Vigtige anvendelser af piezoelektrisk keramik

                           Vigtige anvendelser af piezoelektrisk keramik

Piezoelektrisk keramik er blevet meget brugt på grund af deres piezoelektricitet og mangfoldigheden af ​​elektromekaniske egenskaber forårsaget af piezoelektricitet. På grund af den brede vifte af piezoelektriske keramiske enheder og deres brede vifte af applikationer er det vanskeligt strengt at klassificere dem ved hjælp af en simpel metode. Generelle applikationer kan bredt opdeles i to kategorier: piezoelektriske vibratorer og piezoelektriske transducere.

1. Transducer

Anvendelsen af ​​den piezoelektriske effekt er varieret, og en af ​​de vigtigste er at bruge dens transducers s egenskaber  . Det er energikonverteringskarakteristik , det  er  effekten af ​​elektricitet påføres den piezoelektriske keramik, den elektriske energi kan omdannes til mekanisk energi gennem den omvendte spændingseffekt; Den elektriske effekt omdanner mekanisk energi til elektrisk energi. Folk gør brug af denne fysiske egenskab ved piezoelektrisk keramik til at fremstille mange slags piezoelektriske enheder, som er meget udbredt i undervandskommunikation, ultralyd, højspændingstænding og andre områder.

1, Piezoelektrisk keramisk tænder

Dette er en enhed, der omdanner mekanisk kraft til elektriske gnister for at antænde brændbare stoffer. Det er en elektromekanisk transducer. I 1958 var han banebrydende for brugen af ​​piezoelektrisk effekt af bariumtitanat (BaTiO3) keramik til antændelse. Tændingshastigheden af ​​denne piezo element piezo stang er ikke høj, og støjen er stor. I 1962 blev bly zirconate titanate (PZT) piezoelektrisk keramik brugt til at fremstille tændere. Denne form for tænder er meget udbredt i det daglige liv, industriel produktion og militære anliggender og bruges til at antænde og detonere gasser, forskellige sprængstoffer og raketter.

(1) Grundprincip: Tænderens arbejdsproces er opdelt i tre trin: højspændingsgenerering, udladningstænding og antændelse af brændbar gas. Højspændingsgenerering - Tag cylindriske piezoelektriske keramiske elementer som et eksempel, når den mekaniske kraft F virker på cylinderen, vil krystallen blive forvrænget, hvilket får midten af ​​positive og negative ladninger i krystallen til at flytte sig, således at en stor mængde frie ladninger vil fremkomme på de øvre og nedre overflader af cylinderen, der akkumulerer en højspændingsudgang. Udgangsspændingen er: V=ga3Fh/A, hvor A——cylinderens tværsnitsareal; h—— cylinderens højde; ga3——den piezoelektriske spændingskonstant. Udladningstænding - sæt det piezoelektriske keramiske element i et lukket kredsløb og efterlad et passende mellemrum. Når spændingen stiger til mellemrummets afladningsspænding, vil der blive genereret en afladningsgnist i mellemrummet. Antændelse af brændbar gas - generel brændgas er ikke let at forbrænde, så der bruges mest ethan, som er let at forgasse. For at forlænge afladningstiden og forhindre, at gnisten slukkes for hurtigt, for at øge antændingshastigheden. En passende modstand kan tilsluttes i serie ved afgangsenden.

 

(2) Opbygningen og arbejdsprincippet for tænderen , her er mange slags tændere, og husstandens piezoelektriske tænder er taget som et eksempel for at illustrere dens struktur og arbejdsprincip. Den kan fastgøres på husholdningskomfuret for at antænde gassen, dreje knastkontakten, den  bruger den udragende del af kammen til at skubbe slagblokken og komprimere fjederen bag slagblokken. Når den udragende del af kammen bryder væk fra stødblokken, på grund af fjederens elastiske kraft, giver stødblokken det  piezokeramiske piezoelektriske .element en slagkraft, som genererer højspænding i begge ender af det piezoelektriske element og udsender højspænding fra den midterste elektrode for at generere en elektrisk gnist til at antænde gassen.

