Anvendelse av piezoelektrisk keramisk transduser

Piezoelektrisk keramikk har blitt mye brukt på grunn av deres piezoelektrisitet og det resulterende mangfoldet av elektromekaniske egenskaper. Disse applikasjonene kan generelt deles inn i to brede kategorier, nemlig som piezoelektriske vibratorer. Når det brukes som en piezoelektrisk vibrator, kreves det at det piezoelektriske keramiske materialet har god frekvenstemperaturstabilitet og en høy mekanisk kvalitetsfaktor Q (Q indikerer graden av intern energiforbruk til materialet under vibrasjonskonvertering); den må brukes som en transduser. Den høye mekaniske koblingsfaktoren K (mekanisk konvertering til elektrisk energi / inngående mekanisk energi, elektrisk energi til mekanisk energi / inngående elektrisk energi) og den store relative dielektriske konstanten, anvendelsen av piezoelektrisk keramikk er gitt nedenfor.

I. Oversikt
Piezoelektrisk keramikk er en polykrystallinsk film med piezoelektrisk effekt, og produksjonsprosessen er oppkalt etter dens lignende produksjonsprosess (råmaterialepulverisering, støping, høytemperatursintring). Noen anisotrope krystaller gjennomgår deformasjon under mekanisk kraft, noe som får ladepartiklene til å bli relativt fortrengt, noe som resulterer i positive og negative bundne ladninger på overflaten av krystallen. Dette fenomenet kalles piezoelektrisk effekt. Denne egenskapen til krystallen kalles piezoelektrisitet. Piezoelektrisk keramikk ble oppdaget i 1880 av brødrene J. Curie og P. Curie. Noen måneder senere bekreftet de eksperimentelt den inverse piezoelektriske effekten, det vil si at når en spenning påføres piezokrystallen, vil piezokrystallen gjennomgå geometrisk deformasjon. Før 1940 var det bare kjent to typer ferroelektrikk (ikke bare spontant polarisert i et visst temperaturområde, men også den spontane polariseringen av krystallene som kan reorienteres på grunn av den ytre feltstyrken): den ene er kaliumdihydrogenfosfat og dets ekvivalent. Førstnevnte har piezoelektrisitet ved normal temperatur, og har teknisk bruksverdi, men har den ulempen at den er lett å løse opp; sistnevnte har piezoelektrisk keramikk ved lav temperatur (mindre enn -14 C), og den tekniske bruksverdien er ikke stor. Bariumtitanat (BaTiO) ble funnet å ha en unormalt høy dielektrisk konstant. Det ble snart funnet å være piezoelektrisk, og oppdagelsen av BaTi O piezoelektrisk keramikk var et kvantesprang for de piezoelektriske materialene. Tidligere var det bare et piezoelektrisk krystallmateriale, og deretter dukket det opp et piezoelektrisk polykrystallinsk materiale, piezoelektrisk keramikk og ble mye brukt. I 1947 brukte USA BaTiO-keramikk til å lage pickuper for fonografer. Japan brukte den i to år. BaTiO-materialet har den ulempen at piezoelektrisiteten er svakere enn hvilesaltet og piezoelektrisiteten er større enn kvartskrystallen med temperatur. I 1954 oppdaget B. Jaffe og andre det piezoelektriske PbZrO-PbTiO (PZT) solid løsningssystemet, som er en epokegjørende hendelse som gjorde det umulig å fremstille enheter i BaTiO . Siden den gang har PZT transparent piezoelektrisk keramikk blitt utviklet for å utvide anvendelsen av piezoelektrisk keramikk til optikkfeltet. Så langt er bruken av piezoelektrisk keramikk, fra utviklingen av universet til familiens liv, ekstremt omfattende. Kinas forskning på piezoelektrisk keramikk begynte på slutten av 1950-tallet, omtrent 10 år senere enn utlandet. For tiden er det ganske sterke krefter i prøveproduksjon og industriell produksjon av piezoelektrisk keramikk. Mange materialer har nådd eller er nært internasjonalt nivå.

Den fysiske mekanismen til piezokeramisk piezoelektrisitet
Piezoelektrisk keramikk er polykrystaller med piezoelektrisitet piezo-skivesensor kan forklares med piezo-elektrisiteten til piezokrystallen. Under påvirkning av mekanisk kraft endres det totale elektriske dipolmomentet (polarisering), noe som resulterer i et piezoelektrisk fenomen. Piezoelektrisitet er nært knyttet til polarisering, deformasjon og lignende.

Mikroskopisk polariseringsmekanisme

Polarisasjonstilstanden er en tilstand der det elektriske feltet utøver en relativ forskyvningskraft på det ladede punktet til dielektrikumet og en midlertidig balanse mellom gjensidig tiltrekning mellom ladningene. Det er tre hovedpolarisasjonsmekanismer.

(1) Elektronforskyvningspolarisering - Atomet eller ionet til et dielektrikum faller ikke sammen med det negative ladningssenteret til en positivt ladet kjerne og et skallelektron under påvirkning av en elektrisk feltkraft.

