Pietsokeraamisen keraamimateriaalin anturin kuvaus

Pietsosähköisistä keraamisista ohjainmateriaaleista voidaan todeta, että pietsosähköisellä keramiikalla on korkeat vaatimukset pietsosähköisten keraamisten materiaalien ominaisuuksille, kuten suurjännitteen sähköinen jännitysvakio, korkea curie-piste, korkea sähkömekaaninen kytkentäkerroin ja korkea taajuusvakio. Yleisimmin käytetty pietsosähköinen keramiikka on PZT (lyijyzirkonaattititanaatti), joka perustuu Pzt-materiaalista valmistettu pietsosähköinen keraaminen muunnin merkittävän pietsosähköisen vaikutuksensa vuoksi, se on korkea curie-lämpötila, vahva säteilynkestävyys ja helppo integrointi puolijohdeintegraatioteknologiaan. Mutta se on haitallista ihmiskeholle ja ympäristölle. Sen vuoksi ihmiset alkoivat etsiä lyijytöntä pietsosähköisiä keraamisia materiaaleja, joiden suorituskyky on erinomainen.

Tutkituimmat lyijyttömät pietsosähköiset keraamiset materiaalit kotimaassa ja ulkomailla sisältävät pääasiassa seuraavat järjestelmät: bariumtitanaattipohjainen lyijytön pietsosähköinen keramiikka; bariumtitanaattipohjainen lyijytön pietsosähköinen keramiikka; tantalaattipohjainen lyijytön pietsosähköinen keramiikka ja tantaalikerrosrakenne lyijytön pietsosähköinen keramiikka.

Bariumtitanaattipohjaista lyijytöntä pietsosähköistä keramiikkaa

Lyijyttömään pohjautuvan bariumtitanaatin (BaTiO3) tutkimus ja käyttö pietsokeraamiset muuntimet ovat olleet melko kypsiä. BaTiO3-keramiikan curie-lämpötila on kuitenkin alhainen (Tc=120), käyttölämpötila-alue on kapea ja pietsosähköisen keramiikan suorituskyky on kohtalainen. Pietsosähköisiä ominaisuuksia on vaikea parantaa suuresti dopingmodifikaatiolla, ja faasimuutos tapahtuu lähellä lämpötilaa. Siksi sen pietsosähköisen keramiikan käyttö on rajoitettua. Barium strontiumtitanaattipohjainen lyijytön pietsosähköinen keraaminen bariumtitanaatti ja Bi0,5Na0,5TiO3 (BNT) on tyypillinen titanaattisarjan edustaja. BNT:llä on relaksoidun ferrosähköisen materiaalin ominaisuudet, jolla on suhteellisen suuri remanentti polarisaatio ja erittäin suuri koersitiivikenttä (7,5 kV/mm), ja sillä on suuri pietsosähköinen kerroin (kt, kp noin 50 %), erinomainen eristeen suorituskyky, kuten pieni kerroin (240 ~ 340) ja NP = hyvä taajuusvakio 0Hz. Korkean koersitiivisen sähkökentän ja korkean sähkönjohtavuuden vuoksi ferrosähköisen vaiheen alueella polarisaatio on vaikeaa, mikä vaikeuttaa käytännöllisen pietsosähköisen keramiikan valmistusta. BNT:n pietsokeraamisen polarisaation puutteet ja tiheiksi näytteiksi sintraamisen vaikeudet voittamiseksi lisätään joukko perovskiittirakenteen lisäainepareja. BNT on modifioitu. Ottamalla käyttöön elementtejä, kuten Pb, Ba, Ca, Sr, Mn jne., BNT:n pakottava kentänvoimakkuus on liian korkea, ja BNT:n ferrosähköisen vaiheen korkean johtavuuden aiheuttama polarisaatiovaikeus vältetään ja BNT-materiaalin polarisaatio on ratkaistu onnistuneesti.

Vismuttipohjainen lyijytön pietsosähköinen keramiikka:

Vismuttipohjaiseen lyijyttömään pietsosähköiseen keramiikkaan kuuluvat pääasiassa NaNbO3, KNbO3, LiNbO3 ja vastaavat. The Pietsopuolipallon keraamisilla muuntimilla on alhainen tiheys, suuri akustinen nopeus, suuri mekaaninen laatutekijä Qm, suuri sähkömekaaninen kytkentäkerroin kp, pieni dielektrisyysvakio, korkea pietsosähköinen suorituskyky, suuri taajuusvakio jne., joten tantalaattipohjainen pietsosähköinen keramiikka on taajuuslaite ja suositeltava materiaali. Metallimateriaalin haihtuvuuden vuoksi on kuitenkin vaikeaa saada tavanomaisella keraamisella menetelmällä pietsokeramiikkaa, jolla on hyvä tiiviys, mikä huonontaa keraamisia ominaisuuksia. Tiheä NaNbO3-KNbO3-keramiikka voidaan saada kuumapuristus- tai isostaattisella puristusprosessilla, ja materiaalin lämpötilastabiilisuus paranee huomattavasti ja suhteellinen tiheys voi olla 99%.

Käytännön sovelluksissa joillakin pietsokeraamisen sylinterikeraamisen muuntimen luontaisilla ominaisuuksilla (kuten hystereesi, viruminen jne.) on suuri vaikutus erittäin tarkkaan siirtymän ohjaukseen. Pietsosähköisen keramiikan hystereesin vaikutuksen vähentämiseksi siirtymätuloon ulkomaiset tutkijat ovat ehdottaneet monia kompensointimenetelmiä. Tällä hetkellä menetelmä hystereesin eliminoimiseksi on yleensä suljetun silmukan ohjaus ohjausprosessissa. Tämä tila vaatii ylimääräisen siirtymäanturin mittaamaan siirtymää ja vertaamaan sitä ohjaimen tavoitesiirtymään monimutkaisen säätömekanismin muodostamiseksi. 

Vaihtelevan sähkökentän vaikutuksesta ultraäänipolarisoidut pietsomuuntimet osoittavat makroskooppista ferrosähköistä hajoamista johtuen ferroelektrisen alueen seinämän aktiivisuuden vähenemisestä. Mikrohalkeamia, delaminaatiota tai murtumaa esiintyy usein materiaalissa ja kentän aiheuttamassa väsymyksessä. Sisäinen syy johtuu pääasiassa eroista ominaisuuksien rajapinnassa. Pietsokeramiikan ja elektrodin rajapinnan lämpölaajenemiskerroin on erilainen tai tapahtuu kemiallinen reaktio, joka vaikuttaa haitallisesti pietsosähköisen keramiikan väsymiskykyyn. Rajapinnan sidosvoimaa parannetaan huomattavasti sisällyttämällä elektrodijauhe keraamiseen materiaaliin tai sisällyttämällä keraaminen jauhe ja alkuperäinen elektrodi. Sähkökenttä ja lämpötila ovat tärkeimmät ulkoiset tekijät, jotka vaikuttavat väsymykseen. Kahden tekijän tutkimuksella voidaan todeta, että kenttä on voimakkaampi kuin pakottava kentänvoimakkuus tai taajuus on korkea, mikä aiheuttaa sähköistä väsymystä. Lisäksi tietyllä lämpötila-alueella väsymiskestävyys kasvaa lämpötilan noustessa. Kun lämpötila ylittää tietyn kriittisen arvon, materiaali siirtyy paramagneettiseen vaiheeseen ja väsymisilmiö häviää.

Pietsosähköisten keraamisten näyttöjen odotetaan voittavan nykyisten valtavirran näyttöjen puutteet, jotka ovat herkkiä sähkömagneettisille häiriöille, kuolleille pisteille, syövytyksille jne., ja niillä on laajat markkinanäkymät. Pietsosähköisten keraamisten näyttöjen toimilaiteryhmä voidaan valmistaa piimuottiprosessilla tai elektroforeettisella saostusprosessilla, ja lyijypohjainen pietsosähköinen keramiikka voidaan korvata lyijyttömällä pietsosähköisellä keramiikalla, jonka rakenne on tantalaattipohjainen ja tantaalirakenteinen. Pietsosähköisten keraamisten näyttöjen kehityksessä tapahtuneesta edistyksestä huolimatta on vielä useita keskeisiä prosessiteknologiaan liittyviä kysymyksiä, joihin on puututtava:

(1) Vaikka joidenkin lyijyttömän pietsosähköisen keramiikan suorituskyky on erinomainen, ero on edelleen suuri verrattuna PZT-pohjaiseen pietsosähköiseen keramiikkaan, ja pietsosähköisiä ominaisuuksia olisi parannettava edelleen mittaamalla modifikaatioita ja prosessiparannuksia;

(2) Jotta pietsosähköisen paineanturin hystereesin ja virumisen kompensoinnin tarkkuus vastaisi paremmin erittäin tarkan paikannusohjauksen vaatimuksia, tutkijoiden on tutkittava edelleen korjauskompensaatiota tai tehokasta ohjausta kokeilla pietsosähköisen keraamisen ohjaimen vähentämiseksi. Virumisen vaikutus paikannustarkkuuteen;

(3) Tällä hetkellä kenttäindusoitu väsymystutkimus keskittyy enimmäkseen sähkökenttään ja lämpötilakenttään, mutta monikenttäkytkennän kentän tutkimus puuttuu, mutta varsinaiset pietsosähköiset keraamiset laitteet toimivat monikenttäkytkennän olosuhteissa, joten on tarpeen vahvistaa kentän aiheuttaman väsymismekanismin tutkimusta monikenttäkytkennässä.