Primjena piezoelektričnog keramičkog pretvornika

Piezoelektrična keramika naširoko se koristi zbog svoje piezoelektričnosti i rezultirajuće raznolikosti elektromehaničkih svojstava. Ove se primjene općenito mogu podijeliti u dvije široke kategorije, naime kao piezoelektrični vibratori. Kada se koristi kao piezoelektrični vibrator, piezoelektrični keramički materijal mora imati dobru frekvencijsku temperaturnu stabilnost i visok mehanički faktor kvalitete Q (Q označava stupanj unutarnje potrošnje energije materijala tijekom pretvorbe vibracija); potrebno ga je koristiti kao pretvarač. Visoki faktor mehaničke sprege K (mehanička pretvorba u električnu energiju / ulazna mehanička energija, električna energija u mehaničku energiju / ulazna električna energija) i velika relativna dielektrična konstanta, primjena piezoelektrične keramike navedena je u nastavku.

I. Pregled
Piezoelektrična keramika je polikristalni film s piezoelektričnim učinkom, a njen proizvodni proces dobio je ime po sličnom proizvodnom procesu (sitnjenje sirovog materijala, oblikovanje, sinteriranje na visokoj temperaturi). Neki anizotropni kristali podliježu deformaciji pod mehaničkom silom, uzrokujući relativno pomicanje nabijenih čestica, što rezultira pozitivnim i negativnim vezanim nabojima na površini kristala. Ova pojava se naziva piezoelektrični efekt. Ovo svojstvo kristala naziva se piezoelektricitet. Piezoelektričnu keramiku otkrili su 1880. godine braća J. Curie i P. Curie. Nekoliko mjeseci kasnije eksperimentalno su potvrdili inverzni piezoelektrični efekt, to jest, kada se napon primijeni na piezo kristal, piezo kristal će doživjeti geometrijsku deformaciju. Prije 1940. godine bile su poznate samo dvije vrste feroelektrika (ne samo spontano polarizirani u određenom temperaturnom rasponu, već i spontana polarizacija kristala koji se mogu preorijentirati zbog jakosti vanjskog polja): jedan je kalijev dihidrogen fosfat i njegov ekvivalent. Prvi ima piezoelektricitet na normalnoj temperaturi i ima tehničku uporabnu vrijednost, ali ima nedostatak što se lako otapa; potonji ima piezoelektričnu keramiku na niskim temperaturama (manje od -14 C), a inženjerska uporabna vrijednost nije velika. Utvrđeno je da barijev titanat (BaTiO) ima abnormalno visoku dielektričnu konstantu. Ubrzo je otkriveno da je piezoelektričan, a otkriće BaTi O piezoelektrične keramike bio je kvantni skok za piezoelektrične materijale. Ranije je postojao samo piezoelektrični kristalni materijal, a nakon toga se pojavio piezoelektrični polikristalni materijal, piezoelektrična keramika, koja se naširoko koristila. Godine 1947. Sjedinjene Države koristile su BaTiO keramiku za izradu magneta za fonografe. Japan ga je koristio dvije godine. BaTiO materijal ima nedostatak što je piezoelektricitet slabiji od soli u mirovanju i piezoelektricitet je veći od kvarcnog kristala s temperaturom. Godine 1954. B. Jaffe i drugi otkrili su piezoelektrični PbZrO-PbTiO (PZT) sustav čvrste otopine, što je događaj koji stvara epohu i koji je onemogućio izradu uređaja u BaTiO. Od tada je razvijena PZT prozirna piezoelektrična keramika kako bi se proširila primjena piezoelektrične keramike na polje optike. Dosadašnja primjena piezoelektrične keramike, od razvoja svemira do života obitelji, iznimno je opsežna. Kinesko istraživanje piezoelektrične keramike započelo je kasnih 1950-ih, oko 10 godina kasnije nego u inozemstvu. Trenutačno postoje prilično jake snage u probnoj proizvodnji i industrijskoj proizvodnji piezoelektrične keramike. Mnogi materijali dosegli su ili su blizu međunarodne razine.

Fizikalni mehanizam piezokeramičke piezoelektricnosti
Piezoelektrične keramike su polikristali čiji piezoelektricitet piezo disk senzor može se objasniti piezoelektričnosti piezo kristala. Pod djelovanjem mehaničke sile mijenja se ukupni električni dipolni moment (polarizacija), što rezultira piezoelektričnim fenomenom. Piezoelektricitet je usko povezan s polarizacijom, deformacijom i slično.

Mikroskopski mehanizam polarizacije

Stanje polarizacije je stanje u kojem električno polje djeluje relativnom silom pomaka na nabijenu točku dielektrika i privremenu ravnotežu međusobnog privlačenja između naboja. Postoje tri glavna mehanizma polarizacije.

(1) Polarizacija pomaka elektrona—Atom ili ion dielektrika ne podudara se sa središtem negativnog naboja pozitivno nabijene jezgre i ljuske elektrona pod djelovanjem sile električnog polja.

(2) Polarizacija pomaka iona—pozitivni i negativni ioni dielektrika relativno su pomaknuti pod djelovanjem sile električnog polja, stvarajući tako električni dipolni moment.

(3) Orijentacijska polarizacija—polarne molekule koje čine dielektrik imaju određeni intrinzični (inherentni) električni moment. Uslijed toplinskog gibanja, orijentacija je poremećena, ukupni električni moment je jednak nuli. Kada se primijeni električno polje, električni dipolni moment. Smjer električnog polja je usklađen i pojavljuje se makroskopski električni dipolni moment. Za anizotropne kristale, polarizacija je povezana s prisutnošću električnog polja.

2. Piezoelektrični učinak

(1) Pozitivni piezoelektrični učinak
Kada se piezoelektrični kristal deformira vanjskom silom, središta pozitivnog i negativnog naboja se relativno pomaknu, a suprotni naboji se generiraju na nekim odgovarajućim stranama, te dolazi do intenziteta polarizacije. Ovaj fenomen nepostojanja električnog polja i polarizacije deformacijom naziva se pozitivni piezoelektrični učinak.

Za anizotropne kristale, naprezanje se primjenjuje na kristal; (odgovarajuće naprezanje), kristal će imati proporcionalnu polarizaciju u tri smjera X, Y i Z, koji se nazivaju konstanta piezoelektričnog naprezanja i konstanta piezoelektričnog naprezanja.

(2) Inverzni piezoelektrični učinak
Kada se električno polje primijeni na kristal, ne stvara se samo polarizacija, već i deformacija, a ovaj fenomen deformacije električnim poljem naziva se inverzni piezoelektrični efekt. To je zato što kada je kristal podvrgnut električnom polju, naprezanje (piezoelektrično naprezanje) se stvara unutar kristala, a piezoelektrično naprezanje nastaje naprezanjem.

3. Mehanizam učinka tlaka
Piezoelektrični efekt je prvi put otkriven na piezo kristalima. Sada koristimo piezo kristale kao model za ilustraciju fizičkog mehanizma piezoelektričnog učinka.
Kada nema pritiska, centri pozitivnog i negativnog naboja kristala su raspoređeni. U to vrijeme se centri pozitivnog i negativnog naboja podudaraju, a ukupni električni moment kristala jednak je nuli, a površina kristala nije nabijena (nije piezoelektrična).

Primjena piezoelektrične keramike

Piezoelektrični keramički upaljač
Ovo je uređaj koji mehaničku silu pretvara u električnu iskru za paljenje izgaranja, a to je elektromehanički pretvarač. Godine 1958. za paljenje je korišten piezoelektrični učinak keramike od barijevog titanata (BaTiO). Međutim, PZT materijal ima nisku stopu paljenja i visoku buku. Godine 1962., ispitivanja piezoelektrične keramike olovo cirkonat titanat (PZT) korištena su za izradu upaljača. Upaljači se široko koriste u svakodnevnom životu, industrijskoj proizvodnji i vojnim primjenama za paljenje plina i raznih vrsta eksploziva i raketa.

(1) Osnovna načela

Generacija visokog napona — Uzimajući cilindričnu piezoelektričnu keramičku komponentu kao primjer, kada mehanička sila F djeluje na cilindar, piezo kristal se izobličuje, uzrokujući pomicanje središta pozitivnih i negativnih naboja u kristalu, tako da se velika količina naboja nakuplja na gornjoj i donjoj površini cilindra i 

(2) izlaz visokog napona.

(3) struktura upaljača i princip rada

2. Piezoelektrični transformator
Od 1950-ih razvijaju se piezoelektrični transformatori. U to vrijeme kao glavni materijal korišten je barij titanat. Pojačanje je relativno nisko (samo 50-60 puta). Izlazni napon je oko 3000 volti. S pojavom piezoelektričnih keramičkih materijala olovo cirkonat titanat, omjer pojačanja je povećan na 300-500 puta, i postupno je primijenjen na televizore, elektrostatičke fotokopirne strojeve i generatore negativnih iona kao visokonaponska napajanja.

(1) Osnovna načela
Unos električne energije vibracije u piezoelektričnu keramičku ploču pretvara se u energiju mehaničkih vibracija inverznim piezoelektričnim učinkom, a zatim se pretvara u električnu energiju pozitivnim piezoelektričnim učinkom. Pretvorba impedancije (iz niske impedancije u visoku impedanciju) postiže se u ove dvije pretvorbe energije kako bi se postigao izlaz visokog napona na rezonantnoj frekvenciji piezo keramičkog čipa. Princip transformacije objašnjen je na primjeru horizontalnog i vertikalnog transformatora vučne vibracije.

Cijeli komad piezo keramike podijeljen je na dva dijela, lijevi dio je ulazni kraj (koji se naziva i pogonski dio), gornja i donja strana imaju infiltriranu srebrnu elektrodu, koja je polarizirana u smjeru debljine, a desni dio je izlazni kraj (koji se također naziva dio za generiranje energije), a desni kraj. Postoji srebrna elektroda koja je infiltrirana na površini. Polariziran po dužini. Kada se na ulazni terminal primijeni izmjenični napon, zbog obrnutog piezoelektričnog učinka, piezo keramička ploča generira rasteznu vibraciju duž smjera duljine, koja pretvara ulaznu električnu energiju u mehaničku energiju; a dio za generiranje energije pretvara mehaničku energiju u električnu putem pozitivnog piezoelektričnog učinka. Gdje je mehanički faktor kvalitete materijala; - uzdužne i poprečne koeficijente elektromehaničke sprege materijala; duljina L - dijela za proizvodnju energije; T - debljina transformatora.

(2) Primjena piezoelektričnog transformatora
Piezoelektrični transformatori se uglavnom koriste u slučaju pretvorbe visokog napona, male snage i sinusnog vala, a imaju jedinstvene prednosti visokog izlaznog napona, male težine, malog volumena, bez curenja magnetskog polja, bez izgaranja. Kako bismo dobili više izlaza napona, prema izlaznom naponu horizontalno-vertikalnog transformatora proporcionalnom duljini, što je bliže kraju dijela za proizvodnju električne energije, to je napon veći, možemo napraviti elektrode kao slavine na različitim položajima dijela za proizvodnju električne energije, čime se dobivaju različiti izlazi napona. .

4.Piezoelektrični keramički magneti i zvučnici

(1) Vibrator s dvostrukom dijafragmom

Dan je princip rada vibratora s dvostrukom dijafragmom. Kada se piezoelektrična keramika određene debljine savije pod djelovanjem sile, ona se izdužuje s jedne strane debljine i komprimira s druge strane, a unutar piezo keramičke ploče stvara se naboj. Međutim, budući da cijela dijafragma ima isti smjer polarizacije, gornja strana je izdužena, a donja strana je komprimirana, tako da je električni dipolni moment suprotan, a simboli naboja gornje i donje strane su isti, tako da nema razlike potencijala, kao što je prebacivanje na dvije preklapajuće strukture dvostruke dijafragme, kada je podvrgnuta savijanju sile, može se dobiti izlazni napon. Dva dijela dijafragme suprotnih smjerova polarizacije spojena su u seriju, a kada se primijeni sila, gornji dio se izdužuje, a donji sabija. Budući da su smjerovi polarizacije suprotni, gornja i donja strana dvostruke dijafragme su suprotno nabijene predznakom, te se može dobiti izlazni napon. Dvije dijafragme s istim smjerom polarizacije spojene su paralelno kako bi formirale izlazni napon.

(2) Piezoelektrična keramička struktura i princip rada

(3) Struktura piezoelektričnog keramičkog zvučnika i princip rada
Piezoelektrični keramički zvučnik je jednostavan i lagan elektroakustički uređaj, koji ima prednosti visoke osjetljivosti, bez raspršenja magnetskog polja, bez bakrene žice i magneta, nisku cijenu, nisku potrošnju energije, pogodan popravak i masovnu proizvodnju.

Pogonski sustav je a PZT materijal piezoelektrični elementi dvostruka dijafragma, vibracijski sustav je papirnati stožac, a komponenta spojke učinkovito prenosi energiju pogonskog sustava na vibracijski sustav. Tijekom rada, električna energija primijenjena na piezoelektričnu keramičku dvostruku dijafragmu pretvara se u mehaničku energiju, koja se prenosi na papirnati stožac kroz spojni element kako bi vibrirao i zvučao. Piezoelektrična dvostruka dijafragma ima veću impedanciju i čini naponski pogon. Odnos između sile F i napona V je F=KV, K je proporcionalni koeficijent, a mehanička impedancija vibracije uključujući impedanciju zračenja je Z, a brzina vibracije je
V=F/Z
Može se dobiti zvučni tlak P u središtu r filma visokih vibracija.

Osim toga, drugi elektro-akustički pretvarači energije kao što su odašiljač, prijemnik, zujalica itd. mogu se izraditi prema piezoelektričnom učinku piezoelektrične keramike.

(4) Piezoelektrični keramički ventilatori i releji
Od piezoelektrične keramike može se napraviti mali piezoelektrični keramički ventilator, koji ima prednosti male zapremine, nema stvaranja topline, nema zujanja, male potrošnje energije i dugog vijeka trajanja. To je piezoelektrični keramički deformator za savijanje, koji se sastoji od dvije piezoelektrične keramičke ploče u sendviču s metalnom folijom, a piezo keramička ploča generira teleskopsko kretanje pod djelovanjem vanjskog električnog polja. Ako se dvije piezo keramičke ploče primijene s obrnutim naponom, druga strana se skuplja da bi se istegla, a metalna ploča se savija i deformira. Ako se primijeni izmjenični napon, lim će povremeno vibrirati.