Пьезоэлементы: Пьезоэлемент

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.

Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.

 Прямой пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Выше упоминалось, что существует и обратный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств. Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки. Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах. Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.

Пьезоэлектрические материалы

Данные материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения.

Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.

Давайте сравним искусственно полученный цирконат-титанат свинца ЦТС и природный элемент кварц. Итак, ЦТС способен вырабатывать гораздо большее напряжение при одинаковой деформации. Соответственно при обратном эффекте он склонен к большей деформации при одном и том же напряжении. Кварц – первый известный пьезоэлектрический материал.

ЦТС производится при высоких температурах с двух химических элементов – свинца и циркония, с добавлением химического соединения под названием титанат. Химическая формула ЦТС Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O₃. Он широко используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов, датчиков и других электронных устройств. Он также имеет специфический диапазон различных свойств. Впервые был изготовлен в 1952 году в Токийском технологическом институте.

Титанат бария представляет собой сегнетоэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала больше, чем другие. Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны и имеет химическую формулу BaTiO₃.

Ниобат лития – соединение, сочетающее в себе кислород, литий и ниобий. Имеет химическую формулу LiNbO₃. Как и титанат бария, является сегнетоэлектрическим керамическим материалом.

Пьезоэлектрические устройства

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:

А принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

Ниже показана работа силового привода на  основе пьезоэлектрического эффекта:

Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезо драйверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.

Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя. Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

Пьезоэлементы большой мощности — Electrik-Ufa.ru

Тонкая пьезоэлектрическая пленка на оконном стекле, поглощающая шум улицы и преобразующая его в энергию для зарядки телефона. Пешеходы на тротуарах, эскалаторах метро, которые заряжают через пьезо преобразователи аккумуляторы автономного освещения. Плотные потоки автомобилей на оживленных трассах, вырабатывающие мегаватты электроэнергии, которой хватает для целых городов и поселков.

Фантастика? К сожалению, пока да, и таковой может остаться. Есть большая вероятность, что скоро закончится ажиотаж вокруг сенсационных сообщений о чудесных перспективах генераторов энергии на пьезоэлементах. А мы будем опять мечтать о безопасной, возобновляемой и, что греха таить, дешевой электрической энергии, полученной с привлечением других явлений. Ведь список физических эффектов замечательно велик.

Явление пьезоэлектричества было открыто братьями Джексоном и Пьером Кюри в 1880 году и с тех пор получило широкое распространение в радиотехнике и измерительной технике. Заключается оно в том, что усилие, приложенное к образцу пьезоэлектрического материала, приводит к появлению на электродах разности потенциалов. Эффект обратим, т.е. наблюдается и обратное явление: прикладывая к электродам напряжение, образец деформируется.

В зависимости от направления преобразования энергии пьезоэлектрики делятся на генераторы (прямое преобразование) и двигатели (обратное). Термин “пьезогенераторы” характеризует не эффективность превращения, а только направление преобразования энергии.

Именно первым явлением, связанным с генерацией электричества при механическом воздействии, заинтересовались в последние годы инженера и изобретатели. Как из рога изобилия, посыпались сообщения о возможностях получения электрической энергии, утилизируя уличный шум, движение волн и ветра, нагрузки от перемещения людей и машин.

Сегодня известно несколько примеров практического использования подобной энергии. На станции метро «Марунучи» в Токио установлены пьезогенераторы в зале для приобретения билетов. Скопления пассажиров хватает для управления турникетами.

В Лондоне, в элитной дискотеке, пьезогенераторы питают несколько ламп, которые стимулируют танцующих и . продажу прохладительных напитков. Стали обыденными пьезоэлектрические зажигалки. Сейчас любой курильщик носит в кармане собственную «электростанцию».

Сравнительно недавно взорвало мировую общественность сообщение об испытаниях систем получения энергии от движущегося автотранспорта. Израильские ученые из небольшой фирмы Innowattech подсчитали, что 1 километр автобана может генерировать электрическую мощность до 5 МВт. Они не только выполнили расчеты, но и вскрыли несколько десятков метров полотна автострады и смонтировали под ним свои пьезогенераторы. Казалось, что наконец наступил прорыв в области альтернативной энергетики. Но в этом возникают серьезные сомнения.

Рассмотрим подробней физику процессов, происходящих в пьезоэлектрике. Для знакомства с принципами генерации энергии пьезоэлектрическими материалами достаточно понимания нескольких базовых механизмов. При механическом воздействии на пьезоэлемент происходит смещение атомов в несимметричной кристаллической решетке материала. Это смещение приводит к возникновению электрического поля, которое индуцирует (наводит) заряды на электродах пьезоэлемента.

В отличие от обычного конденсатора, обкладки которого могут сохранять заряды достаточно долго, индуцированные заряды пьезоэлемента сохраняются только до тех пор, пока действует механическая нагрузка. Именно в это время можно получить от элемента энергию. После снятия нагрузки индуцированные заряды исчезают. По сути, пьезоэлемент является источником тока ничтожной величины, с очень высоким внутренним сопротивлением.

Поскольку специалисты компании Innowattech так и не сочли нужным поделиться с широкой общественностью результатами своего эксперимента, попробуем сами сделать грубые численные прикидки эффективности работы пьезоэлектриков в качестве источника энергии. В качестве объекта для расчетов возьмем обычную бытовую пьезозажигалку – единственное изделие, получившее сейчас широкое распространение.

Из обилия технических характеристик пьезоматериалов нам понадобятся всего несколько. Это значение пьезоэлектрического модуля, которое для распространенных (а иных пока промышленность не выпускает) пьезоэлектриков составляет от 200 до 500 пикокулон (10 в минус 12 степени) на ньютон, и характеризует эффективность генерации заряда под воздействием силы.

Эта характеристика не зависит от размеров пьезоэлемента, а полностью определяется свойствами материала. Поэтому пытаться делать более мощные преобразователи за счет увеличения геометрических размеров бессмысленно. Емкость обкладок пьезоэлемента зажигалок известна и составляет около 40 пикофарад.

Рычажная система передачи усилия на пьезоэлемент создает нагрузку приблизительно 1000 ньютонов. Зазор, в котором проскакивает искра – 5 мм. Диэлектрическую прочность воздуха принимаем 1 кВ/мм. При таких исходных данных зажигалка генерирует искры мощностью от 0,9 до 2,2 мегаватта!

Но не стоит пугаться. Длительность разряда составляет всего 0,08 наносекунды, отсюда такие огромные значения мощности. Подсчет же суммарной энергии, генерируемой зажигалкой, дает значение всего 600 микроджоулей. При этом КПД зажигалки, с учетом того, что механическое усилие через рычажную систему полностью передается пьезоэлектрику, составляет всего . 0,12%.

Предлагаемые в разных проектах схемы извлечения энергии близки к режимам работы зажигалок. Отдельные пьезоэлементы генерируют высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, и ток поступает на выпрямитель, а затем в накопительное устройство, например, ионистор. Дальнейшее преобразование энергии стандартно и интереса не представляет.

От зажигалок перейдем к задаче получения энергии в промышленных масштабах. Пусть будут использованы наиболее эффективные элементы, генерирующие 10 милливатт на элемент. Собранные в кластеры (группы) по 100-200 элементов, они помещаются под полотно дороги. Тогда для получения заявленной величины мощности порядка 1 МВт на километр дороги потребуется всего. 100 миллионов отдельных элементов с индивидуальными схемами съема энергии. Остается еще задача ее суммирования, преобразования и передачи потребителю. При этом токи элементов, учитывая изменяющуюся нагрузку на дорожное полотно, будут лежать в диапазоне нано или даже пикоампер.

Знакомясь с подобными проектами получения энергии от пьезоэффекта, невольно напрашивается аналогия с гидроэлектростанцией, в которой турбины работают от влаги утренней росы, бережно собранной с окрестных полей.

А как же с экспериментом израильской компании? Отчет о результатах «вредительства» на полотне автострады так и не появился. А ведь впереди выполнение контракта на получении энергии с автострады Венеция – Триест, который заключила фирма Innowattech.

По этому поводу есть одна версия: это компания типа «стартап», т.е. с высоким риском инвестиционного капитала. Получив более чем скромные предварительные результаты исследователей, ее основатели решили оправдать затраченные деньги инвесторов и провернули великолепный маркетинговый ход – провели эффектное испытание с участием прессы. И весь мир заговорил о маленькой компании. И в этом шуме потерялся основной вопрос: где же мегаватты дешевой энергии?

Подводя итоги, можно сделать только один вывод: пьезоэлементы никогда не станут альтернативными источниками электроэнергии в промышленных масштабах. Круг их применений ограничится маломощными (микромощными) источниками питания и датчиками. А жаль, такая красивая была идея!

Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение

С развитием технологий человечество начинает расходовать все меньше энергии понапрасну. Появились солнечные панели, ветровые электростанции, солнечные концентраторы, пьезогенераторы, суперконденсаторы и иные устройства, которые помогают людям получать альтернативную энергию и сохранять ее. Большинство из этих устройств уже используются в повседневной жизни.

Но наука не стоит на месте, в скором времени можно будет получать энергию с помощью повседневных и малозначительных движений. Это можно будет сделать при помощи пьезогенераторов. Ее вполне хватит, чтобы быстро зарядить телефон или плеер. Могут появиться и такие пьезогенераторы, которые будут подзаряжать, к примеру, наручные часы при помощи возбуждения, которое передается сердцебиением.

