Ważne zastosowania ceramiki piezoelektrycznej

                           Ważne zastosowania ceramiki piezoelektrycznej

Ceramika piezoelektryczna jest szeroko stosowana ze względu na jej piezoelektryczność i różnorodność właściwości elektromechanicznych powodowanych przez piezoelektryczność. Ze względu na dużą różnorodność piezoelektrycznych urządzeń ceramicznych i szeroki zakres ich zastosowań, trudno jest je ściśle sklasyfikować za pomocą prostej metody. Zastosowania ogólne można ogólnie podzielić na dwie kategorie: wibratory piezoelektryczne i przetworniki piezoelektryczne.

1. Przetwornik

Zastosowanie efektu piezoelektrycznego jest różnorodne, a jednym z najważniejszych jest wykorzystanie jego właściwości s przetworników  . Jest to charakterystyka konwersji energii , jest to  efekt  przykładania energii elektrycznej do ceramiki piezoelektrycznej. Energia elektryczna może zostać przekształcona w energię mechaniczną poprzez efekt napięcia wstecznego; Efekt elektryczny przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną. Ludzie wykorzystują tę fizyczną właściwość ceramiki piezoelektrycznej do produkcji wielu rodzajów urządzeń piezoelektrycznych, które są szeroko stosowane w komunikacji podwodnej, ultradźwiękach, zapłonie wysokiego napięcia i innych dziedzinach.

1, piezoelektryczny zapalnik ceramiczny

Jest to urządzenie, które przekształca siłę mechaniczną w iskry elektryczne, które powodują zapalenie materiałów palnych. Jest to przetwornik elektromechaniczny. W 1958 roku był pionierem w zastosowaniu efektu piezoelektrycznego ceramiki z tytanianu baru (BaTiO3) do zapłonu. Szybkość zapłonu tego Pręt piezoelektryczny elementu piezoelektrycznego nie jest wysoki, a hałas jest duży. W 1962 roku do produkcji zapalników wykorzystano ceramikę piezoelektryczną z tytanianu cyrkonu ołowiu (PZT). Ten rodzaj zapalnika jest szeroko stosowany w życiu codziennym, produkcji przemysłowej i wojsku i służy do zapalania i detonowania gazów, różnych materiałów wybuchowych i rakiet.

(1) Zasada podstawowa: Proces pracy zapalnika dzieli się na trzy etapy: wytwarzanie wysokiego napięcia, zapłon wyładowczy i zapłon gazu palnego. Wytwarzanie wysokiego napięcia - Weźmy na przykład cylindryczne piezoelektryczne elementy ceramiczne, gdy siła mechaniczna F działa na cylinder, kryształ zostanie zniekształcony, powodując przesunięcie środka dodatnich i ujemnych ładunków w krysztale, tak że na górnej i dolnej powierzchni cylindra pojawi się duża ilość wolnych ładunków, akumuluje się, wytwarzając wysokie napięcie wyjściowe. Napięcie wyjściowe wynosi: V=ga3Fh/A, gdzie A——pole przekroju poprzecznego cylindra; h——wysokość cylindra; ga3 — stała napięcia piezoelektrycznego. Zapłon wyładowczy - element ceramiczny piezoelektryczny należy umieścić w obwodzie zamkniętym i pozostawić odpowiednią szczelinę. Kiedy napięcie wzrośnie do napięcia rozładowania szczeliny, w szczelinie zostanie wygenerowana iskra wyładowcza. Zapłon gazu palnego - ogólny gaz opałowy nie jest łatwy do spalenia, dlatego najczęściej stosuje się etan, który jest łatwy do zgazowania. Aby wydłużyć czas wyładowania i zapobiec zbyt szybkiemu wygaśnięciu iskry, należy zwiększyć szybkość zapłonu. Odpowiedni rezystor można podłączyć szeregowo po stronie rozładowania.

