Piesoelektrilisus, piesoelektrilisus - nähtuse füüsika, tüübid, omadused ja rakendused

Piesoelektrikud Dielektrikud on esile tõstetud piesoelektriline efekt.

Piesoelektrilisuse fenomeni avastasid ja uurisid aastatel 1880-1881 kuulsad prantsuse füüsikud Pierre ja Paul-Jacques Curie.

Rohkem kui 40 aastat ei leidnud piesoelektrilisus praktilist rakendust, jäädes füüsikalaborite omandisse. Alles Esimese maailmasõja ajal kasutas prantsuse teadlane Paul Langevin seda nähtust kvartsplaadilt vees ultrahelivõngete tekitamiseks veealuse asukoha ("heli") eesmärgil.

Pärast seda hakkasid mitmed füüsikud huvi tundma kvartsi ja mõnede teiste kristallide piesoelektriliste omaduste ja nende praktiliste rakenduste uurimise vastu. Nende paljude tööde hulgas oli mitmeid väga olulisi rakendusi.

Näiteks 1915. aastal S.Butterworth näitas, et kvartsplaati kui ühedimensioonilist mehaanilist süsteemi, mis on ergastatud elektrivälja ja elektrilaengute vastasmõju tõttu, saab kujutada samaväärse elektriahelana, mille mahtuvus, induktiivsus ja takisti on ühendatud järjestikku.

Tutvustades kvartsplaati ostsillaatoriahelana, pakkus Butterworth esimesena välja kvartsresonaatorile samaväärse vooluringi, mis on kogu järgneva teoreetilise töö aluseks. kvartsresonaatoritest.

Piesoelektriline efekt on otsene ja pöördvõrdeline. Otsest piesoelektrilist efekti iseloomustab dielektriku elektriline polarisatsioon, mis tekib sellele välise mehaanilise pinge toimel, samas kui dielektriku pinnale indutseeritud laeng on võrdeline rakendatava mehaanilise pingega:

Pöördpiesoelektrilise efekti korral ilmneb nähtus vastupidi – dielektrik muudab oma mõõtmeid talle rakendatava välise elektrivälja toimel, samal ajal kui mehaanilise deformatsiooni (suhtelise deformatsiooni) suurus on võrdeline dielektriku tugevusega. proovile rakendatav elektriväli:

Mõlemal juhul on proportsionaalsustegur piesomoodul d. Sama piesoelektri puhul on otsese (dpr) ja vastupidise (drev) piesoelektrilise efekti piesomoodulid üksteisega võrdsed. Seega on piesoelektrikud pöörduvad elektromehaanilised muundurid.

Piki- ja põikisuunaline piesoelektriline efekt

Piesoelektriline efekt võib olenevalt proovi tüübist olla piki- või põikisuunaline.Pikisuunalise piesoelektrilise efekti korral tekivad laengud vastuseks deformatsioonile või pingele vastuseks välisele elektriväljale samas suunas, kus käivitav tegevus. Ristsuunalise piesoelektrilise efekti korral on laengute välimus või deformatsiooni suund risti neid põhjustava efekti suunaga.

Kui piesoelektrile hakkab mõjuma vahelduv elektriväli, siis tekib selles sama sagedusega vahelduv deformatsioon. Kui piesoelektriline efekt on pikisuunaline, on deformatsioonid rakendatud elektrivälja suunas kokkusurumise ja pinge iseloomuga ning kui see on risti, siis vaadeldakse põiklaineid.

Kui rakendatava vahelduva elektrivälja sagedus on võrdne piesoelektri resonantssagedusega, on mehaanilise deformatsiooni amplituud maksimaalne. Proovi resonantssageduse saab määrata valemiga (V on mehaaniliste lainete levimiskiirus, h on proovi paksus):

Piesoelektrilise materjali kõige olulisem omadus on elektromehaaniline sidestuskoefitsient, mis näitab mehhaaniliste vibratsioonide jõu Pa ja nende ergastamiseks kulutatud elektrilise võimsuse Pe suhet prooviga kokkupõrkel. Selle koefitsiendi väärtus on tavaliselt vahemikus 0,01 kuni 0,3.

Piesoelektrikuid iseloomustab sümmeetriakeskmeta kovalentse või ioonse sidemega materjali kristallstruktuur. Madala juhtivusega materjale, milles vabu laengukandjaid on vähe, eristavad kõrged piesoelektrilised omadused.Piesoelektrikud hõlmavad kõiki ferroelektrikuid, aga ka hulgaliselt tuntud materjale, sealhulgas kvartsi kristallilist modifikatsiooni.

Ühekristallilised piesoelektrikud

Sellesse piesoelektrikute klassi kuuluvad ioonsed ferroelektrikud ja kristalliline kvarts (beeta-kvarts SiO2).

Beeta-kvartsi üksikkristallil on kuusnurkse prisma kuju, mille külgedel on kaks püramiidi. Toome siinkohal esile mõned kristallograafilised suunad. Z-telg läbib püramiidide tippe ja on kristalli optiline telg. Kui sellisest kristallist lõigatakse plaat etteantud teljega (Z) risti, siis piesoelektrilist efekti saavutada ei saa.

Joonista X-teljed läbi kuusnurga tippude, selliseid X-telgesid on kolm.Kui lõigata plaadid risti X-telgedega, siis saame parima piesoelektrilise efektiga näidise. Seetõttu nimetatakse X-telgi kvartsis elektritelgedeks. Kõik kolm kvartskristalli külgedega risti tõmmatud Y-telge on mehaanilised teljed.

Seda tüüpi kvarts kuulub nõrkade piesoelektrikute hulka, selle elektromehaaniline sidestuskoefitsient on vahemikus 0,05 kuni 0,1.

Kristallilisel kvartsil on olnud suurim rakendatavus tänu oma võimele säilitada piesoelektrilised omadused temperatuuril kuni 573 ° C. Kvartsi piesoelektrilised resonaatorid pole midagi muud kui tasapinnalised paralleelsed plaadid, millele on kinnitatud elektroodid. Selliseid elemente eristab väljendunud loomulik resonantssagedus.

Liitiumniobiit (LiNbO3) on laialdaselt kasutatav piesoelektriline materjal, mis on seotud ioonide ferroelektriliste ainetega (koos liitiumtantalaadiga LiTaO3 ja vismutgermanaadiga Bi12GeO20).Ioonseid ferroelektrikuid eellõõmutatakse tugevas elektriväljas Curie-punktist madalamal temperatuuril, et viia need ühe domeeni olekusse. Sellistel materjalidel on suuremad elektromehaanilise sidestuse koefitsiendid (kuni 0,3).

Kaadmiumsulfiid CdS, tsinkoksiid ZnO, tsinkoksiid ZnS, kaadmiumseleniid CdSe, galliumarseniid GaAs jne. Need on ioon-kovalentse sidemega pooljuht-tüüpi ühendite näited. Need on nn piesopooljuhid.

Nende dipoolferroelektrikute, etüleendiamiintartraadi C6H14N8O8, turmaliini, Rochelle'i soola monokristallide, liitiumsulfaadi Li2SO4H2O baasil saadakse ka piesoelektrikud.

Polükristallilised piesoelektrikud

Ferroelektriline keraamika kuulub polükristalliliste piesoelektrikute hulka. Ferroelektrilisele keraamikale piesoelektriliste omaduste andmiseks tuleb sellist keraamikat polariseerida üks tund tugevas elektriväljas (tugevusega 2–4 ​​MV/m) temperatuuril 100–150 °C, nii et pärast kokkupuudet , jääb sellesse polarisatsioon, mis võimaldab saada piesoelektrilist efekti. Nii saadakse tugev piesoelektriline keraamika, mille piesoelektrilise sidestustegurid on 0,2–0,4.

Vajaliku kujuga piesoelektrilised elemendid valmistatakse piesokeraamikast, et seejärel saada vajaliku iseloomuga mehaanilisi vibratsioone (piki-, põik-, painutus). Tööstusliku piesokeraamika peamised esindajad on valmistatud baariumtitanaadi, kaltsiumi, plii, plii tsirkonaat-titanaadi ja baariumplii niobaadi baasil.

Polümeerne piesoelektrik

Polümeerkiled (nt polüvinülideenfluoriid) venitatakse 100-400%, seejärel polariseeritakse elektriväljas ja seejärel paigaldatakse elektroodid metalliseerimise teel. Nii saadakse kile piesoelektrilised elemendid elektromehaanilise sidestusteguriga suurusjärgus 0,16.

Piesoelektriku rakendamine

Eraldi ja omavahel ühendatud piesoelektrilisi elemente võib leida valmis raadiotehnika seadmete kujul - piesoelektrilised muundurid, millele on kinnitatud elektroodid.

Selliseid kvartsist, piesoelektrilisest keraamikast või ioonsest piesoelektrikust valmistatud seadmeid kasutatakse elektriliste signaalide genereerimiseks, teisendamiseks ja filtreerimiseks. Kvartskristallist lõigatakse tasapinnaline paralleelne plaat, kinnitatakse elektroodid - saadakse resonaator.

Resonaatori sagedus ja Q-tegur sõltuvad plaadi lõikamise nurgast kristallograafiliste telgede suhtes. Tavaliselt ulatub raadiosagedusalas kuni 50 MHz selliste resonaatorite Q-tegur 100 000. Lisaks kasutatakse piesoelektrilisi muundureid laialdaselt suure sisendtakistusega piesoelektriliste trafodena tüüpiliselt laia sagedusvahemiku jaoks.

Kvaliteediteguri ja sageduse poolest ületab kvarts ioonpiesoelektrikuid, mis on võimelised töötama sagedustel kuni 1 GHz. Kõige õhemaid liitiumtantalaatplaate kasutatakse ultrahelivõngete emitterite ja vastuvõtjatena sagedusega 0,02–1 GHz, resonaatorites, filtrites, pinnaakustiliste lainete viivitusjoontes.

Interdigitaalsetes muundurites kasutatakse piesoelektriliste pooljuhtide õhukesi kilesid, mis on ladestunud dielektrilistele aluspindadele (siin kasutatakse pinnaakustiliste lainete ergastamiseks muutuvaid elektroode).

Madalsageduslikud piesoelektrilised muundurid on valmistatud dipoolferroelektriku baasil: miniatuursed mikrofonid, valjuhääldid, pikapid, rõhu-, deformatsiooni-, vibratsiooni-, kiirendusandurid, ultraheli emitterid.