Устройство

В последние годы было создано несколько опытных образцов пьезогенераторов для различного применения. Они могут быть объединены в два различных класса, которые отличаются по типу колебаний, продольных и поперечных .

Пьезогенератор, работающий по продольной схеме колебаний. В данном устройстве одиночный пьезоэлемент монтируется в подкладку обуви, он позволяет генерировать определенную мощность энергии при быстром передвижении, к примеру, при беге человека. Данное устройство изобретено в техническом университете Луизианы и был выполнен в виде специального спирального пластинчатого пьезоэлемента.

На данный момент обеспечить надежность и долговечность подобного устройства затруднительно в виду хрупкости пьезокерамического материала. Однако данная идея может оказаться продуктивной при использовании гибких пьезополимерных пластин. Но подобные материалы на данный момент находятся на стадии исследований.

Не менее перспективны пьезогенераторы, работающие на изгибных колебаниях. Они также могут отличаться своей конфигурацией и конструктивным исполнением.

Для источников питания сравнительно большой мощности созданы опытные образцы макропьезогенераторов самых разных конструкций. К самым продвинутым разработкам подобного класса устройств можно отнести экспериментальную систему накопителей энергии, созданную на основе пьезогенераторов, которые вмонтированы в настил пола у билетных терминалов на входе в станции метро Marunouchi (Токио).

Известно устройство взрывного пьезогенератора, который включает:

• Устройство инициирования:
• Генератор ударной волны:
• Пьезоэлектрический преобразователь, выполненный из набора пьезопластин, соединенных параллельно:
• Электроды, которые нанесены на противоположные грани пьезопластин, расположены перпендикулярно выходной поверхности генератора ударной волны:
• Блок пьезопластин размещен в цилиндрический объем, у которого торцевая часть совпадает с поверхностью генератора ударной волны:
• Генератор ударной волны выглядит как аксиально симметричная конструкция, она выполнена из слоя взрывчатого вещества, конического алюминиевого лайнера и конической алюминиевой крышки.

Принцип действия

Пьезоэффект, который применяется в пьезогенераторах, заключается в том, что в устройстве имеется специальный диэлектрик, к которому прикладываются механические напряжения. В результате диэлектрик на двух разных концах создает разницу потенциалов. В итоге, создавая давление на подобный пьезоэлемент, можно на выходе получить электрическое напряжение определенной величины.

Пьезоэффект также может вызывать и обратное преобразование, то есть обеспечить превращение электрической энергии в механическую, к примеру, для создания звуковых излучателей. По типу применяемого соотношения между вектором поляризации пьезоэлемента и направлением механических колебаний пьезогенераторы можно разделить на классы с поперечным и продольным направлением механического воздействия.

Если рассматривать физику процессов, которые происходят в пьезоэлектрике, подробней, то все выглядит довольно просто. Для этого нужно только понимать принципы генерации энергии пьезоэлектрическими материалами:

• При механическом воздействии на пьезоэлемент наблюдается смещение атомов в его материале, то есть в несимметричной кристаллической решетке.
• Данное смещение приводит к появлению электрического поля, которое приводит к индукции зарядов на электродах пьезоэлемента.

В отличие от стандартного конденсатора, обкладки которого способны сохранять заряды весьма долго, индуцированные заряды пьезогенератора сохраняются до момента, пока не перестает действовать механическая нагрузка. Именно в течение данного периода от элемента можно получать энергию. Как только нагрузка снимается, индуцированные заряды исчезают.

Явление пьезоэлектричества открыто братьями Пьером и Джексоном Кюри в 1880 году, с того времени оно широкое распространение в измерительной технике и радиотехнике. Термин «пьезогенераторы» характеризует лишь направление преобразования энергии, а не эффективность превращения. Именно с явлением, связанным с генерацией электричества в случае механического воздействия, заинтересовались инженера и изобретатели в последние годы.

Начали появляться сообщения о возможностях получения электрической энергии при помощи воздействия разной механической энергии:

• Движение волн и ветра.
• Воздействие уличного шума.
• Нагрузки от перемещения машин и людей.
• Сердцебиение и так далее.

На основе всех этих вариантов стали придумываться различные изобретения. Многие из них уже нашли применение, а некоторые на данный момент находятся в планах, так как технологии не достигли требуемого уровня.

Применения и особенности

На текущий момент известно несколько вариантов практического применения пьезогенераторов в:

• Пьезозажигалках с целью высокого напряжения на специальном разряднике от движения пальца. Сегодня любой курильщик может носить в кармане собственную «электростанцию».
• Качестве чувствительного элемента в приемных элементах сонаров, микрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, гидрофонах.
• Контактном пьезоэлектрическом взрывателе, к примеру, к выстрелам гранатомета РПГ-7.
• Датчиках в виде чувствительного к силе элемента, к примеру, датчиках давления газов и жидкостей, силоизмерительных датчиках и так далее.

Обратный пьезоэлектрический эффект может применяться в:

• Пьезокерамических излучателях звука, к примеру, музыкальные открытки, всевозможные оповещатели, которые используются в самых разных бытовых устройствах от стандартных наручных часов до техники на кухне.
• Системах сверхточного позиционирования, к примеру, позиционер перемещения головки винчестера, в сканирующем туннельном микроскопе в системе позиционирования иглы.
• Излучателях гидролокаторов (сонарах).
• Ультразвуковых излучателях для ультразвуковой гидроочистки (промышленные ультразвуковые ванны, ультразвуковые стиральные машины).
• Пьезоэлектрических двигателях.
• Струйных принтерах для подачи чернил.
• Адаптивной оптике с целью изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.

Обратный и прямой эффект пьезогенераторов одновременно используются в:

• Датчиках на специальных поверхностных акустических волнах.
• Ультразвуковых линиях задержки специальных электронной аппаратуры.
• Приборах на эффекте специальных поверхностных акустических волн.
• Пьезотрансформаторах с целью изменения напряжения высокой частоты.
• Кварцевых резонаторах, применяемых в качестве эталона частоты.

Большинство из применяемых пьезогенераторов вырабатывают небольшой ток. Отдельные пьезоэлементы могут генерировать высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, затем ток поступает на выпрямитель, после чего в накопительное устройство, к примеру, ионистор.

Пьезоэлектрический генератор электрической мощности

Ажиотаж в мире в отношении создания пьезоэлектрических источников энергии до недавнего времени не отличался высоким уровнем изобретательских предложений. Например, учёные Израиля предлагают монтировать пьезоэлементы в дорожном полотне и использовать энергию проезжающих машин. В Японии пол одного из залов метро покрыт пьезоэлементами. Эти и подобные им проекты генераторов напряжения не выдерживают никакой критики с экономической точки зрения. Причина в следующем.

За один щелчок электрозажигалки, который длится примерно 0,1 наносекунды, выделяется мощность более 2 мегаватт. То есть мощность за секунду равна 0,2 ватта. Если бы можно было сделать 1000 щелчков в секунду, то получили бы мощность 200 ватт. Мощность большая, но как сделать 1000 щелчков в секунду. Это невозможно, но вот прижать пьезоэлемент к гладкому вращающемуся колесу 20 и более тысяч раз можно, возбуждая в нём ультразвуковые колебания.

Это хотя бы доказывает ниже приведенный рисунок (рис.1). Тридцать ватт отбираемой от пьезоэлемента мощности (ватт на грамм пьезоэлемента) в непрерывном режиме при напряжении 300В было достаточно, чтобы питать люминесцентную лампу. Для этого энергия вращающегося колеса преобразовывается в изгибные ультразвуковые колебания камертона выполненного на одном из концов пакета Ланжевена, и затем, за счёт пьезоэффекта, в электрические колебания высокой частоты.

То есть, с помощью пьезоэлементов можно создавать не только электрические генераторы напряжения, но и генераторы мощности.

Идея использовать пьезоэлектрический мотор в качестве генератора мощности (рис.2) долго обходилась без должного внимания. Причина в том, что, согласно этой идее, один тип колебаний принудительно должен возбуждаться в одной из частей пьезоэлемента. Эту часть назовём возбудителем. Для этого, помимо механического воздействия, используется отдельный источник питания. Второй тип колебаний должен генерироваться в другой части пьезоэлемента, за счёт принудительного вращения ротора. Эту часть пьезоэлемента назовём генератором.

Испытания опытных образцов подтвердили возможность получения энергии в генераторе. Но мощность генератора должна быть в несколько раз больше мощности отбираемой от источника питания возбудителя. Иначе в таком генераторе нет смысла. Вот как раз это долго и не получалось.

Лишь только относительно недавно Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер, работая у себя дома после тщательной подборки материалов пьезоэлемента и контактных пар смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от дополнительного источника питания. Появилась возможность часть мощности генератора направить в возбудитель и убрать дополнительный источник. Эту задачу он решал двумя способами.

По первому способу измерял амплитуду и фазу на входе возбудителя и с помощь реактивных элементов подгоняли под такую же амплитуду и фазу напряжение на выходе генератора. То есть, как и в обычных электрических генераторах выполнялись условия баланса амплитуды и фазы. Когда эти условия были выполнены, выход замыкался с входом.

По второму способу напряжение с генератора преобразовывалось в постоянное напряжение, которым питался усилитель мощности и маломощный генератор переменного напряжения. По мере того, как удалось устойчиво получать полезную мощность в пределах 0,2 Ватта на грамм пьезоэлемента, Лавриненко обнаруживает интересный эффект, соизмеримый в физике с открытием, который он сформулировал так:

В двух, совмещённых в одном теле, резонаторах взаимно перпендикулярных акустических колебаний, с частотами резонанса смещёнными друг относительно друга для создания сдвига фаз между колебаниями при их возбуждении спонтанно генерируются взаимно поперечные колебания на частоте между упомянутыми резонансными частотами при фрикционном взаимодействии тела с другим телом, например, с вращающимся колесом.

