کاربرد مبدل سرامیکی پیزوالکتریک

سرامیک های پیزوالکتریک به دلیل پیزوالکتریک بودن و تنوع خواص الکترومکانیکی ناشی از آن به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند. این کاربردها را می توان به طور کلی به دو دسته کلی به عنوان ویبراتورهای پیزوالکتریک تقسیم کرد. هنگامی که به عنوان یک ویبراتور پیزوالکتریک استفاده می شود، مواد سرامیکی پیزوالکتریک باید دارای ثبات دمای فرکانس خوب و ضریب کیفیت مکانیکی بالا Q باشد (Q نشان دهنده میزان مصرف انرژی داخلی ماده در هنگام تبدیل ارتعاش است). لازم است از آن به عنوان مبدل استفاده شود. ضریب جفت مکانیکی بالا K (تبدیل مکانیکی به انرژی الکتریکی / انرژی مکانیکی ورودی، انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی / انرژی الکتریکی ورودی) و ثابت دی الکتریک نسبی بزرگ، کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک در زیر آورده شده است.

I. بررسی اجمالی
سرامیک پیزوالکتریک یک فیلم پلی کریستالی با اثر پیزوالکتریک است و فرآیند تولید آن به دلیل فرآیند تولید مشابه آن (پودرسازی مواد خام، قالب‌گیری، تف جوشی در دمای بالا) نامگذاری شده است. برخی از کریستال‌های ناهمسانگرد تحت نیروی مکانیکی تغییر شکل می‌دهند، که باعث می‌شود ذرات باردار نسبتاً جابجا شوند و در نتیجه بارهای مثبت و منفی روی سطح کریستال ایجاد می‌شوند. این پدیده را اثر پیزوالکتریک می نامند. این خاصیت کریستال را پیزوالکتریک می نامند. سرامیک پیزوالکتریک در سال 1880 توسط برادران J. Curie و P. Curie کشف شد. چند ماه بعد آنها به طور تجربی اثر پیزوالکتریک معکوس را تأیید کردند، یعنی وقتی ولتاژی به کریستال پیزو اعمال می شود، کریستال پیزو دچار تغییر شکل هندسی می شود. قبل از سال 1940، تنها دو نوع فروالکتریک شناخته شده بود (نه تنها به طور خود به خودی در یک محدوده دمایی مشخص، بلکه پلاریزاسیون خود به خودی کریستال ها را که می توان به دلیل قدرت میدان خارجی تغییر جهت داد): یکی دی هیدروژن فسفات پتاسیم و معادل آن است. اولی دارای پیزوالکتریک در دمای معمولی است، و دارای ارزش استفاده فنی است، اما اشکال آن این است که به راحتی حل می شود. دومی دارای سرامیک پیزوالکتریک در دمای پایین (کمتر از -14 درجه سانتیگراد) است و ارزش استفاده مهندسی زیاد نیست. باریم تیتانات (BaTiO) ثابت دی الکتریک غیر طبیعی بالایی دارد. به زودی مشخص شد که پیزوالکتریک است و کشف سرامیک های پیزوالکتریک BaTi O یک جهش کوانتومی برای مواد پیزوالکتریک بود. قبلا فقط یک ماده کریستال پیزوالکتریک وجود داشت و پس از آن یک ماده پلی کریستالی پیزوالکتریک، سرامیک پیزوالکتریک ظاهر شد و به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1947، ایالات متحده از سرامیک BaTiO برای ساخت پیکاپ برای گرامافون استفاده کرد. ژاپن دو سال از آن استفاده کرد. ماده BaTiO این عیب را دارد که پیزوالکتریک ضعیف تر از نمک استراحت و پیزوالکتریک بزرگتر از کریستال کوارتز با دما است. در سال 1954، B. Jaffe و دیگران سیستم محلول جامد PbZrO-PbTiO (PZT) پیزوالکتریک را کشف کردند، که یک رویداد عصر ساز است که ساخت دستگاه‌ها را در BaTiO غیرممکن کرد. از آن زمان، سرامیک های پیزوالکتریک شفاف PZT برای گسترش کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک در زمینه اپتیک توسعه یافته اند. تا کنون، کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک، از توسعه جهان تا زندگی خانواده، بسیار گسترده است. تحقیقات چین در مورد سرامیک های پیزوالکتریک در اواخر دهه 1950، حدود 10 سال دیرتر از کشورهای خارجی، آغاز شد. در حال حاضر، نیروهای کاملا قوی در تولید آزمایشی و تولید صنعتی سرامیک های پیزوالکتریک وجود دارد. بسیاری از مواد به سطح بین المللی رسیده یا نزدیک به آن هستند.

