Nyheder

Du er her: Hjem / Nyheder / Grundlæggende om piezoelektrisk keramik / Anvendelse af piezoelektrisk keramisk transducer

Anvendelse af piezoelektrisk keramisk transducer

Visninger: 1 Forfatter: Webstedsredaktør Udgivelsestid: 11-10-2019 Oprindelse: websted

Spørge

Piezoelektrisk keramik er blevet meget brugt på grund af deres piezoelektricitet og den resulterende mangfoldighed af elektromekaniske egenskaber. Disse applikationer kan generelt opdeles i to brede kategorier, nemlig som piezoelektriske vibratorer. Når det bruges som en piezoelektrisk vibrator, skal det piezoelektriske keramiske materiale have god frekvenstemperaturstabilitet og en høj mekanisk kvalitetsfaktor Q (Q angiver graden af materialets indre energiforbrug under vibrationskonvertering); den skal bruges som transducer. Den høje mekaniske koblingsfaktor K (mekanisk omdannelse til elektrisk energi / input mekanisk energi, elektrisk energi til mekanisk energi / input elektrisk energi) og store relative dielektriske konstant, anvendelsen af piezoelektrisk keramik er angivet nedenfor.

Piezoelektrisk keramisk tænder
Dette er en enhed, der konverterer mekanisk kraft til en elektrisk gnist for at antænde forbrændingen, og er en elektromekanisk transducer. I 1958 blev den piezoelektriske effekt af bariumtitanat (BaTiO) keramik brugt til antændelse. Dette materiale af piezoelektrisk keramisk lag har en lav antændelseshastighed og høj støj. I 1962 blev forsøg med blyzirkonattitanat (PZT) piezoelektrisk keramik brugt til at fremstille tændere. Tændere er meget udbredt i dagligdagen, industriel produktion og militære anvendelser til at antænde gas og forskellige typer sprængstoffer og raketter.

I. Oversigt
Piezoelektrisk keramik er en polykrystallinsk film med piezoelektrisk effekt, og dens produktionsproces er opkaldt efter dens lignende produktionsproces (råmaterialepulverisering, støbning, højtemperatursintring). Nogle anisotrope krystaller undergår deformation under mekanisk kraft, hvilket får ladepartiklerne til at blive relativt forskudt, hvilket resulterer i de positive og negative bundne ladninger på overfladen af krystallen. Dette fænomen kaldes piezoelektrisk effekt. Denne egenskab ved krystallen kaldes piezoelektricitet. Piezoelektrisk keramik blev opdaget i 1880 af brødrene J. Curie og P. Curie. Et par måneder senere verificerede de eksperimentelt den omvendte piezoelektriske effekt, det vil sige, når en spænding påføres piezokrystallen, vil piezokrystallen gennemgå geometrisk deformation. Før 1940 kendte man kun til to typer ferroelektriske stoffer (ikke kun spontant polariseret i et bestemt temperaturområde, men også den spontane polarisering af krystallerne, der kan reorienteres på grund af den ydre feltstyrke): den ene er kaliumdihydrogenphosphat og tilsvarende. Førstnævnte har piezoelektricitet ved normal temperatur og har teknisk brugsværdi, men har den ulempe, at den er nem at opløse; sidstnævnte har piezoelektrisk keramik ved lav temperatur (mindre end -14 C), og den tekniske brugsværdi er ikke stor. Bariumtitanat (BaTiO) viste sig at have en unormalt høj dielektrisk konstant. Det viste sig hurtigt at være piezoelektrisk, og opdagelsen af BaTi O piezoelektrisk keramik var et kvantespring for de piezoelektriske materialer. Tidligere var der kun et piezoelektrisk krystalmateriale, og derefter dukkede et piezoelektrisk polykrystallinsk materiale, piezoelektrisk keramik op og blev meget brugt. I 1947 brugte USA BaTiO-keramik til at lave pickupper til fonografer. Japan brugte det i to år. BaTiO-materialet har den ulempe, at piezoelektriciteten er svagere end hvilesaltet, og piezoelektriciteten er større end kvartskrystallen med temperatur. I 1954 opdagede B. Jaffe og andre det piezoelektriske PbZrO-PbTiO (PZT) solide løsningssystem, som er en epokegørende begivenhed, der gjorde det umuligt at fremstille enheder i BaTiO . Siden da er PZT transparent piezoelektrisk keramik blevet udviklet for at udvide anvendelsen af piezoelektrisk keramik til optikområdet. Indtil videre er anvendelsen af piezoelektrisk keramik, fra universets udvikling til familiens liv, ekstremt omfattende. Kinas forskning i piezoelektrisk keramik begyndte i slutningen af 1950'erne, omkring 10 år senere end udlandet. På nuværende tidspunkt er der ret stærke kræfter i forsøgsproduktion og industriel produktion af piezoelektrisk keramik. Mange materialer har nået eller er tæt på det internationale niveau.

