Malgré leur manque de succès commercial, les capteurs piézoélectriques imprimés présentent des avantages indéniables par rapport aux capteurs piézorésistifs. Avec l'amélioration des techniques de fabrication et de l'analyse algorithmique des données pour l'extraction d'informations à partir de mesures haute fréquence, les capteurs piézoélectriques pourraient-ils enfin connaître une commercialisation généralisée ?
Caractéristiques distinctives
Grâce à leur conception imprimée et à leur flexibilité, les capteurs piézoélectriques et piézorésistifs présentent plusieurs avantages par rapport aux capteurs de pression inorganiques. Légers et économiques à produire à grande échelle, ils facilitent la détection de pression avec une résolution spatiale précise. De plus, leur format en couche mince permet leur installation dans des endroits où les capteurs à base de matériaux rigides pourraient rencontrer des difficultés.
Il existe toutefois des différences importantes entre les différents types de capteurs. Les capteurs piézorésistifs sont relativement simples à fabriquer : une couche de « résistance sensible à la force » (FSR), composée de particules conductrices intégrées dans une matrice élastomère, crée un chemin conducteur dépendant de la pression entre deux électrodes verticalement superposées ou interdigitées. Ces capteurs utilisent des matériaux peu coûteux, des techniques de fabrication simples et sont relativement faciles à étalonner.
À l'inverse, les capteurs piézoélectriques imprimés utilisent des polymères piézoélectriques comme le PVDF:TRFE, qui se solidifient en domaines cristallins comportant des dipôles. L'application d'un champ électrique aligne les dipôles de ces domaines, produisant ainsi un matériau piézoélectrique. Cette étape de fabrication supplémentaire, associée à un processus d'étalonnage plus complexe, explique pourquoi les capteurs piézorésistifs restent, à ce jour, la solution privilégiée pour les capteurs de pression imprimés.
Cependant, malgré ces inconvénients, les capteurs piézoélectriques imprimés présentent des avantages indéniables. Parmi ceux-ci figure leur capacité à détecter les vibrations à haute fréquence, car ils nécessitent une déformation bien moindre que les matériaux piézorésistifs, puisqu'il n'est pas nécessaire de comprimer les élastomères. De plus, comme les capteurs piézoélectriques génèrent une faible tension en réponse à la compression, leur consommation d'énergie est très faible. En effet, si les mesures et la communication sans fil qui s'ensuit sont relativement peu fréquentes, les capteurs piézoélectriques peuvent récupérer suffisamment d'énergie pour s'alimenter de manière autonome.
Applications prometteuses
Bien que les capteurs piézoélectriques imprimés aient jusqu'à présent eu du mal à pénétrer le marché, ils gagnent lentement du terrain pour les applications qui nécessitent leur principale caractéristique distinctive : la capacité de détecter les vibrations à haute fréquence.
L'une de ses applications est la surveillance de l'état des équipements, dans le but de permettre la maintenance préventive. L'installation de capteurs piézoélectriques à couches minces sur les équipements industriels permet de détecter les vibrations, dont les variations d'amplitude et de fréquence peuvent indiquer la présence de pièces usées. Une approche similaire peut également être appliquée aux grandes structures telles que les ponts, les tunnels, etc., afin de détecter précocement les dommages et les risques d'effondrement.
Une autre application particulièrement innovante, développée par le CEA-LITEN en France, utilise des dispositifs piézoélectriques imprimés pour la surveillance des batteries. Un actionneur piézoélectrique imprimé en couche mince produit des ondes ultrasonores à haute fréquence qui se propagent dans la batterie. Ces ondes sont ensuite détectées par un capteur piézoélectrique d'architecture très similaire. Le suivi du temps de transit des ondes et de leur dépendance en fréquence permet une surveillance en temps réel de la densité acoustique et, par conséquent, de l'état de la batterie.
Un dernier exemple est l'utilisation de capteurs piézoélectriques pour la surveillance de la pression des pneus, développés par Joanneum Research en Autriche sous sa marque Pizoflex. Dans ce cas, la caractéristique principale n'est pas la capacité à détecter les vibrations à haute fréquence, mais plutôt la capacité de récupération d'énergie. Un capteur à couche mince est placé à l'intérieur du pneu, et son poids minimal empêche le déséquilibre de la roue. Il collecte suffisamment d'énergie pour transmettre sans fil la mesure de la pression toutes les 30 secondes, éliminant ainsi le besoin d'un câblage complexe dans un élément rotatif.
