Pietsosähköisyys, pietsosähköisyys - ilmiön fysiikka, tyypit, ominaisuudet ja sovellukset

Pietsosähköiset Eristeet on korostettu pietsosähköinen vaikutus.

Pietsosähköisyyden ilmiön löysivät ja tutkivat vuosina 1880-1881 kuuluisat ranskalaiset fyysikot Pierre ja Paul-Jacques Curie.

Yli 40 vuoden ajan pietsosähkö ei löytänyt käytännön sovellusta, ja se jäi fysiikan laboratorioiden omaisuudeksi. Vasta ensimmäisen maailmansodan aikana ranskalainen tiedemies Paul Langevin käytti tätä ilmiötä tuottaakseen ultraäänivärähtelyjä veteen kvartsilevystä vedenalaista paikantamista varten ("luotain").

Sen jälkeen useat fyysikot kiinnostuivat kvartsin ja joidenkin muiden kiteiden pietsosähköisten ominaisuuksien ja niiden käytännön sovellusten tutkimisesta. Heidän monien töidensä joukossa oli useita erittäin tärkeitä sovelluksia.

Esimerkiksi vuonna 1915 S.Butterworth osoitti, että kvartsilevy yksiulotteisena mekaanisena järjestelmänä, joka on virittynyt sähkökentän ja sähkövarausten vuorovaikutuksesta, voidaan esittää vastaavana sähköpiirinä, jossa kapasitanssi, induktanssi ja vastus on kytketty sarjaan.

Esittelemällä kvartsilevyn oskillaattoripiirinä Butterworth ehdotti ensimmäisenä vastaavaa piiriä kvartsiresonaattorille, joka on kaiken myöhemmän teoreettisen työn perusta. kvartsiresonaattoreista.

Pietsosähköinen vaikutus on suora ja käänteinen. Suoralle pietsosähköiselle vaikutukselle on ominaista eristeen sähköinen polarisaatio, joka johtuu siihen kohdistuvan ulkoisen mekaanisen rasituksen vaikutuksesta, kun taas eristeen pinnalle indusoitunut varaus on verrannollinen käytettyyn mekaaniseen rasitukseen:

Käänteisellä pietsosähköisellä efektillä ilmiö ilmenee päinvastoin - dielektri muuttaa mittojaan siihen kohdistetun ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta, kun taas mekaanisen muodonmuutoksen (suhteellisen muodonmuutoksen) suuruus on verrannollinen näytteeseen kohdistettu sähkökenttä:

Suhteellisuustekijä molemmissa tapauksissa on pietsomoduli d. Saman pietsosähköisen vaikutuksen pietsomodulit suoralle (dpr) ja käänteiselle (drev) pietsosähköiselle vaikutukselle ovat samat. Siten pietsosähköiset ovat eräänlainen reversiibeli sähkömekaaninen muuntaja.

Pitkittäinen ja poikittainen pietsosähköinen vaikutus

Pietsosähköinen vaikutus näytteen tyypistä riippuen voi olla pitkittäinen tai poikittaissuuntainen.Pitkittäisen pietsosähköisen vaikutuksen tapauksessa jännitykseen tai ulkoiseen sähkökenttään kohdistuva venymä synnytetään samaan suuntaan kuin aloitusvaikutus. Poikittaisella pietsosähköisellä vaikutuksella varausten esiintyminen tai muodonmuutoksen suunta on kohtisuorassa niitä aiheuttavan vaikutuksen suuntaan.

Jos vaihtuva sähkökenttä alkaa vaikuttaa pietsosähköiseen, siihen ilmestyy vuorotteleva muodonmuutos samalla taajuudella. Jos pietsosähköinen vaikutus on pitkittäinen, muodonmuutoksilla on puristuksen ja jännityksen luonne käytetyn sähkökentän suunnassa, ja jos se on poikittaissuuntainen, havaitaan poikittaisia ​​aaltoja.

Jos käytetyn vaihtosähkökentän taajuus on yhtä suuri kuin pietsosähköisen resonanssitaajuus, niin mekaanisen muodonmuutoksen amplitudi on suurin. Näytteen resonanssitaajuus voidaan määrittää kaavalla (V on mekaanisten aaltojen etenemisnopeus, h on näytteen paksuus):

Pietsosähköisen materiaalin tärkein ominaisuus on sähkömekaaninen kytkentäkerroin, joka ilmaisee mekaanisten värähtelyjen voiman Pa ja niiden herättämiseen kuluvan sähkötehon Pe välisen suhteen iskusta näytteeseen. Tämä kerroin saa yleensä arvon välillä 0,01 - 0,3.

Pietsosähköille on ominaista materiaalin kiderakenne, jossa on kovalenttinen tai ioninen sidos ilman symmetriakeskusta. Materiaaleilla, joilla on alhainen johtavuus ja joissa on vähäisiä vapaita varauksenkantajia, on tunnusomaista korkeat pietsosähköiset ominaisuudet.Pietsosähköihin kuuluvat kaikki ferrosähköiset materiaalit sekä runsaasti tunnettuja materiaaleja, mukaan lukien kvartsin kiteinen modifikaatio.

Yksikiteinen pietsosähkö

Tähän pietsosähköisten aineiden luokkaan kuuluvat ioniset ferrosähköiset materiaalit ja kiteinen kvartsi (beta-kvartsi SiO2).

Beetakvartsin yksikiteinen kide on kuusikulmainen prisma, jonka sivuilla on kaksi pyramidia. Korostetaan tässä muutamia kristallografisia suuntauksia. Z-akseli kulkee pyramidien kärkien läpi ja on kiteen optinen akseli. Jos tällaisesta kiteestä leikataan levy tiettyyn akseliin (Z) nähden kohtisuorassa suunnassa, pietsosähköistä vaikutusta ei voida saavuttaa.

Piirrä X-akselit kuusikulmion kärkien läpi, tällaisia ​​X-akseleita on kolme.Jos leikkaat levyt kohtisuoraan X-akseleita vastaan, saadaan näyte, jolla on paras pietsosähköinen vaikutus. Tästä syystä X-akseleita kutsutaan kvartsin sähköakseleiksi. Kaikki kolme Y-akselia, jotka on piirretty kohtisuoraan kvartsikiteen sivuille, ovat mekaanisia akseleita.

Tämän tyyppinen kvartsi kuuluu heikkoihin pietsosähköihin, sen sähkömekaaninen kytkentäkerroin on välillä 0,05 - 0,1.

Kiteisellä kvartsilla on ollut suurin käyttökelpoisuus johtuen sen kyvystä ylläpitää pietsosähköisiä ominaisuuksia jopa 573 °C:n lämpötiloissa. Pietsosähköiset kvartsiresonaattorit ovat vain tasosuuntaisia ​​levyjä, joihin on kiinnitetty elektrodit. Tällaisille elementeille on ominaista selvä luonnollinen resonanssitaajuus.

Litiumniobiitti (LiNbO3) on laajalti käytetty pietsosähköinen materiaali, joka liittyy ioniferrosähköisiin (yhdessä litiumtantalaatti LiTaO3 ja vismuttigermanaatti Bi12GeO20).Ioniset ferrosähköiset materiaalit esihehkutetaan voimakkaassa sähkökentässä Curie-pisteen alapuolella olevassa lämpötilassa, jotta ne saadaan yhden alueen tilaan. Tällaisilla materiaaleilla on korkeammat sähkömekaanisen kytkentäkertoimet (jopa 0,3).

Kadmiumsulfidi CdS, sinkkioksidi ZnO, sinkkisulfidi ZnS, kadmiumselenidi CdSe, galliumarsenidi GaAs jne. Ne ovat esimerkkejä puolijohdetyyppisistä yhdisteistä, joissa on ioni-kovalenttinen sidos. Nämä ovat niin sanottuja pietsopuolijohteita.