То есть, при фрикционном взаимодействии упомянутых тел существует положительная обратная связь. Появление случайных колебаний образуют эллипс, размеры которого увеличиваются при вращении колеса. Подобным образом в электрическом усилителе напряжения, охваченной положительной обратной связью спонтанно возбуждаются электрические колебания, и энергия источника постоянного напряжения преобразуется в переменное напряжение. Зависимость этого напряжения от скорости вращения имеет вид, показанный на рис.3.

Обнаруженный эффект значительно упрощает идею создания пьезоэлектрических генераторов мощности, причем мощность в 5 ватт на грамм пьезоэлемента становится вполне реальной. Будут ли они иметь преимущества перед электромагнитными генераторами можно будет сказать только со временем, по мере их изучения, хотя о некоторых из них можно говорить уже сейчас.

Отсутствие меди и обмоток – это надёжность в условиях повышенной влажности. Отсутствие тяжёлых металлов (меди и сплавов железа) – это высокие удельные параметры. Получаемый на выходе высокочастотный сигнал, легко трансформируется под любую нагрузку. А главное преимущество, что для любых частот вращения колеса не требуется редуктор. Достаточно лишь правильно рассчитать диаметр колеса.

При невозможности применения солнечных батарей, пьезоэлектрические генераторы мощности, используя энергию, мускул или ветра, могут их заменить, например, для зарядки аккумуляторов ноутбуков, планшетов и пр. Хотя актуальность направления очевидна, для его развития требуется достаточная финансовая поддержка, которой, как и у многих проектов наших стран, пока нет.

Пьезоэлемент

Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом. На их поверхности могут возникать электрические заряды под влиянием деформации. Существует и обратный эффект, когда диэлектрики начинают деформироваться под действием внешнего электрического поля. Пьезоэлемент сам по себе не может считаться источником электроэнергии. Он всего лишь преобразует механическую энергию в электрическую, с очень низким КПД. Однако, благодаря своим качествам, пьезоэлементы широко используются в технике, в первую очередь, как источники электрических разрядов.

Физические свойства пьезоэлемента

Пьезоэлектрические материалы по своей сути довольно простые и характеризуются всего лишь двумя физическими величинами – диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. От первой величины зависит емкость пьезоэлемента, а от пьезоэлектрического модуля – электрический заряд, образующийся на электродах, после того как к ним была приложена какая-то сила.

В пьезокерамике для описания процесса применяется три модуля в зависимости от расположения силы, действующей по отношению к полярности оси пьезоэлемента.

Наиболее выраженный эффект проявляется в модуле d₃₃, в котором первая цифра индекса означает направление полярной оси вдоль оси Z традиционной системы координат, а вторая указывает на направление действующей силы вдоль этой же оси. За счет этого пьезоэлемент с величиной модуля d₃₃ существенно превышает значение комбинаций с другими направлениями.

Прямой пьезоэффект модуля измеряется в единицах кулон/ньютон (К/Н). Именно эта величина характеризует материал, из которого он изготовлен. Независимо от приложенной силы и размеров самого элемента, при воздействии силы в 1 ньютон, на электродах будет образовываться один и тот же заряд.

Для определения напряжения на электродах существует формула: U = q/C, в которой в свою очередь q = F d₃₃. Из данной формулы видно, что в отличие от заряда, напряжение будет зависеть от размеров пьезоэлемента, поскольку емкость С связана с площадью электродов и расстоянием между ними. Если в качестве примера взять емкость обычной зажигалки, равной 40 пикофарадам (пф), то приложенная сила в 1 Н даст напряжение 6 В. Соответственно, если сила увеличится до 1000 Н (100 кг), то полученное напряжение составит уже 6 кВ.

Принцип работы

Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент.

Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы – заряд с другим знаком. Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками.

Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

Применение

Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Они применяются в качестве кварцевых резонаторов, миниатюрных трансформаторов, пьезоэлектрических детонаторах, генераторах частоты с высокой стабильностью и во многих других местах. Каждый прибор устроен таким образом, что в нем может использоваться не только кристаллический кварц, но и элементы из поляризованной пьезокерамики.

Однако пьезоэлемент не ограничивается одними лишь зажигалками. В настоящее время ведутся работы по решению задачи, как сделать использование этих материалов более продуктивным. Данный принцип достаточно давно применяется на танцевальных площадках и стоянках автомобилей, где под давлением происходит превращение механической энергии в электрическую.

В перспективе возможно устройство более мощных энергодобывающих систем. В настоящее время разрабатываются генераторы, обладающие небольшими размерами, основой которых служит нитрид алюминия, успешно заменивший традиционный цирконат-титанат свинца. Данное устройство по своей сути является беспроводным температурным датчиком, способным накапливать энергию от различных вибраций и передавать полученные данные через установленные промежутки времени.

В настоящее время преобразователи на базе пьезоэлементов устанавливаются на реактивные самолеты. Данное техническое решение дает возможность экономии до 30% топливных ресурсов, используя колебания крыльев и самого фюзеляжа. Созданы экспериментальные светофоры, работающие от аккумуляторов, заряжающихся от колебаний воздуха, вызванных городским шумом.

В будущем эти разработки позволят ликвидировать дефицит мощностей. С помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Даже десять километров такой пьезодороги выдадут около 5 МВт/час. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии. Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание ученых многих стран.

pavell743

Бред сумасшедшего.

Делай, что должен и будь, что будет!

Первое и главное. Пьезоэлемент не является источником энергии. Он всего лишь трансформатор механической и тепловой энергии в энергию электростатического поля. Ни больше ни меньше.

Что бы понять механизм работы пьезогенератора, пьезоэлемента(ПЭ) рассмотрим два его основных свойства. Это диэлектрическая проницаемость межэлектродного пространства и пьезо электрический модуль. Нас интересует только пьезо модуль по оси поляризации кристалла, все остальные модули не так важны. Они не вызывают создание поля.

Для прямого пьезоэффекта пьезомодуль имеет размерность «К/Н» (кулон:ньютон), а его величина, в зависимости от марки пьезокерамики, находится в интервале от 200 до 500 пикокулон/ньютон (10 -12 К/Н).

где D – это пьезо модуль (К/Н кулон/ньютон), g -заряд (К кулон), F сила в ньтонах приложенная по оси поляризации зарядов.

Пьезомодуль – это характеристика материала.

Это означает, что если мы изготовим пьезоэлемент из пьезокерамики с пьезомодулем, например, 240*10 -12 К/Н, то, какие бы ни были размеры пьезоэлемента, какой бы он ни был формы, каким бы образом ни прикладывали силу, то ли в точке, то ли она распределена по всей поверхности электрода, мы всегда получим на электродах заряд 240 пикокулон, если приложим силу 1 ньютон.

Напряжение на электродах можно посчитать по формуле.

U = g / C ; где U напряжение поля в вольтах, С емкость элемента в фарадах.

Легко проверить, что в этом примере, положив ёмкость равной 40 пикофарадам (это ёмкость пьезоэлементов пьезозажигалки), получим, что напряжение при силе 1Н будет равно 6В. Если действовать силой 1000Н, получим 6 кВ.

2. Какова мощность разряда пьезоэлемента? Сделать точный расчёт крайне затруднительно, да и не имеет смысла, а оценить порядок величины любопытно. Мощность тока искры это квадрат напряжения, делённый на сопротивление разрядного промежутка. Напряжение, конечно, меняется за время существования разряда от 3000 вольт до, почти, нуля.. Поэтому возьмём среднее значение 1500 вольт Но какое же сопротивление у разрядного промежутка? Мы его грубо оценим в 1 Ом, так как было замечено, что увеличение сопротивления токовода до 1 Ома уменьшает яркость искры. Теперь делаем расчёт.

P = U * U / R =1500*1500/1=2250000 ватт=2,25 мегаватт

3. Какова энергия, потраченная на искровой разряд? Это энергия электрического поля пьезоэлемента. Вычислим её по формуле:

W = CU * U /2 в Джоулях;

Мы знаем, что ёмкость С равна 40 пФ, а напряжение U к началу пробоя 3000 вольт. Рассчитываем энергию W=40*10^(-12)*3000*3000/2=180*10^(-6)=18 0 микро Джоулей.

Посчитаем то же самое для 1500 вольт, среднего значения напряжения пробоя. Оно равно 45 микро Джоулей.

Определим время за которое произойдет разряд:

T =2* R * C =2*1 Ом*40 пФ=80 пикосекунд,

Разделив работу тока на время его протекания, получим следующее значение мощности:

P = W / T =180 микро Джоулей/80 пикосекунд=2250 киловатт.

4. Каков кпд пьезогенератора зажигалки?

Сила линейно меняется от 0 до 500 Ньютон.. Её легко измерить с помощью бытового безмена. В расчёте следует взять среднее значение (250Н). Умножив 250Н на 0,002м получим 0,05 дж. Тогда кпд будет равен 0,03% Возникает вопрос АЧЁ так мало?

5. Посчитаем силу тока.

I = g / T ; g = C * U ; I = C * U / T =40пикофарад*3000вольт/80 пикосекунд=1500Ампер.

Это довольно таки крутой фронт, и по всем законам в момент образования ионизированного канала газа по которому заряды стекают, нейтрализуют локальную напряженность кристалла. Электро сопротивление фидерного канала на порядок ниже сопротивления меди, следовательно большой толшины ионизированного газа не будет. Толщина стримера микроны и объем ионизированного газа минимален.

