Pjezoelektrinių medžiagų tyrimas: tipai, savybės ir technologinis poveikis

Bėgant metams medžiagų mokslo pažanga sukūrė įvairias pjezoelektrines medžiagas, tokias kaip pavieniai kristalai, keramika ir plonos plėvelės.Šis straipsnis atidžiai apžvelgia pjezoelektrines medžiagas, įskaitant jų savybes, tipus, kaip jie veikia, ir jų naudojimas.Tai pabrėžia jų svarbą susiejant mechaninę ir elektros inžineriją, skatinant naujoves daugelyje sričių.

Katalogas

1 paveikslas: pjezoelektrinė medžiaga

Kas yra pjezo?

Žodis „pjezo“ kilęs iš graikų kalbos žodžio „piezeinas“, reiškia „paspausti“ arba „slėgį“.Tai gerai tinka jo naudojimui moksle pjezoelektriškumui.1880 m. Prancūzų fizikai Jacquesas ir Pierre'as Curie atrado pjezoelektriškumą.Jie nustatė, kad kai buvo prispausti kai kurie kristalai, tokie kaip turmalinas, kvarcas, Topazas ir Rochelle druska, jie pagamino elektrinį krūvį.Jie taip pat pamatė, kad šie kristalai gali pakeisti formą, kai buvo pritaikyta elektros srovė, rodanti, kad procesas gali veikti abipusiai.

Šis atradimas paskatino sukurti įvairius pjezoelektrinius prietaisus.Pirmojo pasaulinio karo metu pjezoelektriškumas daugiausia buvo naudojamas ultragarsiniuose povandeninių laivų detektoriuose.Šiandien pjezoelektrinės medžiagos naudojamos daugelyje dalykų.Jie randami kasdieniuose daiktuose, tokiuose kaip elektriniai cigarečių žiebtuvėliai ir rašalinių spausdintuvų spausdintuvai, taip pat pažangiose technologijose, tokiose kaip medicininis ultragarsinis vaizdavimas ir tikslus judesio valdymas robotikoje.

Pjezoelektrinių medžiagų tipai

2 paveikslas: Pjezoelektrinių medžiagų pavyzdžiai

Vienos kristalinės pjezoelektrinės medžiagos

Pavieniams kristalinėms pjezoelektrinėms medžiagoms būdingos ištisinės ir vienodos krištolo grotelės, be grūdų ribų.Ši vienoda struktūra dažnai lemia geresnį elektromechaninį sujungimo efektyvumą, palyginti su kitomis pjezoelektrinėmis medžiagomis.Tokių medžiagų pavyzdžiai yra kvarcas ir langasitas.Šie pavieniai kristalai gaminami naudojant tikslius augimo metodus, tokius kaip Czochralski procesas arba hidroterminė sintezė.Dėl išskirtinio jų našumo jie puikiai tinka tiksliems pritaikymams, tokiems kaip pažangios medicininės vaizdo gavimo sistemos, telekomunikacijų rezonatoriai ir filtrai bei vibracijos stebėjimas aviacijos ir kosmoso srityje.

3 paveikslas: pjezo krištolo kvarco medžiaga

Keraminės pjezoelektrinės medžiagos

Pjezoelektrinė keramika gaminama iš perovskito struktūruotų medžiagų, tokių kaip švino cirkonato titanatas (PZT).Šios medžiagos yra polikristalinės ir yra sukuriamos sukepinant miltelines medžiagas.Jų pjezoelektrinės savybės yra sukurtos per poliškos procesą ir sulygina elektrinius dipolius, pritaikant išorinį elektrinį lauką.Šią keramiką galima lengvai suformuoti į įvairias formas ir dydžius.Dėl patvarumo ir ekonominio efektyvumo jie yra populiarūs naudoti pavaros, jutikliuose, ultragarsiniams keitikliams ir vartojimo elektronikos garsinimui.

4 paveikslas: PZT tipo pjezoelektrinės keramikos struktūra

Plonos plėvelės pjezoelektrinės medžiagos

Plonos plėvelės pjezoelektrikas gaminamas nusodinant sluoksnius, kurie svyruoja nuo kelių nanometrų iki kelių mikrometrų storio, naudojant pažangias gamybos technikas, tokias kaip dulkinimas, cheminis garų nusėdimas ar impulsinis lazerio nusėdimas.Paprastosios medžiagos, naudojamos plonose plėvelėse, yra PZT, cinko oksidas (ZNO) ir aliuminio nitridas (ALN).Šių plėvelių plonumas leidžia jas integruoti į mikroelektromechanines sistemas (MEMS) ir nanoelektromechanines sistemas (NEMS), padidinant jų funkcionalumą kompaktiškuose įrenginiuose, tokiuose kaip mikrofonai, mikro jungikliai ir pažangių jutiklių matricos.Dėl jų suderinamumo su standartiniais puslaidininkių procesais ir mastelio keitimu jie yra tinkami integruotoms grandinėms ir lanksčiai elektronikai.

5 paveikslas: Aln pjezoelektrinės plonos plėvelės

6 paveikslas: birių pjezo elementai

Pasirinkimas tarp plonųjų filmų ir birių pjezoelektrinių medžiagų priklauso nuo specifinių tikslumo, galios ir ilgaamžiškumo poreikių.Plonos plėvelės pjezo medžiagos tinka nedidelės apimties technologijoms.Priešingai, didesnėms, didesnio masto programoms teikiama pirmenybė birių pjezo medžiagoms.Žemiau esančioje lentelėje lyginamos plonos plėvelės pjezo medžiagos ir birių pjezo medžiagų, pagrįstų jų storiu, gamybos metodais, pagrindinėmis savybėmis ir pritaikymais.

Kategorija	Plonos filmo pjezo medžiagos	Birių pjezo medžiagos
Storis	Keletas nanometrų iki kelių mikrometrų	Keli milimetrai iki centimetrų
Gamybos technika	Dulkinimas, impulsinis lazerio nusėdimas, Cheminis garų nusėdimas	Presavimas, išspaudimas, apdirbimas
Savybės	Aukšto dažnio atsakas: greitas atsakas laikai	Didelės galios generavimas: sukuria galią esant mechaniniam stresui
	Lankstumas: taikoma lanksčiai paviršiai	Patvarumas: stiprus ir patvarus, tinkamas Dėl sunkių krovinių ir atšiaurių sąlygų
	Tikslumas: tiksli a kontrolė a Mikroskopinis lygis	Universalumas: lengvai suformuota ir dydis specifiniai poreikiai
Paraiškos	Mikroelektronika ir MEMS: Akselerometrai, giroskopai, rašaliniai spausdintuvo galvutės	Energijos rinkimas: konvertuoja mechaninį Vibracijos stresas į elektrinę energiją
	Medicininiai įrenginiai: ultragarsiniai keitikliai vaizdavimui ir terapijai	Pavaros ir jutikliai: didelės pavaros Automobilių ir kosmoso pramonė, didelės apkrovos jutikliai
	Telekomunikacijos: filtrai ir Rezonatoriai mobiliuosiuose telefonuose ir ryšių įrenginiuose	Sonaras ir ultragarsiniai prietaisai: sonaras karinio jūrų laivyno naudojimo sistemos, pramoniniai ultragarsiniai valikliai

Plonos plėvelės PZT ir nusėdimo metodai

Dėl didelių pjezoelektrinių savybių jutikliuose, pavaros ir mikroelektromechaninėse sistemose (MEMS) naudojamos plonos plėvelės švino cirkonato titanato (PZT) medžiagos.PZT plonų plėvelių sudėtis ir efektyvumas labai priklauso nuo jų nusėdimo metodų, kurie gali paveikti jų struktūrą, orientaciją ir pjezoelektrinę veikimą.Trys pagrindiniai nusėdimo būdai: sol-gelis, dulkinimas ir metalo organinių cheminių garų nusėdimas (MOCVD).

7 paveikslas: Lankstus plonos plėvelės PZT

Sol-gelio procesas

„Sol-Gel“ procesas yra ekonomiškas būdas dėti PZT plonas plėveles ir leidžiantis valdyti plėvelės sudėtį molekuliniame lygmenyje.Ši technika prasideda nuo koloidinio tirpalo (SOL) paruošimo, kuris virsta geliu.Svarbūs žingsniai yra metalo alkoksidų hidrolizavimas ir polimerizavimas.Gautas gelis yra naudojamas substratui, naudojant nugaros dangą arba dengtą danga, po to atliekamas šiluminis apdorojimas, siekiant pašalinti organinius komponentus ir kristalizuoti PZT fazę.

8 paveikslas: PZT plonų plėvelių sol-gelio procesas

Privalumai

• Leidžia gerai valdyti stechiometriją, pagerinant pjezoelektrines savybes

• Naudojama žemesnė temperatūra, palyginti su kitais metodais

Iššūkiai

• Sunku gauti pastovų storio ir sudėties dideliuose plotuose

• Didelis susitraukimas džiovinant ir šaudant dažnai sukelia įtrūkimus

Dulkinimas

Dulkinimasis yra fizinio garų nusėdimo (PVD) technika, kai didelės energijos dalelės išmuša medžiagą nuo taikinio, tada nusėda ant substrato.PZT plėvelėms naudojamas RF magnetrono dulkinimas, apimantis argono jonų plazmą, smogiantį PZT taikiniui.

9 paveikslas: Plaukimo nusodinimo metodas plonojo filmo nusėdimo metodas

Privalumai

• Gamina filmus, turinčius gerą sukibimą ir tankį

• Tinka dideliems substratams padengti vienodai

Iššūkiai

• Filmuose gali kilti stresas, turintis įtakos jų savybėms

• Tikslo kompozicija gali keistis dulkinimo metu dėl diferencinio dulkinimo derliaus

Metalo organinių cheminių garų nusėdimas (MOCVD)

MOCVD apima metalo-organinių pirmtakų suskaidymą garų fazėje ir reaguoja arba suskaido ant šildomo substrato, kad sudarytų ploną plėvelę.Šis metodas pirmenybė teikiama kuriant aukšto grynumo, gerai kristalizuotus plėveles, tinkančias elektroninėms reikmėms.

Privalumai

• Suteikia puikų filmo vienodumą ir atitikimą net ir sudėtingos formos substratams

• Gera didelės apimties gamybai

Iššūkiai

• Reikia aukštesnės temperatūros nei kitų metodų

• Metalo-organinių pirmtakų tvarkymas ir laikymas gali būti pavojingas

10 paveikslas: Metalo organinių cheminių garų nusėdimas

Kaip medžiagos veikia esant stresui

Elgesys suspaudžiant

Kai išspaudžiamos tokios medžiagos kaip kvarcas ar bario titanatas, jos keičiasi tokiais būdais, kurie daro įtaką jų naudojimui įvairiuose įrenginiuose.Šios medžiagos turi specialias struktūras, kurios sukuria elektros krūvius spaudžiant.Kai jie suspaudžiami, jie susitraukia ir keičiasi jų vidinė struktūra.

Dėl šio suspaudimo kristalo viduje esantys elektros krūviai tampa netolygiai pasiskirstę.Slėgis perkelia jonus kristalo struktūroje, sukurdamas elektrinį lauką.Taip atsitinka todėl, kad teigiami ir neigiami mokesčių centrai materialinėje poslinkyje.Elektros atsako kiekis priklauso nuo kristalų tipo, jėgos ir kristalo krypčių, palyginti su jėga.

Pavyzdžiui, jutikliuose kristalų sukuriama įtampa gali išmatuoti jėgą, todėl jie puikiai tinka aptikti slėgį ir stebėti apkrovas.Vartose, naudojant elektros lauką, krištolo keitimo forma gali padaryti, kad būtų galima tiksliai valdyti judesius tokiuose daiktuose kaip ultragarsiniai prietaisai ir automobilio degalų purkštukai.

11 paveikslas: Pjezoelektrinės medžiagos veikia

Pjezoelektrinė reakcija į slėgį

Kai pjezoelektrinės medžiagos susiduria su mechaniniu slėgiu, jų molekulės pertvarkomos, turinčios įtakos jų elektrinėms savybėms.Jėga keičia molekulinę struktūrą, suderindamos sritis su vienoda elektrine kryptimi, padidina elektrinę poliarizaciją.

Šis suderinimas padidina medžiagos krūvio atskyrimą, sustiprindamas jos elektros poliarizaciją.Paprastai tariant, slėgis daro dipolius (molekules su dviem priešingais krūviais) vienodesnę, sukuriant stipresnį elektrinį lauką tam tikrai jėgai.

Gebėjimas tiksliai valdyti šį atsakymą esant skirtingam slėgiui daro pjezoelektrines medžiagas labai naudingas daugelyje technologijų.Jų gebėjimas konvertuoti mechaninį slėgį į elektrinius signalus ir atvirkščiai leidžia juos efektyviai naudoti atliekant užduotis, tokias kaip tikslių elektroninių dažnių generavimas ir stebėjimo vibracija pramoninėje aplinkoje.

Pjezoelektrinio efektas

12 paveikslas: pjezoelektrinis efektas

Mechaninės energijos pavertimas elektrine energija su pjezoelektriniu efektu

Pjezoelektrinis efektas keičia mechaninę energiją į elektrinę energiją deformuodamas tam tikras kristalų medžiagas.Šios medžiagos, žinomos kaip pjezoelektrikai, apima natūralias medžiagas, tokias kaip kvarcas, ir sintetines, tokias kaip pažengusi keramika.

Kai pjezoelektrinė medžiaga susiduria su mechaniniu įtempiu, pavyzdžiui, išspausti, susukta ar sulenkta, jos kristalų struktūra neturi centrinės simetrijos ir sutrikdo.Šis sutrikimas keičia įkrovos centrus į kristalą, sukeliantį poliarizaciją ir sukuriant elektrinį potencialą tam tikruose medžiagos taškuose.

Pagrindiniai šio proceso punktai:

Sukurtas elektrinis krūvis atitinka taikomo mechaninio įtempio kiekį.Tai reiškia, kad elektros išėjimą galima tiksliai valdyti remiantis žinoma jėga;

Kai jėga pašalinama, medžiaga grįžta į pradinę būseną, o elektros krūvis praeina.Tai užtikrina, kad medžiagos patvarumas ir patikimumas bus naudingas įrenginiams, kuriems reikia gerai dirbti.

Elektros energijos pavertimas mechanine energija, esant atvirkštiniam pjezoelektriniam efektui

Atvirkštinis pjezoelektrinis efektas keičia elektrinę energiją į mechaninę energiją.Taikant elektrinę įtampą pjezoelektrinei medžiagai, sukuriamas elektrinis laukas, kuris keičia krištolo gardelės struktūrą, keičiant medžiagos matmenis.

Šis efektas naudojamas tiksliose pavaros optiniuose instrumentuose ir mikrokantozių sistemose.Atvirkštinis pjezoelektrinis efektas užtikrina, kad dėl mažų elektros įėjimų tiksliai, kontroliuojami mechaniniai reguliavimai, padedantys robotikos, automobilių technologijos, medicinos instrumentų ir telekomunikacijų pažangai.

Dvigubas pjezoelektrinio efekto gebėjimas veikti kaip mechaninis ir elektrinis, ir elektrinis-mechaninis keitiklis palaiko technologinę pažangą.Tai jungia mechaninius ir elektrinius domenus, išplėsdama šiuolaikinę inžineriją ir inovacijas.

13 paveikslas: Tiesioginis ir atvirkštinis pjezoelektrinis efektas

Palyginus ne pjezoelektrines ir pjezoelektrines medžiagas

Ne pjezoelektrinės ir pjezoelektrinės medžiagos skiriasi tuo, kaip jos tvarko mechaninę ir elektrinę energiją.Ne piezoelektrinės medžiagos, tokios kaip plienas ir aliuminis, gali atlikti elektrą, tačiau patiriant stresą nesukurkite elektros krūvio.Pjezoelektrinės medžiagos, tokios kaip kvarcas ir tam tikra keramika, gali pakeisti mechaninę energiją į elektrinę energiją dėl savo specialios kristalų struktūros.

Ne piezoelektrinės medžiagos turi simetriškas kristalų gardeles, todėl streso metu jos negamina elektrinio dipolio.Pjezoelektrinės medžiagos turi asimetrines kristalų gardeles, kurios leidžia joms susidaryti elektros krūvį, kai patiria stresą.Ši deformacija sukelia vidinę poliarizaciją ir sukuria elektrinį potencialą.

Ne piezoelektrinės medžiagos elgiasi kaip reguliarūs laidininkai ar izoliatoriai, atsižvelgiant į jų elektronų mobilumą ir juostos struktūrą, ir jos nesukuria elektrinio krūvio, kai deformuos.Pjezoelektrinės medžiagos pasižymi dviem efektais: tiesioginiu pjezoelektriniu efektu, kai mechaninis įtempis sukelia elektrinį krūvį, ir atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kai elektrinis laukas sukelia mechaninę deformaciją.Dėl šių savybių pjezoelektrinės medžiagos tinka naudoti jutikliuose ir pavaros.

Dėl skirtingų jų savybių ne pjezoelektrinės ir pjezoelektrinės medžiagos naudojamos skirtingose ​​programose.Ne piezoelektrinės medžiagos naudojamos konstrukciniuose komponentuose, elektros instaliacijoje ir standartinėse elektroninės dalys, kur svarbi stiprumas ir laidumas.Pjezoelektrinės medžiagos naudojamos laukuose, kuriems reikalingas tikslus valdymas ir mechaninis elektrinis energijos konvertavimas, pavyzdžiui, ultragarsinė įranga, tikslios padėties nustatymo įtaisai ir įvairūs jutikliai bei pavaros, naudingos pažangiosioms technologijoms.

Pjezoelektros taikymas

Vartojimo elektronika: išmaniuosiuose telefonuose ir kituose įrenginiuose pjezoelektrinės dalys naudojamos garsiakalbiuose ir mikrofonuose.Jie paverčia elektrinius signalus garso virpesiais ar garso virpesiais į elektrinius signalus, kad būtų galima įvesti garso įvestį.

Automobilių pramonė: Šiuolaikiniai automobiliai naudoja pjezoelektrinius jutiklius daugeliui tikslų, pavyzdžiui, valdyti degalų įpurškimą varikliuose ir stebėti padangų slėgį.

Aplinkos stebėjimas: pjezoelektriniai jutikliai nustato slėgio pokyčius, virpesius ir garsus.Jie naudojami tikrinti aplinkos sąlygas ir užtikrinti pastatų bei tiltų saugumą.

Energijos rinkimas: pjezoelektrinės medžiagos gali užfiksuoti energiją iš mechaninio įtempio.Pavyzdžiui, grindys, kurios paverčia pėdomis į elektrinę energiją, gali įjungti žibintus ir elektroniką judriose vietose, padedant sukurti tvarią aplinką.

Aukštos įtampos pjezoelektriniai žiebtuvėliai: Šie žiebtuvėliai naudojami deginant dujines virykles ir kepsnines, ir sukuria aukštą įtampą iš mažo mechaninio paspaudimo, sukuriant kibirkštį degikliui uždegti.Tai rodo praktinį pjezoelektrinių medžiagų naudojimą.

Medicininiai vaizdai: pjezoelektriniai kristalai yra naudingi ultragarso aparatuose.Jie sukuria garso bangas, kurios atšoka nuo audinių ir organų, sukurdami vaizdus diagnozei nustatyti.

Tikslios pavaros moksliniuose instrumentuose: Pjezoelektrinės medžiagos tiksliose pavarose sukuria mažus optikos ir nanotechnologijų judesius.Šios pavaros yra veidrodžiai, lęšiai ir kitos dalys, turinčios mikroskopinį tikslumą moksliniams tyrimams ir puslaidininkių gamybai.

Išvada

Pjezoelektrinių medžiagų studijos rodo tvirtą fizikos ir inžinerijos ryšį, parodantį, kaip jų natūralios savybės gali būti naudojamos daugeliui technologinių tikslų.Dėl pjezoelektrinių medžiagų universalumo yra tiek stiprių birių medžiagų, tiek lanksčių plonų plėvelių, todėl jos yra tinkamos įvairioms reikmėms, tokioms kaip energijos surinkimas, aplinkos stebėjimas ir tvarios technologijos.Tęsiant naujoves, svarbesni yra pjezoelektrinių medžiagų tyrimai ir plėtra, žadantys ateities technologijų efektyvumo, tikslumo ir funkcionalumo pagerėjimą.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

1. Kas lemia elektros energiją iš pjezoelektrinio efekto?

Pjezoelektrinis efektas atsiranda tada, kai tam tikros medžiagos sukelia elektrinį krūvį reaguojant į mechaninį įtempį.Šios medžiagos, kristalai, tokie kaip kvarcas, keramika, pavyzdžiui, bario titanatas ir kai kurie polimerai, turi kristalų gardelės struktūrą, kuri yra ne centrosimetrinė, tai reiškia, kad jai trūksta simetrijos centro.Kai taikoma mechaninė jėga, tokia kaip slėgis ar vibracija, ši struktūra iškreipta.Šis iškraipymas išstumia jonus grotelėje, sukurdamos sritis, kuriose yra teigiami ir neigiami krūviai.Dėl šių įkrovų erdvinio atskyrimo elektrinis potencialas generuoja elektrą.Šis poveikis yra grįžtamasis, o elektrinio lauko taikymas šioms medžiagoms taip pat sukels mechaninį įtempį.

2. Koks prietaisas naudoja pjezoelektrinį efektą?

Įrenginiai, naudojantys pjezoelektrinį efektą, yra įvairūs ir apima ir kasdienę, ir specializuotą įrangą.Įprastos programos yra:

„Quartz“ laikrodžiai: naudojant įprastas kvarco vibracijas po elektriniu lauku, kad laikas būtų tiksliai.

Medicininiai ultragarsiniai įrenginiai: Garso bangų, kurios keičia kūno vidų, sukuria diagnostinius vaizdus.

Degalų purkštukai automobiliuose: Pjezoelektrinių pavarų naudojimas, kad būtų galima valdyti degalų, įšvirkšto į variklio cilindrus, laiką ir kiekį.

Pjezoelektriniai jutikliai ir akselerometrai: matuojant slėgio pokyčius, pagreitį, deformaciją ar jėgą, paverčiant juos elektriniu signalu.

3. Kiek voltų yra pjezo?

Pjezoelektrinio elemento įtampos išėjimas gali labai skirtis priklausomai nuo jo dydžio, medžiagos ir pritaikyto mechaninio įtempio kiekio.Nedidelis pjezo elementas, pavyzdžiui, žiebtuvuose ar elektroniniuose prietaisuose, gali sukelti įtampos smaigalį nuo kelių voltų iki kelių šimtų voltų.Tačiau šie išėjimai paprastai būna labai mažos ir trunka tik mikrosekundes.

4. Ar pjezo reikia rezistoriaus?

Daugelyje programų rezistorius naudojamas su pjezoelektriniu elementu, siekiant apriboti srovę ir apsaugoti kitus grandinės komponentus nuo aukštos įtampos smaigalio, susidarančio suaktyvinus pjezo.Rezistoriaus vertė priklauso nuo specifinių grandinės reikalavimų, įskaitant norimą atsakymo laiką ir jautrumą.Be rezistoriaus pjezo gali sugadinti prijungtus elektroninius komponentus dėl aukštos pradinės įtampos smaigalio.

5. Kaip pjezoelektrinė yra susijusi su žmogaus galia?

Pjezoelektrinis efektas tiesiogiai taikomas siekiant panaudoti žmogaus galią naujoviškais būdais.Tai gali paversti mechaninę energiją iš žmogaus veiklos, tokios kaip vaikščiojimas ar presavimo mygtukai, į elektrinę energiją.Ši technologija tiriama įvairiomis programomis:

Energija derliaus grindų plytelės: Šios plytelės sukuria elektrą, atsirandančią dėl pėdsakų slėgio judriose vietose, tokiose kaip metro stotys ar prekybos centrai.

Nešiojamos technologijos: pjezoelektrinių medžiagų įdėjimas į batus ar drabužius, kad būtų galima sukurti galią mažiems prietaisams per įprastus kūno judesius.

Medicininiai implantai: Kūno judesių naudojimas galios prietaisams, tokiems kaip širdies stimuliatoriai, mažina arba pašalina išorinių baterijų poreikį.