Пьезоэлектрический эффект: принцип работы, свойства и применение

Что такое пьезоэлектрический эффект. Как работает прямой и обратный пьезоэффект. Какие материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами. Где применяется пьезоэлектричество в современной технике.

Что такое пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект — это способность некоторых материалов генерировать электрический заряд при механическом воздействии (сжатии или растяжении). Название происходит от греческого слова «пьезо», что означает «давить».

Это явление было открыто братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году при проведении экспериментов с кристаллами кварца. Ученые обнаружили, что при сжатии кристалла на его гранях появляются электрические заряды.

Физическая сущность пьезоэффекта

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии. При деформации таких кристаллов происходит смещение положительных и отрицательных ионов относительно друг друга, что приводит к поляризации кристалла и появлению на его поверхности электрических зарядов.

Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

Различают два вида пьезоэлектрического эффекта:

• Прямой пьезоэффект — возникновение электрических зарядов на поверхности кристалла при его деформации.
• Обратный пьезоэффект — изменение размеров или формы кристалла под действием электрического поля.

Как работает прямой пьезоэффект

При прямом пьезоэффекте механическое воздействие на кристалл вызывает появление на его гранях разноименных электрических зарядов. Величина заряда пропорциональна приложенной силе. Этот эффект используется в различных датчиках и сенсорах.

Принцип действия обратного пьезоэффекта

При обратном пьезоэффекте приложение электрического напряжения к кристаллу приводит к его деформации — растяжению или сжатию. Величина деформации пропорциональна приложенному напряжению. На этом принципе работают пьезоэлектрические актюаторы и преобразователи.

Материалы с пьезоэлектрическими свойствами

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические и керамические материалы. Их можно разделить на несколько основных групп:

Природные пьезоэлектрики

• Кварц
• Турмалин
• Сегнетова соль

Искусственные пьезоэлектрические материалы

• Пьезокерамика (ЦТС, титанат бария)
• Пьезополимеры (ПВДФ)
• Пьезокомпозиты

Искусственные пьезоэлектрики, особенно пьезокерамика, обладают более выраженным пьезоэффектом по сравнению с природными кристаллами.

Основные характеристики пьезоэлектриков

Для оценки свойств пьезоэлектрических материалов используют следующие основные характеристики:

• Пьезоэлектрический модуль — отношение генерируемого заряда к приложенной силе
• Пьезоэлектрическая постоянная — отношение деформации к напряженности электрического поля
• Коэффициент электромеханической связи — характеризует эффективность преобразования энергии
• Диэлектрическая проницаемость
• Температура Кюри — температура, выше которой исчезает пьезоэффект

Применение пьезоэлектрического эффекта

Благодаря своим уникальным свойствам, пьезоэлектрические материалы нашли широкое применение в различных областях техники:

Датчики и сенсоры

• Датчики давления
• Акселерометры
• Микрофоны
• Гидрофоны

Актюаторы и преобразователи

• Ультразвуковые излучатели
• Пьезоэлектрические двигатели
• Пьезозажигалки

Генераторы

• Пьезоэлектрические трансформаторы
• Генераторы высокого напряжения

Резонаторы

• Кварцевые резонаторы для стабилизации частоты
• Фильтры промежуточной частоты

Преимущества и недостатки пьезоэлектрических устройств

Устройства на основе пьезоэлектрического эффекта обладают рядом преимуществ:

• Высокая чувствительность
• Широкий динамический диапазон
• Высокая надежность
• Малые размеры и вес
• Простота конструкции

К недостаткам можно отнести:

• Зависимость характеристик от температуры
• Явление старения (деградация свойств со временем)
• Хрупкость некоторых пьезоэлектрических материалов

Перспективы развития пьезоэлектрических технологий

Развитие пьезоэлектрических технологий идет по нескольким основным направлениям:

• Создание новых пьезоэлектрических материалов с улучшенными характеристиками
• Разработка микро- и наноразмерных пьезоэлектрических устройств
• Применение пьезоэлектриков в системах сбора энергии (energy harvesting)
• Использование пьезоэлектриков в медицинских имплантатах и биосенсорах

Пьезоэлектрические технологии продолжают активно развиваться и находят все новые области применения в современной технике и электронике.

Популярное материаловедение

 

 

Пьезоэлектрический эффект

В1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электрические заряды. В дальнейшем этому явлению было присвоено наименование пироэлектрического эффекта. Ф. Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов на определённых концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом, Ф. Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений.

Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии.

Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля; причём величина механической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект не следует смешивать с явлением электрострикции, т. е. с деформацией диэлектрика под действием электрического поля. При электрострикции между деформацией и полем существует квадратичная зависимость, а при пьезоэффекте — линейная. Кроме того, электрострикция возникает у диэлектрика любой структуры и происходит даже в жидкостях и газах, в то время, как пьезоэлектрический эффект наблюдается только в твёрдых диэлектриках, главным образом, кристаллических.

Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалла сопровождается смещением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т. е. когда она вызывает индивидуальный дипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. В структурах имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричные кристаллы обладают им.

Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и скрытокристаллических диэлектриках (почти изотропных), так как это противоречит их сферической симметрии. Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными под влиянием внешних сил и тем самым частично приобретают свойства одиночных кристаллов. Пьезоэффект возможен также в некоторых видах кристаллических текстур.

