Aplikasi Penting Keramik Piezoelektrik

                           Aplikasi Penting Keramik Piezoelektrik

Keramik piezoelektrik telah banyak digunakan karena sifat piezoelektriknya dan keragaman sifat elektromekanis yang disebabkan oleh piezoelektrik. Karena beragamnya perangkat keramik piezoelektrik dan beragam aplikasinya, sulit untuk mengklasifikasikannya secara ketat menggunakan metode sederhana. Aplikasi umum secara garis besar dapat dibagi menjadi dua kategori: vibrator piezoelektrik dan transduser piezoelektrik.

1. Transduser

Penerapan efek piezoelektrik bervariasi, dan salah satu yang paling penting adalah dengan menggunakan transdusernya s karakteristik  . , Karakteristik konversi energinya yaitu  efek  listrik yang diterapkan pada keramik piezoelektrik, Energi listrik dapat diubah menjadi energi mekanik melalui efek tegangan balik; Efek listrik mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Orang-orang memanfaatkan sifat fisik keramik piezoelektrik ini untuk memproduksi berbagai jenis perangkat piezoelektrik, yang banyak digunakan dalam komunikasi bawah air, ultrasound, pengapian tegangan tinggi, dan bidang lainnya.

1, penyala keramik piezoelektrik

Ini adalah perangkat yang mengubah gaya mekanis menjadi percikan listrik untuk menyalakan bahan mudah terbakar. Ini adalah transduser elektromekanis. Pada tahun 1958, ia memelopori penggunaan efek piezoelektrik keramik barium titanat (BaTiO3) untuk pengapian. Tingkat pengapian ini batang piezo elemen piezo tidak tinggi, dan kebisingannya besar. Pada tahun 1962, keramik piezoelektrik timbal zirkonat titanat (PZT) digunakan untuk membuat penyala. Penyala jenis ini banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari, produksi industri dan urusan militer, serta digunakan untuk menyalakan dan meledakkan gas, berbagai bahan peledak dan roket.

(1) Prinsip dasar: Proses kerja penyala dibagi menjadi tiga tahap: pembangkitan tegangan tinggi, penyalaan pelepasan, dan penyalaan gas yang mudah terbakar. Pembangkitan tegangan tinggi - Ambil contoh elemen keramik piezoelektrik silinder, ketika gaya mekanik F bekerja pada silinder, kristal akan terdistorsi, menyebabkan pusat muatan positif dan negatif dalam kristal bergeser, sehingga sejumlah besar muatan bebas akan muncul di permukaan atas dan bawah silinder terakumulasi, sehingga menghasilkan keluaran tegangan tinggi. Tegangan keluarannya adalah: V=ga3Fh/A, di mana A—luas penampang silinder; h—tinggi silinder; ga3—konstanta tegangan piezoelektrik. Pengapian pelepasan - letakkan elemen keramik piezoelektrik dalam sirkuit tertutup dan sisakan celah yang sesuai. Ketika tegangan naik ke tegangan pelepasan celah, percikan pelepasan akan dihasilkan di celah tersebut. Pengapian gas yang mudah terbakar - bahan bakar gas pada umumnya tidak mudah terbakar, sehingga etana yang mudah menjadi gasifikasi paling banyak digunakan. Untuk memperpanjang waktu pengosongan dan mencegah percikan api padam terlalu cepat, untuk meningkatkan laju penyalaan. Resistor yang sesuai dapat dihubungkan secara seri pada ujung pelepasan.

 

(2) Struktur dan prinsip kerja penyala , terdapat banyak jenis penyala, dan penyala piezoelektrik rumah tangga diambil sebagai contoh untuk menggambarkan struktur dan prinsip kerjanya. Hal ini dapat dipasang pada kompor rumah tangga untuk menyalakan gas, memutar sakelar bubungan, menggunakan  bagian bubungan yang menonjol untuk mendorong blok tumbukan, dan menekan pegas di belakang blok tumbukan. Ketika bagian cam yang menonjol terlepas dari blok tumbukan, karena gaya elastis pegas, blok tumbukan memberikan gaya tumbukan pada elemen piezoelektrik  piezo keramik ., yang menghasilkan tegangan tinggi di kedua ujung elemen piezoelektrik, dan mengeluarkan tegangan tinggi dari elektroda tengah untuk menghasilkan percikan listrik untuk menyalakan gas.

 

2. Transduser akustik bawah air

Transduser akustik bawah air adalah perangkat transduser yang digunakan untuk komunikasi dan deteksi bawah air. Orang-orang mengetahui bahwa komunikasi dan deteksi udara terutama mengandalkan gelombang elektromagnetik, seperti komunikasi radio dan peralatan radar, dll., semuanya mengandalkan gelombang elektromagnetik untuk mengirimkan informasi di udara. Gelombang elektromagnetik tidak mungkin digunakan untuk komunikasi dan deteksi bawah air. Hal ini karena gelombang elektromagnetik mempunyai kehilangan rambat yang besar di dalam air, dan akan diserap oleh seseorang yang tidak melakukan perjalanan jauh. Namun, hilangnya propagasi gelombang suara di dalam air sangat kecil, sehingga komunikasi dan deteksi bawah air terutama menggunakan gelombang suara yang digunakan untuk mengirimkan informasi, dan instrumen yang menghasilkan dan mendeteksi gelombang suara disebut sistem sonar. Sistem sonar adalah alat yang sangat diperlukan untuk navigasi bawah air, komunikasi, deteksi kapal selam dan kumpulan ikan, serta penelitian kelautan. Orang-orang membandingkan sonar di dalam air dengan radar di udara, dan mata serta telinga sistem sonar adalah transduser akustik bawah air. Penelitian tentang transduser akustik bawah air dimulai pada Perang Dunia I. Langevin dari Prancis pertama kali menggunakan kristal kuarsa untuk membuat transduser akustik bawah air berdasarkan efek piezoelektrik. Meskipun transduser akustik bawah air yang dibuat oleh Lang Zhiwan dibatasi oleh kondisi teknis pada saat itu dan sebenarnya tidak digunakan pada kapal selam laut dalam, namun transduser akustik bawah air memberikan kontribusi yang signifikan terhadap perkembangan ilmu akustik bawah air di masa depan. Transduser Langevin menggunakan efek tegangan balik dari kristal kuarsa untuk memancarkan gelombang suara ke dalam air, tabung keramik piezo menerima gelombang suara yang dikembalikan dari air melalui efek tegangan positif, dan melakukan beberapa pengukuran di bawah air sesuai dengan waktu bolak-balik gelombang suara pulsa.

Masyarakat telah melakukan penelitian yang mendalam dan sistematis transduser akustik bawah air piezoelektrik untuk membuatnya praktis. Namun, bahan piezoelektrik utama yang digunakan pada saat itu adalah kristal piezoelektrik yang larut dalam air - garam Roche dan kalium dioksifosfat. Pada akhir tahun 1950an, keramik piezoelektrik muncul. Pembuatan transduser akustik bawah air dengan keramik piezoelektrik hampir menjadi bahan piezoelektrik utama yang dipilih masyarakat. Karena memiliki banyak karakteristik yang tidak dimiliki kristal piezoelektrik di masa lalu, ia menjadi bahan piezoelektrik paling ideal untuk membuat transduser akustik bawah air, dan tidak ada bahan lain yang dapat menandinginya. Keuntungan utama transduser akustik bawah air keramik piezoelektrik adalah:

(1) Tidak memerlukan tegangan bias DC dan koil, sistem getarannya sederhana;

(2) Transduser keramik piezoelektrik berukuran kecil dan memiliki karakteristik yang sangat baik;

(3) Transduser keramik piezoelektrik dapat dibuat dalam bentuk apa pun sesuai kebutuhan.

Transduser piezoelektrik merupakan jenis transduser yang paling banyak digunakan dalam bidang teknologi akustik bawah air. Indikator kinerja transduser akustik bawah air hanya perlu memiliki frekuensi operasi, koefisien kopling elektromekanis, koefisien konversi elektromekanis, faktor kualitas, karakteristik frekuensi, karakteristik impedansi, karakteristik arah, karakteristik amplitudo, sensitivitas transmisi, sensitivitas penerimaan, daya pemancar, sifat stabilitas suhu dan waktu, kekuatan dan berat mekanik, dll. Namun, untuk transduser praktis, tidak perlu mengajukan begitu banyak persyaratan indeks terlepas dari kesempatannya, tetapi untuk mengajukan persyaratan indeks yang berbeda dan representatif sesuai dengan penggunaan dan kesempatan penerapannya.

Kedua, vibrator piezoelektrik

Setelah kemunculan Keramik piezoelektrik PZT , dimungkinkan untuk membuat filter keramik. Filter keramik dengan frekuensi berbeda dapat dibuat dengan menggunakan mode getaran vibrator piezoelektrik yang berbeda. Mode getaran yang paling awal diterapkan adalah getaran radial atau getaran kontur, menghasilkan filter 455kHz. Kemudian, frekuensi filter keramik dikembangkan ke kedua ujungnya, dengan frekuensi tertinggi mencapai 10MHz dan frekuensi rendah mencapai di bawah 1kHz. Karena penerapan mode perangkap energi, frekuensi filter keramik setinggi 100MHz, filter gelombang akustik permukaan yang tereksitasi oleh transduser interdigital telah mencapai di atas 1GHz, dan frekuensi tertinggi filter gelombang akustik permukaan yang menggunakan keramik piezoelektrik sebagai substratnya telah mencapai 630MHz.

Trafo piezoelektrik juga merupakan vibrator dalam hal penerapannya, dan struktur dasarnya adalah memasang dua set elektroda pada badan keramik piezoelektrik untuk membentuk empat terminal. Menambahkan sinyal listrik ke sisi primer membuatnya beresonansi, dan sisi sekunder menghasilkan keluaran. Dengan cara ini, ia bekerja sebagai transformator pada saat resonansi. Penelitian tentang trafo piezoelektrik dimulai lebih awal. Daya dan tegangan penggerak trafo piezoelektrik yang terbuat dari keramik monolitik tidak mudah untuk ditingkatkan. Transformator piezoelektrik multi-lapis diproduksi dengan teknologi komposit multi-lapis yang sama dengan teknologi pembuatan kapasitor monolitik, dan daya serta tegangan penggeraknya sangat ditingkatkan, yang selanjutnya memperluas jangkauan aplikasi transformator piezoelektrik.

 

1. Trafo Piezoelektrik

Transformator piezoelektrik telah dikembangkan sejak tahun 1950an. Saat itu, barium titanat digunakan sebagai bahan utama. Rasio peningkatannya rendah (hanya 50~60 kali). Tegangan keluaran sekitar 3000V. Dengan munculnya bahan keramik piezoelektrik timbal zirkonat titanat, rasio step-up ditingkatkan menjadi 300~500 kali lipat, dan secara bertahap dipopulerkan dan digunakan di televisi, mesin fotokopi elektrostatis, dan generator ion negatif sebagai catu daya tegangan tinggi.

(1) Prinsip dasar. Masukan energi getaran listrik pada keramik piezoelektrik diubah menjadi energi getaran mekanis melalui efek piezoelektrik terbalik, kemudian diubah menjadi energi listrik melalui efek piezoelektrik positif. Konversi impedansi (dari impedansi rendah ke impedansi tinggi) diwujudkan selama dua konversi energi ini, sehingga keluaran piezoelektrik yang tinggi dapat diperoleh pada frekuensi resonansi lembaran keramik. Sekarang ambil contoh trafo horizontal dan vertikal dengan getaran regangan untuk menggambarkan prinsip trafo.

 

Seluruh chip keramik dibagi menjadi dua bagian, bagian kiri adalah ujung masukan (juga dikenal sebagai bagian penggerak), terdapat elektroda perak yang terbakar di sisi atas dan bawah, terpolarisasi sepanjang arah ketebalan, bagian kanan adalah ujung keluaran (juga dikenal sebagai bagian pembangkit listrik), dan bagian kanan adalah ujung keluaran (juga dikenal sebagai bagian pembangkit listrik). Ada elektroda perak yang terbakar di permukaan. Terpolarisasi sepanjang panjangnya. Ketika tegangan bolak-balik diterapkan pada ujung masukan, karena efek tegangan balik, potongan keramik akan menghasilkan getaran regangan sepanjang arah, yang akan mengubah energi listrik masukan menjadi energi mekanik; sedangkan bagian pembangkit listrik akan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik melalui efek tegangan positif, dan kemudian mentransfernya dari ujung keluaran Tegangan keluaran. Ketika tidak ada beban, rasio peningkatan sirkuit terbuka, Qm adalah faktor kualitas mekanik material; K31, K33 adalah koefisien kopling elektromekanis memanjang dan melintang dari material; L adalah panjang bagian pembangkit listrik; t adalah ketebalan transformator. Transformator piezoelektrik terutama digunakan dalam kasus konversi tegangan tinggi, daya rendah dan gelombang sinus, dan memiliki keunggulan unik seperti tegangan keluaran tinggi, ringan, ukuran kecil, tidak ada kebocoran medan magnet, dan tidak ada pembakaran. Untuk memperoleh keluaran tegangan ganda, sesuai dengan tegangan keluaran trafo horizontal-vertikal sebanding dengan panjangnya, semakin dekat ke ujung bagian pembangkit listrik maka semakin tinggi tegangannya, dan elektroda dapat dibuat pada posisi yang berbeda dari bagian pembangkit listrik sebagai kepala poros untuk memperoleh keluaran tegangan yang berbeda.

 

(2) Prinsip kerja dasar dan karakteristik trafo keramik piezoelektrik monolitik (multilayer). Keramik piezoelektrik adalah bahan yang rapuh. Untuk menjamin kekuatan mekaniknya, trafo piezoelektrik harus memiliki ketebalan tertentu, dan tegangan penggerak trafo tersebut di atas cukup terbatas. Untuk alasan ini, proyek trafo keramik piezoelektrik monolitik (multi-layer) muncul. Setelah mengadopsi struktur monolitik (multi-layer), ketebalan dan jumlah lapisan setiap lapisan dapat disesuaikan, dan tegangan penggerak tidak lagi dibatasi, sehingga tegangan dapat dibuat. Trafo listrik dapat bekerja dalam kondisi terbaik tidak peduli berapa pun tegangan penggeraknya.

Teknologi inti dari proyek ini adalah sinter suhu rendah submikron bahan keramik piezoelektrik , teknologi penembakan bersama elektroda internal, teknologi perawatan polarisasi, dan desain struktural. Trafo keramik piezoelektrik (MPT) monolitik (multilayer) adalah trafo elektronik generasi ketiga dengan fitur sebagai berikut.

① Sangat tipis: ketebalan umumnya tidak melebihi 4mm.

②Efisiensi konversi tinggi: lebih dari 97% pada beban penuh (beban resistif).

③ Memiliki fitur perlindungan diri untuk memutus arus pendek beban secara otomatis.

④ Transformator resonansi: Dapat mewujudkan konversi tegangan nol dan arus nol.

⑤ Memiliki karakteristik keluaran arus kuasi-konstan untuk beban impedansi rendah.

⑥ Tidak ada tegangan puncak terbalik, perlindungan sirkuit penguat daya yang andal.

⑦ Tidak ada interferensi elektromagnetik.

⑧Tidak ada kerusakan kumparan, kerusakan jamur.

⑨Ketahanan semprotan garam, tahan cuaca baik, sangat cocok untuk digunakan di iklim laut.

 

2. Pickup dan speaker keramik piezoelektrik

Transduser keramik piezoelektrik banyak digunakan dalam peralatan elektroakustik, seperti pickup dan speaker keramik piezoelektrik.

(1) Vibrator diafragma ganda (Gambar 6-16). Peralatan elektroakustik memerlukan impedansi mekanis yang rendah dan dapat mencocokkan sumber suara atau sumber getaran, dan vibrator piezoelektrik diafragma ganda dapat memenuhi persyaratan ini. Itu terbuat dari dua lembar keramik piezoelektrik yang panjangnya dapat diregangkan. Ketika satu bagian diregangkan, bagian lainnya diperpendek, dan keseluruhannya ditekuk.

 

Ini memberikan prinsip kerja vibrator diafragma ganda. Ketika sepotong keramik piezoelektrik dengan ketebalan tertentu dibengkokkan karena gaya, satu sisi ketebalannya memanjang, dan sisi lainnya dikompresi. Pada saat ini, muatan akan dihasilkan di dalam potongan keramik. , tetapi karena arah polarisasi seluruh diafragma sama, maka sisi atas memanjang, dan sisi bawah tertekan, yang menyebabkan momen dipol listrik berlawanan, dan sisi atas dan bawah mempunyai tanda muatan yang sama, sehingga tidak ada beda potensial, seperti terlihat pada Gambar 6-16 (a ). Jika struktur diafragma ganda dengan dua lembar yang ditumpangkan digunakan, keluaran tegangan dapat diperoleh ketika gaya dibengkokkan. Gambar 6-16(b) menggunakan dua diafragma dengan arah polarisasi berlawanan yang dihubungkan secara seri. Ketika ada gaya yang diberikan, bagian atas akan meregang dan bagian bawah akan tertekan. Karena arah polarisasi berlawanan, sisi atas dan bawah diafragma ganda diisi dengan tanda yang berlawanan, dan keluaran tegangan dapat diperoleh. Gambar 6-16(c) dibentuk dengan menghubungkan dua diafragma dengan arah polarisasi yang sama secara paralel, dan tegangan keluaran juga dapat diperoleh.

 

(2) Struktur dan prinsip kerja speaker keramik piezoelektrik: Speaker keramik piezoelektrik adalah perangkat elektro-akustik sederhana dan ringan dengan sensitivitas tinggi, tidak ada limpahan medan magnet, tidak memerlukan kabel tembaga dan magnet, biaya rendah, konsumsi daya rendah, Perbaikan mudah, produksi massal mudah, dll.

Sistem penggeraknya adalah diafragma ganda keramik piezoelektrik, sistem getarannya adalah kerucut kertas, dan elemen kopling secara efektif mentransfer energi dari sistem penggerak ke sistem getaran. Saat bekerja, energi listrik yang ditambahkan ke diafragma ganda keramik piezoelektrik diubah menjadi energi mekanik, yang disalurkan ke kerucut kertas melalui elemen kopling untuk membuatnya bergetar dan berbunyi. Diafragma ganda piezoelektrik memiliki impedansi yang relatif tinggi, yang merupakan penggerak tegangan. Hubungan antara gaya F dan tegangan V adalah F=KV, dan K adalah koefisien proporsional. Jika impedansi mekanik getaran termasuk impedansi radiasi adalah Z, kecepatan getarannya adalah : v=F/Z, maka dapat diperoleh tekanan bunyi P di pusat r diafragma tinggi. |P|=10fρS/r |v| dimana: f—frekuensi; ρ—kepadatan sedang; S—area efektif badan vertebra. Selain itu, konverter energi elektro-akustik lainnya dapat dibuat sesuai dengan efek piezoelektrik keramik piezoelektrik, seperti pemancar, penerima, bel, dll....