Piezoelektrika, piezoelektrika - fizika pojava, vrste, lastnosti in aplikacije

Piezoelektriki Dielektriki so poudarjeni piezoelektrični učinek.

Pojav piezoelektričnosti sta v letih 1880-1881 odkrila in proučevala slavna francoska fizika Pierre in Paul-Jacques Curie.

Več kot 40 let piezoelektrika ni našla praktične uporabe in je ostala v lasti fizikalnih laboratorijev. Šele med prvo svetovno vojno je francoski znanstvenik Paul Langevin uporabil ta pojav za generiranje ultrazvočnih tresljajev v vodi iz kremenčeve plošče za namen podvodnega lociranja (»sonder«).

Po tem so se številni fiziki začeli zanimati za študij piezoelektričnih lastnosti kremena in nekaterih drugih kristalov ter njihove praktične uporabe. Med njihovimi številnimi deli je bilo nekaj zelo pomembnih aplikacij.

Na primer, leta 1915 S.Butterworth je pokazal, da lahko kremenčevo ploščo kot enodimenzionalni mehanski sistem, ki se vzbuja zaradi interakcije med električnim poljem in električnimi naboji, predstavimo kot ekvivalentno električno vezje z zaporedno vezanimi kapacitivnostjo, induktivnostjo in uporom.

S predstavitvijo kvarčne plošče kot oscilatorskega kroga je Butterworth prvi predlagal enakovredno vezje za kvarčni resonator, ki je osnova vsega poznejšega teoretičnega dela. iz kvarčnih resonatorjev.

Piezoelektrični učinek je neposreden in inverzen. Za neposredni piezoelektrični učinek je značilna električna polarizacija dielektrika, ki nastane zaradi delovanja zunanje mehanske obremenitve na njem, medtem ko je naboj, induciran na površini dielektrika, sorazmeren uporabljeni mehanski obremenitvi:

Pri povratnem piezoelektričnem učinku se pojav manifestira obratno - dielektrik spremeni svoje dimenzije pod vplivom zunanjega električnega polja, ki se nanj nanaša, medtem ko bo velikost mehanske deformacije (relativna deformacija) sorazmerna z močjo električno polje, uporabljeno na vzorcu:

Faktor sorazmernosti je v obeh primerih piezomodul d. Pri istem piezoelektriku sta piezomodula za direktni (dpr) in povratni (drev) piezoelektrični učinek med seboj enaka. Tako so piezoelektriki vrsta reverzibilnih elektromehanskih pretvornikov.

Vzdolžni in prečni piezoelektrični učinek

Piezoelektrični učinek je glede na vrsto vzorca lahko vzdolžen ali prečen.V primeru vzdolžnega piezoelektričnega učinka se naboji kot odziv na deformacijo ali deformacija kot odziv na zunanje električno polje generirajo v isti smeri kot začetni učinek. Pri prečnem piezoelektričnem učinku bo pojav nabojev ali smer deformacije pravokotna na smer učinka, ki jih povzroča.

Če na piezoelektrik začne delovati izmenično električno polje, se bo v njem pojavila izmenična deformacija z isto frekvenco. Če je piezoelektrični učinek vzdolžen, bodo deformacije imele značaj stiskanja in napetosti v smeri uporabljenega električnega polja, če pa je prečni, bodo opazovani prečni valovi.

Če je frekvenca uporabljenega izmeničnega električnega polja enaka resonančni frekvenci piezoelektrika, bo amplituda mehanske deformacije največja. Resonančno frekvenco vzorca lahko določimo s formulo (V je hitrost širjenja mehanskih valov, h je debelina vzorca):

Najpomembnejša značilnost piezoelektričnega materiala je elektromehanski sklopni koeficient, ki kaže razmerje med silo mehanskih vibracij Pa in električno močjo Pe, porabljeno za njihovo vzbujanje z udarcem v vzorec. Ta koeficient ima običajno vrednost v območju od 0,01 do 0,3.

Za piezoelektrike je značilna kristalna struktura materiala s kovalentno ali ionsko vezjo brez središča simetrije. Materiale z nizko prevodnostjo, v katerih je zanemarljivo malo prostih nosilcev naboja, odlikujejo visoke piezoelektrične lastnosti.Piezoelektriki vključujejo vse feroelektrike, pa tudi številne znane materiale, vključno s kristalno modifikacijo kremena.

Monokristalni piezoelektriki

Ta razred piezoelektrikov vključuje ionske feroelektrike in kristalni kremen (beta-kremen SiO2).

En kristal beta kremena ima obliko šesterokotne prizme z dvema piramidama na straneh. Naj tu izpostavimo nekaj kristalografskih smeri. Os Z poteka skozi vrhove piramid in je optična os kristala. Če iz takega kristala izrežemo ploščo v smeri, ki je pravokotna na dano os (Z), potem piezoelektričnega učinka ni mogoče doseči.

