Toepassing van piëzo-elektrische keramische transducer

Piëzo-elektrische keramiek wordt op grote schaal gebruikt vanwege hun piëzo-elektriciteit en de daaruit voortvloeiende diversiteit aan elektromechanische eigenschappen. Deze toepassingen kunnen over het algemeen in twee brede categorieën worden verdeeld, namelijk als piëzo-elektrische vibrators. Wanneer het wordt gebruikt als piëzo-elektrische vibrator, moet het piëzo-elektrische keramische materiaal een goede frequentie-temperatuurstabiliteit en een hoge mechanische kwaliteitsfactor Q hebben (Q geeft de mate van intern energieverbruik van het materiaal tijdens trillingsconversie aan); het is vereist om als transducer te worden gebruikt. Door de hoge mechanische koppelingsfactor K (mechanische omzetting naar elektrische energie / mechanische invoerenergie, elektrische energie naar mechanische energie / elektrische invoerenergie) en de grote relatieve diëlektrische constante, wordt de toepassing van piëzo-elektrische keramiek hieronder gegeven.

I. Overzicht
Piëzo-elektrisch keramiek is een polykristallijne film met piëzo-elektrisch effect, en het productieproces is vernoemd naar het vergelijkbare productieproces (verpulvering van grondstoffen, gieten, sinteren bij hoge temperatuur). Sommige anisotrope kristallen ondergaan vervorming onder mechanische kracht, waardoor de opladende deeltjes relatief worden verplaatst, wat resulteert in de positieve en negatieve gebonden ladingen op het oppervlak van het kristal. Dit fenomeen wordt piëzo-elektrisch effect genoemd. Deze eigenschap van het kristal wordt piëzo-elektriciteit genoemd. Keramiek met piëzo-elektriciteit werd in 1880 ontdekt door de broers J. Curie en P. Curie. Een paar maanden later hebben ze experimenteel het omgekeerde piëzo-elektrische effect geverifieerd, dat wil zeggen dat wanneer er spanning wordt aangelegd op het piëzokristal, het piëzokristal geometrische vervorming zal ondergaan. Vóór 1940 waren er slechts twee soorten ferroelektrische materialen bekend (niet alleen spontaan gepolariseerd in een bepaald temperatuurbereik, maar ook de spontane polarisatie van de kristallen die kunnen worden geheroriënteerd vanwege de externe veldsterkte): de ene is kaliumdiwaterstoffosfaat en het equivalent daarvan. De eerste heeft piëzo-elektriciteit bij normale temperatuur en heeft technische gebruikswaarde, maar heeft het nadeel dat hij gemakkelijk oplosbaar is; de laatste heeft piëzo-elektrische keramiek bij lage temperatuur (minder dan -14 C), en de technische gebruikswaarde is niet groot. Bariumtitanaat (BaTiO) bleek een abnormaal hoge diëlektrische constante te hebben. Het bleek al snel piëzo-elektrisch te zijn, en de ontdekking van BaTi O piëzo-elektrische keramiek was een grote sprong voorwaarts voor de piëzo-elektrische materialen. Vroeger was er alleen een piëzo-elektrisch kristalmateriaal, en daarna verscheen er een piëzo-elektrisch polykristallijn materiaal, piëzo-elektrisch keramiek, dat op grote schaal werd gebruikt. In 1947 gebruikten de Verenigde Staten BaTiO-keramiek om pickups voor grammofoons te maken. Japan gebruikte het twee jaar. BaTiO materiaal heeft als nadeel dat de piëzo-elektriciteit zwakker is dan het rustende zout en de piëzo-elektriciteit groter is dan het kwartskristal bij temperatuur. In 1954 ontdekten B. Jaffe en anderen het piëzo-elektrische PbZrO-PbTiO (PZT) vaste oplossingssysteem, een baanbrekende gebeurtenis die het onmogelijk maakte om apparaten in de BaTiO te fabriceren. Sindsdien is PZT transparant piëzo-elektrisch keramiek ontwikkeld om de toepassing van piëzo-elektrisch keramiek uit te breiden naar het gebied van de optica. Tot nu toe is de toepassing van piëzo-elektrische keramiek, van de ontwikkeling van het universum tot het leven van het gezin, buitengewoon uitgebreid. Het Chinese onderzoek naar piëzo-elektrische keramiek begon eind jaren vijftig, ongeveer tien jaar later dan in het buitenland. Momenteel zijn er vrij sterke krachten in de proefproductie en industriële productie van piëzo-elektrische keramiek. Veel materialen hebben het internationale niveau bereikt of dichtbij.

Het fysieke mechanisme van piëzokeramische piëzo-elektriciteit
Piëzo-elektrische keramiek is polykristallen waarvan de piëzo-elektriciteit piëzoschijfsensor kan worden verklaard door de piëzo-elektriciteit van het piëzokristal. Onder invloed van mechanische kracht verandert het totale elektrische dipoolmoment (polarisatie), wat resulteert in een piëzo-elektrisch fenomeen. Piëzo-elektriciteit hangt nauw samen met polarisatie, vervorming en dergelijke.

Microscopisch polarisatiemechanisme

De polarisatietoestand is een toestand waarin het elektrische veld een relatieve verplaatsingskracht uitoefent op het geladen punt van het diëlektricum en een tijdelijk evenwicht van wederzijdse aantrekking tussen de ladingen. Er zijn drie belangrijke polarisatiemechanismen.

(1) Elektronenverplaatsingspolarisatie - Het atoom of ion van een diëlektricum valt niet samen met het negatieve ladingscentrum van een positief geladen kern en een schilelektron onder invloed van een elektrische veldkracht.

(2) Ionenverplaatsingspolarisatie - de positieve en negatieve ionen van het diëlektricum worden relatief verplaatst onder de werking van een elektrische veldkracht, waardoor een elektrisch dipoolmoment wordt gegenereerd.

(3) Oriëntatiepolarisatie – de polaire moleculen waaruit het diëlektricum bestaat, hebben een bepaald intrinsiek (inherent) elektrisch moment. Als gevolg van thermische beweging is de oriëntatie verstoord, het totale elektrische moment is nul. Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, is er sprake van een elektrisch dipoolmoment. De richting van het elektrische veld wordt uitgelijnd en er verschijnt een macroscopisch elektrisch dipoolmoment. Voor anisotrope kristallen houdt de polarisatie verband met de aanwezigheid van een elektrisch veld.

2. Piëzo-elektrisch effect

(1) Positief piëzo-elektrisch effect
Wanneer het piëzo-elektrische kristal wordt vervormd door een externe kracht, worden de positieve en negatieve ladingscentra relatief verplaatst en worden de tegengestelde ladingen gegenereerd op sommige overeenkomstige vlakken, en treedt de polarisatie-intensiteit op. Dit fenomeen van geen elektrisch veld en polarisatie door vervorming wordt een positief piëzo-elektrisch effect genoemd.

Voor anisotrope kristallen wordt spanning op het kristal uitgeoefend; (overeenkomstige spanning), zal het kristal een proportionele polarisatie hebben in de drie richtingen van X, Y en Z, die respectievelijk piëzo-elektrische spanningsconstante en piëzo-elektrische spanningsconstante worden genoemd.

(2) Invers piëzo-elektrisch effect
Wanneer een elektrisch veld op het kristal wordt aangelegd, wordt niet alleen polarisatie maar ook vervorming gegenereerd, en dit fenomeen van vervorming door het elektrische veld wordt een omgekeerd piëzo-elektrisch effect genoemd. Dit komt omdat wanneer het kristal wordt blootgesteld aan een elektrisch veld, er spanning (piëzo-elektrische spanning) wordt gegenereerd in het kristal, en er wordt piëzo-elektrische spanning gegenereerd door spanning.

3. Mechanisme van drukeffect
Het piëzo-elektrisch effect werd voor het eerst ontdekt op piëzokristallen. Nu gebruiken we piëzokristallen als model om het fysieke mechanisme van het piëzo-elektrische effect te illustreren.
Als er geen druk wordt uitgeoefend, worden de positieve en negatieve ladingscentra van het kristal verdeeld. Op dit moment vallen de positieve en negatieve ladingscentra samen en is het totale elektrische moment van het kristal gelijk aan nul, en is het kristaloppervlak niet geladen (niet piëzo-elektrisch).

Toepassing van piëzo-elektrische keramiek

Piëzo-elektrische keramische ontsteker
Dit is een apparaat dat mechanische kracht omzet in een elektrische vonk om de verbranding te ontsteken, en is een elektromechanische transducer. In 1958 werd het piëzo-elektrische effect van bariumtitanaat (BaTiO) keramiek gebruikt voor ontsteking. PZT-materiaal heeft echter een lage ontstekingssnelheid en een hoog geluidsniveau. In 1962 werden proeven met piëzo-elektrische keramiek van loodzirkonaattitanaat (PZT) gebruikt om ontstekers te maken. Ontstekers worden veel gebruikt in het dagelijks leven, de industriële productie en militaire toepassingen om gas en verschillende soorten explosieven en raketten te ontsteken.

(1) Basisprincipes

Hoogspanningsopwekking - Als we als voorbeeld een cilindrische piëzo-elektrische keramische component nemen: wanneer de mechanische kracht F op de cilinder inwerkt, wordt het piëzokristal vervormd, waardoor het centrum van de positieve en negatieve ladingen in het kristal verschuift, zodat een grote hoeveelheid lading zich ophoopt op de bovenste en onderste oppervlakken van de cilinder en een 

(2) hoogspanningsuitgang.

(3) ontstekingsstructuur en werkingsprincipe

2. Piëzo-elektrische transformator
Sinds de jaren vijftig zijn er piëzo-elektrische transformatoren ontwikkeld. Destijds werd bariumtitanaat als hoofdmateriaal gebruikt. De boost is relatief laag (slechts 50-60 keer). De uitgangsspanning bedraagt ​​ongeveer 3000 volt. Met de komst van piëzo-elektrische keramische materialen van loodzirkonaat-titanaat is de boost-ratio verhoogd tot 300-500 keer, en deze is geleidelijk toegepast op televisies, elektrostatische kopieerapparaten en negatieve ionengeneratoren als hoogspanningsvoedingen.

(1) Basisprincipes
De elektrische trillingsenergie die wordt ingevoerd in de piëzo-elektrische keramische plaat wordt omgezet in mechanische trillingsenergie door het omgekeerde piëzo-elektrische effect, en vervolgens omgezet in elektrische energie door het positieve piëzo-elektrische effect. Impedantieconversie (van lage impedantie naar hoge impedantie) wordt bereikt in deze twee energieconversies om een ​​hoge uitgangsspanning te bereiken bij de resonantiefrequentie van de piëzo-keramische chip. Het transformatieprincipe wordt uitgelegd door als voorbeeld een horizontale en verticale transformator van rektrilling te nemen.

Het hele piëzo-keramische stuk is verdeeld in twee delen, het linkerdeel is het invoeruiteinde (ook wel het aandrijfgedeelte genoemd), de boven- en onderkant hebben de geïnfiltreerde zilverelektrode, die gepolariseerd is in de dikterichting, en het rechtergedeelte is het uitgangsuiteinde (ook wel het stroomopwekkende deel genoemd) en het rechteruiteinde. Er is een zilveren elektrode die op het oppervlak is geïnfiltreerd. Gepolariseerd over de lengte. Wanneer de ingangsterminal wordt aangelegd met een wisselspanning, genereert de piëzo-keramische plaat, als gevolg van het omgekeerde piëzo-elektrische effect, rektrilling in de lengterichting, waardoor de ingevoerde elektrische energie wordt omgezet in mechanische energie; en het stroomgenererende gedeelte zet de mechanische energie om in elektrische energie via het positieve piëzo-elektrische effect. Waar de mechanische kwaliteitsfactor van het materiaal; - de longitudinale en transversale elektromechanische koppelingscoëfficiënten van het materiaal; de lengte van het L-stroomgenererende gedeelte; T - de dikte van de transformator.

(2) Toepassing van piëzo-elektrische transformator
Piëzo-elektrische transformatoren worden voornamelijk gebruikt in het geval van hoogspanning, laag vermogen en sinusgolfconversie, en hebben de unieke voordelen van hoge uitgangsspanning, laag gewicht, klein volume, geen lekmagnetisch veld, geen verbranding. Om meerdere spanningsuitgangen te verkrijgen, is de uitgangsspanning van de horizontaal-verticale transformator evenredig met de lengte. Hoe dichter bij het einde van het energieopwekkingsgedeelte, hoe hoger de spanning, we kunnen elektroden maken als aftakkingen op verschillende posities van het energieopwekkingsgedeelte, waardoor de verschillende spanningsuitgangen worden verkregen. .

4. Piëzo-elektrische keramische pickups en luidsprekers

(1) Triller van het dubbelmembraantype

Het werkingsprincipe van de dubbelmembraanvibrator wordt gegeven. Wanneer een piëzo-elektrisch keramiek met een bepaalde dikte onder de kracht wordt gebogen, wordt het aan de ene kant van de dikte langwerpig en aan de andere kant samengedrukt, en wordt er een lading gegenereerd in de piëzo-keramische plaat. Omdat het gehele diafragma echter dezelfde polarisatierichting heeft, is de bovenkant langwerpig en de onderkant gecomprimeerd, zodat het elektrische dipoolmoment tegengesteld is en de ladingssymbolen aan de boven- en onderkant hetzelfde zijn, dus er is geen potentiaalverschil, zoals het overschakelen naar twee overlappende dubbele membraanstructuren, wanneer het wordt onderworpen aan krachtbuigen, kan de uitgangsspanning worden verkregen. Twee stukken diafragma met tegengestelde polarisatierichtingen zijn in serie verbonden, en wanneer de kracht wordt uitgeoefend, wordt het bovenste stuk langwerpig en het onderste stuk samengedrukt. Omdat de polarisatierichtingen tegengesteld zijn, worden de boven- en onderkant van het dubbele diafragma tegengesteld geladen met een teken, en kan een uitgangsspanning worden verkregen. De twee membranen met dezelfde polarisatierichting zijn parallel geschakeld om een ​​uitgangsspanning te vormen.

(2) Piëzo-elektrische keramische pickupstructuur en werkingsprincipe

(3) Piëzo-elektrische keramische luidsprekerstructuur en werkingsprincipe
Piëzo-elektrische keramische luidspreker is een eenvoudig en lichtgewicht elektro-akoestisch apparaat, dat de voordelen heeft van hoge gevoeligheid, geen verstrooiing van magnetische velden, geen koperdraad en magneet, lage kosten, laag stroomverbruik, gemakkelijke reparatie en massaproductie.

Het aandrijfsysteem is een PZT-materiaal piëzo-elektrische elementen dubbel diafragma, het trillingssysteem is een papieren kegel en de koppelingscomponent brengt de energie van het aandrijfsysteem efficiënt over naar het trillingssysteem. Tijdens bedrijf wordt de elektrische energie die op het piëzo-elektrische keramische dubbele diafragma wordt toegepast, omgezet in mechanische energie, die via het koppelelement naar de papieren conus wordt overgebracht om te trillen en geluid te maken. Het piëzo-elektrische dubbele membraan heeft een hogere impedantie en vormt een spanningsaandrijving. De relatie tussen de kracht F en de spanning V is F=KV, K is een proportionele coëfficiënt, en de mechanische trillingsimpedantie inclusief de stralingsimpedantie is Z, en de trillingssnelheid is
V=F/Z.
De geluidsdruk P in het midden r van de hoge trillingsfilm kan worden verkregen.

Bovendien kunnen andere elektro-akoestische energieomzetters, zoals een zender, een ontvanger, een zoemer, enz. worden gemaakt volgens het piëzo-elektrische effect van het piëzo-elektrische keramiek.

(4) Piëzo-elektrische keramische ventilatoren en relais
Van het piëzo-elektrische keramiek kan een kleine piëzo-elektrische keramische ventilator worden gemaakt, die de voordelen heeft van een klein volume: er is geen warmteontwikkeling, geen brom, een laag stroomverbruik en een lange levensduur. Het is een piëzo-elektrische keramische buigvervormer, die is samengesteld uit twee piëzo-elektrische keramische platen ingeklemd door een metaalfolie, en de piëzo-keramische plaat genereert een telescopische beweging onder invloed van een extern elektrisch veld. Als twee piëzo-keramische platen met een sperspanning worden aangebracht, wordt de andere kant samengetrokken om uit te rekken en wordt de metalen plaat gebogen en vervormd. Als er wisselspanning wordt aangelegd, zal de metalen plaat periodiek trillen.