Пьезоэлектрический эффект это: Пьезоэлектрический эффект — это… Что такое Пьезоэлектрический эффект?

Содержание

Пьезоэлектрические свойства древесины.

На поверхности некоторых диэлектриков под действием механических напряжений появляются электрические заряды. Это явление, связанное с поляризацией диэлектрика, носит название прямого пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрические свойства были вначале обнаружены у кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли и др. Эти материалы обладают также обратным пьезоэлектрическим эффектом, заключающимся в том, что размеры их изменяются под действием электрического поля. Пластинки из этих кристаллов находят широкое применение в качестве излучателей и приемников в ультразвуковой технике.

Эти явления обнаруживаются не только у монокристаллов, но и у целого ряда других анизотропных твердых материалов, названных пьезоэлектрическими текстурами. Пьезоэлектрические свойства были обнаружены также в древесине. Было установлено, что основной носитель пьезоэлектрических свойств в древесине — ее ориентированный компонент — целлюлоза. Интенсивность поляризации древесины пропорциональна величине механических напряжений от приложенных внешних усилий; коэффициент пропорциональности называется пьезоэлектрическим модулем. Количественное изучение пьезоэлектрического эффекта, таким образом, сводится к определению значений пьезоэлектрических модулей. В связи с анизотропией механических и пьезоэлектрических свойств древесины указанные показатели зависят от направления механических усилий и вектора поляризации.

Наибольший пьезоэлектрический эффект наблюдается при сжимающей и растягивающей нагрузках под углом 45° к волокнам. Механические напряжения, направленные строго вдоль или поперек волокон, не вызывают в древесине пьезоэлектрического эффекта. В табл. 28 приведены значения пьезоэлектрических модулей для некоторых пород. Максимальный пьезоэлектрический эффект наблюдается в сухой древесине, с увеличением влажности он уменьшается, а затем и совсем исчезает. Так, уже при влажности 6—8% величина пьезоэлектрического эффекта очень мала. С повышением температуры до 100° С величина пьезоэлектрического модуля увеличивается. При малой упругой деформации (высоком модуле упругости) древесины пьезоэлектрический модуль уменьшается. Пьезоэлектрический модуль зависит также от ряда других факторов; однако наибольшее влияние на его величину оказывает ориентация целлюлозной составляющей древесины.

Таблица 28. Пьезоэлектрические модули древесины.

Порода	Пьезоэлектрические модули в 10⁸ абсолютных электростатических единиц по образцам
Порода	радиальным	тангенциальным
Сосна	0,392	0,578
Ель	0,550	0,570
Дуб	0,254	0,534
Береза	0,470	0,620

Открытое явление позволяет глубже изучить тонкую структуру древесины. Показатели пьезоэлектрического эффекта могут служить количественными характеристиками ориентации целлюлозы и поэтому очень важны для изучения анизотропии натуральной древесины и новых древесных материалов с заданными в определенных направлениях свойствами.

Датчики и сенсоры онлайн журнал

Когда вдоль оси х прикладывается внешняя сила Fx, кристаллическая решетка
деформируется. На рис. 3.21Б отображено, как сдавливающая сила сдвигает атомы
кристалла таким образом, что положительный атом кремния перемещается на одну
сторону решетки, а отрицательно заряженная пара атомов кислорода — на другую. В
результате чего вдоль оси у наблюдается перераспределение зарядов. Если
кристалл растянуть вдоль оси х (рис. 3.21В), в результате деформации растяжения
заряды перераспределятся вдоль оси у в противоположном направлении. Эта упрощенная
модель показывает, как на поверхности кристаллического материала могут
образовываться электрические заряды в ответ на приложенное механическое
воздействие. Подобное объяснение может быть дано пироэлектрическому эффекту,
описанному в этом же сайте.

Для сбора электрических зарядов к кристаллу на
противоположных сторонах от среза прикрепляют электроды (рис. 3.22). Построенный таким образом пьезоэлектрический датчик можно считать
конденсатором, в котором в качестве диэлектрика выступает сам кристалл,
работающий как генератор электрических зарядов, приводящих к появлению
электрического напряжения Кна электродах. Хотя заряд формируется только в
местах приложения силы, металлические электроды вырав—
нивают заряды вдоль всей их поверхности, лишая конденсатор
избирательности. Однако, если форму электродов усложнить, можно определить
точное место приложения внешней силы, детектируя сигналы с конкретных
электродов.

Рис. 3.21 пьезоэлектрический эффект кварцевого кристалла

Пьезоэлектрический эффект является обратимым физическим
явлением Это означает, что приложенное к кристаллу электрическое напряжение
приводит к появлению механической деформации Если разместить на кристалле
несколько электродов и на одну пару из них подать напряжение, на остальных
парах электродов будет накапливаться заряд, сформированный из-за возникшей
деформации Такой прием достаточно широко применяется в разных типах
пьезоэлектрических преобразователей
Пьезоэлектрический эффект можно оценить через вектор
поляризации

где х, у и z — координатные оси обычной ортогональной
системы, совмещенные с осями кристалла Слагаемые этого выражения определяются в
следующем виде (более полные формулы включают в себя также напряжение сдвига и
соответствующие ^/-коэффициенты)»
Рис. 3.22 пьезоэлектрический датчик, сформированный при
помощи электродов, нанесенных на поляризованный кристалл

где о — осевое напряжение, dmn — постоянные
пьезоэлектрические коэффициенты вдоль ортогональных осей срезов кристалла Эти
коэффициенты имеют размерность Кулон/Ньютон, те единичный заряд на единицу силы
Для удобства вычислений были введены две дополнительные
единицы.
Производство керамических пьезосенсоров из титаната
цирконата свинца (PZT) начинается с подготовки порошков оксидов металлов очень
высокой чистоты (оксида свинца, оксида циркония, оксида титана и др.). Порошки
измельчаются до требуемого состояния и тщательно перемешиваются в строго
определенной химической пропорции. В процессе прокаливания, проходящего при
достаточно высокой температуре, компоненты полученной смеси вступают в реакцию
друг с другом, образуя порошок, каждое зерно того по химическому составу
близко к требуемой композиции. Но на этой стадии порошок не имеет еще
необходимой кристаллической структуры.
Следующий технологический этап — смешение прокаленного
порошка с твердыми и/или жидкими органическими связующими компонентами (которые
должны быть выжжены в процессе обжига) и построение из полученной смеси
структуры, близкой по форме реализуемому сенсорному элементу. Для этого
разработано несколько методов. Перечислим некоторые из них: прессование при
помощи гидравлического пресса, литье (заливка вязких жидкостей в специальные
формы и их отверждение), выдавливание через специальную форму или прокат через
пару круглых валов для получения тонких листов и ленточное литье (нанесение
вязких составов на гладкую движущуюся ленту).
После этого сформированная структура помещается в печь для
обжига, который проводится под строгим температурным контролем. В результате
этой процедуры все органические связуюшие компоненты выжигаются, а объем
уменьшается приблизительно на 15%. Далее материал нагревается до температуры
красного каления и поддерживается в этом состоянии нето время, называемое
периодом выдержки, во время того происходят окончательные химические
реакции. После охлаждения материала кристаллическая структура считается
сформированной. В зависимости от типа материала полное время температурной
обработки может составлять порядка 24 часов. Далее на поверхность полученной
структуры необходимо нанести контакшые электроды. Это можно сделать несколькими
методами. Наиболее распространенными способами являются: трафаретная печать при
помощи смеси серебра и стекла с повторным обжигом, нанесение покрытия методом
химического восстановления в специальных реакторах и напыление (обработка
парами металлов в условиях низкого вакуума).
Кристаллиты (кристаллические элементарные ячейки) материала
могут рассматриваться как электрические диполи. В некоторых материалах, таких
как кварц, эти ячейки обычно ориентированы вдоль осей кристалла, поэтому такие
структуры обладают достаточно высокой чувствительностью к механическому
напряжению. В других материалах диполи ориентированы произвольным образом, и
для того, чтобы такие структуры проявили свои пьезоэлектрические свойства, их
необходимо предварительно поляризовать. Существуют несколько технологий
поляризации.
Самой популярной из них считается тепловая поляризация,
которая состоит из следующих этапов:
1. Кристаллический материал (керамическая или полимерная
пленка), в котором диполи имеют произвольную ориентацию, медленно нагревается
до температуры, не превышающей точку Кюри. Некоторые типы материалов (к примеру,
пленки из поливинилидин фторида (PVDF)) необходимо привести в напряженное
состояние. Высокая температура приводит к возбуждению диполей, что помогает
сравнительно легко их переориентировать в требуемом направлении.
2. Материалы помещаются в сильное электрическое поле Е (рис. Пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в
кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему
механических напряжений. Этот эффект наблюдается в природных кристаллах, таких
как кварц (химическая формула Si02), поляризованных керамических материалах и
некоторых полимерах, к примеру, в поливинилиденфториде. Говорят, что
пьезоэлектрические материалы обладают ферроэлектрическими свойствами. Слово
пьезо происходит из греческого piezen, означающего давление. Братья Кюри
открыли пьезоэлектрический эффект в кварце еще в 1880 году, но долгое время это
открытие не имело почти никакого практического применения. Только в 1917 году
французский профессор П. Лангевин использовал х-срез кварцевой пластины для
возбуждения и детектирования звуковых колебаний в воде. Его открытие привело к
созданию гидролокатора.
В 1927 году А. Мейснер предложил упрощенную модель для
объяснения пьезоэлектрического эффекта. Кристалл кварца в этой модели
представлен в виде элементарных ячеек, состоящих из атомов Si и спаренных
атомов 02 (рис. 3.21). Кварцевый кристалл имеет срезы вдоль осей х, у и z. На
рис. 3.21 отображено поперечное сечение вдоль оси z — В элементарную
монокристаллическую ячейку входят три атома кремния и шесть атомов кислорода. Каждый
атом кремния обладает четырьмя положительными зарядами, а каждая пара атомов
кислорода — четырьмя отрицательными (по два на атом). Поэтому без приложения
механических напряжений кварцевая ячейка является электрически нейтральной. Пока поляризованный материал находится при температуре ниже температуры Кюри,
он сохраняет свои поляризационные свойства Диполи поддерживают ориентацию, полученную
при высокой температуре в электрическом поле (рис 3 23В).