Индуктивность стримерного промежутка не известна, да не суть важна, она минимальна и практически примем постоянной не дефференцируемой величиной.

Тогда энергия магнитного поля W = L * I * I /2, за промежуток 80 пикосекунд вырастет 2.25 миллиона раз, так как ток у нас идет в квадрате.

Неслабая такая искорка)

Она тратит меньше 1/10000 мощности на ионизацию, а остальное переводится в энергию магнитного поля.

А все ли помнят мопед трындящий под окном без искрозащиты?

Когда ни телек ни радио не работает)))))))

Ни чего не исчезает бесследно. Просто мы не умеем использовать энергию кристала на полную мощность, вот и будем всю сознательную жизнь топить свои печки буржуйки ассигнациями.

Пьезоэлектрические материалы — Студопедия

Обратный пьезоэлектрический эффект ныне широко используется в науке и технике. Приложенное к пьезоэлектрическим кристаллам переменное напряжение вынуждает их совершать колебания и излучать звуковые волны, что находит применение в ультразвуковых устройствах (преобразователях) и т.д.

Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхности пластинки при ее деформации называется прямым пьезоэлектрическим эффектом.

В 1881 году Габриэль Липман сформулировал общую теорему, в которой утверждал, что, зная о существовании некоторого физического явления, можно предсказать существование и величину обратного эффекта, применимого к этому явлению. Эту теорему он применил к явлению пьезоэлектричества. Его утверждение представлено было так, при сжатии или растяжении некоторых кристаллов, например кварца, на его обкладках возникают электрические заряды. Так как механические силы, порождая заряды, изменяют размеры кристалла (изменение размеров приводит к возникновению напряжения), Липман предсказал, что если к кристаллу приложить напряжение, то это вызовет изменение его размеров. Пьер и Жак Кюри подтвердили предположение Липмана экспериментально, тем самым открыв явление обратного пьезоэффекта, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу кварца, вызывая его вибрацию (сжатие и растяжение) в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Начиная с 1882 г. Европейское научное сообщество интенсивно изучало кристаллы с несимметричной структурой, обладающие пьезосвойствами. Исследовался взаимный обмен электрической и механической энергии в этих материалах, термодинамические соотношения, измерялись механические, электрические и температурные константы.

К 1910 г. было обнаружено 20 классов кристаллических решеток, обладающих пьезосвойствами. В этом же году немецкий ученый Волдемар Войгт выпустил учебник «Lerbuch der Kristallphysik», который стал стандартом в понимании анизотропии физических свойств материалов и в частности пьезоэффекта.

Материалы, обладающие пьезоэффектом, условно можно разбить на группы:

• – природные и синтетические материалы;
• – монокристаллы, пьезокерамика и полимеры.

Как уже упоминалось ранее, сущность прямого пьезоэффекта состоит в том, что при сжатии пластинки, вырезанной с получением определенной кристаллографической ориентации из кристалла, вызывает образование электрических зарядов на его гранях: положительного заряда на одной грани и отрицательного – на другой. При растяжении кристаллической пластинки также происходит образование зарядов, но если заряд на этой грани при сжатии был положительным, то при растяжении заряд на этой грани – отрицательный, и наоборот.

Прямой пьезоэлектрический эффект возникает в том случае, когда упругая деформация кристалла с таким ассиметричным искажением распределения положительных и отрицательных зарядов в структуре твердого тела, что возникает общий дипольный момент, т.е. твердое тело поляризуется.

Обратный пьезоэлектрический эффект возникает в том случае, когда внешнее электрическое поле вызывает такое искажение распределения зарядов, которое вызывает геометрические искажения, проявляющиеся в виде деформаций.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают только ионные кристаллы, у которых отсутствует центр симметрии в кристаллической решетке. Из известных 32 кристаллических классов не имеет центра симметрии 21 класс. Однако у одного из них сочетание других элементов симметрии делает пьезоэффект невозможным. Таким образом, пьезоэлектрические свойства могут наблюдаться у 20 кристаллических классов.

Всего известно более 1500 веществ, у которых проявляются пьезоэлектрические свойства. Остановимся на свойствах кварца. Кристаллы кварца SiO2 (рисунок 46) существуют в различных кристаллографических модификациях. Интересующие нас кристаллы (α-кварц) принадлежат к так называемой тригональной кристаллографической системе и обычно имеют форму, показанную на рисунках 46 и 47, а. Они напоминают шестигранную призму, ограниченную двумя пирамидами, однако имеют еще ряд дополнительных граней. Такие кристаллы характеризуются четырьмя кристаллическими осями, определяющими важные направления внутри кристалла. Одна из этих осей – Z соединяет вершины пирамид. Три другие X₁, X₂, X₃ перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Направление, определяемое осью Z, пьезоэлектрически неактивно: при сжатии или растяжении по этому направлению никакой поляризации не происходит. Напротив, при сжатии или растяжении в любом направлении, перпендикулярном к оси Z, возникает электрическая поляризация. Ось Z называется оптической осью кристалла, а оси X₁, X₂, X₃ – электрическими или пьезоэлектрическими осями и расположены под углом 120 градусов друг к другу.

Оси Y₁, Y₂, Y₃называются нейтральными или механическими и направлены перпендикулярно к каждой площадке призмы через середины противолежащих граней, этих осей в кристалле также три (рисунок 47, в). Оси X и Y перпендику­лярны оси Z.

Вырезанный из кварцевого кристалла прямоугольный параллелепипед (пластина), грани которого перпендикулярны осям Y и X, обладает пьезоэлектрическими свойствами (рисунок 47, в). Различают продольный и поперечный пьезоэлектрические эффекты (рисунок 47, г).

Продольный пьезоэффект заключается в том, что при сжатии или растяжении пластины вдоль оси Х на гранях пластины ABCD и EFGH, перпендикулярных к оси Х, получаем разноименные заряды. Т.е., при продольном пьезоэффекте заряды или механическая деформация возникают на противоположных гранях пьезопластинки в направлении приложенного механического усилия или электрического поля соответственно.

Поперечный пьезоэффект заключается в том, что прикладывая механические напряжения вдоль оси Y возникает поляризация вдоль оси Х и на тех же гранях АВСD и ЕFGН появляются поляризационные заряды. Т.е., при поперечном пьезоэффекте заряды или деформация возникают в направлении, перпендикулярном направлению механических усилий или приложенного электрического поля соответственно.

Пьезоэффект наблюдается лучше всего в случае, когда пластинки выре­заны в плоскости, при которой широкие стороны (длина и ширина) пластинок параллельны оси Z и одной из осей Y, а толщина пластинок параллельна оси Х. Такую пластинку называют Х-срезом. Если пластинку, вырезанную та­ким способом, деформировать в на­правлении оси Х, то на ее поверхнос­ти возникнут электрические заряды. Если пластину поместить в перемен­ное электрическое поле, направлен­ное вдоль оси Х, то пластина будет совершать толщинные колебания (рисунок 48, а). Пластинки X-среза обладают продольным пьезоэффектом, при котором образуются волны сжатия-растяжения (продольные волны).

В некоторых случаях из­готавливают пластины Y-среза, то есть такие, у которых толщина совпадает с направлением оси Y, а длина и ширина параллельны осям X и Z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колеба­ния (рисунок 48, а). Пластинки Y-среза обладают поперечным пьезоэффектом, при котором образуются сдвиговые (поперечные) волны (рисунок 48, б).

а) б)

2.2 Природа пьезоэлектричества на монокристаллах

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В ионных кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется электрический момент и в отсутствие электрического поля. Однако эта поляризация обычно не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются относительно друг друга и поэтому, изменяется электрический момент кристалла, т.е. проявляется поляризация, вызванная изменением расстояния между центрами тяжести разноименных зарядов.

Рисунок 49 поясняет возникновение пьезоэффекта в кварце – двуокиси кремния Si0₂. Здесь схематически показаны проекции положительных ионов Si – знаком , и отрицательных ионов О – знаком в плоскости, перпендикулярной оси Z. Ион кремния имеет заряд (+4), ион кислорода – заряд (-2). Этот рисунок не соответствует фактической конфигурации ионов в элементарной ячейке кварца, в которой ионы не лежат в одной плоскости, а их число больше показанного. Однако, он правильно передает симметрию взаимного расположения ионов, что уже достаточно для качественного объяснения.

Рисунок 49, а соответствует недеформированному кристаллу, элементарная ячейка кварца является электрически нейтральной. Заряд иона кремния 1 компенсируется зарядами ионов кислорода 2 и 6, расположенных от плоскости А дальше, чем ион 1, и т.д.

При действии внешней силы в направлении электрической оси Х₁(сжатии пластины) элементарная ячейка деформируется и приобретает вид, изображенный на рисунке 49, б. При этом положительный ион кремния 1 и отрицательный ион кислорода 2 «вдавливаются» внутрь ячейки, отчего выступающие заряды (положительный на плоскости А и отрицательный на плоскости В) уменьшаются, что эквивалентно появлению избыточного отрицательного заряда на плоскости А и соответственно избыточного положительного заряда на плоскости В.

При изменении направления деформации вдоль оси Х₁ (растяжении) полярность заряда поверхностей А и В меняется на противоположную (рисунок 49, в). Ионы 1 и 2 «выталкиваются» из элементарной ячейки, поэтому на грани А возникает дополнительный положительный заряд, а на грани В – отрицательный заряд.