 

(2) Struktura i zasada działania zapalnika . Jest wiele rodzajów zapalników, a jako przykład wzięto domowy zapalnik piezoelektryczny, aby zilustrować jego strukturę i zasadę działania. Można go zamocować na kuchence domowej, aby zapalić gaz, przekręcić włącznik krzywkowy, za  pomocą wystającej części krzywki popchnąć blok uderzeniowy i ścisnąć sprężynę za blokiem uderzeniowym. Kiedy wystająca część krzywki odrywa się od bloku uderzeniowego, na skutek siły sprężystości sprężyny, blok uderzeniowy nadaje piezoceramicznemu  elementowi piezoelektrycznemu .siłę uderzenia, która generuje wysokie napięcie na obu końcach elementu piezoelektrycznego i wysyła wysokie napięcie z elektrody środkowej w celu wygenerowania iskry elektrycznej w celu zapalenia gazu.

 

2. Podwodny przetwornik akustyczny

Podwodny przetwornik akustyczny to urządzenie przetwornikowe służące do komunikacji i wykrywania pod wodą. Ludzie wiedzą, że komunikacja i wykrywanie w powietrzu opierają się głównie na falach elektromagnetycznych, takich jak sprzęt radiowy i radarowy itp., a wszystkie one wykorzystują fale elektromagnetyczne do przesyłania informacji w powietrzu. Nie ma możliwości wykorzystania fal elektromagnetycznych do komunikacji i wykrywania pod wodą. Dzieje się tak dlatego, że fale elektromagnetyczne mają duże straty w propagacji w wodzie i zostaną pochłonięte przez osobę, która nie podróżuje daleko. Jednakże utrata propagacji fal dźwiękowych w wodzie jest bardzo mała, dlatego do komunikacji i wykrywania pod wodą wykorzystuje się głównie Fale dźwiękowe służą do przesyłania informacji, a instrumenty generujące i wykrywające fale dźwiękowe nazywane są systemami sonarowymi. Systemy sonarowe są niezbędnymi narzędziami nawigacji podwodnej, komunikacji, wykrywania łodzi podwodnych i ławic ryb oraz badań morskich. Ludzie porównują sonar w wodzie z radarem w powietrzu, a oczami i uszami systemu sonaru są podwodne przetworniki akustyczne. Badania nad podwodnymi przetwornikami akustycznymi rozpoczęły się podczas I wojny światowej. Francuski Langevin po raz pierwszy użył kryształów kwarcu do wytworzenia podwodnych przetworników akustycznych opartych na efekcie piezoelektrycznym. Choć podwodny przetwornik akustyczny stworzony przez Lang Zhiwana był wówczas ograniczony warunkami technicznymi i nie był właściwie stosowany na głębinowych okrętach podwodnych, wniósł znaczący wkład w rozwój przyszłej nauki o akustyce podwodnej. Przetwornik Langevin wykorzystuje efekt napięcia wstecznego kryształu kwarcu do emisji fal dźwiękowych do wody, Rurka piezoceramiczna odbiera fale dźwiękowe powracające z wody poprzez efekt napięcia dodatniego i wykonuje pewne pomiary podwodne w zależności od czasu ruchu posuwisto-zwrotnego pulsujących fal dźwiękowych.

Ludzie przeprowadzili dogłębne i systematyczne badania na ten temat piezoelektryczne podwodne przetworniki akustyczne, aby były praktyczne. Jednak głównymi materiałami piezoelektrycznymi stosowanymi w tamtym czasie były rozpuszczalne w wodzie kryształy piezoelektryczne – sól Roche i dioksyfosforan potasu. Pod koniec lat pięćdziesiątych pojawiła się ceramika piezoelektryczna. Wykonywanie podwodnych przetworników akustycznych z ceramiki piezoelektrycznej stało się niemal głównym wybieranym przez ludzi materiałem piezoelektrycznym. Ponieważ ma wiele cech, których nie posiadały w przeszłości kryształy piezoelektryczne, stał się najbardziej idealnym materiałem piezoelektrycznym do produkcji podwodnych przetworników akustycznych i nie ma innego materiału, który mógłby mu dorównać. Główne zalety piezoelektrycznych ceramicznych przetworników akustycznych podwodnych to:

(1) Nie ma potrzeby stosowania napięcia polaryzacji i cewki prądu stałego, system wibracji jest prosty;

(2) Piezoelektryczny przetwornik ceramiczny ma niewielkie rozmiary i doskonałe właściwości;

(3) Piezoelektryczne przetworniki ceramiczne mogą być wykonane w dowolnym kształcie, zgodnie z wymaganiami.

