पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ट्रांसड्यूसर का अनुप्रयोग

पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का उपयोग उनकी पीजोइलेक्ट्रिसिटी और इसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोमैकेनिकल गुणों की विविधता के कारण व्यापक रूप से किया गया है। इन अनुप्रयोगों को आम तौर पर दो व्यापक श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है, अर्थात् पीजोइलेक्ट्रिक वाइब्रेटर। जब पीजोइलेक्ट्रिक वाइब्रेटर के रूप में उपयोग किया जाता है, तो पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सामग्री में अच्छी आवृत्ति तापमान स्थिरता और उच्च यांत्रिक गुणवत्ता कारक क्यू होना आवश्यक है (क्यू कंपन रूपांतरण के दौरान सामग्री की आंतरिक ऊर्जा खपत की डिग्री को इंगित करता है); इसे ट्रांसड्यूसर के रूप में उपयोग करना आवश्यक है। उच्च यांत्रिक युग्मन कारक K (विद्युत ऊर्जा / इनपुट यांत्रिक ऊर्जा, विद्युत ऊर्जा से यांत्रिक ऊर्जा / इनपुट विद्युत ऊर्जा में यांत्रिक रूपांतरण) और बड़े सापेक्ष ढांकता हुआ स्थिरांक, पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का अनुप्रयोग नीचे दिया गया है।

I. अवलोकन
पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाली एक पॉलीक्रिस्टलाइन फिल्म है, और इसकी उत्पादन प्रक्रिया का नाम इसकी समान उत्पादन प्रक्रिया (कच्चे माल का चूर्णीकरण, मोल्डिंग, उच्च तापमान सिंटरिंग) के नाम पर रखा गया है। कुछ अनिसोट्रोपिक क्रिस्टल यांत्रिक बल के तहत विरूपण से गुजरते हैं, जिससे चार्जिंग कण अपेक्षाकृत विस्थापित हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप क्रिस्टल की सतह पर सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज उत्पन्न होते हैं। इस घटना को पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है। क्रिस्टल के इस गुण को पीज़ोइलेक्ट्रिसिटी कहा जाता है। पीज़ोइलेक्ट्रिसिटी सिरेमिक की खोज 1880 में जे. क्यूरी और पी. क्यूरी बंधुओं द्वारा की गई थी। कुछ महीनों बाद उन्होंने प्रयोगात्मक रूप से व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव को सत्यापित किया, यानी, जब पीजो क्रिस्टल पर वोल्टेज लागू किया जाता है, तो पीजो क्रिस्टल ज्यामितीय विरूपण से गुजर जाएगा। 1940 से पहले, केवल दो प्रकार के फेरोइलेक्ट्रिक्स ज्ञात थे (न केवल एक निश्चित तापमान सीमा में सहज ध्रुवीकरण, बल्कि क्रिस्टल का सहज ध्रुवीकरण भी जिसे बाहरी क्षेत्र की ताकत के कारण पुन: निर्देशित किया जा सकता है): एक है पोटेशियम डाइहाइड्रोजन फॉस्फेट और इसके समकक्ष। पूर्व में सामान्य तापमान पर पीज़ोइलेक्ट्रिसिटी होती है, और तकनीकी उपयोग मूल्य होता है, लेकिन आसानी से घुलने का नुकसान होता है; उत्तरार्द्ध में कम तापमान (-14 सी से कम) पर पीजोइलेक्ट्रिसिटी सिरेमिक है, और इंजीनियरिंग उपयोग मूल्य बड़ा नहीं है। बेरियम टाइटेनेट (BaTiO) में असामान्य रूप से उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक पाया गया। यह जल्द ही पीजोइलेक्ट्रिक पाया गया, और बाती ओ पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक की खोज पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के लिए एक बड़ी छलांग थी। पहले, केवल एक पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल सामग्री थी, और उसके बाद एक पीजोइलेक्ट्रिक पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक दिखाई दी और व्यापक रूप से उपयोग की गई। 1947 में, संयुक्त राज्य अमेरिका ने फोनोग्राफ के लिए पिकअप बनाने के लिए BaTiO सिरेमिक का उपयोग किया। जापान ने इसका प्रयोग दो वर्ष तक किया। BaTiO सामग्री का नुकसान यह है कि पीजोइलेक्ट्रिसिटी आराम करने वाले नमक की तुलना में कमजोर है और पीजोइलेक्ट्रिसिटी तापमान के साथ क्वार्ट्ज क्रिस्टल से बड़ी है। 1954 में, बी. जाफ़ और अन्य ने पीजोइलेक्ट्रिक PbZrO-PbTiO (PZT) ठोस समाधान प्रणाली की खोज की, जो एक युगांतरकारी घटना है जिसने BaTiO में उपकरणों का निर्माण करना असंभव बना दिया। तब से, प्रकाशिकी के क्षेत्र में पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के अनुप्रयोग को बढ़ाने के लिए पीजेडटी पारदर्शी पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक विकसित किया गया है। अब तक, ब्रह्मांड के विकास से लेकर परिवार के जीवन तक, पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का अनुप्रयोग अत्यंत व्यापक है। पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पर चीन का अनुसंधान 1950 के दशक के अंत में शुरू हुआ, विदेशों की तुलना में लगभग 10 साल बाद। वर्तमान में, पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के परीक्षण उत्पादन और औद्योगिक उत्पादन में काफी मजबूत ताकतें हैं। कई सामग्रियां अंतरराष्ट्रीय स्तर पर पहुंच चुकी हैं या उसके करीब हैं।

पीजोसेरेमिक पीजोइलेक्ट्रिसिटी का भौतिक तंत्र
पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पॉलीक्रिस्टल हैं जिनकी पीजोइलेक्ट्रिसिटी पीजो डिस्क सेंसर को पीजो क्रिस्टल की पीजोइलेक्ट्रिसिटी द्वारा समझाया जा सकता है। यांत्रिक बल की कार्रवाई के तहत, कुल विद्युत द्विध्रुव क्षण (ध्रुवीकरण) बदल जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पीज़ोइलेक्ट्रिक घटना होती है। पीज़ोइलेक्ट्रिसिटी का ध्रुवीकरण, विरूपण और इसी तरह से गहरा संबंध है।

ध्रुवीकरण का सूक्ष्म तंत्र

ध्रुवीकरण अवस्था एक ऐसी अवस्था है जिसमें विद्युत क्षेत्र ढांकता हुआ के आवेशित बिंदु पर सापेक्ष विस्थापन बल लगाता है और आवेशों के बीच पारस्परिक आकर्षण का एक अस्थायी संतुलन बनाता है। तीन मुख्य ध्रुवीकरण तंत्र हैं।

(1) इलेक्ट्रॉन विस्थापन ध्रुवीकरण - एक ढांकता हुआ का परमाणु या आयन एक विद्युत क्षेत्र बल की कार्रवाई के तहत एक सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए नाभिक और एक शेल इलेक्ट्रॉन के नकारात्मक चार्ज केंद्र के साथ मेल नहीं खाता है।

(2) आयन विस्थापन ध्रुवीकरण - ढांकता हुआ के सकारात्मक और नकारात्मक आयन विद्युत क्षेत्र बल की कार्रवाई के तहत अपेक्षाकृत विस्थापित होते हैं, जिससे एक विद्युत द्विध्रुव क्षण उत्पन्न होता है।

(3) ओरिएंटेशन ध्रुवीकरण - ध्रुवीय अणु जो ढांकता हुआ बनाते हैं, उनमें एक निश्चित आंतरिक (अंतर्निहित) विद्युत क्षण होता है। थर्मल गति के कारण, अभिविन्यास अव्यवस्थित है, कुल विद्युत क्षण शून्य है। जब एक विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है, तो विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण होता है। विद्युत क्षेत्र की दिशा संरेखित होती है और एक स्थूल विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण प्रकट होता है। अनिसोट्रोपिक क्रिस्टल के लिए, ध्रुवीकरण एक विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति से संबंधित होता है।

2. पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव

(1) सकारात्मक पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव
जब पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल बाहरी बल द्वारा विकृत हो जाता है, तो सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज केंद्र अपेक्षाकृत विस्थापित हो जाते हैं, और कुछ संबंधित चेहरों पर विपरीत चार्ज उत्पन्न होते हैं, और ध्रुवीकरण की तीव्रता होती है। कोई विद्युत क्षेत्र नहीं होने और विरूपण द्वारा ध्रुवीकरण की इस घटना को सकारात्मक पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है।

अनिसोट्रोपिक क्रिस्टल के लिए, क्रिस्टल पर तनाव लागू होता है; (संबंधित तनाव), क्रिस्टल में एक्स, वाई और जेड की तीन दिशाओं में आनुपातिक ध्रुवीकरण होगा, जिसे क्रमशः पीजोइलेक्ट्रिक तनाव स्थिरांक और पीजोइलेक्ट्रिक तनाव स्थिरांक कहा जाता है।

(2) व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव
जब विद्युत क्षेत्र को क्रिस्टल पर लागू किया जाता है, तो न केवल ध्रुवीकरण होता है, बल्कि विरूपण भी उत्पन्न होता है, और विद्युत क्षेत्र द्वारा विरूपण की इस घटना को व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि जब क्रिस्टल को विद्युत क्षेत्र के अधीन किया जाता है, तो क्रिस्टल के अंदर तनाव (पीजोइलेक्ट्रिक तनाव) उत्पन्न होता है, और तनाव से पीजोइलेक्ट्रिक तनाव उत्पन्न होता है।

3. दबाव प्रभाव का तंत्र
पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव सबसे पहले पीजो क्रिस्टल पर खोजा गया था। अब हम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के भौतिक तंत्र को चित्रित करने के लिए एक मॉडल के रूप में पीजो क्रिस्टल का उपयोग करते हैं।
जब कोई दबाव नहीं डाला जाता है, तो क्रिस्टल के सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज केंद्र वितरित हो जाते हैं। इस समय, सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज केंद्र मेल खाते हैं, और क्रिस्टल का कुल विद्युत क्षण शून्य के बराबर होता है, और क्रिस्टल की सतह चार्ज नहीं होती है (पीजोइलेक्ट्रिक नहीं)।

पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का अनुप्रयोग

पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक इग्नाइटर
यह एक उपकरण है जो दहन को प्रज्वलित करने के लिए यांत्रिक बल को विद्युत चिंगारी में परिवर्तित करता है, और एक इलेक्ट्रोमैकेनिकल ट्रांसड्यूसर है। 1958 में, बेरियम टाइटेनेट (BaTiO) सिरेमिक के पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग प्रज्वलन के लिए किया गया था। हालाँकि, PZT सामग्री में कम इग्निशन दर और उच्च शोर होता है। 1962 में, इग्नाइटर बनाने के लिए लेड जिरकोनेट टाइटेनेट (पीजेडटी) पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का परीक्षण किया गया था। गैस और विभिन्न प्रकार के विस्फोटकों और रॉकेटों को प्रज्वलित करने के लिए दैनिक जीवन, औद्योगिक उत्पादन और सैन्य अनुप्रयोगों में इग्नाइटर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

(1) बुनियादी सिद्धांत

उच्च-वोल्टेज पीढ़ी--एक बेलनाकार पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक घटक को उदाहरण के रूप में लेते हुए, जब यांत्रिक बल एफ सिलेंडर पर कार्य करता है, तो पीजो क्रिस्टल विकृत हो जाता है, जिससे क्रिस्टल में सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज का केंद्र स्थानांतरित हो जाता है, जिससे सिलेंडर की ऊपरी और निचली सतहों पर बड़ी मात्रा में चार्ज जमा हो जाता है। 

(2) उच्च वोल्टेज आउटपुट।

(3) इग्नाइटर संरचना और कार्य सिद्धांत

2. पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसफार्मर
1950 के दशक से, पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसफार्मर विकसित किए गए हैं। उस समय बेरियम टाइटेनेट का उपयोग मुख्य सामग्री के रूप में किया जाता था। बढ़ावा अपेक्षाकृत कम है (केवल 50-60 बार)। आउटपुट वोल्टेज लगभग 3000 वोल्ट है। लेड जिरकोनेट टाइटेनेट पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सामग्रियों के आगमन के साथ, बूस्ट अनुपात को 300-500 गुना तक बढ़ा दिया गया है, और इसे धीरे-धीरे उच्च वोल्टेज बिजली आपूर्ति के रूप में टेलीविजन, इलेक्ट्रोस्टैटिक कॉपियर और नकारात्मक आयन जनरेटर पर लागू किया गया है।

(1) बुनियादी सिद्धांत
पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट में विद्युत कंपन ऊर्जा इनपुट को व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव द्वारा यांत्रिक कंपन ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, और फिर सकारात्मक पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव द्वारा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है। पीजो सिरेमिक चिप की गुंजयमान आवृत्ति पर उच्च वोल्टेज आउटपुट प्राप्त करने के लिए इन दो ऊर्जा रूपांतरणों में प्रतिबाधा रूपांतरण (कम प्रतिबाधा से उच्च प्रतिबाधा तक) प्राप्त किया जाता है। परिवर्तन सिद्धांत को एक उदाहरण के रूप में स्ट्रेचिंग कंपन के क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर ट्रांसफार्मर को लेकर समझाया गया है।

पूरे पीजो सिरेमिक टुकड़े को दो भागों में विभाजित किया गया है, बायां भाग इनपुट अंत है (जिसे ड्राइविंग भाग भी कहा जाता है), ऊपरी और निचले हिस्से में घुसपैठ किए गए चांदी के इलेक्ट्रोड होते हैं, जो मोटाई की दिशा में ध्रुवीकृत होते हैं, और दायां भाग आउटपुट अंत होता है (जिसे बिजली पैदा करने वाला हिस्सा भी कहा जाता है), और दायां छोर होता है। एक चांदी का इलेक्ट्रोड होता है जो सतह पर घुसपैठ करता है। लंबाई के साथ ध्रुवीकृत. जब इनपुट टर्मिनल को वैकल्पिक वोल्टेज के साथ लागू किया जाता है, तो व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के कारण, पीजो सिरेमिक शीट लंबाई दिशा के साथ खिंचाव कंपन उत्पन्न करती है, जो इनपुट विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करती है; और बिजली पैदा करने वाला हिस्सा सकारात्मक पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के माध्यम से यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। जहां सामग्री का यांत्रिक गुणवत्ता कारक; - सामग्री के अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक; एल की लंबाई - बिजली पैदा करने वाला भाग; टी - ट्रांसफार्मर की मोटाई.

(2) पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसफार्मर का अनुप्रयोग
पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसफार्मर का उपयोग मुख्य रूप से उच्च वोल्टेज, कम शक्ति और साइन तरंग रूपांतरण के मामले में किया जाता है, और इसमें उच्च आउटपुट वोल्टेज, हल्के वजन, छोटी मात्रा, कोई रिसाव चुंबकीय क्षेत्र नहीं, कोई दहन नहीं जैसे अद्वितीय फायदे हैं। एकाधिक वोल्टेज आउटपुट प्राप्त करने के लिए, क्षैतिज-ऊर्ध्वाधर ट्रांसफार्मर का आउटपुट वोल्टेज लंबाई के समानुपाती होता है, बिजली उत्पादन भाग के अंत के करीब, वोल्टेज जितना अधिक होता है, हम बिजली उत्पादन भाग के विभिन्न पदों पर इलेक्ट्रोड को नल के रूप में बना सकते हैं, इस प्रकार विभिन्न वोल्टेज आउटपुट प्राप्त कर सकते हैं। .

4.पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पिकअप और स्पीकर

(1) डबल डायाफ्राम प्रकार वाइब्रेटर

डबल डायाफ्राम प्रकार वाइब्रेटर का कार्य सिद्धांत दिया गया है। जब एक निश्चित मोटाई वाले पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक को बल के नीचे मोड़ा जाता है, तो यह मोटाई के एक तरफ लंबा हो जाता है और दूसरी तरफ संकुचित हो जाता है, और पीजो सिरेमिक शीट के अंदर एक चार्ज उत्पन्न होता है। हालाँकि, चूंकि पूरे डायाफ्राम में एक ही ध्रुवीकरण दिशा होती है, ऊपरी भाग लम्बा होता है, और निचला भाग संकुचित होता है, ताकि विद्युत द्विध्रुव क्षण विपरीत हो, और ऊपरी और निचले पक्ष चार्ज प्रतीक समान हों, इसलिए कोई संभावित अंतर नहीं है, जैसे कि दो ओवरलैपिंग डबल डायाफ्राम संरचना पर स्विच करना, जब बल झुकने के अधीन होता है, तो वोल्टेज आउटपुट प्राप्त किया जा सकता है। विपरीत ध्रुवीकरण दिशाओं वाले डायाफ्राम के दो टुकड़े श्रृंखला में जुड़े हुए हैं, और जब बल लगाया जाता है, तो ऊपरी टुकड़ा लम्बा हो जाता है और निचला टुकड़ा संकुचित हो जाता है। चूंकि ध्रुवीकरण दिशाएं विपरीत हैं, डबल डायाफ्राम के ऊपरी और निचले हिस्से को एक संकेत के साथ विपरीत रूप से चार्ज किया जाता है, और एक वोल्टेज आउटपुट प्राप्त किया जा सकता है। समान ध्रुवीकरण दिशा वाले दो डायाफ्राम आउटपुट वोल्टेज बनाने के लिए समानांतर में जुड़े हुए हैं।

(2) पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पिकअप संरचना और कार्य सिद्धांत

(3) पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक स्पीकर संरचना और कार्य सिद्धांत
पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक स्पीकर एक सरल और हल्के वजन वाला इलेक्ट्रोकॉस्टिक उपकरण है, जिसमें उच्च संवेदनशीलता, कोई चुंबकीय क्षेत्र बिखराव नहीं, कोई तांबे के तार और चुंबक नहीं, कम लागत, कम बिजली की खपत, सुविधाजनक मरम्मत और बड़े पैमाने पर उत्पादन के फायदे हैं।

ड्राइविंग सिस्टम एक है पीजेडटी सामग्री पीजोइलेक्ट्रिक तत्व डबल डायाफ्राम, कंपन प्रणाली एक पेपर शंकु है, और युग्मन घटक ड्राइविंग सिस्टम की ऊर्जा को कंपन प्रणाली तक कुशलतापूर्वक पहुंचाता है। ऑपरेशन के दौरान, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक डबल डायाफ्राम पर लागू विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, जो कंपन और ध्वनि के लिए युग्मन तत्व के माध्यम से पेपर शंकु में संचारित होती है। पीजोइलेक्ट्रिक डबल डायाफ्राम में उच्च प्रतिबाधा होती है और यह एक वोल्टेज ड्राइव का निर्माण करता है। बल F और वोल्टेज V के बीच संबंध F=KV है, K एक आनुपातिक गुणांक है, और विकिरण प्रतिबाधा सहित कंपन यांत्रिक प्रतिबाधा Z है, और कंपन गति
V=F/Z है
उच्च कंपन फिल्म के केंद्र r पर ध्वनि दबाव P प्राप्त किया जा सकता है।

इसके अलावा, अन्य इलेक्ट्रो-ध्वनिक ऊर्जा कनवर्टर जैसे ट्रांसमीटर, रिसीवर, बजर इत्यादि को पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के अनुसार बनाया जा सकता है।

(4) पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पंखे और रिले
पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक को एक छोटे पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पंखे में बनाया जा सकता है, जिसमें छोटी मात्रा के फायदे हैं, कोई गर्मी पैदा नहीं होती है, कोई शोर नहीं होता है, कम बिजली की खपत होती है और लंबे समय तक चलता है। यह एक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक बेंडिंग डिफॉर्मर है, जो एक धातु पन्नी द्वारा सैंडविच की गई दो पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट से बना है, और पीजो सिरेमिक शीट बाहरी विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत एक दूरबीन आंदोलन उत्पन्न करती है। यदि दो पीजो सिरेमिक शीटों को रिवर्स वोल्टेज के साथ लगाया जाता है, तो दूसरी तरफ खिंचाव होता है, और धातु शीट मुड़ जाती है और विकृत हो जाती है। यदि एक वैकल्पिक वोल्टेज लागू किया जाता है, तो धातु की शीट समय-समय पर कंपन करेगी।