Магнитные свойства пьезоэлектриков – ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ МАГНИТОСТРИКЦИННО-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР | Опубликовать статью РИНЦ — specable.ru

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ МАГНИТОСТРИКЦИННО-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР | Опубликовать статью РИНЦ

Фирсова Т.О.

ORCID: 0000-0003-2773-607X, аспирант, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ МАГНИТОСТРИКЦИННО-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР

Аннотация

В работе описана технология изготовления магнитострикционно-пьезоэлектрических структур методом электролитического осаждения никеля на керамическую подложку. Представлены экспериментальные результаты исследования магнитоэлектрических свойств двухслойной структуры на основе цирконат-титанат свинца – никель.

Ключевые слова: никель, цирконат-титанат свинца, арсенид галлия, электролитическое осаждение, магнитоэлектрический эффект.

Firsova T.O.

ORCID: 0000-0003-2773-607X, postgraduate student, Yaroslav-the-Wise Novgorod State University

MANUFACTURING TECHNIQUES AND MAGNETOELECTRIC PROPERTIES OF THE LAYERED MAGNETOSTRICTIVE-PIEZOELECTRIC STRUCTURES

Abstract

The paper describes the technology of manufacturing a magnetostrictive – piezoelectric structures by electrolytic deposition of nickel on a ceramic substrate. The experimental results of research magnetoelectric properties of a bilayer structure based on lead zirconate titanate – nickel are presented.

Keywords: nickel, lead zirconate titanate, gallium arsenide, electrolytic deposition, magnetoelectric effect.

Введение

Магнитострикционно-пьезоэлектрические структуры являются композиционными материалами, состоящими из механически связанных между собой феррита или ферромагнетика с одной стороны и пьезоэлектрика с другой. В таких структурах возможны эффекты, отсутствующие, по отдельности, и в магнитострикционной, и в пьезоэлектрической фазах. При приложении к такой структуре внешнего электрического поля происходит изменение намагниченности, и, наоборот, при приложении внешнего магнитного поля происходит изменение поляризации. Этот эффект, называемый магнитоэлектрическим (МЭ), привлекает в последнее время все более пристальное внимание, поскольку на его основе можно создавать принципиально новые приборы твердотельной электроники [1].

Механизмом возникновения МЭ эффекта в таких структурах является механическое взаимодействие магнитострикционной и пьезоэлектрической подсистем. В магнитном поле в магнитострикционной компоненте возникают механические деформации, которые посредством механической связи передаются в пьезоэлектрическую компоненту, где, вследствие пьезоэффекта происходит изменение поляризации, что приводит к возникновению электрического напряжения на обкладках конденсатора, диэлектриком которого является магнитоэлектрический композит.

С точки зрения технологии изготовления материалы условно можно разделить на две категории – объемные (bulk) и многослойные (multilayer) композиты. И те, и другие, имеют определенные преимущества и недостатки [2]. Объемные композиционные материалы, полученные спеканием смесей порошков феррита и пьезоэлектрика, хотя, в зависимости от технологии изготовления, имеют меньшие значения МЭ параметров, но они просты в изготовлении и обладают хорошими механическими свойствами. Достоинством слоистых структур является высокая степень поляризации пьезоэлектрической фазы, малые токи утечки, поскольку магнитострикционная фаза с более высокой проводимостью изолируется пьезоэлектрической фазой с высоким удельным сопротивлением. При этом в качестве магнитострикционной фазы можно использовать материалы с высокой проводимостью. Однако большим недостатком слоистых структур является плохая механическая прочность, расслоение образцов по границам фаз. При их изготовлении используют либо клеевое соединение, либо напыление, либо электролитическое осаждение. Проблемой изготовления таких композиционных материалов являются эффекты, возникающие на границе раздела вследствие несоразмерности фаз. Использование промежуточного полимерного слоя приводит к тому, что уменьшается качество механического соединения, вследствие чего уменьшается величина эффекта [3]. Кроме того, введение промежуточного слоя уменьшает добротность структуры, в результате чего ширина резонансной линии увеличивается и одновременно уменьшается ее максимум. Помимо этого, использование промежуточного связывающего полимерного слоя приводит к сильной температурной зависимости эффекта [4-5]. Использование технологии напыления или электрохимического осаждения позволяет исключить промежуточный полимерный слой. Целью данной работы являлось получение магнитострикционно-пьезоэлектрических структур с хорошей адгезией между слоями и большой величиной МЭ эффекта

Величина МЭ эффекта, согласно [6], имеет максимум при следующем соотношении между толщиной магнетика ^mt и пьезоэлектрика

pt: , где , – модули Юнга пьезоэлектрика и магнетика соответственно. Поскольку модули Юнга и соизмеримы между собой, то максимум эффекта наблюдается при примерно равных толщинах магнетика и пьезоэлектрика.

Однако при напылении невозможно получить магнитострикционные слои, толщина которых соизмерима с толщиной пьезоэлектрика. При напылении толщина напыленного слоя составляет порядка несколько микрон, в то время как толщина пьезоэлектрика сотни микрон. В результате этого соотношение толщин далеко от оптимального, вследствие чего величина эффекта в таких структурах значительно ниже, чем в структурах, изготовленных с использованием связывающего полимерного слоя [9]. Использование метода электрохимического осаждения магнитострикционного металла на пьезоэлектрическую подложку позволяет получить слои толщиной 10-50 мкм, что является уже соизмеримым с толщиной подложки. Однако при осаждении толстых слоев возникают проблемы, одна из которых связана с получением хорошей адгезии между слоями. В данной работе представлена технология изготовления структур, полученных электролитическим методом, где для улучшения адгезии использовались промежуточные слои.

Технология изготовления

При изготовлении структур в качестве подложки были использованы керамика цирконат-титанат свинца (ЦТС) толщиной 400 мкм и 500 мкм и арсенид галлия толщиной 400 мкм. Все образцы имели форму прямоугольной пластины. Керамические образцы предварительно были поляризованы в направлении, перпендикулярном плоскости контактов (ось Z). В качестве магнитострикционной фазы использовался никель.

Проблемой, возникающей при изготовлении структур путем электрохимического осаждения, являются эффекты, возникающие на границе раздела вследствие несоразмерности фаз [7,8]. Постоянные решетки подложки из арсенида галлия и никеля имеют разные значения, поэтому вследствие этого на границе раздела возникают механические напряжения. Это приводит к тому, что при изготовлении двухслойных структур происходит коробление, образец изменяет свою форму и нанесенная пленка никеля отслаивается. Если использовать трехслойные структуры никель – арсенид галлия – никель, то коробления не происходит. Однако наличие механических напряжений приводит к тому, что даже при небольшом внешнем механическом воздействии происходит разрушение структуры. Слой арсенида галлия при этом буквально рассыпается в порошок. Как показывают результаты предварительных опытов, увеличением температуры электролита в ходе осаждения и варьированием режимов осаждения можно уменьшить возникающие механические напряжения.

Первоначальная химическая обработка исходных структур производилась путем кипячения в ацетоне. Непосредственно перед напылением производилась химическая обработка путем выдерживания структур в течение времени 1 мин 30 сек в 5%-ом растворе соляной кислоты HCl.

Затем производилось двухстороннее или одностороннее напыление адгезионного слоя V-Cu-V (1-1,5 мкм) или Au-Ge-Ni-Au (0,13 мкм) магнетронным или электронно-лучевым методом. Нижний слой металлической ванадиевой (золотой) пленки является адгезионным слоем в данной системе, промежуточный слой Cu (или Ge-Ni) – основной слой, на который затем осаждалась гальваническим методом пленка никеля, верхний ванадиевый (золотой) слой защищает от окисления. Затем, непосредственно перед электролизом, верхний слой стравливался, и производилось декапирование. По результатам проведенных исследований можно утверждать, что при двустороннем напылении данные системы металлов не перегреваются, не шелушатся и не трескаются. Их адгезия стабильная как для пьезокерамики, так и для пластин арсенида галлия.

