Piezoelektrik, piezoelektricitet - fenomenets fysik, typer, egenskaper och tillämpningar

Piezoelektrik Dielektrikum är markerade piezoelektrisk effekt.

Fenomenet piezoelektricitet upptäcktes och studerades 1880-1881 av de berömda franska fysikerna Pierre och Paul-Jacques Curie.

I mer än 40 år hittade piezoelektricitet inte praktisk tillämpning, och förblev fysiklaboratoriernas egendom. Det var först under första världskriget som den franske vetenskapsmannen Paul Langevin använde detta fenomen för att generera ultraljudsvibrationer i vatten från en kvartsplatta i syfte att lokalisera under vattnet ("ekolod").

Efter det blev ett antal fysiker intresserade av studiet av de piezoelektriska egenskaperna hos kvarts och några andra kristaller och deras praktiska tillämpningar. Bland deras många verk fanns flera mycket viktiga tillämpningar.

Till exempel, 1915 S.Butterworth visade att kvartsplattan som ett endimensionellt mekaniskt system, som exciteras på grund av växelverkan mellan ett elektriskt fält och elektriska laddningar, kan representeras som en ekvivalent elektrisk krets med kapacitans, induktans och resistor kopplade i serie.

Butterworth introducerade en kvartsplatta som en oscillatorkrets och var den första som föreslog en likvärdig krets för en kvartsresonator, som är grunden för allt efterföljande teoretiskt arbete. från kvartsresonatorer.

Den piezoelektriska effekten är direkt och omvänd. Den direkta piezoelektriska effekten kännetecknas av den elektriska polariseringen av dielektriket, som uppstår på grund av verkan av en extern mekanisk påkänning på det, medan laddningen som induceras på dielektrikets yta är proportionell mot den applicerade mekaniska spänningen:

Med den omvända piezoelektriska effekten manifesterar fenomenet sig tvärtom - dielektrikumet ändrar sina dimensioner under inverkan av ett yttre elektriskt fält som appliceras på det, medan storleken på den mekaniska deformationen (relativ deformation) kommer att vara proportionell mot styrkan hos det elektriska fältet som appliceras på provet:

Proportionalitetsfaktorn i båda fallen är piezomodulen d. För samma piezoelektriska är piezomodulerna för direkt (dpr) och omvänd (drev) piezoelektrisk effekt lika med varandra. Således är piezoelektrik en typ av reversibla elektromekaniska givare.

Longitudinell och tvärgående piezoelektrisk effekt

Den piezoelektriska effekten, beroende på typ av prov, kan vara längsgående eller tvärgående.I fallet med den longitudinella piezoelektriska effekten genereras laddningar som svar på töjning eller töjning som svar på ett externt elektriskt fält i samma riktning som den initierande åtgärden. Med den tvärgående piezoelektriska effekten kommer utseendet av laddningar eller deformationsriktningen att vara vinkelrät mot riktningen för effekten som orsakar dem.

Om ett alternerande elektriskt fält börjar verka på en piezoelektrisk, kommer en alternerande deformation med samma frekvens att visas i den. Om den piezoelektriska effekten är longitudinell, kommer deformationerna att ha karaktären av kompression och spänning i riktningen för det applicerade elektriska fältet, och om det är tvärgående, kommer tvärgående vågor att observeras.

Om frekvensen för det applicerade elektriska växelfältet är lika med resonansfrekvensen för piezoelektriken, kommer amplituden för den mekaniska deformationen att vara maximal. Provets resonansfrekvens kan bestämmas med formeln (V är utbredningshastigheten för mekaniska vågor, h är provets tjocklek):

Den viktigaste egenskapen hos det piezoelektriska materialet är den elektromekaniska kopplingskoefficienten, som indikerar förhållandet mellan kraften hos mekaniska vibrationer Pa och den elektriska kraft Pe spenderar på deras excitation genom att stöta på provet. Denna koefficient har vanligtvis ett värde i intervallet 0,01 till 0,3.

Piezoelektrik kännetecknas av en kristallstruktur av ett material med en kovalent eller jonisk bindning utan ett symmetricentrum. Material med låg ledningsförmåga, i vilka det finns försumbara gratis laddningsbärare, utmärks av höga piezoelektriska egenskaper.Piezoelektrik inkluderar all ferroelektrik, såväl som en mängd kända material, inklusive den kristallina modifieringen av kvarts.

Enkristall piezoelektrik

Denna klass av piezoelektrik inkluderar jonisk ferroelektrik och kristallin kvarts (beta-kvarts SiO2).

En enda kristall av beta-kvarts har formen av ett sexkantigt prisma med två pyramider på sidorna. Låt oss lyfta fram några kristallografiska riktningar här. Z-axeln passerar genom pyramidernas spetsar och är kristallens optiska axel. Om en platta skärs från en sådan kristall i en riktning vinkelrät mot den givna axeln (Z), kan den piezoelektriska effekten inte uppnås.

Rita X-axlarna genom hexagonens hörn, det finns tre sådana X-axlar. Om du skär plattorna vinkelrätt mot X-axlarna så får vi ett prov med bäst piezoelektrisk effekt. Det är därför X-axlarna kallas elektriska axlar i kvarts. Alla tre Y-axlar ritade vinkelrätt mot sidorna av kvartskristallen är mekaniska axlar.

Denna typ av kvarts tillhör svag piezoelektrik, dess elektromekaniska kopplingskoefficient är i intervallet 0,05 till 0,1.

Kristallin kvarts har haft den största tillämpbarheten tack vare sin förmåga att upprätthålla piezoelektriska egenskaper vid temperaturer upp till 573 ° C. Piezoelektriska kvartsresonatorer är inget annat än planparallella plattor med elektroder fästa på dem. Sådana element kännetecknas av en uttalad naturlig resonansfrekvens.

Litiumniobite (LiNbO3) är ett allmänt använt piezoelektriskt material relaterat till jonferroelektrik (tillsammans med litiumtantalat LiTaO3 och vismutgermanat Bi12GeO20).Joniska ferroelektriska ämnen förglödgas i ett starkt elektriskt fält vid en temperatur under Curie-punkten för att föra dem till ett endomänstillstånd. Sådana material har högre koefficienter för elektromekanisk koppling (upp till 0,3).

Kadmiumsulfid CdS, zinkoxid ZnO, zinksulfid ZnS, kadmiumselenid CdSe, galliumarsenid GaAs, etc. De är exempel på föreningar av halvledartyp med en jonisk-kovalent bindning. Dessa är de så kallade piezo-halvledarna.

På basis av dessa dipolferroelektriska ämnen erhålls också etylendiamintartrat C6H14N8O8, turmalin, enkristaller av Rochelle-salt, litiumsulfat Li2SO4H2O - piezoelektrik.

Polykristallin piezoelektrik

Ferroelektrisk keramik tillhör polykristallin piezoelektrik. För att ge piezoelektriska egenskaper till ferroelektrisk keramik måste sådan keramik polariseras i en timme i ett starkt elektriskt fält (med en styrka på 2 till 4 MV / m) vid en temperatur på 100 till 150 ° C, så att efter denna exponering , polarisering kvarstår i den, vilket gör det möjligt att erhålla en piezoelektrisk effekt. Sålunda erhålls robust piezoelektrisk keramik med piezoelektriska kopplingskoefficienter på 0,2 till 0,4.

Piezoelektriska element med den erforderliga formen är gjorda av piezokeramik för att sedan erhålla mekaniska vibrationer av erforderlig karaktär (längsgående, tvärgående, böjning). Huvudrepresentanterna för industriell piezokeramik är gjorda på basis av bariumtitanat, kalcium, bly, blyzirkonat-titanat och bariumblyniobat.

Polymer piezoelektrik

Polymerfilmer (t.ex. polyvinylidenfluorid) sträcks med 100-400 %, polariseras sedan i ett elektriskt fält och sedan appliceras elektroder genom metallisering. Således erhålls piezoelektriska filmelement med en elektromekanisk kopplingskoefficient av storleksordningen 0,16.

Tillämpning av piezoelektrik

Separata och sammankopplade piezoelektriska element kan hittas i form av färdiga radiotekniska enheter - piezoelektriska givare med elektroder fästa på dem.

Sådana anordningar, gjorda av kvarts, piezoelektrisk keramik eller jonisk piezoelektrik, används för att generera, transformera och filtrera elektriska signaler. En planparallell platta skärs från en kvartskristall, elektroder är fästa - en resonator erhålls.

Frekvensen och Q-faktorn för resonatorn beror på vinkeln mot de kristallografiska axlarna vid vilka plattan skärs. Typiskt, i radiofrekvensområdet upp till 50 MHz, når Q-faktorn för sådana resonatorer 100 000. Dessutom används piezoelektriska omvandlare i stor utsträckning som piezoelektriska transformatorer med hög ingångsimpedans, för ett typiskt brett frekvensområde.

När det gäller kvalitetsfaktor och frekvens överträffar kvarts jonpiezoelektrik, som kan arbeta vid frekvenser upp till 1 GHz. De tunnaste litiumtantalatplattorna används som sändare och mottagare av ultraljudsvibrationer med en frekvens på 0,02 till 1 GHz, i resonatorer, filter, fördröjningslinjer för akustiska ytvågor.

Tunna filmer av piezoelektriska halvledare avsatta på dielektriska substrat används i interdigitala givare (här används variabla elektroder för att excitera akustiska ytvågor).

Lågfrekventa piezoelektriska givare är gjorda på basis av dipolferroelektrik: miniatyrmikrofoner, högtalare, pickuper, sensorer för tryck, deformation, vibrationer, acceleration, ultraljudssändare.