Aplikasi Penting Seramik Piezoelektrik

                           Aplikasi Penting Seramik Piezoelektrik

Seramik piezoelektrik telah digunakan secara meluas kerana piezoelektriknya dan kepelbagaian sifat elektromekanikal yang disebabkan oleh piezoelektrik. Oleh kerana pelbagai jenis peranti seramik piezoelektrik dan pelbagai aplikasinya, adalah sukar untuk mengelaskannya secara ketat menggunakan kaedah yang mudah. Aplikasi am boleh dibahagikan secara meluas kepada dua kategori: penggetar piezoelektrik dan transduser piezoelektrik.

1. Transduser

Penggunaan kesan piezoelektrik adalah berbeza-beza, dan salah satu yang paling penting ialah menggunakan ciri transdusernya s - ciri  . Ia tenaga ciri penukaran tenaga , ia  adalah  kesan elektrik yang digunakan pada seramik piezoelektrik, T ia elektrik boleh ditukar kepada tenaga mekanikal melalui kesan voltan terbalik; Kesan elektrik menukarkan tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik. Orang ramai menggunakan sifat fizikal seramik piezoelektrik ini untuk mengeluarkan pelbagai jenis peranti piezoelektrik, yang digunakan secara meluas dalam komunikasi bawah air, ultrasound, pencucuhan voltan tinggi dan bidang lain.

1, penyala seramik piezoelektrik

Ini adalah peranti yang menukarkan daya mekanikal kepada percikan api elektrik untuk menyalakan bahan mudah terbakar. Ia adalah transduser elektromekanikal. Pada tahun 1958, beliau mempelopori penggunaan kesan piezoelektrik seramik barium titanate (BaTiO3) untuk penyalaan. Kadar penyalaan ini elemen piezo rod piezo tidak tinggi, dan bunyinya besar. Pada tahun 1962, seramik piezoelektrik plumbum zirkonat titanat (PZT) digunakan untuk membuat penyala. Penyalaan jenis ini digunakan secara meluas dalam kehidupan seharian, pengeluaran perindustrian dan hal ehwal ketenteraan, dan digunakan untuk menyalakan dan meletupkan gas, pelbagai bahan letupan dan roket.

(1) Prinsip asas: Proses kerja penyala dibahagikan kepada tiga peringkat: penjanaan voltan tinggi, penyalaan nyahcas dan penyalaan gas mudah terbakar. Penjanaan voltan tinggi - Ambil elemen seramik piezoelektrik silinder sebagai contoh, apabila daya mekanikal F bertindak pada silinder, kristal akan diherotkan, menyebabkan pusat cas positif dan negatif dalam kristal beralih, supaya sejumlah besar cas percuma akan muncul pada permukaan atas dan bawah silinder terkumpul, ia menghasilkan output voltan tinggi. Voltan keluaran ialah: V=ga3Fh/A, di mana A——luas keratan rentas silinder; h——tinggi silinder; ga3——pemalar voltan piezoelektrik. Pencucuhan nyahcas - letakkan elemen seramik piezoelektrik dalam litar tertutup dan biarkan jurang yang betul. Apabila voltan meningkat kepada voltan nyahcas jurang, percikan nyahcas akan terhasil dalam jurang. Pencucuhan gas mudah terbakar - gas bahan api am tidak mudah dibakar, jadi etana yang mudah digas kebanyakannya digunakan. Untuk memanjangkan masa nyahcas dan mengelakkan percikan daripada dipadamkan terlalu cepat, untuk meningkatkan kadar pencucuhan. Perintang yang sesuai boleh disambung secara bersiri pada hujung nyahcas.

 

(2) Struktur dan prinsip kerja penyala , di sini terdapat pelbagai jenis penyala, dan penyala piezoelektrik isi rumah diambil sebagai contoh untuk menggambarkan struktur dan prinsip kerjanya. Ia boleh dipasang pada periuk isi rumah untuk menyalakan gas, menghidupkan suis sesondol, ia  menggunakan bahagian sesondol yang menonjol untuk menolak blok impak, dan mampatkan spring di belakang blok impak. Apabila bahagian sesondol yang terkeluar terlepas dari blok hentaman, disebabkan oleh daya keanjalan spring, blok hentaman memberikan elemen piezoelektrik  piezo seramik .daya hentaman, yang menjana voltan tinggi pada kedua-dua hujung elemen piezoelektrik, dan mengeluarkan voltan tinggi daripada elektrod tengah untuk menghasilkan percikan elektrik untuk menyalakan gas.

 

2. Transduser akustik bawah air

Transduser akustik bawah air ialah peranti transduser yang digunakan untuk komunikasi dan pengesanan bawah air. Orang ramai tahu bahawa komunikasi dan pengesanan udara terutamanya bergantung pada gelombang elektromagnet, seperti komunikasi radio dan peralatan radar, dsb., semuanya bergantung pada gelombang elektromagnet untuk menghantar maklumat di udara. Tidak mungkin menggunakan gelombang elektromagnet untuk komunikasi dan pengesanan bawah air. Ini kerana gelombang elektromagnet mempunyai kehilangan perambatan yang besar dalam air, dan ia akan diserap oleh seseorang yang tidak melakukan perjalanan jauh. Walau bagaimanapun, kehilangan perambatan gelombang bunyi dalam air adalah sangat kecil, jadi komunikasi dan pengesanan bawah air terutamanya menggunakan Gelombang bunyi digunakan untuk menghantar maklumat, dan instrumen yang menjana dan mengesan gelombang bunyi dipanggil sistem sonar. Sistem sonar adalah alat yang sangat diperlukan untuk navigasi bawah air, komunikasi, pengesanan kapal selam dan sekolah ikan, dan penyelidikan marin. Orang ramai membandingkan sonar di dalam air dengan radar di udara, dan mata dan telinga sistem sonar adalah transduser akustik bawah air. Penyelidikan mengenai transduser akustik bawah air bermula pada Perang Dunia I. Langevin Perancis pertama kali menggunakan kristal kuarza untuk membuat transduser akustik bawah air berdasarkan kesan piezoelektrik. Walaupun transduser akustik bawah air yang dicipta oleh Lang Zhiwan terhad oleh keadaan teknikal pada masa itu dan sebenarnya tidak digunakan pada kapal selam laut dalam, ia memberi sumbangan besar kepada pembangunan sains akustik bawah air pada masa hadapan. Transduser Langevin menggunakan kesan voltan terbalik kristal kuarza untuk memancarkan gelombang bunyi ke dalam air, tiub seramik piezo menerima gelombang bunyi yang dikembalikan dari air melalui kesan voltan positif, dan melakukan beberapa pengukuran dalam air mengikut masa salingan gelombang bunyi nadi.

Orang ramai telah menjalankan penyelidikan yang mendalam dan sistematik mengenai transduser akustik bawah air piezoelektrik untuk menjadikannya praktikal. Walau bagaimanapun, bahan piezoelektrik utama yang digunakan pada masa itu ialah kristal piezoelektrik larut air - garam Roche dan kalium dioksifosfat. Pada akhir 1950-an, seramik piezoelektrik muncul. Membuat transduser akustik bawah air dengan seramik piezoelektrik hampir menjadi bahan piezoelektrik utama yang dipilih oleh orang ramai. Kerana ia mempunyai banyak ciri yang tidak dimiliki oleh kristal piezoelektrik pada masa lalu, ia telah menjadi bahan piezoelektrik yang paling ideal untuk membuat transduser akustik bawah air, dan tidak ada bahan lain yang dapat menandinginya. Kelebihan utama transduser akustik bawah air seramik piezoelektrik ialah:

(1) Tidak memerlukan voltan dan gegelung pincang DC, sistem getaran adalah mudah;

(2) Transduser seramik piezoelektrik bersaiz kecil dan mempunyai ciri-ciri yang sangat baik;

(3) Transduser seramik piezoelektrik boleh dibuat kepada sebarang bentuk seperti yang diperlukan.