 

2. Undervands akustisk transducer

En akustisk undervandstransducer er en transduceranordning, der bruges til undervandskommunikation og detektion. Folk ved, at luftkommunikation og detektion hovedsageligt er afhængig af elektromagnetiske bølger, såsom radiokommunikation og radarudstyr osv., alle er afhængige af elektromagnetiske bølger til at transmittere information i luften. Det er ikke muligt at bruge elektromagnetiske bølger til undervandskommunikation og detektion. Det skyldes, at elektromagnetiske bølger har et stort udbredelsestab i vand, og de vil blive absorberet af en, der ikke rejser langt. Udbredelsestabet af lydbølger i vand er dog meget lille, så undervandskommunikation og -detektering bruger hovedsageligt Lydbølger bruges til at transmittere information, og de instrumenter, der genererer og detekterer lydbølger, kaldes sonarsystemer. Ekkolodssystemer er uundværlige værktøjer til undervandsnavigation, kommunikation, detektion af ubåde og fiskeskoler og havforskning. Folk sammenligner ekkolod i vandet med radar i luften, og sonarsystemets øjne og ører er akustiske undervandstransducere. Forskning i akustiske undervandstransducere begyndte i 1. Verdenskrig. Frankrigs Langevin brugte først kvartskrystaller til at lave akustiske undervandstransducere baseret på den piezoelektriske effekt. Selvom den akustiske undervandstransducer skabt af Lang Zhiwan var begrænset af tekniske forhold på det tidspunkt og faktisk ikke blev brugt på dybhavsubåde, ydede den et væsentligt bidrag til udviklingen af ​​akustisk undervandsvidenskab i fremtiden. Langevin-transduceren bruger den omvendte spændingseffekt af kvartskrystallen til at udsende lydbølger i vandet, piezo keramikrør modtager lydbølgerne, der returneres fra vandet gennem den positive spændingseffekt, og udfører nogle undervandsmålinger i henhold til pulslydbølgernes frem- og tilbagegående tid.

Folk har foretaget dybtgående og systematisk forskning vedr piezoelektriske akustiske undervandstransducere for at gøre dem praktiske. Imidlertid var de vigtigste piezoelektriske materialer, der blev brugt på det tidspunkt, vandopløselige piezoelektriske krystaller - Roche-salt og kaliumdioxyphosphat. I slutningen af ​​1950'erne dukkede piezoelektrisk keramik op. At lave akustiske undervandstransducere med piezoelektrisk keramik er næsten blevet det vigtigste piezoelektriske materiale, som folk har valgt. Fordi det har mange egenskaber, som piezoelektriske krystaller ikke havde tidligere, er det blevet det mest ideelle piezoelektriske materiale til fremstilling af akustiske undervandstransducere, og der er intet andet materiale, der kan matche det. De vigtigste fordele ved piezoelektriske keramiske akustiske undervandstransducere er:

(1) Intet behov for DC-forspænding og spole, vibrationssystemet er enkelt;

(2) Den piezoelektriske keramiske transducer er lille i størrelse og har fremragende egenskaber;

(3) Piezoelektriske keramiske transducere kan laves i enhver form efter behov.

Piezoelektriske transducere er den mest udbredte type transducere inden for akustisk undervandsteknologi. Ydeevneindikatorerne for akustiske undervandstransducere behøver kun at have driftsfrekvens, elektromekanisk koblingskoefficient, elektromekanisk konverteringskoefficient, kvalitetsfaktor, frekvenskarakteristika, impedanskarakteristika, retningskarakteristika, amplitudekarakteristika, transmissionsfølsomhed, modtagefølsomhed, sendereffekt, temperatur- og tidsstabilitetsvægtegenskaber, osv., så det er dog ikke nødvendigt for en transducer at stille en praktisk styrke og mekanisk styrke. mange indekskrav uanset anledningen, men at fremsætte forskellige og repræsentative indekskrav alt efter dets brug og anvendelsesmuligheder.

For det andet den piezoelektriske vibrator

Efter fremkomsten af PZT piezoelektrisk keramik , det er muligt at lave keramiske filtre. Keramiske filtre med forskellige frekvenser kan fremstilles ved at bruge forskellige vibrationstilstande af piezoelektriske vibratorer. Den tidligst anvendte vibrationstilstand er radial vibration eller konturvibration, hvilket gør 455 kHz filter. Senere udviklede frekvensen af ​​keramiske filtre sig til begge ender, hvor den høje ende nåede 10MHz og den lave ende nåede under 1kHz. På grund af anvendelsen af ​​energifældetilstanden er frekvensen af ​​det keramiske filter så høj som 100MHz, overflade-akustiske bølgefilteret exciteret af den interdigitale transducer har nået over 1GHz, og den højeste frekvens af overflade-akustiske bølgefilteret ved hjælp af piezoelektrisk keramik som substrat har været op til 630MHz.

