Piezoelektrisk effekt av piezoelektrisk keramik

När den piezoelektriska keramen är polariserad, finns det en stark återstående fältpolarisering inuti det keramiska materialet. När det keramiska materialet utsätts för en yttre kraft, orsakar gränsen av domänen en förändring i polarisationsintensiteten och resulterar i en piezoelektrisk effekt.

 Den polariserade piezoelektriska keramen har en mycket hög piezoelektrisk koefficient, som är ungefär flera hundra gånger den hos en kvartskristall, men den mekaniska hållfastheten är sämre än en kvartskristall.

Piezokeramiska plattomvandlare är ämnen såsom ferroelektriska ämnen och är artificiellt tillverkade polykristallina piezoelektriska material med en domänstruktur som liknar den magnetiska domänstrukturen hos ferromagnetiska material. En domän är en region där en molekyl spontant bildas. Den har en viss polarisationsriktning, så att ett visst elektriskt fält existerar. I frånvaro av ett externt elektriskt fält är de individuella domänerna slumpmässigt fördelade på kristallen, och deras polarisationseffekter upphävs varandra, så den ursprungliga piezoelektriska keramen har noll intern polarisation.

Emellertid, när voltmetern var ansluten till de två elektroderna på det keramiska arket för mätning, kunde polarisationen som fanns inuti det keramiska arket inte mätas. Detta beror på att polariseringen i det piezokeramiska arket alltid uttrycks i form av ett elektriskt dipolmoment, det vill säga en positivt bunden laddning uppstår i ena änden av keramen och en negativt bunden laddning uppstår i den andra änden. På grund av verkan av den bundna laddningen, adsorberas en laddning från utsidan på elektrodytan av det keramiska arket. Dessa fria laddningar är lika med det bundna laddningstecknet i det keramiska arket, vilket verkar för att skydda och motverka effekterna av polarisering inom det keramiska arket på omvärlden. Därför kan voltmetern inte mäta graden av polarisation i det keramiska arket.

Om ett tryck F parallellt med polarisationsriktningen appliceras på det keramiska arket, som visas i figuren, kommer det keramiska arket att genomgå kompressionsdeformation (streckad linje i figuren), avståndet mellan de positiva och negativa bundna laddningarna i arket blir mindre, och polarisationsintensiteten ändras också. Därför frigörs en del av den fria laddningen som ursprungligen adsorberats på elektroden, och ett laddningsfenomen uppstår. När trycket tas bort återgår den keramiska biten till sitt ursprungliga tillstånd (detta är en expansionsprocess), avståndet mellan de positiva och negativa laddningarna i filmen blir större, och polarisationsintensiteten blir också större, så att några fria laddningar adsorberas på elektroden och laddningsfenomenet uppstår. piezoelektrisk effekt.

På liknande sätt, om ett elektriskt fält med samma polarisationsriktning av piezokeramik med hög effekt appliceras på det keramiska arket, som visas i figuren, eftersom riktningen för det elektriska fältet är samma som riktningen för polarisationen, ökar det elektriska fältets verkan polarisationen. Vid denna tidpunkt ökas också avståndet mellan de positiva och negativa bundna laddningarna i det keramiska arket, det vill säga det keramiska arket är förlängt i polarisationsriktningen (streckad linje i figuren). På liknande sätt, om riktningen för det pålagda elektriska fältet är motsatt polarisationsriktningen, förkortas det keramiska arket i polarisationsriktningen. Detta fenomen att förvandlas till en mekanisk effekt på grund av en elektrisk effekt eller en övergång från elektrisk energi till mekanisk energi är en omvänd piezoelektrisk effekt.

   

Det kan ses att den piezoelektriska keramiken har en piezoelektrisk effekt på grund av den spontana polariseringen inuti keramiken. Efter att den spontana polariseringen har utsatts för polariseringsprocessen och tvingats inriktas, finns kvarvarande polarisation i keramen. Om den yttre verkan (som verkan av tryck eller elektriskt fält) kan ändra polarisationen, kommer piezokeramik att ha en piezoelektrisk effekt. Dessutom kan man se att de polariserade laddningarna i keramiken är bundna laddningar, den frigör inte laddningar, och dessa bundna laddningar kan inte röra sig fritt. Därför orsakas urladdnings- eller laddningsfenomenet som genereras i keramen av förändringen av den interna polariseringen av keramen, vilket orsakar frigöring eller påfyllning av den fria laddningen på elektrodytan.

När den piezoelektriska keramiken utsätts för en kraft Fz i polarisationsriktningen (Z-riktningen) på polarisationsplanet (dvs kraften är vinkelrät mot polarisationsplanet), då på de två silverpläterade (eller guld) polarisationsplanen, uppträder positiva respektive negativa laddningar, laddningsmängden Qzz är proportionell mot kraften Fz, dvs.

Piezoelektriskt material:

Piezoelektriska kristaller, såsom kvarts;
Piezoelektrisk keramik, såsom bariumtitanat, blyzirkonattitanat, etc.;
Piezoelektriska halvledare såsom zinksulfid, kadmiumtellurid och liknande.
        
Krav på piezoelektriska materialegenskaper:

De enastående fördelarna med piezoelektriska keramiska remsor kvartskristaller är mycket stabila för prestanda, hög mekanisk hållfasthet och utmärkta isoleringsegenskaper. Emellertid är kvartsmaterial dyra och har en mycket lägre piezoelektrisk koefficient än piezoelektrisk keramik. Därför används den i allmänhet bara i standardinstrument eller sensorer som kräver högre krav. Eftersom kvarts är en anisotrop kristall varierar de fysikaliska egenskaperna (såsom elasticitet, piezoelektrisk effekt, temperaturegenskaper, etc.) hos wafers som skärs i olika riktningar kraftigt. För att designa kvartssensorn väljs kvartsets skärform korrekt enligt olika applikationskrav.