Importanti applicazioni della ceramica piezoelettrica

                           Importanti applicazioni della ceramica piezoelettrica

Le ceramiche piezoelettriche sono state ampiamente utilizzate a causa della loro piezoelettricità e della diversità delle proprietà elettromeccaniche causate dalla piezoelettricità. A causa dell’ampia varietà di dispositivi ceramici piezoelettrici e della loro vasta gamma di applicazioni, è difficile classificarli rigorosamente utilizzando un metodo semplice. Le applicazioni generali possono essere sostanzialmente suddivise in due categorie: vibratori piezoelettrici e trasduttori piezoelettrici.

1. Trasduttore

L'applicazione dell'effetto piezoelettrico è varia e una delle più importanti è l'utilizzo delle caratteristiche s dei trasduttori  . È una caratteristica di conversione dell'energia , è  l'  effetto dell'elettricità applicata alla ceramica piezoelettrica. L' energia elettrica può essere convertita in energia meccanica attraverso l'effetto di tensione inversa; L'effetto elettrico converte l'energia meccanica in energia elettrica. Le persone sfruttano questa proprietà fisica della ceramica piezoelettrica per produrre molti tipi di dispositivi piezoelettrici, ampiamente utilizzati nella comunicazione subacquea, negli ultrasuoni, nell'accensione ad alta tensione e in altri campi.

1, accenditore ceramico piezoelettrico

Questo è un dispositivo che converte la forza meccanica in scintille elettriche per accendere i combustibili. È un trasduttore elettromeccanico. Nel 1958, fu pioniere nell'uso dell'effetto piezoelettrico della ceramica al titanato di bario (BaTiO3) per l'accensione. La velocità di accensione di questo L'asta piezoelettrica dell'elemento piezoelettrico non è elevata e il rumore è elevato. Nel 1962, le ceramiche piezoelettriche di piombo zirconato titanato (PZT) furono utilizzate per realizzare accenditori. Questo tipo di accenditore è ampiamente utilizzato nella vita quotidiana, nella produzione industriale e negli affari militari e viene utilizzato per accendere e far esplodere gas, vari esplosivi e razzi.

(1) Principio di base: il processo di funzionamento dell'accenditore è diviso in tre fasi: generazione di alta tensione, accensione a scarica e accensione del gas combustibile. Generazione di alta tensione - Prendiamo come esempio gli elementi ceramici piezoelettrici cilindrici, quando la forza meccanica F agisce sul cilindro, il cristallo verrà distorto, causando lo spostamento del centro delle cariche positive e negative nel cristallo, in modo che una grande quantità di cariche libere apparirà sulle superfici superiore e inferiore del cilindro accumulandosi, producendo un'uscita ad alta tensione. La tensione di uscita è: V=ga3Fh/A, dove A——l'area della sezione trasversale del cilindro; h——l'altezza del cilindro; ga3——la costante di tensione piezoelettrica. Accensione a scarica: inserire l'elemento ceramico piezoelettrico in un circuito chiuso e lasciare uno spazio adeguato. Quando la tensione raggiunge la tensione di scarica dell'intercapedine, verrà generata una scintilla di scarica nell'intercapedine. Accensione del gas combustibile: il gas combustibile generale non è facile da bruciare, quindi viene utilizzato principalmente l'etano che è facile da gassificare. Per prolungare il tempo di scarica ed evitare che la scintilla si spenga troppo velocemente, aumentare la velocità di accensione. Un resistore appropriato può essere collegato in serie all'estremità di scarica.

 

(2) La struttura e il principio di funzionamento dell'accenditore , esistono molti tipi di accenditori e l'accenditore piezoelettrico domestico viene preso come esempio per illustrarne la struttura e il principio di funzionamento. Può essere fissato sul fornello domestico per accendere il gas, girare l'interruttore a camma, utilizzare  la parte sporgente della camma per spingere il blocco d'urto e comprimere la molla dietro il blocco d'urto. Quando la parte sporgente della camma si stacca dal blocco d'impatto, a causa della forza elastica della molla, il blocco d'impatto conferisce all'elemento  piezoceramico piezoelettrico .una forza d'impatto, che genera alta tensione su entrambe le estremità dell'elemento piezoelettrico ed emette alta tensione dall'elettrodo centrale per generare una scintilla elettrica per accendere il gas.

 

2. Trasduttore acustico subacqueo

Un trasduttore acustico subacqueo è un dispositivo trasduttore utilizzato per la comunicazione e il rilevamento subacquei. Le persone sanno che la comunicazione e il rilevamento aereo si basano principalmente sulle onde elettromagnetiche, come le comunicazioni radio e le apparecchiature radar, ecc., Tutte si affidano alle onde elettromagnetiche per trasmettere informazioni nell'aria. Non è possibile utilizzare le onde elettromagnetiche per la comunicazione e il rilevamento subacquei. Questo perché le onde elettromagnetiche hanno una grande perdita di propagazione nell'acqua e verranno assorbite da qualcuno che non viaggia lontano. Tuttavia, la perdita di propagazione delle onde sonore nell'acqua è molto piccola, quindi vengono utilizzate principalmente la comunicazione e il rilevamento subacquei. Le onde sonore vengono utilizzate per trasmettere informazioni e gli strumenti che generano e rilevano le onde sonore sono chiamati sistemi sonar. I sistemi sonar sono strumenti indispensabili per la navigazione subacquea, la comunicazione, il rilevamento di sottomarini e banchi di pesci e la ricerca marina. Le persone confrontano il sonar nell'acqua con il radar nell'aria e gli occhi e le orecchie del sistema sonar sono trasduttori acustici subacquei. La ricerca sui trasduttori acustici subacquei iniziò durante la prima guerra mondiale. La francese Langevin utilizzò per la prima volta cristalli di quarzo per realizzare trasduttori acustici subacquei basati sull'effetto piezoelettrico. Sebbene il trasduttore acustico subacqueo creato da Lang Zhiwan fosse limitato dalle condizioni tecniche dell'epoca e non fosse effettivamente utilizzato sui sottomarini di acque profonde, in futuro diede un contributo significativo allo sviluppo della scienza acustica subacquea. Il trasduttore Langevin sfrutta l'effetto di tensione inversa del cristallo di quarzo per emettere onde sonore nell'acqua, Il tubo in ceramica piezoelettrica riceve le onde sonore restituite dall'acqua attraverso l'effetto della tensione positiva ed esegue alcune misurazioni subacquee in base al tempo alternativo delle onde sonore pulsate.

Le persone hanno condotto ricerche approfondite e sistematiche su trasduttori acustici subacquei piezoelettrici per renderli pratici. Tuttavia, i principali materiali piezoelettrici utilizzati a quel tempo erano cristalli piezoelettrici idrosolubili: sale di Roche e diossifosfato di potassio. Alla fine degli anni '50 apparve la ceramica piezoelettrica. Realizzare trasduttori acustici subacquei con ceramica piezoelettrica è quasi diventato il principale materiale piezoelettrico scelto dalle persone. Poiché ha molte caratteristiche che i cristalli piezoelettrici non avevano in passato, è diventato il materiale piezoelettrico ideale per realizzare trasduttori acustici subacquei e non esiste altro materiale che possa eguagliarlo. I principali vantaggi dei trasduttori acustici subacquei in ceramica piezoelettrica sono:

(1) Non è necessaria la tensione di polarizzazione CC e la bobina, il sistema di vibrazione è semplice;

(2) Il trasduttore ceramico piezoelettrico è di piccole dimensioni e ha caratteristiche eccellenti;

(3) I trasduttori piezoelettrici in ceramica possono essere realizzati in qualsiasi forma richiesta.

I trasduttori piezoelettrici sono il tipo di trasduttore più utilizzato nel campo della tecnologia acustica subacquea. Gli indicatori di prestazione dei trasduttori acustici subacquei devono solo avere frequenza operativa, coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, coefficiente di conversione elettromeccanica, fattore di qualità, caratteristiche di frequenza, caratteristiche di impedenza, caratteristiche direzionali, caratteristiche di ampiezza, sensibilità di trasmissione, sensibilità di ricezione, potenza del trasmettitore, proprietà di stabilità della temperatura e del tempo, resistenza meccanica e peso ecc. Tuttavia, per un trasduttore pratico, non è necessario presentare tanti requisiti di indice indipendentemente dall'occasione, ma proporre requisiti di indice diversi e rappresentativi in ​​base al suo utilizzo e alle occasioni di applicazione.

In secondo luogo, il vibratore piezoelettrico

Dopo la comparsa di Ceramica piezoelettrica PZT , è possibile realizzare filtri ceramici. Filtri ceramici con frequenze diverse possono essere realizzati utilizzando diverse modalità di vibrazione dei vibratori piezoelettrici. La prima modalità di vibrazione applicata è la vibrazione radiale o la vibrazione del contorno, creando un filtro da 455kHz. Successivamente, la frequenza dei filtri ceramici si è sviluppata su entrambe le estremità, con la fascia alta che raggiunge i 10 MHz e la fascia bassa che arriva al di sotto di 1 kHz. Grazie all'applicazione della modalità trappola di energia, la frequenza del filtro ceramico arriva fino a 100 MHz, il filtro delle onde acustiche superficiali eccitato dal trasduttore interdigitale ha raggiunto oltre 1 GHz e la frequenza più alta del filtro delle onde acustiche superficiali che utilizza ceramica piezoelettrica come substrato è stata fino a 630 MHz.

Il trasformatore piezoelettrico è anche un vibratore in termini di applicazione e la sua struttura di base consiste nel posizionare due serie di elettrodi sul corpo ceramico piezoelettrico per formare quattro terminali. L'aggiunta di un segnale elettrico al lato primario lo fa risuonare e il lato secondario ha un'uscita. In questo modo funziona come un trasformatore al momento della risonanza. La ricerca sui trasformatori piezoelettrici è iniziata prima. La potenza e la tensione di pilotaggio dei trasformatori piezoelettrici realizzati in ceramica monolitica non sono facili da aumentare. Il trasformatore piezoelettrico multistrato è prodotto con la stessa tecnologia composita multistrato della tecnologia di produzione del condensatore monolitico e la sua potenza e tensione di pilotaggio sono notevolmente migliorate, ampliando ulteriormente la gamma di applicazioni del trasformatore piezoelettrico.

 

1. Trasformatore piezoelettrico

I trasformatori piezoelettrici sono stati sviluppati a partire dagli anni '50. A quel tempo, come materiale principale veniva utilizzato il titanato di bario. Il rapporto di boost è basso (solo 50~60 volte). La tensione di uscita è di circa 3000 V. Con l'emergere di materiali ceramici piezoelettrici di piombo zirconato titanato, il rapporto di incremento è aumentato a 300 ~ 500 volte e viene gradualmente reso popolare e utilizzato in televisori, fotocopiatrici elettrostatiche e generatori di ioni negativi come alimentatori ad alta tensione.

(1) Principi fondamentali. L'energia di vibrazione elettrica immessa nella ceramica piezoelettrica viene convertita in energia di vibrazione meccanica attraverso l'effetto piezoelettrico inverso e quindi convertita in energia elettrica attraverso l'effetto piezoelettrico positivo. La conversione dell'impedenza (da bassa impedenza ad alta impedenza) viene realizzata durante queste due conversioni di energia, in modo che sia possibile ottenere un'elevata uscita piezoelettrica alla frequenza di risonanza del foglio ceramico. Prendiamo ora come esempio i trasformatori orizzontali e verticali con vibrazione di stiramento per illustrare il principio dei trasformatori.

 

L'intero chip ceramico è diviso in due parti, la parte sinistra è l'estremità di ingresso (nota anche come parte di guida), ci sono elettrodi d'argento bruciati sui lati superiore e inferiore, polarizzati lungo la direzione dello spessore, la parte destra è l'estremità di uscita (nota anche come parte di generazione di energia) e la parte destra è l'estremità di uscita (nota anche come parte di generazione di energia). Sulla superficie sono presenti elettrodi d'argento bruciati. Polarizzato lungo la sua lunghezza. Quando viene applicata una tensione alternata all'estremità di ingresso, a causa dell'effetto della tensione inversa, il pezzo di ceramica produrrà vibrazioni di stiramento lungo la direzione della lunghezza, che convertiranno l'energia elettrica in ingresso in energia meccanica; mentre la parte di generazione di energia convertirà l'energia meccanica in energia elettrica attraverso l'effetto di tensione positiva, quindi la trasferirà dall'estremità di uscita alla tensione di uscita. In assenza di carico, il rapporto di boost a circuito aperto, Qm, è il fattore di qualità meccanica del materiale; K31, K33 sono i coefficienti di accoppiamento elettromeccanico longitudinale e trasversale del materiale; L è la lunghezza della parte di generazione di energia; t è lo spessore del trasformatore. I trasformatori piezoelettrici vengono utilizzati principalmente in caso di conversione ad alta tensione, bassa potenza e onda sinusoidale e presentano vantaggi unici come alta tensione di uscita, leggerezza, dimensioni ridotte, assenza di campo magnetico di dispersione e assenza di combustione. Per ottenere uscite di tensione multiple, a seconda che la tensione di uscita del trasformatore orizzontale-verticale sia proporzionale alla lunghezza, più si avvicina alla fine della parte di generazione di energia, maggiore è la tensione e gli elettrodi possono essere posizionati in diverse posizioni della parte di generazione di energia come teste dell'albero per ottenere diverse uscite di tensione.

 

(2) Principio di funzionamento di base e caratteristiche dei trasformatori ceramici piezoelettrici monolitici (multistrato). La ceramica piezoelettrica è un materiale fragile. Per garantirne la resistenza meccanica, il trasformatore piezoelettrico deve avere un certo spessore e la tensione di pilotaggio del suddetto trasformatore è piuttosto limitata. Per questo motivo è nato il progetto del trasformatore ceramico piezoelettrico monolitico (multistrato). Dopo aver adottato la struttura monolitica (multistrato), è possibile regolare lo spessore e il numero di strati di ogni singolo strato e la tensione di pilotaggio non è più limitata, quindi la tensione può essere impostata. I trasformatori elettrici possono funzionare nello stato migliore, indipendentemente dalla tensione di pilotaggio in cui si trovano.

Le tecnologie principali di questo progetto sono sinterizzate a bassa temperatura submicron materiali ceramici piezoelettrici , tecnologia di co-combustione dell'elettrodo interno, tecnologia di trattamento di polarizzazione e progettazione strutturale. I trasformatori ceramici piezoelettrici (MPT) monolitici (multistrato) sono la terza generazione di trasformatori elettronici con le seguenti caratteristiche.

① Ultrasottile: lo spessore generalmente non supera i 4 mm.

②Elevata efficienza di conversione: oltre il 97% a pieno carico (carico resistivo).

③ Ha la funzione di autoprotezione di interruzione automatica del cortocircuito del carico.

④Trasformatore risonante: può realizzare conversioni a tensione zero e corrente zero.

⑤ Ha caratteristiche di uscita di corrente quasi costante per carichi a bassa impedenza.

⑥ Nessuna tensione di picco inversa, protezione affidabile del circuito dell'amplificatore di potenza.

⑦ Nessuna interferenza elettromagnetica.

