Les applications pratiques des capteurs magnétiques révèlent une croissance exponentielle, avec des implications majeures dans des secteurs clés comme l’automobile et l’aéronautique. Cette étude met en lumière des découvertes innovantes sur leur comportement en flexion, transformant notre compréhension des matériaux composites.
- Éléments de contexte sur les capteurs magnétiques
L’évolution rapide des besoins en matière de détection et de mesure des champs magnétiques dans des domaines d’application toujours plus variés a conduit au développement d’une grande diversité de capteurs magnétiques aujourd’hui disponibles sur le marché. Ce dernier connaît une croissance soutenue, stimulée par la demande croissante de secteurs stratégiques tels que l’automobile, l’aéronautique et l’électronique grand public.
Fig. I.10. Technologies des capteurs de champ magnétique : applications, détectabilité, gamme de mesure dynamique (adapté de [45]).
Les capteurs de champ magnétique reposent sur une multitude de technologies, résultant de la variété des principes physiques exploités, des matériaux utilisés, et des exigences spécifiques en termes de performances (sensibilité, miniaturisation, stabilité, coût, etc.). Chaque capteur est ainsi conçu à partir d’un couplage entre un effet physique donné et des matériaux fonctionnels appropriés, ce qui conditionne sa plage de mesure, sa résolution ainsi que ses domaines d’application privilégiés.
Avec l’avancement continu des technologies de micro et nano fabrication, le développement de capteurs de champ magnétique à haute sensibilité et à résolution spatiale élevée est devenu un enjeu majeur. Toutefois, le processus de miniaturisation induit des limitations intrinsèques qui affectent significativement les performances de ces dispositifs. À ce jour, aucun capteur ne parvient à satisfaire l’ensemble des exigences requises pour toutes les applications, en raison de compromis inévitables entre sensibilité, plage dynamique et résolution spatiale.
Dans le domaine biomédical, où la détection de champs magnétiques extrêmement faibles est primordiale, diverses technologies de capteurs sont actuellement exploitées. Parmi les plus utilisées figurent les dispositifs à interférence quantique supraconductrice (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device) [46], les magnétomètres de type fluxgate [47], les magnétomètres exploitant la magnéto-impédance géante (GMI) [48–50], ainsi que ceux fondés sur la magnétorésistance anisotrope (AMR) [51], géante (GMR) [52–54] ou à effet tunnel (TMR) [55–57].
D’autres approches innovantes incluent les magnétomètres à pompage optique [58, 59], les dispositifs à cavité optomécanique [60], ainsi que les capteurs à effet Hall [61, 62]. Dans le contexte biomédical, les capteurs doivent être en mesure de détecter des signaux magnétiques très faibles, souvent noyés dans un bruit ambiant important. Leur performance est généralement évaluée à travers la limite de détection (LOD), exprimée en termes de densité spectrale de bruit.
Une classification comparative des différentes technologies de capteurs, selon leurs caractéristiques techniques et domaines d’application, est présentée en Figure I.10 [63].
1.8. Hétéro-structures-magnéto-électriques
Les hétérostructures piézo-électro-magnéto-élastiques constituent une voie particulièrement prometteuse pour la détection de champs magnétiques de très faible intensité, notamment dans des environnements bruyants et à température ambiante. Elles offrent une alternative crédible et potentiellement compétitive aux dispositifs de type SQUID, traditionnellement utilisés pour ces applications. Ces hétérostructures reposent sur l’association fonctionnelle d’un matériau piézoélectrique et d’un matériau magnétique possédant des propriétés couplées.
Deux grandes catégories peuvent être distinguées : d’une part, les structures stratifiées de type « bulk » et, d’autre part, les composites à couches minces. Ces derniers présentent des avantages notables en termes d’intégrabilité, de miniaturisation, et de précision, les rendant particulièrement adaptés à la conception de capteurs tridimensionnels. Enfin, deux modes de fonctionnement sont généralement
identifiés pour ces capteurs : le mode direct et le mode indirect, chacun présentant une sensibilité propre, comme illustré en Figure I.11.
Fig. I.11. Diagramme de Venn montrant la multifonctionnalité des matériaux utilisés dans les hétérostructures piézo-électro-magnéto-élastiques.
- Matériaux
- Propriétés
- Matériaux
Une présentation non exhaustive des principaux matériaux piézoélectriques est présentée dans le Tableau I.1.
Tableau I.1. Caractéristiques de certains matériaux utilisés pour piézoélectricité
| Caractéristiques de certains matériaux utilisés pour piézoélectricité | |
|---|---|
| Paramètre/Critère | Description/Valeur |
| Coefficient piézoélectrique | Relativement faibles |
La première remarque est la relative faiblesse des valeurs des coefficients piézoélectriques. L’exemple suivant est considéré : une tension de cent volts est appliquée aux bornes d’un barreau de PZT d’un centimètre de longueur. Un rapide calcul grâce aux équations (I.8 et I.9) permet d’obtenir la variation de longueur (Tableau 2).
Tableau I.2. Variation de longueur d’un barreau de PZT de 1 centimètre soumis à une tension de 100V.
| Variation de longueur d’un barreau de PZT de 1 centimètre soumis à une tension de 100V | |
|---|---|
| Paramètre/Critère | Description/Valeur |
| Déplacement | À peine la dizaine de nanomètre |
Les déplacements occasionnés par des tensions domestiques (centaine de volts) atteignent à peine la dizaine de nanomètre ce qui est assez faible, mais présente l’avantage d’une raideur élevée, propriété intéressante lorsque le matériau est utilisé en tant que capteur. En pratique, l’effet piézoélectrique est couplé à d’autres phénomènes comme l’amplification mécanique (ajout de contremasses) et l’utilisation de dispositifs à la fréquence de résonance mécanique.
Différents modes de couplages peuvent être utilisés comme des modes de couplage longitudinaux ou de cisaillement. Les échantillons montrent une grande variation de module d’Young (facteur 100 entre le PVDF et le titane de baryum) ce qui montre la diversité des matériaux piézoélectriques et donc leurs nombreuses applications. Ainsi, les céramiques les plus raides ont un coefficient d’élasticité comparable à celui des métaux utilisés couramment dans l’industrie aéronautique comme l’aluminium (69 GPa).
Les matériaux ayant un module d’Young important sont préconisés car ils garantissent une forte raideur du capteur. Les deux candidats les plus aptes à être utilisés sont le Titano-Zirconate de Plomb (PZT) et le titanate de baryum (BaTiO3).
- Limites
- Limite en température
- Limites
Un autre point important à remarquer est la présence d’une température de Curie qui correspond à la température où le matériau piézoélectrique perd ses qualités piézoélectriques dû à la trop grande agitation des molécules. Cette contrainte est très importante car elle limite fortement la température d’utilisation des céramiques piézoélectriques. Typiquement, les températures maximales d’utilisation se limitent à la moitié de la température de Curie.
Le titanate de baryum (BaTiO3) a une température de Curie relativement faible par rapport au PZT (Tableau 3, dernière ligne), c’est donc ce dernier qui est privilégié. Les paramètres piézoélectriques sont aussi sensibles à la température et plus particulièrement la permittivité relative qui varie dans un ordre de grandeur de 5*10-3 par degré pour les PZT.
- Limite en tension
La limite en tension d’une céramique est une limite au niveau du champ électrique. Si le champ électrique imposé dans la céramique est trop fort, la céramique se dépolarise, elle perd donc ses propriétés piézoélectriques.
- Limite en pression
Il y a deux types de limites en pression. La première est la pression de dépolarisation où le champ électrique interne à la céramique est supérieur au champ de dépolarisation ce qui entraine une dépolarisation de la céramique. La deuxième limite est la limite mécanique où une pression ou une force trop importante entraine une détérioration de la céramique. La limite en compression est beaucoup plus importante que la limite en traction (généralement d’un facteur 10) ce qui explique que les céramiques piézoélectriques travaillent généralement sous précontrainte.
- Applications
La piézoélectricité est utilisée dans de nombreux domaines comme les sonars, les montres ou encore les briquets.
Questions Fréquemment Posées
Quels sont les types de capteurs magnétiques utilisés dans le domaine biomédical?
Dans le domaine biomédical, diverses technologies de capteurs sont actuellement exploitées, notamment les dispositifs à interférence quantique supraconductrice (SQUID), les magnétomètres de type fluxgate, et ceux exploitant la magnéto-impédance géante (GMI).
Comment les hétérostructures piézo-électro-magnéto-élastiques améliorent-elles la détection des champs magnétiques?
Les hétérostructures piézo-électro-magnéto-élastiques constituent une voie prometteuse pour la détection de champs magnétiques de très faible intensité, offrant une alternative crédible aux dispositifs de type SQUID.
Quelles sont les limitations des capteurs magnétiques miniaturisés?
Le processus de miniaturisation induit des limitations intrinsèques qui affectent significativement les performances de ces dispositifs, et aucun capteur ne parvient à satisfaire l’ensemble des exigences requises pour toutes les applications.