Рис. 3.23. Тепловая поляризация пьезоэлектрических и
пироэлектрических материалов
Другим методом поляризации является метод коронного разряда,
применяемый при производстве полимерных пьезо/пироэлектриков Полимерная пленка
подвергается воздействию коронного разряда Величина разряда достигает несколько
миллионов вольт на сантиметр толщины пленки, и его действие продолжается 40–50
секунд [5, 6| Это достаточно простои способ поляризации, который может
проводиться при комнатной температуре.
Последними операциями при изготовлении чувственного
элемента являются придание ему требуемой формы и чистовая обработка, которые
включают себя обрезку, механическую обработку и шлифование. По окончании последних
процедур обработки чувствительный пьезо (пиро) элемент вставляется в корпус
датчика, где его электроды соединяются с электрическими выводами и другими
электронными компонентами.
После поляризации кристаллы становятся постоянно
поляризованными, но электрически заряженными они остаются только сравнительно
короткий промежуток
времени. Это объясняется тем, что в окружающей среде
находится много заряженных ионов, а также достаточное количество свободных
носителей зарядов содержится внутри самого материала, которые могут
передвигаться под действием электрического поля, и эти свободные заряды,
приближаясь к соответствующим концам диполей, нейтрализуют их (рис. 3.23В). Поэтому
вскоре поляризованный пьезоматериал становится электрически разряженным и
удерживается в этом состоянии в течение всего времени, пока находится в
стационарных условиях. Однако когда к материалу прикладывается механическое
напряжение, или он начинает обдуваться ветром состояние равновесия нарушается и
на поверхности пьезоэлектрика появляется электрический заряд. -коэффициенты) зависит от температуры. Для некоторых материалов (к примеру,
кварца) чувствительность падает с ростом температуры со скоростью — 0.016%/°С. 3.23Б), в котором диполи выстраиваются вдоль силовых линии. При этом не
происходит полного выравнивания, и многие диполи отклоняются от направления
поля. Однако достигается статистически преобладающая одинаковая ориентация
диполей
3. Материал охлаждается при одновременном воздействии на
него электрического поля.
4 После охлаждения материала до требуемой температуры,
электрическое поле устраняется, и процесс поляризации считается законченным. Для других пьезоэлектриков таких как пленки PVDF и керамики, при температурах
до 40°С d-коэффициенты уменьшаются, а при более высоких температурах — растут. В
настоящее время самыми популярными материалами для изготовления
пьезоэлектрических сенсоров являются разные типы керамики [7–9]. Одним из самых
первых ферроэлектри-ческих керамических материалов был титанат бария,
обладающий поликристаллической структурой и следующей химической формулой:
ВаТЮ3. Стабильность поляризации обеспечивается за счет действия коэрцитивных
сил диполей. В некоторых материалах с течением времени происходит уменьшение
поляризации. Для снижения этого эффекта в основной материал вводятся
дополнительные добавки, цель которых заключается в «запирании» диполей в
определенном положении [4]. И пьезоэлектрическая константа, и диэлектрическая
проницаемость материала к зависят от рабочей температуры. Поскольку эти
величины входят в формулу (3.71): одна в числитель, другая в знаменатель, их
изменения будут взаимно уничтожаться, что приведет к повышению стабильности
выходного напряжения Vb широком температурном диапазоне.
Пьезоэлектрические элементы могут использоваться либо в
форме монокристалла, либо в виде многослойной структуры, в той отдельные
пластины соединяются вместе при помощи электродов, размещенных между ними. На
рис. 3.24 отображен двухслойный датчик силы. Когда к этому датчику прикладывается
внешняя сила, одна из его частей расширяется, в то время как другая сжимается,
что при корректном включении приводит к удвоению выходного сигнала. Двойные
сенсоры могут включаться либо параллельно, как отображено на рис. 3.25А, либо
последовательно — рис. 3.25В. Электрическая эквивалентная схема пьезоэлектрического
датчика представляет собой параллельное соединение сопротивления утечки г,
емкости С и источника тока /’, индуцированного механическим напряжением. В
зависимости от типа соединения слоев эквивалентные схемы сдвоенных сенсоров
будут соответствовать рис. 3.25Б и рис. 3.25 г. Сопротивление утечки, как
правило, является очень крупным (порядка Ш’МО14 Ом), это значит, что датчик
обладает чрезвычайно высоким выходным импедансом. Поэтому для согласования с
последующими электронными цепями необходимо использовать специальные
интерфейсы, представляющие собой преобразователи заряда/гока в напряжение или
усилители напряжения, имеющие высокие входные сопротивления.

Пьезоэлектрические пленки
В 1969 году японский ученый Каваи обнаружил сильный
пьезоэлектрический эффект в PVDF пленках, а в 1975 году кампания Pioneer, Ltd
выпустила первые громкоговорители и наушники, реализованные на основе PVDF
[10]. PVDF — это полукристаллический полимер, степень кристаллизации того
составляет 50% [11]. Подобно другим полукрист&тлическим полимерам PVDF
представляет собой слоевую структуру с аморфными зонами. Молекулярный вес PVDF
равен около 10 что соответствует порядка 2000 повторяющихся звеньев. Пленка
является практически прозрачной в видимом и ближнем ИК (инфракрасном)
диапазонах и поглощает излучение дальней И К области электромагнитного спектра. Пленки из PVDF сильно поглощают ИК лучи в диапазоне дайн волн 7.. .20 мкм. Этот
диапазон соответствует спектру длин волн, излучаемых человеческим телом. Ее плотность равна около 1780 кг/м3. PVDF является механически прочным и гибким
материалом.

Рис. 3.25 Параллельное (А) и последовательное (В) соединения
слоев в пьезоэлектрическом датчике и их соответствующие эквивалентные схемы (Б
и Г)

Для применения в пьезодатчиках эту пленку обычно вытягивают
в одном или сразу двух направлениях так, чтобы ее размеры увеличились в
несколько раз. Коэффициенты упругости (такие как модуль Юнга) определяются
величиной растяжения. к примеру, если пленка была растянута при температуре
140°С до соотношения 4:1, ее модуль Юнга равен 2.1 ГПа, а если до соотношения
6.8:1, модуль составляет 4.1 ГПа. Удельное сопротивление пленки зависит от
величины ее относительного удлинения. к примеру, при небольшом удлинении
удельное сопротивление равно б.ЗхЮ15 Омхсм, в то время как при степени
растяжения 7:1, оно составляет 2хЮ160мхсм.
Хотя пьезоэлектрические коэффициенты пленки из PVDF не такие
высокие как у некоторых других пьезоматериалов, к примеру, у ВаТЮ3 и PZT, они
обладают уникальным свойством сохранять поляризацию даже при воздействии на них
очень сильных переменных электрических полей. Это означает, что, несмотря на
то, что значение dv пленки из PVDF почти в 10 раз меньше, чем у PZT, ее
максимальная деформация может быть на порядок больше, чем у того же PZT,
поскольку для PVDF предельно допустимая величина электрического поля в 100 раз
превышает аналогичную характеристику для PZT. К тому же пленки из PVDF обладают
очень хорошей временной стабильностью: при хранении при температуре 60°С они
теряют за шесть месяцев только около 1–2% чувствительности.
В Приложении приведены сравнительные характеристики
различных пьезоэлектрических материалов. Другим преимуществом пьезопленок над
пьезокера-микой является их низкий акустический импеданс, который по значению
близок к воде, человеческим тканям и другим органическим материалам. к примеру,
акустический импеданс пьезопленки отличается от импеданса воды только в 2.6 раз,
в то время как для пьезокерамики он, как правило, в 11 раз больше. Близкие
значения импедансов позволяют осуществлять более эффективную передачу
акустических сигналов в воде и тканях.
Пьезоэлектрические пленки обладают следующими уникальными
свойствами:
• Широким частотным диапазоном: 0.001…10′ Гц
• крупным динамическим диапазоном: 10 8…106psi (фунтов на
квадратный дюйм) или от мкТорр до Мбар
• Низким акустическим импедансом: близким к воде,
человеческим тканям и клеевым составам
• Высокой упругой податливостью
• Высоким выходным напряжением: в 10 раз выше, чем у
пьезокерамики при одинаковых приложенных силах
• Высокой электрической прочностью диэлектрика: выдерживают
поля до 75 В/мкм, при которых большинство пьезокерамических материалов теряют
поляризацию
• Высокой механической прочностью и ударостойкостью:
Ю9. ..10ш пределов прочности
• Высокой стабильностью: устойчивостью к влажности
(влагопоглощение менее 0.02%), большинству химических реактивов, окислителям,
мощному ультрафиолетовому (УФ) и ядерному излучениям
• Из них можно получать структуры произвольной формы
• Их можно соединять обычными клеями.

Как и другие ферроэлектрические материалы PVDF также
обладает пироэлектрическими свойствами (см. раздел 3.7), т.е. на его
поверхности образуется электрический сигнал в ответ на изменение температуры. Однако, несмотря на то, что сами пленки из PVDF могут поглощать тепловое
излучение, в пироэлектрических датчиках они располагаются между двумя тонкими
электродами, которые иногда довольно сильно отражают волны интересующего
диапазона. В таких случаях электрод, расположенный ближе к источнику тепловых
излучений, либо покрывают теплопоглощающим слоем, либо изготавливают из нихрома
(сплава, обладающего высокой поглощающей способностью). На основе апенок из
PVDF реализуют датчики перемещения людей, а также пироэлектрические датчики для
более сложных устройств, таких как видеокамеры для ночного наблюдения и
лазерные копировальные приборы. Не так давно была представлена ИК матрица на
основе PVDF пленки, позволяющая идентифицировать отпечатки пальцев,
использующая пироэффект, присущий полимерам. Новые сополимеры PVDF, разработанные
в последние годы, нашли широкую сферу применения в пьезоэлектрических
полимерных датчиках. Такие сополимеры используются при более высоких
температурах (135°С), и из них можно получать новые формы сенсоров:
цилиндрические и полусферические. Из них можно изготавливать сенсоры, толщина
которых превышает предельные значения для устройств на основе PVDF пленок:
к примеру, кремниевые датчики с ультратолстым (200 А) покрытием и гидролокаторы
с цилиндром, толщина стенок того превышает 1200 мкм. Пьезоэлектрические
кабели также реализуют из сополимеров.
В отличие от пьезокерамических преобразователей датчики на
основе пьезоэлектрических пленок обладают более широкими динамическим и
частотным диапазонами. Широкая полоса частот (практически от 0 до 2 ГГц) и
низкая добротность могут быть объяснены мягкостью, присущей полимерам. В
передатчиках звуковых сигналов пленочный пьезоэлемент, зафиксированный на двух
концах, вибрирует на частоте, определяемой коэффициентом d3]. Такие датчики
нашли широкое применение в ультразвуковой технике, работающей на частотах до 50
кГц. При использовании в ультразвуковых передатчиках (частота более 500 кГц)
частота пьезосенсоров определяется коэффициентом d . Максимальный коэффициент
передачи достигается на частоте резонанса по толщине. Основной полуволновой
резонанс пленочного пьезоэлектрического сенсора толщиной 28 мкм наступает на
частоте порядка 40 МГц. Частота резонанса всегда зависит от толщины пленки: она
меняется от единиц МГц для толстых пленок (=1000 мкм) до >100 МГц для тонких
пленок (порядка мкм).
Датчики на пьезоэлектрических пленках имеют и ряд
ограничений. Они обладают довольно слабым электромеханическим коэффициентом
связи по сравнению с пьезокерамическими сенсорами, особенно на частоте
резонанса и на низких частотах. Пленки из сополимеров могут использоваться и
храниться при температурах, не превышающих 135°С, a PVDF пленки рекомендуется
использовать при температурах до 100°С. Как только на пленку нанесены
электроды, полученный сенсор становится чувствительным к электромагнитному
излучению. Для защиты устройств от высокочастотных электромагнитных помех и от
радиочастотных шумов необходимо применять методы экранирования. Из таблицы 3.1
и Приложения
видно, что пьезоэлектрические пленки обладают низкой
плотностью, отличной чувствительностью и механической прочностью. Упругая
деформация пьезопленок в 10 раз превышает аналогичную характеристику керамики. Пьезоэлектрические полимеры могут напрямую прикрепляться к тонкопленочным
структурам, не мешая их механическому перемещению. Пьезопленки годятся для
применения в датчиках деформации, которые должны обладать высокой
чувствительностью в широком частотном диапазоне. Низкий акустический импеданс
полимеров позволяет изготавливать преобразователи, эффективно передающие энергию
в широкой полосе частот воздуху и другим газам.
В миниатюрных полупроводниковых датчиках пьезоэлектрический
эффект является основным средством преобразования механической деформации в
электрические сигналы и наоборот. Однако этот эффект применим для преобразования
переменных входных сигналов и не годится для стационарных и медленно меняющихся
внешних воздействий.
Поскольку кремний сам по себе не обладает
пьезоэлектрическими свойствами, ему можно их придать при помощи нанесения
кристаллических слоев пьезоматериа-лов. Для этой цели чаще всего используются
следующие материалы: оксид цинка (ZnO), нитрид алюминия (A1N) и PZT
(Pb(Zr,Ti)03). Для построения обычных пьезоэлектрических сенсоров, в основном,
применяются те же материалы.
Оксид цинка обладает не только пьезоэлектрическими
свойствами, он также является пироэлектриком. Он часто используется для
построения ультразвуковых акустических сенсоров, устройств на поверхностных
акустических волнах (ПАВ), микровесов и т.д. Основным достоинством оксида цинка
является простота химического травления. ZnO часто наносится на кремний методом
напыления.
Нитрид алюминия считается отличным пьезоэлектрическим
материалом, благодаря высокой акустической проводимости и устойчивости к
влажности и высокой температуре. Его пьезоэлектрический коэффициент несколько
ниже, чем у оксида цинка, но выше, чем у других тонкопленочных пьезоматериалов,
за исключением керамики. Акустические свойства нитрида алюминия позволяют
использовать его в гигагерцовом частотном диапазоне. Тонкие пленки из A1N
обычно изготавливаются по технологии химического осаждения из газовой фазы или
методом реактивной эпитаксии. Недостаток этих способов — высокая температура
нагрева подложки (до 1300°С).
Тонкие пленки из PZT обладают крупным пьезоэлектрическим
коэффициентом, чем A1N и ZnO, что делает их перспективными для использования в
детекторах теплового излучения. Для формирования слоев из PZT существует
большое количество методов, среди которых можно назвать электролучевое
распыление [13], радиочастотное напыление [14], ионное осаждение [15],
эпитаксиальное выращивание, магнетронное напыление [17], лазерное распыление
[18] и золь-гелевая технология [19].