مکانیسم فیزیکی پیزوالکتریک پیزوسرامیک
سرامیک های پیزوالکتریک پلی کریستال هایی هستند که پیزوالکتریک آنها سنسور دیسک پیزو را می توان با پیزوالکتریکی کریستال پیزو توضیح داد. تحت تأثیر نیروی مکانیکی، گشتاور دوقطبی کل الکتریکی (پلاریزاسیون) تغییر می کند و در نتیجه یک پدیده پیزوالکتریک ایجاد می شود. پیزوالکتریک ارتباط نزدیکی با پلاریزاسیون، تغییر شکل و موارد مشابه دارد.

مکانیسم میکروسکوپی پلاریزاسیون

حالت پلاریزاسیون حالتی است که در آن میدان الکتریکی یک نیروی جابجایی نسبی بر روی نقطه باردار دی الکتریک و یک تعادل موقتی از جاذبه متقابل بین بارها اعمال می کند. سه مکانیسم اصلی قطبش وجود دارد.

(1) قطبش جابجایی الکترون - اتم یا یون یک دی الکتریک با مرکز بار منفی یک هسته با بار مثبت و یک الکترون پوسته تحت اثر نیروی میدان الکتریکی منطبق نیست.

(2) پلاریزاسیون جابجایی یون - یونهای مثبت و منفی دی الکتریک تحت تأثیر نیروی میدان الکتریکی نسبتاً جابجا می شوند و در نتیجه یک گشتاور دوقطبی الکتریکی ایجاد می کنند.

(3) قطبش جهت گیری - مولکول های قطبی که دی الکتریک را می سازند دارای یک گشتاور الکتریکی ذاتی (ذاتی) هستند. به دلیل حرکت حرارتی، جهت گیری نامنظم است، ممان الکتریکی کل صفر است. هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال می شود، گشتاور دوقطبی الکتریکی. جهت میدان الکتریکی تراز می شود و یک گشتاور دوقطبی الکتریکی ماکروسکوپی ظاهر می شود. برای کریستال های ناهمسانگرد، قطبش مربوط به حضور میدان الکتریکی است.

2. اثر پیزوالکتریک

(1) اثر پیزوالکتریک مثبت
هنگامی که کریستال پیزوالکتریک توسط یک نیروی خارجی تغییر شکل می‌دهد، مراکز بار مثبت و منفی نسبتاً جابه‌جا می‌شوند و بارهای مخالف در برخی از وجوه متناظر ایجاد می‌شوند و شدت قطبش رخ می‌دهد. این پدیده عدم میدان الکتریکی و قطبش با تغییر شکل، اثر پیزوالکتریک مثبت نامیده می شود.

برای کریستال های ناهمسانگرد، تنش به کریستال اعمال می شود. (کرنش مربوطه)، کریستال دارای قطبش متناسب در سه جهت X، Y و Z خواهد بود که به ترتیب ثابت تنش پیزوالکتریک و ثابت کرنش پیزوالکتریک نامیده می شوند.

(2) اثر پیزوالکتریک معکوس
هنگامی که یک میدان الکتریکی به کریستال اعمال می شود، نه تنها قطبش، بلکه تغییر شکل نیز ایجاد می شود، و این پدیده تغییر شکل توسط میدان الکتریکی، اثر پیزوالکتریک معکوس نامیده می شود. زیرا هنگامی که کریستال تحت یک میدان الکتریکی قرار می گیرد، تنش (تنش پیزوالکتریک) در داخل کریستال ایجاد می شود و کرنش پیزوالکتریک توسط تنش ایجاد می شود.

3. مکانیسم اثر فشار
اثر پیزوالکتریک اولین بار بر روی کریستال های پیزو کشف شد. اکنون از کریستال های پیزو به عنوان مدلی برای نشان دادن مکانیسم فیزیکی اثر پیزوالکتریک استفاده می کنیم.
وقتی فشاری وارد نشود، مراکز بار مثبت و منفی کریستال توزیع می شوند. در این زمان، مراکز بار مثبت و منفی بر هم منطبق می شوند و گشتاور الکتریکی کل کریستال برابر با صفر است و سطح کریستال باردار نمی شود (نه پیزوالکتریک).

کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک

جرقه زن سرامیکی پیزوالکتریک
این وسیله ای است که نیروی مکانیکی را به جرقه الکتریکی برای مشتعل کردن احتراق تبدیل می کند و یک مبدل الکترومکانیکی است. در سال 1958، اثر پیزوالکتریک سرامیک باریم تیتانات (BaTiO) برای احتراق استفاده شد. با این حال، مواد PZT دارای نرخ اشتعال کم و نویز بالا هستند. در سال 1962، آزمایش‌هایی از سرامیک‌های پیزوالکتریک زیرکونات تیتانات (PZT) برای ساخت جرقه‌زنان مورد استفاده قرار گرفت. جرقه زن به طور گسترده در زندگی روزمره، تولید صنعتی و کاربردهای نظامی برای احتراق گاز و انواع مواد منفجره و موشک استفاده می شود.

(1) اصول اساسی

تولید ولتاژ بالا——به عنوان مثال یک جزء سرامیکی پیزوالکتریک استوانه‌ای را در نظر بگیریم، وقتی نیروی مکانیکی F بر روی سیلندر وارد می‌شود، کریستال پیزو اعوجاج می‌یابد و باعث می‌شود مرکز بارهای مثبت و منفی در کریستال جابه‌جا شود، به طوری که مقدار زیادی بار در سطح بالایی و پایین‌تری تجمع می‌یابد. 

(2) خروجی ولتاژ بالا.

(3) ساختار جرقه زن و اصل کار

2. ترانسفورماتور پیزوالکتریک
از دهه 1950، ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک توسعه یافته اند. در آن زمان از باریم تیتانات به عنوان ماده اصلی استفاده می شد. افزایش نسبتا کم است (فقط 50-60 برابر). ولتاژ خروجی حدود 3000 ولت است. با ظهور مواد سرامیکی پیزوالکتریک تیتانات سرب، نسبت تقویت به 300-500 برابر افزایش یافته است و به تدریج در تلویزیون ها، دستگاه های کپی الکترواستاتیک و ژنراتورهای یون منفی به عنوان منبع تغذیه با ولتاژ بالا اعمال می شود.

(1) اصول اولیه
انرژی ارتعاش الکتریکی ورودی به ورق سرامیکی پیزوالکتریک توسط اثر پیزوالکتریک معکوس به انرژی ارتعاشی مکانیکی تبدیل می‌شود و سپس با اثر پیزوالکتریک مثبت به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. تبدیل امپدانس (از امپدانس کم به امپدانس بالا) در این دو تبدیل انرژی برای دستیابی به خروجی ولتاژ بالا در فرکانس تشدید تراشه سرامیکی پیزو به دست می‌آید. اصل تبدیل با در نظر گرفتن یک ترانسفورماتور افقی و عمودی ارتعاش کششی به عنوان مثال توضیح داده می شود.

کل قطعه پیزو سرامیک به دو قسمت تقسیم می شود، قسمت سمت چپ انتهای ورودی است (که به آن قسمت محرک نیز می گویند)، دو طرف بالا و پایین دارای الکترود نقره نفوذ شده است که در جهت ضخامت قطبی شده است، و قسمت سمت راست انتهای خروجی است (که به آن قسمت مولد برق نیز می گویند) و انتهای سمت راست. روی سطح الکترود نقره ای فیلتر شده وجود دارد. قطبی شده در طول. هنگامی که ترمینال ورودی با یک ولتاژ متناوب اعمال می شود، به دلیل اثر پیزوالکتریک معکوس، ورق سرامیکی پیزو ارتعاش کششی در جهت طول ایجاد می کند که انرژی الکتریکی ورودی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. و بخش مولد نیرو انرژی مکانیکی را از طریق اثر پیزوالکتریک مثبت به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. جایی که فاکتور کیفیت مکانیکی مواد؛ - ضرایب جفت الکترومکانیکی طولی و عرضی مواد؛ طول بخش L - مولد برق؛ T - ضخامت ترانسفورماتور.

(2) استفاده از ترانسفورماتور پیزوالکتریک
ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک عمدتاً در مورد تبدیل ولتاژ بالا، توان کم و تبدیل موج سینوسی استفاده می شوند و دارای مزایای منحصر به فرد ولتاژ خروجی بالا، وزن سبک، حجم کوچک، بدون نشتی میدان مغناطیسی، بدون احتراق هستند. برای به دست آوردن خروجی های ولتاژ چندگانه، با توجه به اینکه ولتاژ خروجی ترانسفورماتور افقی-عمودی متناسب با طول است، هر چه به انتهای قسمت تولید برق نزدیکتر باشد، هر چه ولتاژ بالاتر باشد، می توانیم الکترودهایی را به عنوان شیر در موقعیت های مختلف قسمت تولید برق بسازیم و در نتیجه خروجی های ولتاژ متفاوتی را بدست آوریم. .

4. پیکاپ و بلندگوهای سرامیکی پیزوالکتریک

(1) ویبراتور نوع دیافراگمی دوگانه

اصل کار ویبراتور نوع دیافراگمی دوگانه آورده شده است. هنگامی که یک سرامیک پیزوالکتریک با ضخامت معین تحت نیرو خم می شود، از یک طرف ضخامت کشیده و از طرف دیگر فشرده می شود و در داخل ورق پیزو سرامیک شارژ ایجاد می شود. با این حال، از آنجایی که کل دیافراگم جهت قطبش یکسانی دارد، ضلع بالایی کشیده، و ضلع پایین فشرده شده است، به طوری که ممان دوقطبی الکتریکی مخالف است، و نمادهای بار سمت بالا و پایین یکسان هستند، بنابراین هیچ تفاوت پتانسیل، مانند تغییر به دو ساختار دیافراگم دوتایی روی هم، زمانی که تحت فشار خمش ولتاژ قرار می‌گیرد، وجود ندارد. دو تکه دیافراگم با جهت قطبش مخالف به صورت سری به هم متصل می شوند و با اعمال نیرو، قطعه بالایی کشیده و قطعه پایینی فشرده می شود. از آنجایی که جهت پلاریزاسیون مخالف است، دو طرف بالا و پایین دیافراگم دوتایی با علامت مخالف بار می‌شوند و می‌توان ولتاژ خروجی را بدست آورد. دو دیافراگم با جهت قطبش یکسان به صورت موازی به هم متصل شده اند تا ولتاژ خروجی ایجاد کنند.

(2) ساختار و اصل کار سرامیکی پیزوالکتریک

(3) ساختار و اصل کار بلندگوهای سرامیکی پیزوالکتریک
بلندگوهای سرامیکی پیزوالکتریک یک دستگاه الکتروآکوستیک ساده و سبک است که دارای مزایای حساسیت بالا، عدم پراکندگی میدان مغناطیسی، بدون سیم مسی و آهنربا، هزینه کم، مصرف برق کم، تعمیر راحت و تولید انبوه است.

سیستم رانندگی یک است عناصر پیزوالکتریک مواد PZT دو دیافراگم دارند، سیستم ارتعاش مخروط کاغذی است و جزء جفت کننده انرژی سیستم رانندگی را به طور موثر به سیستم ارتعاش منتقل می کند. در حین کار، انرژی الکتریکی اعمال شده به دیافراگم دوگانه سرامیکی پیزوالکتریک به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود که از طریق عنصر جفت به مخروط کاغذ منتقل می‌شود تا لرزش و صدا داشته باشد. دیافراگم دوگانه پیزوالکتریک امپدانس بالاتری دارد و یک درایو ولتاژ را تشکیل می دهد. رابطه بین نیروی F و ولتاژ V F=KV است، K یک ضریب متناسب، و امپدانس مکانیکی ارتعاش شامل امپدانس تشعشع Z و سرعت ارتعاش
V=F/Z است
. فشار صوت P در مرکز r فیلم ارتعاش بالا را می توان به دست آورد.

علاوه بر این، سایر مبدل های انرژی الکتروآکوستیک مانند فرستنده، گیرنده، زنگ و غیره را می توان با توجه به اثر پیزوالکتریک سرامیک پیزوالکتریک ساخت.

(4) فن ها و رله های سرامیکی پیزوالکتریک
سرامیک پیزوالکتریک را می توان به یک فن سرامیکی پیزوالکتریک کوچک تبدیل کرد که دارای مزایای حجم کم، عدم تولید گرما، بدون زمزمه، مصرف انرژی کم و عمر طولانی است. این یک تغییر شکل دهنده خمشی سرامیکی پیزوالکتریک است که از دو ورق سرامیکی پیزوالکتریک تشکیل شده است که توسط یک فویل فلزی ساندویچ شده اند و ورق سرامیکی پیزوالکتریک تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی یک حرکت تلسکوپی ایجاد می کند. اگر دو ورق پیزو سرامیک با ولتاژ معکوس اعمال شود، طرف دیگر منقبض می شود تا کشش پیدا کند و ورق فلزی خم شده و تغییر شکل می دهد. اگر یک ولتاژ متناوب اعمال شود، ورق فلزی به صورت دوره ای ارتعاش می کند.