie des oscillateurs (CNRS / université de Franche-Comté) a développé de nouvelles orientations du quartz pour les ondes de surface permettant d’améliorer de façon notable les performances de certains types de filtres pour téléphones portables. D’autres matériaux piézoélectriques présentant des propriétés piézoélectriques semblables, mais améliorées, sont l’objet de recherches actives et offrent un vaste champ d’applications dans le domaine du Temps-Fréquence, des télécommunications, des capteurs pour l’automobile et l’industrie…
• Le quartz. Son succès, ses limites
Le quartz, même au début du XXe siècle, n’était pas le seul matériau piézoélectrique disponible puisque le sel de Seignette était aussi connu. Le succès du quartz piézoélectrique, que cela soit dans le domaine de la recherche, de la production ou des applications, tient dans la conjonction de plusieurs facteurs, qui, pendant longtemps, n’a pas eu lieu pour d’autres matériaux :
-grande disponibilité du quartz naturel, oxyde de silicium, (mais de qualité variable)
-mise au point d’un procédé de synthèse qui permet de produire des cristaux de haute pureté et de grandes dimensions (plusieurs dm3)
-existence, pour les applications aux oscillateurs, d’orientations cristallines et de modes de vibration permettant la conception de résonateurs et de sources de fréquence insensibles aux effets de température
-développement, à partir des années 1960, de procédés d’usinage collectifs du quartz aboutissant à la production en grande quantité (500 millions de mouvements par année) et à faible coût des diapasons pour l’horlogerie électronique et électromécanique.
Le quartz a aussi bénéficié des grands moyens financiers et humains alloués à la recherche et au développement au cours des 50 dernières années.
Et pourtant le quartz est un matériau assez peu piézoélectrique. Il est bien adapté au domaine de la stabilisation de fréquence des oscillateurs, mais il n’est pas utilisable comme générateur d’ultrasons (couplage électromécanique trop faible), ni même comme matériau acousto-électronique pour la réalisation de certains filtres électroniques à grande largeur de bande indispensables aux télécommunications portables. De plus, on sait que l’utilisation du quartz sera limitée dans le domaine des hautes fréquences en raison de ses pertes acoustiques intrinsèques. Or les bandes de fréquence allouées aux services des télécommunications portables sont situées à des fréquences de plus en plus élevées : 400MHz pour la télévision UHF traditionnelle, 900MHz puis 1800MHz pour les téléphones portables GSM, plus de 2200MHz pour la nouvelle norme UMTS, et probablement encore plus haut pour tous les futurs services de télécommunications par voie hertzienne.
D’autres matériaux sont ainsi utilisés en acousto-électronique depuis les années 1960-1970, en particulier, les cristaux synthétiques de niobate de lithium (LiNbO3) et le tantalate de lithium (LiTaO3) qui offrent un meilleur couplage électromécanique et ont des pertes acoustiques beaucoup plus faibles en haute fréquence. Ils ne possèdent pas toutefois, pour les ondes de volume et de surface classiques, de configurations permettant de fabriquer des filtres et résonateurs dont la fréquence centrale est indépendante de la température.
Avant les années 1990 la situation se résumait donc ainsi : si la compensation des effets de température était recherchée le quartz était choisi, s’il s’agissait de fabriquer des filtres haute fréquence avec un fort couplage électromécanique, les niobate et tantalate de lithium étaient utilisés en sachant alors qu’il fallait renoncer à la stabilité de fréquence sous l’effet des variations de température. Cette "stabilité en température" (de la fréquence centrale du filtre) ne doit pas être confondue avec la stabilité physico-chimique du cristal chauffé à haute température. Le fait que le quartz perde de façon irréversible ses propriétés piézoélectriques au-delà de 400° C environ, entrave indéniablement son développement dans le domaine des capteurs, quand certains nouveaux matériaux ne connaissent pas ces limites.
Emmanuel Bigler
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bigler@ens2m.frSylvain Ballandras
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