.

Список тем Назад Вперед

Информация исключительно в
ознакомительных целях. При использовании
материалов этого сайта ссылка
обязательна.Правообладатели статей являются их
правообладателями.

По вопросам размещения статей
пишите на email:

datchikisensor@yandex. ru

Поющие конденсаторы (пьезоэлектрический эффект)

Добавлено 18 июля 2018 в 00:26

Сохранить или поделиться

В некоторых приложениях инженеры-конструкторы обнаруживают вибрацию или слабый слышимый шум, исходящий от определенных керамических конденсаторов. Это иногда описывают как «поющий» конденсатор и на самом деле является пьезоэлектрическим эффектом. В этом FAQ будут обсуждаться некоторые аспекты этого феномена «поющих конденсаторов».

1. Что такое поющий конденсатор?

Пение – это один из многих способов описания пьезоэлектрического эффекта у конденсатора. Это «пение» на самом деле является вибрацией конденсатора на печатной плате, которое во многих случаях происходит при определенных условиях.

2. Все многослойные керамические конденсаторы (MLCC) обладают пьезоэлектрическим эффектом?

Пьезоэлектрический эффект возникает в сегнетоэлектрических конденсаторах (т. е. в конденсаторах классов II и III). Конденсаторы класса I не используют сегнетоэлектриков и, следовательно, не обладают пьезоэлектрическим эффектом. Важно также понимать, что не все сегнетоэлектрические конденсаторы будут испытывать пьезоэлектрический эффект. Должна сложиться определенная комбинация конструкции компонента и условий использования схемы, чтобы заставить конденсатор вибрировать или звенеть.

3. Какие факторы могут заставить MLCC конденсатор «запеть»?

Существует несколько факторов, которые способствуют пьезоэлектрическому эффекту. Есть факторы, основанные на конструкции MLCC конденсатора, и внешние факторы, зависящие от схемы, в которой установлен многослойный керамический конденсатор.

Факторы конструкции включает в себя диэлектрическую проницаемость материала, количество активных слоев, толщину слоя и размер корпуса. Электрические факторы включают в себя смещение постоянным напряжением.

Одними из наиболее значимых внешних факторов являются напряжение схемы и пульсации тока входного сигнала. Порог пульсаций зависит от других внешних условий, применяемых к MLCC конденсатору. Например, высокая температура ограничивает возможности MLCC конденсатора относительно пульсаций тока и, следовательно, может играть роль в том, что конденсатор начинает петь.

4. Какие обобщения можно сделать относительно факторов, влияющих на пьезоэлектрический эффект?

Каждый из обсуждаемых здесь факторов играет определенную роль в содействии пьезоэлектрическому эффекту. Все эти факторы, влияющие на пьезоэлектричество, влияют по-разному. Эти факторы могут работать вместе, чтобы увеличить или уменьшить пьезоэлектрический эффект. Из-за этой сложности нет простого способа предложить какие-либо правила проектирования.

В качестве примера мы можем рассмотреть количество слоев. При всех одинаковых конструктивных факторах конденсатор с большим количеством слоев (не пропорционально) даст бо́льшую пьезоэлектрическую амплитуду. Это просто потому, что полная амплитуда представляет собой эффект сложения амплитуды каждого слоя.

Влияющие факторы также могут компенсировать или уменьшить пьезоэлектрический эффект. Например, более высокая диэлектрическая проницаемость может компенсировать влияние смещения по постоянному напряжению. Это приведет к снижению пьезоэлектрической амплитуды.

Подробности и физика каждой комбинации влияющих факторов выходят за рамки данной статьи. Важно помнить, что пьезоэлектрический эффект не проявится без правильной комбинации внешних факторов.

Большинство проблем можно избежать, если инженер-разработчик может оптимизировать качество входного сигнала, а также окружающую среду, в которой находится схема. Если пьезоэлектрическая проблема всё еще остается, тогда инженер-разработчик должен пересмотреть выбор компонентов и конструкцию.

5. Можно ли измерить этот пьезоэлектрический эффект?

При оценке выбора компонентов и конструкции может оказаться полезным сравнить некоторую форму пьезоэлектрической интенсивности у различных компонентов. Поэтому для какого-либо относительного сравнения необходим метод измерения.

Пьезоэлектрический эффект на самом деле являет вибрацией конденсатора. Эта вибрация вызывает смещение конденсатора, как показано на рисунке 1. У этого смещения можно измерить амплитуду.

Рисунок 1 – Пример MLCC конденсатора в нормальном и вибрирующем состояниях

Поскольку вибрация и смещение происходят в относительно небольшом масштабе, для фактического измерения смещения следует использовать бесконтактный метод. Проводить точные бесконтактные измерения смещения позволяет такое устройство, как лазерный виброметр (рисунок 2).

Рисунок 2 – Пример лазерного виброметра

6. Существуют ли стандарт или спецификация для пьезоэлектрического уровня

В настоящее время не существует промышленного стандартизированного метода официального указания пьезоэлектрического уровня. Пьезоэлектрический эффект возникает в результате сочетания многих переменных. Корреляция по уровню одной переменной относительно других также добавляет дополнительный уровень сложности. Пьезоэлектричество можно измерить, но это полезно только в качестве относительного сравнения с другими измерениями.

7. Если можно измерить пьезоэлектрическую амплитуду, можно ли это использовать для обобщения производительности MLCC конденсаторов?

В таблице 1 показан пример бесконтактных измерений нескольких многослойных керамических конденсаторов. Эти амплитуды основаны на конкретных входных тестовых сигналах. Инженер не может делать общие предположения, основываясь только на этих измерениях.

Как обсуждалось ранее (в вопросе 4), чем выше количество слоев, тем больше пьезоэлектрическая амплитуда. Это связано с тем, что общая амплитуда является суммой амплитуд каждого слоя. Это не всегда означает, что разные конструкции с одинаковым количеством слоев будут обязательно работать одинаково.

Если посмотреть на простой пример в таблице 1, вы найдете два MLCC конденсатора (под номерами 4 и 5) с одинаковым количеством слоев. Хотя MLCC конденсатор №4 имеет то же количество слоев, что и MLCC конденсатор №5, амплитуда у MLCC конденсатора №5 выше. В данном примере это связано с тем, что MLCC конденсатор №5 имеет меньшую толщину слоя.

Таблица 1. Пример измерений
№	Компонент	Относительная диэлектрическая проницаемость	Количество слоев	Коэффициент толщины слоя	Коэффициент смещения по постоянному напряжению	Амплитуда @ 1В_скз
1	C3224Y5V1E106Z	100	100	100	–90	15 нм
2	C3225X7R1E475K	20	165	90	–30	25 нм
3	C3225X7R1h255K	20	105	160	–13	11 нм
4	C4532X7R1E475K	20	125	100	–25	12 нм
5	C5750X7R1E106K	20	125	90	–30	14 нм

Рассмотрим другой пример, первые три MLCC конденсатора в таблице 1 показывают, что MLCC конденсатор №2 дает наибольшие измерения пьезоэлектрической амплитуды. Если инженер-разработчик использовал несколько конденсаторов, то пульсация тока распределялась между ними. Чтобы упростить математику, предположим, что 10 конденсаторов используются в параллельном соединении.

Используя MLCC конденсатор №1, десять MLCC конденсаторов по 10 мкФ в параллельном соединении дают номинальную эффективную емкость 100 мкФ. Коэффициент смещения по постоянному напряжению –90 означает, что после прикладывания постоянного напряжения будет доступно 10% емкости. 10% от 100 мкФ составляет 10 мкФ. Распределение импеданса между десятью MLCC конденсаторами (10 конденсаторов / эффективная емкость) дает масштабирующий коэффициент амплитуды 1, и поэтому результирующая амплитуда составит 15 нм.

Из этого следует, что MLCC конденсатор №2 даст эффективную емкость 33 мкФ. Масштабирующий коэффициент амплитуды составляет 10/33. Умножение этого масштабирующего коэффициента на измеренную амплитуду (в таблице 1) даст итоговую амплитуду 8 нм.

MLCC конденсатор №3 даст эффективную емкость 13 мкФ. Масштабирующий коэффициент амплитуды составляет примерно 10/13, и поэтому амплитуда будет равна 25/3, приблизительно 8,5 нм.

Основываясь на этих расчетах, MLCC конденсатор №2 дал наибольшие показания в таблице 1, но при этом является наилучшим выбором в нашем проекте.

Этот пример показывает, что, хотя пьезоэлектрическую амплитуду можно измерить, это значение само по себе не может определить влияние на схему. Очевидно, что проектирование схемы также играет важную роль.

8. Если пьезоэлектрический эффект является вибрацией, что вызывает «пение»?

Пьезоэлектрический эффект – это вибрация. Эффект пения возникает при определенных условиях вибрации. Если частота вибрации попадает в слышимый диапазон (примерно 20 Гц – 20 кГц), тогда вы можете услышать слышимый шум. Когда MLCC конденсатор припаивается к печатной плате или подложке, интенсивность слышимого шума может также усилиться. То, что вы могли бы в итоге получить, – это грубый динамик или даже микрофон на вашей плате.

9. Что может сделать инженер-разработчик, чтобы уменьшить «пение»?

