| Головна » Статті » Фізика | [ Додати статтю ] |
Використання п’єзокераміки у телефонах і мікрофонах
|
ПЛАН 1. Явище п'єзоелектричного ефекту 2. П'єзоелектричні матеріали 3. П’єзокерамічні елементи 4. Застосування п’єзокерамічних елементів Використана література 1. Явище п'єзоелектричного ефекту П'єзоелектричний ефект був відкритий у 1880 році Джексом і П’єром Кюрі. Вони помітили, що в деяких кристалах при механічному впливі на них з'являється електрична поляризація, причому ступінь її пропорційний величині впливу. Пізніше Кюрі відкрив інверсійний п'єзоелектричний ефект — деформування матеріалів, поміщених в електричне поле. Ці явища ще називають прямим і зворотнім п’єзоелектричним ефектом. П'єзоелектричний ефект властивий деяким природним кристалам, таким як кварц і турмалін, які протягом багатьох років використовувалися як електромеханічні перетворювачі. Кристалічні ґрати кристалів, які володіють п'єзоелектричним ефектом, не мають центру симетрії. Вплив (стискаючий чи розтягуючий), прикладений до такого кристала, призводить до поляризації після поділу позитивних і негативних зарядів, які є в кожній окремій елементарній частці. Ефект практично лінійний, тобто ступінь поляризації прямо пропорційна величині прикладеного зусилля, але напрямок поляризації залежний, тому що зусилля стискання чи розтягування генерують електричні полюси, а отже, і напругу, протилежну полярності. Відповідно, при розміщенні кристалу в електричне поле пружна деформація викликає збільшення чи зменшення його довжини відповідно до величини і напрямки полярності полів. 2. П'єзоелектричні матеріали П'єзоелектричні матеріали умовно можна розбити на дві групи: 1. П'єзоелектричні монокристали. Природні п'єзоелектричні матеріали мають досить високу вартість. У зв'язку з цим потреби бурхливо розвивається електроніки в даний час задовольняються синтетичними п'єзоелектричними монокристалами, які вирощуються в спеціальних установках. П'єзоелектричні властивості таких кристалів з досить високою повторюваністю можна задавати шляхом композиції вхідних у нього компонентів. Вирощені кристали певним чином ріжуться на пластини, деякі (сегнетоелектрики) поляризуються, і з них шляхом шліфування і нанесення електродів виготовляються п'єзоелектричні елементи. 2. П'єзоелектрична кераміка (п’єзокераміка). По фізичних властивостях це полікристалічний сегнетоелектрик, який представляє собою хімічну сполуку чи твердий розчин (порошок) зерен (кристалітів). По хімічному складу це складний оксид, який включає іони двовалентного свинцю або барію, а також іони чотирьохвалентного титану чи цирконію. Шляхом зміни основного співвідношення вихідних матеріалів і введення добавок синтезують різні склади п’єзокераміки, які володіють визначеними електрофізичними і п'єзоелектричними характеристиками. Найбільше поширення одержала група п’єзокерамічних матеріалів типу ЦТС (цирконату-титанату свинцю). Разом з тим використовується кераміка на основі титанату барію (ТБ) і титанату свинцю (ТС). В останні роки розробляються нові п’єзокерамічні матеріали з властивостями, що дозволяють у деяких випадках використовувати їх замість більш дорогих п'єзоелектричних кристалів. Зокрема, розроблена і виробляється група матеріалів на основі ніобату свинцю, що вже знайшла практичне застосування завдяки можливості її використання в діапазоні частот до 30 і більш Мгц. Значні дослідження проводяться по створенню п’єзокерамічних композитних матеріалів, а також багатошарової кераміки. Закордонні виробники в залежності від п'єзоелектричних властивостей поділяють її на сегнетожорстку і сегнетом’яку. У вітчизняній практиці існує додатковий розподіл на кераміку середньої сегнетожорсткості, а також виділяються високостабільні, високотемпературні і т.п. матеріали. Якість п’єзокераміки характеризується наступними, прийнятими за кордоном, основними параметрами: KT33 (e33/e0) — відносна діелектрична проникність; tg d — тангенс кута діелектричних утрат при частоті 1 кгц у слабких полях; Tc (Tk) — температура точки Кюрі; Kp K33 K31 K15 — коефіцієнти електромеханічного зв'язку; d33 -d31 d15 — п'єзоелектричні модулі; g33 g31 g15 — електричні коефіцієнти по напрузі; YE11 YE33 — модулі Юнга; NL NT NR — частотні постійні; SE11 SE33 — параметр еластичності; r — щільність; Qm — механічна добротність. 3. П’єзокерамічні елементи На відміну від п'єзоелектричних кристалів, п’єзокерамічні елементи виготовляються методом напівсухого пресування, шлікерного лиття, гарячого лиття під тиском, екструзії чи ізостатичного пресування з наступним випалом на повітрі при температурі 1000–1400 градусів по Цельсію. З метою зменшення пористості випал може проводитися в середовищі кисню, чи елемент виготовляється за допомогою методу гарячого лиття. За спеціальною технологією на поверхню заготівель наносяться електроди.Після цього кераміку роблять п'єзоелектричною з будь-яким обраним напрямком поляризації шляхом приміщення її в сильне електричне поле при температурі нижче так званої точки Кюрі. Поляризація звичайно є остаточним процесом при виготовленні п’єзокерамічних елементів, хоча за ним випливає термостабілізація і контроль параметрів. П'єзоелектрична кераміка представляє собою твердий, хімічно інертний матеріал, зовсім нечуттєвий до вологості й інших атмосферних впливів. По механічних якостях вона подібна керамічним ізоляторам. У залежності від призначення п’єзоелементи можуть мати саму різноманітну конфігурацію — від плоскої до об'ємної (сфери, півсфери і т.п.) Для наступного розуміння доцільно ввести наступний загальноприйнятий в закордонній практиці умовний розподіл типових п’єзоелементів у залежності від їхньої конфігурації: пластина (plate), диск (disc), кільце (ring), брусок (bar), стрижень (rod), циліндр (cylinder). Існують також гнучкі п’єзокерамічні елементи: пластинчасті (plate bender) і дискові (disc bender), що, у свою чергу, підрозділяються на юніморфи (unimorph), тобто одношарові, і біморфи (bimorph) — двошарові. Такий умовний розподіл не бездоганний (циліндр по суті справи є трубкою й у залежності від висоти його можна назвати кільцем; у той час як кільце по своїй конфігурації нагадує шайбу). Разом з тим, воно загальноприйняте і дозволяє спростити в процесі замовлення опис необхідного елементу. У нашій же практиці той самий елемент споживачі називають по-різному, і без креслення чи більш докладного опису важко представити часом, який елемент хотів би придбати замовник. Наприклад, «кільце» у нас називають кільцем, шайбою і таблеткою, «диск» — диском, шайбою і таблеткою. 4. Застосування п’єзокерамічних елементів П'єзоелектричні елементи ідеальні при використанні як електромеханічні перетворювачі. Вони досить широко використовуються для виготовлення п’єзокерамічних компонентів, вузлів і пристроїв. Деякі п’єзокерамічні елементи вже споконвічно можуть виконувати функції компонента чи вузла (наприклад, пластинчасті біморфи) і не мають потребу в додатковій доробці. Усі вироби, виготовлені на базі п’єзокераміки, підрозділяють на наступні основні групи: генератори, датчики (сенсори), актюатори (п’єзоприводи), перетворювачі і комбіновані системи. а) П’єзокерамічні генератори Вони перетворять механічний вплив в електричний потенціал, використовуючи прямий п’єзоефект. Прикладами можуть служити іскрові запальники натискного й ударного типів, застосовувані в різного роду запальничках і системах, що підпалюють, а також твердотілі батареї на основі багатошарової п’єзокераміки, які застосовуються в сучасних електронних схемах. б) П’єзокерамічні датчики П’єзокерамічні датчики перетворять механічну силу чи рух у пропорційний електричний сигнал, тобто також засновані на прямому п’єзоефекті. В умовах активного впровадження комп'ютерної техніки датчики є незамінними пристроями, які дозволяють погоджувати механічні системи з електронні системами контролю і управління. Виділяються два основних типи п’єзокерамічних датчиків: вісьові (механічна сила діє уздовж осі поляризації) і гнучкі (сила діє перпендикулярно вісі поляризації). В осьових датчиках у якості п’єзоелементів використовують диски, кільця, циліндри і пластини. Як приклади можна привести датчики прискорення (акселерометри), датчики тиску, датчики детонації, датчики руйнування і т.п. Гнучкі датчики будуються на основі послідовних (шари кераміки мають протилежну спрямованість поляризації) і рівнобіжних (спрямованість поляризації шарів збігається) п’єзокерамічних біморфів. Найбільш поширені датчики сили і прискорення. в) П’єзокерамічні актюатори (п’єзоприводи) Актюатори будуються на принципі зворотного п’єзоефекта і тому призначені для перетворення електричних величин (напруги чи заряду) у механічне переміщення (зрушення) робочого тіла. Актюатори підрозділяються на три основні групи: вісьові (мода d33), поперечні (мода d31) і гнучкі (мода d31). Осьові і поперечні актюатори мають ще загальну назву — багатошарові пакетні, тому що набираються з декількох п’жзоелементов (дисків, стрижнів, пластин чи брусків) у пакет. Вони можуть розвивати значне зусилля (блокуючу силу) до 10 кн при керуючій напрузі 1 кв, але при дуже малих відхиленнях робочої частини (від одиниць нанометрів до сотень мікронів). Такі актюатори також називають могутніми. Гнучкі актюатори (биморфи) розвивають незначну силу, що блокує, при малих (сотні мікронів) відхиленнях робочої частини. Однак американської компанії APC International Inc. удалося створити і вийти на ринок з новим типом пластинчастого біморфа — «стрічковим актюатором» (зареєстрована торгова марка). Стрічковий актюатор може забезпечувати силу, що блокує, 0,95 Н и величину відхилення 1,2 мм чи відхилення до 3 мм і силу, що блокує, 0,6 Н.Гнучкі актюатори відносяться до групи малопотужних. До цієї ж групи будуть відноситися і перспективні осьові актюатори, що представляють собою моноблок, виготовлений за технологією багатошарової пьезокерамики. Пакетні актюатори можуть вироблятися підприємствами, не зв'язаними з виробництвом п’єзокераміки. Гнучкі ж і осьові актюатори з багатошарової кераміки самі по собі є п’єзокерамічними елементами. Їх можуть робити тільки підприємства, що володіють технологіями й устаткуванням для виробництва п’єзокерамічних елементів. г) П’єзокерамічні перетворювачі Призначені для перетворення електричної енергії в механічну. Так само як і актюатори, ґрунтуються на принципі зворотного п’єзоефекту. Перетворювачі в залежності від діапазону частот підрозділяються на три види: звукові (нижче 20 кгц) — зумери, телефонні мікрофони, високочастотні гучномовці, сирени і т.п.; ультразвукові — високоінтенсивні випромінювачі для зварювання і різання, мийки й очищення матеріалів, датчики рівня рідин, дисперсійні розпилювачі, генератори тумана, інгалятори, зволожувачі повітря. Значною групою виділяються так називані ультразвукові вимірники відстані в повітряному середовищі (Air Transducers), що є п’єзокерамічними компонентами. Вони використовуються як вимірники відстані для автотракторної техніки, сенсорів наявності і руху в охоронних системах, у рівнемірах, для дистанційного контролю і керування, у пристроях відлякування птахів, звірів і сільськогосподарських шкідників і т.д. Виробляються пристрої трьох типів: передавальні, прийомні і приймально-передавальні; високочастотні ультразвукові — устаткування для іспиту матеріалів і контролю, що не руйнує, діагностика в медицині і промисловості, лінії затримки і т.д. д) Комбіновані п’єзокерамічні Такі системи перетворять електричні величини в електричні, при послідовному використанні зворотного і прямого п’єзоефектів. Як приклади таких систем можна привести ехолоти, вимірники потоків, п’єзотрансформатори, «шукач ключа». Використана література 1. Пєзокераміка в ХХІ столітті. – М., 1999. 2. Словник-довідник з матеріалознавства. – М., 1989. | |
| Переглядів: 573 | | |
| Всього коментарів: 0 | |