Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

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 Fx, 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]

(3 64)

Р=Рxx + Рvvu

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, dmnпостоянные 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 кmn

 

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.

Qx=d11Fx. (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)




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.