Den piezoelektriske transformator er også en vibrator med hensyn til dens anvendelse, og dens grundlæggende struktur er at sætte to sæt elektroder på det piezoelektriske keramiske legeme til at danne fire terminaler. Tilføjelse af et elektrisk signal til den primære side får det til at resonere, og den sekundære side har en udgang. På denne måde fungerer den som en transformer på tidspunktet for resonans. Forskningen i piezoelektriske transformere startede tidligere. Effekten og drivspændingen af ​​piezoelektriske transformere lavet af monolitisk keramik er ikke let at øge. Den flerlags piezoelektriske transformer er fremstillet med den samme flerlags kompositteknologi som den monolitiske kondensatorfremstillingsteknologi, og dens effekt og drivspænding er stærkt forbedret, hvilket yderligere udvider anvendelsesområdet for den piezoelektriske transformer.

 

1. Piezoelektrisk transformer

Piezoelektriske transformere er blevet udviklet siden 1950'erne. På det tidspunkt blev bariumtitanat brugt som hovedmateriale. Boost-forholdet er lavt (kun 50~60 gange). Udgangsspændingen er omkring 3000V. Med fremkomsten af ​​bly zirconate titanat piezoelektriske keramiske materialer øges step-up-forholdet til 300 ~ 500 gange, og det bliver gradvist populariseret og brugt i fjernsyn, elektrostatiske kopimaskiner og negative ion-generatorer som højspændingsstrømforsyninger.

(1) Grundlæggende principper. Den elektriske vibrationsenergi, der tilføres det piezoelektriske keramik, omdannes til mekanisk vibrationsenergi gennem den omvendte piezoelektriske effekt og omdannes derefter til elektrisk energi gennem den positive piezoelektriske effekt. Impedanskonvertering (fra lav impedans til høj impedans) realiseres under disse to energiomdannelser, således at høj piezoelektrisk output kan opnås ved resonansfrekvensen af ​​den keramiske plade. Tag nu de vandrette og lodrette transformere med strækkevibrationer som et eksempel for at illustrere princippet om transformere.

 

Hele den keramiske chip er opdelt i to dele, den venstre del er inputenden (også kendt som drivdelen), der er brændte sølvelektroder på over- og undersiden, polariseret langs tykkelsesretningen, den højre del er outputenden (også kendt som strømgenereringsdelen), og den højre del er outputenden (også kendt som strømgenereringsdelen). Der er brændte sølvelektroder på overfladen. Polariseret langs dens længde. Når der påføres en vekselspænding til indgangsenden, vil det keramiske stykke på grund af den omvendte spændingseffekt producere strækvibrationer langs længderetningen, hvilket vil konvertere den elektriske inputenergi til mekanisk energi; mens strømgenereringsdelen vil konvertere mekanisk energi til elektrisk energi gennem den positive spændingseffekt og derefter overføre den fra udgangsenden Udgangsspændingen. Når der ikke er nogen belastning, er det åbne kredsløbs boost-forhold, Qm den mekaniske kvalitetsfaktor for materialet; K31, K33 er de langsgående og tværgående elektromekaniske koblingskoefficienter for materialet; L er længden af ​​elproduktionsdelen; t er tykkelsen af ​​transformeren. Piezoelektriske transformere bruges hovedsageligt i tilfælde af højspænding, lav effekt og sinusbølgekonvertering og har unikke fordele såsom høj udgangsspænding, let vægt, lille størrelse, ingen lækagemagnetisk felt og 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 er spændingen, og elektroder kan fremstilles i forskellige positioner af strømgenereringsdelen som akselhoveder for at opnå forskellige spændingsudgange.

 

(2) Det grundlæggende arbejdsprincip og karakteristika for monolitiske (flerlags) piezoelektriske keramiske transformere. Piezoelektrisk keramik er et sprødt materiale. For at sikre dens mekaniske styrke skal den piezoelektriske transformer have en vis tykkelse, og drivspændingen af ​​den ovennævnte transformer er ret begrænset. Af denne grund opstod det monolitiske (flerlags) piezoelektriske keramiske transformerprojekt. Efter at have vedtaget den monolitiske (flerlags) struktur, kan tykkelsen og antallet af lag af hvert enkelt lag justeres, og drivspændingen er ikke længere begrænset, så spændingen kan laves Elektriske transformere kan fungere i den bedste tilstand, uanset hvilken drivspænding de er i.