Рисунок 49 – Принципиальная схема возникновения пьезоэффекта в двуокиси кремния: а) нейтральное состоянии ячейки; б) пластина сжата в продольном направлении (или в поперечном направлении растянута;

в) пластина растянута в продольном направлении (или в поперечном направлении сжата)

Анализ симметрии в теории твердого тела показывает, что пьезоэлектрический эффект может существовать только в кристаллах, в которых элементарная ячейка не имеет центра симметрии.

Ацентричные монокристаллы, обладающие пьезоэффектом, подразделяются на природные и синтетические.

К природным пьезоэлектрическим материалам относятся кварц и его производные: бесцветный кварц – горный хрусталь, фиолетовый – аметист, дымчатый – раухтопаз, черный – морион, золотистый – цитрин и др. Различные окраски обычно обусловлены наличием примесных атомов. Встречаются также сложно окрашенные кристаллы кварца за счет микровключений посторонних минералов: зеленый празем – включения микрокристалликов актинолита или хлорита; золотистый мерцающий авантюрин – включения слюды или гематита, и др.

Природные кристаллы кварца содержат в себе примеси, образующие структурные дефекты, снижающие их ценность. К числу дефектов относятся включение инородных минералов, трещины, пузыри, фантомы, голубые иглы и т.д. Природный пьезокварц являлся весьма редким и дорогим минеральным сырьем. Его месторождения имеются в небольшом числе России. В связи с этим потребности бурно развивающейся электроники в настоящее время удовлетворяются синтетическими монокристаллами кварца, которые выращиваются в автоклавах при повышенных температуре и давлении из насыщенных диоксидом кремния щелочных растворов.

Выращенные кристаллы разрезают на блоки и заготовки на специальных станках алмазным пилами при интенсивном жидкостном охлаждении. Вырезанные заготовки должны иметь точную ориентацию граней (от 1 до 5 угловых минут) по отношению к кристаллографическим осям кристалла. Вырезанные заготовки кристаллических пластин подвергаются механической обработке для придания им окончательной формы и размеров, а также нужной чистоты обработки поверхностей. Форма и размеры пластины определяют (при соблюдении точности ориентации) частоту и другие электрические характеристики, а чистота обработки – уровень потерь при колебаниях и стабильность частоты во времени. Чистота обработки в самом худшем случае определяется классом 9, достигая для высокостабильных и высокочастотных резонаторов самого высшего класса (13… 14) и выполняется шлифовкой пластин абразивными порошками карбида бора, наждака и корунда, в несколько переходов.

Затем производят очистку заготовок промывкой различными растворителями и водой. Последней операцией обработки заготовок является травление. Кварц травят в плавиковой кислоте или ее соединениях. Травлением удаляют остатки продуктов обработки, а также нарушенный процессами шлифовки поверхностный слой. Пластины подвергают прокаливанию при температуре 450 °С и медленному охлаждению с целью уменьшения механических напряжений. Для очистки широко используют ультразвуковые моечные установки. Качество очистки пластин существенно определяют характеристики стабильности частоты резонаторов.

Протравленные, тщательно очищенные от возможных загрязнений пластины поступают на участок металлических покрытий. Электродные покрытия наносят на кристаллические пластины различными методами. На низкочастотные пьезоэлементы наносят никелевые покрытия химическим способом. Для повышения адгезии покрытия никелированные пластины подвергают отжигу в вакууме при температуре 400 °С. Никелевые покрытия позволяют применять непосредственную припайку к ним проволочных держателей. На высокочастотные пьезоэлементы перед нанесением электродных покрытий наносят контактные площадки, к которым присоединяются держатели. Обычно контактные площадки осуществляют вжиганием специальной пасты, представляющей смесь дисперсного серебра с порошком легкоплавкой эмали и органической связкой. Выжигание этой пасты производят в туннельных или муфельных печах при температуре 470… 500 °С, что обеспечивает прочное соединение выжженного серебра с кварцем. Далее на пластины наносят электродные покрытия испарением металла в вакууме. Нанесение электродных покрытий вызывает изменение частоты пьезоэлемента, поэтому эта операция контролируется (по времени или непрерывным измерением частоты). После этого пластины прокаливают, чтобы стабилизировать структуру электродных покрытий.

В качестве материалов для электродных покрытий высокочастотных пьезоэлементов используют преимущественно серебро, а на частотах выше 30 МГц – алюминий.

Затем производится окончательная настройка частоты и монтаж пьезоэлемента в корпус. Окончательную настройку низкочастотных резонаторов чаще осуществляют подшлифовкой граней или ребер пьезоэлемента абразивным бруском. Широко используется также способ, известный как способ настроечных масс. На поверхность пьезоэлемента напаивают небольшие частицы припоя, массу которых затем можно либо уменьшать, либо увеличивать, изменяя тем самым частоту пьезоэлемента. Иногда используют способ настройки, основанный на увеличении или уменьшении массы нанесенных электродных покрытий. Указанные способы позволяют как повышать, так и понижать частоту пьезоэлемента.

Высокочастотные пьезоэлементы настраивают изменением массы тонких электродных покрытий. На многих предприятиях для этого используют гальванический способ, при котором на электродные покрытия наращивают (или удаляют) тонкий слой металла (серебра, золота, никеля).

Более совершенным является способ вакуумной настройки, при котором на специальных вакуумных установках наносят тонкую пленку проводящего, плохо проводящего (резистивного) или непроводящего (диэлектрического) материала. При этом пьезоэлемент включают в схему генератора, что позволяет контролировать изменение частоты в течение всего процесса настройки, прекращая его в тот момент, когда частота окажется в пределах нужного допуска. Нанесение резистивных или диэлектрических пленок при настройке более предпочтительно, так как не сопровождается изменением и ухудшением спектральных характеристик, как это имеет место при нанесении проводящих пленок.

Широко используется также способ настройки частоты в газовом разряде, основанный на воздействии на поверхность электрода ионизированных частиц газа (ионная бомбардировка), вследствие чего частота резонаторов повышается. Этим способом возможна настройка частоты после герметизации резонаторов. Он используется также для настройки частоты вакуумных резонаторов. Для окончательной настройки частоты (чаще резонаторов в стеклянных баллонах) используют воздействие лазерного луча на электродные или специальные настроечные покрытия. Лазерная настройка широко применяется в производстве микро резонаторов.

Турмалин. Название от сингальского «турмали», что означает «камень, притягивающий пепел». В Европу с острова Цейлон (Шри-Ланка) был привезен голландскими купцами около 1703 г. 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 розового, реже бесцветный. Турмалин является пироэлектриком, у которого при нагревании или охлаждении появляются электрические заряды на поверхности кристалла. При нагревании один конец пироэлектрика заряжается положительно, а при охлаждении он же – отрицательно. Появление зарядов связано с изменением существующей поляризации при изменении температуры кристаллов. При трении электризуется, обладает сильным пьезоэлектрическим 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 большая механическая прочность, поэтому из него 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. Кристаллы сегнетовой соли получают из отходов виноделия. Сегнетоэлектричество впервые было открыто на кристаллах сегнетовой соли в 1920 г., поэтому класс, в который входит сегнетова соль и еще более 100 веществ, называется сегнетоэлектриками. Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной из осей кристалла). Причиной таких свойств является спонтанная поляризация сегнетиков. Из-за особо сильного взаимодействия частиц сегнетик можно разделить не на отдельные молекулы, а на целые области, электрические домены. Домен – область кристалла с однородной атомно-кристаллической, магнитной или электрической структурами, закономерным образом повернутыми и (или) сдвинутыми друг относительно друга. Внутри домена возникает большой электрический момент даже в отсутствии внешнего поля. Однако ориентированы они весьма хаотически, и суммарная поляризованность близка к нулю (рисунок 50). Во внешнем поле

поляризованность доменов становится со направленной с ним, а если убрать поле, то сохраняется остаточная поляризация.

Сегнетова соль гигроскопична. 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.

Естественные пьезоэлектрические кристаллы в своем большинстве очень хрупки и не выдерживают больших механических нагрузок или имеют низкую температуру плавления, при которой они теряют пьезоэлектрические свойства и больше не восстанавливают их. Поэтому в науке и технике получили применение синтетические пьезоэлектрические материалы.

Ниобат лития. Ниобат лития (рисунок 51) – синтетический монокристалл – соединение ниобия, лития и кислорода. 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 низкой добротности, ниобат лития является перспективным материалом для изготовления преобразователей различного назначения. Тонкие 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.

Также в настоящее время все важные пьезоэлектрические монокристаллы, такие как дигидрофосфат аммония, ортофосфат галлия и сложные оксиды лантана и галлия, выращиваются искусственно.

Хотя новые монокристаллические пьезоматериалы продолжают разрабатывать и сейчас, наиболее широко применяемым классом пьезоэлектрических материалов являются поликристаллические пьезокерамические материалы. Они обладают гораздо более богатым набором полезных характеристик, а также способны функционировать в более широком диапазоне рабочих условий.

По физическим свойствам пьезокерамика – поликристаллические сегнетоэлектрики (сегнетоэлектрики – монокристаллические и поликристаллические вещества, которые способны поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля при температуре ниже фазового перехода – точки Кюри), представляющий собой химическое соединение или твердый раствор (порошок) зерен (кристаллитов). По химическому составу это сложный оксид, состоящий из ионов свинца или бария, а также ионов титана или циркония. Кристаллическая структура пьезокерамики показана на рисунке 52, каждая частица которой состоит из «малого» иона четырехвалентного металла (обычно титана или циркония) в кристаллической решетке, «большого» иона двухвалентного металла (обычно свинца или бария), а также ионов кислорода О₂ (рисунок 52, а). При определенных условиях кристаллы приобретают тетрагональную или ромбогедральную симметрию, в результате чего кристалл получает дипольный момент (рис. 52, б). Путем изменения основного соотношения исходных материалов и введения добавок

синтезируют разные составы пьезокерамики, обладающие определенными электрофизическими и пьезоэлектрическими характеристиками.