Инженер должен определить, вызывает ли вибрацию или жужжание другие проблемы системы в целом. Например, если схема демонстрирует слышимый шум низкой частоты, который позже будет заглушен шумом двигателя, инженер должен решить, необходимо ли избавление от шума конденсаторов.

Если инженер решает улучшить схему, первым шагом будет рассмотрение уменьшения пульсации, поступающей в цепь. Это принесет пользу не только MLCC конденсаторам, но и всей схеме.

Если пульсации не могут быть уменьшены, инженер должен рассмотреть возможность добавления конденсаторов в параллельное соединение, чтобы распределить ток пульсаций или другие напряжения. Следует отметить, что это не обязательно увеличивает величину емкости, поэтому целью не является просто увеличение максимального значения емкости.

Если схема не требует высокой емкости, тогда следует рассмотреть класс I (C0G) многослойных керамических конденсаторов. Поскольку диэлектрики класса I не являются сегнетоэлектриками, они не проявят пьезоэлектрический эффект.

10. Существует ли связь между пением и долговременной надежностью конденсатора?

В настоящее время нет окончательных тестовых данных, которые предполагали бы какой-либо риск для надежности. MLCC конденсатор, который не проявляет пьезо-вибрации, приведет к равной или лучшей надежности по сравнению с MLCC конденсатором, который проявляет пьезо-вибрацию.

Многослойные керамические конденсаторы уже обладают превосходной надежностью по сравнению с конкурирующими технологиями. Квалификационные тесты MLCC конденсаторов, такие как те, которые предлагаются в спецификации Automotive “AEC-Q200”, включают в себя тесты, основанные на военном стандарте Mil-Std-202. Эти тесты содержат различные экологические, механические и электрические стресс-тесты. Среди них есть два теста, в частности, тест на механический удар (Mil-Std-202 метод 213) и вибрацию (Mil-Std-202 метод 204). Эти тесты применяют внешнее напряжение, чтобы гарантировать, что MLCC конденсатор будет выдерживать внешние ударные и вибрационные напряжения.

Оригинал статьи:

MLCC (многослойный керамический конденсатор)Керамический конденсаторКлассы керамических конденсаторовКонденсаторОтносительная диэлектрическая проницаемостьПоющий конденсаторПьезоэлектрический эффектШум

Сохранить или поделиться

Пьезоэлектричество — Engineering LibreTexts

Пьезоэлектричество — это воздействие механической деформации и электрических полей на материал; механическое напряжение на пьезоэлектрических материалах будет создавать полярность в материале, а приложение электрического поля к пьезоэлектрическому материалу вызовет деформацию внутри материала. Когда к пьезоэлектрическому материалу прикладывается давление, возникают диполь и результирующая поляризация в направлении приложенного напряжения. Пьезоэлектричество находит множество применений в электрических преобразователях и сигнальных устройствах.

Введение

Братья Пьер и Жак Кюри опубликовали первую статью о прямом пьезоэлектрическом эффекте в 1880 году; они прикладывали напряжения к кристаллам без центра симметрии и наблюдали поверхностный заряд на этих кристаллах. Пьезоэлектричество происходит от греческого слова; «пьезо» означает «нажимать» или «толкать»; следовательно, пьезоэлектричество создает электричество за счет приложения давления. Габриэль Липпманн предсказал «обратный» пьезоэлектрический эффект, и братья Кюри позже подтвердили, что это обратный пьезоэлектрический эффект.В конечном итоге это привело к обратимости пьезоэлектрического эффекта и его приложений.

Центр симметрии

Материалы не должны иметь центра симметрии, чтобы действовать как пьезоэлектрические материалы. В материале с центром симметрии центр масс положительных и отрицательных зарядов совпадает в центре симметрии с механической деформацией или без нее, сохраняя нулевую суммарную поляризацию. В случае пьезоэлектрических материалов при приложении напряжения центр масс положительных и отрицательных ионов изменяется в зависимости от направления приложения напряжения; создается результирующая поляризация, создающая разность напряжений между двумя поверхностями кристалла, к которым прикладывается напряжение.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {1} \) Непьезоэлектрический материал с центром симметрии.

На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) к непьезоэлектрическому материалу не приложена сила; поляризации не происходит, поскольку центры масс как положительных, так и отрицательных ионов совпадают в точке C.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {2} \) Сила применяется к непьезоэлектрическому материалу с центром симметрии.

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) к непьезоэлектрическому материалу приложена сила; поляризации не происходит, так как центры масс как положительных, так и отрицательных ионов все еще совпадают в точке C.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {3} \) Пьезоэлектрический материал без центра симметрии.

На рисунке \ (\ PageIndex {3} \) показан пьезоэлектрический материал без приложения силы. Центры масс как положительных, так и отрицательных ионов совпадают в точке О.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {4} \) Пьезоэлектрический материал, сжатый сверху и снизу.

На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) при приложении вертикальной силы центры масс как положительных, так и отрицательных ионов смещаются, создавая результирующую поляризацию, как показано в середине материала.Этот процесс прекращается внутри материала до концов его поверхности.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {5} \) Пьезоэлектрический материал, сжатый по бокам.

На рисунке \ (\ PageIndex {5} \), когда применяется горизонтальная сила, центры масс как положительных, так и отрицательных ионов все еще совпадают друг с другом, не создавая результирующей поляризации; чистая поляризация будет индуцироваться в зависимости от кристаллической структуры, направления силы, приложенной к материалу, и коэффициента Пуассона материала.

Механизм

Когда к пьезоэлектрическому материалу прикладывается напряжение, его размеры изменяются. В зависимости от направления приложения напряжения результирующее изменение размеров может сместить центры масс положительных и отрицательных ионов; это создает диполь по всему материалу. Диполи внутри материала компенсируют друг друга, но на поверхности материала диполи не компенсируются, создавая полярность, задаваемую.

\ [P = d \ T = d \ dfrac {F} {A} \ nonumber \]

где T — механическое напряжение, P — индуцированная поляризация, а d — пьезоэлектрический коэффициент.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {6} \) Пьезоэлектрический эффект показан выше; механическое растяжение или сжатие пьезоэлектрика будет индуцировать ток, зависящий от типа напряжения и направления.

Поляризационный заряд дает

\ [P = \ dfrac {Q} {A} \ nonumber \]

где

\ (Q \) — это заряд, а
\ (A \) — площадь поперечного сечения пьезоэлектрического материала, к которому приложено напряжение.

Поляризация индуцирует напряжение из-за заданного

\ [V = \ dfrac {Q} {C} = \ dfrac {A \ P} {\ dfrac {\ epsilon_ {0} \ epsilon_ {r} A} {L}} = \ dfrac {L \ P} { \ epsilon_ {0} \ epsilon_ {r}} = \ dfrac {L (d \ dfrac {F} {A})} {\ epsilon_ {0} \ epsilon_ {r}} = \ dfrac {d \ L \ F} {\ epsilon_ {0} \ epsilon_ {r} A} \ nonumber \]

где

\ (\ epsilon_ {0} \) — диэлектрическая проницаемость вакуума,
\ (\ epsilon_ {r} \) — относительная диэлектрическая проницаемость,
\ (L \) — длина пьезоэлектрического материала, а
\ (C \) — емкость.

С другой стороны, если к пьезоэлектрическому материалу приложить электрическое поле, оно вызовет деформацию, равную

\ [S = d \ E \ nonumber \]

, где \ (E \) — приложенное электрическое поле, \ (S \) — создаваемая деформация, а d — тот же пьезоэлектрический коэффициент, что и выше. Это также известно как обратный пьезоэлектрический эффект. В этом случае отрицательные ионы будут стремиться двигаться к положительному концу электрического поля, а положительные ионы — к отрицательному.В результате сдвига положительных и отрицательных ионов размеры материала изменяются, создавая деформацию внутри материала.

Пьезоэлектрический коэффициент одинаков как для прямого, так и для обратного пьезоэлектрического эффекта при одинаковой величине электрического поля и наведенной деформации или механического напряжения и наведенной поляризации.

Коэффициент Пуассона также может влиять на пьезоэлектричество; если пьезоэлектрический материал сжимается в одном направлении, он может расширяться в двух других направлениях.Коэффициент Пуассона равен

\ [\ nu = — \ dfrac {d \ varepsilon_ {trans}} {d \ varepsilon_ {axial}} \ nonumber \]

, где \ (d \ varepsilon_ {trans} \) и \ (d \ varepsilon_ {axial} \) — деформации в двух направлениях, которые не были сжаты. Идеальный пьезоэлектрический материал должен иметь коэффициент Пуассона, равный 0, что эффективно устраняет его влияние на поляризацию.

Пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы требуют отсутствия центра симметрии. Из 21 класса кристаллов, не имеющих центра симметрии, следующие 20 способны создавать пьезоэлектрический эффект:

1, 2, м, 222, мм2, 4, 4, 422, 4 мм, 42 м, 3, 32, 3 м, 6, 6, 622, 6 мм, 62 м, 23, 43 м.

Единственный класс кристаллов, не имеющий пьезоэлектрического эффекта, — это класс 432 куб. пьезоэлектрические заряды, возникающие вдоль его осей <111>, компенсируются.

Материал	Использовать
Кварц (SiO ₂)	Кварцевые генераторы, ультразвуковые преобразователи, линии задержки, фильтры
Цирконат Титанат свинца (PZT)	Наушники, микрофоны, искрогенераторы
Титанат бария (BaTiO ₃)	Акселерометры
Феррит висмута (BiFeO ₃)	Бессвинцовая альтернатива

Кварц чаще всего используется в часах и на радиостанциях с соответствующей длиной волны

\ (PZT \) — это керамика, созданная путем измельчения \ (PbZrO_3 \) и \ (PbTiO_3 \) и их спекания вместе путем нагревания порошков и их диффузии друг в друга, создавая композицию \ (PbTi_ {1 -x} Zr_ {x} O_3 \), где x обычно 0. 5. Хотя он встречается в природе, он обычно производится серийно в лабораториях. Из-за токсичной природы свинца исследуются его бессвинцовые альтернативы.

Составные полупроводники также имеют тенденцию проявлять пьезоэлектрические эффекты.

Приложения

Пьезоэлектричество играет огромную роль в преобразователях; преобразователи преобразуют разные виды энергии в другой тип энергии, в данном случае механическую энергию в электричество. В случае микрофонов колебания звуковых волн преобразуются в электрические сигналы.Громкоговорители делают обратное, преобразовывая эти электрические сигналы в звуковые волны. Пьезоэлектрические преобразователи используются не в диапазонах слышимых волн, а в диапазонах ультразвуковых волн.

Пьезоэлектрические преобразователи используются в ультразвуковых волновых приложениях. Модуль Юнга твердого тела может быть определен путем нахождения ультразвуковой скорости волны, проходящей через твердое тело, которая затем преобразуется в электрический сигнал, считываемый на осциллографе. Если в материале есть трещины и дефекты, ультразвуковые волны будут отражаться или рассеиваться; это позволяет проводить анализ разрушения материала, поскольку ультразвуковые волны сохраняют структурную целостность материала нетронутой.

Устройство на поверхностных акустических волнах (SAW) было произведено в основном для использования в качестве фильтра; взаимодействуя с поверхностными волнами на печатных платах, можно либо увеличить, либо уменьшить определенные частоты, производимые электрическими устройствами.

Другие применения пьезоэлектриков — это трансформаторы (для повышения или понижения электрического напряжения) и датчики давления (использующие пьезоэлектрический эффект для создания электрического отклика в случае изменения давления или частоты).

вопросов

Есть ли у пьезоэлектрических материалов центр симметрии?
В каком направлении пьезоэлектричество создает напряжение?
Какие два типа энергии преобразователи из пьезоэлектрических материалов преобразуют?

Ответы

№
Направление приложенного электрического поля или механического напряжения.
Механические и электрические.

Дополнительные ссылки

Пьезоэлектричество (Википедия)
Кристаллографические точечные группы (Википедия)

Преобразователи

(Википедия)
Список литературы

Синклер, Ян. Датчики и преобразователи. 3-е изд. Уоберн, Массачусетс: Баттерворт-Хайнеманн, 2001
Kasap, Safa O.Принципы электронных материалов и устройств. 3-е изд. Авеню Америк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 2005
Арнау, Антонио. Пьезоэлектрические преобразователи и их применение. 2-е изд. Манхэттен, Нью-Йорк: Springer, 2008
Ян, Джиаши. Введение в теорию пьезоэлектричества. Vol. 9. Манхэттен, Нью-Йорк: Springer, 2005,

Пьезоэлектрический эффект: технология дает функциональные преимущества

Кто не знаком с этим, может сразу спросить: что такое пьезоэлектрический эффект? Он описывает различные процессы производства электроэнергии с использованием пьезоэлектрического материала.

Технически пьезоэлектрический эффект описывается как линейное электромеханическое взаимодействие между механическим и электрическим состоянием в кристаллических материалах, которые не имеют инверсионной симметрии.

APC International отвечает на многие вопросы о пьезоэлектрических технологиях и с радостью делится информацией о нестандартных решениях и стандартах для всех видов проектов, от цилиндров и дисков до распылителей и приводов. Пьезоэлектричество возникло более века назад, но быстрое развитие и расширение его технологий произошло совсем недавно.Новые решения появляются так же быстро, как и спрос, а инновации изобилуют в среде, где все хотят, чтобы все было быстрее, проще и эффективнее.

Два брата французских физиков, Пьер и Жак Кюри, открыли пьезоэлектричество в 1880 году, когда они поняли, что приложение давления к кристаллам определенных типов производит электрический заряд. Слово, которое братья-французы выбрали для обозначения этого явления, происходит от греческих слов piezo, что означает «толкать», и piezein, что означает «сжимать».

Пьезоэлектрический эффект — это общий термин, используемый для всех технологий под пьезоэлектрическим зонтом, большая часть которых не была разработана до 20 века. Существуют прямые и обратные пьезоэлектрические методы, множество пьезоэлектрических материалов и почти бесконечное количество применений пьезоэлектрической технологии.

Пьезоэлектрический эффект работает в прошлом, настоящем и будущем с историей развития во время Первой и Второй мировых войн.В первом случае пьезоэлектрик сыграл важную роль в первых подводных системах обнаружения подводных лодок. Разработки продолжались и во время второй войны, часто в секрете с частными компаниями и без связи между командами.

В 1951 году японцы создали пьезоэлектрический кооператив, который продвинул вперед технические и производственные концепции. Они разработали беспатентные концепции, а затем продукты, которые удовлетворяли быстро растущие потребности в нужное время. Например, пьезоэлектрический фильтр сигналов удовлетворяет быстро растущую потребность в отраслях телевидения, радио и коммуникационного оборудования.

Такие элементы, как звуковые зуммеры в дымовых извещателях и тональные генераторы, а также технологии в пультах дистанционного управления телевизорами, а также многие другие продукты помогли расширить присутствие пьезоэлектричества в Америке от крошечного и практически невидимого до большого и заметного.

Даже несмотря на то, что японцы достигли совершенства в этой технологии, оставалось гораздо больше возможностей для дальнейшего развития, открытий и изобретений. К 1980 году пьезоэлектрические технологии начали проникать в промышленность все чаще и чаще, поскольку они использовались для разработки решений, чему способствовали постоянные усилия по их расширению, совершенствованию и изучению.

Вы также увидите пьезоэлектрик, обозначенный как цирконат-титанат свинца и сокращенно PZT. Оба относятся к пьезоэлектрическому эффекту, типу электричества, открытому братьями Кюри, со всеми его вариациями и достижениями. С тех пор технологии развивались и проникли в наше общество в местах, о которых люди могут не подозревать или не подозревать.

Например, смартфоны, видеоигры, цифровые дворецкие и другие устройства с программным обеспечением для распознавания голоса содержат пьезоэлектрическую технологию.Кристалл преобразует энергию вашего голоса в электрические сигналы, которые затем воспринимает и интерпретирует телефон или компьютер.

Ваши устройства доступа без ключа для дома или автомобиля также работают с пьезоэлектрической технологией. Он входит в состав многих видов мониторов состояния здоровья пациента, эхолотов и эхолотов, звуковых сигналов тревоги и датчиков подушек безопасности.

Одна из последних разработок — теннисные ракетки профессиональных и других теннисистов высокого уровня. Пьезоэлектрический чип является частью системы внутри ракеток, которая помогает компенсировать количество ударов и вибрации, которые обычно передаются на руку игрока.Традиционные ракетки известны своей жесткостью и неподатливостью, и пьезоэлектрический эффект стал решением.
Эти и другие подобные им примеры содержат часть ответа на вопрос: что такое пьезоэффект? Углубление приводит к большему количеству вопросов и ответов.

Словарь

Вебстера определяет пьезоэлектричество как «электричество или электрическую полярность, обусловленную давлением, особенно в кристаллическом веществе, таком как кварц». Эффект представляет собой потенциал для генерирования напряжения, и он возникает, когда давление прикладывается к кристаллу или другому материалу с пьезоэлектрическими свойствами.

Природа этой способности связана с дипольными моментами электричества твердых материалов, а также с молекулярной структурой, плотностью и поляризацией пьезоэлектрического материала. Целый сектор науки вращается вокруг исследований и разработок пьезоэлектрической технологии, основанной на ориентации, симметрии и реакции различных материалов на несколько типов механического напряжения.

Давление, прикладываемое для создания пьезоэлектрического эффекта, может быть сжатием, стуком, постукиванием или другим действием, которое нарушает, но не разрушает материал.Металлические пластины с электронным программированием обычно выполняют работу по оказанию точного давления, необходимого для выработки пьезоэлектрической энергии.

Заряд возникает, когда кристаллическая решетка объекта, его баланс заряда слегка нарушается. Например, кристалл может производить электричество, если его статическая структура нарушена всего на 10 процентов. Когда пьезоэлектрический материал не подвергается нагрузке, его положительные и отрицательные ионы сбалансированы и не вступают в реакцию.Пьезоэлектричество, вплоть до его основных элементов, является результатом методичного процесса возмущения атомов в совместимых материалах.

Пьезоэлектрические кристаллы действуют как батареи, потому что они имеют положительный заряд на одной стороне и отрицательный заряд на противоположной стороне. Как и в случае с большинством других технологий, с течением времени возможности пьезоэлектрических устройств и их использование расширились, а технология была усовершенствована. Широко используются многие природные и искусственные пьезоэлектрические материалы.

Было бы невозможно описать все потенциальные применения пьезоэлектрических технологий и то, как они работают, но несколько примеров помогают демистифицировать пьезоэлектрический эффект.

Во многих типах датчиков используются пьезоэлектрические компоненты, но наиболее типичными являются приложения, связанные со звуком. Микрофоны и звукосниматель электрогитары с усилителем часто используют пьезоэлектрические датчики. Ультразвуковые преобразователи, используемые для неразрушающего контроля и медицинской визуализации, которые используют высокочастотный звук, почти исключительно содержат пьезоэлектрические датчики.

Другой пример: во многих типах двигателей используются пьезоэлектрические кристаллы, поскольку ими можно управлять с микроточностью и создавать точное и надежное движение. Электрический импульс попадает на пьезоэлектрический элемент и оказывает давление на противоположную пластину, которая затем перемещается в желаемом направлении.

Некоторые газовые приборы и многие электрические зажигалки используют пьезоэлектрические механизмы. Используя зажигалку, пользователь нажимает кнопку, которая запускает подпружиненный молоток, ударяя по элементу и создавая напряжение, достаточное для того, чтобы ток протекал через искровой промежуток, нагревая и зажигая газ.Такие приложения, как газовая плита или водонагреватель, будут использовать автоматические пьезоэлектрические системы впрыска, которые работают таким же образом.

Прямой пьезоэлектрический эффект возникает в результате прямого напряжения материала. Это происходит, когда давление, обычно с помощью двух металлических пластин, прикладывается к части пьезоэлектрического материала, например кристаллу или керамике. Металлические пластины зажимают пьезоэлектрический материал и собирают заряд по мере его образования.

Поскольку кристаллическая решетка нарушается давлением или другим напряжением, разница возникает из-за дисбаланса заряда.Он может вызвать толчок величиной от нескольких тысяч вольт до одной цифры.

Когда на пьезоэлектрический материал оказывается механическое давление, его центры положительного и отрицательного заряда смещаются, что создает внешнее электрическое поле. Этот процесс представляет собой прямой пьезоэлектрический эффект.

Через год после того, как братья Кюри открыли пьезоэлектрический эффект, Габриэль Липпман обнаружил обратный пьезоэлектрический эффект.Позже братья Кюри экспериментировали с открытием Липпмана и подтвердили его. Вместе трое ученых доказали линейную и обратимую природу пьезоэлектричества.

Принцип гласит, что когда электрическое поле прикладывается к кристаллическому свинцу или другим пьезоэлектрическим материалам, оно слегка деформирует или нарушает их. Другими словами, электрический ток заставляет атомы в материале колебаться вперед и назад, и этот процесс называется обратным (иногда обратным) пьезоэлектрическим эффектом.Пьезоэлектрический эффект отменяется приложением электрического напряжения для сжатия кристалла, а обратный пьезоэлектрический эффект затем преобразует электрическую энергию в механическую.

Обратный пьезоэффект помогает в разработке оборудования, излучающего акустические звуковые волны, такого как динамики и зуммеры. Технология обеспечивает ультратонкий профиль, который подходит для таких технологий, как телефоны, медицинские ультразвуковые и гидролокаторные преобразователи, а также двигатели и исполнительные механизмы.

Все пьезоэлектрические материалы не электропроводны и могут быть отнесены к одной из двух категорий: кристаллы или керамика. Технически они известны как материалы, способные производить электричество, когда к ним прикладывается механическое давление, чтобы нарушить внутренний заряд, или когда они подвергаются внешнему воздействию электричества для создания внутреннего заряда.

Пьезоэлектрические свойства отмечены во многих видах материалов природного происхождения :

— Янтарь
— Берлинит
— Кость и сухожилие (сухие)
— Кристаллы
— Сахар тростниковый
— Эмаль
— Кварц
— Рошельская соль
— шелк
— Топаз
— Турмалин
— Дерево

Существует около 20 классов кристаллических материалов с пьезоэлектрическими свойствами.Термин «кристалл» в некоторых случаях вызывает изображения мерцающих разноцветных камней, которые можно найти в сувенирном магазине, хотя на самом деле кристаллами можно считать многие типы материалов. Научное определение этого — любые твердые материалы с упорядоченными атомами или молекулами, основанными на бесконечном повторении одного и того же строительного блока или элементарной ячейки.

Другие характеристики пьезоэлектрических материалов частично отражают их химические свойства.Их атомная структура несимметрична, и они электрически нейтральны с положительным и отрицательным зарядом, которые нейтрализуют друг друга и находятся в идеальном равновесии, пока не будут нарушены.

Хотя многие природные материалы все еще используются сейчас, в современном обществе гораздо чаще используются искусственные материалы, в том числе кристаллы и керамика, для создания пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрические керамические материалы связаны ионами и содержат положительные и отрицательные заряды. При приложении напряжения ионы внутри материала перемещаются, что приводит к возникновению электрического диполя или поляризации.

Титанат бария и ниобат лития — это некоторые из синтетических материалов, которые, как было доказано, обладают большей производительностью для выработки электроэнергии, чем большинство природных материалов. Ученые обычно создают PZT, используя свинец, цирконий, высокие температуры и химическое соединение титанат, хотя стоит отметить, что в настоящее время предпринимаются многочисленные усилия по созданию бессвинцовой пьезоэлектрической технологии.

Материалы используются в таких изделиях, как ультразвуковые преобразователи, керамические конденсаторы, датчики и исполнительные механизмы.Титанат бария — это сегнетоэлектрический керамический материал, обладающий пьезоэлектрическими свойствами, и дольше использовались только кристаллы. Ниобат лития — аналогичная сегнетоэлектрическая керамика, обладающая пьезоэлектрическими свойствами и сделанная из соединения, которое включает кислород, литий и ниобий.

Пьезоэлектрическая техника может быть как автономно работающим устройством, так и частью устройства. В обоих случаях пьезоэффект применим к почти бесконечному списку из продуктов , многие из которых являются рабочими лошадками отрасли:

— Приводы
— Бытовая техника
— Преобразователи звукового тона
— Зуммеры
— Сотовые телефоны
— Часы
— Компьютеры
— Драйверы
— Гидрофоны
— Грили
— Медицинские инструменты
— Микрофоны
— Микроскопы
— Моторы
— Духовки
— Датчики давления
— Инструменты научные
— Датчики (много разновидностей)
— Динамики
— Эхолот
— Водонагреватели
— Наручные часы

Пьезоэлектрические приводы, например, можно найти в брайлевских или вязальных машинах, сотовых телефонах и видеокамерах, потому что они хорошо подходят для сверхточного механизма автофокусировки.Будильники и аналогичные устройства, издающие простые качественные звуки, обычно содержат пьезоэлектрические динамики. Пьезодрайверы могут преобразовывать энергию низкого напряжения в мощность более высокого напряжения для пьезоэлектрических устройств.

Обратный пьезоэлектрический эффект часто используется для создания искры для зажигания таких приборов, как гриль, комнатные обогреватели и контрольная лампа водонагревателей. В часах часто используется прямое пьезоэлектричество природных кристаллов, поскольку они имеют частоты, способствующие сохранению точного времени.Например, компьютеры обычно используют кварцевые часы для систематизации данных.

В микрофонах и проигрывателях пьезоэлектрические кристаллы обычно представляют собой механизм, который улавливает звуковую энергию и передает ее компоненту, который транслирует сигналы и производит звук, который мы слышим и понимаем. Пьезоэлектрическая технология управляет струйными головками во многих типах принтеров, и есть все виды патентов, ожидающих совершенствования существующих технологий.

Другие возможные разработки в будущем пьезоэлектрической технологии включают носимый монитор сердечного ритма, нагреватели пальцев ног для предотвращения обморожения и преобразователи для использования энергии океанских волн.

APC International предлагает богатый опыт работы с пьезоэлектриками, накопленный за десятилетия работы с этой технологией. Мы ориентируемся на обслуживание клиентов и отношения с такими вещами, как бесплатная оценка и опытные консультанты, которые слушают и делятся знаниями.

Мы производим как отдельные продукты, так и различные компоненты продукта. Мы разрабатываем и внедряем решения для многих видов бизнеса во многих отраслях.Наша аббревиатура относится к тем временам, когда APC была известна как американская компания Piezo Ceramic.

Наши ученые и инженеры разрабатывают прецизионные пьезоэлектрические решения с использованием керамической технологии, и эти решения охватывают значительный диапазон. Например, APC International предоставляет клиентам по всему миру услуги по проектированию, оборудованию, прессованию, огню и изготовлению электродов по индивидуальному заказу. Мы участвуем в долгосрочном решении с вопросами, настройками и периодическими обновлениями.

У нас есть возможность сопровождать клиентов с первого этапа, когда они понимают, что решение или улучшение необходимо, до тех пор, пока они не реализовали его и не начали получать от него пользу.Не стесняйтесь сообщить нам, как мы можем помочь вам использовать пьезоэффект для создания преимуществ для вашего бизнеса.

Основы пьезо | CTS

Это руководство представляет собой введение в основы пьезоэлектричества. Это включает введение в природу пьезоэлектричества и описание двух основных семейств пьезокерамических материалов (твердолегированных и мягколегированных).В этом руководстве вы также познакомитесь с основными уравнениями, а также со свойствами пьезокерамического материала в сильном поле. Вы также найдете описание тепловых свойств пьезокерамического материала, а также обзор, который поможет вам выбрать керамический материал.

Природа пьезоэлектричества

Пьезоэлектрический эффект был открыт Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Первым наблюдением было появление диэлектрического заряда на кристалле, пропорционального приложенному механическому напряжению.Вскоре после этого был обнаружен обратный эффект — геометрическая деформация кристалла, пропорциональная приложенному электрическому полю.

Основы пьезоэлектрических материалов

Пьезоэлектричество — это свойство некоторых материалов накапливать электрический заряд на своей поверхности, когда на них действует механическое напряжение. Приложенное электрическое поле вызывает в этих материалах линейно пропорциональную деформацию. Электрический отклик на механическую стимуляцию называется прямым пьезоэлектрическим эффектом, а механический отклик на электрическое моделирование — обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрические материалы разные

Пьезоэлектрический эффект проявляется в большинстве материалов с нецентросимметричной кристаллической структурой. Некоторые встречающиеся в природе кристаллические материалы, обладающие этими свойствами, — это кварц и турмалин. Некоторые искусственно созданные пьезоэлектрические кристаллы представляют собой соль Рошеля, дигидрофосфат аммония и сульфат лития. Другой класс материалов, обладающих такими свойствами, — это пьезокерамика.

В отличие от природных пьезокристаллов, пьезокерамика имеет «поликристаллическую» структуру.Наиболее часто производимая пьезокерамика — это цирконат-титанат свинца (PZT), титанат бария и титанат свинца. Поликристаллические керамические материалы имеют ряд преимуществ перед монокристаллическими пьезоэлектрическими материалами, включая простоту изготовления и формовки различных форм и размеров. Напротив, монокристаллы необходимо разрезать по определенным кристаллографическим направлениям, ограничивая возможные геометрические формы, но предлагая превосходные пьезоэлектрические свойства, за исключением температур Кюри и фазовых переходов.

Загрузите наш список пьезоэлектрических материалов CTS

Кристаллическая структура PZT

PZT имеет кристаллическую структуру, принадлежащую к семейству перовскитов с общей формулой AB0 ₃. На следующем рисунке показана идеальная кубическая структура перовскита. Кристаллиты PZT являются центросимметричными кубическими (изотропными) выше температуры Кюри и демонстрируют тетрагональную симметрию (анизотропную структуру) ниже температуры Кюри.

Процесс опроса

Пьезоэлектрическая керамика состоит из зерен (кристаллитов), каждое из которых содержит домены, которые до полирования ориентированы случайным образом, как показано на левом рисунке ниже. В результате чистая поляризация материала равна нулю, и поэтому керамика не проявляет пьезоэлектрических свойств. Во время процесса полирования прикладывается соответствующее электрическое поле постоянного тока, и это приложенное электрическое поле ориентирует домены в направлении электрического поля (как показано на среднем рисунке ниже) и приводит к остаточной поляризации материала (как показано на правом рисунке ниже). .

Процесс опроса PZT

Твердый и мягкий пьезокерамический материал

Хотя сегодня доступно несколько типов пьезоэлектрических керамических материалов, большинство из них можно отнести к одной из двух общих категорий: «твердые» или «мягкие» материалы PZT. Структура перовскита очень устойчива к замещению элементов (легированию) — поэтому используются термины «жесткий» и «мягкий». Даже небольшое количество легирующей примеси (~ 1%) может вызвать существенные изменения свойств материала.

Характеристики твердого пьезокерамического материала

Твердая пьезокерамика имеет более высокую механическую добротность и подходит для динамических / резонансных применений. Поскольку более высокий механический коэффициент качества обеспечивает более эффективное преобразование энергии (из электрической в рабочую), твердые материалы могут выдерживать высокий уровень электрического возбуждения и механических нагрузок, выделяют меньше тепла во время этого процесса и их нелегко полюсить или удалить, за исключением повышенной температуры. По сравнению с мягкими пьезоэлектрическими материалами твердые пьезоэлектрические материалы не подвержены деформации из-за более низких коэффициентов d.

Характеристики мягкого пьезокерамического материала

Мягкая пьезокерамика имеет более высокие пьезоэлектрические коэффициенты по сравнению с твердой пьезокерамикой за счет добротности. Мягкая пьезокерамика также обеспечивает более высокую чувствительность и диэлектрическую проницаемость и хорошо подходит для статических или полустатических приложений, где требуется большая деформация. Мягкая пьезокерамика при работе в динамическом режиме в сильном поле страдает высокими диэлектрическими потерями и низкими показателями качества, что может привести к перегреву в течение длительного периода эксплуатации.

Ниже приведено сравнение характеристик твердого и мягкого легированного пьезокерамического материала.

Тип керамики	Мягкий пьезокерамический материал	Твердый пьезокерамический материал
Пьезоконстанты (деформация в статике)	Высокая	Низкий
Диэлектрическая проницаемость (емкость)	Высокая	Низкий
Диэлектрические потери (самонагревание)	Высокая	Низкий
Коэрцитивное поле (деполяризация)	Низкий	Высокая
Факторы качества (деформация при резонансе)	Низкий	Высокая

Основные уравнения

Из-за анизотропной природы пьезокерамики свойства меняются в зависимости от направления.Для определения направлений в пьезоэлектрическом керамическом элементе используется определенная система координат. Определены три оси, называемые 1, 2 и 3, аналогично X, Y и Z классического трехмерного ортогонального набора осей.

Пьезоэлектрические коэффициенты и направления

Полярная или 3-х осевая определяется направлением опроса. Если компонент не должен использоваться в режиме сдвига, электрическое поле прикладывается в направлении 3. Направления 1 и 2 физически эквивалентны, поэтому их можно определять произвольно, перпендикулярно направлению 3 и друг другу.Направления, обозначенные 4, 5 и 6, соответствуют наклонным (касательным) движениям вокруг осей 1, 2 и 3 соответственно.

В режиме сдвига, после полирования, электроды снимаются и повторно размещаются перпендикулярно оси 1. В этом случае при приложении электрического поля компонент сдвигается в одном измерении без каких-либо изменений в других измерениях.

Пьезоэлектрические материалы можно характеризовать несколькими коэффициентами. Пьезоэлектрические коэффициенты с двойными индексами связывают электрические и механические величины.Первый индекс указывает направление электрического поля или производимого диэлектрического заряда. Второй индекс указывает направление механического напряжения или деформации.

Пьезоэлектрические постоянные, относящиеся к механической деформации, создаваемой приложенным электрическим полем, называются константами пьезоэлектрической деформации или коэффициентами «d». Они выражаются в метрах на вольт [м / В]. И наоборот, эти коэффициенты, которые также называют константами пьезоэлектрического заряда, можно рассматривать как связывающие заряд, накопленный на электродах, с приложенным механическим напряжением.Таким образом, единицы измерения также могут быть выражены в кулонах на ньютон [C / N].

Кроме того, некоторые константы пьезоэлектрического материала могут быть записаны с «надстрочным индексом», который указывает либо механическое, либо электрическое граничное условие. Верхние индексы — T, E, D и S, означающие:

T = постоянное напряжение = не механически
E = постоянное поле = короткое замыкание
D = постоянное электрическое смещение = обрыв цепи
S = постоянная деформация = механический зажим

Вот три примера параметров, используемых в пьезоэлектрических уравнениях, вместе с объяснением их обозначений:

Основные пьезоэлектрические уравнения

Существуют разные способы записи основных уравнений пьезоэлектрических материалов в зависимости от того, какие переменные представляют интерес.Две наиболее распространенные формы (верхний индекс t означает транспонирование матрицы):

Эти матричные отношения широко используются для моделирования методом конечных элементов. Для аналитических подходов, как правило, полезны только некоторые из соотношений, поэтому проблему можно еще больше упростить. Например, это соотношение, извлеченное из строки 3 первого матричного уравнения, описывает деформацию в направлении 3 как функцию напряжения и поля.

Как и любой другой эластичный материал, деформация пропорциональна приложенному напряжению.Но в дополнение к пьезоэлектрическим материалам присутствует дополнительный пьезоэлектрический член, который также связывает деформацию с электрическим полем.

Ограничения линейных материальных уравнений

Есть ряд ограничений линейных материальных уравнений. Пьезоэлектрический эффект на самом деле нелинейный по своей природе из-за гистерезиса и ползучести.

Кроме того, динамика материала не описывается линейными материальными уравнениями. Пьезоэлектрические коэффициенты зависят от температуры.Пьезоэлектрические коэффициенты сильно зависят от электрического поля.

Свойства пьезокерамического материала в сильном поле

Пьезоэлектрические материалы проявляют нелинейность, гистерезис и ползучесть. В этом разделе представлены типичные данные о материалах, чтобы понять и компенсировать эти эффекты.

Линейность: приводы (индивидуальные и многослойные многослойные) и гибочные машины

Зависимость хода от приложенного напряжения для пьезоэлектрических приводов не является абсолютно линейной, как предсказывают пьезоэлектрические уравнения.Типичные характеристики показаны на следующих рисунках. Как можно видеть, кривая растяжения в зависимости от напряжения на самом деле имеет слегка S-образную форму. При низком напряжении кривая увеличения напряжения вогнутая вверх, а форма близка к квадратичной.

В приведенном ниже примере показано смещение во время зарядки привода с использованием пьезоэлектрического материала NCE57. Кривые с более высоким разрешением можно найти в разделе «гистерезис». Нелинейность означает, что ход при 1 кВ / мм меньше, чем ожидалось из линейной экстраполяции с использованием хода при максимальном рекомендованном поле (что соответствует 3 кВ / мм).

Нелинейность для NCE51

Данные материала с очень высоким электрическим полем: приводы (индивидуальные и многослойные) и гибочные машины

В некоторых приложениях желательно архивировать максимальную деформацию пьезоэлемента только путем приложения очень сильного электрического поля. В некоторых случаях может быть превышена максимальная рекомендуемая напряженность поля 3 кВ / мм, например, для краткосрочного использования или статических приложений. Обычно приемлемо рабочее поле 4 кВ / мм, однако рекомендуется тестирование.

На рисунке ниже показано, как напряжение изменяется с электрическим полем для наших различных материалов до максимальной напряженности электрического поля 9 кВ / мм. Недостатком приложения очень сильного электрического поля является резкое сокращение срока службы привода.

Данные на рисунке носят исключительно информативный характер, и мы рекомендуем связаться с нашим отделом НИОКР перед проектированием приводов, работающих в очень сильном электрическом поле.

Зависимость деформации от электрического поля для пьезоэлектрических материалов NCE46, NCE51F, NCE57 и NCE59

Линейность: срезные пластины

Зависимость между размахом хода и пиковым приложенным напряжением для срезных пластин не является линейной.Типичные размеры показаны на следующем рисунке. Как можно видеть, смещение увеличивается, когда привод используется близко к максимальному рекомендованному напряжению.

Полиномиальный тренд следует экспериментальному соотношению. Где d — смещение, t — высота привода, а E — приложенное электрическое поле (напряжение / высота):

Гистерезис: приводы (индивидуальные и многоуровневые) и гибочные машины

Все пьезоэлектрические материалы демонстрируют механический гистерезис, поскольку напряжение не следует по одной и той же дорожке при зарядке и разрядке.Гистерезис выражается как максимальная разница между двумя дорожками, деленная на максимальную деформацию, как показано на рисунке ниже. Гистерезис имеет тенденцию уменьшаться с возрастом. Если гистерезис является проблемой для конкретного приложения, для его компенсации обычно используют компенсацию на основе модели или контур обратной связи. Сигнал обратной связи может быть положительным, силовым или диэлектрическим.

Рисунок, показывающий принципиальную взаимосвязь между деформацией и напряженностью электрического поля

Связь для четырех различных материалов

Гистерезис зависит от типа керамики и амплитуды входного сигнала и может варьироваться от 13% до 20%.

Материал	Гистерезис (%)
NCE46	20
NCE51 / 51F	19
NCE57	19
NCE59	13

На приводах гибки присутствует такой же гистерезис. Однако из-за двухтактной конфигурации он имеет симметричную форму.

Гистерезис: срезные пластины

Из-за своей высокой нелинейности срезные пластины имеют гораздо более высокий гистерезис, чем приводы других типов.Гистерезис при полной амплитуде напряжения составляет порядка 35%. Уменьшение амплитуды напряжения уменьшит гистерезис.

Смещение в зависимости от напряжения для срезной пластины

Работа при обратном смещении: приводы (индивидуальные и многоярусные) и гибочные машины

В дополнение к нормальной кривой гистерезиса AB, когда приложенное напряжение положительно, диаграмма «бабочка» CDEFG определяет поведение материала через полный цикл положительных и отрицательных рабочих электрических полей.Отрицательные электрические поля создают отрицательную деформацию вдоль кривой C до тех пор, пока поле деполяции (коэрцитивное поле), где расширение внезапно становится положительным, следуя кривой D. Процесс повторяется вдоль кривых EFG, когда электрическое поле снова становится положительным. Диаграмма «бабочка» дает полную характеристику процесса деполирования и реполинга.

Большинство твердых пьезоэлектрических материалов могут быть полностью поляризованы или сняты только при повышенных температурах, поэтому после полюса они могут без труда выдерживать сильные обратные поля.

Мы не рекомендуем работу в обратном поле для квазистатических приводов. Однако в некоторых случаях это может вызвать дополнительную нагрузку. К недостаткам можно отнести меньшую линейность, повышенный гистерезис и потери. Кроме того, необходимо контролировать температуру, поскольку коэрцитивное поле изменяется в зависимости от температуры (см. «Тепловые свойства»).

Мягкие пьезоэлектрические материалы легко снимаются под действием электрического поля, противоположного направлению поляризации. Эффект чередования положительных и отрицательных напряжений для различных пьезоэлектрических материалов показан на следующих рисунках:

Принцип деформации vs.электрическое поле

Зависимость деформации от электрического поля для NCE46

Зависимость деформации от электрического поля для NCE51

Зависимость деформации от электрического поля для NCE57

Зависимость деформации от электрического поля для NCE59

Ползучесть

Пьезоэлектрические материалы проявляют эффект ползучести, то есть материал продолжает расширяться в течение некоторого времени при приложении напряжения. Соответственно, материал не сразу возвращается к исходному уровню деформации после возврата к 0 В. Во время ползучести материал продолжает накапливать заряд на очень низком уровне.Эффект ползучести для различных материалов привода сравнивается на следующем рисунке, где максимальное электрическое поле устанавливается через 1 с, что соответствует базовой линии смещения (относительное смещение = 1).

Ползучесть всегда происходит в том же направлении, что и изменение размеров, вызванное скачком напряжения. Эффект является логарифмическим, поэтому дополнительное расширение между 10 и 100 будет аналогично расширению, полученному между 1 и 10 с. Для линейных / многоярусных приводов типичные значения составляют 4% за декаду при использовании пьезоэлектрического материала NCE51 / 51F и 9% за декаду при использовании NCE46.Для гибочных приводов значения в 2-3 раза выше. Ползучесть связана с длительным средним значением, которое привод испытывал за свой срок службы.

Ползучесть для NCE46, NCE51, NCE57 и NCE59

Тепловые свойства пьезокерамического материала

На электрические и пьезоэлектрические свойства влияют колебания температуры. На каждый пьезоэлектрический материал по-разному влияют изменения температуры в зависимости от способа производства и химического состава материала.

Максимальная температура

Пьезоэлектрические материалы следует использовать при температуре ниже Кюри, чтобы избежать деполирования. Эмпирическое правило — половина температуры Кюри. Если температура повысится до температуры, близкой к температуре Кюри или выше, это приведет к частичному или полному обезвоживанию пьезоэлектрического материала и серьезному ухудшению характеристик. Для приложений, требующих работы при повышенной температуре, следует выбирать материал с достаточно высокой температурой Кюри.Максимальные рекомендуемые рабочие температуры указаны для каждого продукта. Важно контролировать температуру, особенно для динамических приложений, где компонент может нагреваться во время работы из-за внутреннего рассеивания.

Минимальная температура

Наши многослойные продукты могут использоваться при криогенных температурах и были продемонстрированы до 4 мК. Для этих применений требуется специальная подготовка (проволока, клей и т. Д.).

Механические и электрические свойства пьезокерамики значительно ухудшаются при криогенных температурах.Когда пьезоэлектрические приводы охлаждаются до криогенных температур, пьезокерамика ведет себя как очень твердый пьезоэлектрический материал с такими характеристиками:

Сильное уменьшение электрической емкости
Снижение коэффициента потерь
Пониженные коэффициенты деформации d33 и d31
Значительное улучшение коэрцитивного поля.

Улучшение коэрцитивного поля при низкой температуре позволяет пьезоэлектрическому актуатору стать чрезвычайно устойчивым к электрическому деполу.Следовательно, возможен гораздо более широкий биполярный режим по сравнению с комнатной температурой. Таким образом, падение коэффициента деформации при низких температурах можно частично компенсировать.

Ниже приведен пример криогенных измерений при двух разных температурах, показывающий взаимосвязь между ходом (смещением) и напряжением. Как видно, ход при 77 К уменьшается примерно вдвое от значения при комнатной температуре. Из-за сильного увеличения коэрцитивного поля можно также наблюдать, что исполнительный механизм демонстрирует довольно линейную характеристику смещения напряжения при отрицательном напряжении.Пьезоэлектрический привод становится чрезвычайно устойчивым к электрическому срыву, а потеря хода при низкой температуре может быть частично компенсирована за счет использования широкого биполярного режима.

Более проблематичным параметром является коэффициент теплового расширения керамики, который необходимо учитывать при проектировании устройств, в которых пьезоэлектрические приводы будут частью композитной конструкции, а другие элементы конструкций — это, например, металлы. Коэффициент теплового расширения керамики аналогичен многим керамикам и стеклам и обычно находится в диапазоне от 10 ^-5 метр / метр ° C до 10 ^-6 метр / метр ° C.Основное отличие от обычных материалов состоит в том, что коэффициент теплового расширения анизотропен по отношению к направлению полирования.

Пример криогенных измерений при двух разных температурах

Изменение максимального смещения в зависимости от температуры

Как выбрать пьезокерамический материал

В таблице ниже дается обзор характеристик двух различных пьезокерамических материалов.

	Мягкий пьезокерамический материал (NCE56)	Мягкий пьезокерамический материал (NCE51)	Твердый пьезокерамический материал (NCE46)
Высокая деформация (статическое или полустатическое применение)	++	++	–
Низкий гистерезис	+	–	–
Низкий эффект ползучести	+	–	— —
Низкая диэлектрическая проницаемость (низкая емкость)	–	+	++
Высокая механическая добротность (применение резонансной частоты)	–	–	++
Низкий коэффициент рассеяния диэлектрика (низкий самонагрев)	–	–	++
Применение при высоких температурах	–	++	++

Диапазон значений от — до ++, где — низкий, а ++ высокий.

Дополнительная информация о пьезокерамике?

Если вам нужна помощь в выборе подходящего пьезокерамического материала для вашего применения или вам нужна дополнительная информация, обратитесь в отдел продаж.

Электричество и магнетизм — пьезоэлектричество | Характеристики тонкой керамики | Мир Fine Ceramics

Некоторые изделия из тонкой керамики (также известные как «продвинутая керамика») обладают уникальным свойством, позволяющим им преобразовывать механические удары или вибрацию в электрические сигналы и наоборот.Эти материалы, называемые пьезокерамикой, используются в самых разных изделиях. Одним из примеров является горелка плиты, используемая в типичной кухонной газовой плите, которая зажигается путем преобразования механического удара в электрическую дугу, которая зажигает газ. Щелкающий звук, который вы слышите при повороте диска управления, — это звук удара по пьезоэлектрической керамике, который вызывает необходимый механический удар. Некоторые зажигалки также используют этот механизм.

Области применения : Пьезоэлектрические устройства розжига, предназначенные для зажигания газовых горелок и пьезоэлектрических элементов.

Описание

Пьезоэлектричество

Пьезоэлектричество, также называемое пьезо, — это способность превращать электричество в мощность. Пьезоэлектрические материалы проявляют как прямой, так и обратный пьезоэлектрический эффект. Прямой эффект производит электрический заряд, когда к материалу прикладывается механическая вибрация или удар, тогда как обратный эффект создает механическую вибрацию или сотрясение при приложении электричества.
Пьезоэлектрические вещества — это поликристаллические материалы, состоящие из цирконата-титаната свинца или PZT.Свинец (Pb), цирконий (Zr) и титан (Ti) комбинируются с добавками для достижения желаемых уровней производительности. Компонент PZT обладает уникальной способностью генерировать вибрации в зависимости от своей формы при приложении электричества и генерировать электричество при воздействии механической вибрации или ударов.

Термин «тонкая керамика» взаимозаменяем с терминами «современная керамика», «техническая керамика» и «техническая керамика». Использование зависит от региона и отрасли.

Характеристики тонкой керамики

Люди, которые читают эту страницу, также читают.

Если вы хотите использовать керамику в бизнесе, нажмите здесь.

Продукция Kyocera’s Fine Ceramics (Все указанные ниже веб-сайты открываются в отдельном окне.)

Категория продукта

Поиск по материалу

Поиск по объекту / характеристике

Пьезоэлектрический эффект: работа, примеры, типы и применение

Мы можем использовать многие материалы, такие как тростниковый сахар, кварц, соль Рошель и другие, не зная, что именно они и какие преимущества.Но сегодня эта статья ясно объясняет вам эти материалы, потому что это пьезоэлектрические материалы, и в их развитии появился пьезоэлектрический эффект. Впервые этот эффект был замечен Жаком Кюри и Пьером в 1880 году. Зная, что они знают о пироэлектричестве, кристаллических структурах и характеристиках, они изобрели пьезоэлектрический эффект. Итак, давайте углубимся в концепцию пьезоэлектрического эффекта, его работу, приложения и другие.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Определение: Определение пьезоэлектрического эффекта определяется как изменение электрической поляризации материала при приложении механического давления.Электрическая поляризация соответствует изменению положительных и отрицательных зарядов, создающих периферийное электрическое поле. Приложенная сила в материале создает развитие разности потенциалов в материалах. Эта концепция даже называется прямым пьезоэлектрическим эффектом . Такие композитные материалы, как цирконат, титанат свинца и ниобат лития, являются материалами, демонстрирующими сильный пьезоэлектрический эффект, так что это лучший пример.

пьезоэффект

Следует отметить исключительный сценарий, заключающийся в том, что этот эффект обратим, что означает, что результатом будут электрические деформации в материале при приложении электрического поля.Это называется обратным пьезоэлектрическим эффектом .

Это можно наблюдать в основном в кристалле кварца, потому что эти материалы являются лучшим применением этого эффекта. Пьезоэлектрический эффект в кристалле объясняется тем, что на металлических поверхностях будут возникать электрические заряды, когда к пьезоэлектрическому кристаллу прикладывается определенное давление или напряжение. Развиваемый заряд прямо пропорционален приложенному напряжению, и заряд может быть преобразован в напряжение с помощью усилителей заряда, а выходная мощность обозначена как

В = -кв / с

Где «V» — результирующий уровень напряжения

‘q’ — электрический заряд

Пьезодрайверы

Эти драйверы используются для включения пьезоэлектрических машин для преобразования минимальных напряжений в максимальные.Входными сигналами являются сигналы низкого напряжения, а на выходе с помощью усилителей — сигналы высокого напряжения. Принципиальная схема приведена ниже:

пьезодвигатель

Обратный пьезоэлектрический принцип

Это работает точно так же, как прямой пьезоэлектрический эффект, когда приложение электрического напряжения создает соответствующие механические деформации в пьезоматериалах, где деформация соответствует сжатию или расширению в размерах материала.Это можно просто объяснить как преобразование электричества в механическую энергию. Немногие из устройств, которые работают по этому принципу, — это акустические колонки, зуммеры, исполнительные механизмы и двигатели.

Материалы для пьезоэлектрического эффекта

Материалы с пьезоэлектрическим эффектом — это материалы, которые могут генерировать электричество при приложении силы или давления, а также может возникать обратный эффект. Пьезоэлектрические материалы имеют непроводящую природу, и их можно разделить на керамику и кристаллы.Некоторые примеры, генерирующие пьезоэлектрический эффект:

титанат бария
Ниобат лития
Цирконат титанат свинца, также называемый PZT

Эти искусственно созданные материалы обеспечивают точные результаты, их удобнее использовать. Существуют и другие природные материалы.

Искусственные материалы подразделяются на пять типов: керамика, полимеры, тонкие пленки, аналоги кварца и композиты.

При сравнении кварца и цирконата-титаната свинца PZT обеспечивает повышенное напряжение, пропорциональное приложенной силе.Точно так же при приложении напряжения будет происходить равное движение материала. Обычно это применяется в керамических конденсаторах, исполнительных механизмах, преобразователях и датчиках.

Другой материал — титанат бария — это разновидность сегнетоэлектрического керамического материала, имеющего пьезоэлектрические характеристики. А ниобат лития — это материал, состоящий из лития, кислорода и ниобия. Это также сегнетоэлектрический керамический материал, обладающий пьезоэлектрическими характеристиками.

В наши дни многие учебные заведения включают множество проектов по пьезоэлектрическому эффекту в своей учебной программе, потому что существует множество приложений, использующих этот эффект.

Пьезоэлектрический эффект Ультразвук

Пьезоэлектрические материалы также обладают способностью генерировать ультразвук и способностью создавать и обнаруживать ультразвуковые волны. При применении этого эффекта носители электрического заряда будут двигаться, и это приводит к изменению макроскопической длины. При приложении переменного напряжения частицы начинают вибрировать. Также могут иметь место колебания давления. В то время как разреженные частицы имеют тенденцию к снижению уровней давления, а сжатие приводит к увеличению уровней давления.Таким образом, длина звуковой волны определяет расстояние, которое существует между местами сжатия и разрежения. Выходной сигнал будет распространяться в среде, а скорость сигнала зависит от упругих свойств и плотности среды.

Применение пьезоэлектрического эффекта

Пьезоэлектрический эффект находит широкое применение во многих отраслях промышленности, и некоторые из них будут обсуждаться в:

Датчики

Эти устройства работают по принципу, согласно которому механическая деформация изменяется на давление и действует на две противоположные силы чувствительного компонента.Обнаружение изменений давления во время звука — это обычное применение датчиков, которые можно наблюдать в гитарах и микрофонах с пьезоэлектрическим усилителем.

Акустический

В акустических преобразователях используются пьезоэлектрические материалы для создания звуковых сигналов. Под воздействием флуктуирующего электрического поля будет возникать разрежение и сжатие, что приведет к созданию звука. Эту функциональность можно наблюдать в устройствах сонарных преобразователей, небольших динамиков, преобразователей Tonpilz, струйных принтеров, дизельных двигателей, топливных форсунок и громкоговорителей.

Стандарт частоты

В кварцевых часах используется кварцевый генератор, изготовленный из кристалла кварца, который работает как с прямым, так и с обратным пьезоэлектрическим эффектом. Выход этих устройств представляет собой последовательность электрических импульсов, которые используются для отметки времени. Аналогичная операция используется в радиоприемниках и радиопередатчиках.

Медицинский

Люди, у которых возникли проблемы с оплодотворением, могут использовать пьезоэлектрическую стимуляцию ооцитов вместе с внутрицитоплазматической инъекцией сперматозоидов, где эта процедура может повысить шансы на результаты оплодотворения.

Кроме того, пьезохирургия — это минимальная операция, используемая для разрезания ткани, не оказывающей воздействия на соседние ткани. А другие медицинские приложения — это ультразвуковая визуализация и ультразвуковые процедуры.

Часто задаваемые вопросы

1). Что такое пьезоэлектрический эффект в ультразвуке?

Операция преобразования кинетической энергии в механическую также работает в ультразвуковых преобразователях, и это преобразование создает звуковые волны.

2). Кто открыл пьезоэлектрический эффект?

Этот эффект был впервые обнаружен Полем Жаком Кюри и Пьером в 1880 году при работе с кристаллами Рошельской соли, кварца и турмалина.

3). Может ли пьезоэлектрик заряжать аккумулятор?

При приложении силы или давления к пьезоэлектрическому кристаллу металлические пластины собирают заряды и вырабатывают напряжение. Итак, это можно использовать как аккумулятор.

4). Что вызывает пьезоэлектрический эффект?

Этот эффект возникает, когда зарядовое равновесие в кристаллической матрице претерпевает какие-либо изменения.

5). Что такое обратный пьезоэлектрический эффект?

Этот эффект может быть создан путем приложения электрического заряда к пьезоэлектрическому материалу, где это создает деформацию (сжатие или расширение) материала.Итак, здесь электрическая энергия преобразуется в механическую.

Итак, в этой статье представлен обзор того, как развивается пьезоэлектрический эффект, материалы, которые создают пьезоэлектрический эффект, типы материалов и примеры. Благодаря непрерывному развитию и развитию эти материалы показывают передовые возможности применения и могут быть использованы в различных областях и отраслях промышленности.