Zastosowanie piezoelektrycznego przetwornika ceramicznego

Ceramika piezoelektryczna jest szeroko stosowana ze względu na jej piezoelektryczność i wynikającą z niej różnorodność właściwości elektromechanicznych. Zastosowania te można ogólnie podzielić na dwie szerokie kategorie, a mianowicie jako wibratory piezoelektryczne. W przypadku stosowania jako wibrator piezoelektryczny wymaga się, aby piezoelektryczny materiał ceramiczny miał dobrą stabilność temperaturową częstotliwości i wysoki współczynnik jakości mechanicznej Q (Q wskazuje stopień wewnętrznego zużycia energii przez materiał podczas konwersji wibracyjnej); musi być używany jako przetwornik. Ze względu na wysoki współczynnik sprzężenia mechanicznego K (mechaniczna konwersja na energię elektryczną / wejściową energię mechaniczną, energię elektryczną w energię mechaniczną / wejściową energię elektryczną) i dużą względną stałą dielektryczną, zastosowanie ceramiki piezoelektrycznej podano poniżej.

I. Przegląd
Ceramika piezoelektryczna to folia polikrystaliczna o działaniu piezoelektrycznym, a nazwa procesu jej produkcji pochodzi od podobnego procesu produkcyjnego (proszkowanie surowców, formowanie, spiekanie w wysokiej temperaturze). Niektóre kryształy anizotropowe ulegają odkształceniu pod wpływem siły mechanicznej, powodując względne przemieszczenie ładujących się cząstek, co skutkuje dodatnimi i ujemnymi ładunkami związanymi na powierzchni kryształu. Zjawisko to nazywane jest efektem piezoelektrycznym. Ta właściwość kryształu nazywa się piezoelektrycznością. Ceramikę piezoelektryczną odkryli w 1880 roku bracia J. Curie i P. Curie. Kilka miesięcy później zweryfikowali eksperymentalnie odwrotny efekt piezoelektryczny, to znaczy, że po przyłożeniu napięcia do kryształu piezoelektrycznego, kryształ piezoelektryczny ulegnie odkształceniu geometrycznemu. Przed rokiem 1940 znane były tylko dwa typy ferroelektryków (nie tylko polaryzowane samoistnie w określonym zakresie temperatur, ale także polaryzacja spontaniczna kryształów, które można zmienić pod wpływem zewnętrznego natężenia pola): jeden to diwodorofosforan potasu i jego odpowiednik. Ten pierwszy ma piezoelektryczność w normalnej temperaturze i ma techniczną wartość użytkową, ale ma tę wadę, że jest łatwy do rozpuszczenia; ten ostatni ma ceramikę piezoelektryczną w niskiej temperaturze (poniżej -14 C), a wartość użytkowa inżynierii nie jest duża. Stwierdzono, że tytanian baru (BaTiO) ma nienormalnie wysoką stałą dielektryczną. Wkrótce odkryto, że jest to materiał piezoelektryczny, a odkrycie ceramiki piezoelektrycznej BaTi O było milowym krokiem w dziedzinie materiałów piezoelektrycznych. Wcześniej istniał tylko materiał z kryształu piezoelektrycznego, a następnie pojawił się i był szeroko stosowany piezoelektryczny materiał polikrystaliczny, ceramika piezoelektryczna. W 1947 roku Stany Zjednoczone wykorzystały ceramikę BaTiO do produkcji przetworników do gramofonów. Japonia używała go przez dwa lata. Materiał BaTiO ma tę wadę, że piezoelektryczność jest słabsza niż sól spoczynkowa, a piezoelektryczność jest większa niż kryształ kwarcu wraz z temperaturą. W 1954 roku B. Jaffe i inni odkryli piezoelektryczny układ roztworów stałych PbZrO-PbTiO (PZT), co jest wydarzeniem epokowym, które uniemożliwiło wytworzenie urządzeń w BaTiO. Od tego czasu opracowano przezroczystą ceramikę piezoelektryczną PZT, aby rozszerzyć zastosowanie ceramiki piezoelektrycznej na dziedzinę optyki. Jak dotąd zastosowanie ceramiki piezoelektrycznej, od rozwoju wszechświata po życie rodziny, jest niezwykle szerokie. Badania w Chinach nad ceramiką piezoelektryczną rozpoczęły się pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku, około 10 lat później niż w innych krajach. Obecnie istnieją dość duże siły w produkcji próbnej i produkcji przemysłowej ceramiki piezoelektrycznej. Wiele materiałów osiągnęło lub jest blisko poziomu międzynarodowego.

