Домой Интересное Что такое пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический эффект и его роль в современной электронике Обратный пьезоэлектрический эффект используется

Интересное

Что такое пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический эффект и его роль в современной электронике Обратный пьезоэлектрический эффект используется

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле на заряды его молекул действуют силы, которые деформируют диэлектрик, создают внутренние механические напряжения. Деформация диэлектрика оказывается пропорциональной квадрату напряженности электрического поля. Это явление получило название "электрострикция". Электрострикция обусловлена поляризацией диэлектриков в электрическом поле и наблюдается у твердых, жидких и газообразных диэлектриков. Электрострикцию следует отличать от так называемого обратного пьезоэффекта. При обратном пьезоэффекте деформация диэлектрика пропорциональна напряженности электрического поля.

В изотропных средах, в том числе в газах и жидкостях, электрострикция наблюдается как изменение плотности под действием электрического поля.

В анизотропных кристаллах электрострикцию можно описать зависимостью между двумя тензорами 2-го ранга - тензором квадрата напряженности электрического поля и тензором деформации. Рассмотрение электрострикции в таких кристаллах выходит за рамки данного курса.

Деформация диэлектрика в однородном внешнем электрическом поле может быть вызвана переориентацией диполей (молекул) и изменением электрического дипольного момента молекул, изменением взаимодействия между ними. В неоднородном внешнем электрическом поле диполи (молекулы) диэлектрика втягиваются (или выталкиваются) в область более сильного поля. Следовательно, на закрепленный диэлектрик будут действовать силы, вызывающие деформацию диэлектрика, зависящую от степени неоднородности электрического поля.

В большинстве диэлектриков поляризация появляется и исчезает с появлением и исчезновением внешнего электрического поля.

Однако некоторые кристаллические диэлектрики, названные (по наиболее яркому представителю сегнетовой соли) сегнетоэлектриками, обладают рядом специфических свойств, которые позволяют их выделить в особую группу.

К сегнетоэлектрикам относятся диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью даже в отсутствие внешнего электрического поля.

электрического поля. Возникшее электрическое поле доменов поддерживает ориентацию дипольных моментов доменов даже после прекращения внешнего электрического поля (рис. 3.11).

Основными свойствами сегнетоэлектриков являются:

а) диэлектрическая проницаемость их гораздо больше единицы (e>>1);

б) диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков зависит от напряженности внешнего электрического поля (рис. 3.12);

в) во внешнем электрическом поле сегнетоэлектрики поляризуются до насыщения, т. е. до такого состояния, при котором дальнейшее изменение напряженности электрического поля не изменяет вектор поляризации (рис.3.13);

г) во внешнем циклически изменяющемся электрическом поле им присуще явление гистерезиса, сложная зависимость вектора поляризации от напряженности электрического поля. Изменение вектора поляризации запаздывает по отношению к изменению напряженности электрического поля (рис. 3.14);

д) по своему строению сегнетоэлектрики представляют скопление областей спонтанной поляризации (доменов), электрические дипольные моменты которых имеют хаотические ориентации вектора P (рис.3.10, 3.11);

е) при нагревании сегнетоэлектриков до определенной температуры Т к, характерной для каждого сегнетоэлектрика, они теряют все свои специфические свойства и превращаются в обычные полярные диэлектрики. Точка фазового перехода из состояния сегнетоэлектрика в состояние полярного диэлектрика называется точкой Кюри, а соответствующая ей температура Т к - температурой Кюри. В некоторых случаях имеются две точки Кюри - сегнетоэлектрические свойства исчезают также и при понижении температуры. Сегнетоэлектриков с двумя точками Кюри сравнительно немного. Большинство имеет лишь верхнюю точку, называемую просто точкой Кюри.

При переходе диэлектрика из сегнетоэлектрического состояния в состояние полярного диэлектрика диэлектрическая проницаемость изменяется непрерывно от значения, соответствующего сегнетоэлектрическому состоянию, до значения, соответствующего состоянию полярного диэлектрика.

Закон изменения диэлектрической восприимчивости c вблизи температуры Кюри имеет вид

, (3.28)

где A – некоторая константа;

T o – температура Кюри – Вейса, близкая к температуре Т к (в большинстве случаев вместо Т o используют Т к, что не вносит сколько-нибудь существенных погрешностей в c для температур, отличных от Т к). Закон, выражаемый формулой (3.28), называется законом Кюри-Вейса.

У кристаллов диэлектрические свойства неодинаковы по различным направлениям, и поэтому их диэлектрическая восприимчивость характеризуется не скалярной диэлектрической восприимчивостью c, а тензором диэлектрической восприимчивости c ij . Однако зависимость компонент тензора от температуры имеет тот же характер.

Помимо сегнетоэлектриков имеются многочисленные кристаллы, на поверхности которых при деформациях возникают электрические заряды. Такие кристаллы называются пьезоэлектриками. Возникающие при деформации поверхностные заряды имеют различные знаки на различных частях поверхности. К числу пьезоэлектриков относят кварц, турмалин, сегнетовую соль и многие другие.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают только ионные кристаллы. Под действием внешних сил кристаллическая подрешетка из положительных ионов деформируется иначе, чем кристаллическая подрешетка из отрицательных ионов. В результате происходит относительное смещение положительных и отрицательных ионов, приводящее к возникновению поляризации кристалла и поверхностных зарядов. Поляризованность в первом приближении прямо пропорциональна деформации, а деформация кристалла, в свою очередь, прямо пропорциональна силе. Следовательно, поляризованность прямо пропорциональна приложенной силе. Между разноименно заряженными гранями деформированного диэлектрика возникает разность потенциалов, которую можно измерить, а по ее значению сделать заключение о величине деформаций и приложенных силах, что находит многочисленные практические применения. Например, имеются пьезоэлектрические датчики для измерения быстропеременных давлений. Известны пьезоэлектрические микрофоны, пьезоэлектрические датчики в автоматике и телемеханике и т.д.

Помимо прямого пьезоэффекта в пьезоэлектриках существует обратный пьезоэффект. Он состоит в том, что во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик деформируется. Его существование следует из наличия прямого эффекта и закона сохранения энергии. При деформировании пьезоэлектрика работа затрачивается на образование энергии упругой деформации и энергии возникающего при этом в результате пьезоэффекта электрического поля. Следовательно, при деформировании пьезоэлектрика необходимо преодолевать дополнительную силу, кроме силы упругости кристалла, которая препятствует деформации и является фактором, обусловливающим обратный пьезоэффект. Чтобы компенсировать дополнительную силу, надо приложить внешнее электрическое поле, противоположное тому, которое возникает в пьезоэффекте. Таким образом, для получения некоторой деформации пьезоэлектрика под влиянием внешнего электрического поля необходимо, чтобы оно было равно, но противоположно направлено тому полю, которое при данной деформации возникает в результате прямого пьезоэлектрического эффекта. Механизм обратного пьезоэлектрического эффекта аналогичен механизму прямого пьезоэффекта. Под действием внешнего электрического поля кристаллические подрешетки положительных и отрицательных ионов деформируются различным образом, что и приводит к деформации кристалла.

Обратный пьезоэлектрический эффект также имеет многочисленные практические применения, в частности широкое применение получили кварцевые излучатели ультразвука.

У некоторых пьезоэлектриков подрешетка положительных ионов оказывается смещенной относительно подрешетки отрицательных ионов в состоянии термодинамического равновесия, в результате чего такие кристаллы оказываются поляризованными при отсутствии внешнего электрического поля. Их называют пироэлектриками.

Обычно наличие спонтанной поляризации маскируется свободными поверхностными зарядами, появляющимися на поверхности кристалла из окружающей среды под действием электрического поля, связанного со спонтанной поляризацией. Данный процесс происходит до тех пор, пока электрическое поле не будет полностью нейтрализовано. Однако при изменении температуры образца, например при нагревании, происходит смещение ионных подрешеток друг относительно друга, в результате чего изменяется спонтанная поляризованность и на поверхности кристалла появляются электрические заряды. Возникновение этих зарядов называется прямым пироэлектрическим эффектом.

Всякий пироэлектрик является пьезоэлектриком, но не всякий пьезоэлектрик является пироэлектриком. Это связано с тем, что у пироэлектрика имеется выделенное направление, вдоль которого существует спонтанная поляризация, а у пьезоэлектрика такого выделенного направления нет.

Наблюдается также и обратный пироэлектрический эффект: изменение электрического поля в адиабатно изолированном пироэлектрике сопровождается изменением его температуры. Необходимость его существования может быть доказана на основе термодинамического анализа процесса и продемонстрирована экспериментами. Обратный пироэлектрический эффект иногда называют электрокалорическим эффектом.

При электрокалорическом эффекте в пироэлектриках изменение температуры пропорционально изменению напряженности электрического поля, в других веществах наблюдается лишь меньший по величине квадратичный электрокалорический эффект.

Существуют диэлектрики, которые длительно время сохраняют поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию, и создающие электрическое поле в окружающем пространстве (электрические аналоги постоянных магнитов). Такие диэлектрики получили название "электреты".

Если вещество, молекулы которого обладают дипольным моментом, расплавить и поместить в сильное электрическое поле, то его молекулы частично выстроятся по направлению поля. При охлаждении расплава в электрическом поле и последующем выключении поля в затвердевшем веществе поворот молекул затруднен, и они длительное время будут сохранять преимущественную ориентацию.

Первый электрет был таким методом изготовлен в 1922 г. японским физиком Ёгучи.

При изготовлении электретов в диэлектрик могут переходить носители заряда из электродов или межэлектродного пространства. Носители могут быть созданы и искусственно, например облучением электронным пучком.

Стабильные электреты получают различными методами:

· нагревания, а затем охлаждения в сильном электрическом поле (термоэлектреты);

· освещения в сильном электрическом поле (фотоэлектреты);

· облучения, радиоактивного излучения (радиоэлектреты);

· поляризации в сильном электрическом поле без нагревания (электроэлектреты) или в магнитном поле (магнетоэлектреты);

· при застывании органических растворов в электрическом поле (криоэлектреты);

· механической деформации полимеров (механоэлектреты);

· трения (трибоэлектреты);

· действием поля коронного разряда (короноэлектреты).

Все электреты имеют стабильный поверхностный заряд.

Электреты применяют как источники постоянного электрического поля (электретные микрофоны и телефоны, вибродатчики, генераторы слабых переменных сигналов, электрометры, электростатические вольтметры и др.), а также как чувствительные датчики в устройствах дозиметрии, электрической памяти; для изготовления барометров, гигрометров и газовых фильтров, пьезодатчиков и др. Фотоэлектреты применяются в электрофотографии.

Сегнетоэлектрики

Активные диэлектрики

Это органические и неорганические материалы, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники.

К ним относятся сегнето-, пьезо-, пиро- электрики, электреты, материалы квантовой электроники, жидкокристаллические, электро – магнито – и акустооптические материалы и др.

Резкой границы между пассивными и активными диэлектриками не существует. Один и тот же материал может выполнять пассивные (изолятор, подложка, конденсатор) и активные функции преобразующего элемента. Требования к активным диэлектрикам противоположны: нестабильность свойств, а наиболее сильное изменение какого-либо свойства при внешнем воздействии.

Активные диэлектрики часто классифицируют по роду физических эффектов, которые можно использовать для управления свойствами. Однако, один и тот же материал может проявлять чувствительность к различным видам энергетических воздействий. Наиболее универсальны – сегнетоэлектрики (они же пьезо-, пироэлектрики, нелинейнооптические материалы и т.д.)

Сгруппируем активные диэлектрики по важнейшим для них свойствам или их специфике.

Это вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствии электрического поля сегнетоэлектрики имеют доменную структуру с различным направлением электрических моментов доменов. Суммарная поляризация может быть равна 0. Внешнее электрическое поле изменяет направление электрических моментов, что создает эффект сильной поляризации. Отсюда e может вырасти до сотен тысяч. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряжения электрического поля и наличием диэлектрического гистерезиса (из-за необратимого смещения доменных границ).

Точка В - все домены ориентированы по полю. До точки А обратимое изменение доменных границ, далее АВ – необратимое

При снятии напряженности поля индукция не понизится до «0», а примет некоторое значение. При изменении полярности поля быстро снизится и изменит свое направление. При повышении температуры доменная структура распадается. Температура фазового перехода называется сегнетоэлектрической точкой Кюри. В точке Кюри e максимальна. Для BaTiO 3 Т к =120 о С.

Существует несколько сотен соединений со свойствами сегнетоэлектриков – это могут быть ионные и дипольные кристаллы. Температура точки Кюри изменяется от 15К (Pb 2 Nb 2 O 4) до 1483К (LiNbO 3).

Ионные: BaTiO 3 , PbTiO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 .

Дипольные: сегнетоваясоль (NaKC 4 H 4 O 6 4H 2 O), KH 2 PO 4 , NaNo 2 .

Применение сегнетоэлектриков:

1. изготовление малогабаритных конденсаторов с большой удельной емкостью;

2. изготовление диэлектрических усилителей, модуляторов;

3. в качестве ячеек памяти в вычислительной технике;

4. изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей.

Для изготовления конденсаторов используются сегнетокерамические материалы (твердые растворы, смеси кристаллических фаз), которые не имеют сильных температурных зависимостей:

Материал Т-900 – твердый раствор SrTiO 3 и Bi 4 Ti 3 O 12 . Т к =-140 о С; e 20 о =900

Материал СМ-1 - BaTiO 3 +ZrO 2 +Bi 2 O 3 . e 20 о =3000 – используют для малогабаритных конденсаторов.

Материал Т-9000 – твердый раствор BaTiO 3 – BaZrO 3 e 20 о =8000 – используют для высоковольтных конденсаторов.

У материалов для варикондов (нелинейных конденсаторов), применяемых для управления параметрами электрических цепей, e изменяется от 4 до 50 раз (твердые растворы Ba(Ti, Sn)O 3 , Pb(Ti, Zr,Sn)O 3).

Материалы для ячеек памяти – сегнетоэлектрики с прямоугольной петлей гистерезиса. В первую очередь это триглицинсульфат.

При Е = 0, есть два устойчивых состояния. Одно используется для хранения «1», а другое «0». Считывание информации может проводиться без ее разрушения: оптическим методом или измерением сопротивления полупроводниковой пленки, нанесенной на сегнетоэлектрик. Время переключения ячейки несколько мкс (меньше, чем в монокристаллах).

Электрооптические кристаллы – изменяют показатель преломления среды под влиянием внешнего электрического поля. Если n ~ Е, то электрооптический эффект линейный или эффект Поккельса, если n 2 ~Е – квадратичный или эффект Керра.

Электрооптический эффект используется для модуляции лазерного излучения. Электрооптические модуляторы света создаются на базе LiNbO 3 , KH 2 PO 4 , ТР Pb(Ti,Zr)O 3 .

Материалы нелинейной оптики – используют эффект нелинейной поляризации среды под действием мощных световых пучков, создаваемых лазерами (n зависит от световой волны). Это позволяет преобразовывать частоты оптических сигналов (ИК – излучение переводить в видимое излучение). Эффективны KH 2 PO 4 , LiNbO 3 , LiIO 3 и др.

Наряду с пьезоэлектрическим эффектом существует и обратное ему явление: в пьезоэлектрических кристаллах возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями. Поэтому, если на металлические обкладки, укрепленные на кристалле, подать электрическое напряжение, то кристалл под действием поля поляризуется и деформируется.

Легко видеть, что необходимость существования обратного пьезоэффекта следует из закона сохранения энергии и факта существования прямого эффекта. Рассмотрим пьезоэлектрическую пластинку (рис. 5) и предположим, что мы сжимаем ее внешними силами F. Если бы пьезоэффекта не было, то работа внешних сил равнялась бы потенциальной энергии упруго деформированной пластинки. При наличии пьезоэффекта на пластинке появляются заряды и возникает электрическое поле, которое заключает в себе дополнительную энергию. По закону сохранения энергии отсюда следует, что при сжатии пьезоэлектрической пластинки совершается большая работа, а значит, в ней возникают дополнительные силы F1, противодействующие сжатию. Это и есть силы обратного пьезоэффекта. Из приведенных рассуждений вытекает связь между знаками обоих эффектов. Если в обоих случаях знаки зарядов на гранях одинаковы, то знаки деформаций различны. Если при сжатии пластинки на гранях появляются заряды, указанные на рис. 5, то при создании такой же поляризации внешним полем пластинка будет растягиваться.

Рис.5. Связь прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов.

Обратный пьезоэлектрический эффект имеет внешнее сходство с электрострикцией. Однако оба эти явления различны. Пьезоэффект зависит от направления поля и при изменении направления последнего на противоположное изменяет знак. Электрострикция же не зависит от направления поля. Пьезоэффект наблюдается только в некоторых кристаллах, не обладающих центром симметрии. Электрострикция имеет место во всех диэлектриках как твердых, так и жидких.

Если пластинка закреплена и деформироваться не может, то при создании электрического поля в ней появится дополнительное механическое напряжение Его величина s пропорциональна напряженности электрического поля внутри кристалла:

где  - тот же пьезоэлектрический модуль, что и в случае прямого пьезоэффекта. Минус в этой формуле отражает указанное выше соотношение знаков прямого и обратного пьезоэффектов.

Полное механическое напряжение внутри кристалла складывается из напряжения, вызванного деформацией, и напряжения, возникшего под влиянием электрического поля. Оно равно

Здесь С есть модуль упругости при деформации одностороннего растяжения (модуль Юнга) при постоянном электрическом поле. Формулы (51.2) и (52.2) являются основными соотношениями в теории пьезоэлектричества.

При написании формул мы выбирали u и Е в качестве независимых переменных и считали D и s их функциями. Это, конечно, необязательно, и мы могли бы считать независимыми переменными другую пару величин, одна из которых - механическая, а другая - электрическая. Тогда мы получили бы тоже два линейных соотношения между u, s, Е и D, но с другими коэффициентами. В зависимости от типа рассматриваемых задач удобны различные формы записи основных пьезоэлектрических соотношений.

Так как все пьезоэлектрические кристаллы анизотропны, то постоянные , С и  зависят от ориентации граней пластинки относительно осей кристалла. Кроме того, они зависят от того, закреплены боковые грани пластинки или свободны (зависят от граничных условий при деформации). Чтобы дать представление о порядке величины этих постоянных мы приведем их значения для кварца в случае, когда пластинка вырезана перпендикулярно оси Х и ее боковые грани свободны:

=4,5; С=7,8 10 10 Н/м 2 ; =0,18 Кл/м 2 .

Рассмотрим теперь пример применения основных соотношений (4) и (5) Положим, что кварцевая пластинка, вырезанная, как указано выше, растягивается вдоль оси X, причем обкладки, касающиеся граней, разомкнуты. Так как заряд обкладок до деформации был равен нулю, а кварц является диэлектриком, то и после деформации обкладки будут незаряженными. Согласно определению электрического смещения это значит, что D=0. Тогда из соотношения (4) следует, что при деформации внутри пластинки появится электрическое поле c напряженностью

E=-(/0)u (6)

Подставляя это выражение в формулу (5), находим для

механического напряжения в пластинке

s=Cu-(-(/0)u)=C(1+( 2 /0C))u (7)

Напряжение, как и в отсутствие пьезоэлектрического эффекта, пропорционально деформации. Однако упругие свойства пластинки теперь характеризуются эффективным модулем упругости

С" == С (1 +  2 /0С). (8)

который больше С. Увеличение упругой жесткости вызвано появлением добавочного напряжения при обратном пьезоэффекте, препятствующего деформации. Влияние пьезоэлектрических свойств кристалла на его механические свойства характеризуется величиной

К 2=  2 /0C (9)

Квадратный корень из этой величины (К) называется константой электромеханической связи Пользуясь приведенными выше значениями , С и , находим, что для кварца К 2 ~0.01 Для всех других известных пьезоэлектрических кристаллов К 2 оказывает также малым по сравнению с единицей и не превышает 0,1.

Оценим теперь величину пьезоэлектрического поля. Положим, что к граням кварцевой пластинки, перпендикулярным к оси X, приложено механическое напряжение 1 105 5 Н/м 2 . Тогда, согласно (7), деформация будет равна u=1,3 10 - 6 . Подставляя это значение в формулу (6), получаем |E|==5900 В/м=59 В/см. При толщине пластинки, скажем, d==0,5 см напряжение между обкладками будет равно U=Еd~30 В. Мы видим, что пьезоэлектрические поля и напряжения могут быть весьма значительными. Применяя вместо кварца более сильные пьезоэлектрики и используя должным образом выбранные типы деформации, можно получать пьезоэлектрические напряжения, измеряемые многими тысячами вольт.

Пьезоэлектрический эффект (прямой и обратный) широко применяется для устройства различных электромеханических преобразователей. Для этого иногда используют составные пьезоэлементы, предназначенные для осуществления деформаций разного типа.

На рис.6 показан двойной пьезоэлемент (составленный из двух пластинок), работающий на сжатие. Пластинки вырезаны из кристалла таким образом, что они одновременно либо сжимаются, либо растягиваются. Если, наоборот, сжимать или растягивать такой пьезоэлемент внешними силами, то между его обкладками появляется напряжение. Соединение пластинок в этом пьезоэлементе соответствует параллельному соединению конденсаторов.

Рис. 6. Двойной пьезоэлемент, работающий на сжатие.

1. Пьезоэлектрический эффект.

В некоторых кристаллах поляризация может возникнуть и без внешнего поля, если кристалл подвергается механическим деформациям. Это явление, открытое в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри, получило название пьезоэлектрического эффекта.

Чтобы обнаружить пьезоэлектрические заряды, на грани кристаллической пластинки накладывают металлические обкладки. При разомкнутых обкладках между ними при деформации появляется разность потенциалов. При замкнутых обкладках на них образуются индуцированные заряды, равные по величине поляризационным зарядам, но противоположные им по знаку, и в цепи, соединяющей обкладки, в процессе деформации возникает ток. Рассмотрим основные особенности пьезоэлектрического эффекта на примере кварца. Кристаллы кварца SiO2 существуют в различных кристаллографических модификациях. Интересующие нас кристаллы (a-кварц) принадлежат к так называемой тригональной кристаллографической системе и обычно имеют форму, показанную на рис.1. Они напоминают шестигранную призму, ограниченную двумя пирамидами, однако имеют еще ряд дополнительных граней. Такие кристаллы характеризуются четырьмя кристаллическими осями, определяющими важные направления внутри кристалла.

Одна из этих осей - Z соединяет вершины пирамид. Три другие X1, Х2, Х3 перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Направление, определяемое осью Z, пьезоэлектрически неактивно: при сжатии или растяжении по этому направлению никакой поляризации не происходит. Напротив, при сжатии или растяжении в любом направлении, перпендикулярном к оси Z, возникает электрическая поляризация. Ось Z называется оптической осью кристалла, а оси X1, Х2, Х3 - электрическими или пьезоэлектрическими осями.

Рассмотрим пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно к одной из пьезоэлектрических осей X. Ось, перпендикулярную к Z и X, обозначим через Y (рис. 2). Тогда оказывается, что при растяжении пластинки вдоль оси Х на перпендикулярных к ней гранях АВСD и ЕFGН появляются разноименные поляризационные заряды. Такой пьезоэлектрический эффект называется продольным. Если изменить знак деформации, т. е. перейти от растяжения к сжатию, то и знаки поляризационных зарядов изменятся на обратные.

Рис. 1. Кристалл кварца.

Возникновение поляризационных зарядов определенных знаков при данном типе деформации (растяжение или соответственно сжатие) показывает, что концы осей Х неравноправны, и осям Х можно приписать определенные направления (что отмечено на рис. 1 стрелками). Это значит, что при данной деформации знак заряда зависит от того, направлена ли ось Х по внешней нормали к грани или по внутренней. Такие оси с неравноправными концами получили название полярных осей. В отличие от полярных осей Х1, Х2, Х3, концы оси Z совершенно равноправны и она является неполярной осью.

Рис. 2. Кварцевая пластинка, вырезанная перпендикулярно к пьезоэлектрической оси.

Неравноправность концов полярной оси проявляется, конечно, не только в пьезоэлектрическом эффекте, но и в других явлениях. Так, например, скорость химического травления граней, расположенных у разных концов полярной оси, оказывается различной и получающиеся при этом фигуры травления отличаются друг от друга.

Наряду с продольным пьезоэлектрическим эффектом существует также поперечный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при сжатии или растяжении вдоль оси Y возникает поляризация вдоль оси Х и на тех же гранях АВСD и ЕFGН появляются поляризационные заряды. При этом оказывается, что знаки зарядов на каждой грани при сжатии вдоль Y (в поперечном эффекте) такие же, как при растяжении вдоль Х (в продольном эффекте).

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом В ионных кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется электрический момент и в отсутствие внешнего электрического поля. Однако эта поляризация обычно не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и поэтому, вообще говоря, изменяется электрический момент кристалла. Это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте.

Рис. 3 качественно поясняет возникновение пьезоэлектрического эффекта в кварце. Здесь схематически показаны проекции положительных ионов Si (заштрихованные кружки) и отрицательных ионов О (светлые кружки) в плоскости, перпендикулярной к оптической оси Z. Этот рисунок не соответствует фактической конфигурации ионов в элементарной ячейке кварца, в которой ионы не лежат в одной плоскости, а их число больше показанного. Он, однако, правильно передает симметрию взаимного расположения ионов, что уже достаточно для качественного объяснения.

Рис. 3, а) соответствует недеформированному кристаллу. На грани A, перпендикулярной к оси X1, имеются выступающие положительные заряды, а на параллельной ей грани В - выступающие отрицательные заряды. При сжатии вдоль оси X1 (рис. 3, б) элементарная ячейка деформируется. При этом положительный ион 1 и отрицательный ион 2 «вдавливаются» внутрь ячейки, отчего выступающие заряды (положительный на плоскости А и отрицательный на плоскости В) уменьшаются, что эквивалентно появлению отрицательного заряда на плоскости А и положительного заряда на плоскости В. При растяжении вдоль оси X1 имеет место обратное (рис. 3, в): ионы 1 и 2 «выталкиваются» из ячейки. Поэтому на грани А возникает дополнительный положительный заряд, а на грани В - отрицательный заряд.

в)

Рис. 3. К объяснению пьезоэлектрического эффекта.

Расчеты в теории твердого тела в согласии с опытом показывают, что пьезоэлектрический эффект может существовать только в таких кристаллах, в которых элементарная ячейка не имеет центра симметрии. Так, например, элементарная ячейка кристаллов CsCl (рис. 4) имеет центр симметрии и эти кристаллы не обнаруживают пьезоэлектрических свойств. Расположение же ионов в ячейке кварца таково, что в нем центр симметрии отсутствует, и поэтому в нем возможен пьезоэлектрический эффект.

Рис. 4. Элементарная ячейка кристалла хлористого цезия CsCl.

Величина вектора поляризации Р (и пропорциональная ей поверхностная плотность пьезоэлектрических зарядов о") в определенном интервале изменений пропорциональна величине механических деформаций. Обозначим через и деформацию одностороннего растяжения вдоль оси X:

где d - толщина пластинки, а Dd - ее изменение при деформации. Тогда, например, для продольного эффекта имеем:

Величина b называется пьезоэлектрическим модулем. Знак b может быть как положительным, так и отрицательным. Так как и безразмерная величина, то b измеряется в тех же единицах, что и Р, т.е. в Кл/м2. Величина поверхностной плотности пьезоэлектрических зарядов на гранях, перпендикулярных к оси X, равна s"=Рх

Вследствие возникновения пьезоэлектрической поляризации при деформации изменяется и электрическое смещение D внутри кристалла. В этом случае в общем определении смещения под Р нужно понимать сумму Рe+Pu, где Pe oбусловлено электрическим полем, а Рu - деформацией. В общем случае направления Е, Pe и Рu не совпадают и выражение для D получается сложным. Однако для некоторых направлений, совпадающих с осями высокой симметрии, направления указанных векторов оказываются одинаковыми. Тогда для величины смещения можно написать:

где Е - напряженность электрического поля внутри кристалла, а e - диэлектрическая проницаемость при постоянной деформации. Соотношение справедливо, например, при деформации одностороннего растяжения (сжатия) вдоль одной из электрических осей X. Оно является одним из двух основных соотношений в теории пьезоэлектричества (второе соотношение приведено).

Пьезоэлектрический эффект возникает не только при деформации одностороннего растяжения, но и при деформациях сдвига.

Пьезоэлектрические свойства наблюдаются, кроме кварца, у большого числа других кристаллов. Гораздо сильнее, чем у кварца, они выражены у сегнетовой соли. Сильными пьезоэлектриками являются кристаллы соединений элементов 2-й и 6-й групп периодической системы (СdS, ZnS), а также многих других химических соединений.

2. Обратный пьезоэлектрический эффект.

Рис.5. Связь прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов.

где b - тот же пьезоэлектрический модуль, что и в случае прямого пьезоэффекта. Минус в этой формуле отражает указанное выше соотношение знаков прямого и обратного пьезоэффектов.

Так как все пьезоэлектрические кристаллы анизотропны, то постоянные e, С и b зависят от ориентации граней пластинки относительно осей кристалла. Кроме того, они зависят от того, закреплены боковые грани пластинки или свободны (зависят от граничных условий при деформации). Чтобы дать представление о порядке величины этих постоянных мы приведем их значения для кварца в случае, когда пластинка вырезана перпендикулярно оси Х и ее боковые грани свободны:

e=4, 5; С=7, 8 1010 Н/м2; b=0, 18 Кл/м2.

Подставляя это выражение в формулу (5), находим для механического напряжения в пластинке:

s=Cu-b(-(b/e0e)u)=C(1+(b2/e0eC))u (7)

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

Квадратный корень из этой величины (К) называется константой электромеханической связи Пользуясь приведенными выше значениями e, С и b, находим, что для кварца К2~0.01 Для всех других известных пьезоэлектрических кристаллов К2 оказывает также малым по сравнению с единицей и не превышает 0, 1.

Оценим теперь величину пьезоэлектрического поля. Положим, что к граням кварцевой пластинки, перпендикулярным к оси X, приложено механическое напряжение 1 1055 Н/м2. Тогда, согласно (7), деформация будет равна u=1, 3 10-6. Подставляя это значение в формулу (6), получаем |E|==5900 В/м=59 В/см. При толщине пластинки, скажем, d==0, 5 см напряжение между обкладками будет равно U=Еd~30 В. Мы видим, что пьезоэлектрические поля и напряжения могут быть весьма значительными. Применяя вместо кварца более сильные пьезоэлектрики и используя должным образом выбранные типы деформации, можно получать пьезоэлектрические напряжения, измеряемые многими тысячами вольт.

Рис.6. Двойной пьезоэлемент, работающий на сжатие.

3. Использование пьезоэффекта в науке и технике.

Главной деталью любого оборудования для озвучивания акустического музыкального инструмента является пьезодатчик (Transducer). Эта деталь преобразует механические колебания струн и деки в электрический сигнал.

Аналогичную функцию в электрогитаре выполняет магнитный датчик: сингл или хамбакер. Но физика работы электрогитарного датчика иная - он преобразует изменения магнитного поля, вносимое стальными струнами. Пьезодатчик для акустики работает с любыми струнами, в том числе синтетическими. Пьезодатчик помещают под косточку гитары (пластинку, на которую опираются струны). Это UST-датчик

Есть и другой способ размещения пьезодатчика - его приклеивают на деку гитару (изнутри, ближе к подставке). Сигнал с такого датчика будет слабее, ведь его не прижимают струны, он получает только колебания деки. Однако он имеет больше информации о свойствах корпуса гитары. Этот датчик называется AST (1470).

Совмещение сигналов от UST и AST дает очень сложную и интересную картину и позволяет реалистично озвучить инструменты самого высокого класса. Однако не всегда использование двух датчиков необходимо.

Пьезоэлектрические преобразователи:

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические преобразователи - пьезоэлектрические трансформаторы (сокращенно пьезотрансформаторы). Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рисунке, поясняющем, что он представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.

Рис. 7 Пьезоэлектрический трансформатор

Действие пьезотрансформатора основано на использовании как прямого, так и обратного пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию всего объёма пьезоэлектрика и на выходных электродах возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование энергии - электрической в механическую, а затем механической в электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном режиме, при котором достигаются большие значения коэффициента трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в высоковольтных источниках вторичного электропитания.

Рассмотрим в общих чертах явления, происходящие в пьезоэлектрике, для двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии.

Пьезоэлемент (ПЭ) - тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).

Рис. 8 Пьезоэлемент: 1 - пластина из пьезоэлектрика; 2 - электроды из проводящего матариала, наложенные на грани пластины

Таким образом, пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Ниже будет показано, какое значение имеет наличие пьезоэффекта и каким образом он оказывает влияние на электрические и механические характеристики пьезоэлемента. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующий на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьэзоэлектрика используют электроды, . покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения - накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.

Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.

Внешняя механическая сила, воздействующая на пьезоэлемент, сообщает последнему энергию W0 в виде энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Если обозначить энергию упругой деформации пьезоэлемента через Wм, а электрическую энергию заряда его ёмкости через Wэ, то полная энергия W0, сообщенная пьезоэлементу, будет равна их сумме. Как во всяком обратимом преобразователе, при этом возникает обратное действие (пьезоэлектрическая реакция), заключающееся в том, что возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создаёт (уже в результате обратного пьезоэффекта) механические напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в увеличении жесткости пьезоэлемента. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды пьезоэлемента, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет, следовательно, должно произойти уменьшение жесткости пьезоэлемента.

Подобные же рассуждения можно сделать и для случая обратного пьезоэффекта, т. е. воздействия на пьезоэлемент внешней электрической силы. При этом внешний источник электрической энергии сообщает пьезоэлементу энергию в виде энергии заряда ёмкости пьезоэлемента и механической энергии его упругой деформации. Здесь также имеет место обратное действие. Если воспрепятствовать деформации жестким зажатием пьезоэлемента, то можно обнаружить изменение его ёмкости. Этот факт легко наблюдается у сильных пьезоэлектриков, для слабых же, таких как кварц, изменение ёмкости невелико (около 1%). К этому выводу легко прийти, приняв во внимание термодинамические соображения. Из теории пьезоэлектричества известно, что упругие коэффициенты пьезоэлектриков зависят от электрических условий, как и их коэффициенты диэлектрических проницаемостей зависят от механических условий. Это естественно, так как пьезоэлектричество по определению предполагает наличие связи между упругими и диэлектрическими свойствами. Поэтому описание пьезоэлектрических свойств материала невозможно без привлечения упругих и диэлектрических коэффициентов с указанием граничных механических и электрических условий.

Более полно пьезоэффект характеризует энергетический коэффициент и, называемый коэффициентом электромеханической связи (ЭМС) и определяемый отношением k = Wэ / W0 = Wм / W0, где W0 - вся приложенная к пьезоэлементу энергия, а Wэ и Wм - преобразованная (электрическая и механическая) энергия. Коэффициент ЭМС оказывается очень полезным для сравнения пьезоэлектриков, пьезоэлектрические, упругие и диэлектрические коэффициенты которых могут сущевенно различаться. Этот коэффициент различен для статического и динамического режимов преобразования, в последнем случае он зависит также от вида и моды колебания. Коэффициент ЭМС, как и пьезоэлектрические модули, зависит от направления воздействующих сил относительно кристаллографических осей кристалла. Он определяет такую существенную характеристику резонатора, как относительная ширина резонансной кривой. Чем больше коэффициент ЭМС, тем больше относительная ширина резонансной кривой. Преобразование энергии пьезоэлектрическим элементом не можт быть полным, поэтому коэффициент ЭМС не бывает больше 1. Для так называемых слабых пьезоэлектриков, к которым принадлежат кварц, коэффициент ЭМС не превышает нескольких процентов, для сильных пьезоэлектриков, таких как сегнетова соль или пьезокерамика, он может достигать 50 ...90%.

Различные сферы применения:

Патент США N3239283. Американские изобретатели Дж.Броз и В.Лаубердорфер разработали конструкцию подшипника, в котором трение уничтожается вибрацией, но для ее создания не требуется специальных механизмов. Втулки подшипника изготовляются из пьезоэлектрического материала. Ток заставляет пьезоэлектрик сжиматься и расширяться, создавая вибрацию, уничтожающую трение.

Установка на реактивных самолетах пьезопреобразователей позволяет экономить почти треть топлива, которое шло на выработку электроэнергии, следовательно, позволяет увеличить дальность полета. Здесь в электроэнергию непосредственно превращаются колебания и вибрация фюзеляжа и крыльев.

Фирма "Филипс" успешно разрабатывает идею пьезоэлектрического привода для механизмов малой мощности. В частности, ею создан светофор, батареи которого заряжаются от шума автомобилей на перекрестке.

Поговаривают о создании звукоизолирующих перегородок многоквартирных домок из пьезоэлектриков. Здесь двойной эффект и поглощение шума, и выработка электроэнергии, скажем, для обогрева квартир.

Пьезоэлектрическая струйная печать. Пьезоэлектрические струйные головки для принтеров были разработаны в семидесятых годах. В большинстве таких принтеров избыточное давление в камере с чернилами создается с помощью диска из пьезоэлектрика, который изменяет свою форму (выгибается) при подведении к нему электрического напряжения. Выгнувшись, диск, который служит одной из стенок камеры с чернилами, уменьшает ее объем. Под действием избыточного давления жидкие чернила вылетают из сопла в виде капли.

Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Звуковые волны падают на пьезокристалл микрофона и сжимают его. При помощи пьезокристалла происходит преобразование энергии звуковых волн в слабый электрический ток. Этот небольшой ток затем поступает на усилитель, который делает его достаточно сильным, чтобы обеспечить нормальную работу громкоговорителя. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей.

Зажигалка бытовая пьезоэлектрическая ЗП-1 "Толнэ". Зажигалка предназначена для зажигания газа в горелках бытовых газовых приборов. Источником получения искры является пьезоэлемент. Нажатием на клавишу усилие сжатия передается на пьезоэлементы, в результате чего происходит искрообразование между контактами, расположенными внутри металлической насадки, надетой на удлиненный конец пьезозажигалки. Искра, которая поджигает газ, образуется как при нажатии на клавишу, так и при отпускании ее.

Пьезоэлектрические излучатели применяются для генерирования ультразвука с частотами до 50 Мгц. Основным элементом пьезоэлектрического излучателя является пластинка из пьезоэлектрика, совершающая вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта вынужденные механические колебания в переменном электрическом поле.

Список литературы

“Электричество” С.Г. Калашников, Москва, 1977г.

“Электротехнические материалы” Ю.В. Корицкий, Москва, 1968г.

“Радиопередающие устройства” Г.А. Зейтленка, Москва, 1969г.

http://www.terralab.ru/299680/?r1=rss&r2=remote;

http://www.b-band.ru/pieza.html;

Магнитострикционный эффект
Ультразвуковые генераторы
Ультразвуковое резание
Снижение механических усилий при обработке режущим инструментом
Ультразвуковая очистка
Ультразвуковая сварка
Ультразвуковая пайка лужение
Ультразвуковой контроль
Ультразвуковой экспресс анализ
Ускорение производственных процессов
Ультразвуковая пропитка
Ультразвук в металлургии
Ультразвук в горном деле
Ультразвук в электронике
Ультразвук в сельском хозяйстве
Ультразвук в пищевой промышленности
Ультразвук в биологии
Ультразвуковая диагностика заболеваний
Ультразвуковое лечение заболеваний
На суше и на море

В 1880 году французские ученые братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект. Сущность его заключается в том, что если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды. Следовательно, пьезоэлектричество - это электричество, возникающее в результате механического воздействия на вещество ("пьезо" по-гречески означает "давить").
Впервые пьезоэлектрические свойства были обнаружены у горного хрусталя - одной из разновидностей кварца. Горный хрусталь представляет собой прозрачные, бесцветные, похожие на лед кристаллы. Советский минералог А. Е. Ферсман в книге "Занимательная минералогия" писал: "Возьмите в руку обломок горного хрусталя и такой же кусочек стекла - оба похожи и по своему цвету, и по прозрачности. Если их сломать, у них будут одинаково острые, режущие края и форма излома. Но будет и различие: горный хрусталь долгое время останется холодным в вашей руке, стекло очень скоро сделается теплым... Знали ли это свойство древние греки или нет - неизвестно, но во всяком случае это они дали нашему камню название "хрусталь" от греческого наименования "лед", так как действительно горный хрусталь очень похож на лед..."
В природе встречается почти двести разновидностей кварца. Это и золотисто-желтый цитрин, кроваво-красный сердолик, красновато-коричневый с золотым отливом авантюрин, фиолетовый аметист и многие другие. Почти десятую часть земной коры составляют различие виды кварца. Даже обыкновенный песок состоит г лавным образом из зерен кварца.
Кварц широко применяется в науке и технике. Он роспускает ультрафиолетовые лучи, тверд и тугоплавок. посуду из кварцевого стекла можно раскалить докрасна сразу погрузить в ледяную воду. Он устойчив почти ко сем кислотам и плохо проводит электрический ток. Но самым замечательным его свойством считается пьезоэлектричество. Если пластину, определенным образом урезанную из кристалла кварца, сжимать и разжимать, о на ее гранях будут возникать электрические заряды противоположными знаками. Чем сильнее сжатие, тем больше заряд. Возникновение электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при ее деформации получило название прямого пьезоэлектрического эффекта.
Если же к такой кварцевой пластинке подвести электрический заряд, она изменит свои размеры. Чем больше заряд, тем сильнее деформируется пластинка. При действии на пластинку переменного электрического поля она сжимается или разжимается в такт изменению знаков приложенного напряжения. Если последнее изменяется с ультразвуковой частотой, то и пластинка колеблется также с ультразвуковой частотой, на чем и основав но применение кварца для получения ультразвуковых волн. Изменение размеров кварцевой пластинки под действием электрических зарядов называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвуковых колебаний, где последние преобразуются в переменный ток. Но если к такому приемнику приложить переменное напряжение, в полной мере обнаруживается и обратный пьезоэффект. В этом случае переменный ток преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как ультразвуковой излучатель. Следовательно, пьезоэлектрический приемник и излучатель могут быть представлены в виде одного при-] бора, которым можно поочередно излучать и принимать ультразвуковые колебания. Такой прибор называют ультразвуковым акустическим преобразователем.
Акустические преобразователи с успехом используются в различного рода электроакустических системах, в частности в системах, предназначенных для акустических и гидроакустических измерений и исследований. Пьезоэлектрические приборы широко применяются и при исследовании космического пространства. Ныне их представляют некоторые датчики, передающие данные о состоянии космонавта, об условиях внутри космического корабля, предупреждающие о метеоритной опасности и т. п.
Пьезоэлектрические приборы помогают "ощупать" детали самолетов, выявить ошибки в их расчетах и предотвратить опасные последствия этих ошибок; "заглянуть" в ствол стреляющего орудия, чтобы измерить давление или получить другие данные. Пьезоэлектричество используется в радиотехнике и телевидении. Пьезоэлектрические приборы помогают находить косяки рыб, исследовать земные недра, искать полезные ископаемые ставить диагнозы и лечить людей, анализировать и ускорять химические процессы и т. д.
Одним из основных материалов, применяемых для изготовления ультразвуковых преобразователей, долгое время считался кварц. Но излучатель, сделанный из маленькой кварцевой пластинки, имеет небольшую мощность. Чтобы повысить ее, увеличивают площадь излучающей поверхности путем составления пластинок кварца в виде своеобразной мозаики.
В природе кристаллы кварца встречаются в основном сравнительно небольших размеров, хотя и бывают исключения. В Восточных Альпах геологи в одном гнезде нашли шесть кристаллов горного хрусталя общей массой свыше полутора тонн. Еще более уникальную находку обнаружили уральские геологи, которые открыли месторождение хрусталя с целым семейством кристаллов-великанов. Сначала из породы извлекли кристаллы массой 800 килограммов. Последующий упорный поиск дал совершенно ошеломляющие результаты - было найдено созвездие из двадцати прозрачных чистых кристаллов. Их общая масса превысила 9 тонн. Однако такие находки не могут удовлетворить все возрастающие потребности науки и техники в кристаллах кварца. Поэтому их пытаются выращивать искусственно в лабораториях, но, к сожалению, они растут медленно и производство их дорогостоящее.
В поисках других пьезоэлектрических материалов ученые обратили внимание на сегнетову соль. Впервые ее получил из солей винной кислоты французский аптекарь Сегнет. Сегнетова соль легко обрабатывается, кристалл сегнетовой соли можно разрезать обыкновенной ниткой, смоченной водой. По сравнению с другими пьезокристаллами, в том числе и по сравнению с кварцем, кристалл сегнетовой соли обладает значительно большим пьезоэлектрическим эффектом, самое ничтожное механическое воздействие на пластинку приводит к появлению электрических зарядов. Однако у сегнетовой соли есть и серьезные недостатки, которые ограничивают ее практическое применение. Это в первую очередь низкая температура плавления - около 60 градусов, при которой кристалл сегнетовой соли теряет пьезоэлектрические свойства, и они уже больше не восстанавливаются. Сегнетова соль Растворяется в воде и, следовательно, боится влаги. Кроме того, она непрочна и не выдерживает больших механических нагрузок.
Изыскания новых пьезоэлектрических материалов особенно настойчиво проводились во время второй мировой войны. Они были вызваны "кварцевым голодом", возникшим вследствие широкого использования пьезокварца в гидроакустических приборах и в военной радио электронике. Так, для изготовления пьезоэлектрических преобразователей в то время применялись кристаллы дигидрофосфата аммония. Этот материал стабилен по частоте, позволяет работать с большими мощностями и в широком диапазоне частот. Долгое время применялись и другие пьезоэлектрические материалы, такие, как фосфат аммония, сульфат лития и дигидрофосфат калия. В гидроакустических преобразователях их использовали в виде мозаичных пакетов. Однако всем этим пьезокристаллам присущ общий недостаток - малая механическая прочность. Поэтому ученые настойчиво искали заменитель, который был бы близок к ним по пьезоэлектрическим свойствам и не имел бы вышеуказанног недостатка. И такой заменитель был найден советскими учеными, работавшими под руководством члена-корреспондента Академии наук СССР Б. М. Вула. Это был титанат бария, который не является кристаллом, как кварц и сегнетова соль, и сам по себе не обладает пьезоэлектрическими свойствами.
Титанат бария получают искусственным путем, так как в недрах земли он встречается очень редко. Для этого смесь двух минеральных веществ - углекислого бария и двуокиси титаната - обжигают при очень высокой температуре. Получается желтовато-белая масса, которая по своему виду и механическим свойствам напоминает обыкновенную глину. Этой массе, как и глине, можно придать любую форму, но она будет механически прочной и не растворимой в воде. А для того чтобы титанату бария придать пьезоэлектрические свойства, обожженную массу помещают в сильное электрическое поле, затем охлаждают. В результате происходит поляриза ция кристалликов титаната бария, их диполи (совокупность двух разноименных, но равных по абсолютной величине электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга) занимают одинаково положение, а после охлаждения фиксируются, как бы "замораживаются" в этом состоянии. У полученного материала пьезоэлектрический эффект в 50 раз больше, чем у кварца, а стоимость его невысокая, так как для его изготовления имеется очень большое количество сырья. К недостаткам титаната бария относятся большие механические и диэлектрические потери, что приводит к его перегреву, а при температуре более 90 градусов значительно снижается пьезоэлектрический эффект.
Керамику из титаната бария можно резать, шлифовать, полировать, придавая преобразователю необходимые форму и размеры (плоская пластина, цилиндр, полусфера, часть сферы и т. д.). У преобразователей из титаната бария более эффективно превращение электрической энергии в механическую, большая стойкость к электрическому пробою, они могут работать при малых напряжениях. Кроме того, ультразвуковые преобразователи из титаната бария способны работать в импульсном режиме.
Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют и другую пьезокерамику: смесь циркония с титанатом свинца (ЦТС), у этой пьезокерамики пьезоэффект вдвое больше, чем у титаната бария. Пьезокерамика ЦТС не растворима в воде, и ее также можно обрабатывать механическим способом.
Одновременно продолжались поиски кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами и удовлетворяющих необходимым техническим требованиям. Так в поле зрения ученых попал сернистый кадмий. Помимо того что он обладает исключительной способностью усиливать ультразвуковые колебания, на его основе можно изготовить ультразвуковой преобразователь для очень высоких частот, совершенно не доступных кварцу и ти-танату бария. Исследователи предполагают, что кристалл сернистого кадмия окажется рекордсменом по количеству возможных применений. Он не только может служить усилителем и преобразователем ультразвука, но и может быть использован наряду с германием и кремнием как обычный полупроводник. Кроме того, сернистый кадмий - отличное фотосопротивление.
Несколько упрощая, можно сказать, что пьезоэлектрический преобразователь представляет собой один или несколько соединенных определенным образом отдельных пьезоэлементов с плоской или сферической поверхностью, приклеенных на общую металлическую пластину. Для получения большой интенсивности излучения применяют фокусирующие пьезоэлектрические преобразователи, или концентраторы, которые могут иметь самые различные формы (полусферы, части полых сфер, полые цилиндры, части полых цилиндров). Такие преобразователи используют для получения мощных ультразвуковых колебаний на высоких частотах. При этом интенсивность излучения в центре фокального пятна у сферических преобразователей в 100-150 раз превышает среднюю интенсивность на излучающей поверхности преобразователя.

"Звук, ультразвук, инфразвук"

Дмитрий Левкин

Электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Сменить цвет

Диаметр: 10 мм
Толщина: 1 мм
Материал: ЦТС-26
Напряжение: 5В
Частота возбуждения: 1МГц
Масштаб колебаний: 30000:1

Посмотреть колебания

Остановить колебания

Рисунок - Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики ), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина . Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов. В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год .

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект , а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Свойства пьезокерамики

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации . Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

Характеризуется следующими свойствами:

Относительная диэлектрическая постоянная является отношением диэлектрической проницаемости материала (в этом случае и ) к диэлектрической проницаемости вакуума (ε 0 )

где ε 0 = 8,85· 10 -12 , Ф/м

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце . А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля . Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

Собственная частота пластины по толщине f 0 вычисляется по следующей формуле

где с – скорость звука в материале, м/с

Нажимайте сюда для просмотра колебаний пьезоэлемента!

Частота возбуждения f=25кГц
Масштаб колебаний 200000:1

Частота возбуждения f=73,6кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Частота возбуждения f=280кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Рисунок 4 - Амлитудно-частотная характеристика пьезоэлемента. Виды колебаний на разных частотах

Коэффициенты электромеханической связи k p , k 33 , k 15 , k t и k 31 описывают способность пьезоэлемента превращать энергию из электрической в механическую и наоборот. Квадрат коэффициента электромеханической связи определяется как отношение накопленной преобразованной энергии одного вида (механической или электрической) к входной энергии второго вида (электрической или механической). Индекс показывает относительные направления электрических и механических величин и вид колебаний. Они могут быть связанны с модой колебаний простого преобразователя определенной формы. k p означает взаимосвязь электрической и механической энергии в тонком круглом диске, поляризованном по толщине и колеблющемся в радиальном направлении – планарная мода (). k 31 относится к длинному тонкому бруску с электродами на длинной поверхности. Вид колебаний – растяжение сжатие по длине (). k t связан с тонким диском или пластиной и определяет растяжения сжатия по толщине (). k 33 соответствует длинному тонкому бруску с электродами на его концах и поляризованному по длине. Вид колебаний – растяжения сжатия по длине (). k 15 описывает энергию преобразованную в сдвиговые колебания по толщине () .

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

, (4)

Чтобы измерить эти частоты обычно используется , с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики ().

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной (f r ), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной (f a ).

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы

Упругие свойства пьезоэлектрических материалов характеризуются упругими податливостями () или упругими жесткостями (). Упругая податливость определяет величину деформации возникающей под воздействием приложенного механического напряжения. Ввиду того, что под воздействием механического напряжения керамика порождает электрический ответ, который противодействует результирующей деформации, эффективный модуль Юнга при коротком замыкании электродов меньше чем при холостом ходе. В дополнение, жесткость различна в разных направлениях, поэтому для точного определения величины указываются электрические и механические условия. Верхний индекс E говорит о том, что замеры происходят при постоянном электрическом поле (короткое замыкание). В то время как, индекс D указывает на граничное условие – постоянное электрическое смещение (индукция), т.е. замеры происходят при холостом ходе. Первая нижняя цифра показывает направление деформации, вторая направление механического напряжения .

Пьезоэлектрический модуль d – отношение механической деформации к приложенному электрическому полю (Кл/Н)

где Δx s – изменение толщины пластины, м,
U s – приложенное напряжение, В

Полезно помнить, что большие значения d ij приводят к большим механическим смещениям, что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей . d 33 применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (). d 31 используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (). d 15 показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми ().

Пьезоэлектрическая константа давления g ij – отношение полученного напряжения к приложенному давлению.

, (6)

где U e – полученное напряжение, В,
d - толщина, м,
p x – приложенное давление, Па.

Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение g ij ведет к большим выходным напряжениям, что является желательным для сенсоров.

Коэффициент Пуассона – это отношение относительного поперечного сжатия к соответствующему относительному продольному удлинению

, (7)

где µ – коэффициент Пуассона,
Δa – абсолютное приращение толщины, м,
a – толщина после деформации, м,
Δl – абсолютное приращение длины, м,
l – длина после деформации, м

Температурный коэффициент показывает изменение различных свойств материала (резонансная частота, емкость, размеры) при изменение температуры

, (8)

где ТКЧ – температурный коэффициент резонансной частоты, ppm/˚С,
f(t 1) t 1 , Гц,
f(t 2) – резонансная частота при температуре t 2 , Гц,
f 20 – резонансная частота при температуре 20˚С, Гц,
Δt – разница температур Δt = t 2 - t 1 , ˚С

, (9)

где ТКЕ – температурный коэффициент емкости, ppm/˚С,
C(t 1) – емкость при температуре t 1 , Ф,
C(t 2) – емкость при температуре t 2 , Ф,
C 20 - емкость при температуре 20˚С, Ф

, (10)

где ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения, ppm/˚С,
l(t 1) – длина при температуре t 1 , м,
l(t 2) – длина при температуре t 2 , м,
l 20 – длина при температуре 20˚С, м

Скорость старения это показатель изменения резонансной частоты и емкости со временем. Чтобы вычислить эту скорость, после поляризации электроды преобразователя соединяются вместе, и образец нагревается определенный период времени. Производятся замеры резонансной частоты и емкости каждые 2 n (1,2,4 и 8) дня. Скорость старения вычисляется по следующей формуле :

, (11)

Добротность – количественная характеристика резонансных свойств колебательных систем, указывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте много ниже резонансной при одинаковой амплитуде возбуждающей силы , (13)

где ρ – плотность, кг/м 3 ,
m – масса, кг,
V – объем, м 3 .

Производство пьезоэлементов

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО 3 (напр., BaTiO 3 , РbТiO 3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO 3 - CaTiO 3 , BaTiO 3 - CaTiO 3 - CoCO 3 , NaNbO 3 - KNbO 3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO 3 - PbZrO 3 (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ 2 О 6 , напр. PbNb 2 O 6 , имеющих весьма высокую Кюри точку (~570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента

Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации .

Применение пьезокерамики

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах , пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

В сенсорах , пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах , пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях , пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики .