Pjezoelektra, pjezoelektra – reiškinio fizika, tipai, savybės ir pritaikymas

Pjezoelektra Dielektrikai yra paryškinti pjezoelektrinis efektas.

Pjezoelektros fenomeną 1880-1881 metais atrado ir ištyrė garsūs prancūzų fizikai Pierre'as ir Paulas-Jacques'as Curie.

Daugiau nei 40 metų pjezoelektra nerado praktinio pritaikymo ir liko fizikos laboratorijų nuosavybe. Tik Pirmojo pasaulinio karo metais prancūzų mokslininkas Paulas Langevinas panaudojo šį reiškinį, kad iš kvarco plokštės sukurtų ultragarso virpesius vandenyje, kad nustatytų vietą po vandeniu („garso“).

Po to nemažai fizikų susidomėjo kvarco ir kai kurių kitų kristalų pjezoelektrinių savybių tyrimais ir jų praktiniu pritaikymu. Tarp daugelio jų darbų buvo keletas labai svarbių pritaikymų.

Pavyzdžiui, 1915 m.Butterworthas parodė, kad kvarco plokštę kaip vienmatę mechaninę sistemą, kuri sužadinama dėl elektrinio lauko ir elektros krūvių sąveikos, galima pavaizduoti kaip lygiavertę elektros grandinę su nuosekliai sujungta talpa, induktyvumu ir rezistorius.

Pristatęs kvarcinę plokštę kaip osciliatoriaus grandinę, Butterworthas pirmasis pasiūlė lygiavertę kvarco rezonatoriaus grandinę, kuri yra viso tolesnio teorinio darbo pagrindas. iš kvarco rezonatorių.

Pjezoelektrinis efektas yra tiesioginis ir atvirkštinis. Tiesioginiam pjezoelektriniam efektui būdinga dielektriko elektrinė poliarizacija, kuri atsiranda dėl išorinio mechaninio įtempio poveikio, o dielektriko paviršiuje sukeltas krūvis yra proporcingas taikomam mechaniniam įtempiui:

Esant atvirkštiniam pjezoelektriniam efektui, reiškinys pasireiškia atvirkščiai – dielektrikas keičia savo matmenis veikiant jį išoriniam elektriniam laukui, o mechaninės deformacijos (santykinės deformacijos) dydis bus proporcingas jo stiprumui. bandiniui taikomas elektrinis laukas:

Abiem atvejais proporcingumo koeficientas yra pjezomodulis d. Tam pačiam pjezoelektriniui tiesioginio (dpr) ir atvirkštinio (drev) pjezoelektrinio efekto pjezomoduliai yra lygūs vienas kitam. Taigi pjezoelektrikai yra grįžtamųjų elektromechaninių keitiklių tipas.

Išilginis ir skersinis pjezoelektrinis efektas

Pjezoelektrinis efektas, priklausomai nuo mėginio tipo, gali būti išilginis arba skersinis.Išilginio pjezoelektrinio efekto atveju krūviai, reaguojant į deformaciją arba įtempimą, reaguojant į išorinį elektrinį lauką, generuojami ta pačia kryptimi kaip ir inicijuojantis veiksmas. Esant skersiniam pjezoelektriniam efektui, krūvių išvaizda arba deformacijos kryptis bus statmena juos sukeliančio poveikio krypčiai.

Jei pjezoelektrą pradeda veikti kintamasis elektrinis laukas, tada jame atsiras to paties dažnio kintamoji deformacija. Jei pjezoelektrinis efektas yra išilginis, tai deformacijos turės suspaudimo ir įtempimo pobūdį veikiančio elektrinio lauko kryptimi, o jei jis skersinis, tada bus stebimos skersinės bangos.

Jei taikomo kintamo elektrinio lauko dažnis lygus pjezoelektro rezonanso dažniui, tai mechaninės deformacijos amplitudė bus maksimali. Mėginio rezonanso dažnį galima nustatyti pagal formulę (V – mechaninių bangų sklidimo greitis, h – mėginio storis):

Svarbiausia pjezoelektrinės medžiagos charakteristika yra elektromechaninis sujungimo koeficientas, rodantis santykį tarp mechaninių virpesių jėgos Pa ir elektros galios Pe, sunaudotos jų sužadinimui, veikiant bandiniui. Šio koeficiento vertė paprastai yra nuo 0,01 iki 0,3.

Pjezoelektrikai būdinga medžiagos kristalinė struktūra su kovalentiniu arba joniniu ryšiu be simetrijos centro. Mažo laidumo medžiagos, kuriose yra nereikšmingų laisvųjų krūvininkų, išsiskiria didelėmis pjezoelektrinėmis charakteristikomis.Pjezoelektrikai apima visus feroelektrikus, taip pat daugybę žinomų medžiagų, įskaitant kristalinę kvarco modifikaciją.

Vieno kristalo pjezoelektra

Šiai pjezoelektrikų klasei priskiriami joniniai feroelektrikai ir kristalinis kvarcas (beta-kvarcinis SiO2).

Vienas beta kvarco kristalas yra šešiakampės prizmės formos su dviem piramidėmis šonuose. Pabrėžkime keletą kristalografinių krypčių. Z ašis eina per piramidžių viršūnes ir yra optinė kristalo ašis. Jei iš tokio kristalo išpjaunama plokštelė statmenai nurodytai ašiai (Z), tai pjezoelektrinio efekto pasiekti nepavyks.