Fizyczny mechanizm piezoelektryczności piezoceramicznej
Ceramika piezoelektryczna to polikryształy, których piezoelektryczność Piezoelektryczny czujnik dyskowy można wytłumaczyć piezoelektrycznością kryształu piezoelektrycznego. Pod wpływem siły mechanicznej zmienia się całkowity elektryczny moment dipolowy (polaryzacja), w wyniku czego powstaje zjawisko piezoelektryczne. Piezoelektryczność jest ściśle związana z polaryzacją, deformacją i tym podobnymi.

Mikroskopijny mechanizm polaryzacji

Stan polaryzacji to stan, w którym pole elektryczne wywiera względną siłę przemieszczenia na naładowany punkt dielektryka i tymczasową równowagę wzajemnego przyciągania pomiędzy ładunkami. Istnieją trzy główne mechanizmy polaryzacji.

(1) Polaryzacja z przemieszczeniem elektronów — atom lub jon dielektryka nie pokrywa się z ujemnym środkiem ładunku dodatnio naładowanego jądra i elektronu powłoki pod działaniem siły pola elektrycznego.

(2) Polaryzacja przemieszczenia jonów – jony dodatnie i ujemne dielektryka ulegają wzajemnemu przemieszczeniu pod wpływem siły pola elektrycznego, tworząc w ten sposób elektryczny moment dipolowy.

(3) Polaryzacja orientacji – cząsteczki polarne tworzące dielektryk mają pewien wewnętrzny (wrodzony) moment elektryczny. Z powodu ruchu termicznego orientacja jest zaburzona, całkowity moment elektryczny wynosi zero. Kiedy przyłożone jest pole elektryczne, elektryczny moment dipolowy. Kierunek pola elektrycznego jest wyrównany i pojawia się makroskopowy elektryczny moment dipolowy. W przypadku kryształów anizotropowych polaryzacja jest związana z obecnością pola elektrycznego.

2. Efekt piezoelektryczny

(1) Dodatni efekt piezoelektryczny
Kiedy kryształ piezoelektryczny jest odkształcany przez siłę zewnętrzną, środki ładunku dodatniego i ujemnego ulegają wzajemnemu przesunięciu, a na niektórych odpowiadających sobie powierzchniach generowane są przeciwne ładunki i następuje intensywność polaryzacji. Zjawisko braku pola elektrycznego i polaryzacji poprzez odkształcenie nazywane jest dodatnim efektem piezoelektrycznym.

W przypadku kryształów anizotropowych do kryształu przykładane jest naprężenie; (odpowiednie naprężenie), kryształ będzie miał proporcjonalną polaryzację w trzech kierunkach X, Y i Z, które nazywane są odpowiednio stałą naprężenia piezoelektrycznego i stałą odkształcenia piezoelektrycznego.

(2) Odwrotny efekt piezoelektryczny
Kiedy do kryształu przyłożone jest pole elektryczne, powstaje nie tylko polaryzacja, ale także odkształcenie, a to zjawisko odkształcenia pod wpływem pola elektrycznego nazywa się odwrotnym efektem piezoelektrycznym. Dzieje się tak dlatego, że gdy kryształ jest poddawany działaniu pola elektrycznego, wewnątrz kryształu powstają naprężenia (naprężenia piezoelektryczne), a w wyniku naprężenia powstają odkształcenia piezoelektryczne.

3. Mechanizm działania ciśnienia
Efekt piezoelektryczny został po raz pierwszy odkryty na kryształach piezoelektrycznych. Teraz używamy kryształów piezoelektrycznych jako modelu do zilustrowania fizycznego mechanizmu efektu piezoelektrycznego.
Gdy nie stosuje się żadnego ciśnienia, dodatnie i ujemne centra ładunku kryształu są rozdzielone. W tym momencie centra ładunku dodatniego i ujemnego pokrywają się, a całkowity moment elektryczny kryształu jest równy zeru, a powierzchnia kryształu nie jest naładowana (nie jest piezoelektryczna).

