Πιεζοηλεκτρική, πιεζοηλεκτρισμός - φυσική του φαινομένου, τύποι, ιδιότητες και εφαρμογές

Πιεζοηλεκτρικά Τα διηλεκτρικά επισημαίνονται πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.

Το φαινόμενο του πιεζοηλεκτρισμού ανακαλύφθηκε και μελετήθηκε το 1880-1881 από τους διάσημους Γάλλους φυσικούς Pierre και Paul-Jacques Curie.

Για περισσότερα από 40 χρόνια, ο πιεζοηλεκτρισμός δεν βρήκε πρακτική εφαρμογή, παραμένοντας ιδιοκτησία των εργαστηρίων φυσικής. Μόνο κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου ο Γάλλος επιστήμονας Paul Langevin χρησιμοποίησε αυτό το φαινόμενο για να δημιουργήσει υπερηχητικούς κραδασμούς στο νερό από μια πλάκα χαλαζία με σκοπό την υποβρύχια τοποθεσία ("sounder").

Μετά από αυτό, αρκετοί φυσικοί ενδιαφέρθηκαν για τη μελέτη των πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων του χαλαζία και ορισμένων άλλων κρυστάλλων και τις πρακτικές τους εφαρμογές. Ανάμεσα στα πολλά έργα τους ήταν και αρκετές πολύ σημαντικές εφαρμογές.

Για παράδειγμα, το 1915 ο S.Ο Butterworth έδειξε ότι η πλάκα χαλαζία ως μονοδιάστατο μηχανικό σύστημα, που διεγείρεται λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ ηλεκτρικού πεδίου και ηλεκτρικών φορτίων, μπορεί να αναπαρασταθεί ως ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα με χωρητικότητα, επαγωγή και αντίσταση συνδεδεμένα σε σειρά.

Παρουσιάζοντας μια πλάκα χαλαζία ως κύκλωμα ταλαντωτή, ο Butterworth ήταν ο πρώτος που πρότεινε ένα ισοδύναμο κύκλωμα για έναν συντονιστή χαλαζία, το οποίο είναι η βάση όλων των επόμενων θεωρητικών εργασιών. από αντηχεία χαλαζία.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι άμεσο και αντίστροφο. Το άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο χαρακτηρίζεται από την ηλεκτρική πόλωση του διηλεκτρικού, η οποία συμβαίνει λόγω της δράσης μιας εξωτερικής μηχανικής καταπόνησης σε αυτό, ενώ το φορτίο που προκαλείται στην επιφάνεια του διηλεκτρικού είναι ανάλογο της εφαρμοσμένης μηχανικής καταπόνησης:

Με το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το φαινόμενο εκδηλώνεται αντίστροφα — το διηλεκτρικό αλλάζει τις διαστάσεις του υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου που εφαρμόζεται σε αυτό, ενώ το μέγεθος της μηχανικής παραμόρφωσης (σχετική παραμόρφωση) θα είναι ανάλογο με την ισχύ του το ηλεκτρικό πεδίο που εφαρμόζεται στο δείγμα:

Ο παράγοντας αναλογικότητας και στις δύο περιπτώσεις είναι το piezomodulus d. Για το ίδιο πιεζοηλεκτρικό, τα πιεζοηλεκτρικά για άμεση (dpr) και αντίστροφη (drev) πιεζοηλεκτρική επίδραση είναι ίσα μεταξύ τους. Έτσι, τα πιεζοηλεκτρικά είναι ένας τύπος αναστρέψιμων ηλεκτρομηχανικών μετατροπέων.

Διαμήκη και εγκάρσια πιεζοηλεκτρική επίδραση

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, ανάλογα με τον τύπο του δείγματος, μπορεί να είναι διαμήκη ή εγκάρσια.Στην περίπτωση του διαμήκους πιεζοηλεκτρικού φαινομένου, τα φορτία ως απόκριση στην καταπόνηση ή στην καταπόνηση ως απόκριση σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο δημιουργούνται στην ίδια κατεύθυνση με τη δράση εκκίνησης. Με το εγκάρσιο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, η εμφάνιση των φορτίων ή η κατεύθυνση της παραμόρφωσης θα είναι κάθετη προς την κατεύθυνση του φαινομένου που τα προκαλεί.

Εάν ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο αρχίσει να ενεργεί σε ένα πιεζοηλεκτρικό, τότε μια εναλλασσόμενη παραμόρφωση με την ίδια συχνότητα θα εμφανιστεί σε αυτό. Εάν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι διαμήκη, τότε οι παραμορφώσεις θα έχουν τον χαρακτήρα συμπίεσης και τάσης προς την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου και εάν είναι εγκάρσιο, τότε θα παρατηρούνται εγκάρσια κύματα.

Εάν η συχνότητα του εφαρμοζόμενου εναλλασσόμενου ηλεκτρικού πεδίου είναι ίση με τη συχνότητα συντονισμού του πιεζοηλεκτρικού, τότε το πλάτος της μηχανικής παραμόρφωσης θα είναι μέγιστο. Η συχνότητα συντονισμού του δείγματος μπορεί να προσδιοριστεί από τον τύπο (V είναι η ταχύτητα διάδοσης των μηχανικών κυμάτων, h είναι το πάχος του δείγματος):

Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό του πιεζοηλεκτρικού υλικού είναι ο συντελεστής ηλεκτρομηχανικής σύζευξης, ο οποίος υποδεικνύει την αναλογία μεταξύ της δύναμης των μηχανικών κραδασμών Pa και της ηλεκτρικής ισχύος Pe που δαπανάται για τη διέγερσή τους από την κρούση στο δείγμα. Αυτός ο συντελεστής παίρνει συνήθως μια τιμή στην περιοχή από 0,01 έως 0,3.

Τα πιεζοηλεκτρικά χαρακτηρίζονται από μια κρυσταλλική δομή ενός υλικού με ομοιοπολικό ή ιοντικό δεσμό χωρίς κέντρο συμμετρίας. Τα υλικά με χαμηλή αγωγιμότητα, στα οποία υπάρχουν αμελητέοι δωρεάν φορείς φόρτισης, διακρίνονται από υψηλά πιεζοηλεκτρικά χαρακτηριστικά.Τα πιεζοηλεκτρικά περιλαμβάνουν όλα τα σιδηροηλεκτρικά, καθώς και μια πληθώρα γνωστών υλικών, συμπεριλαμβανομένης της κρυσταλλικής τροποποίησης του χαλαζία.

Πιεζοηλεκτρικά μονοκρυσταλλικά

Αυτή η κατηγορία πιεζοηλεκτρικών περιλαμβάνει ιοντικά σιδηροηλεκτρικά και κρυσταλλικό χαλαζία (βήτα-χαλαζία SiO2).

Ένας μόνο κρύσταλλος βήτα χαλαζία έχει τη μορφή εξαγωνικού πρίσματος με δύο πυραμίδες στα πλάγια. Ας επισημάνουμε εδώ μερικές κρυσταλλογραφικές κατευθύνσεις. Ο άξονας Ζ διέρχεται από τις κορυφές των πυραμίδων και είναι ο οπτικός άξονας του κρυστάλλου. Εάν μια πλάκα κοπεί από έναν τέτοιο κρύσταλλο σε κατεύθυνση κάθετη στον δεδομένο άξονα (Ζ), τότε το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο δεν μπορεί να επιτευχθεί.

Σχεδιάστε τους άξονες Χ μέσα από τις κορυφές του εξαγώνου, υπάρχουν τρεις τέτοιοι άξονες Χ. Αν κόψετε τις πλάκες κάθετα στους άξονες Χ, τότε παίρνουμε ένα δείγμα με το καλύτερο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι άξονες Χ ονομάζονται ηλεκτρικοί άξονες στον χαλαζία. Και οι τρεις άξονες Υ που σχεδιάζονται κάθετα στις πλευρές του κρυστάλλου χαλαζία είναι μηχανικοί άξονες.

Αυτός ο τύπος χαλαζία ανήκει σε αδύναμα πιεζοηλεκτρικά, ο ηλεκτρομηχανικός συντελεστής σύζευξης είναι στην περιοχή από 0,05 έως 0,1.

Ο κρυσταλλικός χαλαζίας είχε τη μεγαλύτερη εφαρμογή λόγω της ικανότητάς του να διατηρεί τις πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες σε θερμοκρασίες έως και 573 °C. Οι πιεζοηλεκτρικοί συντονιστές χαλαζία δεν είναι τίποτα άλλο από επίπεδες παράλληλες πλάκες με ηλεκτρόδια συνδεδεμένα σε αυτά. Τέτοια στοιχεία διακρίνονται από μια έντονη συχνότητα φυσικού συντονισμού.

Το νιοβίτη λιθίου (LiNbO3) είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο πιεζοηλεκτρικό υλικό που σχετίζεται με τα σιδηροηλεκτρικά ιόντων (μαζί με το τανταλικό λίθιο LiTaO3 και το γερμανικό βισμούθιο Bi12GeO20).Τα ιοντικά σιδηροηλεκτρικά προ-ανόπτονται σε ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο σε θερμοκρασία κάτω από το σημείο Curie για να τα φέρουν σε κατάσταση ενός τομέα. Τέτοια υλικά έχουν υψηλότερους συντελεστές ηλεκτρομηχανικής σύζευξης (έως 0,3).

Θειούχο κάδμιο CdS, οξείδιο του ψευδαργύρου ZnO, θειούχο ψευδάργυρο ZnS, σεληνιούχο κάδμιο CdSe, αρσενίδιο του γαλλίου GaAs κ.λπ. Είναι παραδείγματα ενώσεων ημιαγωγικού τύπου με ιοντικό-ομοιοπολικό δεσμό. Αυτοί είναι οι λεγόμενοι πιεζοηλεκτρικοί ημιαγωγοί.

Με βάση αυτά τα διπολικά σιδηροηλεκτρικά, λαμβάνονται επίσης τρυγική αιθυλενοδιαμίνη C6H14N8O8, τουρμαλίνη, μονοκρυστάλλοι άλατος Rochelle, θειικό λίθιο Li2SO4H2O — πιεζοηλεκτρικά.

Πολυκρυσταλλικά πιεζοηλεκτρικά

Τα σιδηροηλεκτρικά κεραμικά ανήκουν στα πολυκρυσταλλικά πιεζοηλεκτρικά. Για να προσδώσουν πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες στα σιδηροηλεκτρικά κεραμικά, τέτοια κεραμικά πρέπει να πολωθούν για μία ώρα σε ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο (με ισχύ 2 έως 4 MV / m) σε θερμοκρασία 100 έως 150 ° C, έτσι ώστε μετά από αυτή την έκθεση , η πόλωση παραμένει σε αυτό, γεγονός που καθιστά δυνατή την επίτευξη ενός πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Έτσι, λαμβάνονται στιβαρά πιεζοηλεκτρικά κεραμικά με συντελεστές πιεζοηλεκτρικής σύζευξης από 0,2 έως 0,4.

Τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία του απαιτούμενου σχήματος κατασκευάζονται από πιεζοκεραμικά προκειμένου να ληφθούν στη συνέχεια μηχανικοί κραδασμοί της απαιτούμενης φύσης (διαμήκεις, εγκάρσιοι, κάμπτοντες). Οι κύριοι εκπρόσωποι των βιομηχανικών πιεζοκεραμικών παρασκευάζονται με βάση τιτανικό βάριο, ασβέστιο, μόλυβδο, ζιρκονικό-τιτανικό μόλυβδο και νιοβικό μολύβδινο βάριο.

Πολυμερή πιεζοηλεκτρικά

Οι μεμβράνες πολυμερών (π.χ. φθοριούχο πολυβινυλιδένιο) τεντώνονται κατά 100-400%, στη συνέχεια πολώνονται σε ηλεκτρικό πεδίο και στη συνέχεια εφαρμόζονται ηλεκτρόδια με επιμετάλλωση. Έτσι, λαμβάνονται πιεζοηλεκτρικά στοιχεία φιλμ με συντελεστή ηλεκτρομηχανικής σύζευξης της τάξης του 0,16.

Εφαρμογή πιεζοηλεκτρικών

Ξεχωριστά και διασυνδεδεμένα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία μπορούν να βρεθούν με τη μορφή έτοιμων συσκευών ραδιομηχανικής - πιεζοηλεκτρικοί μετατροπείς με ηλεκτρόδια συνδεδεμένα σε αυτά.

Τέτοιες συσκευές, κατασκευασμένες από χαλαζία, πιεζοηλεκτρικά κεραμικά ή ιοντικά πιεζοηλεκτρικά, χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία, τον μετασχηματισμό και το φιλτράρισμα ηλεκτρικών σημάτων. Μια επίπεδη-παράλληλη πλάκα κόβεται από έναν κρύσταλλο χαλαζία, συνδέονται ηλεκτρόδια - λαμβάνεται ένας συντονιστής.

Η συχνότητα και ο συντελεστής Q του συντονιστή εξαρτώνται από τη γωνία προς τους κρυσταλλογραφικούς άξονες στους οποίους κόβεται η πλάκα. Τυπικά, στο εύρος ραδιοσυχνοτήτων έως 50 MHz, ο παράγοντας Q τέτοιων συντονιστών φθάνει τις 100.000. Επιπλέον, οι πιεζοηλεκτρικοί μετατροπείς χρησιμοποιούνται ευρέως ως πιεζοηλεκτρικοί μετασχηματιστές με υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου, για ένα τυπικά μεγάλο εύρος συχνοτήτων.

Όσον αφορά τον παράγοντα ποιότητας και τη συχνότητα, ο χαλαζίας υπερτερεί των πιεζοηλεκτρικών ιόντων, ικανών να λειτουργούν σε συχνότητες έως και 1 GHz. Οι λεπτότερες πλάκες τανταλικού λιθίου χρησιμοποιούνται ως εκπομποί και δέκτες υπερηχητικών δονήσεων με συχνότητα από 0,02 έως 1 GHz, σε αντηχεία, φίλτρα, γραμμές καθυστέρησης επιφανειακών ακουστικών κυμάτων.

Λεπτές μεμβράνες πιεζοηλεκτρικών ημιαγωγών που εναποτίθενται σε διηλεκτρικά υποστρώματα χρησιμοποιούνται σε διαψηφιακούς μετατροπείς (εδώ χρησιμοποιούνται μεταβλητά ηλεκτρόδια για τη διέγερση των επιφανειακών ακουστικών κυμάτων).

Οι πιεζοηλεκτρικοί μετατροπείς χαμηλής συχνότητας κατασκευάζονται με βάση τα διπολικά σιδηροηλεκτρικά: μικροσκοπικά μικρόφωνα, μεγάφωνα, pickups, αισθητήρες πίεσης, παραμόρφωσης, δόνησης, επιτάχυνσης, εκπομπών υπερήχων.