До сих пор пьезоэлектрический эффект не находит удовлетворительного количественного описания в рамках современной атомной теории кристаллической решетки. Даже для структур простейшего типа нельзя хотя бы приближённо вычислить порядок пьезоэлектрических постоянных.

В настоящие время разработана феноменологическая теория пьезоэффекта, связывающая деформации и механические напряжения с электрическим полем и поляризацией в кристаллах. Установлена система параметров, определяющих эффективность кристалла как пьезоэлектрика. Пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль) d определяет поляризацию кристалла (или плотность заряда) при заданном приложенном механическом напряжении; пьезоэлектрическая константа определяет механическое, возникающие в зажатом кристалле под действием электрического поля; пьезоэлектрическая постоянная g характеризует электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданном механическом напряжении; и, наконец, пьезоэлектрическая постоянная h определяет электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданной механической деформации. Эти постоянные являются родственными величинами и связанны друг с другом соотношениями, включающими в себя упругие константы и диэлектрическую проницаемость кристаллов, поэтому можно пользоваться любой из них. Наиболее употребителен пьезомодуль d. Пьезоэлектрические постоянные являются тензорами, и поэтому каждый кристалл может иметь несколько независимых пьезомодулей.

В общем виде уравнение прямого пьезоэффекта при воздействии однородного механического напряжения Tr записывается так:

Pi=dirTr,

Где Pi — компонент вектора поляризации; dir — пьезомодуль; Tr — компонент механического напряжения.

Уравнение обратного пьезоэффека записывается так:

Хi=dir*Er,

Где Xi — компонент упругой деформации; Er — компонент напряжённости электрического поля.

Каждый пьезоэлектрик есть электромеханический преобразователь, поэтому важной его характеристикой является коэффициент электромеханической связи r.

Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение энергии, проявляющийся в механической форме для данного типа деформации, к полной электрической энергии, полученной на входе от источника питания.

Во многих случаях пьезоэлектриков существенными являются их упругие свойства, которые описываются модулями упругости C (модулями Юнга Ею) или обратными величинами — упругими постоянными S.

При использовании пьезоэлектрических элементов в качестве резонаторов в некоторых случаях вводят частотный коэффициент, представляющий собой произведение резонансной частоты пьезоэлемента и геометрического размера, определяющего тип колебания. Эта величина пропорциональна скорости звука в направлении распространения упругих волн в пьезоэлементе.

В настоящие время известно много веществ (более 500), обнаруживших пьезоэлектрическую активность. Однако только немногие из них находят практическое применение.

 

Пьезоэлектрики — монокристаллы

Кварц. Кварц — широко распростронённый в природе минерал, ниже температуры 573 по Цельсию кристаллизуется в тригонально-трапецоэдрическом классе гексагональной сингонии. Он принадлежит к энантиоморфному классу и встречается в природе в двух модификациях: правой и левой.

По химическому составу кварц представляет собой безводный диоксид кремния (SiO2) молекулярная масса 60,06.

Кварц относится к числу наиболее твёрдых минералов, обладает высокой химической стойкостью.

Внешние формы природных кристаллов кварца отличаются большим разнообразием. Наиболее обычной формой является комбинация гексагональной призмы и ромбоэдров (пирамидальные грани). Грани призмы расширяются к основанию кристалла и имеют на поверхности горизонтальную штриховку.

Годный для использования в пьезоэлектрической аппаратуре кварц встречается в природе в виде кристаллов, их обломков и окатанных галек. Цвет от бесцветно-прозрачного (горный хрусталь) до чёрного (морион).

Обычно природные кристаллы кварца содержат в себе различные дефекты, снижающие их ценность. К числу дефектов относятся включение инородных минералов (рутил хлорит), трещины, пузыри, фантомы, голубые иглы, свили и двойники.

В настоящее время наряду с природными используются синтетические кристаллы кварца, выращиваемые в автоклавах при повышенных температуре и давлении из насыщенных диоксидом кремния щелочных растворов.

Пьезоэлектрические свойства кварца широко используются в технике для стабилизации и фильтрации радиочастот, генерирования ультразвуковых колебаний и для измерения механических величин (пьезометрия).

Турмалин. Турмалин кристаллизуется в тригонально-пирамидальном классе тригональной сингонии. Кристаллы призматические с продольной штриховкой, удлиненные, часто игольчатой формы.

По химическому составу турмалин представляет собой сложный алюмоборосиликат с примесями магния, железа или щелочных металлов (Na, Li, K).

Цвет от чёрного до зелёного, также красный до разового, реже бесцветный. При трении электризуется, обладает сильным пироэлектрическим эффектом.

Турмалин широко распространён в природе, однако в большинстве случаев кристаллы изобилуют трещинами. Бездефектные кристаллы, годные для пьезоэлектрических резонаторов, встречаются редко.

Основным преимуществом турмалина является большее значение частного коэффициента по сравнению с кварцем. Благодаря этому, а также из-за большей механической прочности турмалина возможно изготовление резонаторов на более высокие частоты.

В настоящее время турмалин почти не используется для изготовления пьезоэлектрических резонаторов и имеет ограниченное применение для измерения гидростатического давления.

