Modeling and characterization of new piezoelectric materials (lead-free and 1-3 piezocomposites) for ultrasonic transducers
Modélisation et caractérisation de nouveaux matériaux piézoélectriques (sans plomb et composites de connectivité 1-3) pour la transduction ultrasonore
Résumé
Piezoelectric ceramics have been on the market for several decades and their use keeps
growing. Nowadays, these materials are included in a wide range of devices, in particular for
ultrasonic applications. Since the discovery of lead zirconium titanate (PZT) sixty years
ago, a wide range of derived compositions coupled to efficient manufacturing processes
have been developed to enable their use in many devices. Thus, PZT ceramics are the
most used piezoelectric materials, although the presence of lead in their composition is
a growing health and environmental concern. Consequently, since 2003, E.U. has voted
guidelines for the management of Waste Electrical and Electronic Equipment at the end
of its lifecycle (WEEE) and Restrictions (Hazardous Substances, RoHS). In addition, in
December 2012, the European CHemicals Agency (ECHA) added PZT in candidate list
of the REACH directive. Similar steps are also followed by many countries in Asia and
North America. In this international context, research on lead-free piezoelectric materials
and their applications becomes a major issue.
This thesis focuses specifically on ultrasonic transducer applications (medical imaging
and underwater acoustics) with, at first, functional characterization of lead-free piezoelectric
materials. To this end, the KNbO3 lead-free single crystal is selected in its specific
cutting (YXt)-45◦ which provides a coupling coefficient kt (in thickness mode) of 60%. A
characterization of this material is carried out to provide a complete and consistent set of
electromechanical properties, and thus avoid calculation errors during the simulation stage
of the transducer. Its performance is demonstrated through its integration in a 30 MHz
ultrasound probe to obtain images of human skin in vivo.
At the same time, a new algorithm for multimodal and multiphasic functional characterization
has been developed thanks to the combination of a genetic algorithm and a finite
element analysis. First, it is checked on a numerical reference : a 1-3 connectivity piezoelectric
composite. Then, it is applied to real materials such as BaTiO3:Co rings that compose
a SONAR tonpilz transducer element. The good agreement between measurements and
simulations of electroacoustic responses of a 1-3 piezocomposite and displacements of a
piston head mass from a tonpilz transducer reveals the advantage of this in situ characterization.
Finally, an optimization is performed on 1-3 piezocomposite structure, which is generally
a periodic one. Indeed, the periodicity leads a frequency limitation due to the presence
of spurious modes. The numerical study of a new pseudo-periodic structure shows that,
by breaking the periodicity, the composite can be used in a wider frequency range. This
observation is confirmed by measurements on an optimized composite.
Les céramiques piézoélectriques sont commercialisées depuis plusieurs décennies et leurs utilisations ne cessent de croître. Aujourd’hui, ces matériaux sont intégrés dans une large gamme de dispositifs et en particulier pour les applications ultrasonores. Depuis la découverte du zircono-titanate de plomb (PZT) il y a une soixantaine d’années, une large gamme de compositions dérivées couplée à des procédés de fabrication efficaces ont été développés permettant d’être utilisés dans de nombreux dispositifs. Les PZT sont ainsi les matériaux piézoélectriques les plus utilisés mais ils sont associés à des problèmes sanitaires et environnementaux en raison du plomb qu’ils contiennent. En conséquence, dès 2003, l’U.E. a voté des directives concernant la gestion des déchets d’équipements électriques et électroniques en fin de vie (WEEE) et leurs restrictions (substances dangereuses, RoHS). De plus, en décembre 2012, l’agence européenne des produits chimiques (ECHA) a placé les PZT dans la
liste des candidats de la directive REACH. Des démarches similaires sont également suivies par de nombreux pays d’Asie et d’Amérique du Nord. Dans ce contexte international, la recherche sur les matériaux piézoélectriques sans plomb et leurs applications devient donc
un enjeu majeur.
Ce travail de thèse se concentre plus précisément sur les applications de transduction ultrasonore (imagerie médicale et acoustique sous-marine) avec au préalable la caractérisation fonctionnelle des matériaux piézoélectriques sans plomb utilisés. Pour ce faire, le monocristal sans plomb KNbO3 est choisi pour sa coupe spécifique (YXt)-45◦ qui délivre un coefficient de couplage kt (mode épaisseur) jusqu’à 60%. Afin de
réaliser des simulations de transducteur ultrasonore intégrant ce matériau, il est caractérisé pour fournir une base de données complète et consistante de ses propriétés électromécaniques afin d’éviter les erreurs de calcul l’utilisant. Ses performances sont démontrées grâce
à son intégration dans une sonde échographique de 30 MHz pour l’obtention d’images de la peau humaine in vivo. En parallèle, la prise en main de l’algorithme génétique, combinée avec le calcul par éléments finis, a permis d’élaborer un nouvel outil de caractérisation fonctionnelle multimodal
et multiphasique. Il est d’abord validé sur une référence numérique de composite piézoélectrique de connectivité 1-3 (piézo-composite 1-3) avant de l’appliquer sur des matériaux réels comme des anneaux de BaTiO3:Co qui composeront un élément de SONAR (tonpilz). L’intérêt de cette caractérisation in situ est justifié par les diminutions d’écart entre des mesures et des simulations de réponse électroacoustique pour un piézo-composite 1-3 et de déplacement de pavillon pour un tonpilz.
Enfin, un travail d’optimisation est réalisé sur la structure des piézo-composites 1-3 qui possède généralement une structure périodique. En effet, la périodicité crée une limite de fonctionnement en fréquence du composite (mode épaisseur) due à l’existence de certains modes parasites. L’étude numérique d’une nouvelle structure pseudo-périodique montre qu’en brisant la périodicité, le composite peut être utilisé dans une plus large gamme de fréquences en levant cette limite caractéristique des structures régulières. Cette observation est confirmée sur des mesures de cette nouvelle structure après sa fabrication.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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