Narišite osi X skozi oglišča šesterokotnika, obstajajo tri takšne osi X. Če plošče odrežete pravokotno na osi X, potem dobimo vzorec z najboljšim piezoelektričnim učinkom. Zato se X-osi imenujejo električne osi v kremenu. Vse tri osi Y, narisane pravokotno na stranice kremenčevega kristala, so mehanske osi.

Ta vrsta kremena spada med šibke piezoelektrike, njegov elektromehanski sklopni koeficient je v območju od 0,05 do 0,1.

Kristalni kremen je imel največjo uporabnost zaradi svoje sposobnosti ohranjanja piezoelektričnih lastnosti pri temperaturah do 573 ° C. Kvarčni piezoelektrični resonatorji niso nič drugega kot planparalelne plošče z elektrodami, pritrjenimi na njih. Takšne elemente odlikuje izrazita naravna resonančna frekvenca.

Litijev niobit (LiNbO3) je široko uporabljen piezoelektrični material, povezan z ionskimi feroelektriki (skupaj z litijevim tantalatom LiTaO3 in bizmutovim germanatom Bi12GeO20).Ionski feroelektriki so predhodno žarjeni v močnem električnem polju pri temperaturi pod Curiejevo točko, da se spravijo v stanje z eno domeno. Takšni materiali imajo višje koeficiente elektromehanskega sklopa (do 0,3).

Kadmijev sulfid CdS, cinkov oksid ZnO, cinkov sulfid ZnS, kadmijev selenid CdSe, galijev arzenid GaAs itd. So primeri polprevodniških spojin z ionsko-kovalentno vezjo. To so tako imenovani piezo polprevodniki.

Na osnovi teh dipolnih feroelektrikov so pridobljeni tudi etilendiamin tartrat C6H14N8O8, turmalin, monokristali soli Rochelle, litijev sulfat Li2SO4H2O - piezoelektriki.

Polikristalni piezoelektriki

Feroelektrična keramika spada med polikristalne piezoelektrike. Da bi feroelektrični keramiki dodali piezoelektrične lastnosti, je treba takšno keramiko eno uro polarizirati v močnem električnem polju (z jakostjo 2 do 4 MV/m) pri temperaturi od 100 do 150 °C, tako da po tej izpostavljenosti , v njem ostane polarizacija, kar omogoča pridobitev piezoelektričnega učinka. Tako dobimo robustno piezoelektrično keramiko s piezoelektričnimi sklopitvenimi koeficienti od 0,2 do 0,4.

Piezoelektrični elementi zahtevane oblike so izdelani iz piezokeramike, da se nato pridobijo mehanske vibracije zahtevane narave (vzdolžne, prečne, upogibne). Glavni predstavniki industrijske piezokeramike so izdelani na osnovi barijevega titanata, kalcija, svinca, svinčevega cirkonat-titanata in barijevega svinčevega niobata.

Polimerni piezoelektriki

Polimerne folije (npr. poliviniliden fluorid) se raztegnejo za 100-400%, nato polarizirajo v električnem polju, nato pa se z metalizacijo nanesejo elektrode. Tako dobimo filmske piezoelektrične elemente z elektromehanskim sklopnim koeficientom reda 0,16.

Uporaba piezoelektrikov

Ločene in medsebojno povezane piezoelektrične elemente lahko najdemo v obliki že pripravljenih radijskih tehničnih naprav - piezoelektričnih pretvornikov z elektrodami, pritrjenimi na njih.

Takšne naprave, izdelane iz kvarca, piezoelektrične keramike ali ionskih piezoelektrikov, se uporabljajo za generiranje, transformacijo in filtriranje električnih signalov. Iz kremenčevega kristala je izrezana plošča vzporedna plošča, pritrjene so elektrode - dobimo resonator.

Frekvenca in Q-faktor resonatorja sta odvisna od kota na kristalografske osi, pod katerimi je plošča odrezana. Običajno v radiofrekvenčnem območju do 50 MHz faktor Q takih resonatorjev doseže 100 000. Poleg tega se piezoelektrični pretvorniki pogosto uporabljajo kot piezoelektrični transformatorji z visoko vhodno impedanco za običajno široko frekvenčno območje.

Kar zadeva faktor kakovosti in frekvenco, kremen prekaša ionske piezoelektrike, ki lahko delujejo na frekvencah do 1 GHz. Najtanjše plošče litijevega tantalata se uporabljajo kot oddajniki in sprejemniki ultrazvočnih vibracij s frekvenco od 0,02 do 1 GHz, v resonatorjih, filtrih, zakasnitvenih linijah površinskih zvočnih valov.

Tanke plasti piezoelektričnih polprevodnikov, nanesenih na dielektrične podlage, se uporabljajo v interdigitalnih pretvornikih (tukaj se za vzbujanje površinskih akustičnih valov uporabljajo spremenljive elektrode).

Na osnovi dipolnih feroelektrikov so izdelani nizkofrekvenčni piezoelektrični pretvorniki: miniaturni mikrofoni, zvočniki, senzorji za tlak, deformacije, vibracije, pospešek, ultrazvočni oddajniki.