Сегнетова соль. Сегнетова соль кристаллизуется в ромботетраэдрическом классе ромбической сингонии. Принадлежность к энантиоморфному классу определяет теоретическую возможность существования правых и левых кристаллов сегнетовой соли. Однако получаемые из отходов виноделия кристаллы сегнетовой соли бывают только правыми.

Для предохранения от воздействия влаги пьезоэлементы из сегнетовой соли покрывают тонкими пленками лака.

Пьезоэлементы из сегнетовой соли широко использовались в аппаратуре, работающей в сравнительно узком температурном интервале, в частности, в звукоснимателях. Однако в настоящее время они почти полностью вытеснены керамическими пьезоэлементами.

Дигидрофосфат аммония. Дигидрофосфат аммония кристаллизуется в тетрагональной сингонии. Кристаллы представляют собой комбинацию тетрагональной пирамиды и призмы.

Кристаллы дигидрофосфата не содержат кристаллизованной воды и не обезвоживаются. При 93% относительной влажности воздуха кристаллы начинают поглощать влагу и растворятся.

Дигидрофосфат аммония плавится при температуре 190 градусов Цельсии, однако выше 100 градусов с поверхности кристалла начинает улетучиваться аммиак. Это ограничивает верхний предел рабочих температур.

В настоящее время вследствие широкого развития пьезоэлектрической керамики применение дигидрофосфата аммония ограничено.

Винокислый калий. Виннокислый калий (условное обозначение ВК) кристаллизуется в монокристаллической сингонии.

Содержащаяся в ВК кристаллизационная вода прочно связанна. Опытным путём установлено, что до температуры 80 градусов обезвоживание не наступает. Заметное растворение ВК начинается при 80% влажности.

Резонаторы из ВК имеют высокие добротности и коэффициента электромеханической связи. Они могут заменять кварц в фильтрах дальней связи.

Ниобат лития. Ниобат лития — синтетический кристалл, кристаллизуется в дитригонально-пирамидальном классе ромбоэдрической сингонии.

Ниобат лития не растворяется в воде, не разлагается при высоких температурах, отличается высокой механической прочностью. По электрическим свойствам он представляет собой сегнетоэлектрик с температурой Кюри около 1200 градусов Цельсия.

Благодаря своим высоким пьезоэлектрическим и механическим свойствам, в том числе и высокой добротности, ниобат лития является перспективным материалом для изготовления преобразователей различного назначения. Тонкие (толщиной около одного микрометра) пленки ниобата лития, получаемые катодным распылением в вакууме, представляют собой ориентированные поликристаллические текстуры, которые могут быть использованы в качестве излучателей и приемников ультразвуковых колебаний СВЧ — диапазона.

 

Поликристаллические пьезоэлектрики.

Пьезоэлектрические текстуры. Текстуры, представляют собой ориентированную определенным образом в пространстве совокупность пьезоэлектрических кристаллов, не имеющую центра симметрии, могут обладать пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэффект в текстурах сегнетовой соли был открыт А. В. Шубниковым; им же были установлены основные закономерности пьезоэффекта в аналогичных средах. Пьезотекстуры сегнетовой соли, получаемые нанесением расплава сегнетовой соли на подложку с помощью кисти, имеют один пьезомодуль d14 сегнетовой соли.

В настоящее время такие текстуры не представляют практического интереса. Наибольшее значение имебт текстуры на основе поляризованной пьезоэлектрической керамики.

Пьезоэлектрическая керамика. Сегнетоэлектрические свойства таких материалов обуславливают возможность пьезоэлектрического эффекта. Под влиянием постоянного электрического поля некоторая часть доменов ориентируется в направлении приложенного поля. После снятия внешнего поля большая часть доменов удерживается в своем новом положении из-за внутреннего поля, которое возникает в результате параллельной ориентации направлений поляризации доменов. Благодаря этому керамика становится полярной текстурой, которая обладает пьезоэффектом.

Керамическая технология изготовления пьезоэлементов не накладывает принципиальных ограничений на их форму и размеры. Эти обстоятельства, а также высокие значения пьезоэлектрических характеристик обусловили широкое применение керамических пьезоэлементов в технике, в особенности в устройствах для излучения и приема ультразвуковых колебаний.

Особенности технологии изготовления керамических пьезоэлементов. Отличительной чертой процесса изготовления пьезокерамических изделий является их поляризация сильным постоянным электрическим полем, которое прикладывается обычно после нанесения электродов на спеченную заготовку, полученную одним из методов керамической технологии.

 

Промышленные пьезокерамические материалы и пьезокерамические — полимеры.

Материалы с различными свойствами подразделяются на марки (по составу и характеристикам) и на функциональные группы (по назначению).

Материалы функциональной группы 1 применяются для изготовления высокочувствительных пьезоэлементов, работающих в режиме приема или излучения механических колебаний. Материалы функциональной группы 2 предназначены для пьезоэлементов, эксплуатирующихся в условиях сильных электрических полей или высоких механических напряжений. Материалы функциональной группы 3 применяются для изготовления пьезоэлементов, обладающих повышенной стабильностью резонансных частот в зависимости от температуры и времени, а функциональной группы 4 — для высокотемпературных пьезоэлементов.

Рассмотрим теперь свойства пьезокерамики различных типов.

