Belangrijke toepassingen van piëzo-elektrische keramiek

                           Belangrijke toepassingen van piëzo-elektrische keramiek

Piëzo-elektrische keramiek wordt op grote schaal gebruikt vanwege hun piëzo-elektriciteit en de diversiteit aan elektromechanische eigenschappen veroorzaakt door piëzo-elektriciteit. Vanwege de grote verscheidenheid aan piëzo-elektrische keramische apparaten en hun brede scala aan toepassingen, is het moeilijk om ze strikt te classificeren met behulp van een eenvoudige methode. Algemene toepassingen kunnen grofweg in twee categorieën worden verdeeld: piëzo-elektrische vibrators en piëzo-elektrische transducers.

1. Omvormer

De toepassing van het piëzo-elektrische effect is gevarieerd, en een van de belangrijkste is het gebruik van de s transducerkarakteristieken  . Het is een energieconversiekarakteristiek , het  is  het effect van elektriciteit dat wordt toegepast op het piëzo-elektrische keramiek. De elektrische energie kan worden omgezet in mechanische energie door het omgekeerde spanningseffect; Het elektrische effect zet mechanische energie om in elektrische energie. Mensen maken gebruik van deze fysieke eigenschap van piëzo-elektrische keramiek om vele soorten piëzo-elektrische apparaten te vervaardigen, die op grote schaal worden gebruikt in onderwatercommunicatie, echografie, hoogspanningsontsteking en andere velden.

1, piëzo-elektrische keramische ontsteker

Dit is een apparaat dat mechanische kracht omzet in elektrische vonken om brandbare stoffen te ontsteken. Het is een elektromechanische transducer. In 1958 was hij een pionier in het gebruik van het piëzo-elektrische effect van bariumtitanaat (BaTiO3) keramiek voor ontsteking. De ontstekingssnelheid hiervan piëzo-element piëzo-staaf is niet hoog en het geluid is groot. In 1962 werd piëzo-elektrisch keramiek van loodzirkonaattitanaat (PZT) gebruikt om ontstekers te maken. Dit soort ontsteker wordt veel gebruikt in het dagelijks leven, de industriële productie en militaire aangelegenheden, en wordt gebruikt voor het ontsteken en laten ontploffen van gassen, verschillende explosieven en raketten.

(1) Basisprincipe: het werkproces van de ontsteker is verdeeld in drie fasen: hoogspanningsopwekking, ontladingsontsteking en ontsteking van brandbaar gas. Opwekking van hoge spanning - Neem als voorbeeld cilindrische piëzo-elektrische keramische elementen. Wanneer de mechanische kracht F op de cilinder inwerkt, zal het kristal worden vervormd, waardoor het centrum van positieve en negatieve ladingen in het kristal zal verschuiven, zodat een grote hoeveelheid vrije ladingen zullen verschijnen op de bovenste en onderste oppervlakken van de cilinder, waardoor een hoge spanning ontstaat. De uitgangsspanning is: V=ga3Fh/A, waarbij A——de dwarsdoorsnede van de cilinder; h—— de hoogte van de cilinder; ga3——de piëzo-elektrische spanningsconstante. Ontladingsontsteking - plaats het piëzo-elektrische keramische element in een gesloten circuit en laat voldoende ruimte vrij. Wanneer de spanning stijgt tot de ontladingsspanning van de opening, wordt er een ontladingsvonk gegenereerd in de opening. Ontsteking van brandbaar gas - algemeen brandstofgas is niet gemakkelijk te verbranden, daarom wordt meestal ethaan gebruikt dat gemakkelijk te vergassen is. Om de ontladingstijd te verlengen en te voorkomen dat de vonk te snel dooft, moet de ontstekingssnelheid worden verhoogd. Aan het ontladingseinde kan een geschikte weerstand in serie worden geschakeld.

 

(2) De structuur en het werkingsprincipe van de ontsteker . Er zijn vele soorten ontstekers, en de huishoudelijke piëzo-elektrische ontsteker wordt als voorbeeld genomen om de structuur en het werkingsprincipe ervan te illustreren. Het kan op het huishoudelijke fornuis worden bevestigd om het gas aan te steken, de nokkenschakelaar te draaien, het uitstekende deel van de nok te  gebruiken om het impactblok te duwen en de veer achter het impactblok samen te drukken. Wanneer het uitstekende deel van de nok loskomt van het impactblok, als gevolg van de elastische kracht van de veer, geeft het impactblok het  piëzo- keramische .piëzo-elektrische element een impactkracht, die hoge spanning genereert aan beide uiteinden van het piëzo-elektrische element, en hoge spanning afgeeft vanaf de middenelektrode om een ​​elektrische vonk te genereren om het gas te ontsteken.

 

2. Akoestische transducer onder water

Een akoestische onderwatertransducer is een transducerapparaat dat wordt gebruikt voor onderwatercommunicatie en detectie. Mensen weten dat luchtcommunicatie en detectie voornamelijk afhankelijk zijn van elektromagnetische golven, zoals radiocommunicatie- en radarapparatuur, enz., die allemaal afhankelijk zijn van elektromagnetische golven om informatie in de lucht te verzenden. Het is niet mogelijk om elektromagnetische golven te gebruiken voor onderwatercommunicatie en detectie. Dit komt omdat elektromagnetische golven een groot voortplantingsverlies in water hebben en worden geabsorbeerd door iemand die niet ver reist. Het voortplantingsverlies van geluidsgolven in water is echter erg klein, dus onderwatercommunicatie en -detectie maken voornamelijk gebruik van geluidsgolven om informatie over te brengen, en de instrumenten die geluidsgolven genereren en detecteren worden sonarsystemen genoemd. Sonarsystemen zijn onmisbare hulpmiddelen voor onderwaternavigatie, communicatie, detectie van onderzeeërs en visscholen, en marien onderzoek. Mensen vergelijken sonar in het water met radar in de lucht, en de ogen en oren van het sonarsysteem zijn akoestische transducers onder water. Het onderzoek naar akoestische transducers onder water begon in de Eerste Wereldoorlog. Het Franse Langevin gebruikte voor het eerst kwartskristallen om akoestische transducers onder water te maken op basis van het piëzo-elektrische effect. Hoewel de door Lang Zhiwan gemaakte akoestische onderwatertransducer destijds beperkt was door de technische omstandigheden en niet daadwerkelijk werd gebruikt op diepzeeonderzeeërs, leverde deze een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling van de akoestische onderwaterwetenschap in de toekomst. De Langevin-transducer gebruikt het omgekeerde spanningseffect van het kwartskristal om geluidsgolven in het water uit te zenden. piëzo-keramische buis ontvangt de geluidsgolven die door het positieve spanningseffect uit het water worden teruggestuurd, en voert enkele onderwatermetingen uit volgens de heen en weer gaande tijd van de pulsgeluidsgolven.

Mensen hebben er diepgaand en systematisch onderzoek naar gedaan piëzo-elektrische akoestische onderwatertransducers om ze praktisch te maken. De belangrijkste piëzo-elektrische materialen die destijds werden gebruikt, waren echter in water oplosbare piëzo-elektrische kristallen: Roche-zout en kaliumdioxyfosfaat. Eind jaren vijftig verscheen piëzo-elektrische keramiek. Het maken van akoestische onderwatertransducers met piëzo-elektrische keramiek is bijna het belangrijkste piëzo-elektrische materiaal geworden dat door mensen wordt gekozen. Omdat het veel kenmerken heeft die piëzo-elektrische kristallen in het verleden niet hadden, is het het meest ideale piëzo-elektrische materiaal geworden voor het maken van akoestische onderwatertransducers, en er is geen ander materiaal dat hieraan kan tippen. De belangrijkste voordelen van piëzo-elektrische keramische onderwater-akoestische transducers zijn:

(1) Geen DC-voorspanning en spoel nodig, het trilsysteem is eenvoudig;

(2) De piëzo-elektrische keramische transducer is klein van formaat en heeft uitstekende eigenschappen;

(3) Piëzo-elektrische keramische transducers kunnen naar wens in elke gewenste vorm worden gemaakt.

Piëzo-elektrische transducers zijn het meest gebruikte type transducers op het gebied van onderwaterakoestische technologie. De prestatie-indicatoren van akoestische onderwatertransducers hoeven alleen de werkfrequentie, elektromechanische koppelingscoëfficiënt, elektromechanische conversiecoëfficiënt, kwaliteitsfactor, frequentiekarakteristieken, impedantiekarakteristieken, richtingskarakteristieken, amplitudekarakteristieken, transmissiegevoeligheid, ontvangstgevoeligheid, zendvermogen, temperatuur- en tijdstabiliteitseigenschappen, mechanische sterkte en gewicht enz. te hebben. Voor een praktische transducer is het echter niet nodig om zoveel indexvereisten naar voren te brengen, ongeacht de gelegenheid, maar om verschillende en representatieve indexvereisten naar voren te brengen, afhankelijk van het gebruik en de toepassingsgelegenheden.

Ten tweede, de piëzo-elektrische vibrator

Na het verschijnen van PZT piëzo-elektrische keramiek , het is mogelijk om keramische filters te maken. Keramische filters met verschillende frequenties kunnen worden gemaakt door verschillende trillingsmodi van piëzo-elektrische vibrators te gebruiken. De vroegst toegepaste trillingsmodus is radiale trilling of contourtrilling, waardoor een filter van 455 kHz ontstaat. Later ontwikkelde de frequentie van keramische filters zich naar beide kanten, waarbij het hoge bereik 10 MHz bereikte en het lage bereik onder 1 kHz. Vanwege de toepassing van de energievalmodus is de frequentie van het keramische filter zo hoog als 100 MHz, heeft het akoestische oppervlaktegolffilter dat wordt aangeslagen door de interdigitale transducer een snelheid van meer dan 1 GHz bereikt, en is de hoogste frequentie van het akoestische oppervlaktegolffilter dat gebruik maakt van piëzo-elektrische keramiek als substraat tot 630 MHz.

De piëzo-elektrische transformator is ook een vibrator in termen van zijn toepassing, en de basisstructuur ervan is om twee sets elektroden op het piëzo-elektrische keramische lichaam te plaatsen om vier aansluitingen te vormen. Door een elektrisch signaal aan de primaire zijde toe te voegen, gaat deze resoneren, en heeft de secundaire zijde een uitgang. Op deze manier werkt het als een transformator op het moment van resonantie. Het onderzoek naar piëzo-elektrische transformatoren begon al eerder. Het vermogen en de aandrijfspanning van piëzo-elektrische transformatoren gemaakt van monolithisch keramiek zijn niet eenvoudig te verhogen. De meerlaagse piëzo-elektrische transformator is vervaardigd met dezelfde meerlaagse composiettechnologie als de productietechnologie van monolithische condensatoren, en het vermogen en de stuurspanning zijn aanzienlijk verbeterd, waardoor het toepassingsbereik van de piëzo-elektrische transformator verder wordt uitgebreid.

 

1. Piëzo-elektrische transformator

Piëzo-elektrische transformatoren worden sinds de jaren vijftig ontwikkeld. Destijds werd bariumtitanaat als hoofdmateriaal gebruikt. De boostratio is laag (slechts 50 ~ 60 keer). De uitgangsspanning bedraagt ​​ongeveer 3000V. Met de opkomst van piëzo-elektrische keramische materialen van loodzirkonaat-titanaat wordt de opstapverhouding verhoogd tot 300 ~ 500 keer, en deze wordt geleidelijk gepopulariseerd en gebruikt in televisies, elektrostatische kopieerapparaten en negatieve ionengeneratoren als hoogspanningsvoedingen.

(1) Basisprincipes. De elektrische trillingsenergie die wordt ingevoerd in het piëzo-elektrische keramiek wordt omgezet in mechanische trillingsenergie via het omgekeerde piëzo-elektrische effect, en vervolgens omgezet in elektrische energie via het positieve piëzo-elektrische effect. Tijdens deze twee energieconversies wordt impedantieconversie (van lage impedantie naar hoge impedantie) gerealiseerd, zodat een hoge piëzo-elektrische output kan worden verkregen bij de resonantiefrequentie van de keramische plaat. Neem nu de horizontale en verticale transformatoren met rektrilling als voorbeeld om het principe van transformatoren te illustreren.

 

De hele keramische chip is verdeeld in twee delen, het linkerdeel is het invoeruiteinde (ook bekend als het aandrijfgedeelte), er zijn gebrande zilveren elektroden aan de boven- en onderkant, gepolariseerd langs de dikterichting, het rechtergedeelte is het uitvoeruiteinde (ook bekend als het energieopwekkingsdeel), en het rechterdeel is het uitgangsuiteinde (ook bekend als het energieopwekkingsdeel). Er zijn verbrande zilveren elektroden op het oppervlak. Gepolariseerd over de lengte. Wanneer een wisselspanning op het ingangseinde wordt aangelegd, zal het keramische stuk, als gevolg van het omgekeerde spanningseffect, rektrilling in de lengterichting produceren, waardoor de ingevoerde elektrische energie in mechanische energie wordt omgezet; terwijl het energieopwekkingsgedeelte mechanische energie zal omzetten in elektrische energie door het positieve spanningseffect, en deze vervolgens van het uitgangsuiteinde naar de uitgangsspanning zal overbrengen. Wanneer er geen belasting is, is de open circuit boost-ratio, Qm de mechanische kwaliteitsfactor van het materiaal; K31, K33 zijn de longitudinale en transversale elektromechanische koppelingscoëfficiënten van het materiaal; L is de lengte van het energieopwekkingsgedeelte; t is de dikte van de transformator. Piëzo-elektrische transformatoren worden voornamelijk gebruikt in het geval van hoogspanning, laag vermogen en sinusgolfconversie, en hebben unieke voordelen zoals hoge uitgangsspanning, laag gewicht, klein formaat, geen lekmagnetisch veld en 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 stroomopwekkingsdeel, hoe hoger de spanning, en elektroden kunnen op verschillende posities van het stroomopwekkingsdeel worden gemaakt als askoppen om verschillende spanningsuitgangen te verkrijgen.

 

(2) Het basiswerkingsprincipe en de kenmerken van monolithische (meerlaagse) piëzo-elektrische keramische transformatoren. Piëzo-elektrische keramiek is een bros materiaal. Om zijn mechanische sterkte te garanderen, moet de piëzo-elektrische transformator een bepaalde dikte hebben en is de stuurspanning van de bovengenoemde transformator vrij beperkt. Om deze reden ontstond het monolithische (meerlaagse) piëzo-elektrische keramische transformatorproject. Na het aannemen van de monolithische (meerlaagse) structuur kunnen de dikte en het aantal lagen van elke afzonderlijke laag worden aangepast en is de stuurspanning niet langer beperkt, zodat de spanning kan worden gemaakt. Elektrische transformatoren kunnen in de beste staat werken, ongeacht de stuurspanning waarin ze zich bevinden.

De kerntechnologieën van dit project zijn submicron gesinterd bij lage temperatuur piëzo-elektrische keramische materialen , interne elektrode-bijstooktechnologie, polarisatiebehandelingstechnologie en structureel ontwerp. Monolithische (meerlagige) piëzo-elektrische keramische transformatoren (MPT's) zijn de derde generatie elektronische transformatoren met de volgende kenmerken.

① Ultradun: de dikte is over het algemeen niet groter dan 4 mm.

②Hoge conversie-efficiëntie: meer dan 97% bij volledige belasting (ohmse belasting).

③ Het heeft de zelfbeschermingsfunctie van automatische uitschakeling van kortsluiting in de belasting.

④Resonante transformator: het kan nulspanning en nulstroomconversie realiseren.

⑤ Het heeft quasi-constante stroomuitgangskarakteristieken voor belastingen met lage impedantie.

⑥ Geen omgekeerde piekspanning, betrouwbare bescherming van het eindversterkercircuit.

⑦ Geen elektromagnetische interferentie.

⑧Geen spoelbreuk, schimmelbreuk.

⑨ Bestand tegen zoutsproeien, goede weersbestendigheid, vooral geschikt voor gebruik in zeeklimaten.

 

2. Piëzo-elektrische keramische pickup en luidspreker

Piëzo-elektrische keramische transducers worden veel gebruikt in elektro-akoestische apparatuur, zoals piëzo-elektrische keramische pickups en luidsprekers.

(1) Dubbelmembraanvibrator (Figuur 6-16). Elektro-akoestische apparatuur vereist een lage mechanische impedantie en kan overeenkomen met de geluidsbron of trillingsbron, en de piëzo-elektrische vibrator met dubbel diafragma kan aan deze eisen voldoen. Het is gemaakt van twee piëzo-elektrische keramische platen die in de lengte rekbaar zijn. Wanneer het ene stuk wordt uitgerekt, wordt het andere stuk ingekort en buigt het geheel.

 

Het geeft het werkingsprincipe weer van de dubbelmembraanvibrator. Wanneer een stuk piëzo-elektrisch keramiek met een bepaalde dikte onder kracht wordt gebogen, wordt de ene kant van de dikte langwerpig en wordt de andere kant samengedrukt. Op dit moment worden er ladingen gegenereerd in het keramische stuk. , maar omdat de polarisatierichting van het gehele diafragma hetzelfde is, is de bovenkant langwerpig en de onderkant gecomprimeerd, waardoor het elektrische dipoolmoment tegengesteld is, en de boven- en onderkant hetzelfde ladingsteken hebben, dus er is geen potentiaalverschil, zoals weergegeven in figuur 6-16 (a). Als in plaats daarvan een dubbelmembraanstructuur met twee op elkaar geplaatste platen wordt gebruikt, kan een uitgangsspanning worden verkregen wanneer de kracht wordt gebogen. Figuur 6.16(b) gebruikt twee diafragma's met tegengestelde polarisatierichtingen, in serie geschakeld. Wanneer er kracht wordt uitgeoefend, strekt de bovenste zich uit en wordt de onderste samengedrukt. Omdat de polarisatierichtingen tegengesteld zijn, worden de boven- en onderkant van het dubbele diafragma geladen met tegengestelde tekens, en kan een uitgangsspanning worden verkregen. Figuur 6.16(c) wordt gevormd door twee diafragma's met dezelfde polarisatierichting parallel aan te sluiten, en de uitgangsspanning kan ook worden verkregen.

 

(2) Piëzo-elektrische keramische luidsprekerstructuur en werkingsprincipe: Piëzo-elektrische keramische luidspreker is een eenvoudig en lichtgewicht elektro-akoestisch apparaat met hoge gevoeligheid, geen magnetische veldoverloop, geen behoefte aan koperdraden en magneten, lage kosten, laag stroomverbruik, eenvoudige reparatie, gemakkelijke massaproductie, enz.

Het aandrijfsysteem is een piëzo-elektrisch keramisch dubbel diafragma, het trillingssysteem is een papieren kegel en het koppelelement brengt de energie van het aandrijfsysteem effectief over naar het trillingssysteem. Tijdens het werken wordt de elektrische energie die aan het piëzo-elektrische keramische dubbele diafragma wordt toegevoegd, omgezet in mechanische energie, die via het koppelelement naar de papieren kegel wordt overgebracht, waardoor deze gaat trillen en klinken. Het piëzo-elektrische dubbele membraan heeft een relatief hoge impedantie, wat een spanningsaandrijving vormt. De relatie tussen de kracht F en de spanning V is F=KV, en K is de proportionele coëfficiënt. Als de mechanische trillingsimpedantie inclusief de stralingsimpedantie Z is, is de trillingssnelheid: v=F/Z, dan kan de geluidsdruk P in het midden r van het hoge diafragma worden verkregen. |P|=10fρS/r |v| waarbij: f—frequentie; ρ — gemiddelde dichtheid; S – effectief gebied van het wervellichaam. Bovendien kunnen andere elektro-akoestische energieomzetters worden gemaakt volgens het piëzo-elektrische effect van piëzo-elektrische keramiek, zoals zenders, ontvangers, zoemers, enz....