Piezoelektrika, piezoelektrika - fyzika jevu, druhy, vlastnosti a aplikace

Piezoelektrika Dielektrika jsou zvýrazněna piezoelektrický efekt.

Fenomén piezoelektriky objevili a zkoumali v letech 1880-1881 slavní francouzští fyzikové Pierre a Paul-Jacques Curieovi.

Více než 40 let piezoelektřina nenašla praktické uplatnění a zůstala majetkem fyzikálních laboratoří. Teprve během první světové války francouzský vědec Paul Langevin použil tento jev ke generování ultrazvukových vibrací ve vodě z křemenné desky za účelem podvodní lokalizace („sonder“).

Poté se řada fyziků začala zajímat o studium piezoelektrických vlastností křemene a některých dalších krystalů a jejich praktické aplikace. Mezi jejich mnoha pracemi bylo několik velmi důležitých aplikací.

Například v roce 1915 S.Butterworth ukázal, že křemennou desku jako jednorozměrný mechanický systém, který je vybuzen v důsledku interakce mezi elektrickým polem a elektrickými náboji, lze reprezentovat jako ekvivalentní elektrický obvod s kapacitou, indukčností a odporem zapojeným do série.

Butterworth představil křemennou desku jako obvod oscilátoru a jako první navrhl ekvivalentní obvod pro křemenný rezonátor, který je základem všech následujících teoretických prací. z křemenných rezonátorů.

Piezoelektrický efekt je přímý a inverzní. Přímý piezoelektrický jev je charakterizován elektrickou polarizací dielektrika, ke které dochází v důsledku působení vnějšího mechanického namáhání na dielektrikum, přičemž náboj indukovaný na povrchu dielektrika je úměrný použitému mechanickému namáhání:

Při zpětném piezoelektrickém jevu se jev projevuje opačně — dielektrikum mění své rozměry působením na něj působícího vnějšího elektrického pole, přičemž velikost mechanické deformace (relativní deformace) bude úměrná síle elektrické pole aplikované na vzorek:

Faktor úměrnosti je v obou případech piezomodul d. Pro stejný piezoelektrický jev jsou piezomoduly pro přímý (dpr) a reverzní (drev) piezoelektrický efekt navzájem shodné. Piezoelektrika jsou tedy typem reverzibilních elektromechanických měničů.

Podélný a příčný piezoelektrický jev

Piezoelektrický efekt v závislosti na typu vzorku může být podélný nebo příčný.V případě podélného piezoelektrického jevu se náboje v reakci na napětí nebo napětí v reakci na vnější elektrické pole generují ve stejném směru jako iniciační akce. Při příčném piezoelektrickém jevu bude vznik nábojů nebo směr deformace kolmý ke směru jevu, který je způsobuje.

Pokud na piezoelektrikum začne působit střídavé elektrické pole, pak se v něm objeví střídavá deformace se stejnou frekvencí. Pokud je piezoelektrický jev podélný, pak budou mít deformace charakter komprese a tahu ve směru působícího elektrického pole a pokud je příčný, pak budou pozorovány příčné vlny.

Pokud je frekvence aplikovaného střídavého elektrického pole rovna rezonanční frekvenci piezoelektrika, pak bude amplituda mechanické deformace maximální. Rezonanční frekvenci vzorku lze určit podle vzorce (V je rychlost šíření mechanických vln, h je tloušťka vzorku):

Nejdůležitější charakteristikou piezoelektrického materiálu je elektromechanický vazební koeficient, který udává poměr mezi silou mechanických vibrací Pa a elektrickým výkonem Pe vynaloženým na jejich vybuzení dopadem na vzorek. Tento koeficient obvykle nabývá hodnoty v rozmezí 0,01 až 0,3.

Piezoelektrika se vyznačují krystalovou strukturou materiálu s kovalentní nebo iontovou vazbou bez středu symetrie. Materiály s nízkou vodivostí, ve kterých jsou zanedbatelné volné nosiče náboje, se vyznačují vysokou piezoelektrickou charakteristikou.Piezoelektrika zahrnují všechna feroelektrika, stejně jako množství známých materiálů, včetně krystalické modifikace křemene.

Monokrystal piezoelektrika

Tato třída piezoelektrik zahrnuje iontová feroelektrika a krystalický křemen (beta-křemen SiO2).

Monokrystal beta křemene má tvar šestibokého hranolu se dvěma jehlany po stranách. Zdůrazněme zde několik krystalografických směrů. Osa Z prochází vrcholy pyramid a je optickou osou krystalu. Pokud se z takového krystalu vyřízne deska ve směru kolmém na danou osu (Z), nelze piezoelektrického jevu dosáhnout.

