Pietsosähköisen keraamisen anturin käyttö

Pietsosähköistä keramiikkaa on käytetty laajalti sen pietsosähköisyyden ja siitä johtuvan sähkömekaanisten ominaisuuksien monimuotoisuuden vuoksi. Nämä sovellukset voidaan yleensä jakaa kahteen laajaan luokkaan, nimittäin pietsosähköisiksi vibraattoreiksi. Käytettäessä pietsosähköisenä värähtelijänä pietsosähköiseltä keraamiselta materiaalilta vaaditaan hyvä taajuuslämpötilan stabiilisuus ja korkea mekaaninen laatutekijä Q (Q ilmaisee materiaalin sisäisen energiankulutuksen värähtelyn muuntamisen aikana); sitä on käytettävä muuntimena. Alla on esitetty korkea mekaaninen kytkentäkerroin K (mekaaninen muunnos sähköenergiaksi / syöttömekaaninen energia, sähköenergia mekaaniseksi energiaksi / syöttöenergia) ja suuri suhteellinen dielektrisyysvakio, pietsosähköisen keramiikan sovellus.

I. Yleiskuvaus
Pietsosähköinen keramiikka on monikiteinen kalvo, jolla on pietsosähköinen vaikutus, ja sen valmistusprosessi on nimetty samanlaisen tuotantoprosessin mukaan (raaka-aineen jauhaminen, muovaus, korkean lämpötilan sintraus). Jotkut anisotrooppiset kiteet muodostuvat mekaanisen voiman vaikutuksesta, mikä aiheuttaa varaushiukkasten suhteellisen siirtymisen, mikä johtaa positiivisiin ja negatiivisiin sitoutuneisiin varauksiin kiteen pinnalla. Tätä ilmiötä kutsutaan pietsosähköiseksi efektiksi. Tätä kiteen ominaisuutta kutsutaan pietsosähköisyydeksi. Pietsosähköisen keramiikan löysivät vuonna 1880 J. Curie ja P. Curien veljekset. Muutamaa kuukautta myöhemmin he varmistivat kokeellisesti käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen, eli kun pietsokideeseen syötetään jännite, pietsokide käy läpi geometrisen muodonmuutoksen. Ennen vuotta 1940 tunnettiin vain kahden tyyppisiä ferrosähköjä (ei vain spontaanisti polarisoituneita tietyllä lämpötila-alueella, vaan myös kiteiden spontaani polarisaatio, joka voidaan suunnata uudelleen ulkoisen kentänvoimakkuuden vuoksi): toinen on kaliumdivetyfosfaatti ja sen vastine. Ensin mainitulla on pietsosähköisyys normaalilämpötilassa, ja sillä on tekninen käyttöarvo, mutta sen haittana on, että se on helppo liukea; jälkimmäisessä on pietsosähköistä keramiikkaa alhaisessa lämpötilassa (alle -14 C), eikä tekninen käyttöarvo ole suuri. Bariumtitanaatilla (BaTiO) havaittiin epänormaalin korkea dielektrisyysvakio. Pian sen havaittiin olevan pietsosähköinen, ja BaTi O -pietsosähköisen keramiikan löytäminen oli suuri harppaus pietsosähköisille materiaaleille. Aikaisemmin oli olemassa vain pietsosähköistä kidemateriaalia, ja sen jälkeen pietsosähköinen monikiteinen materiaali, pietsosähköinen keramiikka, ilmestyi ja sitä käytettiin laajalti. Vuonna 1947 Yhdysvallat käytti BaTiO-keramiikkaa äänittimien valmistukseen. Japani käytti sitä kaksi vuotta. BaTiO-materiaalin haittapuolena on, että pietsosähköisyys on heikompi kuin leposuola ja pietsosähköisyys on suurempi kuin kvartsikide lämpötilan kanssa. Vuonna 1954 B. Jaffe ja muut löysivät pietsosähköisen PbZrO-PbTiO (PZT) kiinteän liuosjärjestelmän, joka on käänteentekevä tapahtuma, joka teki mahdottomaksi valmistaa laitteita BaTiO:ssa. Siitä lähtien PZT:n läpinäkyvää pietsosähköistä keramiikkaa on kehitetty laajentamaan pietsosähköisen keramiikan käyttöä optiikka-alalle. Toistaiseksi pietsosähköisen keramiikan käyttö universumin kehityksestä perheen elämään on ollut erittäin laajaa. Pietsosähköisen keramiikan tutkimus Kiinassa alkoi 1950-luvun lopulla, noin 10 vuotta myöhemmin kuin ulkomailla. Pietsosähköisen keramiikan koetuotannossa ja teollisessa tuotannossa on tällä hetkellä melko vahvat voimat. Monet materiaalit ovat saavuttaneet tai ovat lähellä kansainvälistä tasoa.

Pietsokeraamisen pietsosähkön fysikaalinen mekanismi
Pietsosähköinen keramiikka ovat monikiteisiä, joiden pietsosähköisyys pietsosähköinen anturi voidaan selittää pietsosähköisyydellä. Mekaanisen voiman vaikutuksesta sähköinen kokonaisdipolimomentti (polarisaatio) muuttuu, mikä johtaa pietsosähköiseen ilmiöön. Pietsosähköisyys liittyy läheisesti polarisaatioon, muodonmuutokseen ja vastaaviin.

Mikroskooppinen polarisaation mekanismi

Polarisaatiotila on tila, jossa sähkökenttä kohdistaa suhteellisen syrjäytysvoiman eristeen varautuneeseen pisteeseen ja tilapäisen keskinäisen vetovoiman tasapainon varausten välillä. On olemassa kolme pääpolarisaatiomekanismia.

(1) Elektronin siirtymäpolarisaatio – eristeen atomi tai ioni ei ole yhteneväinen positiivisesti varautuneen ytimen ja kuorielektronin negatiivisen varauskeskuksen kanssa sähkökenttävoiman vaikutuksesta.

(2) Ionisiirtymäpolarisaatio – eristeen positiiviset ja negatiiviset ionit siirtyvät suhteellisesti sähkökenttävoiman vaikutuksesta, jolloin syntyy sähköinen dipolimomentti.

(3) Orientaatiopolarisaatio – dielektrisen aineen muodostavilla polaarisilla molekyyleillä on tietty sisäinen (luonnollinen) sähkömomentti. Lämpöliikkeestä johtuen suuntaus on epäselvä, kokonaissähkömomentti on nolla. Kun sähkökenttä kohdistetaan, sähköinen dipolimomentti .Sähkökentän suunta on kohdistettu ja syntyy makroskooppinen sähköinen dipolimomentti. Anisotrooppisten kiteiden polarisaatio liittyy sähkökentän olemassaoloon.

2. Pietsosähköinen vaikutus

(1) Positiivinen pietsosähköinen vaikutus
Kun pietsosähköinen kide muuttaa muotoaan ulkoisen voiman vaikutuksesta, positiiviset ja negatiiviset varauskeskukset siirtyvät suhteellisesti ja joillain vastaavilla pinnoilla syntyy vastakkaisia ​​varauksia ja polarisaatiointensiteetti tapahtuu. Tätä sähkökentän puuttumisen ja muodonmuutoksen aiheuttamaa polarisaatiota kutsutaan positiiviseksi pietsosähköiseksi efektiksi.

Anisotrooppisten kiteiden kohdalla kiteeseen kohdistetaan jännitystä; (vastaava jännitys), kiteellä on suhteellinen polarisaatio kolmessa suunnassa X, Y ja Z, joita kutsutaan vastaavasti pietsosähköiseksi jännitysvakioksi ja pietsosähköiseksi jännitysvakioksi.

(2) Käänteinen pietsosähköinen vaikutus
Kun kiteeseen kohdistetaan sähkökenttä, ei synny vain polarisaatiota, vaan myös muodonmuutosta, ja tätä sähkökentän aiheuttamaa muodonmuutosilmiötä kutsutaan käänteiseksi pietsosähköiseksi ilmiöksi. Tämä johtuu siitä, että kun kiteen kohdistuu sähkökenttä, kiteen sisällä syntyy jännitystä (pietsosähköinen jännitys) ja jännitys synnyttää pietsosähköisen jännityksen.

3. Painevaikutuksen mekanismi
Pietsosähköinen vaikutus löydettiin ensimmäisen kerran pietsokiteistä. Nyt käytämme pietsokidejä mallina havainnollistamaan pietsosähköisen vaikutuksen fyysistä mekanismia.
Kun painetta ei kohdisteta, kiteen positiiviset ja negatiiviset varauskeskukset jakautuvat. Tällä hetkellä positiiviset ja negatiiviset varauskeskukset osuvat yhteen ja kiteen kokonaissähköinen momentti on nolla, ja kiteen pinta ei ole varautunut (ei pietsosähköinen).

Pietsosähköisen keramiikan käyttö

Pietsosähköinen keraaminen sytytin
Tämä on laite, joka muuntaa mekaanisen voiman sähkökipinäksi palamisen sytyttämiseksi, ja se on sähkömekaaninen muunnin. Vuonna 1958 bariumtitanaattikeramiikan (BaTiO) pietsosähköistä vaikutusta käytettiin sytytykseen. PZT-materiaalilla on kuitenkin alhainen syttymisnopeus ja korkea melu. Vuonna 1962 lyijyzirkonaattititanaatti (PZT) pietsosähköistä keramiikkaa kokeita käytettiin sytyttimien valmistukseen. Sytyttimiä käytetään laajalti jokapäiväisessä elämässä, teollisessa tuotannossa ja sotilaallisissa sovelluksissa kaasun ja erityyppisten räjähteiden ja rakettien sytyttämiseen.

(1) Perusperiaatteet

Korkeajännitteen generointi——Otetaan esimerkkinä lieriömäinen pietsosähköinen keraaminen komponentti, kun mekaaninen voima F vaikuttaa sylinteriin, pietsokide vääristyy, jolloin kiteen positiivisten ja negatiivisten varausten keskipiste siirtyy niin, että suuri määrä varausta kerääntyy sylinterin ylä- ja alapinnalle ja 

(2) korkeajännitelähtö.

(3)sytyttimen rakenne ja toimintaperiaate

2. Pietsosähköinen muuntaja
Pietsosähköisiä muuntajia on kehitetty 1950-luvulta lähtien. Tuolloin päämateriaalina käytettiin bariumtitanaattia. Tehostus on suhteellisen alhainen (vain 50-60 kertaa). Lähtöjännite on noin 3000 volttia. Lyijyzirkonaattititanaattipietsosähköisten keraamisten materiaalien myötä tehostussuhde on nostettu 300-500-kertaiseksi, ja sitä on vähitellen sovellettu televisioihin, sähköstaattisiin kopiokoneisiin ja negatiivisten ionien generaattoreihin suurjännitevirtalähteinä.

(1) Perusperiaatteet
Pietsosähköiseen keraamiseen levyyn syötetty sähköinen värähtelyenergia muunnetaan mekaaniseksi värähtelyenergiaksi käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen avulla ja muunnetaan sitten sähköenergiaksi positiivisen pietsosähköisen vaikutuksen avulla. Impedanssin muunnos (pienestä impedanssista korkeaan impedanssiin) saavutetaan näissä kahdessa energiamuunnoksessa korkean jännitteen aikaansaamiseksi pietsosukeraamisen sirun resonanssitaajuudella. Muunnosperiaatetta selitetään ottamalla esimerkkinä vaaka- ja pystysuuntainen venytysvärähtelymuuntaja.

Koko pietsokeraaminen pala on jaettu kahteen osaan, vasen osa on tulopää (kutsutaan myös käyttöosaksi), ylä- ja alapuolella on tunkeutunut hopeaelektrodi, joka on polarisoitu paksuussuunnassa, ja oikea osa on lähtöpää (kutsutaan myös tehoa tuottavaksi osaksi) ja oikea pää. Pinnalla on hopeaelektrodi, joka on tunkeutunut. Polarisoitu koko pituudelta. Kun tuloliittimeen syötetään vaihtojännite käänteisestä pietsosähköisestä vaikutuksesta johtuen, keraaminen pietsokeraaminen levy synnyttää venytysvärähtelyä pituussuunnassa, mikä muuntaa syötetyn sähköenergian mekaaniseksi energiaksi; ja tehoa tuottava osa muuntaa mekaanisen energian sähköenergiaksi positiivisen pietsosähköisen vaikutuksen kautta. Jos materiaalin mekaaninen laatutekijä; - materiaalin pituus- ja poikittaiset sähkömekaaniset kytkentäkertoimet; L - tehoa tuottavan osan pituus; T - muuntajan paksuus.

(2) Pietsosähköisen muuntajan käyttö
Pietsosähköisiä muuntajia käytetään pääasiassa korkean jännitteen, pienen tehon ja siniaaltomuunnoksen tapauksessa, ja niillä on ainutlaatuiset edut korkea lähtöjännite, kevyt paino, pieni tilavuus, ei vuotoa magneettikenttää, ei palamista. Useiden jännitelähtöjen saamiseksi sen mukaan, että vaaka-pystymuuntajan lähtöjännite on verrannollinen pituuteen, mitä lähempänä tehontuotanto-osan loppua, sitä korkeampi jännite, voimme tehdä elektrodeja tappeiksi sähköntuotantoosan eri kohtiin, jolloin saadaan eri jännitelähtöjä. .

4. Pietsosähköiset keraamiset mikrofonit ja kaiuttimet

(1) Kaksoiskalvotyyppinen vibraattori

Kaksoiskalvotyyppisen täryttimen toimintaperiaate on annettu. Kun tietyn paksuista pietsosähköistä keraamia taivutetaan voiman vaikutuksesta, se pitenee paksuuden toiselta puolelta ja puristuu toiselta puolelta, jolloin pietsokeramiikkalevyn sisään syntyy varaus. Kuitenkin, koska koko kalvolla on sama polarisaatiosuunta, yläpuoli on pitkänomainen ja alapuoli puristettu niin, että sähköinen dipolimomentti on vastakkainen ja ylä- ja alapuolen varaussymbolit ovat samat, joten ei ole potentiaalieroa, kuten kytkentä kahteen päällekkäiseen kaksoiskalvorakenteeseen, kun siihen kohdistuu voimataivutus, jännitelähtö voidaan saada. Kaksi vastakkaisen polarisaatiosuunnan kalvoa on kytketty sarjaan, ja kun voimaa kohdistetaan, ylempi kappale pitenee ja alempi pala puristuu kokoon. Koska polarisaatiosuunnat ovat vastakkaisia, kaksinkertaisen kalvon ylä- ja alapuolet ovat vastakkain varautuneita etumerkillä, jolloin voidaan saada jännitelähtö. Kaksi kalvoa, joilla on sama polarisaatiosuunta, on kytketty rinnan muodostamaan lähtöjännitteen.

(2) Pietsosähköisen keraamisen mikrofonin rakenne ja toimintaperiaate

(3) Pietsosähköisen keraamisen kaiuttimen rakenne ja toimintaperiaate
Pietsosähköinen keraaminen kaiutin on yksinkertainen ja kevyt sähköakustinen laite, jonka etuna on korkea herkkyys, ei magneettikentän sirontaa, ei kuparilankaa ja magneettia, alhainen hinta, alhainen virrankulutus, kätevä korjaus ja massatuotanto.

Ajojärjestelmä on a PZT-materiaalista pietsosähköiset elementit kaksoiskalvo, tärinäjärjestelmä on paperikartio, ja kytkentäkomponentti välittää ajojärjestelmän energian tärinäjärjestelmään tehokkaasti. Käytön aikana pietsosähköiseen keraamiseen kaksoiskalvoon syötetty sähköenergia muunnetaan mekaaniseksi energiaksi, joka välittyy paperikartioon kytkentäelementin kautta tärisemään ja äänestämään. Pietsosähköisellä kaksoiskalvolla on suurempi impedanssi ja se muodostaa jännitekäytön. Voiman F ja jännitteen V suhde on F=KV, K on suhteellinen kerroin ja värähtelyn mekaaninen impedanssi sisältäen säteilyimpedanssin on Z ja värähtelynopeus on
V=F/Z.
Äänenpaine P korkeavärähtelykalvon keskellä r voidaan saada.

Lisäksi voidaan valmistaa muita sähköakustisia energiamuuntimia, kuten lähetin, vastaanotin, summeri jne. pietsosähköisen keramiikan pietsosähköisen vaikutuksen mukaan.

(4) Pietsosähköiset keraamiset puhaltimet ja releet
Pietsosähköisestä keraamisesta tuulettimesta voidaan tehdä pieni pietsosähköinen keraaminen tuuletin, jonka etuna on pieni tilavuus, lämpöä ei synny, ei huminaa, alhainen virrankulutus ja pitkä käyttöikä. Se on pietsosähköinen keraaminen taivutusmuodonmuuttaja, joka koostuu kahdesta metallikalvon välissä olevasta pietsosähköisestä keraamisesta levystä, ja pietsosähköinen keraaminen levy synnyttää teleskooppisen liikkeen ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Jos kahta pietsokeraamista levyä käytetään käänteisellä jännitteellä, toinen puoli venyy ja metallilevy taipuu ja vääntyy. Jos käytetään vaihtojännitettä, metallilevy värisee ajoittain.