Piezoelektrika, piezoelektrina - fyzika javu, druhy, vlastnosti a aplikácie

Piezoelektrika Dielektrika sú zvýraznené piezoelektrický efekt.

Fenomén piezoelektriky objavili a študovali v rokoch 1880-1881 slávni francúzski fyzici Pierre a Paul-Jacques Curie.

Viac ako 40 rokov piezoelektrina nenašla praktické uplatnenie a zostala majetkom fyzikálnych laboratórií. Až počas prvej svetovej vojny francúzsky vedec Paul Langevin použil tento jav na generovanie ultrazvukových vibrácií vo vode z kremennej platne na účely podvodnej lokalizácie („sonder“).

Potom sa množstvo fyzikov začalo zaujímať o štúdium piezoelektrických vlastností kremeňa a niektorých ďalších kryštálov a ich praktické aplikácie. Medzi ich mnohými dielami bolo niekoľko veľmi dôležitých aplikácií.

Napríklad v roku 1915 S.Butterworth ukázal, že kremenná doska ako jednorozmerný mechanický systém, ktorý je excitovaný v dôsledku interakcie medzi elektrickým poľom a elektrickými nábojmi, môže byť reprezentovaný ako ekvivalentný elektrický obvod s kapacitou, indukčnosťou a odporom zapojeným do série.

Butterworth predstavil kremennú dosku ako oscilačný obvod a ako prvý navrhol ekvivalentný obvod pre kremenný rezonátor, ktorý je základom všetkých nasledujúcich teoretických prác. z kremenných rezonátorov.

Piezoelektrický efekt je priamy a inverzný. Priamy piezoelektrický efekt je charakterizovaný elektrickou polarizáciou dielektrika, ku ktorej dochádza v dôsledku pôsobenia vonkajšieho mechanického namáhania na dielektrikum, pričom náboj indukovaný na povrchu dielektrika je úmerný aplikovanému mechanickému namáhaniu:

Pri spätnom piezoelektrickom jave sa jav prejavuje naopak — dielektrikum mení svoje rozmery pôsobením naň pôsobiaceho vonkajšieho elektrického poľa, pričom veľkosť mechanickej deformácie (relatívna deformácia) bude úmerná sile elektrické pole aplikované na vzorku:

Faktor úmernosti je v oboch prípadoch piezomodul d. Pre ten istý piezoelektrický efekt sú piezomoduly pre priamy (dpr) a reverzný (drev) piezoelektrický efekt navzájom rovnaké. Piezoelektriká sú teda typom reverzibilných elektromechanických meničov.

Pozdĺžny a priečny piezoelektrický efekt

Piezoelektrický efekt v závislosti od typu vzorky môže byť pozdĺžny alebo priečny.V prípade pozdĺžneho piezoelektrického efektu sa náboje v reakcii na napätie alebo napätie v reakcii na vonkajšie elektrické pole generujú v rovnakom smere ako iniciačná akcia. Pri priečnom piezoelektrickom jave bude vzhľad nábojov alebo smer deformácie kolmý na smer účinku, ktorý ich spôsobuje.

Ak na piezoelektrikum začne pôsobiť striedavé elektrické pole, tak sa v ňom objaví striedavá deformácia s rovnakou frekvenciou. Ak je piezoelektrický jav pozdĺžny, tak deformácie budú mať charakter stlačenia a napätia v smere pôsobiaceho elektrického poľa a ak bude priečny, tak budú pozorované priečne vlny.

Ak sa frekvencia aplikovaného striedavého elektrického poľa rovná rezonančnej frekvencii piezoelektrika, potom bude amplitúda mechanickej deformácie maximálna. Rezonančnú frekvenciu vzorky možno určiť podľa vzorca (V je rýchlosť šírenia mechanických vĺn, h je hrúbka vzorky):

Najdôležitejšou charakteristikou piezoelektrického materiálu je elektromechanický väzbový koeficient, ktorý udáva pomer medzi silou mechanických vibrácií Pa a elektrickým výkonom Pe vynaloženým na ich vybudenie nárazom na vzorku. Tento koeficient zvyčajne nadobúda hodnotu v rozsahu 0,01 až 0,3.

Piezoelektrika sa vyznačujú kryštálovou štruktúrou materiálu s kovalentnou alebo iónovou väzbou bez stredu symetrie. Materiály s nízkou vodivosťou, v ktorých sú zanedbateľné voľné nosiče náboja, sa vyznačujú vysokými piezoelektrickými charakteristikami.Piezoelektrika zahŕňajú všetky feroelektriky, ako aj množstvo známych materiálov, vrátane kryštalickej modifikácie kremeňa.

Piezoelektrika z jedného kryštálu

Táto trieda piezoelektrík zahŕňa iónové feroelektriká a kryštalický kremeň (beta-kremeň SiO2).

Monokryštál beta kremeňa má tvar šesťuholníkového hranolu s dvoma ihlanami po stranách. Vyzdvihnime tu niekoľko kryštalografických smerov. Os Z prechádza cez vrcholy pyramíd a je optickou osou kryštálu. Ak sa z takéhoto kryštálu vyreže doštička v smere kolmom na danú os (Z), tak piezoelektrický efekt nemožno dosiahnuť.