С целью улучшения адгезии на структуру вначале проводилось химическое осаждение никеля. В основу процесса химического никелирования положена реакция восстановления никеля из водных растворов его солей гипофосфитом натрия. Температура раствора – 80-88°С, скорость осаждения – 8-10 мкм/ч. Данный способ позволяет получать ровные тонкие пленки порядка 2-10 мкм. С целью ненужного осаждения никеля на торцы, что приводит к закорачиванию структуры, производилась защита торцов путем покрытия их лаком.

После проведения предварительных операций производилось гальваническое осаждение никеля. При никелировании поверхности, предварительно стравливают верхний слой напыленного ванадия до полного обнажения медного слоя или верхний слой золота до полного обнажения никелевого слоя, образец промывают в деионизованной воде в течение не менее 30 секунд, сушат. Обработку поверхности открывшегося слоя меди (никеля) проводят в растворе для декапирования (травитель для ванадия или золота) 1-3 секунды, промывают в воде. Далее непосредственно производят электролитическое осаждение никеля. Образец помещали в ванну с электролитом, устанавливая величину плотности тока по миллиамперметру источника питания порядка 10-20 мА/см² при температуре порядка 30-50°С, которая непосредственно поддерживается автоматически. Во время процесса в течение 1 часа вырастала никелевая пленка толщиной 20-30 мкм. Толщина слоев, которую удается осадить при гальваническом методе, порядка 5-50 мкм. Оптимальными в ходе экспериментов принято считать при одностороннем осаждении 5-15 мкм, при двустороннем 20-30 мкм. Выбор данных толщин связан с возникновением механических напряжений на структурах. Особенно это заметно на пластинах арсенида галлия. При больших толщинах никелевого покрытия пластину «разрывают» механические напряжения, возникающие между хрупким монокристаллом арсенида галлия и достаточно эластичным никелем. Поэтому была выбрана оптимальная толщина слоев и двустороннее никелирование. Температура является еще одним немаловажным фактором в процессе осаждении. Было замечено, что если температура электролита выше комнатной и сила тока, подаваемая на электрод достаточна велика, никелевое покрытие нужной толщины достаточно быстро осаждается, обладает хорошей прочностью и адгезией, имеет ровную толщину по поверхности, четкую мелкозернистую структуру и металлический цвет.

После никелирования производилось снятие защитного лака с торцов путем растворения его в ацетоне.

В таблице представлены варианты магнитострикционно-пьезоэлектрических структур, изготовленных методом гальванического осаждения.

Таблица 1. Варианты магнитострикционно-пьезоэлектрических структур

На рис. 1 показан окончательный вид образца, изготовленный путем осаждения на пьезокерамику ЦТС слоя никеля.

Рисунок 1 – Образец изготовленный путем электролитического осаждения на пьезокерамику ЦТС слоя никеля

Рисунок 2 – Поверхность гальванического никеля при большом увеличении

На рисунке 3 показан окончательный вид пластины из арсенида галлия, полученной после никелирования.

Рисунок 3 – Окончательный вид пластины из арсенида галлия с нанесенным слоем никеля

Методика проверки металлической адгезии

Величину адгезии проверяли при положении разрушающей нагрузки в направлении, перпендикулярном плоскости контакта поверхностей, в момент одновременного нарушения контакта на всех участках площади контактирования.

После напыления

Метод царапания. Адгезия хорошая, если при царапании напыленной пленки сцарапывается верхний металл, затем медь «как масло» и нижний металл не сцарапывается, остается не поврежденным, т.е. не отстает «шелухой».

Наклеивание на скотч. Проверяемый участок подложки или вся подложка наклеивается на скотч липкой стороной. Затем резко отдирается. Если на скотче не окажется металлизации, то адгезия хорошая, если вся металлизация или часть окажется на скотче, то адгезия плохая.

После гальванического осаждения

Метод царапания. Если гальванически осажденный никель сцарапывается только при приложении большого усилия и нижний слой напыленного адгезионного подслоя не сцарапывается и остается практически не поврежденным – адгезия хорошая. В противном случае, адгезия плохая.

Проверка на свариваемость. Испытание на свариваемость методом термокомпрессионной сварки (диаметр проволоки 0,015 мм). Проверка механической прочности соединений (разрывное усилие 1,8-2,6 г).

Испытание на свариваемость методом ультразвуковой сварки (диаметр проволоки 0,2 мм). Проверка механической прочности соединений (разрывное усилие 1,8-3,0 г).

Если при приложении разрывного напряжения рвется проволока, то адгезия хорошая, если отваливаются гальванические слои, то плохая.

Магнитоэлектрические свойства структур

При экспериментальном исследовании структур использовался метод, основанный на измерении напряжения, возникающего на обкладках образца, при помещении его в переменное H и медленно изменяющее подмагничивающее магнитные поля. Переменное магнитное поле создавалось катушками Гельмгольца, подмагничивающее поле создавалось электромагнитом в форме соленоида. Исследовалась полевая зависимость эффекта. Для этого на образец подавалось переменное магнитное поле напряженностью и исследовалась зависимость величины напряжения от поля подмагничивания. В качестве количественной характеристики величины МЭ эффекта использовался МЭ коэффициент по напряжению , который определялся следующим образом:

, (1)

Здесь – величина переменного напряжения, возникающего на обкладках конденсатора, t – толщина образца, – напряженность переменного магнитного поля. Полевые зависимости МЭ коэффициента по напряжению представлены на рисунках 4, 5.

Рис. 4 – Зависимость резонансного значения МЭ коэффициента по напряжению от величины поля подмагничивания для структуры ЦТС-никель (толщина никеля 10 мкм)

Рис. 5 – Зависимость резонансного значения МЭ коэффициента по напряжению от величины поля подмагничивания для структуры арсенид галлия – никель (толщина никеля 20 мкм)

Как видно из рис.4 и рис.5, полевые зависимости имеют типичный для таких структур вид, обусловленный зависимостью магнитострикции от магнитного поля. Величина резонансного значения МЭ эффекта в структурах на арсениде галлия на два порядка превышает его значение в структурах на основе ЦТС. Это связано с тем, что величина МЭ эффекта прямо пропорциональна пьезомодулю, и обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости пьезоэлектрика. Хотя величина пьезомодуля у арсенида галлия в 37 раз меньше, чем обычно используемых для таких структур цирконата-титаната свинца (ЦТС) (GaAs d=-2.69пКл/м, ЦТС d=100 пКл/м) величина его диэлектрической проницаемости в 135 раз меньше, чем у ЦТС (GaAs ε=12.9, ЦТС ε=1750). Это приводит к тому, что при прочих равных условиях следует ожидать, что величина МЭ эффекта в структурах на основе арсенида галлия будет в 3,5 раза больше, чем в структурах на основе ЦТС. Кроме того, при создании структур на основе ЦТС очень остро встает вопрос межфазной адгезии. Это связано с тем, что цирконат-титанат свинца изготавливается по керамической технологии и получить хорошую адгезию между ним и магнитострикционным материалом, как правило, не удается. В то время как арсенид галлия представляет собой монокристалл и использование промежуточных слоев позволяет добиться хорошей адгезии.

Заключение

Использование промежуточных подслоев из ванадия и меди позволяет получить хорошую адгезию между магнитострикционным и пьезоэлектрическим слоем при изготовлении магнитоэлектрических композиционных материалов. Структуры, изготовленные путем электрохимического осаждения никеля на подложку из арсенида галлия имеют лучшие МЭ характеристики, чем структуры, изготовленные путем электрохимического осаждения никеля на подложку цирконата титаната свинца.

Литература

Пятаков А.П., Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // Успехи физических наук. – 2012. – т. 182 – № 6. – С. 593-620.
Филиппов Д.А., Лалетин В.М., Srinivasan G. Низкочастотный и резонансный магнитоэлектрические эффекты в объемных композиционных структурах феррит никеля – цирконат-титанат свинца // ЖТФ. – 2012. – т. 82. – №1. – С. 47 -51.
Filippov D. A., Galichyan T.A., Laletin V.M. Influence of an interlayer bonding on the magnetoelectric effect in the layered magnetostrictive piezoelectric structure // Appl. Phys. A. – 2014. – v – P. 2167-2171.
Бурдин Д.А., Фетисов Ю.К., Чащин Д.В., Экономов Н.А. Влияние температуры на характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структуре магниониобат-титанат свинца – никель // Письма в ЖТФ. – 2012. – т. 38. – №6. – С. 41-47.
Бурдин Д.А., Фетисов Ю.К., Чащин Д.В., Экономов Н.А. Температурные характеристики магнитоэлектрического взаимодействия в дисковых резонаторах цирконат-титанат свинца – никель // ЖТФ. – 2013. – т. 83. – С. 107-112.
Филиппов Д.А. Лалетин В.М., Galichyan T.A. Магнитоэлектрический эффект в двухслойной магнитострикционно-пьезоэлектрической структуре// ФТТ. – – т.55. – С. 1728-1733.
Filippov D.A., Firsova T.O. Linear and nonlinear magnetoelectric effect in bilayer composite structures on the basic lead zirconate titanate – nickel // Proceeding of the International meeting – Rostov-on-Don – Yuzhny. – Russia. –2015. – P. 107-111.
Филиппов Д.А., Лалетин В.М., Фирсова Т.О., Антоненков О.В. Технология изготовления и магнитоэлектрические свойства структур цирконат-титанат свинца – никель // Вестник НовГУ. – 2015. – №6(89). – С. 100-104.
Лалетин В.М., Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Поддубная Н.Н. Магнитоэлектрический эффект в структурах на основе металлизированных подложек арсенида галлия // Письма в ЖТФ. – 2014. – Т.40. – № 21. – С. 71-77.

References

Pyatakov A. P., Zvezdin A.K. Magnitoelectricheskie materialy i multiferroici // Uspehi fizicheskih nauk. – 2012. – t. 182 – № 6. – S. 593-620.
Filippov D.A., Laletin V.M., and Srinivasan G. Nizkochastotnyi i rezonansnyi magnitoelectricheskie effect v ob’emnyh kompozicionnyh strukturah ferrit nikelya – cirkonat titanat svinca // GHTF– 2012. – t. 82. – №1. – S. 47 -51.
Filippov D. A., Galichyan T.A., Laletin V.M. Influence of an interlayer bonding on the magnetoelectric effect in the layered magnetostrictive piezoelectric structure // Appl. Phys. A. – 2014. – t 116. – S. 2167-2171.
Burdin, D.A., Fetisov, Y.K., Chashin, D.V., Ekonomov, N.A. Vliyanie temperatury na characteristici resonansnogo magnitoelectricheskogo effecta v strukture magniobat-titanat svinca – nikel’ // Pis’ma v GHTF. – 2012. – t. 38. – №6. – S. 41-47.
Burdin, D.A., Fetisov, Y.K., Chashin, D.V., Ekonomov, N.A. Temperaturnye harakteristiki magnitoelektricheskogo vzaimodeistviya v diskovych rezonatorach cirkonat titanat svinca – nikel’// GHTF. – 2013. – t. 83. – S. 107-112.
Filippov D. A., Laletin V.M., Galichyan T.A. Magnitoelectricheskii effect v dvusloinych magnitostrikcionnoo-p’ezoelektricheskoi structure // FTT. – 2013. – t.55. – S. 1728-1733.
Filippov D.A., Firsova T.O. Linear and nonlinear magnetoelectric effect in bilayer composite structures on the basic lead zirconate titanate – nickel // Proceeding of the International meeting – Rostov-on-Don – Yuzhny. – Russia. –2015. – S. 107-111.
Filippov D.A., Laletin V.M., Firsova T.O., Antonenkov O.V. Technologiya izgotovleniya and magnitoelectricheskie svoistva struktur cirkonat titanat svinca – nikel’ // Vestnik NovGU. – 2015. – №6(89). – S. 100-104.
Laletin, V.M., Stognii, A.I., Novitskii, N.N., Poddubnaya, N.N. Magnitoelectricheskii effect v structurach na osnove metallizirovannych podloghek arsenide galliya // Pis’ma v GHTF. – 2014. – t.40. – № 21. – S. 71-77.

research-journal.org

Шпоры по Материалке. Билет 1 Межатомное взаимодействие, влияние энергии межатомного взаимодействия на свойства материалов

Подборка по базе: 1 Влияние ЭМИ на человека.doc, МП билет 22.docx, Криминалистика билеты.docx, 2.0_Ответы на билеты.docx, МПХ (по билетам) (печать).pdf, Фарма — 2 зачет — ответы по билетам 2014-2015 год.docx, Г.2.1. Эксплуатация тепловых энергоустановок и тепловых сетей. Б, Компьютерные игры, их влияние на здоровье человека.docx, экз билеты 10 класс для печати.doc, экзаменационные билеты МДК 01.01.docx.

1 2 3 4 5 6 7 8
2. Пьезоэлектрики. Природа пьезоэлектрического эффекта. Применение пьезоэлектриков.

Пьезоэлектриками называют диэлектрики, в которых под действием механических напряжений появляется поляризация, а под действием электри-ческого поля пьезоэлектрики упруго деформируют-ся. Таким образом, пьезоэлектрики являются элект-ромеханическими преобразователями, преобразую-щими механическую энергию в электрическую и обратно.

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии, у которых при деформации ячейки происходит появление электрического момента. Заряды q, возникающие на поверхности пластин из пьезокристаллов пропорциональны приложенным силам.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллы, лишенные центра симметрии: кварц, турмалин, сегнетова соль и др. Часто используется пьезокерамика. Пьезоэлектрики нашли широкое применение для изготовления резонаторов, преобразователей колебаний и др.

Билет №15

1. Влияние напряженности магнитного поля на величину магнитной индукции в ферромагнетиках.

При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле векторы намагниченности каких-либо доменов окажутся совпавшими или близкими к совпадению с вектором напряжён-ти внешнего магнитного поля. Энергия таких доменов будет мин, тогда как энергия всех остальных доменов повысится. Для того чтобы понизить энергию системы благоприятно ориентированные домены растут. При этом увелич-ся намагниченность (М) и, , возрастает индукция (В). Зависимость индукции от напряженности внешнего магнитного поля принято называть кривой намагничивания.

На начальном участке кривой намагничивания увеличение напряж-ти внешнего поля ведет к незначительному росту индукции, причем при отключении внешнего поля индукция снижется до 0. Этот участок принято называть участком обратимого намагничивания или областью Релея (I).

На 2 участке незначит-ое измен-ие напряжен-ти внешнего поля ведет к заметным изменениям индукции. Этот участок называют участком резкого роста инд-ии или областью скачков Баркгаузена (II).

На 3 участке кривой намагничивания зависимость индукции от напряженности внешнего поля вновь ослабевает. Этот участок называют участком замедленного намагничивания или область намагничивания за счет процессов вращения (III).

На четвертом участке индукция растет пропорционально напряженности магнитного поля. Этот участок называют участком насыщения или областью парапроцесса (IV).
2. Влияние давления на электрическую прочность газов.

Другим ярким представителем развития фотонной ионизации является зависимость электропрочности газов от давления. При повышении давления выше атмосферного электропрочность газа растет. Это связано с уменьшением межмолекулярных расстоянием и снижением длины свободного пробега ионов. При снижении давления электрическая прочность газа уменьшается и даже под действием поля малой напряженности газ начинает светиться. Для случая воздуха, чем ниже давление, тем меньше длина волны испускаемого света, то есть по мере уменьшения давления цвет свечения меняется с красного до синего. При низких давлениях (менее 10^-4 торр.) воздух перестает светиться — «черный вакуум». Изменения длины светового излучения связано с тем, что по мере снижения давления длина пробега ионов возрастает и ионы набирают большую кинетическую энергию. Соответственно возбужденные столкновениями с ионами электроны атомов испускают кванты большей энергии или меньшей длины. При разряжении соответствующем «черному вакууму» концентрация молекул в межэлектродном пространстве насколько мала, что длина пробега ионов сравнивается с межэлектродным промежутком. Поэтому вероятность ионизации молекул становится ничтожно малой и пробой наступает за счет вырывания электронов из электродов.

Билет №16

1. Влияние температуры на спонтанную намагниченность ферромагнетиков

Так как магнитные материалы используются главным образом при климатических температурах, важным параметром является намагниченность при этих температурах. Хорошо известно, что величина спонтанной намагниченности в ферромагнетиках уменьшается с повышением температуры. Это падение намагниченности,, слабое при относительно низких температурах, резко возрастает с приближением к точке Кюри. (Величина спонтанной намагниченности уменьшается с ростом температуры и в точке Кюри (Тс) становится равной нулю). Температурные изменения намагниченности сопровождаются так называемыми кооперативными эффектами. Слабые изменения намагниченности в области низких температур, вероятно, связаны с механизмом спиновых волновых возбуждений.

Компенсационный эффект заключается в том, что, когда сумма магнитных моментов атомов сорта А и сумма магнитных моментов атомов сорта В равны друг другу, спонтанная намагниченность полностью исчезает.
2. Электреты и их применение.

Электретами называют диэлектрики, у которых постоянный электрический момент или избыточный заряд сохраняются длительное время. Электреты могут служить источниками электрического поля в окружающем пространстве, аналогично постоянным магнитам, являющимися источниками магнитного поля. Эта аналогия в свойствах постоянных магнитов и электретов отражена в их названии (по-английски постоянный магнит — magnet). В зависимости от способов получения различают термоэлектреты, фотоэлектреты, электроэлектреты, трибоэлектреты, радиоэлектреты.

Билет №17

1. Принципы выбора материалов для зажимных контактов.

В зажимных контактах («клеммы», болтовые соединения и т.д.) действительная поверхность контакта заметно меньше поверхности налагаемых друг на друга проводников. Это связано с наличием на поверхности сопрягаемых деталей неровностей и слоя окислов. Поэтому чем мягче материал контактов и чем выше его коррозионная стойкость, тем меньше сопротивление контакта. В этой связи контакты обычно облуживают – покрывают слоем олова. Для особо надежных контактов применяют серебрение или золочение.

Важно также иметь в виду, что при контакте разнородных материалов (например, меди и стали) происходит активная коррозия химически более активного элемента. Так при контакте стали с медью, будет происходить интенсивная коррозия стали, и появление окислов железа приведет к росту сопротивления контакта. Поэтому в тех случаях, когда необходим контакт стальной детали с медной, обе детали облуживают.
2. Суперионные проводники.

Суперионные проводники (суперионики), неметаллические кристаллические или стеклообразные вещества с высокой электрической проводимостью (10–1—10–3 Ом–1см–1), сравнимой с проводимостью жидких электролитов и расплавов солей. К ним относятся, например, AgI, RbAg4I5, некоторые твёрдые растворы. Вещества с ионной проводимостью используются как твёрдые электролиты, соединения со смешанной ионно-электронной проводимостью выполняют роль электродов.

Билет №18

1.Природа высокой магнитной проницаемости пермаллоев.

Пермаллоями называют сплавы железа и никеля, работающие в слабых полях. При этом различают низконикелевые пермаллои и высоконикелевые пермаллои. Низконикелевые пермаллои содержат 45-65% Ni, высоконикелевые пермаллои — 76-80% Ni. Для низконикелевых пермаллоев характерны более высокое удельной электросопротивление и повышенная индукция насыщения, однако, магнитная проницаемость низконикелевых пермаллоев ниже магнитной проницаемости высоконикелевых пермаллоев. Важно отметить, что индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев ниже индукции насыщения низконикелевых пермаллоев. Это обстоятельство связано с тем, что магнитный момент иона никеля ниже магнитного момента иона железа.

Для материалов, работающих в слабых полях, чрезвычайное значение имеет высокое значение начальной магнитной проницаемости. Иначе говоря, для таких материалов важна большая подвижность границ доменов в условиях малой напряженности внешнего магнитного поля. Следовательно, такие материалы должны быть однофазными и иметь малую магнитную анизотропию и магнитострикцию.

Увеличение межатомных расстояний между атомами переходных металлов вследствие легирова-ния, приводит к снижению магнитной анизотропии. Поэтому для достижения максимальной магнитной проницаемости используют сильно легированные сплавы. Примером могут служить альсифер и пермаллои.
2.Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость диэлектриков с ионной связью.

Повышение температуры увеличивает меж-атомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется, и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ион-ных кристаллов возрастает (рис. 30).

Рис. 30. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для ионных кристаллов.

Время установления этого механизма поляризации сравнимо с периодом оптических колебаний ионов в кристаллической решетки и составляет 10-12-10-13 с. Поэтому до частот 1012- 1013 Гц диэлектрическая проницаемость веществ с ионной связью не зависит от частоты внешнего поля.

(Поляризация упругого ионного смещения. Этот вид поляризации вызван упругим смешением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля. Он характерен для ионных кристаллов (мрамор, поваренная соль, слюда, кварц и др.). Важно отметить, что в таких материалах, наряду с поляризацией упругого ионного смещения, присутствует и поляризация упругого электронного смещения. Из приведенных данных следует, что величина поляризации возрастает с увеличением радиусов ионов и с увеличением их зарядов).

Билет №19

1. Особенности применения низконикелевых и высоконикелевых пермаллоев

Высоконикелевые пермаллои прим-ся для изг-я сердечников малогаб-х трансф-в, реле и магн-х экранов; магнитных усилителей и бесконтактных реле.

Низконикелевые пермаллои прим-ся для изг-я сердечников междуламповых и маломощных силовых трансф-в, дросселей, работающих при повышенных индукциях.

При использ-ии пемал. сплавов необ-мо иметь в виду их искл-но высокую чувств-ть к деформациям.

Магнитные свойства пермалоев чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве. Удельное сопротивление высоконикелевых пермалоев почти в три раза меньше, чем низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительно использовать низконикелевые пермалои. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость пермалоев, и уменьшает чувствительность к деформациям, но снижается индукция насыщения. Медь увеличивает постоянство r в узких интервалах напряженности магнитного поля, повышает температурную стабильность и удельное сопротивление, а также делает сплавы легко поддающимися механической обработке. Кремний и марганец в основном только увеличивают удельное сопротивление пермалоев.
2. Влияние температуры на тангенс угла потерь диэлектриков с неполярной ковалентной связью

С увеличением температуры концентрация носи-телей заряда в диэлектрике повышается. Поэтому вероятность столкновения носителя заряда со струк-турной единицей вещества также растет. Следова-тельно, при увеличении температуры потери на сквозную электропроводность возрастают (рис. 35).

В неполярных диэлектриках реализуется упругая электронная или упругая ионная поляризация. Как известно, при развитии упругих процессов потерь энергии нет, поэтому в неполярных диэлектриках основной вид потерь — потери за счет сквозной электропроводности.

Билет №20

1. Природа высокой магнитной проницаемости альсифера.

Альсифер— сплав системы Fe-Si-Al, содержащий около 9,5% кремния и 5,5% алюминия. При этом составе магнитная анизотропия минимальна и сплав имеет очень высокую магнитную проницаемость. Отклонение от оптимального состава приводит к снижению магнитной проницаемости .

Сплав отличается достаточно высоким удельный электрическим сопротивлением, что снижает потери на вихревые токи. Вместе с тем, сплав непластичен и тверд. Детали из него изготавливают методом порошковой металлургии, а окончательная обработка деталей возможна только анодно-механическим и электроискровым способами, а также шлифовкой. Трудность обработки повышает стоимость изделий, однако, поскольку сплав не содержит дорогостоящих компонентов его широко применяют для изготовления магнитных экранов и магнитопроводов.

Увеличение межатомных расстояний между атомами переходных металлов вследствие легирова-ния, приводит к снижению магнитной анизотропии. Поэтому для достижения максимальной магнитной проницаемости используют сильно легированные сплавы. Примером могут служить альсифер и пермаллои.
2. Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектриков.

В сегнетоэле-ах в опред-ом диапазоне темпер-р наблюдается спонтанная или самопроизвольная поляр-ия.

Существенное влияние на диэлектрическую проницаемость оказывает температура. При повышении температуры кинетическая энергия ангармонических колебаний ионов возрастает, и электростатическая связь между ионами ослабевает. Внешнему полю легче перебросить ионы из одного положения в другое, соответственно, поляризация и диэлектрическая проницаемость возрастают. Максимум диэлектрической проницаемости наблюдается при температуре Кюри.

Легирование сегнетоэлектриков приводит к изменению энергии связи между ионами и дает возможность изменять температуру Кюри и величину диэлектрической проницаемости.

Билет №21

1.Типы химических связей между атомами, влияние типа связи на свойства материалов.

Ковалентная связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов с близкими ионизационными потенциалами. В чистом виде ковалентная связь реализуется при взаимодействии элементов с наполовину заполненными электронными оболочками. H₂ ,C, Si, Ge, Sn. Соседние атомы обмениваются электронами.

Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу. Каждый атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей равно числу валентных электронов атома. Следовательно, ковалентная связь насыщенна. Кроме того, атом взаимодействует только с теми соседями, с которыми он обменялся электронами, то есть ковалентная связь имеет направление.

Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим количеством электронов на валентных оболочках. При этом наружные электроны атомов с низкими потенциалами ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными потенциалами. Ионная связь ненасыщенна, поскольку каждый из отрицательно заряженных ионов притягивает к себе положительно заряженные, а каждый из положительно заряженных ионов притягивает к себе все отрицательно заряженные. Однако ионная связь направлена, поскольку ион притягивает к себе разноименно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные.

Уменьшение размера иона и увеличение его заряда ведет к росту энергии связи, а следовательно, к росту температуру плавления материала, уменьшению коэффициента теплового расширения и к увеличению модуля упругости.

Металлическая связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов, у которых валентные электронные оболочки застроены меньше чем на половину. Поскольку энергия иона минимальна при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны (электронный газ).

Металлическая связь не имеет направления и ненасыщенна. Кристаллические решетки металлов упакованы плотно.

Связь Ван-дер-Ваальса образуется при сближении молекул или атомов инертных газов и заключается в их связи между собой за счет постоянных или взаимно созданных дипольных моментов.
2. Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость полярных диэлектриков

Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля. При низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен, и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. В связи с этим диэлектрическая проницаемость полярных материалов при низких температурах мала (=2-2,5). С возрастанием температуры подвижность диполей увеличивается, и облегчается их ориентация под действием внешнего поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость растет. Однако при дальнейшем росте температуры кинетическая энергия теплового движения диполей возрастает настолько, что броуновское движение диполей разрушает ориентацию, задаваемую внешним полем. Поэтому диэлектрическая проницаемость снижается (см. рис. 31). Таким образом, зависимость =f(t) для веществ с дипольно-релаксационной поляризацией имеет характерную форму «холма».

Рис.31. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и от частоты электрического поля (f1f2).

Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения, то наступление состояния поляризации требует времени. С увеличением вязкости возрастает время, необходимое для наступления поляризации. При увеличении частоты электрического поля время действия поля на диполи за половину периода уменьшается, а следовательно, уменьшается величина поляризации и снижается величина диэлектрической проницаемости. С увеличением частоты максимум диэлектрической проницаемости не только снижается, но и смещается в сторону высоких температур, то есть меньших вязкостей диэлектрика.

1 2 3 4 5 6 7 8

topuch.ru

Дифференциальный датчик магнитного поля на основе магнитострикционно-пьезоэлектрической структуры

Приведено описание принципа работы и представлены результаты экспериментального исследования датчика постоянного магнитного поля, в основу работы которого положен нелинейный магнитоэлектрический эффект. Датчик магнитного поля состоит из конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, помещенного между катушками Гельмгольца, создающими переменное магнитное поле. Показано, что при наложении постоянного магнитного поля разность амплитудных значений двух соседних максимумов напряжения на обкладках конденсатора пропорциональна величине напряженности постоянного магнитного поля.

Ключевые слова:магнитоэлектрический эффект, композиционный материал, магнитострикция.

Интерес к исследованию магнитоэлектрического (МЭ) эффекта вызван не только научной новизной выбранного направления исследований, но также перспективами его практического использования в различных областях техники. Одним из основных применений является изготовление датчиков магнитных полей. Их основными достоинствами является высокая чувствительность при комнатной температуре, линейность по отношению к амплитуде измеряемого поля, а также отсутствие источника тока, необходимого, например, для работы датчиков Холла.

Магнитоэлектрический эффект заключается в возникновении разности потенциалов между обкладками конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композиционный материал, при помещении его в магнитное поле. Возникновение МЭ эффекта в таких структурах связано с механическим взаимодействием магнитострикционной и пьезоэлектрической фаз. В магнитном поле в магнитострикционной компоненте возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего на обкладках конденсатора возникает разность потенциалов.

Ранее, во многих работах [1], исследовался линейный МЭ эффект, возникающий в такой структуре при помещении ее в постоянное (подмагничивающее) и переменное магнитные поля. Поскольку магнитострикция является квадратичным по намагниченности эффектом [2], то в области, далекой от насыщения, величина механических напряжений пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля. Вследствие этого возникающее на обкладках конденсатора электрическое поле также будет пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Это приводит к тому, что при помещении конденсатора в переменное магнитное поле с частотой на обкладках конденсатора возникает электрическое напряжение с удвоенной частотой. Если приложенное магнитное поле представляет собой сумму двух полей — переменного и постоянного, то возникающая разность потенциалов на обкладках конденсатора будет представлять собой сумму двух сигналов — линейного по напряженности переменного магнитного поля с частотой и квадратичного с удвоенной частотой. Сложение линейного и нелинейного по напряженности магнитного поля сигналов приводит к возникновению разности амплитудных значений соседних максимумов напряжения на обкладках конденсатора. Величина этой разности будет пропорциональна напряженности приложенного постоянного магнитного поля, что позволяет использовать этот эффект для измерения величины постоянного магнитного поля.

В качестве модели для теоретического описания эффекта рассмотрим структуру в виде пластинки, состоящую из магнетика толщиной и пьезоэлектрика толщиной поляризованного в направлении, перпендикулярном плоскости пластинки (ось ). Выражения для тензора деформаций магнитострикционной и пьезоэлектрической компонент структуры в электрическом поле напряженностью и в магнитном поле напряженностью , в области, далекой от насыщения, можно записать в виде:

, (1)

, (2)

где , — тензоры напряжений, , — модули Юнга магнитной и пьезоэлектрической фаз соответственно, — пьезоэлектрический модуль, — магнитострикционный коэффициент, — магнитострикционная деформация в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Возникающие в переменном магнитном поле колебания магнитострикционной среды будут передаваться через границу в пьезоэлектрическую среду, в результате чего в структуре возникнут связанные колебания, дисперсионное соотношение для которых определяется выражением [3]:

. (3)

Здесь и — безразмерные переменные, , — скорости продольных звуковых волн, , — плотности магнетика и пьезоэлектрика, , , — волновой вектор, — коэффициент Пуассона.

Разность потенциалов, возникающая на обкладках конденсатора, в низкочастотной области спектра, согласно [4] определяется выражением:

, (4)

где — безразмерный параметр, — квадрат коэффициента электромеханической связи, — диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика.

В случае, если магнитное поле представляет собой сумму двух полей, переменного с частотой и постоянного , то из выражения (4) легко видеть, что разность соседних максимумов напряжения, возникающая в результате сложения двух сигналов — одного с частотой , а второго — с удвоенной частотой определяется следующим выражением:

, (5)

где — постоянная для данной структуры величина равная .

Как следует из выражения (5), в полях, далеких от насыщения, возникающая разность потенциалов пропорциональна как величине постоянного магнитного поля, так и амплитуде переменного магнитного поля. Это свойство структуры можно использовать для измерения величины магнитного поля.

Для экспериментальных исследований использовалась трехслойная структура пермендюр — цирконат-титанат свинца (ЦТС 850) — пермендюр. Образцы имели прямоугольную форму. Длина образца 20 мм, ширина 5 мм, толщина пьезоэлектрика — 0,35 мм, толщина одной пластины пермендюра — 0,175 мм. Переменное магнитное поле частотой создавалось катушкой Гельмгольца. Для определения величины переменного магнитного поля катушка Гельмгольца была вначале проградуирована. Входная разность потенциалов, приложенная к катушке Гельмгольца, и выходная разность потенциалов, возникающая на обкладках конденсатора, выводилась на экран осциллографа. При помещении конденсатора в переменное магнитное поле на его обкладках возникала разность потенциалов, меняющаяся по гармоническому закону с удвоенной частотой. При изменении величины напряженности переменного магнитного до 40 Oe каких либо заметных искажений в выходном сигнале не обнаружено. При приложении постоянного магнитного поля выходной сигнал представляет собой типичную картину, возникающую при сложении двух синфазных колебаний с одинарной и удвоенной частотой. На рисунке 1 представлена типичная осциллограмма выходного напряжения на обкладках конденсатора, возникающая при его помещении в постоянное и переменное магнитные поля.

Рис. 1. Осциллограмма выходного напряжения на конденсаторе при помещении структуры в переменное и постоянное магнитные поля

Величина разности амплитудных значений напряжения между соседними максимумами увеличивается с увеличением напряженности приложенного постоянного магнитного поля. Чувствительность структуры линейно изменяется с увеличением напряженности переменного магнитного поля. Это свойство можно использовать для измерения величины постоянного магнитного поля, где величина переменного магнитного поля играет роль диапазона измерений.

Следует отметить, что возникновение разности потенциалов происходит в результате сложения двух сигналов, полученных от одного источника, следовательно, разность фаз между этими сигналами остается постоянной во времени, что позволяет производить суммирование полученной разности в течение длительного времени, тем самым повышая чувствительность датчика.

Литература:

1. Пятаков А. П., Звездин А. К. // УФН. — 2012. — т. 182. — № 6. — с. 593–620.

2. Белов К. П. Магнитострикционные явления и их технические приложения // М.: Наука. — 1987. — 160 с.

3. Филиппов Д. А., Галичян Т. А., Фирсова Т. О. // Вестник НовГУ — 2012. — № 68. — с. 116–118

4. Филиппов Д. А. // ФТТ. — 2005. — т. 47. — № 6. — с. 1082–1084.

moluch.ru

Пьезоэлектрики — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 марта 2017; проверки требуют 4 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 марта 2017; проверки требуют 4 правки.

Амплитуда колебаний диска сильно преувеличена для наглядности. Напряжение, измеряемое вольтметром, на самом деле будет производной от изменения геометрии пьезоэлектрика. Максимальная амплитуда напряжения, снимаемого с пьезоэлемента, будет примерно в половине периода сжатия пьезоэлемента. Если пьезоэлемент сжимается так, как нарисовано на рисунке, за 1 секунду, то максимум амплитуды напряжения будет примерно в момент времени 0.5-0.7 секунды. Когда элемент сжат, то производная от силы, сжимающей элемент, будет равна нулю, и напряжение на концах пьезоэлемента будет равно нулю. То есть, частота колебания стрелки должна быть в 2 раза больше, чем на рисунке. После сжатия, при растяжении, с пьезоэлемента будет сниматься обратное по полярности напряжение. Вольтметр должен зашкалить в минусовую сторону.

Пьезоэле́ктрики — диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект). Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.^[1]

Пьезоэлектрики широко используются в современной технике в качестве элемента датчика давления. Существуют пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца.

Таким образом пьезоэлектрики можно разделить на:

натуральные кристаллы (AlPO₄)
искусственные кристаллы (GaPO₄)
полимеры (стекловолокно)
пьезокерамику
полупроводники III-V II-VII (ZnO)

В быту можно наблюдать пьезоэффект, например, в зажигалке, где искра образуется от нажима на пьезопластинку, а также при медицинской диагностике с помощью УЗИ, в которой используются пьезоэлектрические источник и датчик ультразвука. Передовой областью использования пьезоэлектриков является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Из пьезоэлектриков изготавливаются сканирующие элементы зондовых микроскопов, осуществляющие перемещение зонда в плоскости образца с точностью до 0,01 Å. Наибольшее распространение в ней имеют трубчатые пьезоэлементы. Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при сравнительно небольших управляющих напряжениях. Они представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезоэлектрических материалов. Соединение трех таких трубок в единый узел позволяет организовать перемещение зонда в трех ортогональных направлениях, такой сканирующий элемент называется триподом.

В 1964 г. Ю. В. Гуляев и В. И. Пустовойт предложили слоистую структуру «пьезоэлектрик-полупроводник» в качестве базовой конструкции акустоэлектронных приборов, использующих поверхностно-акустические волны.

Твердотельные материалы: пьезоэлектрики, пьезополупроводники и сложные слоистые среды называются континуальными средами функциональной электроники. Выбор континуальных сред определяется природой используемых динамических неоднородностей^[2].

ru.wikipedia.org

Пьезоэлемент

Дмитрий Левкин

Пьезоэлемент — электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Сменить цвет

Колебания пьезоэлемента
Диаметр: 10 мм
Толщина: 1 мм
Материал: ЦТС-26
Напряжение: 5В
Частота возбуждения: 1МГц
Масштаб колебаний: 30000:1

Посмотреть колебания

Остановить колебания

Рисунок — Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина. Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов. В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год [9].

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Рисунок 1 – Элементарная ячейка цирконата титоната свинца (ЦТС) при температуре выше точки Кюри (слева) и при температуре ниже точки Кюри (справа)

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO₃, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО₃), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO₃ вместо Pb — Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.

Рисунок 2 – Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложениии сильного электрического поля (справа)

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности [2].

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. Рисунок 3 показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации [1]. Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

Рисунок 3 – Направление и ориентация осей пьезоэлектрического материала

Пьезоэлемент характеризуется следующими свойствами:

а) Относительные диэлектрические постоянные

Относительная диэлектрическая постоянная является отношением диэлектрической проницаемости материала (в этом случае и ) к диэлектрической проницаемости вакуума (ε₀)

и , (1)

где ε₀ = 8,85· 10^-12, Ф/м

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце [3]. А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля [1]. Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

, (2)

где — диэлектрическая проницаемость (одна из двух или ), Ф/м
t – расстояние между электродами, м,
S – площадь электрода, м²,
C – емкость, Ф

б) Резонансная частота

Собственная частота пластины по толщине f₀ вычисляется по следующей формуле

, (3)

где с – скорость звука в материале, м/с [2]

Нажимайте сюда для просмотра колебаний пьезоэлемента!

Частота возбуждения f=25кГц
Масштаб колебаний 200000:1

Частота возбуждения f=73,6кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Частота возбуждения f=280кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Рисунок 4 — Амлитудно-частотная характеристика пьезоэлемента. Виды колебаний на разных частотах

в) Коэффициенты электромеханической связи

Коэффициенты электромеханической связи k_p, k₃₃, k₁₅, k_t и k₃₁ описывают способность пьезоэлемента превращать энергию из электрической в механическую и наоборот. Квадрат коэффициента электромеханической связи определяется как отношение накопленной преобразованной энергии одного вида (механической или электрической) к входной энергии второго вида (электрической или механической). Индекс показывает относительные направления электрических и механических величин и вид колебаний. Они могут быть связанны с модой колебаний простого преобразователя определенной формы. k_p означает взаимосвязь электрической и механической энергии в тонком круглом диске, поляризованном по толщине и колеблющемся в радиальном направлении – планарная мода (рисунок 5а). k₃₁ относится к длинному тонкому бруску с электродами на длинной поверхности. Вид колебаний – растяжение сжатие по длине (рисунок 5б). k_t связан с тонким диском или пластиной и определяет растяжения сжатия по толщине (рисунок 5в). k₃₃ соответствует длинному тонкому бруску с электродами на его концах и поляризованному по длине. Вид колебаний – растяжения сжатия по длине (рисунок 5г). k₁₅ описывает энергию преобразованную в сдвиговые колебания по толщине (рисунок 5д) [4].

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

, (4)

где f_r – резонансная частота, Гц,
f_a – антирезонансная частота, Гц [5]

Чтобы измерить эти частоты обычно используется анализатор импеданса, с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики (рисунок 6).

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На рисунке 6 частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной ( f_r), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной ( f_a).

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы

Рисунок 6 – Зависимость сопротивления от частоты у пьезокерамики [6]

г) Упругие константы

Упругие свойства пьезоэлектрических материалов характеризуются упругими податливостями () или упругими жесткостями (). Упругая податливость определяет величину деформации возникающей под воздействием приложенного механического напряжения. Ввиду того, что под воздействием механического напряжения керамика порождает электрический ответ, который противодействует результирующей деформации, эффективный модуль Юнга при коротком замыкании электродов меньше чем при холостом ходе. В дополнение, жесткость различна в разных направлениях, поэтому для точного определения величины указываются электрические и механические условия. Верхний индекс E говорит о том, что замеры происходят при постоянном электрическом поле (короткое замыкание). В то время как, индекс D указывает на граничное условие – постоянное электрическое смещение (индукция), т.е. замеры происходят при холостом ходе. Первая нижняя цифра показывает направление деформации, вторая направление механического напряжения [4].

д) Пьезоэлектрические постоянные

Пьезоэлектрический модуль d – отношение механической деформации к приложенному электрическому полю (Кл/Н) [2]

, (5)

где Δx_s – изменение толщины пластины, м,
U_s – приложенное напряжение, В

Полезно помнить, что большие значения d_ij приводят к большим механическим смещениям, что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей. d₃₃ применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (рисунок 5г). d₃₁ используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (рисунок 5б). d₁₅ показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми (рисунок 5д).

Пьезоэлектрическая константа давления g_ij – отношение полученного напряжения к приложенному давлению.

, (6)

где U_e – полученное напряжение, В,
d — толщина, м,
p_x – приложенное давление, Па.

Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение g_ij ведет к большим выходным напряжениям, что является желательным для сенсоров.

е) Коэффициент Пуассона

Коэффициент Пуассона – это отношение относительного поперечного сжатия к соответствующему относительному продольному удлинению [7]

, (7)

где µ – коэффициент Пуассона,
Δa – абсолютное приращение толщины, м,
a – толщина после деформации, м,
Δl – абсолютное приращение длины, м,
l – длина после деформации, м

ж) Температурные коэффициенты

Температурный коэффициент показывает изменение различных свойств материала (резонансная частота, емкость, размеры) при изменение температуры [6]

, (8)

где ТКЧ – температурный коэффициент резонансной частоты, ppm/˚С,
f(t₁) – резонансная частота при температуре t₁, Гц,
f(t₂) – резонансная частота при температуре t₂, Гц,
f₂₀ – резонансная частота при температуре 20˚С, Гц,
Δt – разница температур Δt = t₂ — t₁, ˚С

, (9)

где ТКЕ – температурный коэффициент емкости, ppm/˚С,
C(t₁) – емкость при температуре t₁, Ф,
C(t₂) – емкость при температуре t₂, Ф,
C₂₀ — емкость при температуре 20˚С, Ф

, (10)

где ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения, ppm/˚С,
l(t₁) – длина при температуре t₁, м,
l(t₂) – длина при температуре t₂, м,
l₂₀ – длина при температуре 20˚С, м

з) Скорость старения

Скорость старения это показатель изменения резонансной частоты и емкости со временем. Чтобы вычислить эту скорость, после поляризации электроды преобразователя соединяются вместе, и образец нагревается определенный период времени. Производятся замеры резонансной частоты и емкости каждые 2ⁿ (1,2,4 и 8) дня. Скорость старения вычисляется по следующей формуле [1]:

, (11)

где AR – скорость старения для резонансной частоты или емкости,
t₁, t₂ – число дней после поляризации,
, – резонансная частота или емкость через t₁ и t₂ дней после поляризации

и) Механическая добротность

Добротность – количественная характеристика резонансных свойств колебательных систем, указывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте много ниже резонансной при одинаковой амплитуде возбуждающей силы [8]. Добротность равна отношению собственной частоты ω резонансной системы к ширине Δω частотной полосы, на границах которой энергия системы при вынужденных колебаниях вдвое меньше энергии на резонансной частоте [6].

, (12)

где Q_m – механическая добротность,
f_r – резонансная частота, Гц,
f_a – антирезонансная частота, Гц,
Z_r – сопротивление при резонансе, Ом,
С – емкость, Ф

Изделия, основанные на пьезоэлектрическом резонансе, требуют высокой механической добротности.

к) Температура Кюри

Температура Кюри – это температура при превышение которой пьезоэлектрический материал теряет свои свойства [2].

л) Плотность

, (13)

где ρ – плотность, кг/м³,
m – масса, кг,
V – объем, м³.

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО₃ (напр., BaTiO₃, РbТiO₃) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO₃ — CaTiO₃, BaTiO₃ — CaTiO₃ — CoCO₃, NaNbO₃ — KNbO₃). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO₃ — PbZrO₃ (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ₂О₆, напр. PbNb₂O₆, имеющих весьма высокую Кюри точку (~570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента

Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации [8].

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

В сенсорах, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики [1].

Библиографический список

Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms.- Saskatchewan, Canada.: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005
Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover.- PA, USA.: Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
www.piezo.com
ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические»
Tokin. Multilayer Piezoelectic Actuators. User’s Manual, Tokin Corporate Publisher.: 1996.
Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.I. Механика.- Москва.:1979.
Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. Fundamentals of Piezoelectric Sensorics.- Heidelberg, Dordrecht, London, New York.: Springer, 2010

engineering-solutions.ru

Самозарядная электроника становится реальностью • Александр Самардак • Новости науки на «Элементах» • Нанотехнологии, Физика

Американские ученые показали возможность использования наноразмерных пьезоэлектриков для сбора энергии колебаний разной природы (звуковые волны, вибрации при движении) и последующего преобразования ее в электрическую, причем эффективность преобразования возрастает в 2-3 раза. Это открытие позволит производить самозарядные мобильные устройства, работающие на «зеленом» электричестве.

Представьте себе мобильный телефон, не требующий подзарядки. Такое чудо техники будет работать от энергии звуковых волн, собираемых пьезоэлектрическими кристаллами в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Разработка подобных устройств стала реальностью благодаря теоретической работе ученых из Хьюстонского и Техасского университетов, опубликованной в престижном журнале Physical Review B. Оказывается, на наноуровне свойства пьезоэлектриков могут значительно изменяться, обретая новые интересные особенности. В частности, в условиях наномира существенно возрастает эффективность выработки электрического тока некоторыми типами пьезоэлектриков: при определенных нанометровых толщинах пьезоэлектрические материалы дают прирост электропроизводительности в 2–3 раза по сравнению с макро- и микроскопическими пьезогенераторами.

Авторы статьи полагают, что их открытие найдет применение в низкоэнергопотребляемых мобильных устройствах (сотовых телефонах, карманных компьютерах, ноутбуках) и в целом ряде других устройств — не только гражданского, но и военного назначения. В частности, подобной технологией заинтересовалось американское оборонное агентство DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). На основе таких пьезоэлектрических устройств оно планирует создать самозарядные детекторы взрывчатки, работающие на энергии, извлеченной из вибраций при движении солдата. Для этого достаточно встроить пьезоэлектрическое устройство в каблук ботинка, и можно забыть о недолговечных батареях питания.

Итак, ключевым элементом новой технологии являются пьезоэлектрики — вещества, способные генерировать электричество под действием механического напряжения или деформации (прямой пьезоэлектрический эффект, рис. 1) и, наоборот, изменяющие свои физические размеры (расширяющиеся или сжимающиеся) при пропускании сквозь них электрического тока (обратный эффект). Чаще всего это кристаллы кварца либо керамика.

Пьезоэлектрики были открыты еще во второй половине XIX века, но нашли свое применение только в годы Первой мировой войны, когда на их основе были разработаны сонары (от англ. so[und]na[vigation] and r[anging] — звуковая навигация и определение дальности) для обнаружения подводных лодок. Успешная реализация этого проекта привела к новым применениям пьезоэлектриков. Так были созданы головки для патефонов — первых звукопроигрывающих устройств, пьезоэлектрические зажигалки, кварцевые часы и микрофоны.

Существуют и не совсем обычные применения пьезоэлектриков. Например, в Европе есть несколько ночных клубов, в танцпол которых встроены пьезоэлектрические генераторы, преобразующие танцевальные вибрации в электричество, которого достаточно для питания осветительных ламп, так как каждый танцор генерирует 5–10 Ватт мощности (см. видеоролик Sustainable Dance Club). Подобная технология применяется и в одном из фитнес-залов Гонконга, где часто проходят тренировки по шейпингу, боксу и бодибилдингу. Уже создано несколько так называемых «эко-клубов», обеспечивающих себя электричеством на 60% за счет пьезоэлектриков, вмонтированных в пол и в барную стойку. Еще дальше пошли в Израиле. В январе 2009 года там стартует пробный стометровый участок дороги со встроенными под асфальт пьезокристаллами. Израильские инженеры из фирмы Innowattech планируют получить до 40 киловатт мощности при четырехполосном движении (см. видео).

Следует отметить, что пьезоэлектрический эффект, первоначально обнаруженный в природных материалах, таких как кварц, турмалин, Сегнетова соль и т. д., довольно слабый. По этой причине были синтезированы поликристаллические сегнетоэлектрические керамические материалы с улучшенными свойствами, такие как титанат бария BaTiO₃ и цирконат-титанат свинца PZT (аббревиатура формулы Pb[Zr_xTi_1-_x]O₃ 0 x

В PZT-кристалле отрицательные и положительные электрические заряды разделены, но при этом они распределены в объеме кристалла симметрично, что делает его электрически нейтральным. Чтобы подобная керамика стала пьезоэлектриком, необходимо «отрегулировать» полярность зарядов в кристаллической решетке. Для этого сквозь нагреваемую керамику пропускают сильное электрическое поле (> 2000 В/мм), которое приводит к нарушению симметрии в кристалле (рис. 2.2).

В пьезокристаллах заряды разных знаков формируют электрический диполь. Несколько близлежащих диполей формируют так называемые домены Вейса (Weiss domains). До установления полярности домены ориентированы произвольным образом (рис. 3.1). Под действием электрического поля и высокой температуры кристалл расширяется в направлении поля и сжимается по перпендикулярной оси. Это приводит к выстраиванию диполей вдоль приложенного электрического поля (рис. 3.2).

После выключения поля и остывания пьезокерамика обладает остаточной поляризацией (рис. 3.3). Если к кристаллу с отрегулированной полярностью приложить электрическое поле, домены Вейса начинают выравниваться вдоль поля, причем степень выравнивания зависит от приложенного электрического напряжения. В результате возникает изменение размеров пьезоэлектрического материала.

При механическом давлении симметрия распределения зарядов нарушается, приводя к разности потенциалов на поверхностях кристалла. Например, кварц объемом 1 см³ при приложении силы 2 кН может произвести напряжение до 12500 В.

Теперь вернемся к работе американских ученых. Используя динамическую модель, исследователи показали, что в узком диапазоне геометрических размеров пьезоэлектрические наноструктуры могут преобразовывать энергию с очень большой эффективностью. При этом они учитывали не только пьезоэлектрический, но и флексоэлектрический эффект (появление электрического напряжения при сгибании и кручении пьезоэлектрика; о флексоэлектричестве см. здесь), который вносит дополнительный вклад в результирующую эффективность пьезоэлектрических устройств.

Наиболее сильно флексоэлектрический эффект проявляет себя на наноуровне: в этом случае он в три раза превышает по эффективности пьезоэлектрический эффект. Это относится прежде всего к PZT-материалам, выполненным в виде нанокантилеверов (балок нанометровых размеров с одной точкой опоры, рис. 4) толщиной в пределах 20–23 нм. При таких условиях нанокантилевер очень гибок и чувствителен к внешнему воздействию. Любое незначительное колебание воздуха либо вибрации, передающиеся через точку опоры, приводят кантилевер в движение, в результате чего в нём возникают как пьезо-, так и флексоэлектричество. Расчеты показали, что флексоэлектрический эффект в несколько раз увеличивает эффективность сбора энергии нанокантилевером. В результате эффективность преобразования энергии увеличивается на 100% по сравнению с обычной пьезокерамикой, а при определенных формах кантилеверов увеличение может даже достигать 200%.

Авторы подчеркивают также важность геометрических размеров промоделированных пьезоэлектрических устройств, так как материалы с толщиной в несколько раз ниже или выше 20-23 нм теряют способность к эффективной генерации энергии, полученной из внешней среды. При этом критическим параметром нанокантилевера является только его толщина. Длина и ширина подбираются исходя из свойств используемого пьезоэлектрического материала. Так что, отмечают авторы, экспериментаторам будет еще над чем поработать.

Для создания работающего устройства по сбору энергии достаточно в цепь с пьезоэлектрическим нанокантилевером поместить аккумуляторную батарею. И вот тогда множество таких сборщиков энергии можно будет вмонтировать в самозарядный сотовый телефон, который никогда не отключится!

Источник: M. S. Majdoub, P. Sharma, T. Çağin. Dramatic enhancement in energy harvesting for a narrow range of dimensions in piezoelectric nanostructures (PDF, 200 Кб) // Physical Review B, 78, 121407 (2008).

Более подробно о флексоэлектрическом эффекте в PZT-керамике можно прочитать здесь:
Wenhui Ma, L. Eric Cross. