Viktiga tillämpningar av piezoelektrisk keramik

                           Viktiga tillämpningar av piezoelektrisk keramik

Piezoelektrisk keramik har använts i stor utsträckning på grund av sin piezoelektricitet och mångfalden av elektromekaniska egenskaper som orsakas av piezoelektricitet. På grund av det stora utbudet av piezoelektriska keramiska enheter och deras breda användningsområde är det svårt att strikt klassificera dem med en enkel metod. Allmänna tillämpningar kan grovt delas in i två kategorier: piezoelektriska vibratorer och piezoelektriska givare.

1. Givare

Tillämpningen av den piezoelektriska effekten varierar, och en av de viktigaste är att använda dens s omvandlaregenskaper  . Det är energiomvandlingsegenskaper , det  är  effekten av elektricitet som appliceras på den piezoelektriska keramen, den elektriska energin kan omvandlas till mekanisk energi genom den omvända spänningseffekten; Den elektriska effekten omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi. Människor använder sig av denna fysiska egenskap hos piezoelektrisk keramik för att tillverka många typer av piezoelektriska enheter, som ofta används inom undervattenskommunikation, ultraljud, högspänningständning och andra områden.

1, Piezoelektrisk keramisk tändare

Detta är en anordning som omvandlar mekanisk kraft till elektriska gnistor för att antända brännbart material. Det är en elektromekanisk givare. 1958 var han pionjär med användningen av piezoelektrisk effekt av bariumtitanat (BaTiO3) keramik för antändning. Tändningshastigheten för detta piezo element piezo stav är inte hög, och ljudet är stort. 1962 användes piezoelektrisk keramik av blyzirkonattitanat (PZT) för att tillverka tändare. Denna typ av tändare används ofta i det dagliga livet, industriell produktion och militära angelägenheter och används för att antända och detonera gaser, olika sprängämnen och raketer.

(1) Grundprincip: Tändarens arbetsprocess är uppdelad i tre steg: högspänningsgenerering, urladdningständning och antändning av brännbar gas. Högspänningsgenerering - Ta cylindriska piezoelektriska keramiska element som ett exempel, när den mekaniska kraften F verkar på cylindern kommer kristallen att förvrängas, vilket gör att mitten av positiva och negativa laddningar i kristallen förskjuts, så att en stor mängd fria laddningar kommer att dyka upp på de övre och nedre ytorna av cylindern som ackumulerar en högspänningsutmatning. Utspänningen är: V=ga3Fh/A, där A——cylinderns tvärsnittsarea; h——cylinderns höjd; ga3——den piezoelektriska spänningskonstanten. Urladdningständning - sätt det piezoelektriska keramiska elementet i en sluten krets och lämna ett ordentligt mellanrum. När spänningen stiger till urladdningsspänningen för gapet kommer en urladdningsgnista att genereras i gapet. Antändning av brännbar gas - allmän bränslegas är inte lätt att bränna, så etan som är lätt att förgasa används mest. För att förlänga urladdningstiden och förhindra att gnistan släcks för snabbt, för att öka antändningshastigheten. Ett lämpligt motstånd kan kopplas i serie vid urladdningsänden.

 

(2) Tändarens struktur och funktionsprincip , här finns många typer av tändare, och hushållens piezoelektriska tändare tas som ett exempel för att illustrera dess struktur och funktionsprincip. Den kan fästas på hushållsspisen för att tända gasen, vrid på kamomkopplaren, den  använder den utskjutande delen av kammen för att trycka slagblocket och komprimera fjädern bakom slagblocket. När den utskjutande delen av kammen bryter av från slagblocket, på grund av fjäderns elastiska kraft, ger slagblocket det  piezokeramiska piezoelektriska .elementet en slagkraft, som genererar hög spänning i båda ändarna av det piezoelektriska elementet, och matar ut högspänning från mittelektroden för att generera en elektrisk gnista för att tända gasen.