Przetworniki piezoelektryczne są najpowszechniej stosowanym typem przetworników w dziedzinie podwodnej technologii akustycznej. Wskaźniki wydajności podwodnych przetworników akustycznych muszą obejmować jedynie częstotliwość roboczą, współczynnik sprzężenia elektromechanicznego, współczynnik konwersji elektromechanicznej, współczynnik jakości, charakterystykę częstotliwościową, charakterystykę impedancji, charakterystykę kierunkową, charakterystykę amplitudy, czułość transmisji, czułość odbioru, moc nadajnika, właściwości stabilności temperatury i czasu, wytrzymałość mechaniczną i masę itp. Jednakże w przypadku praktycznego przetwornika nie jest konieczne przedstawianie tak wielu wymagań dotyczących wskaźników niezależnie od okazji, ale przedstawianie różnych i reprezentatywnych wymagań dotyczących wskaźników w zależności od jego użycia i okazji zastosowania.

Po drugie, wibrator piezoelektryczny

Po pojawieniu się Ceramika piezoelektryczna PZT , istnieje możliwość wykonania filtrów ceramicznych. Filtry ceramiczne o różnych częstotliwościach można wykonać stosując różne tryby drgań wibratorów piezoelektrycznych. Najwcześniej stosowanym trybem wibracji są wibracje promieniowe lub wibracje konturowe, tworzące filtr 455 kHz. Później częstotliwość filtrów ceramicznych rozwinęła się na obu końcach, przy czym górny zakres osiągnął 10 MHz, a dolny poziom osiągnął poniżej 1 kHz. Dzięki zastosowaniu trybu pułapki energetycznej częstotliwość filtra ceramicznego sięga aż 100 MHz, powierzchniowy filtr fal akustycznych wzbudzany przez przetwornik międzycyfrowy osiągnął powyżej 1 GHz, a najwyższa częstotliwość powierzchniowego filtra fal akustycznych wykorzystującego ceramikę piezoelektryczną jako podłoże osiągnęła aż 630 MHz.

Transformator piezoelektryczny w swoim zastosowaniu jest także wibratorem, a jego podstawowa konstrukcja polega na umieszczeniu dwóch zestawów elektrod na piezoelektrycznym korpusie ceramicznym, tworząc cztery końcówki. Dodanie sygnału elektrycznego do strony pierwotnej powoduje, że rezonuje, a strona wtórna ma wyjście. Dzięki temu w momencie rezonansu pełni on funkcję transformatora. Badania nad transformatorami piezoelektrycznymi rozpoczęły się wcześniej. Zwiększenie mocy i napięcia sterującego transformatorów piezoelektrycznych wykonanych z ceramiki monolitycznej nie jest łatwe. Wielowarstwowy transformator piezoelektryczny jest wytwarzany przy użyciu tej samej wielowarstwowej technologii kompozytowej, co technologia produkcji kondensatorów monolitycznych, a jego moc i napięcie sterujące zostały znacznie ulepszone, co dodatkowo rozszerza zakres zastosowań transformatora piezoelektrycznego.

 

1. Transformator piezoelektryczny

Transformatory piezoelektryczne są opracowywane od lat pięćdziesiątych XX wieku. Jako główny materiał stosowano wówczas tytanian baru. Współczynnik wzmocnienia jest niski (tylko 50 ~ 60 razy). Napięcie wyjściowe wynosi około 3000 V. Wraz z pojawieniem się piezoelektrycznych materiałów ceramicznych z tytanianem cyrkonianu ołowiu, współczynnik zwiększenia wzrasta do 300 ~ 500 razy i jest stopniowo popularyzowany i stosowany w telewizorach, kopiarkach elektrostatycznych i generatorach jonów ujemnych jako zasilacze wysokiego napięcia.

