Popis piezokeramického snímače keramického materiálu

Pokud jde o piezoelektrické keramické budicí materiály, piezoelektrická keramika vykazuje vysoké požadavky na vlastnosti piezoelektrických keramických materiálů, jako je vysokonapěťová konstanta elektrického napětí, vysoký Curieův bod, vysoký koeficient elektromechanické vazby a vysokofrekvenční konstanta. Nejpoužívanější piezoelektrickou keramikou je PZT (olovnatý zirkoničitan titaničitý) na bázi Piezoelektrický keramický měnič z materiálu Pzt díky svému pozoruhodnému piezoelektrickému efektu, vysoké Curieově teplotě, silné radiační odolnosti a snadné integraci s technologií integrace polovodičů. Je však škodlivý pro lidské tělo a životní prostředí. Lidé proto začali hledat bezolovnaté piezoelektrické keramické materiály s vynikajícím výkonem.

Mezi nejvíce zkoumané bezolovnaté piezoelektrické keramické materiály doma i v zahraničí patří především tyto systémy: bezolovnatá piezoelektrická keramika na bázi titaničitanu barnatého; piezoelektrická keramika na bázi titaničitanu barnatého; bezolovnatá piezoelektrická keramika na bázi tantalátu a bezolovnatá piezoelektrická keramika s vrstvenou tantalovou strukturou.

Bezolovnatá piezoelektrická keramika na bázi titaničitanu barnatého

Výzkum a aplikace titaničitanu barnatého (BaTiO3) na bázi bezolovnatého piezo keramické měniče jsou poměrně vyspělé. Curieova teplota keramiky BaTiO3 je však nízká (Tc=120), rozsah provozních teplot je úzký a výkon piezoelektrické keramiky je střední. Je obtížné výrazně zlepšit piezoelektrické vlastnosti dopingovou modifikací a dochází k fázovému přechodu blízkému teplotě. Proto je jeho použití piezoelektrické keramiky omezené. Bezolovnatý piezoelektrický keramický piezoelektrický keramický titaničitan barnatý a Bi0,5Na0,5TiO3 (BNT) na bázi titaničitanu barnatého je typickým zástupcem titanátové řady. BNT má vlastnosti uvolněného feroelektrika, které má relativně velkou remanentní polarizaci a extrémně vysoké koercitivní pole (7,5 kV/mm) a má velký piezoelektrický koeficient (kt, kp asi 50 %), vynikající výkon dielektrika, jako je malý koeficient (240~340) a dobrý akustický výkon (jeho frekvenční konstanta NP=3200Hz). Vzhledem k jeho vysokému koercitivnímu elektrickému poli a vysoké elektrické vodivosti v oblasti feroelektrické fáze je polarizace obtížná, což ztěžuje výrobu praktické piezoelektrické keramiky. Aby se překonaly nedostatky piezokeramické polarizace BNT a obtížnost slinování do hustých vzorků, je třeba přidat různé páry dopantů perovskitové struktury. BNT je modifikován. Zavedením prvků, jako je Pb, Ba, Ca, Sr, Mn atd., je síla koercitivního pole BNT příliš vysoká a je zabráněno potížím s polarizací způsobenou vysokou vodivostí feroelektrické fáze BNT a polarizace materiálu BNT je úspěšně vyřešena.

Bezolovnatá piezoelektrická keramika na bázi bismutu:

Mezi bezolovnaté piezoelektrické keramiky na bázi bismutu patří především NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 a podobně. The piezo polokoule keramické měniče mají výhody nízké hustoty, vysoké akustické rychlosti, velkého mechanického faktoru kvality Qm, velkého elektromechanického vazebního koeficientu kp, nízké dielektrické konstanty, vysokého piezoelektrického výkonu, velké frekvenční konstanty atd., takže piezoelektrická keramika na bázi tantalátu je frekvenční zařízení a preferovaný materiál. Avšak kvůli těkavosti kovového materiálu je obtížné získat piezokeramiku s dobrou kompaktností běžným keramickým procesem, což zhoršuje vlastnosti keramiky. Hustou keramiku NaNbO3-KNbO3 lze získat lisováním za tepla nebo izostatickým lisováním a teplotní stabilita materiálu je výrazně zlepšena a relativní hustota může dosáhnout 99%.