Den fysiske mekanisme bag piezokeramisk piezoelektricitet
Piezoelektrisk keramik er polykrystaller, hvis piezoelektricitet piezo-skivesensor kan forklares med piezo-krystallens piezoelektricitet. Under påvirkning af mekanisk kraft ændres det totale elektriske dipolmoment (polarisering), hvilket resulterer i et piezoelektrisk fænomen. Piezoelektricitet er tæt forbundet med polarisering, deformation og lignende.

Mikroskopisk polariseringsmekanisme

Polarisationstilstanden er en tilstand, hvor det elektriske felt udøver en relativ forskydningskraft på dielektrikumets ladede punkt og en midlertidig balance mellem gensidig tiltrækning mellem ladningerne. Der er tre hovedpolariseringsmekanismer.

(1) Elektronforskydningspolarisering - Atomet eller ionen af et dielektrikum falder ikke sammen med det negative ladningscenter af en positivt ladet kerne og en skalelektron under påvirkning af en elektrisk feltkraft.

(2) Ionforskydningspolarisering - de positive og negative ioner af dielektrikumet er relativt forskudt under påvirkning af en elektrisk feltkraft, hvorved der genereres et elektrisk dipolmoment.

(3) Orienteringspolarisering - de polære molekyler, der udgør dielektrikumet, har et bestemt iboende (iboende) elektrisk moment. På grund af termisk bevægelse er orienteringen uordnet, det samlede elektriske moment er nul. Når et elektrisk felt påføres, vil det elektriske dipolmoment . Retningen af det elektriske felt er justeret, og et makroskopisk elektrisk dipolmoment vises. For anisotrope krystaller er polariseringen relateret til tilstedeværelsen af et elektrisk felt.

2. Piezoelektrisk effekt

(1) Positiv piezoelektrisk effekt
Når den piezoelektriske krystal deformeres af en ekstern kraft, er de positive og negative ladningscentre relativt forskudt, og de modsatte ladninger genereres på nogle tilsvarende flader, og polarisationsintensiteten opstår. Dette fænomen med intet elektrisk felt og polarisering ved deformation kaldes en positiv piezoelektrisk effekt.

For anisotrope krystaller påføres stress på krystallen; (tilsvarende tøjning), vil krystallen have en proportional polarisering i de tre retninger X, Y og Z, som kaldes henholdsvis piezoelektrisk spændingskonstant og piezoelektrisk spændingskonstant.

(2) Omvendt piezoelektrisk effekt
Når et elektrisk felt påføres krystallen, genereres ikke kun polarisering, men også deformation, og dette fænomen med deformation af det elektriske felt kaldes en invers piezoelektrisk effekt. Dette skyldes, at når krystallen udsættes for et elektrisk felt, genereres stress (piezoelektrisk stress) inde i krystallen, og piezoelektrisk deformation genereres af stress.

3. Mekanisme af trykeffekt
Den piezoelektriske effekt blev først opdaget på piezokrystaller. Nu bruger vi piezokrystaller som en model til at illustrere den fysiske mekanisme af den piezoelektriske effekt.
Når der ikke påføres tryk, fordeles krystallens positive og negative ladningscentre. På dette tidspunkt falder de positive og negative ladningscentre sammen, og krystallens samlede elektriske moment er lig med nul, og krystaloverfladen er ikke ladet (ikke piezoelektrisk).