Наибольшее распространение получила группа пьезокерамических материалов типа ЦТС (цирконата-титаната свинца). Вместе с тем используется керамика на основе титаната бария (ТБ) и титаната свинца (ТС). В последние годы разрабатываются новые пьезокерамические материалы со свойствами, позволяющими в некоторых случаях использовать их вместо более дорогостоящих пьезоэлектрических кристаллов. В частности, разработана и производится группа материалов на основе ниобата свинца, которая уже нашла практическое применение благодаря возможности ее использования в диапазоне частот до 30 и более МГц. Значительные исследования проводятся по созданию пьезокерамических композитных материалов, а также многослойной керамики. Зарубежные производители в зависимости от пьезоэлектрических свойств делят ее на сегнетожесткую и сегнетомягкую. В отечественной практике существует дополнительное деление на керамику средней сегнетожесткости, а также выделяются высокостабильные, высокотемпературные и т. п. материалы.

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. Пьезокерамические элементы изготавливаются путем смешивания нескольких составляющих, последующего прессования или литья, затем обжигаются на воздухе при температуре 1000–1400 градусов по Цельсию. С целью уменьшения пористости обжиг может проводиться в среде кислорода. По специальной технологии на поверхность заготовок наносятся электроды, состоящие обычно из серебра, которые предназначены для формирования в теле пьезопластины электрического поля (при подаче на них электрического напряжения). Эти же электроды используются для снятия электрического заряда с пьезопластины при регистрации ультразвуковых волн. После изготовления элемента он еще не является пьезоэлектриком, так как диполи в нем оказываются параллельны только внутри каждого домена, в то время как сами области поляризованы хаотически. Упругая деформация набора хаотически поляризованных диполей не может привести к ассиметричному искажению распределения зарядов и поэтому не может вызвать пьезоэлектрический эффект. Поэтому последняя стадия производства пьезоэлектрической керамики всегда заключается в наложении сильного электрического поля при повышенной температуре. Электрическое поле выбирается из расчета 1000 В на 1 мм толщины пластины при температуре ниже точки Кюри в течение не менее 4 часов. Поляризация обычно является окончательным процессом при изготовлении пьезокерамических элементов, хотя за ним следует термостабилизация и контроль параметров. Под влиянием постоянного электрического поля все домены ориентируются 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 (рисунок 53).

Пьезоэлектрическая керамика представляет собой твердый, химически инертный материал, совершенно нечувствительный к влажности и другим атмосферным воздействиям. По механическим качествам она подобна керамическим изоляторам.

В зависимости от предназначения пьезоэлементы могут иметь самую разнообразную конфигурацию (рисунок 54) – от плоской до объемной (сферы, полусферы и т.п.), следовательно, такие преобразователи могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении. Для направленного излучения и приема ультразвука применяют плоские пьезоэлементы.

Рисунок 54 – Пьезокерамические элементы

Особенность пьезопластин, изготовленных из пьезокерамики состоит в том, что при работе их при повышенной температуре снижается их эффективность преобразования. Допустимая температура нагрева пьезопластины на 20–50 °С ниже температуры аллотропического превращения для кварца, точек Кюри для пьезокерамики, температуры размягчения для ПВДФ.

Титанат 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 технологии изготовления пьезоэлементов делают этот материал по-прежнему распространенным в технике. У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз больше, чем у кварца при очень небольшой стоимости. Недостатком титаната бария являются большие механические и диэлектрические потери, что приводит его к перегреву. Кроме того, при температуре свыше 90 °С (точки Кюри) существенно снижается пьезоэлектрический эффект, его часто приходиться поляризовать повторно.

Титанат цирконат свинца. Твердые растворы титаната свинца обладают очень высокими значениями пьезоэлектрических характеристик. Они не растворимы в воде и имеют точку Кюри до 330 °С. На основе твердых растворов титаната свинца разработаны серии технологических пьезокерамических материалов, условное наименование ЦТС (за рубежом PZT) – ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС-3, ЦТСНВ-1, РZT-5H, PZT-8 и др.

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. Если температура ЦТС поднимается выше 290 ºС (точка Кюри), он располяризуется.

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

2.4 Пьезоэлектрики – полимеры

Некоторые полимерные материалы в виде механически ориентированных и поляризованных в электрическом поле пленок являются полярными текстурами, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект. В настоящее время единственно выпускаемыми промышленностью пьезоэлектрическими полимерами являются поливинилденфторид (ПВДФ) и его сополимеры с трифторэтиленом и тетрафторэтиленом.

ПВДФ – частично кристаллический синтетический полимер с химической формулой (СН₂—СF₂)_n. Он производится в виде тонких пленок, растянутых вдоль плоскости пленки и поляризованных перпендикулярно этой плоскости для создания пьезосвойств.

Обработка ПВДФ для придания ему пьезосвойств (рисунок 55). В отлитой из расплава пленке полимера кристаллиты размером от десятков до сотен нанометров хаотически распределены между аморфными областями (вверху на рисунке). Растяжение полимерной пленки (в центре на рисунке) приводит к выпрямлению полимерных цепей в аморфных областях в плоскости пленки и способствует однородному вращению кристаллитов при наложении электрического поля. Поляризация по толщине пленки (например, с использованием осажденных металлических электродов) придает пленке пьезоэлектрические свойства (внизу на рисунке).

ПВДФ – эластичная полимерная пленка, которой можно придавать практически любую форму. У нее небольшое удельное сопротивление, что облегчает согласование с иммерсионной жидкостью. Радиальные колебания близки к нулю, механическая добротность очень низкая. Существуют пленки на очень высокие частоты (до 100 МГц).

Некоторые технические характеристики пьезоматериалов приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Технические характеристики пьезоматериалов.

Пьезоэлектрический эффект — Пьезоэлектрические двигатели и системы движения

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект — это способность определенных материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Пьезоэлектрическое слово происходит от греческого пьезеина, что означает «сжать или нажать», и пьезо, что по-гречески означает «толкать».

Одной из уникальных характеристик пьезоэлектрического эффекта является то, что он является обратимым, то есть материалы, демонстрирующие прямой пьезоэлектрический эффект (генерирование электричества при приложении напряжения), также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (генерация напряжения, когда электрическое поле приложенный).

Когда пьезоэлектрический материал находится под механическим напряжением, происходит смещение положительных и отрицательных центров заряда в материале, что приводит к появлению внешнего электрического поля. Когда обратное, внешнее электрическое поле либо растягивает, либо сжимает пьезоэлектрический материал.

Пьезоэлектрический эффект очень полезен во многих приложениях, которые включают в себя создание и обнаружение звука, генерацию высокого напряжения, генерацию электронных частот, микробалансы и сверхтонкую фокусировку оптических сборок.Это также основа ряда научных инструментальных методов с атомным разрешением, таких как сканирующие зондовые микроскопы (STM, AFM и т. Д.). Пьезоэлектрический эффект также находит применение в более обыденных приложениях, например, в качестве источника зажигания для зажигалок.

История пьезоэффекта

Прямой пьезоэлектрический эффект впервые был замечен в 1880 году и был инициирован братьями Пьером и Жаком Кюри. Объединив свои знания о пироэлектричестве с пониманием кристаллической структуры и поведения, братья Кюри продемонстрировали первый пьезоэлектрический эффект, используя кристаллы турмалина, кварца, топаза, тростникового сахара и соли Рошелля.Их первоначальная демонстрация показала, что кварц и соль Рошеля показали наибольшую пьезоэлектрическую способность в то время.

В течение следующих нескольких десятилетий пьезоэлектричество оставалось в лаборатории, над чем нужно экспериментировать, поскольку была предпринята дополнительная работа для изучения огромного потенциала пьезоэлектрического эффекта. Начало Первой мировой войны ознаменовалось введением первого практического применения пьезоэлектрических устройств, которое было эхолотным устройством. Это первоначальное использование пьезоэлектричества в гидролокаторе вызвало большой международный интерес к разработке пьезоэлектрических устройств.В течение следующих нескольких десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые применения этих материалов.

Во время Второй мировой войны исследовательские группы в США, России и Японии обнаружили новый класс искусственных материалов, называемый сегнетоэлектриками, который демонстрировал пьезоэлектрические постоянные во много раз выше, чем природные пьезоэлектрические материалы. Хотя кварцевые кристаллы были первым коммерчески используемым пьезоэлектрическим материалом и все еще использовались в приложениях для обнаружения гидролокатора, ученые продолжали искать более эффективные материалы.Это интенсивное исследование привело к разработке титаната бария и цирконата свинца, двух материалов, которые имели очень специфические свойства, подходящие для конкретных применений.

Пьезоэлектрические материалы

Существует много материалов, как натуральных, так и искусственных, которые обладают рядом пьезоэлектрических эффектов. Некоторые природные пьезоэлектрические материалы включают берлинит (структурно идентичный кварцу), тростниковый сахар, кварц, соль Рошеля, топаз, турмалин и кость (сухая кость проявляет некоторые пьезоэлектрические свойства благодаря кристаллам апатита, и пьезоэлектрический эффект обычно считается действующим в качестве датчика биологической силы).Пример искусственных пьезоэлектрических материалов включает титанат бария и цирконат титаната свинца.