Материалы на основе титаната бария. Титанат бария является сегнетоэлектриком. Пьезокерамика титаната бария (ТБ-1) широко применяется для изготовления преобразователей, к которым не предъявляют жесткие требования по температурной и временной стабильности характеристик. Отсутствие в рецептуре титаната бария летучих при обжиге компонентов и простота технолигии изготовления пьезоэлементов делают этот материал по прежнему распространенным в технике.

Материалы на основе тверды растворов титаната — цирконата свинца. Твердые растворы титаната свинцаобладабт очень высокими значениями пьезоэлектрических характеристик. На основе этих твердых растворов были разработаны серии технологических пьезокерамических материалов, условное наименование ЦТС (за рубежом PZT).

Технология изготовления изделий из материалов типа ЦТС усложнена тем, что они содержат в своем составе оксид свинца, который частично улетучивается при высокотемпературном обжиге, что приводит к плохой воспроизводимости свойств. Поэтому обжиг заготовок пьезоэлементов проводят в атмосфере паров оксида свинца, для чего заготовки помещают в плотно закрытые капсели, содержащие засыпку из оксидных соединений свинца. Тем не менее, высокие характеристики этого типа материалов делают их весьма распространенными для изготовления пьезоэлектрических преобразователей различного назначения: для электроакустических приборов, ультразвуковой техники, пьезометрии, а также и некоторых видов радиотехнических фильтров.

Материалы на основе метаниобата свинца. Твердые растворы метаниобатов свинца и бария имеют высокую температуру точки Кюри. Материалы на их основе имебт стабильные в широком температурном интервале значения пьезмодулей и резонансных частот. Технология изготовления изделий из них проще, чем из материалов марки ЦТС, так как входящие в состав ниобатной керамики оксид свинца практически не летуч при обжиге.

Пьезоэлектрики — полимеры. Некоторые полимерные материалы в виде механически ориентированных и поляризованных в электрическом поле пленок являются полярными текстурами, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект. Среди них практический интерес представляет поливинилиденфторид (ПВДФ). При вытяжке пленок из этого полимера на 300…400% они ориентируются с образованием особой конформации, которая после поляризации в сильном электрическом поле приобретает пьезоэлектрический эффект.

 

По материалам сайта www. bestreferat.ru

 

Пьезоэлектрический эффект: свойства и применение

В 19 веке в 1880 году братья Кюри проводили эксперимент, во время которого происходило образование электрического разряда, когда на кварц или другие виды кристаллов оказывалось давление. В дальнейшем это явление стало известно, как пьезоэлектрический эффект. Греческое слово «пьезо» в переводе на русский язык означает сжатие. Некоторое время спустя, те же ученые открыли явление обратного пьезоэлектрического эффекта, представляющего собой механическую деформацию кристалла под действием электрического поля. Данное явление используется в электронных устройствах, где необходимо распознавание и преобразование звуковых сигналов.

Содержание

Физические свойства пьезоэффекта

В ходе исследований было установлено, что пьезоэлектрический эффект присущ кварцу, турмалину и другим кристаллам естественного и искусственного происхождения. Перечень таких материалов постоянно растет. Если любой из этих кристаллов сжать или растянуть в определенном направлении, на отдельных гранях появятся электрические заряды с положительным и отрицательным значением. Разность потенциалов таких зарядов будет незначительной.

Для того чтобы понять природу пьезоэффекта, необходимо соединить электроды между собой и разместить их на гранях кристалла. При кратковременном сжатии или растяжении в цепи, образованной электродами, можно заметить образование короткого электрического импульса. Именно он является электрическим и физическим проявлением пьезоэффекта. Если же кристалл испытывает постоянное давление, в этом случае импульс не появится. Данное свойство кристаллических материалов широко используется при изготовлении точных чувствительных приборов.

Одним из качеств пьезоэлектрических кристаллов является их высокая упругость. По окончании действия деформирующего усилия, эти материалы без всякой инерции принимают свою изначальную форму и объем. Если же прикладывается новое усилие или изменяется приложенное ранее, в этом случае мгновенно образуется еще один токовый импульс. Данное свойство, известное как прямой и обратный пьезоэффект, успешно используется в устройствах, регистрирующих совсем слабые механические колебания.

В самом начале открытия пьезоэффекта решение такой задачи было невозможно из-за слишком незначительной силы тока в колеблющейся кристаллической цепи. В современных условиях ток может быть усилен многократно, а некоторые виды кристаллов имеют довольно высокий пьезоэффект. Ток, полученный от них, не требует дополнительного усиления и свободно передается по проводам на значительные расстояния.

Прямой и обратный пьезоэффект

Все кристаллы, рассмотренные выше, обладают качествами прямого и обратного пьезоэффекта. Данное свойство одновременно присутствует во всех подобных материалах – с моно- и поликристаллической структурой. Обязательным условием является их предварительная поляризация в процессе кристаллизации воздействием сильного электрического поля.

Для того чтобы понять, как действует прямой пьезоэффект, необходимо кристалл или керамический материал расположить между металлическими пластинами. Генерация электрического заряда происходит в результате приложенного механического усилия – сжатия или растяжения.

