Toepassing van piëzo-elektriese keramiek-omskakelaar

Piëso-elektriese keramiek is wyd gebruik as gevolg van hul piëzo-elektrisiteit en die gevolglike diversiteit van elektromeganiese eienskappe. Hierdie toepassings kan oor die algemeen in twee breë kategorieë verdeel word, naamlik as piëso-elektriese vibrators. Wanneer dit as 'n piëso-elektriese vibrator gebruik word, moet die piëzo-elektriese keramiekmateriaal goeie frekwensietemperatuurstabiliteit en 'n hoë meganiese kwaliteitsfaktor Q hê (Q dui die mate van interne energieverbruik van die materiaal tydens vibrasieomskakeling aan); dit word vereis om as 'n transducer gebruik te word. Die hoë meganiese koppelingsfaktor K (meganiese omskakeling na elektriese energie / insette meganiese energie, elektriese energie na meganiese energie / insette elektriese energie) en groot relatiewe diëlektriese konstante, die toepassing van piëso-elektriese keramiek word hieronder gegee.

I. Oorsig
Piëso-elektriese keramiek is 'n polikristallyne film met piëso-elektriese effek, en die produksieproses is vernoem na sy soortgelyke produksieproses (verpulvering van grondstowwe, giet, sintering met hoë temperatuur). Sommige anisotropiese kristalle ondergaan vervorming onder meganiese krag, wat veroorsaak dat die laaiende deeltjies relatief verplaas word, wat lei tot die positiewe en negatiewe gebonde ladings op die oppervlak van die kristal. Hierdie verskynsel word piëso-elektriese effek genoem. Hierdie eienskap van die kristal word piëso-elektrisiteit genoem. Piezo-elektrisiteit keramiek is in 1880 deur J. Curie en P. Curie broers ontdek. 'n Paar maande later het hulle eksperimenteel die omgekeerde piëzo-elektriese effek geverifieer, dit wil sê, wanneer 'n spanning op die piëzo-kristal toegepas word, sal die piëzo-kristal geometriese vervorming ondergaan. Voor 1940 was slegs twee tipes ferroelektrika bekend (nie net spontaan gepolariseer in 'n sekere temperatuurreeks nie, maar ook die spontane polarisasie van die kristalle wat heroriënteer kan word as gevolg van die eksterne veldsterkte): een is kaliumdiwaterstoffosfaat en die ekwivalent daarvan. Eersgenoemde het piëso-elektrisiteit by normale temperatuur, en het tegniese gebruikswaarde, maar het die nadeel dat dit maklik is om op te los; laasgenoemde het piëzo-elektrisiteit keramiek by lae temperatuur (minder as -14 C), en die ingenieursgebruikswaarde is nie groot nie. Daar is gevind dat bariumtitanaat (BaTiO) 'n abnormaal hoë diëlektriese konstante het. Daar is gou gevind dat dit piëso-elektries is, en die ontdekking van BaTi O piëso-elektriese keramiek was 'n kwantumsprong vir die piëzo-elektriese materiale. Voorheen was daar slegs 'n piëzo-elektriese kristalmateriaal, en daarna het 'n piëso-elektriese polikristallyne materiaal, piëso-elektriese keramiek verskyn en is wyd gebruik. In 1947 het die Verenigde State BaTiO-keramiek gebruik om bakkies vir fonograwe te maak. Japan het dit twee jaar gebruik. BaTiO-materiaal het die nadeel dat die piëso-elektrisiteit swakker is as die rustende sout en die piëso-elektrisiteit is groter as die kwartskristal met temperatuur. In 1954 het B. Jaffe en ander die piëzo-elektriese PbZrO-PbTiO (PZT) vaste oplossingstelsel ontdek, wat 'n epogmakende gebeurtenis is wat dit onmoontlik gemaak het om toestelle in die BaTiO te vervaardig. Sedertdien is PZT deursigtige piëzo-elektriese keramiek ontwikkel om die toepassing van piëzo-elektriese keramiek uit te brei na die veld van optika. Tot dusver is die toepassing van piëzo-elektriese keramiek, vanaf die ontwikkeling van die heelal tot die lewe van die gesin, uiters omvattend. China se navorsing oor piëzo-elektriese keramiek het in die laat 1950's begin, ongeveer 10 jaar later as die buiteland. Tans is daar nogal sterk kragte in die proefproduksie en industriële produksie van piëso-elektriese keramiek. Baie materiaal het die internasionale vlak bereik of is naby aan die.

Die fisiese meganisme van piëso-keramiese piëzo-elektrisiteit
Piëzo-elektriese keramiek is polikristalle waarvan die piëzo-elektrisiteit piëzo skyf sensor kan verklaar word deur die piëzo-elektrisiteit van die piëzo kristal. Onder die werking van meganiese krag verander die totale elektriese dipoolmoment (polarisasie), wat lei tot 'n piëso-elektriese verskynsel. Piëso-elektrisiteit is nou verwant aan polarisasie, vervorming en dies meer.

Mikroskopiese meganisme van polarisasie

Die polarisasietoestand is 'n toestand waarin die elektriese veld 'n relatiewe verplasingskrag op die gelaaide punt van die diëlektrikum uitoefen en 'n tydelike balans van wedersydse aantrekking tussen die ladings. Daar is drie hoofpolarisasiemeganismes.

(1) Elektronverplasingpolarisasie—Die atoom of ioon van 'n diëlektrikum val nie saam met die negatiewe ladingsentrum van 'n positief gelaaide kern en 'n dopelektron onder die werking van 'n elektriese veldkrag nie.

(2) Ioonverplasingpolarisasie—die positiewe en negatiewe ione van die diëlektrikum word relatief verplaas onder die werking van 'n elektriese veldkrag, waardeur 'n elektriese dipoolmoment opgewek word.

(3) Oriëntasiepolarisasie—die polêre molekules waaruit die diëlektrikum bestaan, het 'n sekere intrinsieke (inherente) elektriese moment. As gevolg van termiese beweging is die oriëntasie versteurd, die totale elektriese moment is nul. Wanneer 'n elektriese veld toegepas word, is die elektriese dipoolmoment .Die rigting van die elektriese veld word in lyn gebring en 'n makroskopiese elektriese dipoolmoment verskyn.Vir anisotropiese kristalle hou die polarisasie verband met die teenwoordigheid van 'n elektriese veld.

2. Piëso-elektriese effek

(1) Positiewe piëso-elektriese effek
Wanneer die piëso-elektriese kristal vervorm word deur 'n eksterne krag, word die positiewe en negatiewe ladingsentrums relatief verplaas, en die teenoorgestelde ladings word op sommige ooreenstemmende vlakke gegenereer, en die polarisasie-intensiteit vind plaas. Hierdie verskynsel van geen elektriese veld en polarisasie deur vervorming word 'n positiewe piëso-elektriese effek genoem.

Vir anisotropiese kristalle word spanning op die kristal toegepas; (ooreenstemmende vervorming), sal die kristal 'n proporsionele polarisasie hê in die drie rigtings van X, Y en Z, wat onderskeidelik piëso-elektriese spanningskonstante en piëso-elektriese spanningskonstante genoem word.

(2) Inverse piëso-elektriese effek
Wanneer 'n elektriese veld op die kristal toegepas word, word nie net polarisasie nie, maar ook vervorming gegenereer, en hierdie verskynsel van vervorming deur die elektriese veld word 'n inverse piëso-elektriese effek genoem. Dit is omdat wanneer die kristal aan 'n elektriese veld onderwerp word, spanning (piëso-elektriese spanning) binne die kristal gegenereer word, en piëso-elektriese spanning word gegenereer deur spanning.

3. Meganisme van drukeffek
Die piëzo-elektriese effek is die eerste keer op piëzo-kristalle ontdek. Nou gebruik ons ​​piëzo-kristalle as 'n model om die fisiese meganisme van die piëso-elektriese effek te illustreer.
Wanneer geen druk toegepas word nie, word die positiewe en negatiewe ladingsentrums van die kristal versprei. Op hierdie tydstip val die positiewe en negatiewe ladingsentrums saam, en die totale elektriese moment van die kristal is gelyk aan nul, en die kristaloppervlak is nie gelaai nie (nie piëso-elektries nie).

Toepassing van piëzo-elektriese keramiek

Piëso-elektriese keramiekontsteker
Dit is 'n toestel wat meganiese krag in 'n elektriese vonk omskakel om die verbranding aan te steek, en is 'n elektromeganiese omskakelaar. In 1958 is die piëso-elektriese effek van bariumtitanaat (BaTiO) keramiek vir ontsteking gebruik. PZT-materiaal het egter 'n lae ontstekingstempo en hoë geraas. In 1962 is proewe van loodsirkonaattitanaat (PZT) piëso-elektriese keramiek gebruik om ontstekers te maak. Ontstekers word wyd gebruik in die daaglikse lewe, industriële produksie en militêre toepassings om gas en verskillende soorte plofstof en vuurpyle aan die brand te steek.

(1) Basiese beginsels

Hoëspanningopwekking——Neem 'n silindriese piëso-elektriese keramiekkomponent as 'n voorbeeld, wanneer die meganiese krag F op die silinder inwerk, word die piëzo-kristal verwring, wat veroorsaak dat die middelpunt van die positiewe en negatiewe ladings in die kristal verskuif, sodat 'n groot hoeveelheid lading op die boonste en onderste oppervlak van die silinder ophoop 

(2) hoë spanning uitset.

(3) ontstekerstruktuur en werkbeginsel

2. Piëso-elektriese transformator
Sedert die 1950's is piëso-elektriese transformators ontwikkel. Destyds is bariumtitanaat as die hoofmateriaal gebruik. Die hupstoot is relatief laag (slegs 50-60 keer). Die uitsetspanning is ongeveer 3000 volt. Met die koms van piëso-elektriese keramiekmateriaal van loodsirkonaattitanaat is die hupstootverhouding tot 300-500 keer verhoog, en dit is geleidelik toegepas op televisies, elektrostatiese kopieermasjiene en negatiewe ioonopwekkers as hoëspanningkragbronne.

(1) Basiese beginsels
Die elektriese vibrasie-energie-invoer na die piëso-elektriese keramiekplaat word omgeskakel in meganiese vibrasie-energie deur die omgekeerde piëso-elektriese effek, en dan omgeskakel na elektriese energie deur die positiewe piëso-elektriese effek. Impedansie-omskakeling (van lae impedansie na hoë impedansie) word in hierdie twee energie-omsettings bereik om 'n hoë spanningsuitset by die resonansiefrekwensie van die piëzo-keramiekskyfie te verkry. Die transformasiebeginsel word verduidelik deur 'n horisontale en vertikale transformator van strekvibrasie as 'n voorbeeld te neem.

Die hele piëzo-keramiekstuk word in twee dele verdeel, die linkerdeel is die insetpunt (ook genoem die dryfdeel), die boonste en onderste kante het die geïnfiltreerde silwerelektrode, wat in die dikterigting gepolariseer is, en die regterdeel is die uitsetkant (ook genoem die kragopwekkingsdeel), en die regterkant.Daar is 'n silwerelektrode wat op die oppervlak geïnfiltreer word. Gepolariseer oor die lengte. Wanneer die insetterminaal met 'n wisselspanning toegepas word, as gevolg van die omgekeerde piëso-elektriese effek, genereer die piëzo-keramiekplaat strekvibrasie langs die lengterigting, wat die inset elektriese energie in meganiese energie omskakel; en die kragopwekkingsgedeelte omskep die meganiese energie in elektriese energie deur die positiewe piëso-elektriese effek. Waar die meganiese kwaliteit faktor van die materiaal; - die longitudinale en transversale elektromeganiese koppelingskoëffisiënte van die materiaal; die lengte van die L - kragopwekkingsgedeelte; T - die dikte van die transformator.

(2) Toepassing van piëzo-elektriese transformator
Piëzo-elektriese transformators word hoofsaaklik gebruik in die geval van hoë spanning, lae drywing en sinusgolf omskakeling, en het die unieke voordele van hoë uitsetspanning, ligte gewig, klein volume, geen lekkasie magnetiese veld, geen verbranding. Ten einde veelvuldige spanningsuitsette te verkry, volgens die uitsetspanning van die horisontaal-vertikale transformator is eweredig aan die lengte, hoe nader aan die einde van die kragopwekkingsdeel, hoe hoër die spanning, kan ons elektrodes maak as krane op verskillende posisies van die kragopwekkingsdeel, en sodoende die verskillende spanningsuitsette verkry. .

4.Piëzo-elektriese keramiekbakkies en luidsprekers

(1) Dubbel diafragma tipe vibrator

Die werkingsbeginsel van die dubbele diafragma tipe vibrator word gegee. Wanneer 'n piëzo-elektriese keramiek met 'n sekere dikte onder die krag gebuig word, word dit aan die een kant van die dikte verleng en aan die ander kant saamgepers, en 'n lading word binne die piëzo-keramiekplaat gegenereer. Aangesien die hele diafragma egter dieselfde polarisasierigting het, word die bokant verleng, en die onderkant word saamgepers, sodat die elektriese dipoolmoment teenoorgesteld is, en die boonste en onderste syladingsimbole dieselfde is, dus is daar geen potensiaalverskil nie, soos om oor te skakel na twee oorvleuelende dubbele diafragma-struktuur, wanneer die spanningskragbuiging onderworpe is, kan dit verkry word. Twee stukke diafragmas met teenoorgestelde polarisasierigtings word in die reeks verbind, en wanneer die krag toegepas word, word die boonste stuk verleng en die onderste stuk saamgepers. Aangesien die polarisasie-rigtings teenoorgesteld is, is die boonste en onderste sye van die dubbele diafragma teenoorgesteld gelaai met 'n teken, en 'n spanningsuitset kan verkry word. Die twee diafragmas met dieselfde polarisasierigting word in parallel verbind om 'n uitsetspanning te vorm.

(2) Piëso-elektriese keramiekbakkiestruktuur en werkbeginsel

(3) Piëzo-elektriese keramiekluidsprekerstruktuur en werkbeginsel
Piëzo-elektriese keramiekluidspreker is 'n eenvoudige en liggewig elektroakoestiese toestel, wat die voordele van hoë sensitiwiteit, geen magnetiese veldverstrooiing, geen koperdraad en magneet, lae koste, lae kragverbruik, gerieflike herstel en massaproduksie het.

Die bestuurstelsel is a PZT-materiaal piëzo-elektriese elemente dubbel diafragma, die vibrasiestelsel is 'n papierkegel, en die koppelingskomponent dra die energie van die dryfstelsel doeltreffend na die vibrasiestelsel oor. Tydens werking word die elektriese energie wat op die piëzo-elektriese keramiek dubbele diafragma toegepas word, omgeskakel in meganiese energie, wat deur die koppelelement na die papierkeël oorgedra word om te vibreer en te klink. Die piëso-elektriese dubbele diafragma het 'n hoër impedansie en vorm 'n spanningsaandrywing. Die verband tussen die krag F en die spanning V is F=KV, K is 'n proporsionele koëffisiënt, en die vibrasie meganiese impedansie insluitend die stralingsimpedansie is Z, en die vibrasiespoed is
V=F/Z
Die klankdruk P by die middel r van die hoë vibrasie film kan verkry word.

Daarbenewens kan ander elektro-akoestiese energie-omsetters soos 'n sender, 'n ontvanger, 'n gonser, ens. gemaak word volgens die piëso-elektriese effek van die piëso-elektriese keramiek.

(4) Piëzo-elektriese keramiekwaaiers en -relais
Die piëzo-elektriese keramiek kan in 'n klein piëzo-elektriese keramiekwaaier gemaak word, wat die voordele van klein volume het, daar is geen hitte-opwekking, geen brom, lae kragverbruik en lang lewe. Dit is 'n piëzo-elektriese keramiek-buigdeformeerder, wat bestaan ​​uit twee piëzo-elektriese keramiekplate wat deur 'n metaalfoelie vasgebind is, en die piëzo-keramiekplaat genereer 'n teleskopiese beweging onder die werking van 'n eksterne elektriese veld. As twee piëzo-keramiekplate met 'n omgekeerde spanning aangebring word, word die ander kant saamgetrek om te rek, en die metaalplaat word gebuig en vervorm. As 'n wisselspanning toegepas word, sal die metaalplaat periodiek vibreer.