Per šešiakampio viršūnes nubrėžkite X ašis, tokios X ašys yra trys. Jei plokštes pjausite statmenai X ašims, tai gausime pavyzdį su geriausiu pjezoelektriniu efektu. Štai kodėl X ašys vadinamos elektrinėmis kvarco ašimis. Visos trys Y ašys, nubrėžtos statmenai kvarco kristalo šonams, yra mechaninės ašys.

Šio tipo kvarcas priklauso silpniems pjezoelektrikams, jo elektromechaninis sujungimo koeficientas yra nuo 0,05 iki 0,1.

Kristalinis kvarcas turėjo didžiausią pritaikomumą dėl savo sugebėjimo išlaikyti pjezoelektrines savybes esant temperatūrai iki 573 ° C. Kvarciniai pjezoelektriniai rezonatoriai yra ne kas kita, kaip plokštumos lygiagrečios plokštės su prie jų pritvirtintais elektrodais. Tokie elementai išsiskiria ryškiu natūralaus rezonanso dažniu.

Ličio niobitas (LiNbO3) yra plačiai naudojama pjezoelektrinė medžiaga, susijusi su jonų feroelektrikais (kartu su ličio tantalatu LiTaO3 ir bismuto germanatu Bi12GeO20).Joninės feroelektrinės medžiagos iš anksto atkaitinamos stipriame elektriniame lauke žemesnėje nei Curie taško temperatūroje, kad jie būtų vieno domeno būsenoje. Tokios medžiagos turi didesnius elektromechaninio sukabinimo koeficientus (iki 0,3).

Kadmio sulfidas CdS, cinko oksidas ZnO, cinko sulfidas ZnS, kadmio selenidas CdSe, galio arsenidas GaAs ir kt. Tai puslaidininkinio tipo junginių su joniniu-kovalentiniu ryšiu pavyzdžiai. Tai yra vadinamieji pjezo puslaidininkiai.

Šių dipolių feroelektrikų pagrindu taip pat gaunami etilendiamino tartratas C6H14N8O8, turmalinas, pavieniai Rošelio druskos kristalai, ličio sulfatas Li2SO4H2O – pjezoelektrai.

Polikristaliniai pjezoelektrai

Feroelektrinė keramika priklauso polikristaliniams pjezoelektrikams. Kad feroelektrinei keramikai suteiktų pjezoelektrinių savybių, tokia keramika turi būti vieną valandą poliarizuota stipriame elektriniame lauke (kurio stiprumas nuo 2 iki 4 MV/m) 100–150 °C temperatūroje, kad po šio poveikio , jame išlieka poliarizacija, kuri leidžia gauti pjezoelektrinį efektą. Taip gaunama tvirta pjezoelektrinė keramika, kurios pjezoelektrinio sujungimo koeficientai yra nuo 0,2 iki 0,4.

Reikiamos formos pjezoelektriniai elementai gaminami iš pjezokeramikos, kad vėliau išgautų reikiamo pobūdžio mechaninius virpesius (išilginius, skersinius, lenkimo). Pagrindiniai pramoninės pjezokeramikos atstovai gaminami bario titanato, kalcio, švino, švino cirkonato-titanato ir bario švino niobato pagrindu.

Polimeriniai pjezoelektrai

Polimerinės plėvelės (pvz., polivinilideno fluoridas) ištemptos 100-400%, po to poliarizuojamos elektriniame lauke, o metalizuojant uždedami elektrodai. Taigi gaunami plėveliniai pjezoelektriniai elementai, kurių elektromechaninio sujungimo koeficientas yra 0,16.

Pjezoelektrikos taikymas

Atskirų ir tarpusavyje sujungtų pjezoelektrinių elementų galima rasti jau paruoštų radijo inžinerijos prietaisų – pjezoelektrinių keitiklių su prie jų pritvirtintais elektrodais pavidalu.

Tokie įtaisai, pagaminti iš kvarco, pjezoelektrinės keramikos arba joninės pjezoelektrikos, naudojami elektriniams signalams generuoti, transformuoti ir filtruoti. Iš kvarco kristalo išpjaunama plokštuma-lygiagreti plokštė, pritvirtinami elektrodai - gaunamas rezonatorius.

Rezonatoriaus dažnis ir Q koeficientas priklauso nuo kampo į kristalografines ašis, kuriomis plokštė pjaustoma. Paprastai radijo dažnių diapazone iki 50 MHz tokių rezonatorių Q koeficientas siekia 100 000. Be to, pjezoelektriniai keitikliai plačiai naudojami kaip pjezotransformatoriai su didele įėjimo varža, paprastai plačiam dažnių diapazonui.

Pagal kokybės faktorių ir dažnį kvarcas lenkia jonų pjezoelektrą, galintį veikti iki 1 GHz dažniais. Ploniausios ličio tantalato plokštės naudojamos kaip ultragarsinių virpesių, kurių dažnis nuo 0,02 iki 1 GHz, skleidėjai ir imtuvai, rezonatoriuose, filtruose, paviršinių akustinių bangų vėlinimo linijose.

Plonos pjezoelektrinių puslaidininkių plėvelės, nusodintos ant dielektrinių substratų, naudojamos tarpdigitiniuose keitikliuose (čia paviršinėms akustinėms bangoms sužadinti naudojami kintamieji elektrodai).

Dipolio feroelektrikos pagrindu gaminami žemo dažnio pjezoelektriniai keitikliai: miniatiūriniai mikrofonai, garsiakalbiai, imtuvai, slėgio, deformacijos, vibracijos, pagreičio jutikliai, ultragarsiniai emiteriai.