Piezoelektrikk, piezoelektrisitet - fenomenets fysikk, typer, egenskaper og anvendelser

Piezoelektrikk Dielektrikum er uthevet piezoelektrisk effekt.

Fenomenet piezoelektrisitet ble oppdaget og studert i 1880-1881 av de berømte franske fysikerne Pierre og Paul-Jacques Curie.

I mer enn 40 år fant ikke piezoelektrisitet praktisk anvendelse, og forble eiendommen til fysikklaboratorier. Det var først under første verdenskrig at den franske forskeren Paul Langevin brukte dette fenomenet til å generere ultralydvibrasjoner i vann fra en kvartsplate med det formål å lokalisere under vann ("ekkolodd").

Etter det ble en rekke fysikere interessert i studiet av de piezoelektriske egenskapene til kvarts og noen andre krystaller og deres praktiske anvendelser. Blant deres mange arbeider var flere svært viktige applikasjoner.

For eksempel, i 1915 S.Butterworth viste at kvartsplaten som et endimensjonalt mekanisk system, som er opphisset på grunn av samspillet mellom et elektrisk felt og elektriske ladninger, kan representeres som en ekvivalent elektrisk krets med kapasitans, induktans og motstand koblet i serie.

Butterworth introduserte en kvartsplate som en oscillatorkrets, og var den første som foreslo en ekvivalent krets for en kvartsresonator, som er grunnlaget for alt etterfølgende teoretisk arbeid. fra kvartsresonatorer.

Den piezoelektriske effekten er direkte og omvendt. Den direkte piezoelektriske effekten er preget av den elektriske polariseringen av dielektrikumet, som oppstår på grunn av virkningen av en ekstern mekanisk belastning på det, mens ladningen indusert på overflaten av dielektrikumet er proporsjonal med den påførte mekaniske spenningen:

Med den omvendte piezoelektriske effekten, manifesterer fenomenet seg omvendt - dielektrikumet endrer sine dimensjoner under påvirkning av et eksternt elektrisk felt påført det, mens størrelsen på den mekaniske deformasjonen (relativ deformasjon) vil være proporsjonal med styrken til det elektriske feltet påført prøven:

Proporsjonalitetsfaktoren i begge tilfeller er piezomodulen d. For den samme piezoelektriske effekten er piezomodulene for direkte (dpr) og omvendt (drev) piezoelektrisk effekt lik hverandre. Dermed er piezoelektrikk en type reversible elektromekaniske transdusere.

Langsgående og tverrgående piezoelektrisk effekt

Den piezoelektriske effekten, avhengig av type prøve, kan være langsgående eller tverrgående.Når det gjelder den langsgående piezoelektriske effekten, genereres ladninger som respons på tøyning eller tøyning som respons på et eksternt elektrisk felt i samme retning som den initierende handlingen. Med den tverrgående piezoelektriske effekten vil utseendet til ladninger eller deformasjonsretningen være vinkelrett på retningen til effekten som forårsaker dem.

Hvis et vekslende elektrisk felt begynner å virke på et piezoelektrisk, vil en vekslende deformasjon med samme frekvens vises i det. Hvis den piezoelektriske effekten er langsgående, vil deformasjonene ha karakter av kompresjon og spenning i retning av det påførte elektriske feltet, og hvis det er tverrgående, vil tverrgående bølger bli observert.

Hvis frekvensen til det påførte vekslende elektriske feltet er lik resonansfrekvensen til det piezoelektriske, vil amplituden til den mekaniske deformasjonen være maksimal. Resonansfrekvensen til prøven kan bestemmes av formelen (V er forplantningshastigheten til mekaniske bølger, h er tykkelsen på prøven):

Den viktigste egenskapen til det piezoelektriske materialet er den elektromekaniske koblingskoeffisienten, som indikerer forholdet mellom kraften til mekaniske vibrasjoner Pa og den elektriske kraften Pe brukte på eksitasjonen ved støt på prøven. Denne koeffisienten har vanligvis en verdi i området 0,01 til 0,3.

Piezoelektrikk er preget av en krystallstruktur av et materiale med en kovalent eller ionisk binding uten et symmetrisenter. Materialer med lav ledningsevne, der det er ubetydelige gratis ladningsbærere, utmerker seg ved høye piezoelektriske egenskaper.Piezoelektrikk inkluderer all ferroelektrikk, samt et vell av kjente materialer, inkludert krystallinsk modifikasjon av kvarts.

Enkeltkrystall piezoelektrikk

Denne klassen av piezoelektrikk inkluderer ionisk ferroelektrikk og krystallinsk kvarts (beta-kvarts SiO2).

En enkelt krystall av beta-kvarts har form av et sekskantet prisme med to pyramider på sidene. La oss fremheve noen få krystallografiske retninger her. Z-aksen går gjennom toppene av pyramidene og er den optiske aksen til krystallen. Hvis en plate kuttes fra en slik krystall i en retning vinkelrett på den gitte aksen (Z), kan den piezoelektriske effekten ikke oppnås.

Tegn X-aksene gjennom toppunktene til sekskanten, det er tre slike X-akser.Kutter du platene vinkelrett på X-aksene, så får vi en prøve med best piezoelektrisk effekt. Dette er grunnen til at X-aksene kalles elektriske akser i kvarts. Alle tre Y-aksene tegnet vinkelrett på sidene av kvartskrystallen er mekaniske akser.

Denne typen kvarts tilhører svak piezoelektrikk, dens elektromekaniske koblingskoeffisient er i området 0,05 til 0,1.

Krystallinsk kvarts har hatt størst anvendelighet på grunn av sin evne til å opprettholde piezoelektriske egenskaper ved temperaturer opp til 573 ° C. Kvarts piezoelektriske resonatorer er ikke annet enn planparallelle plater med elektroder festet til dem. Slike elementer utmerker seg ved en uttalt naturlig resonansfrekvens.

Litiumniobitt (LiNbO3) er et mye brukt piezoelektrisk materiale relatert til ioneferroelektrikk (sammen med litiumtantalat LiTaO3 og vismutgermanat Bi12GeO20).Ioniske ferroelektriske stoffer er forhåndsglødet i et sterkt elektrisk felt ved en temperatur under Curie-punktet for å bringe dem inn i en enkeltdomenetilstand. Slike materialer har høyere koeffisienter for elektromekanisk kobling (opptil 0,3).

Kadmiumsulfid CdS, sinkoksid ZnO, sinksulfid ZnS, kadmiumselenid CdSe, galliumarsenid GaAs, etc. De er eksempler på forbindelser av halvledertype med en ionisk-kovalent binding. Dette er de såkalte piezo-halvlederne.

På grunnlag av disse dipolferroelektriske stoffene oppnås også etylendiamintartrat C6H14N8O8, turmalin, enkeltkrystaller av Rochelle-salt, litiumsulfat Li2SO4H2O — piezoelektriske stoffer.

Polykrystallinsk piezoelektrikk

Ferroelektrisk keramikk tilhører polykrystallinsk piezoelektrikk. For å gi piezoelektriske egenskaper til ferroelektrisk keramikk, må slik keramikk polariseres i en time i et sterkt elektrisk felt (med en styrke på 2 til 4 MV / m) ved en temperatur på 100 til 150 ° C, slik at etter denne eksponeringen , polarisering forblir i den, noe som gjør det mulig å oppnå en piezoelektrisk effekt. Dermed oppnås robust piezoelektrisk keramikk med piezoelektriske koblingskoeffisienter på 0,2 til 0,4.

Piezoelektriske elementer med den nødvendige formen er laget av piezokeramikk for deretter å oppnå mekaniske vibrasjoner av nødvendig natur (langsgående, tverrgående, bøying). De viktigste representantene for industriell piezokeramikk er laget på grunnlag av bariumtitanat, kalsium, bly, blyzirkonat-titanat og bariumblyniobat.

Polymer piezoelektrikk

Polymerfilmer (f.eks. polyvinylidenfluorid) strekkes med 100-400 %, polariseres deretter i et elektrisk felt, og deretter påføres elektroder ved metallisering. Således oppnås filmpiezoelektriske elementer med en elektromekanisk koblingskoeffisient i størrelsesorden 0,16.

Anvendelse av piezoelektrikk

Separate og sammenkoblede piezoelektriske elementer kan finnes i form av ferdige radiotekniske enheter - piezoelektriske transdusere med elektroder festet til dem.

Slike enheter, laget av kvarts, piezoelektrisk keramikk eller ionisk piezoelektrikk, brukes til å generere, transformere og filtrere elektriske signaler. En planparallell plate er kuttet fra en kvartskrystall, elektroder er festet - en resonator oppnås.

Frekvensen og Q-faktoren til resonatoren avhenger av vinkelen til de krystallografiske aksene som platen kuttes ved. Typisk, i radiofrekvensområdet opp til 50 MHz, når Q-faktoren til slike resonatorer 100 000. I tillegg er piezoelektriske transdusere mye brukt som piezoelektriske transformatorer med høy inngangsimpedans, for et typisk bredt frekvensområde.

Når det gjelder kvalitetsfaktor og frekvens, utkonkurrerer kvarts ion-piezoelektrikk, som er i stand til å operere ved frekvenser opp til 1 GHz. De tynneste litiumtantalatplatene brukes som emittere og mottakere av ultralydvibrasjoner med en frekvens på 0,02 til 1 GHz, i resonatorer, filtre, forsinkelseslinjer for akustiske overflatebølger.

Tynne filmer av piezoelektriske halvledere avsatt på dielektriske substrater brukes i interdigitale transdusere (her brukes variable elektroder for å eksitere akustiske overflatebølger).

Lavfrekvente piezoelektriske transdusere er laget på grunnlag av dipolferroelektrikk: miniatyrmikrofoner, høyttalere, pickuper, sensorer for trykk, deformasjon, vibrasjon, akselerasjon, ultralydsendere.