Når der påføres tryk i x-retningen, deformeres krystallen, og de positive og negative ladningscentre adskilles, det vil sige, at den elektriske dipol ændrer sig, så ladningsakkumulering sker på X-overfladen. Når der påføres tryk i Y-aksens retning, vises fordelingen af krystallens positive og negative ladningscentre her, når den samlede elektriske dipol-ladningsmoment på et X-front ændrer sig og bevirker, at ladningsmomentet mod X ændres. Det er klart, at udskiftning af den tidligere trykkraft med en trækkraft indikerer, at fortegnet på ladningen er omvendt. Kort sagt, når et tryk påføres en piezoelektrisk krystal, kan der forårsages en piezoelektrisk effekt.

Anvendelse af piezoelektrisk keramik

Piezoelektrisk keramik er blevet meget brugt på grund af deres piezoelektricitet og den resulterende mangfoldighed af elektromekaniske egenskaber. Disse applikationer kan generelt opdeles i to brede kategorier, nemlig som piezoelektriske vibratorer. Når det bruges som en piezoelektrisk vibrator, skal det piezoelektriske keramiske materiale have god frekvenstemperaturstabilitet og en høj mekanisk kvalitetsfaktor Q (Q angiver graden af materialets indre energiforbrug under vibrationskonvertering); den skal bruges som transducer. Høj mekanisk koblingsfaktor K (= mekanisk transformation til elektrisk energi / input mekanisk energi, eller = elektrisk energi til mekanisk energi / input elektrisk energi) og store relative dielektriske konstanter er angivet nedenfor for piezoelektriske keramiske applikationer.

Piezoelektrisk keramisk tænder
Dette er en enhed, der konverterer mekanisk kraft til en elektrisk gnist for at antænde forbrændingen, og er en elektromekanisk transducer. I 1958 blev den piezoelektriske effekt af bariumtitanat (BaTiO) keramik brugt til antændelse. PZT-materiale har dog en lav antændelseshastighed og høj støj. I 1962 blev forsøg med blyzirkonattitanat (PZT) piezoelektrisk keramik brugt til at fremstille tændere. Tændere er meget udbredt i det daglige liv, industriel produktion og militære applikationer til at antænde gas og forskellige typer sprængstoffer og raketter.

(1) Grundlæggende principper

Tænderens arbejdsproces er opdelt i tre trin: højtryksgenerering, udledningstænding og antændelse af brændbar gas.

Højspændingsgenerering——Med en cylindrisk piezoelektrisk keramisk komponent som eksempel, når den mekaniske kraft F virker på cylinderen, forvrænges piezokrystallen, hvilket får midten af de positive og negative ladninger i krystallen til at flytte sig, så en stor mængde ladning akkumuleres på cylinderens øvre og nedre overflade.

(2) højspændingsudgang.

Udladningstænding—Placer den piezokeramiske komponent i en tæt sløjfe med et passende mellemrum. Når spændingen stiger til afladningsspændingen af mellemrummet, dannes en gnist i mellemrummet.

Antænd brændbar gas - generelt er brændstofgas ikke let at brænde, så det bruges generelt til let at fordampe ethan. For at forlænge afladningstiden for at forhindre, at gnisten slukkes for hurtigt for at øge antændingshastigheden, kan der indsættes en passende modstand i afladningsenden.

(3) tændingsstruktur og arbejdsprincip

Der findes mange slags tændere, og den piezoelektriske tænders opbygning og arbejdsprincip tages som eksempel. Den viste tænder kan fastgøres til husholdningskomfuret for at antænde gassen, drej knastkontakten 1, skub slagblokken 3 med den knastfremspringende del og komprimer fjederen 2 bag slagklodsen. Når knastfremspringet er adskilt fra stødblokken. På grund af fjederens elastiske kraft giver stødblokken det piezoelektriske keramiske element en slagkraft, og der genereres en højspænding over det piezoelektriske element, og en højspænding udsendes fra den mellemliggende elektrode 5 for at generere en elektrisk gnist til at antænde gassen.

2. Piezoelektriske transformere
Siden 1950'erne er der udviklet piezoelektriske transformere. På det tidspunkt blev bariumtitanat brugt som hovedmateriale. Boosten er relativt lav (kun 50-60 gange). Udgangsspændingen er omkring 3000 volt. Med fremkomsten af bly zirconate titanat piezoelektriske keramiske materialer er boost-forholdet blevet øget til 300-500 gange, og det er gradvist blevet anvendt til fjernsyn, elektrostatiske kopimaskiner og negative ion-generatorer som højspændingsstrømforsyninger.

(1) Grundprincipper
Den elektriske vibrationsenergi, der tilføres den piezoelektriske keramiske plade, omdannes til mekanisk vibrationsenergi ved den omvendte piezoelektriske effekt og omdannes derefter til elektrisk energi ved den positive piezoelektriske effekt. Impedanskonvertering (fra lav impedans til høj impedans) opnås i disse to energikonverteringer for at opnå en højspændingsudgang ved resonansfrekvensen af den piezokeramiske chip. Transformationsprincippet forklares ved at tage en vandret og lodret transformer af strækvibrationer som eksempel.

Hele det piezokeramiske stykke er opdelt i to dele, den venstre del er inputenden (også kaldet drivdelen), den øvre og nedre side har den infiltrerede sølvelektrode, som er polariseret i tykkelsesretningen, og den højre del er outputenden (også kaldet den strømgenererende del), og den højre ende.Der er en sølvelektrode, der er infiltreret på overfladen. Polariseret på langs. Når indgangsterminalen påføres en vekselspænding, på grund af den omvendte piezoelektriske effekt, genererer den piezokeramiske plade strækkevibrationer langs længderetningen, som omdanner den elektriske inputenergi til mekanisk energi; og den strømgenererende del omdanner den mekaniske energi til elektrisk energi gennem den positive piezoelektriske effekt. Hvor den mekaniske kvalitetsfaktor af materialet; - materialets langsgående og tværgående elektromekaniske koblingskoefficienter; længden af den L - strømgenererende del; T - tykkelsen af transformeren.

(2) Anvendelse af piezoelektrisk transformer
Piezoelektriske transformere bruges hovedsageligt i tilfælde af højspænding, lav effekt og sinusbølgekonvertering og har de unikke fordele ved høj udgangsspænding, let vægt, lille volumen, ingen lækage magnetfelt, ingen forbrænding. For at opnå flere spændingsudgange, i henhold til udgangsspændingen af den horisontale-lodrette transformer er proportional med længden, jo tættere på slutningen af strømgenereringsdelen, jo højere spænding, kan vi lave elektroder som udtag i forskellige positioner af strømgenereringsdelen, og dermed opnå de forskellige spændingsudgange. .

4.Piezoelektriske keramiske pickupper og højttalere

Piezoelektrisk keramik er meget udbredt i elektroakustiske enheder, såsom piezoelektriske keramiske pickupper og højttalere. Modtagerne og lignende er alle udviklet ved at udnytte transducerende egenskaber af piezoelektrisk keramik (mekanisk energi omdannes til elektrisk energi eller omvendt).

(1) Dobbelt membran type vibrator

Elektroakustiske enheder kræver lav mekanisk impedans og kan matches med lydkilder eller vibrationskilder. Piezoelektriske vibratorer af dobbeltmembrantype kan opfylde disse krav. Den består af to stykker af langsgående strakte piezoelektriske keramiske plader. Når det ene stykke strækkes, forkortes det andet stykke, og det hele bøjes.

Arbejdsprincippet for vibratoren med dobbelt membran er angivet. Når en piezoelektrisk keramik med en vis tykkelse bøjes under kraften, forlænges den på den ene side af tykkelsen og komprimeres på den anden side, og en ladning genereres inde i den piezokeramiske plade. Men da hele membranen har den samme polarisationsretning, er oversiden forlænget, og undersiden komprimeres, så det elektriske dipolmoment er modsat, og de øvre og nedre sideladningssymboler er de samme, så der er ingen potentialforskel, såsom at skifte til to overlappende dobbeltmembranstruktur, når den udsættes for spændingskraftudgang kan opnås. To stykker membraner med modsatte polarisationsretninger er forbundet i serien, og når kraften påføres, forlænges det øverste stykke, og det nederste stykke komprimeres. Da polarisationsretningerne er modsatte, er den dobbelte membrans øvre og nedre sider modsat ladede med et fortegn, og en spændingsudgang kan opnås. De to membraner med samme polarisationsretning er forbundet parallelt for at danne en udgangsspænding.

(2) Piezoelektrisk keramisk pickup struktur og arbejdsprincip

Det er et strukturdiagram af en to-kanals piezo keramisk pickup. Arbejdsprincippet er, at når afspilleren spiller lyden, bevæger spidsen af pickuppen sig langs pladerillen (venstre og højre rillevæg er også indgraveret med et vibrationssignal) for at generere en syntetisk mekanisk vibration, og vibrationen dekomponeres i to indbyrdes vinkelrette komponenter af koblingselementet. Derefter transmitteres komponenterne henholdsvis til enderne af to sensorer (den piezoelektriske membran bruges almindeligvis som en dobbeltmembrantype), så de genererer bøjningsvibrationer og til sidst konverteres og gendannes til venstre og højre kanalsignaler ved den positive piezoelektriske effekt. Blødheden, elasticiteten og stivheden af gummifastgørelseselementerne, gummidæmpningselementerne, gummikoblingselementerne og nålestangens gummielementer i pickuppen har stor indflydelse på apparatets følsomhed og frekvensrespons.

(3) Piezoelektrisk keramisk højttalerstruktur og arbejdsprincip
Piezoelektrisk keramisk højttaler er en enkel og letvægts elektroakustisk enhed, som har fordelene ved høj følsomhed, ingen magnetfeltspredning, ingen kobbertråd og magnet, lav pris, lavt strømforbrug, bekvem reparation og masseproduktion.

Køresystemet er en PZT materiale piezoelektriske elementer dobbelt membran, vibrationssystemet er en papirkegle, og koblingskomponenten overfører energien fra drivsystemet til vibrationssystemet effektivt. Under drift omdannes den elektriske energi, der påføres den piezoelektriske keramiske dobbeltmembran, til mekanisk energi, som overføres til papirkeglen gennem koblingselementet for at vibrere og lyde. Den piezoelektriske dobbeltmembran har en højere impedans og udgør et spændingsdrev. Forholdet mellem kraften F og spændingen V er F=KV, K er en proportionalkoefficient, og den mekaniske vibrationsimpedans inklusive strålingsimpedansen er Z, og vibrationshastigheden er
V=F/Z
Lydtrykket P i midten r af højvibrationsfilmen kan opnås.

Hvor f - frekvens
- medium tæthed
S - det effektive område af keglen

Derudover kan andre elektroakustiske energiomformere såsom en sender, en modtager, en buzzer osv. fremstilles i overensstemmelse med den piezoelektriske effekt af det piezoelektriske keramik.

(4) Piezoelektriske keramiske ventilatorer og relæer
Den piezoelektriske keramiske kan laves om til en lille piezoelektrisk keramisk ventilator, som har fordelene ved lille volumen, der er ingen varmeudvikling, ingen brummen, lavt strømforbrug og lang levetid. Det er en piezoelektrisk keramisk bøjningsdeformer, som er sammensat af to piezoelektriske keramiske plader, der er klemt ind af en metalfolie, og den piezokeramiske plade genererer en teleskopisk bevægelse under påvirkning af et eksternt elektrisk felt. Hvis to piezo-keramiske plader påføres med en omvendt spænding, trækkes den anden side sammen for at strække sig, og metalpladen bøjes og deformeres. Hvis der påføres en vekselspænding, vil metalpladen periodisk vibrere.

Den piezoelektriske keramiske ventilator er sammensat af to bøjningsdeformere. Efter at AC-strømmen er tilsluttet, trykkes de to blade ned af pilen.