Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом ма­териале электрических зарядов при приложении к нему механических напряже­ний. Этот эффект наблюдается в природных кристаллах, таких как кварц (хими­ческая формула Si0₂), поляризованных керамических материалах и некоторых по­лимерах, например, в поливинилиденфториде. Говорят, что пьезоэлектрические материалы обладают ферроэлектрическими свойствами. Слово пьезо происходит из греческого piezen, означающего давление. Братья Кюри открыли пьезоэлект­рический эффект в кварце еще в 1880 году, но долгое время это открытие не имело почти никакого практического применения. Только в 1917 году французский про­фессор П. Лангевин использовал х-срез кварцевой пластины для возбуждения и детектирования звуковых колебаний в воде. Его открытие привело к созданию гидролокатора.

В 1927 году А. Мейснер [3] предложил упрощенную модель для объяснения пьезоэлектрического эффекта. Кристалл кварца в этой модели представлен в виде элементарных ячеек, состоящих из атомов Si и спаренных атомов 0₂ (рис. 3.21). Кварцевый кристалл имеет срезы вдоль осей х, у и z. На рис. 3.21 показано попе­речное сечение вдоль оси z- В элементарную монокристаллическую ячейку вхо­дят три атома кремния и шесть атомов кислорода. Каждый атом кремния облада­ет четырьмя положительными зарядами, а каждая пара атомов кислорода — че­тырьмя отрицательными (по два на атом). Поэтому без приложения механичес­ких напряжений кварцевая ячейка является электрически нейтральной. Когда вдоль оси х прикладывается внешняя сила F_x, кристаллическая решетка дефор­мируется. На рис. 3.21Б показано, как сдавливающая сила сдвигает атомы крис­талла таким образом, что положительный атом кремния перемещается на одну сторону решетки, а отрицательно заряженная пара атомов кислорода — на дру­гую. В результате чего вдоль оси у наблюдается перераспределение зарядов. Если кристалл растянуть вдоль оси х (рис. 3.21В), в результате деформации растяжения заряды перераспределятся вдоль оси у в противоположном направлении. Эта уп­рощенная модель показывает, как на поверхности кристаллического материала могут образовываться электрические заряды в ответ на приложенное механичес­кое воздействие. Подобное объяснение может быть дано пироэлектрическому эф­фекту, описанному в этом же разделе.

Для сбора электрических зарядов к кристаллу на противоположных сторонах от среза прикрепляют электроды (рис. 3.22). Построенный таким образом пьезоэ­лектрический датчик можно считать конденсатором, в котором в качестве диэлек­трика выступает сам кристалл, работающий как генератор электрических зарядов, приводящих к появлению электрического напряжения Кна электродах. Хотя заряд формируется только в местах приложения силы, металлические электроды вырав-

3 6 Пьезоэлектрический эффект 9 I jjj

нивают заряды вдоль всей их поверхности, лишая конденсатор избирательности. Однако, если форму электродов усложнить, можно определить точное место при­ложения внешней силы, детектируя сигналы с конкретных электродов.

Рис. 3.21 Пьезоэлектрический эффект кварцевого кристалла

Пьезоэлектрический эффект является обра­тимым физическим явлением Это означаем что приложенное к кристаллу электрическое напря­жение приводит к появлению механической де­формации Если разместить на кристалле не­сколько электродов и на одну пару из них подать напряжение, на остальных парах электродов бу­дет накапливаться заряд, сформированный из-за возникшей деформации Такой прием достаточ­но широко применяется в разных типах пьезоэ­лектрических преобразователей

Пьезоэлектрический эффект можно оце­нить через вектор поляризации [4]

Р=Р_xx + Р_vv +Р_u

где х, у и z — координатные оси обычной ортого­нальной системы, совмещенные с осями кристал­ла Слагаемые этого выражения определяются в сле­дующем виде (более полные формулы включают в себя также напряжение сдвига и соответствующие d-коэффициенты)"

(3 65)

где σ — осевое напряжение, d_mn — постоянные пьезоэлектрические коэффициен­ты вдоль ортогональных осей срезов кристалла Эти коэффициенты имеют раз­мерность Кулон/Ньютон, те единичный заряд на единицу силы

Глава 3. Физические приципы датчиков

Для удобства вычислений были введены две дополнительные единицы. Первая из них называется ^-коэффициентом и определяется как отношение соответствую­щей пьезоэлектрической константы и абсолютной диэлектрической постоянной:

Этот коэффициент показывает градиент напряжения на кристалле на каждую еди­ницу приложенного давления. Его размерность:

Другой коэффициент, И, представляет собой произведение ^-коэффициента на соответствующий модуль Юнга для каждой оси кристалла. Его размерность:

Пьезоэлектрические кристаллы являются прямыми преобразователями механи­ческой энергии в электрическую. Эффективность такого преобразования может быть выражена через, так называемый, коэффициент связи к_mn

Эти коэффициенты являются очень важными характеристиками для случаев, где необходимо обеспечивать высокую эффективность передачи энергии, например, в акустических и ультразвуковых датчиках.