Kerneteknologierne i dette projekt er submikron lavtemperatursintrede piezoelektriske keramiske materialer , intern elektrode co-firing teknologi, polarisationsbehandling teknologi og strukturelt design. Monolitiske (flerlags) piezoelektriske keramiske transformere (MPT'er) er tredje generation af elektroniske transformere med følgende funktioner.

① Ultratynd: tykkelsen overstiger generelt ikke 4 mm.

②Høj konverteringseffektivitet: over 97% ved fuld belastning (resistiv belastning).

③ Den har selvbeskyttelsesfunktionen til automatisk afbrydelse af belastningskortslutning.

④Resonanstransformator: Den kan realisere nulspænding og nulstrømkonvertering.

⑤ Den har kvasi-konstante strømudgangskarakteristika til belastninger med lav impedans.

⑥ Ingen omvendt spidsspænding, pålidelig beskyttelse af effektforstærkerkredsløbet.

⑦ Ingen elektromagnetisk interferens.

⑧Ingen spolenedbrud, meldugbrud.

⑨Saltsprøjtebestandighed, god vejrbestandighed, især velegnet til brug i havklimaer.

 

2. Piezoelektrisk keramisk pickup og højttaler

Piezoelektriske keramiske transducere er meget udbredt i elektroakustisk udstyr, såsom piezoelektriske keramiske pickupper og højttalere.

(1) Dobbeltmembranvibrator (Figur 6-16). Elektroakustisk udstyr kræver lav mekanisk impedans og kan matche lydkilden eller vibrationskilden, og den piezoelektriske vibrator med dobbeltmembran kan opfylde disse krav. Den er lavet af to piezoelektriske keramiske plader, der er strækbare i længden. Når det ene stykke strækkes, forkortes det andet stykke, og det hele bøjes.

 

Det giver dobbeltmembranvibratorens arbejdsprincip. Når et stykke piezoelektrisk keramik med en vis tykkelse bøjes under kraft, forlænges den ene side af dets tykkelse, og den anden side komprimeres. På dette tidspunkt vil ladninger blive genereret inde i det keramiske stykke. , men fordi hele membranens polariseringsretning er den samme, forlænges oversiden, og undersiden komprimeres, hvilket bevirker, at det elektriske dipolmoment er modsat, og over- og undersiden har samme ladningstegn, så der er ingen potentialforskel, som vist på figur 6-16 (a ) vist. Hvis der i stedet anvendes en dobbeltmembranstruktur med to overlejrede plader, kan der opnås en spændingsudgang, når kraften bøjes. Figur 6-16(b) bruger to membraner med modsatte polarisationsretninger forbundet i serie. Når en kraft påføres, strækkes den øverste, og den nederste komprimeres. Da polarisationsretningerne er modsatte, er den dobbelte membrans over- og underside opladet med modsatte fortegn, og en spændingsudgang kan opnås. Figur 6-16(c) er dannet ved at forbinde to membraner med samme polarisationsretning parallelt, og udgangsspændingen kan også opnås.

 

(2) Piezoelektrisk keramisk højttalerstruktur og arbejdsprincip: Piezoelektrisk keramisk højttaler er en enkel og let elektroakustisk enhed med høj følsomhed, ingen magnetisk feltoverførsel, intet behov for kobberledninger og magneter, lav pris, lavt strømforbrug, nem reparation, let masseproduktion osv.

Dens drivsystem er en piezoelektrisk keramisk dobbeltmembran, vibrationssystemet er en papirkegle, og koblingselementet overfører effektivt drivsystemets energi til vibrationssystemet. Under arbejdet omdannes den elektriske energi, der tilføres den piezoelektriske keramiske dobbeltmembran, til mekanisk energi, som overføres til papirkeglen gennem koblingselementet for at få den til at vibrere og lyde. Den piezoelektriske dobbeltmembran har en relativt høj impedans, som udgør et spændingsdrev. Forholdet mellem kraften F og spændingen V er F=KV, og K er proportionalkoefficienten. Hvis den mekaniske vibrationsimpedans inklusive strålingsimpedansen er Z, er vibrationshastigheden: v=F/Z, lydtrykket P i midten r af den høje membran kan opnås. |P|=10fρS/r |v| hvor: f—frekvens; ρ—medium tæthed; S—effektivt område af hvirvellegemet. Derudover kan andre elektroakustiske energiomformere fremstilles i henhold til den piezoelektriske effekt af piezoelektrisk keramik, såsom sendere, modtagere, buzzere osv....