Величина полной энергии, полученной от внешней механической силы, составит сумму энергий упругой деформации и заряда емкости элемента. Поскольку пьезоэлектрический эффект носит обратимый характер, возникает специфическая реакция. Прямой пьезоэффект приводит к возникновению электрического напряжения, которое в свою очередь, под влиянием обратного эффекта вызывает деформацию и механические напряжения, оказывающие противодействие внешним силам. За счет этого жесткость элемента будет увеличиваться. В случае отсутствия электрического напряжения, обратный пьезоэффект тоже будет отсутствовать, а жесткость пьезоэлемента уменьшится.

Таким образом, обратный пьезоэлектрический эффект заключается в механической деформации материала – расширении или сжатии под действием приложенного к нему напряжения. Данные элементы выполняют функцию своеобразного мини-аккумулятора и применяются в гидролокаторах, микрофонах, датчиках давления, других чувствительных приборах и устройствах. Свойства обратного эффекта широко используются в миниатюрных акустических устройствах мобильных телефонов, в гидроакустических и медицинских ультразвуковых датчиках.

Виды пьезоэлектрических материалов

Основным свойством таких материалов является возможность получения электроэнергии за счет сжатия или растяжения, то есть, деформации.

Все материалы, используемые на практике, классифицируются следующим образом:

• Кристаллы. Включают в себя кварц и другие виды природных образований.
• Керамические изделия. Представляют собой группу искусственных материалов. Типичными представителями являются цирконат-титанат свинца – ЦТС, а также титанат бария и ниобат лития. Они обладают более ярким пьезоэлектрическим эффектом по сравнению с природными материалами.

Если сравнивать ЦТС и кварц, становится заметно, что при одной и той же деформации, искусственный элемент вырабатывает более высокое напряжение. Когда на него влияет обратный пьезоэлектрический эффект он соответственно сильнее деформируется, когда к нему приложено такое же напряжение, как и к кварцу. Благодаря своим качествам, искусственные материалы получили широкое распространение в конструкциях керамических конденсаторов, ультразвуковых преобразователей и прочих электронных устройств.

Использование пьезоэффекта на практике

Пьезоэлектрические свойства кристаллов и материалов искусственного происхождения успешно применяются в различных областях. В качестве примеров можно привести ультразвуковую дефектоскопию, позволяющую выявлять дефекты внутри металлических конструкций, электромеханические преобразователи, стабилизирующие радиочастоты, различные датчики и другие приборы.

В электротехнике широко используется обратный пьезоэлектрический эффект, связанный с деформацией кристалла под действием приложенного напряжения. В случае наложения на кристалл электрических колебаний с частотой звука, в нем возникнут колебания такой же частоты с выделением в окружающее пространство звуковых волн. Таким образом, один и тот же кристалл может быть использован не только как микрофон, но и как динамик.

Все пьезоэлектрики имеют собственную частоту механических колебаний. Они проявляются с наибольшей силой, когда совпадают с частотой подведенного напряжения. Подобное наложение колебаний известно, как электромеханический резонанс. Данное свойство позволило создать различные виды пьезоэлектрических стабилизаторов, поддерживающих постоянную частоту в генераторах незатухающих колебаний.

Точно такая же реакция наблюдается при действии механических колебаний с частотой, совпадающей с собственными колебаниями кристалла. Подобный эффект и его применение позволил создать акустические приборы, способные выделять из всей массы звуков лишь необходимые для конкретных целей.

При изготовлении приборов и устройств цельные кристаллы не используются. Они распиливаются на пластинки, имеющие строгую ориентацию с их кристаллографическими осями. Пластинки изготавливаются определенной толщины, в зависимости от того, какую резонансную частоту колебаний нужно получить. Они соединяются с металлическими слоями, и в результате происходит рождение готового пьезоэлемента.

Пьезоэлектрический эффект — пьезоэлектрические двигатели и системы движения

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект — это способность некоторых материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово пьезоэлектрический происходит от греческого piezein, что означает сжимать или давить, и piezo, что в переводе с греческого означает «толкать».

Одной из уникальных характеристик пьезоэлектрического эффекта является его обратимость. Это означает, что материалы, демонстрирующие прямой пьезоэлектрический эффект (выработка электричества при приложении напряжения), также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект (генерирование напряжения при воздействии электрического поля). применены).

Когда пьезоэлектрический материал подвергается механическому воздействию, происходит смещение центров положительного и отрицательного заряда в материале, в результате чего возникает внешнее электрическое поле. При реверсировании внешнее электрическое поле либо растягивает, либо сжимает пьезоэлектрический материал.

Пьезоэлектрический эффект очень полезен во многих приложениях, связанных с воспроизведением и обнаружением звука, генерацией высоких напряжений, генерацией электронных частот, микровесами и сверхточной фокусировкой оптических сборок. Он также является основой ряда научных инструментальных методов с атомарным разрешением, таких как сканирующие зондовые микроскопы (СТМ, АСМ и т. д.). Пьезоэлектрический эффект также находит применение и в более приземленных приложениях, например, в качестве источника воспламенения для зажигалок.

История пьезоэлектрического эффекта

Прямой пьезоэлектрический эффект был впервые обнаружен в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Объединив свои знания в области пироэлектричества с пониманием структуры и поведения кристаллов, братья Кюри продемонстрировали первый пьезоэлектрический эффект, используя кристаллы турмалина, кварца, топаза, тростникового сахара и сегнетовой соли. Их первоначальная демонстрация показала, что кварц и сегнетовая соль в то время проявляли наибольшую пьезоэлектрическую способность.

В течение следующих нескольких десятилетий пьезоэлектричество оставалось в лаборатории, над чем можно было экспериментировать по мере того, как проводилась дополнительная работа по изучению большого потенциала пьезоэлектрического эффекта. Начало Первой мировой войны ознаменовало появление первого практического применения пьезоэлектрических устройств — гидролокатора. Это первоначальное использование пьезоэлектричества в гидролокаторе вызвало интенсивный международный интерес к пьезоэлектрическим устройствам. В течение следующих нескольких десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов.

Во время Второй мировой войны исследовательские группы в США, России и Японии открыли новый класс искусственных материалов, называемых сегнетоэлектриками, пьезоэлектрические константы которых во много раз превышают природные пьезоэлектрические материалы. Хотя кристаллы кварца были первым коммерчески используемым пьезоэлектрическим материалом и до сих пор используются в приложениях обнаружения гидролокаторов, ученые продолжали поиск материалов с более высокими характеристиками. Эти интенсивные исследования привели к разработке титаната бария и титаната цирконата свинца, двух материалов, которые обладали очень специфическими свойствами, подходящими для конкретных применений.

Пьезоэлектрические материалы

Существует множество материалов, как природных, так и искусственных, которые проявляют ряд пьезоэлектрических эффектов. Некоторые встречающиеся в природе пьезоэлектрические материалы включают берлинит (структурно идентичный кварцу), тростниковый сахар, кварц, сегнетовую соль, топаз, турмалин и кость (сухая кость проявляет некоторые пьезоэлектрические свойства из-за кристаллов апатита, и обычно считается, что пьезоэлектрический эффект действует в качестве датчика биологической силы). Пример искусственных пьезоэлектрических материалов включает титанат бария и цирконат-титанат свинца.

В последние годы в связи с растущим беспокойством по поводу токсичности свинецсодержащих устройств и директивой RoHS, которой следуют в Европейском Союзе, в последнее время предпринимаются усилия по разработке бессвинцовых пьезоэлектрических материалов. На сегодняшний день эта инициатива по разработке новых бессвинцовых пьезоэлектрических материалов привела к появлению множества новых пьезоэлектрических материалов, более безопасных для окружающей среды.

Области применения, наиболее подходящие для пьезоэлектрического эффекта

Благодаря своим характеристикам пьезоэлектрические материалы имеют множество применений
, которые выигрывают от их использования:

Высокое напряжение и источники питания

Примером применения в этой области является электрическая зажигалка, в которой нажатие кнопки заставляет подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, тем самым производя достаточно высокий напряжение, при котором электрический ток протекает через небольшой разрядник, нагревая и воспламеняя газ. Большинство типов газовых горелок и плит имеют встроенную пьезосистему впрыска.

Датчики

Принцип действия пьезоэлектрического датчика заключается в том, что физическая величина, преобразованная в силу, действует на две противоположные стороны чувствительного элемента. Обнаружение изменений давления в форме звука является наиболее распространенным применением датчика, которое можно увидеть в пьезоэлектрических микрофонах и пьезоэлектрических звукоснимателях для гитар с электрическим усилением. Пьезоэлектрические датчики, в частности, используются с высокочастотным звуком в ультразвуковых преобразователях для медицинской визуализации и промышленного неразрушающего контроля.

Пьезоэлектрические двигатели

Поскольку очень высокие напряжения соответствуют лишь незначительным изменениям ширины кристалла, этой шириной кристалла можно управлять с точностью выше микрометра, что делает пьезокристаллы важным инструментом для позиционирования объектов с предельной точностью, что делает они идеально подходят для использования в двигателях, таких как различные серии двигателей, предлагаемые Nanomotion.

Что касается пьезоэлектрических двигателей, пьезоэлектрический элемент получает электрический импульс, а затем прикладывает направленную силу к противоположной керамической пластине, заставляя ее двигаться в нужном направлении. Движение создается, когда пьезоэлектрический элемент перемещается относительно статической платформы (например, керамических полосок).

Характеристики пьезоэлектрических материалов обеспечили совершенную технологию, на основе которой Nanomotion разработала различные линейки уникальных пьезоэлектрических двигателей. Используя запатентованную пьезоэлектрическую технологию, компания Nanomotion разработала различные серии двигателей размером от одноэлементного (обеспечивающего усилие 0,4 кг) до восьмиэлементного двигателя (обеспечивающего усилие 3,2 кг). Двигатели Nanomotion способны приводить в движение как линейные, так и поворотные ступени, имеют широкий динамический диапазон скоростей от нескольких микрон в секунду до 250 мм/с и могут легко устанавливаться на традиционные ступени с низким коэффициентом трения или другие устройства. Рабочие характеристики двигателей Nanomotion обеспечивают встроенное торможение и возможность устранения вибраций сервопривода в статическом положении.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Загрузите эту статью в формате .PDF Файлы этого типа содержат графику и схемы с высоким разрешением, если применимо.

Обновлено 26.10.2022

Пьезоэлектричество было открыто двумя братьями французских ученых Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. создает электрический заряд в этом определенном материале. ¹ Позднее они назвали это странное научное явление пьезоэлектрическим эффектом.

Братья Кюри вскоре открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после того, как они подтвердили, что когда электрическое поле прикладывалось к кристаллическим выводам, это приводило к деформации или беспорядку в кристаллическом выводе, что теперь называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова piezo, означающего сжимать или давить. Интересно, что электрический в переводе с греческого означает янтарь. Янтарь также оказался источником электрического заряда. ²

Сегодня многие электронные устройства используют пьезоэлектричество. Например, когда вы используете какое-либо программное обеспечение для распознавания голоса или даже Siri на своем смартфоне, микрофон, в который вы говорите, вероятно, использует пьезоэлектричество. Этот пьезокристалл превращает звуковую энергию вашего голоса в электрические сигналы, которые интерпретирует ваш компьютер или телефон. ³ Все это становится возможным благодаря пьезоэлектричеству.

Создание различных более продвинутых технологий можно проследить до открытия пьезоэлектричества. Например, мощный гидроакустический «гидроакустический буй», небольшие чувствительные микрофоны и керамический преобразователь звукового тона стали возможными благодаря пьезоэлектричеству. Сегодня мы наблюдаем развитие все большего количества пьезоэлектрических материалов и устройств.

Пьезоэлектрический эффект — это способность некоторых материалов генерировать электрическое поле в ответ на приложенное механическое напряжение. Эти материалы включают кристаллы, керамику, полимеры, древесину (волокна целлюлозы) и множество других синтетических и композитных материалов. Первоначально обнаруженный в 1880 году братьями Кюри, пьезоэлектрический эффект нашел свое применение в повседневной электронике, на которую мы полагаемся в повседневном использовании, включая смартфоны, ноутбуки, датчики, светодиоды и многое другое.

Некоторые из этих устройств, такие как электронная зубная щетка, используют пьезоэлектричество для создания физических вибраций, которые вызывают вибрацию зубной щетки и облегчают чистку зубов. То же самое с микрофоном в смартфоне, который переводит звук голоса человека в электронные сигналы, которые может считывать встроенный процессор для взаимодействия с определенными приложениями и функциями.

Пьезоэлектричество можно использовать по-разному, включая определение изменения давления, силы и температуры. Генерация электричества путем преобразования движения в энергию, производство ультразвуковых звуков, управление акустикой в ​​динамиках и даже генерация электрических сигналов в кардиостимуляторах — вот лишь несколько примеров того, как можно использовать пьезоэлектричество.

Прямой пьезоэлектрический эффект

Как уже говорилось, сжатие пьезоэлектрического материала производит электричество (пьезоэлектричество). Рисунок 1 поясняет концепцию.

Пьезокерамический материал — непроводящая пьезоэлектрическая керамика или кристалл — помещается между двумя металлическими пластинами. Для генерации пьезоэлектричества необходимо, чтобы этот материал был сжат или сжат. Механическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому керамическому материалу, генерирует электричество.

Как показано на рис. 1, на материале присутствует потенциал напряжения. Между двумя металлическими пластинами находится пьезокристалл. Металлические пластины собирают заряды, которые создают/производят напряжение (символ молнии), то есть пьезоэлектричество. Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрная батарея, потому что он производит электричество. Это прямой пьезоэлектрический эффект. К устройствам, использующим прямой пьезоэлектрический эффект, относятся микрофоны, датчики давления, гидрофоны и многие другие типы датчиков.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект можно обратить вспять, который называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Это создается путем приложения электрического напряжения, чтобы заставить пьезоэлектрический кристалл сжиматься или расширяться   (рис. 2) . Обратный пьезоэлектрический эффект преобразует электрическую энергию в механическую.

Использование обратного пьезоэлектрического эффекта может помочь в разработке устройств, генерирующих и производящих акустические звуковые волны. Примерами пьезоэлектрических акустических устройств являются динамики (обычно используемые в портативных устройствах) или зуммеры. Преимущество таких динамиков в том, что они очень тонкие, что делает их полезными в ряде телефонов. Даже в медицинских ультразвуковых и гидролокационных преобразователях используется обратный пьезоэлектрический эффект. Неакустические инверсные пьезоэлектрические устройства включают в себя двигатели и приводы.

Пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы — это материалы, которые могут производить электричество за счет механического воздействия, например сжатия. Эти материалы также могут деформироваться при подаче напряжения (электричества).

Все пьезоэлектрические материалы являются непроводящими, чтобы возникал и работал пьезоэлектрический эффект. Их можно разделить на две группы: кристаллы и керамика. ⁴

Некоторыми примерами пьезоэлектрических материалов являются PZT (также известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария и ниобат лития. Эти искусственные материалы имеют более выраженный эффект (лучший материал для использования), чем кварц и другие природные пьезоэлектрические материалы.

Сравните PZT с кварцем. PZT может производить большее напряжение при той же величине приложенного механического напряжения. И наоборот, подача напряжения на PZT вместо кварца обеспечивает большее движение. Кварц, хорошо известный пьезоэлектрический материал, также является первым известным пьезоэлектрическим материалом.

ЦТС создается и производится (при высоких температурах) из двух химических элементов — свинца и циркония — и в сочетании с химическим соединением, называемым титанатом. Химическая формула PZT: (Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O ₃ ). Он обычно используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов и других датчиков и исполнительных механизмов. Он также демонстрирует особый набор различных свойств. В 1952 году PZT был изготовлен Токийским технологическим институтом. ⁵

Титанат бария представляет собой ферроэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. ⁶ По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала дольше, чем большинство других. Его химическая формула BaTiO _{3 9.0124 . Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны. ⁷}

Ниобат лития представляет собой соединение, которое объединяет кислород, литий и ниобий. Его химическая формула LiNbO ₃ . ⁸ Также сегнетоэлектрический керамический материал, он похож на титанат бария тем, что также обладает пьезоэлектрическими свойствами. ⁹

Пьезоэлектрические устройства

Сонар

Сонар, появившийся в 1900-х годах, был изобретен Льюисом Никсоном. Первоначально он разработал сонар для обнаружения айсбергов. Однако интерес к гидролокаторам возрос во время Первой мировой войны, чтобы помочь обнаружить подводные лодки под водой. Конечно, у гидролокатора сегодня много целей и применений, от поиска рыбы до подводной навигации и так далее.

На рис. 3 сонар посылает через передатчик звуковую волну (сигнал) для поиска объектов впереди. Передатчик использует обратный пьезоэлектрический эффект, когда передатчик использует напряжение, чтобы помочь ему послать звуковую волну. Как только звуковая волна достигает объекта, она отражается. Отраженная звуковая волна будет обнаружена приемником.

Приемник, в отличие от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрическое устройство приемника сжимается возвращающейся звуковой волной. Он посылает сигнал (напряжение) на электронику обработки сигналов, которая принимает отраженную звуковую волну и начинает ее обрабатывать. Он определит расстояние до объекта, вычислив синхронизирующие сигналы от передатчика и приемника.

Пьезоэлектрические приводы

На рис. 4 показана работа пьезоэлектрического привода. Основание остается неподвижным и действует как металлическая пластина, которая сжимает средний пьезоэлектрический материал. Затем к материалу прикладывается напряжение, которое расширяется и сжимается от электрического поля приложенного напряжения. Пьезокристалл движется очень мало, будь то вперед или назад. Как только пьезоматериал или кристалл перемещаются, он медленно толкает и тянет привод.

Пьезоэлектрический привод имеет множество применений и применений. Например, эти актуаторы используются в вязальных машинах и машинах Брайля, поскольку они имеют такое небольшое количество движущихся частей и очень простую конструкцию. Их можно найти даже в видеокамерах и сотовых телефонах, потому что они доказали свою эффективность в качестве механизма автофокусировки. ¹⁰

Пьезоэлектрические динамики и зуммеры

Пьезоэлектрические динамики и зуммеры используют обратный пьезоэлектрический эффект для генерации и воспроизведения звука. При подаче напряжения на динамики и зуммеры возникают звуковые волны (опять же рис. 2) . Сигнал звукового напряжения, подаваемый на пьезоэлектрическую керамику динамиков или зуммеров, заставит материал вибрировать воздух. Эта вибрация производит звуковые волны, которые исходят из динамика.

Пьезоэлектрические динамики обычно используются в будильниках или других небольших механических устройствах для воспроизведения простых звуков высокого качества. Это потому, что они ограничены небольшим количеством частотных характеристик. ¹¹

Пьезодрайверы

Пьезодрайверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое напряжение для питания пьезоэлектрических устройств. Пьезодрайверы очень важны, потому что они помогают инженерам производить большее напряжение для создания больших синусоидальных волн.

На рис. 5 представлена ​​блок-схема, иллюстрирующая работу пьезопривода. Пьезодрайверы берут низкое напряжение батареи и используют усилитель для преобразования его в более высокое напряжение. Затем более высокое напряжение используется для питания усилителя. Генератор будет вводить небольшие синусоидальные волны, которые усилитель преобразует в синусоидальные волны большего напряжения. Усилитель управляет пьезоустройством.

В приведенной ниже таблице перечислены несколько различных компаний, которые продают и производят различные виды пьезодрайверов.

Заключение

Какое будущее ждет пьезоэлектричество и как оно может выглядеть? Одна из самых популярных идей — использовать эффект для сбора энергии. Представьте себе зарядку смартфонов во время ходьбы или занятий спортом с той же эффективностью, что и при быстрой зарядке. Встраивание пьезоэлектрических систем под дороги и автомагистрали может привести в действие инфраструктуру, такую ​​как город и светофоры. Его можно даже использовать в качестве ультразвуковых двигателей для усовершенствованной оптики, медицинских датчиков внутри тела и шин, генерирующих электричество.

Будущее пьезоэлектричества очень перспективно. Эта технология постоянно развивается и становится все более эффективной и менее затратной. Существует множество потенциальных применений пьезоэлектричества, и ожидается, что популярность этой технологии будет расти в ближайшие годы.

Первоначально опубликовано 16 сентября 2016 г.

Ссылки

вики/Пьезоэлектричество

3. http://www.explainthatstuff.com/piezoelectricity.html

4. http://www.piezomaterials.com/

5. https://www.americanpiezo.com/piezo-theory/pzt .html

6. https://en.wikipedia.org/wiki/Barium_titanate

7. http://ceramics.