Piezoelektrikler, piezoelektrik - fenomenin fiziği, türleri, özellikleri ve uygulamaları

Piezoelektrikler Dielektrikler vurgulanır piezoelektrik etki.

Piezoelektrik fenomeni, 1880-1881'de ünlü Fransız fizikçiler Pierre ve Paul-Jacques Curie tarafından keşfedildi ve incelendi.

40 yıldan fazla bir süredir piezoelektrik, fizik laboratuvarlarının mülkiyetinde kalan pratik uygulama bulamadı. Fransız bilim adamı Paul Langevin, bu fenomeni, su altı konumu ("iskandil") amacıyla bir kuvars levhadan suda ultrasonik titreşimler oluşturmak için yalnızca Birinci Dünya Savaşı sırasında kullandı.

Bundan sonra, bir dizi fizikçi, kuvarsın ve diğer bazı kristallerin piezoelektrik özelliklerinin incelenmesi ve bunların pratik uygulamalarıyla ilgilenmeye başladı. Birçok çalışmaları arasında çok önemli birkaç uygulama vardı.

Örneğin, 1915'te S.Butterworth, bir elektrik alanı ile elektrik yükleri arasındaki etkileşim nedeniyle uyarılan tek boyutlu bir mekanik sistem olarak kuvars levhanın, seri bağlı kapasitans, endüktans ve direnç ile eşdeğer bir elektrik devresi olarak temsil edilebileceğini gösterdi.

Bir kuvars plakayı bir osilatör devresi olarak tanıtan Butterworth, sonraki tüm teorik çalışmaların temeli olan bir kuvars rezonatör için eşdeğer bir devre öneren ilk kişi oldu. kuvars rezonatörlerinden.

Piezoelektrik etki doğrudan ve terstir. Doğrudan piezoelektrik etki, dielektrik yüzeyinde indüklenen yük, uygulanan mekanik stresle orantılı iken, üzerindeki harici bir mekanik stresin etkisinden dolayı meydana gelen dielektrikin elektriksel polarizasyonu ile karakterize edilir:

Ters piezoelektrik etki ile, fenomen kendini başka bir şekilde gösterir - dielektrik, kendisine uygulanan harici bir elektrik alanının etkisi altında boyutlarını değiştirirken, mekanik deformasyonun büyüklüğü (göreceli deformasyon) gücü ile orantılı olacaktır. örneğe uygulanan elektrik alan:

Her iki durumda da orantılılık faktörü piezomodulus d'dir. Aynı piezoelektrik için, doğrudan (dpr) ve ters (drev) piezoelektrik etki için piezomodüller birbirine eşittir. Bu nedenle, piezoelektrikler bir tür tersinir elektromekanik dönüştürücülerdir.

Boyuna ve enine piezoelektrik etki

Piezoelektrik etki, numunenin türüne bağlı olarak boyuna veya enine olabilir.Boyuna piezoelektrik etki durumunda, gerinime yanıt olarak yükler veya harici bir elektrik alanına yanıt olarak gerinim, başlatma eylemiyle aynı yönde üretilir. Enine piezoelektrik etki ile, yüklerin görünümü veya deformasyon yönü, onlara neden olan etkinin yönüne dik olacaktır.

Piezoelektrik üzerinde alternatif bir elektrik alanı hareket etmeye başlarsa, içinde aynı frekansta alternatif bir deformasyon görünecektir. Piezoelektrik etki uzunlamasına ise, deformasyonlar uygulanan elektrik alan yönünde sıkıştırma ve çekme karakterine sahip olacak ve enine ise enine dalgalar gözlenecektir.

Uygulanan alternatif elektrik alanın frekansı, piezoelektriğin rezonans frekansına eşitse, mekanik deformasyonun genliği maksimum olacaktır. Numunenin rezonans frekansı, formülle belirlenebilir (V, mekanik dalgaların yayılma hızıdır, h, numunenin kalınlığıdır):

Piezoelektrik malzemenin en önemli özelliği, elektromekanik bağlantı katsayısıdır; bu, mekanik titreşimlerin kuvveti (Pa) ile numune üzerindeki etki yoluyla bunların uyarılması için harcanan elektrik gücü (Pe) arasındaki oranı gösterir. Bu katsayı genellikle 0,01 ile 0,3 arasında bir değer alır.

Piezoelektrikler, simetri merkezi olmayan kovalent veya iyonik bağa sahip bir malzemenin kristal yapısı ile karakterize edilir. İhmal edilebilir serbest yük taşıyıcılarının bulunduğu düşük iletkenliğe sahip malzemeler, yüksek piezoelektrik özellikleri ile ayırt edilir.Piezoelektrikler, tüm ferroelektriklerin yanı sıra kuvarsın kristal modifikasyonu da dahil olmak üzere bilinen birçok malzemeyi içerir.

Tek kristal piezoelektrikler

Piezoelektriklerin bu sınıfı, iyonik ferroelektrikleri ve kristal kuvarsı (beta-kuvars SiO2) içerir.

Tek bir beta kuvars kristali, kenarlarında iki piramit bulunan altıgen bir prizma şeklindedir. Burada birkaç kristalografik yönü vurgulayalım. Z ekseni, piramitlerin tepe noktalarından geçer ve kristalin optik eksenidir. Böyle bir kristalden verilen eksene (Z) dik bir yönde bir plaka kesilirse, piezoelektrik etki elde edilemez.

X eksenlerini altıgenin köşelerinden çizin, böyle üç X ekseni vardır.Plakaları X eksenlerine dik olarak keserseniz, en iyi piezoelektrik etkiye sahip bir örnek elde ederiz. Bu nedenle kuvarsta X eksenlerine elektrik eksenleri denir. Kuvars kristalinin kenarlarına dik olarak çizilen üç Y ekseni de mekanik eksenlerdir.

Bu kuvars türü zayıf piezoelektriklere aittir, elektromekanik birleştirme katsayısı 0,05 ila 0,1 aralığındadır.

Kristalin kuvars, 573 °C'ye kadar olan sıcaklıklarda piezoelektrik özelliklerini koruma kabiliyeti nedeniyle en büyük uygulanabilirliğe sahiptir.Kuvars piezoelektrik rezonatörleri, elektrotların eklendiği düzlem-paralel plakalardan başka bir şey değildir. Bu tür elemanlar, belirgin bir doğal rezonans frekansı ile ayırt edilir.

Lityum niyobit (LiNbO3), iyon ferroelektriklerle ilgili yaygın olarak kullanılan bir piezoelektrik malzemedir (lityum tantalat LiTaO3 ve bizmut almanat Bi12GeO20 ile birlikte).İyonik ferroelektrikler, onları tek alanlı bir duruma getirmek için Curie noktasının altındaki bir sıcaklıkta güçlü bir elektrik alanında önceden tavlanır. Bu tür malzemeler daha yüksek elektromekanik bağlantı katsayılarına sahiptir (0,3'e kadar).

Kadmiyum sülfit CdS, çinko oksit ZnO, çinko sülfür ZnS, kadmiyum selenid CdSe, galyum arsenit GaAs, vb. İyonik-kovalent bağa sahip yarı iletken tip bileşiklerin örnekleridir. Bunlar sözde piezo yarı iletkenlerdir.

Bu dipol ferroelektriklere dayanarak, etilendiamin tartrat C6H14N8O8, turmalin, tek kristal Rochelle tuzu, lityum sülfat Li2SO4H2O - piezoelektrikler de elde edilir.

Polikristal piezoelektrikler

Ferroelektrik seramikler polikristalin piezoelektriklere aittir. Ferroelektrik seramiklere piezoelektrik özellikler kazandırmak için, bu tür seramiklerin 100 ila 150 °C sıcaklıkta güçlü bir elektrik alanında (2 ila 4 MV / m kuvvetinde) bir saat boyunca polarize edilmesi gerekir, böylece bu maruziyetten sonra , içinde polarizasyon kalır, bu da piezoelektrik bir etki elde etmeyi mümkün kılar. Böylece, 0,2 ila 0,4 arasında piezoelektrik kuplaj katsayılarına sahip sağlam piezoelektrik seramikler elde edilir.

Gerekli şekle sahip piezoelektrik elemanlar, daha sonra gerekli nitelikte mekanik titreşimler (boyuna, enine, bükülme) elde etmek için piezoseramiklerden yapılır. Endüstriyel piezoseramiklerin ana temsilcileri baryum titanat, kalsiyum, kurşun, kurşun zirkonat-titanat ve baryum kurşun niobat bazında yapılır.

Polimer piezoelektrikler

Polimer filmler (örneğin, poliviniliden florür) %100-400 oranında gerilir, ardından bir elektrik alanında polarize edilir ve ardından metalleştirme ile elektrotlar uygulanır. Böylece, elektromekanik birleştirme katsayısı 0.16 mertebesinde olan film piezoelektrik elemanları elde edilir.

Piezoelektriklerin uygulanması

Ayrı ve birbirine bağlı piezoelektrik elemanlar, hazır radyo mühendisliği cihazları - elektrotlara bağlı piezoelektrik dönüştürücüler - şeklinde bulunabilir.

Kuvars, piezoelektrik seramikler veya iyonik piezoelektriklerden yapılan bu tür cihazlar, elektrik sinyallerini üretmek, dönüştürmek ve filtrelemek için kullanılır. Kuvars kristalinden düz paralel bir plaka kesilir, elektrotlar eklenir - bir rezonatör elde edilir.

Rezonatörün frekansı ve Q faktörü, plakanın kesildiği kristalografik eksenlerin açısına bağlıdır. Tipik olarak, 50 MHz'e kadar olan radyo frekansı aralığında, bu tür rezonatörlerin Q faktörü 100.000'e ulaşır.Ayrıca, piezoelektrik dönüştürücüler, tipik olarak geniş bir frekans aralığı için yüksek giriş empedansına sahip piezoelektrik transformatörler olarak yaygın şekilde kullanılır.

Kalite faktörü ve frekans açısından kuvars, 1 GHz'e kadar frekanslarda çalışabilen iyon piezoelektriklerden daha iyi performans gösterir. En ince lityum tantalat plakalar, rezonatörlerde, filtrelerde, yüzey akustik dalgalarının gecikme hatlarında, 0,02 ila 1 GHz frekanslı ultrasonik titreşimlerin yayıcıları ve alıcıları olarak kullanılır.

Dielektrik substratlar üzerinde biriken piezoelektrik yarı iletkenlerin ince filmleri, interdigital transdüserlerde kullanılır (burada yüzey akustik dalgalarını uyarmak için değişken elektrotlar kullanılır).

Düşük frekanslı piezoelektrik transdüserler, dipol ferroelektrikler temelinde yapılır: minyatür mikrofonlar, hoparlörler, alıcılar, basınç sensörleri, deformasyon, titreşim, hızlanma, ultrasonik yayıcılar.