⑧Nessuna rottura della bobina o rottura di muffe.

⑨Resistenza alla nebbia salina, buona resistenza agli agenti atmosferici, particolarmente adatta per l'uso in climi marini.

 

2. Pickup e altoparlante in ceramica piezoelettrico

I trasduttori piezoelettrici in ceramica sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature elettroacustiche, come pickup e altoparlanti in ceramica piezoelettrica.

(1) Vibratore a doppia membrana (Figura 6-16). Le apparecchiature elettroacustiche richiedono una bassa impedenza meccanica e possono adattarsi alla sorgente sonora o alla fonte di vibrazione, e il vibratore piezoelettrico a doppio diaframma può soddisfare questi requisiti. È costituito da due fogli di ceramica piezoelettrica estensibili in lunghezza. Quando un pezzo viene allungato, l'altro pezzo viene accorciato e il tutto si piega.

 

Fornisce il principio di funzionamento del vibratore a doppia membrana. Quando un pezzo di ceramica piezoelettrica con un certo spessore viene piegato sotto forza, un lato del suo spessore viene allungato e l'altro lato viene compresso. In questo momento, all'interno del pezzo di ceramica verranno generate delle cariche. , ma poiché la direzione di polarizzazione dell'intero diaframma è la stessa, il lato superiore è allungato e il lato inferiore è compresso, il che fa sì che il momento di dipolo elettrico sia opposto e i lati superiore e inferiore abbiano lo stesso segno di carica, quindi non vi è alcuna differenza di potenziale, come mostrato nella Figura 6-16 (a). Se invece viene utilizzata una struttura a doppia membrana con due lamiere sovrapposte, è possibile ottenere un'uscita di tensione quando la forza viene piegata. La Figura 6-16(b) utilizza due diaframmi con direzioni di polarizzazione opposte collegati in serie. Quando viene applicata una forza, quella superiore si allunga e quella inferiore si comprime. Poiché le direzioni di polarizzazione sono opposte, i lati superiore e inferiore del doppio diaframma vengono caricati con segni opposti ed è possibile ottenere un'uscita di tensione. La Figura 6-16(c) è formata collegando due diaframmi con la stessa direzione di polarizzazione in parallelo ed è anche possibile ottenere la tensione di uscita.

 

(2) Struttura e principio di funzionamento dell'altoparlante piezoelettrico in ceramica: l'altoparlante piezoelettrico in ceramica è un dispositivo elettroacustico semplice e leggero con elevata sensibilità, nessuna propagazione del campo magnetico, nessuna necessità di fili di rame e magneti, basso costo, basso consumo energetico, facile riparazione, facile produzione di massa, ecc.

Il suo sistema di azionamento è un doppio diaframma ceramico piezoelettrico, il sistema di vibrazione è un cono di carta e l'elemento di accoppiamento trasferisce efficacemente l'energia del sistema di azionamento al sistema di vibrazione. Durante il funzionamento, l'energia elettrica aggiunta al doppio diaframma ceramico piezoelettrico viene convertita in energia meccanica, che viene trasmessa al cono di carta attraverso l'elemento di accoppiamento per farlo vibrare e suonare. Il doppio diaframma piezoelettrico ha un'impedenza relativamente elevata, che costituisce un azionamento di tensione. La relazione tra la forza F e la tensione V è F=KV e K è il coefficiente proporzionale. Se l'impedenza meccanica della vibrazione inclusa l'impedenza di radiazione è Z, la velocità di vibrazione è: v=F/Z, è possibile ottenere la pressione sonora P al centro r del diaframma alto. |P|=10fρS/r |v| dove: f—frequenza; ρ: densità media; S: area effettiva del corpo vertebrale. Inoltre, altri convertitori di energia elettroacustica possono essere realizzati secondo l'effetto piezoelettrico della ceramica piezoelettrica, come trasmettitori, ricevitori, cicalini, ecc....