Величина заряда, генерируемого на поверхности пьезоэлектрического крис­талла, пропорциональна силе, приложенной, например, в направлении оси х.

Q_x=d₁₁F_x. (3.68)

Кристалл с нанесенными на него электродами представляет собой конденсатор, обладающий емкостью С. Напряжение на этом конденсаторе определяется следу­ющим выражением:

В свою очередь, емкость может быть представлена (см. уравнение 3.23) через пло­щадь поверхности электрода а и толщину кристалла / (здесь учитывается площадь электродов, а не самого кристалла, поскольку пьезоиндуцированный заряд на­капливается только на них):

3.6. Пьезоэлектрический эффект

где ε₀ — электрическая постоянная, а к - диэлектрическая проницаемость. Тогда выражение для напряжения принимает вид:

Производство керамических пьезодатчиков из титаната цирконата свинца (PZT) начинается с подготовки порошков оксидов металлов очень высокой чистоты (ок­сида свинца, оксида циркония, оксида титана и др.). Порошки измельчаются до требуемого состояния и тщательно перемешиваются в строго определенной хи­мической пропорции. В процессе прокаливания, проходящего при достаточно высокой температуре, компоненты полученной смеси вступают в реакцию друг с другом, образуя порошок, каждое зерно которого по химическому составу близко к требуемой композиции. Но на этой стадии порошок не имеет еще необходимой кристаллической структуры.

Следующий технологический этап — смешение прокаленного порошка с твер­дыми и/или жидкими органическими связующими компонентами (которые дол­жны быть выжжены в процессе обжига) и построение из полученной смеси струк­туры, близкой по форме реализуемому сенсорному элементу. Для этого разрабо­тано несколько методов. Перечислим некоторые из них: прессование при помо­щи гидравлического пресса, литье (заливка вязких жидкостей в специальные фор­мы и их отверждение), выдавливание через специальную форму или прокат через пару круглых валов для получения тонких листов и ленточное литье (нанесение вязких составов на гладкую движущуюся ленту).

После этого сформированная структура помещается в печь для обжига, кото­рый проводится под строгим температурным контролем. В результате этой проце­дуры все органические связуюшие компоненты выжигаются, а объем уменьшается приблизительно на 15%. Далее материал нагревается до температуры красного ка­ления и поддерживается в этом состоянии некоторое время, называемое периодом выдержки, во время которого происходят окончательные химические реакции. После охлаждения материала кристаллическая структура считается сформирован­ной. В зависимости от типа материала полное время температурной обработки мо­жет составлять порядка 24 часов. Далее на поверхность полученной структуры не­обходимо нанести контакшые электроды. Это можно сделать несколькими мето­дами. Наиболее распространенными способами являются: трафаретная печать при помощи смеси серебра и стекла с повторным обжигом, нанесение покрытия мето­дом химического восстановления в специальных реакторах и напыление (обработ­ка парами металлов в условиях низкого вакуума).

Кристаллиты (кристаллические элементарные ячейки) материала могут рас­сматриваться как электрические диполи. В некоторых материалах, таких как кварц, эти ячейки обычно ориентированы вдоль осей кристалла, поэтому такие структуры обладают достаточно высокой чувствительностью к механическому напряжению. В других материалах диполи ориентированы произвольным образом, и для того, чтобы такие структуры проявили свои пьезоэлектрические свойства, их необходи­мо предварительно поляризовать. Существуют несколько технологий поляризации.

Глава 3. Физические приципы датчиков

Самой популярной из них считается тепловая поляризация, которая состоит из следующих этапов:

1. Кристаллический материал (керамическая или полимерная пленка), в котором диполи имеют произвольную ориентацию, медленно нагревается до тем­пературы, не превышающей точку Кюри. Некоторые типы материалов (напри­мер, пленки из поливинилидин фторида (PVDF)) необходимо привести в напря­женное состояние. Высокая температура приводит к возбуждению диполей, что помогает сравнительно легко их переориентировать в требуемом направлении.

2. Материалы помещаются в сильное электрическое поле Е (рис. 3.23Б), в котором диполи выстраиваются вдоль силовых линии. При этом не происходит полного выравнивания, и многие диполи отклоняются от направления поля. Од­нако достигается статистически преобладающая одинаковая ориентация диполей

3. Материал охлаждается при одновременном воздействии на него электри­ческого поля.

4 После охлаждения материала до требуемой температуры, электрическое поле устраняется, и процесс поляризации считается законченным. Пока поляри­зованный материал находится при температуре ниже температуры Кюри, он со­храняет свои поляризационные свойства Диполи поддерживают ориентацию, полученную при высокой температуре в электрическом поле (рис 3 23В).

