Что такое пьезоэлектрический эффект

Новые методы изготовления

Литье под давлением было разработано в качестве дешевого метода изготовления
композитов керамика-полимер . Предполагаемые применения включали решетки
преобразователей для ультразвуковых систем визуализации и решетки
преобразователь-актюатор для систем подавления вибрации. Более высокие рабочие
частоты и, следовательно, меньшие характерные размеры требуются для повышения
разрешающей способности ультразвуковых систем изображения. При уменьшении
характерного размера до 50 мкм и ниже основным требованием при
изготовлении становится механическая прочность.

Использование новых методов синтеза и обработки для получения мелкозернистых
микроструктур является плодотворным подходом для улучшения механических свойств
при условии обеспечения эквивалентных пьезоэлектрических свойств.

Миниатюрные пьезокерамические трансформаторы были разработаны на основе
сегнетожестких керамик для дисплеев с плоским экраном и других применений,
связанных с компьютерами. Потребность в массовом производстве пьезокерамических
материалов с высокой механической добротностью и высокими возбуждающими
напряжениями могут потребовать использования новых методов получения керамики.

Методы химического синтеза были успешно использованы для получения
конденсаторных диэлектриков и, несмотря на более высокую стоимость порошков,
обеспечили значительные преимущества – получение более тонких слоев и
возможность нанесения никелевых электродов. Гидротермальный синтез и
другие современные методы также были предложены для получения
пьезокерамики. Однако, несмотря на перспективу улучшения параметров и надежности,
ни один из методов не вышел за рамки модельных оценочных этапов.

Директивное внедрение бессвинцовых пьезоэлектрических керамик может
потребовать значительных R&D для выбора подходящих пьезоэлектрических
составов и разработки методов производства этих новых материалов . Кроме
того, разработчики систем будут вынуждены согласиться с малой пьезоэлектрической
деформацией и сконцентрироваться на подходах, обеспечивающих увеличение
деформаций. Примерами недавно коммерциализированных технологий увеличения
деформаций являются актюаторы типа “rainbow” и “moomes” .

Общие сведения о пьезоэлектрических резонаторах

Пьезоэлектрические резонаторы являются пассивными компонентами радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и предназначены для использования в аналоговых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определенной частоты или полосы частот.

В широкой области частот сопротивление пьезоэлектрических резонаторов имеет емкостный характер и только на некоторых частотах имеет резко выраженный резонанс, что определяет название компонента. Термин «пьезоэлектрический» показывает, что действие компонента основано на использовании пьезоэлектрических свойств материала, из которого изготовлен пьезоэлемент — основная деталь резонатора. Иногда пьезоэлектрические резонаторы определяют как прибор, представляющий одну или несколько электромеханических систем пьезоэлектрического типа. Такое определение пьезоэлектрического резонатора слишком общее и может быть распространено на большинство пьезоэлектрических приборов являющихся электромеханическими преобразователями, например телефон, микрофон, звукосниматель и др. Пьезоэлектрические резонаторы отличаются от указанных выше пьезоэлектрических приборов, являющихся электромеханическими преобразователями и имеющих соответственно электрический и механический вход и выход, тем, что имеют только электрические входы и выходы, т. е. рассматриваются как электрические двухполюсники или многополюсники. Для потребителей резонаторов механическая сущность происходящих в них явлений скрыта и может, казалось бы, не рассматриваться.

Основным электрическим параметром пьезоэлектрического резонатора является частота его резонанса, жестко фиксированная. Каких-либо устройств для ее изменения пьезорезонатор обычно не имеет.

Избирательный, резонансный характер сопротивления пьезорезонатора определяет области их применения — цепи частотной селекции различных радиотехнических устройств, преимущественно генераторов электрических колебаний высокой стабильности частоты и частотных фильтров большой избирательности.

Материалы на основе релаксоров

Поиск альтернатив PZT-составам, расположенным вблизи морфотропной фазовой
границы, привел исследователей к ревизии релаксорных материалов, открытых
советскими учеными в 50-х годах , которые представляют собой сложные перовскиты
с общей формулой Pb(B₁, B₂)O₃, где (B₁:
Zn, Mg, Sc, Ni…; B₂: Nb, Та,…). В ряде случаев эти материалы
демонстрируют лучшие пьезоэлектрические и диэлектрические свойства по сравнению
с PZT-составами. Однако при корректном сопоставлении с учетом температуры Кюри
эти преимущества оказываются незначительными. Фирма EDO Ceramics (США) предлагает керамику магнониобата
свинца ЕС-98, основные параметры которой приведены ниже:

, г/см3……………………………………………………………………………………………… 7,85

, °С………………………………………………………………………………………………….. 170

………………………………………………………………………………………………………. 70

………………………………………………………………………………………………. 5500

………………………………………………………………………………………………….. <0,02

, пКл/Н………………………………………………………………………………………….. 730

, пКл/Н…………………………………………………………………………………………. -312

…………………………………………………………………………………………………….. 0,72

…………………………………………………………………………………………………….. 0,35

, м2/Н……………………………………………………………………………………….. 2,1×10-11

Было установлено , что в монокристаллическом
виде материалы релаксор-титанат свинца, описываемые формулами Pn(Zn_1/3Nb_2/3)О₃
– PbTiO₃ (цинкониобат свинца – титанат свинца) и Рb(Мg_1/3Nb_2/3)O₃ – PbTiO₃
(магнониобат свинца – титанат свинца), демонстрируют уникальные
электромеханические свойства, привлекательные для использования в актюаторах с
высокой плотностью энергии и в ультразвуковых преобразователях.

………………………………………………………………………………………………. 5000

……………………………………………………………………………………………………. 0,01

, пКл/Н………………………………………………………………………………………… 2200

, пКл/Н……………………………………………………………………………………….. -1000

…………………………………………………………………………………………………….. 0,92

…………………………………………………………………………………………………….. 0,56

…………………………………………………………………………………………………… 0,43

, м2/Н………………………………………………………………………………………… 10×10-11

, м2/Н……………………………………………………………………………………….. 6,5×10-11

, г/см3………………………………………………………………………………………………….. 8

Дальнейшая коммерциализация монокристаллических
пьезоэлектриков зависит в первую очередь от разработки высокопроизводительных
методов роста, а также совершенствования технологии обработки крупногабаритных
кристаллов.

Пьезоэлектрические устройства

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:

А принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

Ниже показана работа силового привода на  основе пьезоэлектрического эффекта:

Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезо драйверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.

Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя. Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

Взгляд из Японии

Результаты опроса японских технологов, занятых в области исследования,
разработки и изготовления электронной керамики, проведенного с целью
предсказать будущие тенденции R&D , показали следующие результаты.

Среди наиболее значительных недавних разработок в области пьезокерамики
отмечены актюаторы, гироскопы, картриджи струйных принтеров, миниатюрные
пьезоустройства и т.п. Среди материалов и методов получения отмечены
пьезоэлектрики на основе скандата-ниобата свинца, монокристаллы с высокой
электромеханической связью и гидротермальный метод синтеза. Упомянута также
разработка бессвинцовых керамик, хотя эта область R&D находится в зародышевом
состоянии. Большинство разработок, указанных в отзывах, вносят вклад в снижение
стоимости изготовления, миниатюризацию компонентов, возможность создания новых
или совершенствования существующих изделий, сбережение энергии, формирование
экологического сознания.

Среди перспективных применений пьезоэлектрической керамики указаны
устройства сенсор/актюатор, пьезотрансформаторы, актюаторы для систем инжекции
топлива, пьезоэлектрические гироскопы, дешевые пьезодвигатели, высокочастотные
пьезоэлектрические резонаторы, пьезоустройства для контроля шума и вибрации.
Большинство указанных применений требует разработки более дешевых и производительных
методов синтеза и изготовления пьезокерамики, обеспечивающих лучшие
характеристики и надежность по сравнению с существующими. Отмечается также
растущая значимость экологических аспектов.

В качестве наиболее значительной предполагаемой разработки в ближайшие
5-10 лет указаны дешевые методы изготовления многослойных
пьезоэлектрических актюаторов, композитные преобразователи, дешевые методы их
изготовления, производства композитных материалов, ультразвуковые актюаторы и миниатюрные
электронные схемы для актюаторов. Отмечена также возрастающая роль
совершенствования методов производства и контроля керамических материалов.

Среди применений с уменьшающейся значимостью отмечены гидрофоны, биморфы и
ультразвуковые моторы. Ожидается также постепенное снижение роли
свинецсодержащих материалов.

Основными экологическими факторами, влияющими на разработку и
коммерциализацию новых материалов, по мнению респондентов, являются сокращение
использования токсичных материалов (главным образом свинца, оксида свинца, а
также висмута, кадмия и никеля), сохранение природных ресурсов, экологически
чистых источников и сбережение энергии. Среди экономических факторов отмечены
стоимость изготовления, миниатюризация, время и стоимость разработки, а также
соответствие темпа разработок рыночным требованиям.

Основными требованиями для коммерциализации новой продукции являются
стоимость производства, согласования R&D с потребностями рынка, соотношение
качество/цена, маркетинг, экологическое сознание, сокращение времени
разработки, фундаментальные исследования, кооперация в исследованиях,
миниатюризация, а также новые материалы, качество управления, патентование и
новые концепции конструирования устройств.

Прямой пьезоэффект

Прямой пьезоэффект проявляется в образовании зарядов на поверхности твердого тела под действием механических напряжений. Обратный пьезоэффект проявляется в изменении. Эти эффекты очень ярко проявляются в кварцевом резонаторе.
 

Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов при деформации пьезоэлемента, а обратный — в его деформации под действием электрического поля. Таким образом, пластина излучает благодаря обратному пьезоэффек-ту, а принимает — благодаря прямому.
 

Прямой пьезоэффект состоит в том, что при сжатии или растяжении пластинки, вырезанной из кварца, сегнетовой соли и некоторых других кристаллов, на ее гранях появляются электрические заряды. Под действием продольной упругой волны на гранях пластинки периодически появляются заряды противоположных знаков. Прямой пьезоэффект используют для регистрации ультразвуковых волн.
 

Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов противоположных знаков на поверхностях кристаллов некоторых веществ при механическом воздействии на них. При изменении направления механического воздействия знаки зарядов изменяются на противоположные.
 

Прямой пьезоэффект заключается в том, что некоторые вещества с кристаллической структурой при действии механических сил могут электрически поляризоваться. Пьезоэффект присущ кристаллам с ионными решетками, имеющими низкую степень симметрии. При механических воздействиях происходит деформация элементарных ячеек кристалла и смещение положительных и отрицательных ионов относительно друг друга, что ведет к изменению электрических моментов и к поляризации кристалла в целом. С изменением деформации сжатия на деформацию растяжения ( или наоборот) направление поляризации меняется на противоположное.
 

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэффект — появление механической деформации под действием электрического поля. Связь между механическими и электрическими параметрами ( деформацией и электрическим полем) носит в обоих случаях линейный характер.
 

Явление прямого пьезоэффекта, заключающееся в возникновении зарядов на гранях кристаллов некоторых веществ при их растяжении и сжатии, было открыто в 1880 г. братьями Кюри.
 

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэффект — появление механической деформации под действием электрического поля. У некоторых пьезоэлектриков решетка положительных ионов в состоянии термодинамического равновесия смещена относительно решетки отрицательных ионов, в результате чего они оказываются электрически поляризованными даже без внешнего электрического поля. Такие кристаллы называются пнроэлектриками. Эти группы веществ находят широкое применение в технике и бытовых устройствах.
 

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэф-фект — появление механических деформаций под действием электрического поля. При упругой деформации происходит смещение положительных и отрицательных ионов друг относительно друга, что приводит к возникновению электрического момента. Пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Смещение частиц в кристаллах, обладающих центром симметрии, не приводит к появлению поляризованного состояния. В этом случае происходит электрическая компенсация моментов.
 

Благодаря прямому пьезоэффекту эти колебания обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, которые используют для создания замкнутой электромеханической автоколебательной системы — кварцевого генератора.
 

Благодаря прямому пьезоэффекту эти колебания обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, которые используют для создания замкнутой электромеханической автоколебательной системы — кварцевого генератора.
 

Благодаря прямому пьезоэффекту на поверхности пластинки кварца образуются электрические заряды и через пластинку проходит ток, совпадающий по фазе с приложенным напряжением. Следовательно, через кварц, кроме реактивной составляющей тока, проходит активная составляющая, которую называют пьезоэлектрической.
 

Пьезоэлектрические свойства горных пород

Некоторые минералы горных пород обладают пьезоэлектрическим свойством за счёт того, что электрические оси этих минералов расположены не хаотично, а ориентированы преимущественно в одном направлении, поэтому одноимённые концы электрических осей («плюсы» или «минусы») группируются вместе. Это научное открытие было сделано в Институте физики Земли советскими учёными М. П. Воларовичем и Э. И. Пархоменко и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 57 с приоритетом от 1954 г. На основе этого открытия разработан пьезоэлектрический метод геологической разведки кварцевых, пегматитовых и хрусталеносных жил, которым сопутствуют золото, вольфрам, олово, флюорит и другие полезные ископаемые.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Обратный пьезоэлектрический эффект ( см. также § 91) — это возникновение деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пластинке ( в последнее время вместо кварца применяется титанат бария) под действием электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в растяжении или сжатии этих кристаллов, помещенных в электрическом поле.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект наблюдается, когда пьезоэлектрический кристалл помещают в электрическое поле. Этот эффект состоит в том, что под воздействием электрического поля геометрические размеры пьезоэлектрического кристалла изменяются.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект характеризуется тем, что пьезоэлектрическая пластинка, внесенная в электрическое поле, изменяет свои размеры в соответствии с напряженностью и направлением этого поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект используется для измерения больших или быстроизменяю-щихся давлений, в частности, для изучения ультразвуковых колебаний; электрическое напряжение, которое появляется на гранях деформируемого кристалла, усиливается и затем подается к измерительным приборам.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механического напряжения в кристалле под действием приложенного к нему электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект ( см. также § 91) — это возникновение деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пластинке ( в последнее время вместо кварца применяется титанат бария) под действием электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца ( или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластину между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластина придет в вынужденные колебания. Эти колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластины. Колебания пластины передаются ча-стицам окружающей среды ( воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механического напряжения в кристалле под действием приложенного к нему Электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект ( изменение размеров пьезокварца в электрическом поле) представляет собой частный случай более общего явления электрострикции — изменения размеров твердых и жидких диэлектриков при электрической поляризации.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект используется для измерения больших или быстроизменяющихся давлений, в частности для изучения ультразвуковых колебаний; электрическое напряжение, которое появляется на гранях деформируемого кристалла, усиливается и затем подается к измерительным приборам.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в растяжении или сжатии этих кристаллов, помещенных в электрическом поле.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механических напряжений и деформаций в кварцевой пластине, помещенной в электрическое поле.
 

Анализ патентной литературы

Наибольшую активность в области патентования пьезокерамических материалов и
устройств (микропозиционеры, гидрофоны, сонары, композиты, ПАВ-устройства)
проявляют исследовательские лаборатории Министерства Обороны США (“DOD”) и
финансируемые им университеты. Среди частных компаний, получивших наибольшее
число патентов США, доминируют японские компании, в первую очередь Murata (гироcкопы, зуммеры, акселерометры, биморфные
актюаторы). Среди американских компаний, получивших наибольшее число патентов –
Hewlett-Packard и General Electric (ультразвуковые преобразователи для биомедицинских
применений). Американские компании доминируют в области биомедицинских
применений пьезокерамики (ультразвуковые преобразователи, медицинские системы
визуализации, устройства “доставки” лекарств и хирургические инструменты).

Применение пьезокерамических актюаторов в картриджах струйных принтеров было
предметом значительной патентной активности и недавнего коммерческого успеха.
Наиболее активными разработчиками таких устройств были IBM и Compaq в США и Brothers и Seiko-Epson в
Японии. Успешная разработка японскими компаниями (NEC, Matsushita, Seiko-Epson,
Canon и Olympus) ультразвуковых моторов, используемых в фотокамерах и других
специализированных оптических системах, также позволила достичь существенного
рыночного успеха.

Японскими компаниями (NEC, Fujitsu и Toshiba) получено несколько патентов на
пьезотрансформаторы. Это применение имеет значительный коммерческий потенциал,
поскольку успешная разработка пьезотрансформаторов должна позволить
миниатюризовать дисплеи с плоским экраном.

Множество патентов было выдано компаниям Японии и США, занятым в
автомобильной индустрии, где пьезокерамика продолжает находить новые применения
в качестве сенсоров, например, в антиблокировочных системах торможения.
Японские компании, в частности Murata,
были активны в разработке пьезоэлектрических гироскопов, которые могут найти
применение в автомобильных системах управления (глобального позиционирования).
Несколько автомобильных компаний (General Motors, Ford, Caterpillar в США и
Toyota, Nissan и Honda в Японии) были активны в разработке многослойных
пьезоэлектрических актюаторов для систем инжекции топлива. Большинство этих
патентов были опубликованы в начале 90-х годов, однако технология до сих пор не
была коммерциализирована вследствие сложности снижения стоимости изготовления
многослойных актюаторов даже при больших объемах производства, которые эти
применения могут обеспечить.

Относительно новой разработкой в США являются микроэлектромеханические
системы (MEMS) запатентованные компаниями IBM, Rockwell и Массачусетским Технологическим
Институтом. Предполагаемыми применениями MEMS являются биомедицинские
устройства, полупроводниковая промышленность и робототехника.

Несколько патентов было получено на “интеллектуальные” системы, т.е.
системы, в которых пьезоэлектрические сенсоры и актюаторы интегрированы в
композитный материал или структуру. Разработка “интеллектуальных” систем
интенсивно финансируется правительством США в связи с некоторыми предполагаемыми
военными аэрокосмическими применениями (например, подавление вибрации, обработка
данных и структурный мониторинг состояния организма).