Aplikace piezoelektrického keramického měniče

Piezoelektrická keramika byla široce používána díky své piezoelektričnosti a výsledné rozmanitosti elektromechanických vlastností. Tyto aplikace lze obecně rozdělit do dvou širokých kategorií, jmenovitě jako piezoelektrické vibrátory. Při použití jako piezoelektrický vibrátor je požadováno, aby piezoelektrický keramický materiál měl dobrou frekvenční teplotní stabilitu a vysoký faktor mechanické kvality Q (Q označuje stupeň vnitřní spotřeby energie materiálu během vibrační přeměny); je nutné jej použít jako převodník. Vysoký faktor mechanické vazby K (mechanická přeměna na elektrickou energii / vstupní mechanická energie, elektrická energie na mechanickou energii / vstupní elektrická energie) a velká relativní dielektrická konstanta, použití piezoelektrické keramiky je uvedeno níže.

I. Přehled
Piezoelektrická keramika je polykrystalická fólie s piezoelektrickým efektem a její výrobní proces je pojmenován podle podobného výrobního procesu (pulverizace surovin, lisování, vysokoteplotní slinování). Některé anizotropní krystaly podléhají deformaci působením mechanické síly, což způsobuje relativní posunutí nabíjecích částic, což má za následek kladné a záporné vázané náboje na povrchu krystalu. Tento jev se nazývá piezoelektrický jev. Tato vlastnost krystalu se nazývá piezoelektřina. Piezoelektrická keramika byla objevena v roce 1880 bratry J. Curie a P. Curie. O několik měsíců později experimentálně ověřili inverzní piezoelektrický jev, to znamená, že když se na piezokrystal přivede napětí, piezokrystal podstoupí geometrickou deformaci. Před rokem 1940 byly známy pouze dva typy feroelektrik (nejen spontánně polarizované v určitém teplotním rozsahu, ale také spontánní polarizace krystalů, které mohou být přeorientovány v důsledku vnější intenzity pole): jedním je dihydrogenfosforečnan draselný a jeho ekvivalent. První z nich má piezoelektřinu při normální teplotě a má technickou užitnou hodnotu, ale má nevýhodu v tom, že se snadno rozpouští; ta má piezoelektrickou keramiku při nízké teplotě (méně než -14 C) a hodnota technického využití není velká. Bylo zjištěno, že titaničitan barnatý (BaTiO) má abnormálně vysokou dielektrickou konstantu. Brzy bylo zjištěno, že je piezoelektrický a objev piezoelektrické keramiky BaTi O byl pro piezoelektrické materiály kvantovým skokem. Dříve existoval pouze piezoelektrický krystalový materiál a poté se objevil piezoelektrický polykrystalický materiál, piezoelektrická keramika, která byla široce používána. V roce 1947 Spojené státy použily keramiku BaTiO k výrobě snímačů pro fonografy. Japonsko jej používalo dva roky. Materiál BaTiO má tu nevýhodu, že piezoelektřina je slabší než klidová sůl a piezoelektřina je větší než křemenný krystal s teplotou. V roce 1954 B. Jaffe a další objevili piezoelektrický systém pevných roztoků PbZrO-PbTiO (PZT), což je epochální událost, která znemožnila výrobu zařízení v BaTiO. Od té doby byla vyvinuta transparentní piezoelektrická keramika PZT s cílem rozšířit aplikaci piezoelektrické keramiky do oblasti optiky. Dosud je aplikace piezoelektrické keramiky od vývoje vesmíru až po život rodiny nesmírně rozsáhlá. Čínský výzkum piezoelektrické keramiky začal koncem 50. let 20. století, asi o 10 let později než zahraniční země. V současné době jsou poměrně silné síly ve zkušební výrobě a průmyslové výrobě piezoelektrické keramiky. Mnoho materiálů dosáhlo nebo se blíží mezinárodní úrovni.

Fyzikální mechanismus piezokeramické piezoelektriky
Piezoelektrická keramika jsou polykrystaly, jejichž piezoelektrika piezo diskový snímač lze vysvětlit piezoelektrikou piezo krystalu. Působením mechanické síly se mění celkový elektrický dipólový moment (polarizace), což má za následek piezoelektrický jev. Piezoelektřina úzce souvisí s polarizací, deformací a podobně.

Mikroskopický mechanismus polarizace

Polarizační stav je stav, ve kterém elektrické pole působí relativní posuvnou silou na nabitý bod dielektrika a dočasnou rovnováhu vzájemné přitažlivosti mezi náboji. Existují tři hlavní mechanismy polarizace.

(1) Polarizace posunu elektronu – Atom nebo iont dielektrika se při působení síly elektrického pole neshoduje se středem záporného náboje kladně nabitého jádra a obalového elektronu.