V praktických aplikacích mají některé základní charakteristiky piezokeramického válcového keramického měniče (jako je hystereze, tečení atd.) velký vliv na vysoce přesné řízení posuvu. Aby se snížil vliv hystereze piezoelektrické keramiky na výstup výchylky, navrhli zahraniční vědci mnoho kompenzačních metod. V současné době je metodou eliminace hystereze obecně řízení s uzavřenou smyčkou v regulačním procesu. Tento režim vyžaduje přídavný snímač výchylky pro měření výchylky a jejich porovnání s cílovou výchylkou ovladače, aby se vytvořil složitý mechanismus pro seřizování řízení. 

Při působení střídavého elektrického pole budou ultrazvukové polarizované piezoměniče vykazovat makroskopickou feroelektrickou degradaci v důsledku snížení aktivity stěny feroelektrické domény. Často dochází k mikrotrhlinám, delaminaci nebo lomu materiálu a polem vyvolané únavy. Vnitřní důvod je způsoben především rozdílem v rozhraní s vlastnostmi. Koeficient tepelné roztažnosti na rozhraní mezi piezokeramikou a elektrodou je odlišný nebo dochází k chemické reakci, která nepříznivě ovlivňuje únavové vlastnosti piezokeramiky. Síla spojování rozhraní je výrazně zlepšena začleněním elektrodového prášku do keramického materiálu nebo začleněním keramického prášku a původní elektrody. Elektrické pole a teplota jsou hlavní vnější faktory, které ovlivňují výkonnost při únavě. Studií dvou faktorů lze zjistit, že pole je silnější než síla koercitivního pole nebo je frekvence vysoká, což způsobí elektrickou únavu. Navíc v určitém teplotním rozsahu se zvyšuje odolnost proti únavě s rostoucí teplotou. Když teplota překročí určitou kritickou hodnotu, materiál přejde do paramagnetické fáze a únavový jev zmizí.

Očekává se, že piezoelektrické keramické displeje překonávají nedostatky současných běžných displejů, které jsou náchylné na elektromagnetické rušení, mrtvá místa, leptání atd. a mají široké vyhlídky na trhu. Pole ovladačů piezoelektrických keramických displejů může být vyrobeno procesem křemíkové formy nebo elektroforetickým nanášením a piezoelektrická keramika na bázi olova může být nahrazena bezolovnatou piezoelektrickou keramikou se strukturou na bázi tantalátu a tantalu. Navzdory určitému pokroku ve vývoji piezoelektrických keramických displejů stále existuje řada klíčových technologických problémů, které je třeba vyřešit:

(1) Přestože je výkon některých bezolovnatých piezoelektrických keramik vynikající, stále existuje velká mezera ve srovnání s piezoelektrickou keramikou na bázi PZT a piezoelektrické vlastnosti by se měly dále zlepšovat měřením modifikace a zlepšováním procesu;

(2) Aby přesnost kompenzace hystereze a creepu piezoelektrického tlakového snímače lépe vyhovovala požadavkům na ultra-vysokou přesnost polohování, vědci potřebují dále studovat kompenzaci korekce nebo účinnou kontrolu pomocí experimentů, aby se snížil piezoelektrický keramický ovladač. Vliv dotvarování na přesnost polohování;

(3) V současné době se výzkum polem indukované únavy většinou zaměřuje na elektrické pole a teplotní pole, ale výzkum v oblasti s multipolní vazbou chybí, ale skutečná piezoelektrická keramická zařízení pracují v podmínkách multipolní vazby, takže je nutné posílit studium mechanismu pole indukované únavy v multipolní vazbě.