Näiden dipoliferrosähköisten aineiden, etyleenidiamiinitartraatti C6H14N8O8, turmaliini, Rochelle-suolan yksittäiskiteet, litiumsulfaatti Li2SO4H2O - pietsosähköisistä aineista saadaan myös.

Monikiteinen pietsosähkö

Ferrosähköinen keramiikka kuuluu monikiteisiin pietsosähköihin. Pietsosähköisten ominaisuuksien antamiseksi ferrosähköiselle keramiikalle tällaista keramiikkaa on polarisoitava tunnin ajan vahvassa sähkökentässä (voimakkuus 2-4 MV/m) lämpötilassa 100-150 °C, jotta tämän altistuksen jälkeen , polarisaatio jää siihen, mikä mahdollistaa pietsosähköisen vaikutuksen. Näin saadaan vankka pietsosähköinen keramiikka, jonka pietsosähköiset kytkentäkertoimet ovat 0,2 - 0,4.

Vaaditun muotoiset pietsosähköiset elementit valmistetaan pietsokeramiikasta, jotta saadaan sitten vaaditun luonteisia mekaanisia värähtelyjä (pitkittäis-, poikittais-, taivutus-). Teollisen pietsokeramiikan pääedustajat valmistetaan bariumtitanaatin, kalsiumin, lyijyn, lyijysirkonaatti-titanaatin ja bariumlyijyniobaatin pohjalta.

Pietsosähköiset polymeerit

Polymeerikalvoja (esim. polyvinylideenifluoridi) venytetään 100-400 %, sitten polarisoidaan sähkökentässä ja sitten elektrodit asetetaan metalloimalla. Siten saadaan kalvopietsosähköisiä elementtejä, joiden sähkömekaaninen kytkentäkerroin on luokkaa 0,16.

Pietsosähköisten laitteiden käyttö

Erilliset ja toisiinsa kytketyt pietsosähköiset elementit löytyvät valmiiden radioteknisten laitteiden - pietsosähköisten muuntimien, joihin on kiinnitetty elektrodit, muodossa.

Tällaisia ​​kvartsista, pietsosähköisestä keramiikasta tai ionisesta pietsosähköisestä valmistettuja laitteita käytetään sähköisten signaalien tuottamiseen, muuntamiseen ja suodattamiseen. Taso-rinnakkaislevy leikataan kvartsikiteestä, elektrodit kiinnitetään - saadaan resonaattori.

Resonaattorin taajuus ja Q-kerroin riippuvat kulmasta kristallografisiin akseleihin nähden, jossa levy leikataan. Tyypillisesti radiotaajuusalueella 50 MHz asti tällaisten resonaattoreiden Q-kerroin saavuttaa arvon 100 000. Lisäksi pietsosähköisiä muuntajia käytetään laajalti pietsosähköisinä muuntajina, joilla on suuri tuloimpedanssi, tyypillisesti laajalla taajuusalueella.

Laatutekijän ja taajuuden suhteen kvartsi ylittää ionipietsosähköiset ominaisuudet, ja se pystyy toimimaan jopa 1 GHz:n taajuuksilla. Ohuimpia litiumtantalaattilevyjä käytetään ultraäänivärähtelyjen lähettäjinä ja vastaanottimina taajuudella 0,02-1 GHz, resonaattoreissa, suodattimissa, akustisten pinta-aaltojen viivelinjoissa.

Pietsosähköisten puolijohteiden ohuita kalvoja, jotka on kerrostettu dielektrisille substraateille, käytetään interdigitaalisissa muuntimissa (tässä muuttuvia elektrodeja käytetään virittämään pinta-akustisia aaltoja).

Matalataajuiset pietsosähköiset anturit valmistetaan dipoliferrosähköisistä materiaaleista: pienoismikrofonit, kaiuttimet, poimijat, paine-, muodonmuutos-, tärinä-, kiihtyvyysanturit, ultraäänilähettimet.