Nakreslite osi X cez vrcholy šesťuholníka, existujú tri také osi X. Ak prerežete platne kolmo na osi X, dostaneme vzorku s najlepším piezoelektrickým efektom. To je dôvod, prečo sa osi X nazývajú elektrické osi v kremeni. Všetky tri osi Y nakreslené kolmo na strany kryštálu kremeňa sú mechanické osi.

Tento typ kremeňa patrí medzi slabé piezoelektriky, jeho elektromechanický väzbový koeficient sa pohybuje v rozmedzí 0,05 až 0,1.

Kryštalický kremeň mal najväčšiu použiteľnosť vďaka svojej schopnosti zachovať piezoelektrické vlastnosti pri teplotách do 573 ° C. Kremenné piezoelektrické rezonátory nie sú nič iné ako planparalelné platne s elektródami, ktoré sú na nich pripevnené. Takéto prvky sa vyznačujú výraznou prirodzenou rezonančnou frekvenciou.

Niobit lítny (LiNbO3) je široko používaný piezoelektrický materiál súvisiaci s iónovými feroelektrikami (spolu s lítium tantalátom LiTaO3 a germanátom bizmutitý Bi12GeO20).Iónové feroelektriká sú vopred žíhané v silnom elektrickom poli pri teplote pod Curieovým bodom, aby sa dostali do stavu jednej domény. Takéto materiály majú vyššie koeficienty elektromechanickej väzby (až 0,3).

Sulfid kadmia CdS, oxid zinočnatý ZnO, sulfid zinočnatý ZnS, selenid kadmia CdSe, arzenid gália GaAs atď. Sú to príklady zlúčenín polovodičového typu s iónovo-kovalentnou väzbou. Ide o takzvané piezo polovodiče.

Na základe týchto dipólových feroelektrík sa získavajú aj etyléndiamíntartrát C6H14N8O8, turmalín, monokryštály Rochellovej soli, síran lítny Li2SO4H2O — piezoelektrika.

Polykryštalická piezoelektrika

Feroelektrická keramika patrí medzi polykryštalické piezoelektriky. Aby sa udelili piezoelektrické vlastnosti feroelektrickej keramike, musí sa takáto keramika polarizovať jednu hodinu v silnom elektrickom poli (s intenzitou 2 až 4 MV/m) pri teplote 100 až 150 °C, aby sa po tejto expozícii , zostáva v ňom polarizácia, čo umožňuje získať piezoelektrický efekt. Takto sa získa robustná piezoelektrická keramika s piezoelektrickými väzbovými koeficientmi 0,2 až 0,4.

Piezoelektrické prvky požadovaného tvaru sa vyrábajú z piezokeramiky, aby následne získali mechanické vibrácie požadovaného charakteru (pozdĺžne, priečne, ohybové). Hlavní predstavitelia priemyselnej piezokeramiky sa vyrábajú na báze titaničitanu bárnatého, vápnika, olova, zirkoničitanu-titanátu olovnatého a niobičnanu bárnatého.

Polymérna piezoelektrika

Polymérne filmy (napr. polyvinylidénfluorid) sa natiahnu o 100 až 400 %, potom sa polarizujú v elektrickom poli a následne sa pokovovaním nanesú elektródy. Takto sa získajú filmové piezoelektrické prvky s koeficientom elektromechanickej väzby rádovo 0,16.

Aplikácia piezoelektrík

Samostatné a prepojené piezoelektrické prvky možno nájsť vo forme hotových rádiotechnických zariadení - piezoelektrických meničov s pripojenými elektródami.

Takéto zariadenia vyrobené z kremeňa, piezoelektrickej keramiky alebo iónovej piezoelektriky sa používajú na generovanie, transformáciu a filtrovanie elektrických signálov. Planparalelná doska je vyrezaná z kremenného kryštálu, sú pripevnené elektródy - získava sa rezonátor.

Frekvencia a Q-faktor rezonátora závisia od uhla ku kryštalografickým osám, v ktorých je doska rezaná. Typicky v rádiovom frekvenčnom rozsahu do 50 MHz Q faktor takýchto rezonátorov dosahuje 100 000. Okrem toho sú piezoelektrické meniče široko používané ako piezoelektrické transformátory s vysokou vstupnou impedanciou pre typicky široký frekvenčný rozsah.

Pokiaľ ide o faktor kvality a frekvenciu, kremeň prekonáva iónové piezoelektriky, schopné pracovať pri frekvenciách do 1 GHz. Najtenšie lítium tantalátové platne sa používajú ako žiariče a prijímače ultrazvukových vibrácií s frekvenciou 0,02 až 1 GHz, v rezonátoroch, filtroch, oneskorovacích vedeniach povrchových akustických vĺn.

Tenké vrstvy piezoelektrických polovodičov nanesené na dielektrických substrátoch sa používajú v interdigitálnych meničoch (tu sa používajú variabilné elektródy na vybudenie povrchových akustických vĺn).

Nízkofrekvenčné piezoelektrické meniče sú vyrobené na báze dipólových feroelektrík: miniatúrne mikrofóny, reproduktory, snímače, snímače tlaku, deformácie, vibrácie, zrýchlenia, ultrazvukové žiariče.