Zastosowanie ceramiki piezoelektrycznej

Piezoelektryczny zapalnik ceramiczny
Jest to urządzenie, które przekształca siłę mechaniczną w iskrę elektryczną w celu zainicjowania spalania i jest przetwornikiem elektromechanicznym. W 1958 roku do zapłonu wykorzystano efekt piezoelektryczny ceramiki z tytanianu baru (BaTiO). Jednakże materiał PZT charakteryzuje się niską szybkością zapłonu i wysokim poziomem hałasu. W 1962 roku do produkcji zapalników przeprowadzono próby ceramiki piezoelektrycznej z tytanianem cyrkonu ołowiu (PZT). Zapalniki są szeroko stosowane w życiu codziennym, produkcji przemysłowej i zastosowaniach wojskowych do zapalania gazu oraz różnego rodzaju materiałów wybuchowych i rakiet.

(1) Podstawowe zasady

Generowanie wysokiego napięcia — — Biorąc na przykład cylindryczny piezoelektryczny element ceramiczny, gdy siła mechaniczna F działa na cylinder, kryształ piezoelektryczny ulega zniekształceniu, powodując przesunięcie środka dodatnich i ujemnych ładunków w krysztale, w wyniku czego duża ilość ładunku gromadzi się na górnej i dolnej powierzchni cylindra oraz 

(2) wyjście wysokiego napięcia.

(3) konstrukcja zapalnika i zasada działania

2. Transformator piezoelektryczny
Od lat pięćdziesiątych XX wieku rozwijane są transformatory piezoelektryczne. Jako główny materiał stosowano wówczas tytanian baru. Zwiększenie jest stosunkowo niskie (tylko 50-60 razy). Napięcie wyjściowe wynosi około 3000 woltów. Wraz z pojawieniem się piezoelektrycznych materiałów ceramicznych z cyrkonianem ołowiu i tytanianem ołowiu, współczynnik wzmocnienia został zwiększony do 300-500 razy i był stopniowo stosowany w telewizorach, kopiarkach elektrostatycznych i generatorach jonów ujemnych jako zasilaczach wysokiego napięcia.

(1) Podstawowe zasady
Energia drgań elektrycznych wprowadzona do piezoelektrycznego arkusza ceramicznego jest przekształcana w energię drgań mechanicznych w wyniku odwrotnego efektu piezoelektrycznego, a następnie przekształcana w energię elektryczną w wyniku dodatniego efektu piezoelektrycznego. Konwersja impedancji (od niskiej impedancji do wysokiej impedancji) jest osiągana w wyniku tych dwóch konwersji energii, aby uzyskać wysokie napięcie wyjściowe przy częstotliwości rezonansowej chipa piezoceramicznego. Zasadę transformacji wyjaśniono na przykładzie poziomego i pionowego transformatora drgań rozciągających.

Cały element piezoceramiczny jest podzielony na dwie części, lewa część to koniec wejściowy (zwany także częścią napędową), górna i dolna strona mają infiltrowaną srebrną elektrodę, która jest spolaryzowana w kierunku grubości, prawa część to koniec wyjściowy (zwany także częścią wytwarzającą energię) i prawy koniec. Na powierzchni znajduje się srebrna elektroda. Polaryzowane na całej długości. Gdy do zacisku wejściowego zostanie przyłożone napięcie przemienne, w wyniku odwrotnego efektu piezoelektrycznego, płyta piezoceramiczna generuje drgania rozciągające w kierunku długości, które przekształcają wejściową energię elektryczną w energię mechaniczną; a część wytwarzająca energię przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną poprzez dodatni efekt piezoelektryczny. Gdzie współczynnik jakości mechanicznej materiału; - wzdłużne i poprzeczne współczynniki sprzężenia elektromechanicznego materiału; długość L – części wytwarzającej energię; T - grubość transformatora.

(2) Zastosowanie transformatora piezoelektrycznego
Transformatory piezoelektryczne są stosowane głównie w przypadku konwersji wysokiego napięcia, małej mocy i fali sinusoidalnej i mają wyjątkowe zalety: wysokie napięcie wyjściowe, lekkość, mała objętość, brak wycieku pola magnetycznego i brak spalania. Aby uzyskać wielokrotne napięcie wyjściowe, napięcie wyjściowe poziomo-pionowego transformatora jest proporcjonalne do długości, im bliżej końca części wytwarzającej energię, tym wyższe napięcie, możemy wykonać elektrody jako zaczepy w różnych pozycjach części wytwarzającej energię, uzyskując w ten sposób różne napięcia wyjściowe. .

4.Piezoelektryczne przetworniki i głośniki ceramiczne

(1) Wibrator z podwójną membraną

Podano zasadę działania wibratora z podwójną membraną. Kiedy ceramika piezoelektryczna o określonej grubości jest zginana pod wpływem siły, ulega ona wydłużeniu z jednej strony i ściśnięciu z drugiej strony, w wyniku czego wewnątrz blachy piezoceramicznej wytwarzany jest ładunek. Jednakże, ponieważ cała membrana ma ten sam kierunek polaryzacji, górna strona jest wydłużona, a dolna strona jest ściśnięta, tak że elektryczny moment dipolowy jest przeciwny, a symbole ładunku na górnej i dolnej stronie są takie same, więc nie ma różnicy potencjałów, takiej jak przełączanie na dwie nakładające się struktury podwójnej membrany, gdy jest poddawany zginaniu siły, można uzyskać napięcie wyjściowe. Dwie części membran o przeciwnych kierunkach polaryzacji są połączone szeregowo i po przyłożeniu siły górna część ulega wydłużeniu, a dolna część zostaje ściśnięta. Ponieważ kierunki polaryzacji są przeciwne, górna i dolna strona podwójnej membrany są przeciwnie naładowane znakiem i można uzyskać napięcie wyjściowe. Dwie membrany o tym samym kierunku polaryzacji są połączone równolegle, aby utworzyć napięcie wyjściowe.

(2) Struktura i zasada działania piezoelektrycznego przetwornika ceramicznego

(3) Struktura i zasada działania piezoelektrycznego głośnika ceramicznego
Piezoelektryczny głośnik ceramiczny to proste i lekkie urządzenie elektroakustyczne, które ma zalety: wysoką czułość, brak rozpraszania pola magnetycznego, brak drutu miedzianego i magnesu, niski koszt, niskie zużycie energii, wygodną naprawę i masową produkcję.

Układ napędowy to A Elementy piezoelektryczne z materiału PZT posiadają podwójną membranę, układ wibracyjny stanowi stożek papierowy, a element sprzęgający efektywnie przekazuje energię układu napędowego na układ wibracyjny. Podczas pracy energia elektryczna doprowadzana do piezoelektrycznej podwójnej membrany ceramicznej jest przekształcana w energię mechaniczną, która przekazywana jest do papierowego stożka poprzez element sprzęgający, powodując wibracje i dźwięk. Podwójna membrana piezoelektryczna ma wyższą impedancję i stanowi napęd napięciowy. Zależność pomiędzy siłą F i napięciem V wynosi F=KV, K jest współczynnikiem proporcjonalności, a impedancja mechaniczna wibracji, w tym impedancja promieniowania, wynosi Z, a prędkość wibracji wynosi
V=F/Z.
Można uzyskać ciśnienie akustyczne P w środku r folii o wysokich wibracjach.

Ponadto inne przetworniki energii elektroakustycznej, takie jak nadajnik, odbiornik, brzęczyk itp., mogą być wykonane w oparciu o efekt piezoelektryczny ceramiki piezoelektrycznej.

(4) Piezoelektryczne wentylatory i przekaźniki ceramiczne
Z ceramiki piezoelektrycznej można wykonać mały piezoelektryczny wentylator ceramiczny, który ma zalety małej objętości, nie wytwarza ciepła, nie wytwarza szumu, ma niskie zużycie energii i długą żywotność. Jest to piezoelektryczny ceramiczny odkształcacz zginający, który składa się z dwóch piezoelektrycznych arkuszy ceramicznych umieszczonych pomiędzy nimi metalową folią, a piezoceramiczny arkusz wytwarza ruch teleskopowy pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Jeżeli dwa arkusze piezoceramiczne zostaną przyłożone pod napięciem wstecznym, druga strona ulegnie rozciągnięciu, a blacha zostanie wygięta i odkształcona. Jeżeli zostanie przyłożone napięcie przemienne, blacha będzie okresowo wibrować.