(1) Podstawowe zasady. Energia wibracji elektrycznych wprowadzona do ceramiki piezoelektrycznej jest przekształcana w energię wibracji mechanicznych poprzez odwrotny efekt piezoelektryczny, a następnie przekształcana w energię elektryczną poprzez dodatni efekt piezoelektryczny. Konwersja impedancji (od niskiej impedancji do wysokiej impedancji) jest realizowana podczas tych dwóch konwersji energii, dzięki czemu można uzyskać wysoką moc piezoelektryczną przy częstotliwości rezonansowej płyty ceramicznej. Weźmy teraz jako przykład transformatory poziome i pionowe z wibracjami rozciągającymi, aby zilustrować zasadę działania transformatorów.

 

Cały chip ceramiczny jest podzielony na dwie części, lewa część to koniec wejściowy (znany również jako część napędzająca), na górnej i dolnej stronie znajdują się spalone srebrne elektrody, spolaryzowane wzdłuż kierunku grubości, prawa część to koniec wyjściowy (znany również jako część wytwarzająca energię), a prawa część to koniec wyjściowy (znany również jako część wytwarzająca energię). Na powierzchni znajdują się wypalone srebrne elektrody. Polaryzowane na całej długości. Kiedy do końca wejściowego zostanie przyłożone napięcie przemienne, w wyniku efektu napięcia wstecznego, element ceramiczny będzie wytwarzał wibracje rozciągające wzdłuż kierunku, co przekształca wejściową energię elektryczną w energię mechaniczną; podczas gdy część wytwarzająca energię przekształci energię mechaniczną w energię elektryczną poprzez efekt napięcia dodatniego, a następnie przeniesie ją z końca wyjściowego napięcia wyjściowego. Gdy nie ma obciążenia, współczynnik wzmocnienia obwodu otwartego, Qm, jest współczynnikiem jakości mechanicznej materiału; K31, K33 to wzdłużne i poprzeczne współczynniki sprzężenia elektromechanicznego materiału; L to długość części wytwarzającej energię; t to grubość transformatora. Transformatory piezoelektryczne są stosowane głównie w przypadku konwersji wysokiego napięcia, małej mocy i fali sinusoidalnej i mają unikalne zalety, takie jak wysokie napięcie wyjściowe, niewielka waga, mały rozmiar, 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, a elektrody można wykonać w różnych pozycjach części wytwarzającej energię jako głowice wałów, aby uzyskać różne napięcia wyjściowe.

 

(2) Podstawowa zasada działania i charakterystyka monolitycznych (wielowarstwowych) piezoelektrycznych transformatorów ceramicznych. Ceramika piezoelektryczna jest materiałem kruchym. Aby zapewnić wytrzymałość mechaniczną transformator piezoelektryczny musi mieć określoną grubość, a napięcie sterujące ww. transformatora jest dość ograniczone. Z tego powodu powstał projekt monolitycznego (wielowarstwowego) piezoelektrycznego transformatora ceramicznego. Po przyjęciu struktury monolitycznej (wielowarstwowej) można regulować grubość i liczbę warstw każdej pojedynczej warstwy, a napięcie sterujące nie jest już ograniczone, dzięki czemu można wytworzyć napięcie. Transformatory elektryczne mogą pracować w najlepszym stanie, niezależnie od tego, w jakim napięciu zasilającym się znajdują.

Podstawową technologią tego projektu jest submikronowe spiekanie w niskiej temperaturze piezoelektryczne materiały ceramiczne , technologia współspalania elektrod wewnętrznych, technologia obróbki polaryzacyjnej i projektowanie strukturalne. Monolityczne (wielowarstwowe) piezoelektryczne transformatory ceramiczne (MPT) to transformatory elektroniczne trzeciej generacji posiadające następujące cechy.

① Ultracienki: grubość na ogół nie przekracza 4 mm.

②Wysoka wydajność konwersji: ponad 97% przy pełnym obciążeniu (obciążenie rezystancyjne).

③ Posiada funkcję samoobrony polegającą na automatycznym odcinaniu zwarcia obciążenia.

④Transformator rezonansowy: może realizować konwersję zerowego napięcia i zerowego prądu.

⑤ Charakterystyka wyjściowa quasi-stałego prądu dla obciążeń o niskiej impedancji.

⑥ Brak odwrotnego napięcia szczytowego, niezawodna ochrona obwodu wzmacniacza mocy.

⑦ Brak zakłóceń elektromagnetycznych.

⑧Brak awarii cewki, pękanie pleśni.

⑨Odporność na mgłę solną, dobra odporność na warunki atmosferyczne, szczególnie odpowiednia do stosowania w klimacie morskim.

 

2. Piezoelektryczny przetwornik ceramiczny i głośnik

Piezoelektryczne przetworniki ceramiczne są szeroko stosowane w sprzęcie elektroakustycznym, takim jak piezoelektryczne przetworniki ceramiczne i głośniki.

(1) Wibrator dwumembranowy (Rysunek 6-16). Sprzęt elektroakustyczny wymaga niskiej impedancji mechanicznej i może dopasować się do źródła dźwięku lub źródła wibracji, a wibrator piezoelektryczny z podwójną membraną może spełnić te wymagania. Wykonany jest z dwóch piezoelektrycznych arkuszy ceramicznych, które można rozciągnąć na długość. Kiedy jeden element jest rozciągany, drugi jest skracany i całość się wygina.

 

Podaje zasadę działania wibratora dwumembranowego. Kiedy kawałek ceramiki piezoelektrycznej o określonej grubości jest zginany pod wpływem siły, jedna strona jej grubości ulega wydłużeniu, a druga strona jest ściskana. W tym momencie wewnątrz elementu ceramicznego wygenerowane zostaną ładunki. , ale ponieważ kierunek polaryzacji całej membrany jest taki sam, górna strona jest wydłużona, a dolna ściśnięta, co powoduje, że elektryczny moment dipolowy jest przeciwny, a górna i dolna strona mają ten sam znak ładunku, więc nie ma różnicy potencjałów, jak pokazano na rysunku 6-16 (a). Jeśli zamiast tego zostanie zastosowana konstrukcja z podwójną membraną z dwoma nałożonymi na siebie arkuszami, przy zginaniu siły można uzyskać napięcie wyjściowe. Rysunek 6.16(b) przedstawia dwie membrany o przeciwnych kierunkach polaryzacji, połączone szeregowo. Po przyłożeniu siły górna część rozciąga się, a dolna ściska. Ponieważ kierunki polaryzacji są przeciwne, górna i dolna strona podwójnej membrany są ładowane o przeciwnych znakach i można uzyskać napięcie wyjściowe. Rysunek 6-16(c) powstaje poprzez równoległe połączenie dwóch membran o tym samym kierunku polaryzacji, co pozwala również uzyskać napięcie wyjściowe.

 

(2) Struktura i zasada działania piezoelektrycznego głośnika ceramicznego: Piezoelektryczny głośnik ceramiczny to proste i lekkie urządzenie elektroakustyczne o wysokiej czułości, bez rozpraszania pola magnetycznego, bez potrzeby stosowania drutów i magnesów miedzianych, niski koszt, niskie zużycie energii, łatwa naprawa, łatwa produkcja masowa itp.

Jego układ napędowy stanowi piezoelektryczna podwójna membrana ceramiczna, układ wibracyjny to papierowy stożek, a element sprzęgający skutecznie przenosi energię układu napędowego na układ wibracyjny. Podczas pracy energia elektryczna dodana do piezoelektrycznej podwójnej membrany ceramicznej zamienia się w energię mechaniczną, która przekazywana jest do papierowego stożka poprzez element sprzęgający, powodując jego wibracje i dźwięk. Podwójna membrana piezoelektryczna ma stosunkowo dużą impedancję, co stanowi napęd napięciowy. Zależność pomiędzy siłą F i napięciem V wynosi F=KV, a K jest współczynnikiem proporcjonalności. Jeżeli impedancja mechaniczna wibracji, w tym impedancja promieniowania, wynosi Z, prędkość wibracji wynosi: v=F/Z, można uzyskać ciśnienie akustyczne P w środku r wysokiej membrany. |P|=10fρS/r |v| gdzie: f – częstotliwość; ρ – gęstość średnia; S – powierzchnia efektywna trzonu kręgu. Ponadto inne przetworniki energii elektroakustycznej mogą być wykonane zgodnie z efektem piezoelektrycznym ceramiki piezoelektrycznej, takie jak nadajniki, odbiorniki, brzęczyki itp.