В последние годы из-за растущей озабоченности по поводу токсичности в устройствах, содержащих свинец, и директивы RoHS, принятой в Европейском союзе, был сделан шаг к разработке бессвинцовых пьезоэлектрических материалов. На сегодняшний день эта инициатива по разработке новых бессвинцовых пьезоэлектрических материалов привела к появлению множества новых пьезоэлектрических материалов, которые являются более экологически безопасными.

Приложения, наиболее подходящие для пьезоэлектрического эффекта

Из-за внутренних характеристик пьезоэлектрических материалов существует множество применений
, которые выигрывают от их использования:

Источники высокого напряжения и питания

Примером применения в этой области является электрический прикуриватель, в котором нажатие кнопки приводит к попаданию пружинного молотка в пьезоэлектрический кристалл, в результате чего создается достаточно высокое напряжение, при котором электрический ток протекает через небольшой искровой промежуток, нагревая и зажигая газ.Большинство типов газовых горелок и диапазонов имеют встроенные пьезоинжекционные системы впрыска.

Датчики

Принцип действия пьезоэлектрического датчика заключается в том, что физическое измерение, преобразованное в силу, воздействует на две противоположные стороны чувствительного элемента. Обнаружение колебаний давления в форме звука является наиболее распространенным применением датчика, которое наблюдается в пьезоэлектрических микрофонах и пьезоэлектрических датчиках для гитар с электрическим усилением. В частности, пьезоэлектрические датчики 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, превышающей микрометр, что делает пьезокристаллы важным инструментом для позиционирования объектов с предельной точностью, что делает их идеальными для использования в двигатели, такие 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 его двигаться в нужном направлении.Движение генерируется, когда пьезоэлектрический элемент движется против статической платформы (такой как керамические полоски).

Характеристики пьезоэлектрических материалов обеспечили совершенную технологию, на основе которой Nanomotion разработала различные линейки уникальных пьезоэлектрических двигателей. Используя запатентованную пьезоэлектрическую технологию, Nanomotion разработала различные серии двигателей, размеры которых варьируются от одного элемента (обеспечивающего 0,4 кг силы) до восьмиэлементного двигателя (обеспечивающего 3,2 кг силы). Двигатели Nanomotion способны приводить в движение как линейные, так и вращающиеся ступени, и имеют широкий динамический диапазон скорости от нескольких микрон в секунду до 250 мм / с и могут легко устанавливаться на традиционные ступени с низким коэффициентом трения или другие устройства.Эксплуатационные характеристики двигателей Nanomotion обеспечивают внутреннее торможение и способность устранять колебания сервопривода в статическом положении.

,

пьезоэлектрических материалов: применение стандартов

Ранее в блоге мы подробно описали стандарты, используемые для описания пьезоэлектрических материалов. В COMSOL Multiphysics поддерживаются два стандарта пьезоэлектрических материалов: стандарт IRE 1949 и стандарт IEEE 1978. Сегодня мы продемонстрируем, как настроить ориентацию кристалла, в частности кварцевой пластины AT-Cut, в рамках обоих стандартов.

Настройка ориентации кристалла в двух стандартах

Чтобы настроить ориентацию кристалла в COMSOL Multiphysics, необходимо указать ориентацию кристаллографических осей относительно глобальных координатных осей, используемых для определения геометрии.Это отличается от способа, которым стандарты определяют ориентацию кристалла. Таким образом, некоторая осторожность необходима при определении ориентации геометрии. Например, ориентация осей кристалла изменится, если изменить ориентацию пластины. Здесь мы покажем, как установить кварцевую пластину с разрезом AT в различных ориентациях в физической геометрии.

В предыдущем сообщении в блоге мы подробно обсудили систему, которая используется как в стандарте IEEE 1978, так и в стандарте IRE 1949.Из-за различий в ориентации кристаллографических осей, указанных в каждом стандарте, определение резания AT различается между ними. В приведенной ниже таблице показаны оба определения отрезка AT:

стандарт	AT Cut Определение
IRE 1949	(YXl) 35,25 °
IEEE 1978	(YXl) -35,25 °

Различие между стандартами можно понять, напомнив, что вырезанная из кристалла пластина имеет ориентацию, определенную l — w — t Набор осей ( l — w — t стойки для длины, ширины и толщины).Первые две буквы, приведенные в скобках в определении разреза — Y и X — определяют кристаллические оси, с которыми первоначально совмещены оси l, и t . Затем выполняется вращение на 35,25 ° вокруг оси × . Смысл вращения различается между стандартами, так как свойства материала определяются относительно различных наборов осей в стандартах. Это показано на рисунке ниже, который показывает, что поворот вокруг оси × в положительном смысле для стандарта 1978 года, но в отрицательном смысле для стандарта 1949 года.

А-Т срез кварца (лиловый кубоид), показанный вместе с правосторонним кристаллом кварца. Показаны наборы осей, принятые стандартом IRE 1949 и стандартом IEEE 1978, а также ориентации осей l — w — t , установленных на пластине.

Существует еще одно тонкое различие между двумя стандартами. Так как разрез AT определен в двух стандартах, направления толщины и длины меняются местами (показано на рисунке выше).Из рисунка видно, что для получения точно такой же ориентации пластины, что и у стандарта 1949 года, стандарт 1978 года потребует дополнительного поворота на 180 ° относительно направления × . В этом случае резание AT в стандарте 1978 года будет определяться как: (YXlw) -35,25 ° 180 °. Мы должны тщательно учитывать эти различия между стандартами при настройке модели в COMSOL Multiphysics.

Глобальная система координат

Один из способов настроить модель — это выровнять глобальную систему координат по осям кристалла и просто повернуть пластину, чтобы соответствовать первой фигуре.Как мы увидим, этот метод совершенно корректен, хотя и приводит к довольно неудобной спецификации геометрии.

Вместо этого мы рассмотрим, как определить ориентацию материала для отрезанного AT кварцевого диска. В этой модели COMSOL Multiphysics ориентация кристалла определяется выбором системы координат в окне настроек пьезоэлектрического материала. Ориентация кристалла задается через пользовательскую систему координат, которая выбрана в поле со списком системы координат, как показано ниже.Этот пример основан на упрощенной версии учебника по кварцевому генератору с режимом толщины среза, доступного в нашей галерее приложений.

Изменение системы координат пьезоэлектрического материала в COMSOL Multiphysics.

В приведенном выше примере для материала используется левый кварц, определенный в стандарте 1978 года. Если мы хотим использовать глобальную систему координат для ориентации кристалла, то кварцевый диск должен быть ориентирован так, как показано на первом рисунке, с осями, настроенными для стандарта 1978 года.Это может быть достигнуто вращением цилиндра вокруг оси x .

Операция вращения применяется к кварцевому цилиндру.

Изображения ниже показывают реакцию устройства, когда оно настроено в выбранной ориентации. Кристалл вибрирует в режиме сдвига толщины. Чтобы получить этот ответ, используйте Исследование 1 в файле галереи приложений COMSOL Multiphysics и решите для одной частоты 5,095 МГц.

Стандарт IRE 1949	Стандарт IEEE 1978

Режим толщины сдвига кристалла AT для той же пластины, установленной в стандартах IRE 1949 (слева) и IEEE 1978 (справа).Частота возбуждения составляет 5,095 МГц. В обоих случаях глобальные координатные оси в COMSOL Multiphysics соответствуют кристаллическим осям.

Настроить модель в соответствии со стандартом IRE 1949 года несложно, поскольку COMSOL Multiphysics включает в себя свойства материала как для левого, так и для правого кварца в каждом стандарте. Чтобы использовать альтернативный стандарт, просто добавьте к модели материал Quartz LH (1949) и выберите кварцевый диск. Это заменит ранее добавленный материал.Затем измените угол поворота диска на -54,75º, чтобы ориентировать диск, эквивалентный пластине, показанной на первом рисунке. Рисунок выше показывает, что при выполнении этих шагов стандарт 1949 года дает тот же результат, что и стандарт 1978 года. Хотя эти две фигуры кажутся идентичными, глобальные оси были повернуты так, что они соответствуют наборам двух осей на первой фигуре.

Как показывает этот пример, можно использовать глобальную систему координат для осей кристалла.Однако для разреза, такого как разрез АТ, это приводит к необычной ориентации пластины в геометрии. В реальных приложениях можно использовать несколько пьезоэлементов в разных ориентациях, и тогда этот подход не может быть использован для всех кристаллов. Поэтому зачастую удобнее задавать ориентацию кристалла с помощью повернутой системы координат.

Поворотная система координат

В среде COMSOL Multiphysics наиболее удобный способ задания повернутой системы координат — это набор углов Эйлера.Углы Эйлера, требуемые для данного среза кристалла, будут варьироваться для разных ориентаций пластины относительно глобальных координат модели. Теперь мы рассмотрим, как задать углы Эйлера для двух различных ориентаций пластины в обоих доступных стандартах.

Лучший способ определить углы Эйлера, требуемые в рамках данного стандарта, — это тщательно нарисовать диаграмму, которая определяет ориентацию осей l, — w, — t, относительно осей кристалла.Обратите внимание, что на некоторых рисунках для стандарта 1978 года l , w и t помечены как размеры пластины, а не как набор правосторонних осей. Лучше всего убедиться, что они нарисованы как набор правых осей, чтобы избежать возможной путаницы при определении углов Эйлера для пластины в модели COMSOL Multiphysics. Углы Эйлера определяют ориентацию кристаллографических осей ( X _cr — Y _cr — Z _cr ) относительно глобальной системы координат ( X _g — Y _г — (г _г ).Следовательно, как ориентация пластины относительно глобальной системы, так и огранка кристалла определяют углы Эйлера.

В качестве примера рассмотрим случай, когда глобальные оси X _г — Y _г — Z _г выровнены с осями l — w — t ( соответствует пластине, с ее толщиной в направлении Zg ). Часто это наиболее удобный способ ориентировать пластину в пределах большей геометрии.На рисунке ниже показано, что происходит, когда мы берем первую фигуру и поворачиваем пластину так, чтобы оси l, , w и t соответствовали глобальным осям X _g — Y _g — Z _г в рамках двух стандартов. Для удобства сравнения с исходным рисунком глобальные оси не совпадают для двух стандартов.

Повернутые версии, так что оси l , w и t соответствуют глобальным осям X _g — Y _g — Z _g в рамках стандарта 1949 ( слева) и стандарт 1978 года (справа).Оси Y и Z лежат в одной плоскости.

На следующем рисунке показаны необращенные и повернутые оси, если смотреть на вид сбоку первого рисунка. Эта диаграмма представляет более простой подход «бумага и карандаш» для определения углов Эйлера.

	Стандарт IRE 1949	Стандарт IEEE 1978
Ориентация по не повернутым осям
Ориентация по повернутым осям

Заканчиваются виды ориентации осей при резке кристалла (вверху) и когда оси пластин ориентированы параллельно глобальным осям (внизу).

На следующем рисунке показано, как углы Эйлера задаются для повернутой системы в COMSOL Multiphysics. Произвольно повернутая система может быть задана вращением сначала вокруг оси Z , затем вокруг оси X (обозначено на рисунке ниже буквой N) и, наконец, еще раз вокруг оси Z , повернутой . Это известно как схема Z — X — Z .

Важно отметить, что для разрезов, заданных посредством нескольких поворотов, повороты обычно необходимо применять в обратном порядке при определении углов Эйлера.Это связано с тем, что программное обеспечение COMSOL Multiphysics определяет ориентацию кристалла по отношению к пластине, а стандарты, используемые для резки пластин из кристалла, определяют ориентацию пластины по отношению к кристаллу. Получить эквивалентные углы Эйлера на рисунке выше несложно.

	Z	Икс	Z
Стандарт IRE 1949	0 °	54.75 °	0 °
Стандарт IEEE 1978	0 °	125,25 °	0 °

Углы Эйлера для АТ в двух стандартах. Оба угла положительны для правостороннего вращения вокруг оси Z .

Указание системы координат с использованием углов Эйлера с помощью функции повернутой системы.

Если мы используем углы Эйлера, указанные в таблице выше, чтобы установить режим сдвига толщины для кварцевого диска, то мы получим результаты, показанные ниже для двух пластин с одинаковым возбуждением и ориентацией.Что пошло не так? Проблема состоит в том, что направление толщины для резания AT определяется в противоположных направлениях в рамках двух стандартов. Чтобы получить идентичные результаты для модели, использующей два стандарта, мы могли бы либо изменить полярность приводных электродов, либо попробовать использовать альтернативное определение среза AT 1979 г., предложенное выше: (YXlw) -35,25 ° 180 °. В качестве последнего упражнения давайте рассмотрим, как настроить углы Эйлера для этого двукратно повернутого разреза.

Стандарт IRE 1949 года: (YXl) 35.25 °	Стандарт IEEE 1978: (YXI) -35,25 °

Режим толщины сдвига кристалла AT для той же пластины, установленной в стандартах IRE 1949 и IEEE 1978, с частотой возбуждения 5,095 МГц. На каждом изображении глобальная ориентация оси показана слева, а ориентация кристаллической оси показана справа.Верхние изображения выровнены с глобальными координатами, а нижние изображения показаны с кристаллическими координатами в той же ориентации, что и на первом рисунке.

Ниже приведена последовательность вращений, участвующих в определении среза (YXlw) -35,25 ° 180 °, и последовательность Z — X — Z Эйлера, необходимая для поворота глобальных осей на оси кристалла. Соответствующие углы Эйлера приведены в таблице ниже. Обратите внимание, что порядок поворота для углов Эйлера является обратным порядку, указанному в определении разреза.

Стандарт IEEE 1978: (YXlw) -35,25 ° 180 °
1.Ориентируйте направление толщины (Z g ) вдоль оси Y кристалла (Y cr ) и направление ширины (X g ) вдоль оси X кристалла (X кр ).
2. Поверните срез на 35,35 ° вокруг оси l — (X g ).
3.Поверните срез на 180 ° вокруг оси w — (Y g ).
4. Переориентируйте рисунок выше, чтобы глобальные оси были в удобной ориентации.

Последовательность поворотов, соответствующая разрезу (YXlw) -35,25 ° 180 ° в стандарте IEEE 1978.

Эквивалентные углы Эйлера Z-X-Z
1.Начните с выравнивания кристалла и глобальных осей.
2. Поверните оси кристалла на 180 ° вокруг их оси Z (Z или ).
3. Поверните оси кристалла на -54,75 ° вокруг нового кристалла, ось X (X cr ).

Соответствующие вращения, которые определяют углы Эйлера кристаллических осей относительно глобальных осей.

	Икс	Z	Икс
Стандарт IEEE 1978: (YXlw) -35,25 ° 180 °	180 °	-54,75 °	0 °

Углы Эйлера для резки (YXlw) -35,25 ° 180 ° в стандарте IEEE 1978. Этот разрез соответствует точно такой же ориентации пластины в определении стандарта AT IRE 1949.

Наконец, на рисунке ниже показана частотная характеристика среза (YXlw) -35.25 ° 180 ° по сравнению со стандартом IRE 1949 AT cut. Как и ожидалось, ответы двух устройств теперь идентичны.

Стандарт IRE 1949 года: (YXl) 35,25 °	Стандарт IEEE 1978: (YXlw) -35,25 ° 180 °

Режим толщины сдвига AT-граненого кристалла, настроенного по стандарту IRE 1949, по сравнению с граненым (YXlw) -35.25 ° 180 ° в стандарте IEEE 1978 с частотой возбуждения 5,095 МГц. На каждом изображении глобальная ориентация оси показана слева, а ориентация кристаллической оси показана справа. Верхние изображения выровнены с глобальными координатами, а нижние изображения показаны с кристаллическими координатами в той же ориентации, что и на первом рисунке.

Дополнительная литература по пьезоэлектрическим материалам

,Фабрика пьезоэлектрических элементов

, изготовленная на заказ пьезоэлементная фабрика OEM / ODM Всего найдено 92 фабрики и компаний пьезоэлементов с 276 продуктами. Поставка высококачественных пьезоэлементов из нашего большого ассортимента заводов по производству надежных пьезоэлементов. Золотой участник

Тип бизнеса:	Производитель / Factory
Основная продукция:	Пьезоэлектрический Керамический
Mgmt.Сертификация:	ISO 9001
владение фабрикой:	Общество с ограниченной ответственностью
R & D Емкость:	ODM, OEM
Расположение:	Сучжоу, Цзянсу

Diamond Member

Тип бизнеса:	Производитель / Factory , Торговая компания
Основная продукция:	Солнечный элемент, зуммер, предохранитель и держатель предохранителя, клеммный блок, переключатель
Mgmt.Сертификация:	ISO 9001, ISO 9000
владение фабрикой:	Общество с ограниченной ответственностью
R & D Емкость:	OEM, собственный бренд
Расположение:	Нинбо, Чжэцзян

Золотой участник

Тип бизнеса:	Производитель / Factory , Торговая компания
Основная продукция:	Громкоговоритель, 3D-принтер, Разъем, Зуммер, Переключатель
Mgmt.Сертификация:	ISO 9001, ISO 9000
владение фабрикой:	Общество с ограниченной ответственностью
R & D Емкость:	OEM
Расположение:	Нинбо, Чжэцзян

Золотой участник

Тип бизнеса:	Производитель / Factory , Торговая компания
Основная продукция:	Пьезоэлектрик Керамика, ультразвуковой преобразователь
Mgmt.Сертификация:	ISO9001: 2015
владение фабрикой:	Общество с ограниченной ответственностью
R & D Емкость:	Собственная марка, ODM, OEM
Расположение:	Дунгуань, Гуандун

Тип бизнеса:	Производитель / Factory
Основная продукция:	Piezo Ceramic, Ультразвуковой преобразователь, Ультразвуковой измеритель уровня топлива
Mgmt.Сертификация:	ISO 9001, ISO 9000
R & D Емкость:	OEM, ODM
Расположение:	Ухань, Хубэй
Линии производства:	3

Тип бизнеса:	Производитель / Factory
Основная продукция:	Ультразвуковые датчики, Пьезоэлектрический Керамика, Пьезоцермический материал
Mgmt.Сертификация:	ISO 9001
владение фабрикой:	Общество с ограниченной ответственностью
R & D Емкость:	OEM, ODM, собственный бренд
Расположение:	Вэйфан, Шаньдун

Тип бизнеса:	Производитель / Factory , Торговая компания
Основная продукция:	Оборудование для рыбной муки, Оборудование для рыбной муки, Линия переработки рыбьего жира, Линия для производства рыбных консервов, Рыбные консервы
R & D Емкость:	OEM
Расположение:	Циндао, Шаньдун
Линии производства:	6

,