(2) Ioneforskyvningspolarisering - de positive og negative ionene til dielektrikumet er relativt forskjøvet under påvirkning av en elektrisk feltkraft, og genererer derved et elektrisk dipolmoment.

(3) Orienteringspolarisering - de polare molekylene som utgjør dielektrikumet har et visst iboende (iboende) elektrisk moment. På grunn av termisk bevegelse er orienteringen uordnet, det totale elektriske momentet er null. Når et elektrisk felt påføres, vil det elektriske dipolmomentet .Retningen til det elektriske feltet justeres og et makroskopisk elektrisk dipolmoment vises. For anisotrope krystaller er polarisasjonen relatert til tilstedeværelsen av et elektrisk felt.

2. Piezoelektrisk effekt

(1) Positiv piezoelektrisk effekt
Når den piezoelektriske krystallen deformeres av en ekstern kraft, er de positive og negative ladningssentrene relativt forskjøvet, og de motsatte ladningene genereres på noen tilsvarende flater, og polarisasjonsintensiteten oppstår. Dette fenomenet uten elektrisk felt og polarisering ved deformasjon kalles en positiv piezoelektrisk effekt.

For anisotrope krystaller påføres stress på krystallen; (tilsvarende tøyning), vil krystallen ha en proporsjonal polarisering i de tre retningene X, Y og Z, som kalles henholdsvis piezoelektrisk spenningskonstant og piezoelektrisk tøyningskonstant.

(2) Invers piezoelektrisk effekt
Når et elektrisk felt påføres krystallen, genereres ikke bare polarisering, men også deformasjon, og dette fenomenet med deformasjon av det elektriske feltet kalles en invers piezoelektrisk effekt. Dette er fordi når krystallen utsettes for et elektrisk felt, genereres stress (piezoelektrisk stress) inne i krystallen, og piezoelektrisk belastning genereres av stress.

3. Mekanisme for trykkeffekt
Den piezoelektriske effekten ble først oppdaget på piezokrystaller. Nå bruker vi piezokrystaller som modell for å illustrere den fysiske mekanismen til den piezoelektriske effekten.
Når det ikke påføres trykk, fordeles de positive og negative ladningssentrene til krystallen. På dette tidspunktet faller de positive og negative ladningssentrene sammen, og det totale elektriske momentet til krystallen er lik null, og krystalloverflaten er ikke ladet (ikke piezoelektrisk).

Påføring av piezoelektrisk keramikk

Piezoelektrisk keramisk tenner
Dette er en enhet som konverterer mekanisk kraft til en elektrisk gnist for å antenne forbrenningen, og er en elektromekanisk transduser. I 1958 ble den piezoelektriske effekten av bariumtitanat (BaTiO) keramikk brukt til tenning. Imidlertid har PZT-materiale lav antennelseshastighet og høy støy. I 1962 ble forsøk med blyzirkonattitanat (PZT) piezoelektrisk keramikk brukt til å lage tennere. Tenner er mye brukt i dagliglivet, industriell produksjon og militære applikasjoner for å antenne gass og ulike typer eksplosiver og raketter.

(1) Grunnleggende prinsipper

Høyspentgenerering——Ta en sylindrisk piezoelektrisk keramisk komponent som et eksempel, når den mekaniske kraften F virker på sylinderen, blir piezokrystallen forvrengt, noe som fører til at midten av de positive og negative ladningene i krystallen forskyves, slik at en stor mengde ladning samler seg på den øvre og nedre overflaten av sylinderen. 

(2) høyspenningsutgang.

(3) tennerstruktur og arbeidsprinsipp

2. Piezoelektriske transformatorer
Siden 1950-tallet har piezoelektriske transformatorer blitt utviklet. På den tiden ble bariumtitanat brukt som hovedmateriale. Boosten er relativt lav (bare 50-60 ganger). Utgangsspenningen er rundt 3000 volt. Med bruken av blyzirkonattitanat piezoelektriske keramiske materialer, har boost-forholdet blitt økt til 300-500 ganger, og det har gradvis blitt brukt på TV-apparater, elektrostatiske kopimaskiner og negative iongeneratorer som høyspente strømforsyninger.

(1) Grunnprinsipper
Den elektriske vibrasjonsenergien som tilføres til det piezoelektriske keramiske arket konverteres til mekanisk vibrasjonsenergi ved den omvendte piezoelektriske effekten, og omdannes deretter til elektrisk energi ved den positive piezoelektriske effekten. Impedanskonvertering (fra lavimpedans til høyimpedans) oppnås i disse to energikonverteringene for å oppnå en høyspenningsutgang ved resonansfrekvensen til den piezokeramiske brikken. Transformasjonsprinsippet forklares ved å ta en horisontal og vertikal transformator av strekkvibrasjoner som eksempel.

Hele den piezokeramiske delen er delt i to deler, den venstre delen er inngangsenden (også kalt drivdelen), den øvre og nedre siden har den infiltrerte sølvelektroden, som er polarisert i tykkelsesretningen, og den høyre delen er utgangsenden (også kalt den kraftgenererende delen), og den høyre enden. Det er en sølvelektrode som er infiltrert på overflaten. Polarisert på langs. Når inngangsterminalen påføres en vekselspenning, på grunn av den inverse piezoelektriske effekten, genererer det piezokeramiske arket strekkvibrasjoner langs lengderetningen, som konverterer den elektriske inngangsenergien til mekanisk energi; og den kraftgenererende delen konverterer den mekaniske energien til elektrisk energi gjennom den positive piezoelektriske effekten. Hvor den mekaniske kvalitetsfaktoren til materialet; - de langsgående og tverrgående elektromekaniske koblingskoeffisientene til materialet; lengden på L - kraftgenererende del; T - tykkelsen på transformatoren.

(2) Anvendelse av piezoelektrisk transformator
Piezoelektriske transformatorer brukes hovedsakelig i tilfelle av høyspenning, lav effekt og sinusbølgekonvertering, og har de unike fordelene med høy utgangsspenning, lett vekt, lite volum, ingen lekkasje magnetfelt, ingen forbrenning. For å oppnå flere spenningsutganger, i henhold til utgangsspenningen til den horisontale-vertikale transformatoren er proporsjonal med lengden, jo nærmere slutten av kraftgenereringsdelen, jo høyere spenning, kan vi lage elektroder som uttak i forskjellige posisjoner av kraftgenereringsdelen, og dermed oppnå de forskjellige spenningsutgangene. .

4.Piezoelektriske keramiske pickuper og høyttalere

(1) Vibrator av dobbel membrantype

Arbeidsprinsippet for vibratoren med dobbel membran er gitt. Når en piezoelektrisk keramikk med en viss tykkelse bøyes under kraften, forlenges den på den ene siden av tykkelsen og komprimeres på den andre siden, og det genereres en ladning inne i det piezokeramiske arket. Imidlertid, siden hele membranen har samme polarisasjonsretning, er oversiden forlenget, og undersiden komprimeres, slik at det elektriske dipolmomentet er motsatt, og de øvre og nedre sideladingssymbolene er de samme, så det er ingen potensiell forskjell, for eksempel å bytte til to overlappende doble membranstrukturer, når den utsettes for spenningsutgangsbøyning. To stykker membraner med motsatte polarisasjonsretninger er koblet sammen i serien, og når kraften påføres, forlenges det øvre stykket og det nedre stykket komprimeres. Siden polarisasjonsretningene er motsatte, er den øvre og nedre siden av den doble membranen motsatt ladet med et fortegn, og en spenningsutgang kan oppnås. De to diafragmaene med samme polarisasjonsretning kobles parallelt for å danne en utgangsspenning.

(2) Piezoelektrisk keramisk pickup-struktur og arbeidsprinsipp

(3) Piezoelektrisk keramisk høyttalerstruktur og arbeidsprinsipp
Piezoelektrisk keramisk høyttaler er en enkel og lett elektroakustisk enhet, som har fordelene med høy følsomhet, ingen magnetfeltspredning, ingen kobbertråd og magnet, lav pris, lavt strømforbruk, praktisk reparasjon og masseproduksjon.

Kjøresystemet er en PZT-materiale piezoelektriske elementer dobbel membran, vibrasjonssystemet er en papirkjegle, og koblingskomponenten overfører energien til drivsystemet til vibrasjonssystemet effektivt. Under drift blir den elektriske energien som påføres den piezoelektriske keramiske doble membranen omdannet til mekanisk energi, som overføres til papirkjeglen gjennom koblingselementet for å vibrere og lyde. Den piezoelektriske doble membranen har høyere impedans og utgjør en spenningsdrift. Forholdet mellom kraften F og spenningen V er F=KV, K er en proporsjonal koeffisient, og den mekaniske vibrasjonsimpedansen inkludert strålingsimpedansen er Z, og vibrasjonshastigheten er
V=F/Z
Lydtrykket P i midten r av høyvibrasjonsfilmen kan oppnås.

I tillegg kan andre elektroakustiske energiomformere som en sender, en mottaker, en summer, etc. lages i henhold til den piezoelektriske effekten til den piezoelektriske keramikken.

(4) Piezoelektriske keramiske vifter og releer
Den piezoelektriske keramikken kan gjøres til en liten piezoelektrisk keramisk vifte, som har fordelene med lite volum, det er ingen varmegenerering, ingen brum, lavt strømforbruk og lang levetid. Det er en piezoelektrisk keramisk bøyedeformer, som er sammensatt av to piezoelektriske keramiske plater klemt inn av en metallfolie, og den piezokeramiske plate genererer en teleskopisk bevegelse under påvirkning av et eksternt elektrisk felt. Hvis to piezokeramiske plater påføres med omvendt spenning, trekkes den andre siden sammen for å strekke seg, og metallplaten bøyes og deformeres. Hvis en vekselspenning påføres, vil metallplaten periodisk vibrere.