Transducteurs ultrasonores à base de matériaux piézoélectriques sans plomb

Ce chapitre a pour but de recenser les performances des matériaux piézoélectriquessans plomb déjà publiées dans la littérature. Il n’a pas pour objectif de le faire de façon exhaustive mais, en ne relevant que les matériaux qui ont ensuite été utilisés et intégrés dans la fabrication de transducteurs ultrasonores. Il sera donc composé de 2 parties principales. La première décrit les performances des matériaux piézoélectriques obtenus sous différentes formes puis la seconde donne les caractéristiques des transducteurs intégrant ces matériaux. Plusieurs articles de revue sur ces matériaux piézoélectriques ont déjà été publiés [57, 58, 59, 60]. Ils listent toutes les compositions explorées avec la délivrance de plusieurs caractéristiques. Comme précisé précédemment, nous nous attacherons ici à ne retenir que les matériaux utilisés pour la fabrication de transducteurs. La description faite ci- dessous des performances de ces matériaux s’est effectuée en les regroupant par type : les céramiques, les monocristaux, les piezocomposites 1-3 et les céramiques texturées.(KN), en 1951 [63]. Il s’agit de structures pérovskites. L’intérêt porté à ces matériaux a forte- ment augmenté à partir des années 2000 et aujourd’hui, les matériaux (céramiques ou monocristaux) qui délivrent de bonnes propriétés piézoélectriques sont fabriqués à partir de compositions chimiques assez complexes (ternaire, dopants, etc.). La Table 3.1 résume les propriétés mécaniques, diélectriques et piézoélectriques de matériaux déjà publiés par la communauté scientifique internationale. De plus, les caractéristiques d’un PZT standard (Ferroperm Pz27 [2]) ont été ajoutées afin de servir de référence. En 2004, Saito et al. [82] montrent que la combinaison du KNbO (KBT) [84] suscitent à nouveau l’attention des chercheurs au vu de leurs possibilités alors qu’ils étaient déjà connus depuis 1961 [62].

Monocristaux et polymères

Plusieurs compositions de la Table 3.1ont été utilisées pour la fabrication de com- posites 1-3 (Table 3.2). Comme souvent, les qui est largement supérieur à ceux des ma- tériaux à base de plomb. À l’inverse des céramiques, les constantes diélectriques sont très faibles, ce qui peut être critique pour certaines applications de transduction haute-fréquence (HF). Enfin, les polymères PVDF [88] et copolymères P(VDF-TrFe) sont des matériaux piézoélectriques toujours utilisés pour la fabrication de transducteur haute-fréquence. En effet, malgré des valeurs de k sont augmentés par rapport aux céra- miques seules avec des valeurs supérieures à 70%. À l’inverse, la constante diélec- trique diminue logiquement mais en gar- dant tout de même des valeurs assez éle- vées. Les fractions volumiques du matériau piézoélectrique dans le composite sont ici assez variables (entre 25% et 52%). Notons également que le composite nC20 (contrai-rement aux 2 autres mentionnés dans laTable 3.2) n’a pas été fabriqué par « Diceand Fill » [37] mais en alignant des fibrespiézoélectriques de façon aléatoire dans unematrice polymère (voir la photographie dela Figure 3.2). Enfin, n’oublions pas les cé-ramiques texturées qui sont les moins nom-breuses dans cette liste de matériaux sans plomb mais qui peuvent également délivrer de très bonnes propriétés piézoélectriques comme la nC23 le montre.Pour conclure cette présentation des principaux matériaux piézoélectriques sans plomb, ils présentent des performances équivalentes à la céramique PZT standard mais il n’existe pas un matériau unique qui puisse servir un grand nombre d’applications contrairement .

Céramiques Bien que couvrant une large gamme de fréquence, la majorité des trans- ducteurs mono-éléments réalisés avec les céramiques sont haute fréquence (HF), au-delà de 20MHz. Suivant le backing choisi, les bandes passantes (BP) varient énormément mais cer- taines sont élevées comme les n T10 et T11 qui ont également chacun une lame adaptatrice. Le transducteur T8, avec 2 lames adaptatrices, a aussi de très bonnes performances HF avec une BP de 70% et des pertes d’insertion de 14%. Aujourd’hui, très peu de transducteurs sont focalisés pour l’utilisation en imagerie médicale. Dans les informations fournies par les équipes de recherche, les valeurs de pertes d’insertion doivent être prises avec précaution car selon la méthode de mesure utilisée, leurs valeurs peuvent fortement varier.