Transduser piezoelektrik adalah jenis transduser yang paling banyak digunakan dalam bidang teknologi akustik bawah air. Penunjuk prestasi transduser akustik bawah air hanya perlu mempunyai frekuensi operasi, pekali gandingan elektromekanikal, pekali penukaran elektromekanikal, faktor kualiti, ciri frekuensi, ciri galangan, ciri arah, ciri amplitud, kepekaan penghantaran, kepekaan penerimaan, kuasa pemancar, sifat kestabilan suhu dan masa, kekuatan mekanikal dan berat dan lain-lain. Walau bagaimanapun, untuk meletakkan ke hadapan adalah keperluan transduser yang tidak praktikal, dan lain-lain. majlis itu, tetapi untuk mengemukakan keperluan indeks yang berbeza dan mewakili mengikut penggunaan dan penggunaannya.

Kedua, penggetar piezoelektrik

Selepas kemunculan PZT piezoelektrik seramik , ia adalah mungkin untuk membuat penapis seramik. Penapis seramik dengan frekuensi yang berbeza boleh dibuat dengan menggunakan mod getaran penggetar piezoelektrik yang berbeza. Mod getaran terawal digunakan ialah getaran jejari atau getaran kontur, menjadikan penapis 455kHz. Kemudian, kekerapan penapis seramik dibangunkan ke kedua-dua hujung, dengan hujung tinggi mencapai 10MHz dan hujung rendah mencapai di bawah 1kHz. Disebabkan penggunaan mod perangkap tenaga, kekerapan penapis seramik adalah setinggi 100MHz, penapis gelombang akustik permukaan yang teruja oleh transduser interdigital telah mencapai melebihi 1GHz, dan kekerapan tertinggi penapis gelombang akustik permukaan menggunakan seramik piezoelektrik kerana substrat telah Sehingga 630MHz.

Transformer piezoelektrik juga merupakan penggetar dari segi penggunaannya, dan struktur asasnya adalah untuk menetapkan dua set elektrod pada badan seramik piezoelektrik untuk membentuk empat terminal. Menambah isyarat elektrik ke bahagian utama menjadikannya bergema, dan bahagian kedua mempunyai output. Dengan cara ini, ia berfungsi sebagai pengubah pada masa resonans. Penyelidikan mengenai transformer piezoelektrik bermula lebih awal. Kuasa dan voltan pemacu pengubah piezoelektrik yang diperbuat daripada seramik monolitik tidak mudah meningkat. Transformer piezoelektrik berbilang lapisan dihasilkan dengan teknologi komposit berbilang lapisan yang sama seperti teknologi pembuatan kapasitor monolitik, dan kuasa serta voltan pemanduannya dipertingkatkan dengan banyak, yang memperluaskan lagi julat aplikasi pengubah piezoelektrik.

 

1. Pengubah Piezoelektrik

Transformer piezoelektrik telah dibangunkan sejak tahun 1950-an. Pada masa itu, barium titanate digunakan sebagai bahan utama. Nisbah rangsangan adalah rendah (hanya 50~60 kali). Voltan keluaran adalah kira-kira 3000V. Dengan kemunculan bahan seramik piezoelektrik titanat zirkonat plumbum, nisbah langkah meningkat kepada 300~500 kali, dan ia secara beransur-ansur dipopularkan dan digunakan dalam televisyen, mesin penyalin elektrostatik, dan penjana ion negatif sebagai bekalan kuasa voltan tinggi.

(1) Prinsip asas. Input tenaga getaran elektrik kepada seramik piezoelektrik ditukar kepada tenaga getaran mekanikal melalui kesan piezoelektrik songsang, dan kemudian ditukar kepada tenaga elektrik melalui kesan piezoelektrik positif. Penukaran impedans (dari impedans rendah kepada impedans tinggi) direalisasikan semasa kedua-dua penukaran tenaga ini, supaya output piezoelektrik yang tinggi boleh diperolehi pada frekuensi resonans kepingan seramik. Sekarang ambil transformer mendatar dan menegak dengan getaran regangan sebagai contoh untuk menggambarkan prinsip transformer.

 

Seluruh cip seramik dibahagikan kepada dua bahagian, bahagian kiri adalah hujung input (juga dikenali sebagai bahagian pemacu), terdapat elektrod perak terbakar di bahagian atas dan bawah, terpolarisasi di sepanjang arah ketebalan, bahagian kanan adalah hujung keluaran (juga dikenali sebagai bahagian penjanaan kuasa), dan bahagian kanan ialah hujung keluaran (juga dikenali sebagai bahagian penjanaan kuasa). Terdapat elektrod perak terbakar di permukaan. Terpolarisasi sepanjang panjangnya. Apabila voltan berselang-seli digunakan pada hujung input, disebabkan oleh kesan voltan terbalik, sekeping seramik akan menghasilkan getaran regangan sepanjang arah panjang, yang akan menukar tenaga elektrik input kepada tenaga mekanikal; manakala bahagian penjanaan kuasa akan menukar tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik melalui kesan voltan positif, dan kemudian memindahkannya dari hujung keluaran Voltan keluaran. Apabila tiada beban, nisbah rangsangan litar terbuka, Qm ialah faktor kualiti mekanikal bahan; K31, K33 ialah pekali gandingan elektromekanikal membujur dan melintang bahan; L ialah panjang bahagian penjanaan kuasa; t ialah ketebalan pengubah. Transformer piezoelektrik digunakan terutamanya dalam kes voltan tinggi, kuasa rendah dan penukaran gelombang sinus, dan mempunyai kelebihan unik seperti voltan keluaran tinggi, ringan, saiz kecil, tiada medan magnet kebocoran, dan tiada pembakaran. Untuk mendapatkan output voltan berganda, mengikut voltan keluaran pengubah mendatar-menegak adalah berkadar dengan panjang, semakin dekat dengan penghujung bahagian penjanaan kuasa, semakin tinggi voltan, dan elektrod boleh dibuat pada kedudukan yang berbeza bahagian penjanaan kuasa sebagai kepala aci untuk mendapatkan output voltan yang berbeza .

 

(2) Prinsip kerja asas dan ciri-ciri transformer seramik piezoelektrik monolitik (berbilang lapisan). Seramik piezoelektrik adalah bahan rapuh. Untuk memastikan kekuatan mekanikalnya, pengubah piezoelektrik mesti mempunyai ketebalan tertentu, dan voltan pemacu pengubah yang disebutkan di atas adalah agak terhad. Atas sebab ini, projek pengubah seramik piezoelektrik monolitik (berbilang lapisan) telah wujud. Selepas mengguna pakai struktur monolitik (berbilang lapisan), ketebalan dan bilangan lapisan setiap lapisan tunggal boleh diselaraskan, dan voltan pemacu tidak lagi terhad, jadi voltan boleh dibuat Transformer elektrik boleh berfungsi dalam keadaan terbaik tidak kira apa voltan memandu mereka berada.

Teknologi teras projek ini adalah submikron disinter suhu rendah bahan seramik piezoelektrik , teknologi pembakaran bersama elektrod dalaman, teknologi rawatan polarisasi dan reka bentuk struktur. Transformer seramik piezoelektrik monolitik (pelbagai lapisan) (MPT) ialah pengubah elektronik generasi ketiga dengan ciri-ciri berikut.

① Ultra-nipis: ketebalan biasanya tidak melebihi 4mm.

②Kecekapan penukaran yang tinggi: lebih 97% pada beban penuh (beban rintangan).

③ Ia mempunyai ciri perlindungan diri bagi pemotongan automatik litar pintas beban.

④Pengubah resonan: Ia boleh merealisasikan voltan sifar dan penukaran arus sifar.

⑤ Ia mempunyai ciri keluaran arus separa pemalar untuk beban impedans rendah.

⑥ Tiada voltan puncak terbalik, perlindungan litar penguat kuasa yang boleh dipercayai.

⑦ Tiada gangguan elektromagnet.

⑧Tiada kerosakan gegelung, pecah cendawan.

⑨Ketahanan semburan garam, rintangan cuaca yang baik, terutamanya sesuai untuk digunakan dalam iklim marin.

 

2. Piezoelektrik seramik pikap dan pembesar suara

Transduser seramik piezoelektrik digunakan secara meluas dalam peralatan elektroakustik, seperti pikap dan pembesar suara seramik piezoelektrik.

(1) Penggetar dwi-diafragma (Rajah 6-16). Peralatan elektroakustik memerlukan impedans mekanikal yang rendah dan boleh memadankan sumber bunyi atau sumber getaran, dan penggetar piezoelektrik dwi-diafragma boleh memenuhi keperluan ini. Ia diperbuat daripada dua kepingan seramik piezoelektrik yang boleh diregangkan panjangnya. Apabila satu bahagian diregangkan, bahagian yang lain dipendekkan, dan keseluruhannya bengkok.

 

Ia memberikan prinsip kerja penggetar dwi-diafragma. Apabila sekeping seramik piezoelektrik dengan ketebalan tertentu dibengkokkan di bawah daya, satu sisi ketebalannya memanjang, dan bahagian lain dimampatkan. Pada masa ini, caj akan dijana di dalam kepingan seramik. , tetapi kerana arah polarisasi keseluruhan diafragma adalah sama, bahagian atas adalah memanjang, dan bahagian bawah dimampatkan, yang menyebabkan momen dipol elektrik bertentangan, dan bahagian atas dan bawah mempunyai tanda cas yang sama, jadi tidak ada perbezaan potensi, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6-16 (a ) yang ditunjukkan. Jika struktur dwi-diafragma dengan dua helaian bertindih digunakan sebaliknya, keluaran voltan boleh diperoleh apabila daya dibengkokkan. Rajah 6-16(b) menggunakan dua diafragma dengan arah polarisasi bertentangan disambung secara bersiri. Apabila daya dikenakan, bahagian atas meregang dan yang lebih rendah memampat. Oleh kerana arah polarisasi adalah bertentangan, bahagian atas dan bawah diafragma berganda dicas dengan tanda yang bertentangan, dan output voltan boleh diperolehi. Rajah 6-16(c) dibentuk dengan menyambungkan dua diafragma dengan arah polarisasi yang sama secara selari, dan voltan keluaran juga boleh diperolehi.

 

(2) Struktur pembesar suara seramik piezoelektrik dan prinsip kerja: Pembesar suara seramik piezoelektrik ialah peranti elektro-akustik yang ringkas dan ringan dengan kepekaan tinggi, tiada limpahan medan magnet, tidak memerlukan wayar tembaga dan magnet, kos rendah, penggunaan kuasa yang rendah, Pembaikan mudah, pengeluaran besar-besaran yang mudah, dll.

Sistem pemacunya ialah diafragma berganda seramik piezoelektrik, sistem getaran ialah kon kertas, dan elemen gandingan secara berkesan memindahkan tenaga sistem pemacu ke sistem getaran. Apabila bekerja, tenaga elektrik yang ditambahkan pada diafragma berganda seramik piezoelektrik ditukar kepada tenaga mekanikal, yang dihantar ke kon kertas melalui elemen gandingan untuk menjadikannya bergetar dan berbunyi. Diafragma dwi piezoelektrik mempunyai impedans yang agak tinggi, yang membentuk pemacu voltan. Hubungan antara daya F dan voltan V ialah F=KV, dan K ialah pekali berkadar. Jika galangan mekanikal getaran termasuk galangan sinaran ialah Z, kelajuan getaran ialah : v=F/Z, tekanan bunyi P di pusat r diafragma tinggi boleh diperolehi. |P|=10fρS/r |v| di mana: f—frekuensi; ρ—ketumpatan sederhana; S—kawasan berkesan badan vertebra. Di samping itu, penukar tenaga elektro-akustik lain boleh dibuat mengikut kesan piezoelektrik seramik piezoelektrik, seperti pemancar, penerima, buzzer, dll....