Piëzo-elektriciteit, piëzo-elektriciteit - fysica van het fenomeen, typen, eigenschappen en toepassingen

Piëzo-elektriciteit Diëlektrica zijn gemarkeerd piëzo-elektrisch effect.

Het fenomeen piëzo-elektriciteit werd ontdekt en bestudeerd in 1880-1881 door de beroemde Franse natuurkundigen Pierre en Paul-Jacques Curie.

Gedurende meer dan 40 jaar vond piëzo-elektriciteit geen praktische toepassing en bleef het eigendom van natuurkundige laboratoria. Pas tijdens de Eerste Wereldoorlog gebruikte de Franse wetenschapper Paul Langevin dit fenomeen om vanuit een kwartsplaat ultrasone trillingen in water op te wekken ten behoeve van onderwaterlokalisatie ("sounder").

Daarna raakte een aantal natuurkundigen geïnteresseerd in de studie van de piëzo-elektrische eigenschappen van kwarts en enkele andere kristallen en hun praktische toepassingen. Onder hun vele werken waren verschillende zeer belangrijke toepassingen.

Bijvoorbeeld in 1915 S.Butterworth toonde aan dat de kwartsplaat als een eendimensionaal mechanisch systeem, dat wordt geëxciteerd door de interactie tussen een elektrisch veld en elektrische ladingen, kan worden weergegeven als een equivalent elektrisch circuit met in serie geschakelde capaciteit, inductantie en weerstand.

Butterworth introduceerde een kwartsplaat als oscillatorcircuit en was de eerste die een equivalent circuit voor een kwartsresonator voorstelde, dat de basis vormt van al het latere theoretische werk. van kwartsresonatoren.

Het piëzo-elektrische effect is direct en omgekeerd. Het directe piëzo-elektrische effect wordt gekenmerkt door de elektrische polarisatie van het diëlektricum, die optreedt als gevolg van de werking van een externe mechanische spanning erop, terwijl de op het oppervlak van het diëlektricum geïnduceerde lading evenredig is met de uitgeoefende mechanische spanning:

Met het omgekeerde piëzo-elektrische effect manifesteert het fenomeen zich andersom - het diëlektricum verandert zijn afmetingen onder invloed van een extern elektrisch veld dat erop wordt uitgeoefend, terwijl de grootte van de mechanische vervorming (relatieve vervorming) evenredig zal zijn met de sterkte van het elektrische veld toegepast op het monster:

De evenredigheidsfactor is in beide gevallen de piëzomodulus d. Voor dezelfde piëzo-elektrische zijn de piëzomodulen voor direct (dpr) en omgekeerd (drev) piëzo-elektrisch effect gelijk aan elkaar. Piëzo-elektriciteit is dus een soort omkeerbare elektromechanische transducers.

Longitudinaal en transversaal piëzo-elektrisch effect

Het piëzo-elektrische effect kan, afhankelijk van het type monster, longitudinaal of transversaal zijn.In het geval van het longitudinale piëzo-elektrische effect worden ladingen als reactie op spanning of spanning als reactie op een extern elektrisch veld gegenereerd in dezelfde richting als de initiërende actie. Met het transversale piëzo-elektrische effect zal het verschijnen van ladingen of de richting van vervorming loodrecht staan ​​op de richting van het effect dat ze veroorzaakt.

Als een wisselend elektrisch veld op een piëzo-elektrisch veld begint te werken, zal er een afwisselende vervorming met dezelfde frequentie in verschijnen. Als het piëzo-elektrische effect longitudinaal is, zullen de vervormingen het karakter hebben van compressie en spanning in de richting van het aangelegde elektrische veld, en als het transversaal is, zullen transversale golven worden waargenomen.

Als de frequentie van het aangelegde wisselende elektrische veld gelijk is aan de resonantiefrequentie van de piëzo-elektriciteit, dan is de amplitude van de mechanische vervorming maximaal. De resonantiefrequentie van het monster kan worden bepaald met de formule (V is de voortplantingssnelheid van mechanische golven, h is de dikte van het monster):

Het belangrijkste kenmerk van het piëzo-elektrische materiaal is de elektromechanische koppelingscoëfficiënt, die de verhouding aangeeft tussen de kracht van mechanische trillingen Pa en het elektrische vermogen Pe besteed aan hun excitatie door impact op het monster. Deze coëfficiënt heeft gewoonlijk een waarde in het bereik van 0,01 tot 0,3.

Piëzo-elektriciteit wordt gekenmerkt door een kristalstructuur van een materiaal met een covalente of ionische binding zonder een symmetriecentrum. Materialen met een lage geleidbaarheid, waarin er verwaarloosbare vrije ladingsdragers zijn, onderscheiden zich door hoge piëzo-elektrische eigenschappen.Piëzo-elektriciteit omvat alle ferro-elektrische apparaten, evenals een schat aan bekende materialen, waaronder de kristallijne modificatie van kwarts.

Enkelkristal piëzo-elektriciteit

Deze klasse van piëzo-elektrische apparaten omvat ionische ferro-elektrische apparaten en kristallijn kwarts (beta-kwarts SiO2).

Een enkel kristal van bètakwarts heeft de vorm van een zeshoekig prisma met aan de zijkanten twee piramides. Laten we hier enkele kristallografische richtingen uitlichten. De Z-as gaat door de toppen van de piramides en is de optische as van het kristal. Als uit zo'n kristal een plaat wordt gesneden in een richting loodrecht op de gegeven as (Z), dan kan het piëzo-elektrische effect niet worden bereikt.

Trek de X-assen door de hoekpunten van de zeshoek, er zijn drie van dergelijke X-assen.Als je de platen loodrecht op de X-assen snijdt, krijgen we een monster met het beste piëzo-elektrische effect. Daarom worden de X-assen in kwarts elektrische assen genoemd. Alle drie de Y-assen die loodrecht op de zijkanten van het kwartskristal zijn getekend, zijn mechanische assen.

Dit type kwarts behoort tot de zwakke piëzo-elektriciteit, de elektromechanische koppelingscoëfficiënt ligt in het bereik van 0,05 tot 0,1.

Kristallijn kwarts heeft de grootste toepasbaarheid gehad vanwege het vermogen om piëzo-elektrische eigenschappen te behouden bij temperaturen tot 573 ° C. Kwarts piëzo-elektrische resonatoren zijn niets meer dan planparallelle platen met elektroden eraan bevestigd. Dergelijke elementen onderscheiden zich door een uitgesproken natuurlijke resonantiefrequentie.

Lithiumniobiet (LiNbO3) is een veelgebruikt piëzo-elektrisch materiaal dat verband houdt met ionenferro-elektriciteit (samen met lithiumtantalaat LiTaO3 en bismutgermanaat Bi12GeO20).Ionische ferro-elektrische materialen worden voorgegloeid in een sterk elektrisch veld bij een temperatuur onder het Curie-punt om ze in een toestand van één domein te brengen. Dergelijke materialen hebben hogere elektromechanische koppelingscoëfficiënten (tot 0,3).

Cadmiumsulfide CdS, zinkoxide ZnO, zinksulfide ZnS, cadmiumselenide CdSe, galliumarsenide GaAs, enz. Het zijn voorbeelden van verbindingen van het halfgeleidertype met een ionische-covalente binding. Dit zijn de zogenaamde piëzo-halfgeleiders.

Op basis van deze dipoolferro-elektriciteit worden ook ethyleendiaminetartraat C6H14N8O8, toermalijn, enkele kristallen van Rochelle-zout, lithiumsulfaat Li2SO4H2O - piëzo-elektriciteit verkregen.

Polykristallijne piëzo-elektriciteit

Ferroelektrische keramiek behoort tot polykristallijn piëzo-elektrisch materiaal. Om ferro-elektrische keramiek piëzo-elektrische eigenschappen te geven, moet dergelijk keramiek gedurende een uur worden gepolariseerd in een sterk elektrisch veld (met een sterkte van 2 tot 4 MV/m) bij een temperatuur van 100 tot 150 °C, zodat na deze blootstelling , blijft er polarisatie in zitten, wat het mogelijk maakt om een ​​piëzo-elektrisch effect te verkrijgen. Zo worden robuuste piëzo-elektrische keramieken met piëzo-elektrische koppelingscoëfficiënten van 0,2 tot 0,4 verkregen.

Piëzo-elektrische elementen met de vereiste vorm zijn gemaakt van piëzokeramiek om vervolgens mechanische trillingen van de vereiste aard te verkrijgen (longitudinaal, transversaal, buigen). De belangrijkste vertegenwoordigers van industriële piëzokeramiek worden gemaakt op basis van bariumtitanaat, calcium, lood, loodzirkonaattitanaat en bariumloodniobaat.

Polymeer piëzo-elektriciteit

Polymeerfilms (bijvoorbeeld polyvinylideenfluoride) worden uitgerekt met 100-400%, vervolgens gepolariseerd in een elektrisch veld en vervolgens worden elektroden aangebracht door metallisatie. Aldus worden piëzo-elektrische filmelementen met een elektromechanische koppelingscoëfficiënt in de orde van 0,16 verkregen.

Toepassing van piëzo-elektriciteit

Afzonderlijke en onderling verbonden piëzo-elektrische elementen zijn te vinden in de vorm van kant-en-klare radiotechnische apparaten - piëzo-elektrische transducers met daaraan bevestigde elektroden.

Dergelijke apparaten, gemaakt van kwarts, piëzo-elektrisch keramiek of ionische piëzo-elektriciteit, worden gebruikt om elektrische signalen te genereren, transformeren en filteren. Een vlakparallelle plaat wordt gesneden uit een kwartskristal, elektroden worden bevestigd - een resonator wordt verkregen.

De frequentie en Q-factor van de resonator zijn afhankelijk van de hoek ten opzichte van de kristallografische assen waarop de plaat wordt gesneden. Typisch, in het radiofrequentiebereik tot 50 MHz, bereikt de Q-factor van dergelijke resonatoren 100.000. Bovendien worden piëzo-elektrische transducers veel gebruikt als piëzo-elektrische transformatoren met een hoge ingangsimpedantie, voor een typisch breed frequentiebereik.

In termen van kwaliteitsfactor en frequentie presteert kwarts beter dan ion-piëzo-elektrisch materiaal, dat kan werken bij frequenties tot 1 GHz. De dunste lithiumtantalaatplaten worden gebruikt als zenders en ontvangers van ultrasone trillingen met een frequentie van 0,02 tot 1 GHz, in resonatoren, filters, vertragingslijnen van akoestische oppervlaktegolven.

Dunne films van piëzo-elektrische halfgeleiders afgezet op diëlektrische substraten worden gebruikt in interdigitale transducers (hier worden variabele elektroden gebruikt om akoestische oppervlaktegolven op te wekken).

Laagfrequente piëzo-elektrische transducers zijn gemaakt op basis van dipoolferro-elektriciteit: miniatuurmicrofoons, luidsprekers, pickups, sensoren voor druk, vervorming, trillingen, versnelling, ultrasone zenders.