(А) (Б) (В)

Рис. 3.23. Тепловая поляризация пьезоэлектрических и пироэлектрических ма­териалов

Другим методом поляризации является метод коронного разряда, применяе­мый при производстве полимерных пьезо/пироэлектриков Полимерная пленка подвергается воздействию коронного разряда Величина разряда достигает не­сколько миллионов вольт на сантиметр толщины пленки, и его действие продол­жается 40-50 секунд [5, 6| Это достаточно простои способ поляризации, который может проводиться при комнатной температуре.

Последними операциями при изготовлении чувствительного элемента явля­ются придание ему требуемой формы и чистовая обработка, которые включают себя обрезку, механическую обработку и шлифование. По окончании последних процедур обработки чувствительный пьезо (пиро) элемент вставляется в корпус датчика, где его электроды соединяются с электрическими выводами и другими электронными компонентами.

После поляризации кристаллы становятся постоянно поляризованными, но элек­трически заряженными они остаются только сравнительно короткий промежуток

3.6. Пьезоэлектрический эффект

времени. Это объясняется тем, что в окружающей среде находится много заряжен­ных ионов, а также достаточное количество свободных носителей зарядов содер­жится внутри самого материала, которые могут передвигаться под действием элек­трического поля, и эти свободные заряды, приближаясь к соответствующим кон­цам диполей, нейтрализуют их (рис. 3.23В). Поэтому вскоре поляризованный пье-зоматериал становится электрически разряженным и удерживается в этом состоя­нии в течение всего времени, пока находится в стационарных условиях. Однако когда к материалу прикладывается механическое напряжение, или он начинает об­дуваться ветром (см. раздел 10.7 главы 10), состояние равновесия нарушается и на поверхности пьезоэлектрика появляется электрический заряд. Если механическое напряжение будет поддерживаться некоторое время, заряды в материале опять ней­трализуются за счет внутренних утечек. Таким образом, можно сделать вывод, что пьезоэлектрические сенсоры являются чувствительными только к изменениям тен-зоусилий, а не к их постоянному уровню. Другими словами, пьезоэлектрические датчики — это устройства переменного, а не постоянного тока.

Направленная чувствительность пьезоэлектриков (^-коэффициенты) зависит от температуры. Для некоторых материалов (например, кварца) чувствительность падает с ростом температуры со скоростью —0.016%/°С. Для других пьезоэлектри­ков таких как пленки PVDF и керамики, при температурах до 40°С d-коэффициен­ты уменьшаются, а при более высоких температурах — растут. В настоящее время самыми популярными материалами для изготовления пьезоэлектрических датчи­ков являются разные типы керамики [7-9]. Одним из самых первых ферроэлектри-ческих керамических материалов был титанат бария, обладающий поликристалли­ческой структурой и следующей химической формулой: ВаТЮ₃. Стабильность по­ляризации обеспечивается за счет действия коэрцитивных сил диполей. В некото­рых материалах с течением времени происходит уменьшение поляризации. Для сни­жения этого эффекта в основной материал вводятся дополнительные добавки, цель которых заключается в «запирании» диполей в определенном положении [4]. И пье­зоэлектрическая константа, и диэлектрическая проницаемость материала к зави­сят от рабочей температуры. Поскольку эти величины входят в формулу (3.71): одна в числитель, другая в знаменатель, их изменения будут взаимно уничтожаться, что приведет к повышению стабильности выходного напряжения Vb широком темпе­ратурном диапазоне.

Пьезоэлектрические элементы могут использоваться либо в форме монокристал­ла, либо в виде многослойной структуры, в которой отдельные пластины соединяются вместе при помощи электродов, размещенных между ними. На рис. 3.24 показан двух­слойный датчик силы. Когда к этому датчику прикладывается внешняя сила, одна из его частей расширяется, в то время как другая сжимается, что при корректном включе­нии приводит к удвоению выходного сигнала. Двойные сенсоры могут включаться либо параллельно, как показано на рис. 3.25А, либо последовательно — рис. 3.25В. Электри­ческая эквивалентная схема пьезоэлектрического датчика представляет собой парал­лельное соединение сопротивления утечки r, емкости С и источника тока i', индуциро­ванного механическим напряжением. В зависимости от типа соединения слоев экви­валентные схемы сдвоенных датчиков будут соответствовать рис. 3.25Б и рис. 3.25Г. Сопротивление утечки, как правило, является очень большим (порядка Ш'МО¹⁴ Ом),

96 Глава 3 Физические приципы датчиков

это значит, что датчик обладает чрезвычайно высоким выходным импедансом. Поэтому для согласования с последующими электронными цепями необходимо ис­пользовать специальные интерфейсы, представляющие собой преобразователи за­ряда/гока в напряжение или усилители напряжения, имеющие высокие входные со­противления.

Рис. 3.25 Параллельное (А) и последовательное (В) соединения слоев в пьезоэ­лектрическом датчике и их соответствующие эквивалентные схемы (Б и Г)

Поиск по сайту: