Piëzo-elektrisch effect van piëzo-elektrisch keramiek

Wanneer het piëzo-elektrische keramiek gepolariseerd is, is er een sterke resterende veldpolarisatie in het keramische materiaal. Wanneer het keramische materiaal wordt onderworpen aan een externe kracht, veroorzaakt de beweging van de grens van het domein een verandering in de polarisatie-intensiteit, wat een piëzo-elektrisch effect tot gevolg heeft.

 Het gepolariseerde piëzo-elektrische keramiek heeft een zeer hoge piëzo-elektrische coëfficiënt, die ongeveer honderden keren groter is dan die van een kwartskristal, maar de mechanische sterkte is lager dan die van een kwartskristal.

Piëzokeramische plaattransducers zijn stoffen zoals ferro-elektrische materialen, en zijn kunstmatig vervaardigde polykristallijne piëzo-elektrische materialen met een domeinstructuur die vergelijkbaar is met de magnetische domeinstructuur van ferromagnetische materialen. Een domein is een gebied waarin zich spontaan een molecuul vormt. Het heeft een bepaalde polarisatierichting, waardoor er een bepaald elektrisch veld ontstaat. Bij afwezigheid van een extern elektrisch veld zijn de individuele domeinen willekeurig verdeeld over het kristal en worden hun polarisatie-effecten elkaar opgeheven, zodat de originele piëzo-elektrische keramiek geen interne polarisatie heeft.

Wanneer de voltmeter echter voor meting op de twee elektroden van de keramische plaat werd aangesloten, kon de polarisatie binnen de keramische plaat niet worden gemeten. Dit komt omdat de polarisatie in de piëzokeramische plaat altijd wordt uitgedrukt in de vorm van een elektrisch dipoolmoment, dat wil zeggen dat er een positief gebonden lading optreedt aan het ene uiteinde van het keramiek en een negatief gebonden lading aan het andere uiteinde. Door de werking van de gebonden lading wordt een lading van buitenaf geadsorbeerd op het elektrodeoppervlak van de keramische plaat. Deze vrije ladingen zijn gelijk aan het teken van de gebonden lading in de keramische plaat, dat de effecten van polarisatie binnen de keramische plaat op de buitenwereld beschermt en tegengaat. Daarom kan de voltmeter de mate van polarisatie in de keramische plaat niet meten.

Als een druk F evenwijdig aan de polarisatierichting op de keramische plaat wordt uitgeoefend, zoals weergegeven in de figuur, zal de keramische plaat compressievervorming ondergaan (stippellijn in de figuur), de afstand tussen de positieve en negatieve gebonden ladingen in de plaat wordt kleiner, en de polarisatie-intensiteit verandert ook. Daarom komt een deel van de vrije lading die oorspronkelijk op de elektrode was geadsorbeerd vrij en treedt er een ladingsverschijnsel op. Wanneer de druk wordt verwijderd, keert het keramische stuk terug naar zijn oorspronkelijke staat (dit is een uitzettingsproces), wordt de afstand tussen de positieve en negatieve ladingen in de film groter en wordt de polarisatie-intensiteit ook groter, zodat sommige vrije ladingen worden geadsorbeerd op de elektrode en het laadfenomeen optreedt. Dit fenomeen van verandering van mechanisch naar elektrisch, of van mechanisch naar elektrisch, is het positieve piëzo-elektrische effect.

Op dezelfde manier, als een elektrisch veld met dezelfde polarisatierichting van piëzo-keramiek met hoog vermogen op de keramische plaat wordt aangelegd, zoals weergegeven in de figuur, verhoogt de werking van het elektrische veld de polarisatie, aangezien de richting van het elektrische veld hetzelfde is als de richting van de polarisatie. Op dit moment wordt ook de afstand tussen de positieve en negatief gebonden ladingen in de keramische plaat vergroot, dat wil zeggen dat de keramische plaat verlengd wordt in de polarisatierichting (onderbroken lijn in de figuur). Op soortgelijke wijze wordt, als de richting van het aangelegde elektrische veld tegengesteld is aan de polarisatierichting, de keramische plaat ingekort in de polarisatierichting. Dit fenomeen van het veranderen in een mechanisch effect als gevolg van een elektrisch effect of een overgang van elektrische energie naar mechanische energie is een omgekeerd piëzo-elektrisch effect.

   

Het is te zien dat het piëzo-elektrische keramiek een piëzo-elektrisch effect heeft als gevolg van de spontane polarisatie in het keramiek. Nadat de spontane polarisatie is onderworpen aan het polarisatieproces en gedwongen is uitgelijnd, is de resterende polarisatie aanwezig in het keramiek. Als de externe actie (zoals de werking van druk of een elektrisch veld) de polarisatie kan veranderen, zal piëzo-keramiek een piëzo-elektrisch effect hebben. Bovendien is te zien dat de gepolariseerde ladingen in het keramiek gebonden ladingen zijn, geen vrije ladingen, en dat deze gebonden ladingen niet vrij kunnen bewegen. Daarom wordt het in het keramiek gegenereerde ontladings- of oplaadfenomeen veroorzaakt door de verandering van de interne polarisatie van het keramiek, wat het vrijkomen of aanvullen van de vrije lading op het elektrodeoppervlak veroorzaakt.

Wanneer het piëzo-elektrische keramiek wordt onderworpen aan een kracht Fz in de polarisatierichting (Z-richting) op het polarisatievlak (dat wil zeggen, de kracht staat loodrecht op het polarisatievlak), dan verschijnen op de twee verzilverde (of goud) polarisatievlakken respectievelijk positieve en negatieve ladingen, de hoeveelheid lading Qzz is evenredig met de kracht Fz, dat wil zeggen:

Piëzo-elektrisch materiaal:

Piëzo-elektrische kristallen, zoals kwarts;
Piëzo-elektrische keramiek, zoals bariumtitanaat, loodzirkonaattitanaat, enz.;
Piëzo-elektrische halfgeleiders zoals zinksulfide, cadmiumtelluride en dergelijke.
        
Vereisten voor piëzo-elektrische materiaaleigenschappen:

De opmerkelijke voordelen van piëzo-elektrische keramische strips kwartskristallen zijn zeer stabiel wat betreft prestaties, hoge mechanische sterkte en uitstekende isolatie-eigenschappen. Kwartsmaterialen zijn echter duur en hebben een veel lagere piëzo-elektrische coëfficiënt dan piëzo-elektrische keramiek. Daarom wordt het over het algemeen alleen gebruikt in de standaardinstrumenten of sensoren die hogere eisen stellen. Omdat kwarts een anisotroop kristal is, variëren de fysieke eigenschappen (zoals elasticiteit, piëzo-elektrisch effect, temperatuurkarakteristieken, enz.) van wafels die in verschillende richtingen zijn gesneden sterk. Om de kwartssensor te ontwerpen, wordt de snijvorm van het kwarts correct geselecteerd op basis van verschillende toepassingsvereisten.