 

2. Akustisk undervattensgivare

En akustisk undervattensgivare är en givare som används för undervattenskommunikation och detektering. Människor vet att luftkommunikation och detektering huvudsakligen är beroende av elektromagnetiska vågor, såsom radiokommunikation och radarutrustning, etc., alla är beroende av elektromagnetiska vågor för att överföra information i luften. Det är inte möjligt att använda elektromagnetiska vågor för undervattenskommunikation och detektering. Detta beror på att elektromagnetiska vågor har en stor utbredningsförlust i vatten, och de kommer att absorberas av någon som inte reser långt. Utbredningsförlusten av ljudvågor i vatten är dock mycket liten, så undervattenskommunikation och detektering använder främst Ljudvågor används för att överföra information, och instrumenten som genererar och detekterar ljudvågor kallas ekolodssystem. Ekolodssystem är oumbärliga verktyg för undervattensnavigering, kommunikation, detektering av ubåtar och fiskstim och marin forskning. Människor jämför ekolod i vattnet med radar i luften, och ekolodssystemets ögon och öron är akustiska undervattensgivare. Forskning om akustiska undervattensgivare började under första världskriget. Frankrikes Langevin använde först kvartskristaller för att tillverka akustiska undervattensgivare baserade på den piezoelektriska effekten. Även om den akustiska undervattensgivaren skapad av Lang Zhiwan var begränsad av tekniska förhållanden vid den tiden och faktiskt inte användes på djuphavsubåtar, gav den ett betydande bidrag till utvecklingen av akustisk undervattensvetenskap i framtiden. Langevin-givaren använder den omvända spänningseffekten från kvartskristallen för att avge ljudvågor i vattnet, piezokeramikrör tar emot ljudvågorna som returneras från vattnet genom den positiva spänningseffekten, och utför vissa undervattensmätningar enligt den fram- och återgående tiden för pulsljudvågorna.

Människor har gjort djupgående och systematisk forskning om piezoelektriska akustiska undervattensgivare för att göra dem praktiska. De huvudsakliga piezoelektriska materialen som användes vid den tiden var dock vattenlösliga piezoelektriska kristaller - Roche-salt och kaliumdioxifosfat. I slutet av 1950-talet dök piezoelektrisk keramik upp. Att tillverka akustiska undervattensgivare med piezoelektrisk keramik har nästan blivit det huvudsakliga piezoelektriska materialet som människor valt. Eftersom det har många egenskaper som piezoelektriska kristaller inte hade tidigare, har det blivit det mest idealiska piezoelektriska materialet för att tillverka akustiska undervattensgivare, och det finns inget annat material som kan matcha det. De viktigaste fördelarna med piezoelektriska keramiska akustiska undervattensgivare är:

(1) Inget behov av DC-förspänning och spole, vibrationssystemet är enkelt;

(2) Den piezoelektriska keramiska givaren är liten i storlek och har utmärkta egenskaper;

(3) Piezoelektriska keramiska givare kan göras i valfri form efter behov.

Piezoelektriska givare är den mest använda typen av givare inom området för akustisk undervattensteknik. Prestandaindikatorerna för akustiska undervattensgivare behöver bara ha arbetsfrekvens, elektromekanisk kopplingskoefficient, elektromekanisk omvandlingskoefficient, kvalitetsfaktor, frekvenskarakteristika, impedansegenskaper, riktningsegenskaper, amplitudkarakteristika, överföringskänslighet, mottagningskänslighet, sändareffekt, temperatur och tidsstabilitetsegenskaper, men mekanisk styrka och sändarstyrka är inte nödvändig för en praktisk vikt, etc. många indexkrav oavsett tillfälle, utan att lägga fram olika och representativa indexkrav efter dess användning och tillämpningstillfällen.

För det andra den piezoelektriska vibratorn

Efter uppkomsten av PZT piezoelektrisk keramik , det är möjligt att göra keramiska filter. Keramiska filter med olika frekvenser kan tillverkas genom att använda olika vibrationslägen för piezoelektriska vibratorer. Det tidigaste använda vibrationsläget är radiell vibration eller konturvibration, vilket gör 455 kHz filter. Senare utvecklades frekvensen av keramiska filter till båda ändar, med den höga änden som nådde 10MHz och den låga änden nådde under 1kHz. På grund av tillämpningen av energifällningsläget är frekvensen för det keramiska filtret så hög som 100MHz, det akustiska ytvågsfiltret som exciteras av den interdigitala givaren har nått över 1GHz, och den högsta frekvensen för det akustiska ytvågsfiltret som använder piezoelektrisk keramik som substrat har varit upp till 630MHz.

Den piezoelektriska transformatorn är också en vibrator när det gäller dess tillämpning, och dess grundläggande struktur är att sätta två uppsättningar elektroder på den piezoelektriska keramiska kroppen för att bilda fyra terminaler. Att lägga till en elektrisk signal till primärsidan får den att resonera, och sekundärsidan har en utgång. På så sätt fungerar den som en transformator vid tidpunkten för resonans. Forskningen om piezoelektriska transformatorer startade tidigare. Effekten och drivspänningen hos piezoelektriska transformatorer gjorda av monolitisk keramik är inte lätt att öka. Den piezoelektriska flerskiktstransformatorn är tillverkad med samma flerskiktskompositteknologi som den monolitiska kondensatortillverkningstekniken, och dess effekt och drivspänning är avsevärt förbättrade, vilket ytterligare utökar tillämpningsområdet för den piezoelektriska transformatorn.

 

1. Piezoelektrisk transformator

Piezoelektriska transformatorer har utvecklats sedan 1950-talet. På den tiden användes bariumtitanat som huvudmaterial. Boostförhållandet är lågt (endast 50~60 gånger). Utspänningen är ca 3000V. Med uppkomsten av blyzirkonattitanat piezoelektriska keramiska material ökas uppstegsförhållandet till 300 ~ 500 gånger, och det populariseras gradvis och används i tv-apparater, elektrostatiska kopiatorer och negativa jongeneratorer som högspänningsaggregat.

(1) Grundläggande principer. Den elektriska vibrationsenergin som tillförs den piezoelektriska keramen omvandlas till mekanisk vibrationsenergi genom den omvända piezoelektriska effekten och omvandlas sedan till elektrisk energi genom den positiva piezoelektriska effekten. Impedansomvandling (från lågimpedans till högimpedans) realiseras under dessa två energiomvandlingar, så att hög piezoelektrisk uteffekt kan erhållas vid den keramiska skivans resonansfrekvens. Ta nu de horisontella och vertikala transformatorerna med sträckvibrationer som ett exempel för att illustrera principen för transformatorer.

 

Hela det keramiska chippet är uppdelat i två delar, den vänstra delen är ingångsänden (även känd som drivdelen), det finns brända silverelektroder på de övre och nedre sidorna, polariserade längs tjockleksriktningen, den högra delen är utgångsänden (även känd som kraftgenereringsdelen), och den högra delen är utgångsänden (även känd som kraftgenereringsdelen). Det finns brända silverelektroder på ytan. Polariserad längs dess längd. När en växelspänning appliceras på ingångsänden, på grund av den omvända spänningseffekten, kommer den keramiska biten att producera sträckande vibrationer längs längdriktningen, vilket kommer att omvandla den ingående elektriska energin till mekanisk energi; medan kraftgenereringsdelen kommer att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi genom den positiva spänningseffekten, och sedan överföra den från utgångsänden Utspänningen. När det inte finns någon belastning är det öppna kretsförstärkningsförhållandet, Qm den mekaniska kvalitetsfaktorn för materialet; K31, K33 är de längsgående och tvärgående elektromekaniska kopplingskoefficienterna för materialet; L är längden på kraftgenereringsdelen; t är transformatorns tjocklek. Piezoelektriska transformatorer används huvudsakligen vid högspännings-, lågeffekt- och sinusvågsomvandling och har unika fördelar som hög utspänning, låg vikt, liten storlek, inget läckande magnetfält och ingen förbränning. För att erhålla flera spänningsutgångar, enligt utspänningen från den horisontella-vertikala transformatorn är proportionell mot längden, ju närmare slutet av kraftgenereringsdelen, desto högre spänning, och elektroder kan göras vid olika positioner av kraftgenereringsdelen som axelhuvuden för att erhålla olika spänningsutgångar.

 

(2) Den grundläggande arbetsprincipen och egenskaperna hos monolitiska (flerlagers) piezoelektriska keramiska transformatorer. Piezoelektrisk keramik är ett sprött material. För att säkerställa dess mekaniska styrka måste den piezoelektriska transformatorn ha en viss tjocklek, och drivspänningen för den ovan nämnda transformatorn är ganska begränsad. Av denna anledning kom det monolitiska (flerlagers) piezoelektriska keramiska transformatorprojektet till. Efter att ha antagit den monolitiska (flerlager) strukturen kan tjockleken och antalet lager för varje enskilt lager justeras, och drivspänningen är inte längre begränsad, så spänningen kan göras Elektriska transformatorer kan fungera i bästa tillstånd oavsett vilken drivspänning de är i.

Kärnteknologierna i detta projekt är submikron lågtemperatursintrade piezoelektriska keramiska material , sambränningsteknik för inre elektroder, teknik för polarisationsbehandling och strukturell design. Monolitiska (flerlagers) piezoelektriska keramiska transformatorer (MPT) är den tredje generationen elektroniska transformatorer med följande egenskaper.

① Ultratunn: tjockleken överstiger vanligtvis inte 4 mm.

②Hög konverteringseffektivitet: över 97 % vid full belastning (resistiv belastning).

③ Den har självskyddsfunktionen för automatisk avstängning av lastkortslutning.

④Resonanstransformator: Den kan realisera nollspänning och nollströmomvandling.

⑤ Den har kvasi-konstant strömutgångsegenskaper för lågimpedansbelastningar.

⑥ Ingen omvänd toppspänning, tillförlitligt skydd av effektförstärkarkretsen.

⑦ Inga elektromagnetiska störningar.

⑧ Inget spiralavbrott, mögelbrott.

⑨Saltsprutbeständighet, bra väderbeständighet, speciellt lämplig för användning i marina klimat.

 

2. Piezoelektrisk keramisk pickup och högtalare

Piezoelektriska keramiska givare används ofta i elektroakustisk utrustning, såsom piezoelektriska keramiska pickuper och högtalare.

(1) Vibrator med dubbla membran (Figur 6-16). Elektroakustisk utrustning kräver låg mekanisk impedans och kan matcha ljudkällan eller vibrationskällan, och den piezoelektriska vibratorn med dubbla membran kan uppfylla dessa krav. Den är gjord av två piezoelektriska keramiska skivor som är töjbara i längd. När en bit sträcks förkortas den andra biten och hela böjer sig.

 

Det ger arbetsprincipen för vibratorn med dubbla membran. När en bit piezoelektrisk keramik med en viss tjocklek böjs under kraft, förlängs ena sidan av dess tjocklek och den andra sidan komprimeras. Vid denna tidpunkt kommer laddningar att genereras inuti den keramiska biten. , men eftersom polarisationsriktningen för hela membranet är densamma, är ovansidan långsträckt, och undersidan komprimeras, vilket gör att det elektriska dipolmomentet blir motsatt, och de övre och undre sidorna har samma laddningstecken, så det finns ingen potentialskillnad, som visas i figur 6-16 (a ) som visas. Om istället en dubbelmembranstruktur med två överlagrade plåtar används kan en spänningsutgång erhållas när kraften böjs. Figur 6-16(b) använder två membran med motsatta polarisationsriktningar kopplade i serie. När en kraft appliceras sträcker sig den övre och den nedre komprimeras. Eftersom polarisationsriktningarna är motsatta laddas dubbelmembranets övre och undre sidor med motsatta tecken, och en spänningsutgång kan erhållas. Figur 6-16(c) är utformad genom att parallellkoppla två membran med samma polarisationsriktning, och utspänningen kan också erhållas.

 

(2) Piezoelektrisk keramisk högtalares struktur och arbetsprincip: Piezoelektrisk keramisk högtalare är en enkel och lätt elektroakustisk enhet med hög känslighet, inget magnetfältspill, inget behov av koppartrådar och magneter, låg kostnad, låg strömförbrukning, enkel reparation, enkel massproduktion, etc.

Dess drivsystem är ett piezoelektriskt keramiskt dubbelmembran, vibrationssystemet är en papperskon och kopplingselementet överför effektivt drivsystemets energi till vibrationssystemet. Under arbetet omvandlas den elektriska energin som tillförs det piezoelektriska keramiska dubbelmembranet till mekanisk energi, som överförs till papperskonen genom kopplingselementet för att få den att vibrera och ljuda. Det piezoelektriska dubbelmembranet har en relativt hög impedans, vilket utgör en spänningsdrift. Förhållandet mellan kraften F och spänningen V är F=KV, och K är proportionalkoefficienten. Om den mekaniska vibrationsimpedansen inklusive strålningsimpedansen är Z, är vibrationshastigheten: v=F/Z, ljudtrycket P i mitten r av det höga membranet kan erhållas. |P|=10fρS/r |v| där: f—frekvens; ρ—medeldensitet; S—effektivt område av kotkroppen. Dessutom kan andra elektroakustiska energiomvandlare tillverkas enligt den piezoelektriska effekten av piezoelektrisk keramik, såsom sändare, mottagare, summer, etc....