Des spécialistes de l'Université nationale de science et de technologie MISiS ont mis au point un nouveau type de capteurs de vibrations pour diagnostiquer l'état des bâtiments, des ponts et des vaisseaux spatiaux. Les résultats de leur étude ont été publiés dans le magazine Sensors.
«Ces capteurs uniques fonctionnent à base de cristaux de niobate de lithium, qui ne contiennent pas de plomb contrairement aux céramiques PZT utilisées aujourd'hui par les producteurs de capteurs de ce type, explique Ilia Koubassov,
«Les capteurs de vibrations peuvent être utilisés dans les systèmes de diagnostic de l'état des bâtiments et des ponts car ils permettent de découvrir en temps voulu toutes les vibrations dangereuses, de prendre des mesures et d'évacuer les personnes présentes. Ils peuvent également être utilisés dans les vaisseaux spatiaux et dans les systèmes de sécurité, ou encore contribuer à renforcer le contrôle d'un territoire à accès limité ou de la frontière nationale», explique Ilia Koubassov.
Les capteurs de vibrations fonctionnent selon le principe piézoélectrique: un élément piézoélectrique se déforme sous l'effet des vibrations et envoie un signal électrique, qui est ensuite traité et analysé par des appareils spéciaux.
Jusqu'à présent, les producteurs de capteurs étaient confrontés à plusieurs problèmes liés à l'utilisation de l'élément piézoélectrique à base de titano-zirconate de plomb (PZT), qui perd sa sensibilité en cas de changement de température. «Ces problèmes peuvent désormais être surmontés, estiment les chercheurs, car le niobate de lithium (LiNbO3) est un matériau monocristal. Autrement dit, il ne contient pas de grains fins comme la céramique PZT, et ses propriétés sont stables dans un large intervalle de températures.
Les spécialistes de la MISiS ont réussi à augmenter la sensibilité du niobate de lithium aux vibrations extérieures en formant une «structure bidomaine» en son sein.
«Grâce à des traitements thermiques spéciaux, nous modifions les propriétés du cristal de manière à ce que la moitié supérieure de la plaque soit le reflet de la moitié inférieure. La vibration extérieure additionne les signaux de ces domaines (appelés ferroélectriques) et la sensibilité du capteur augmente significativement», indique Ilia Koubassov.
Le processus permettant d'obtenir des cristaux bidomaines a été mis au point à la chaire d'études des matériaux semi-conducteurs et diélectriques de la MISiS, et est breveté. Selon les scientifiques, le coût de fabrication de ce matériau est légèrement plus élevé que celui de la PZT.
L'élaboration de ce nouveau type de capteurs à base de piézo-transformateurs monocristallins permettra de réduire l'accélération minimale détectée par de tels dispositifs jusqu'à 10-7 g (un dix millionième de l'accélération de la chute libre), tout en élargissant significativement l'intervalle de température efficace.