Nakreslete osy X vrcholy šestiúhelníku, existují tři takové osy X. Pokud desky rozříznete kolmo k osám X, dostaneme vzorek s nejlepším piezoelektrickým efektem. To je důvod, proč se osy X nazývají elektrické osy v křemeni. Všechny tři osy Y nakreslené kolmo ke stranám krystalu křemene jsou mechanické osy.

Tento typ křemene patří mezi slabá piezoelektrika, jeho elektromechanický vazebný koeficient se pohybuje v rozmezí 0,05 až 0,1.

Krystalický křemen má největší použitelnost díky své schopnosti udržovat piezoelektrické vlastnosti při teplotách až 573 ° C. Křemenné piezoelektrické rezonátory nejsou nic jiného než planparalelní desky s elektrodami, které jsou k nim připojeny. Takové prvky se vyznačují výraznou vlastní rezonanční frekvencí.

Lithiumniobit (LiNbO3) je široce používaný piezoelektrický materiál související s iontovými feroelektriky (spolu s lithium tantalátem LiTaO3 a vizmut germanátem Bi12GeO20).Iontová feroelektrika jsou předem žíhána v silném elektrickém poli při teplotě pod Curieovým bodem, aby se dostala do stavu jedné domény. Takové materiály mají vyšší koeficienty elektromechanické vazby (až 0,3).

Sulfid kademnatý CdS, oxid zinečnatý ZnO, sulfid zinečnatý ZnS, selenid kadmia CdSe, arsenid galia GaAs atd. Jsou to příklady sloučenin polovodičového typu s iontově-kovalentní vazbou. Jedná se o takzvané piezo polovodiče.

Na základě těchto dipólových feroelektrik se dále získávají ethylendiamintartrát C6H14N8O8, turmalín, monokrystaly Rochelleovy soli, síran lithný Li2SO4H2O — piezoelektrika.

Polykrystalická piezoelektrika

Feroelektrická keramika patří mezi polykrystalické piezoelektriky. Aby se feroelektrické keramice propůjčily piezoelektrické vlastnosti, musí být taková keramika polarizována po dobu jedné hodiny v silném elektrickém poli (o síle 2 až 4 MV/m) při teplotě 100 až 150 °C, takže po této expozici , zůstává v něm polarizace, což umožňuje získat piezoelektrický efekt. Získá se tak robustní piezoelektrická keramika s piezoelektrickými vazebnými koeficienty 0,2 až 0,4.

Piezoelektrické prvky požadovaného tvaru jsou vyrobeny z piezokeramiky, aby následně získaly mechanické kmity požadovaného charakteru (podélné, příčné, ohybové). Hlavní představitelé průmyslové piezokeramiky jsou vyrobeny na bázi titaničitanu barnatého, vápníku, olova, zirkoničitanu-titanátu olovnatého a niobičnanu barnatého.

Polymerní piezoelektrika

Polymerní filmy (např. polyvinylidenfluorid) jsou nataženy o 100-400 %, poté polarizovány v elektrickém poli a poté jsou elektrody aplikovány metalizací. Tak se získají filmové piezoelektrické prvky s elektromechanickým vazebním koeficientem řádově 0,16.

Aplikace piezoelektrik

Samostatné a propojené piezoelektrické prvky lze nalézt ve formě hotových radiotechnických zařízení - piezoelektrických měničů s elektrodami, které jsou k nim připojeny.

Taková zařízení, vyrobená z křemene, piezoelektrické keramiky nebo iontových piezoelektrik, se používají ke generování, transformaci a filtrování elektrických signálů. Z křemenného krystalu je vyříznuta planparalelní deska, jsou připojeny elektrody - získá se rezonátor.

Frekvence a Q-faktor rezonátoru závisí na úhlu ke krystalografickým osám, ve kterých je deska řezána. Typicky v rádiovém frekvenčním rozsahu do 50 MHz dosahuje Q faktor takových rezonátorů 100 000. Kromě toho jsou piezoelektrické měniče široce používány jako piezoelektrické transformátory s vysokou vstupní impedancí pro typicky široký frekvenční rozsah.

Co se týče faktoru kvality a frekvence, křemen překonává iontové piezoelektriky, schopné pracovat při frekvencích až 1 GHz. Nejtenčí lithium tantalátové desky se používají jako emitory a přijímače ultrazvukových vibrací o frekvenci 0,02 až 1 GHz, v rezonátorech, filtrech, zpožďovacích linkách povrchových akustických vln.

Tenké vrstvy piezoelektrických polovodičů nanesené na dielektrických substrátech se používají v interdigitálních měničích (zde se používají proměnné elektrody k buzení povrchových akustických vln).

Nízkofrekvenční piezoelektrické měniče jsou vyráběny na bázi dipólových feroelektrik: miniaturní mikrofony, reproduktory, snímače, snímače tlaku, deformace, vibrace, zrychlení, ultrazvukové zářiče.