(2) Polarizace přemístění iontů – kladné a záporné ionty dielektrika se působením síly elektrického pole relativně přemístí, čímž se vytvoří elektrický dipólový moment.

(3) Orientační polarizace – polární molekuly, které tvoří dielektrikum, mají určitý vnitřní (inherentní) elektrický moment. Vlivem tepelného pohybu je orientace neuspořádaná, celkový elektrický moment je nulový. Při působení elektrického pole se elektrický dipólový moment vyrovná. Směr elektrického pole se vyrovná a objeví se makroskopický elektrický dipólový moment. U anizotropních krystalů souvisí polarizace s přítomností elektrického pole.

2. Piezoelektrický jev

(1) Pozitivní piezoelektrický jev
Když je piezoelektrický krystal deformován vnější silou, kladná a záporná centra náboje jsou relativně posunuta a na některých odpovídajících plochách jsou generovány opačné náboje a dochází k intenzitě polarizace. Tento jev bez elektrického pole a polarizace deformací se nazývá pozitivní piezoelektrický jev.

U anizotropních krystalů je na krystal aplikováno napětí; (odpovídající napětí), krystal bude mít proporcionální polarizaci ve třech směrech X, Y a Z, které se nazývají piezoelektrická konstanta napětí a piezoelektrická konstanta napětí.

(2) Inverzní piezoelektrický jev
Při působení elektrického pole na krystal vzniká nejen polarizace, ale i deformace a tento jev deformace elektrickým polem se nazývá inverzní piezoelektrický jev. Je to proto, že když je krystal vystaven elektrickému poli, uvnitř krystalu vzniká napětí (piezoelektrické napětí) a napětím vzniká piezoelektrické napětí.

3. Mechanismus působení tlaku
Piezoelektrický jev byl poprvé objeven na piezokrystalech. Nyní používáme piezokrystaly jako model pro ilustraci fyzikálního mechanismu piezoelektrického jevu.
Když není aplikován žádný tlak, kladná a záporná centra náboje krystalu jsou distribuována. V tomto okamžiku se kladná a záporná centra náboje shodují a celkový elektrický moment krystalu je roven nule a povrch krystalu není nabitý (ne piezoelektrický).

Aplikace piezoelektrické keramiky

Piezoelektrický keramický zapalovač
Jedná se o zařízení, které převádí mechanickou sílu na elektrickou jiskru k zapálení spalování a je to elektromechanický měnič. V roce 1958 byl k zapálení použit piezoelektrický efekt keramiky s titaničitanem barnatým (BaTiO). Materiál PZT má však nízkou rychlost vznícení a vysokou hlučnost. V roce 1962 byly k výrobě zapalovačů použity zkoušky piezoelektrické keramiky zirkoničitanu titaničitanu olovnatého (PZT). Zapalovače jsou široce používány v každodenním životě, průmyslové výrobě a vojenských aplikacích k zapálení plynu a různých typů výbušnin a raket.

(1) Základní principy

Generování vysokého napětí — Vezmeme-li jako příklad válcovou piezoelektrickou keramickou součástku, když mechanická síla F působí na válec, piezokrystal se zdeformuje, což způsobí posunutí středu kladného a záporného náboje v krystalu, takže se velké množství náboje akumuluje na horním a spodním povrchu válce. 

(2) vysokonapěťový výstup.

(3)Struktura a princip činnosti zapalovače

2. Piezoelektrický transformátor
Od 50. let 20. století byly vyvíjeny piezoelektrické transformátory. V té době se jako hlavní materiál používal titaničitan barnatý. Posílení je relativně nízké (pouze 50-60krát). Výstupní napětí je kolem 3000 voltů. S příchodem piezoelektrických keramických materiálů na bázi zirkoničitanu titaničitanu olovnatého se poměr zesílení zvýšil na 300-500krát a postupně byl aplikován na televizory, elektrostatické kopírky a generátory záporných iontů jako vysokonapěťové napájecí zdroje.

(1) Základní principy
Elektrická vibrační energie přiváděná do piezoelektrické keramické desky je přeměněna na energii mechanickou vibrací inverzním piezoelektrickým jevem a poté přeměněna na elektrickou energii pozitivním piezoelektrickým jevem. Konverze impedance (z nízké impedance na vysokou impedanci) je dosažena těmito dvěma přeměnami energie pro dosažení vysokého napěťového výstupu na rezonanční frekvenci piezokeramického čipu. Princip transformace je vysvětlen na příkladu horizontálního a vertikálního transformátoru protahovací vibrace.

Celý piezokeramický kus je rozdělen na dvě části, levá část je vstupní konec (také nazývaná hnací část), horní a spodní strana má infiltrovanou stříbrnou elektrodu, která je polarizována ve směru tloušťky, a pravá část je výstupní konec (také nazývaná část generující energii) a pravý konec. Na povrchu je infiltrovaná stříbrná elektroda. Polarizované po délce. Když je vstupní svorka přivedena střídavým napětím, v důsledku inverzního piezoelektrického jevu, piezokeramická deska generuje natahovací vibrace podél podélného směru, které přeměňují vstupní elektrickou energii na mechanickou energii; a část generující energii přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii prostřednictvím pozitivního piezoelektrického jevu. Kde faktor mechanické kvality materiálu; - podélné a příčné elektromechanické vazební koeficienty materiálu; délka L - části generující energii; T - tloušťka transformátoru.

(2) Aplikace piezoelektrického transformátoru
Piezoelektrické transformátory se používají hlavně v případě konverze vysokého napětí, nízkého výkonu a sinusové vlny a mají jedinečné výhody vysokého výstupního napětí, nízké hmotnosti, malého objemu, bez únikového magnetického pole, bez spalování. Abychom získali více napěťových výstupů, podle výstupního napětí horizontálně-vertikálního transformátoru je úměrné délce, čím blíže ke konci části pro výrobu energie, tím vyšší napětí, můžeme vyrobit elektrody jako odbočky v různých polohách části pro výrobu energie, čímž získáme různé napěťové výstupy. .

4.Piezoelektrické keramické snímače a reproduktory

(1) Vibrátor s dvojitou membránou

Je uveden princip činnosti vibrátoru s dvojitou membránou. Když se piezoelektrická keramika o určité tloušťce ohne působením síly, prodlouží se na jedné straně tloušťky a stlačí na druhé straně a uvnitř piezokeramické desky se vytvoří náboj. Protože však celá membrána má stejný směr polarizace, horní strana je prodloužená a spodní strana je stlačena, takže elektrický dipólový moment je opačný a symboly nabití na horní a spodní straně jsou stejné, takže neexistuje žádný potenciální rozdíl, jako je přepnutí na dvě překrývající se dvojité membránové struktury, když je vystavena silovému ohýbání, lze získat výstupní napětí. Dva kusy membrán s opačnými směry polarizace jsou zapojeny do série a při působení síly se horní část prodlouží a spodní část se stlačí. Protože směry polarizace jsou opačné, horní a spodní strana dvojité membrány jsou opačně nabité znaménkem a lze získat napěťový výstup. Dvě membrány se stejným směrem polarizace jsou zapojeny paralelně a tvoří výstupní napětí.

(2) Piezoelektrická keramická snímací struktura a pracovní princip

(3) Piezoelektrická keramická konstrukce reproduktoru a pracovní princip
Piezoelektrický keramický reproduktor je jednoduché a lehké elektroakustické zařízení, které má výhody vysoké citlivosti, bez rozptylu magnetického pole, bez měděného drátu a magnetu, nízké ceny, nízké spotřeby energie, pohodlné opravy a hromadné výroby.

Pohonný systém je a Piezoelektrické prvky z materiálu PZT s dvojitou membránou, vibračním systémem je papírový kužel a spojovací prvek efektivně přenáší energii hnacího systému do vibračního systému. Během provozu se elektrická energie aplikovaná na piezoelektrickou keramickou dvojitou membránu přeměňuje na mechanickou energii, která je přenášena na papírový kužel přes spojovací prvek, aby vibrovala a zněla. Piezoelektrická dvojitá membrána má vyšší impedanci a tvoří napěťový pohon. Vztah mezi silou F a napětím V je F=KV, K je proporcionální koeficient a mechanická impedance vibrací včetně impedance záření je Z a rychlost vibrací je
V=F/Z
Lze získat akustický tlak P ve středu r filmu s vysokými vibracemi.

Kromě toho mohou být vyrobeny další elektroakustické měniče energie, jako je vysílač, přijímač, bzučák atd. podle piezoelektrického jevu piezoelektrické keramiky.

(4) Piezoelektrické keramické ventilátory a relé Z
piezoelektrické keramiky lze vyrobit malý piezoelektrický keramický ventilátor, který má výhody malého objemu, nedochází k vytváření tepla, žádnému hučení, nízké spotřebě energie a dlouhé životnosti. Jedná se o piezoelektrický keramický ohybový deformátor, který se skládá ze dvou piezoelektrických keramických plátů sevřených kovovou fólií a piezokeramický plát generuje teleskopický pohyb působením vnějšího elektrického pole. Pokud jsou dvě piezokeramické desky aplikovány se zpětným napětím, druhá strana se stáhne, aby se natáhla, a kovový plech se ohne a deformuje. Při použití střídavého napětí bude plech periodicky vibrovat.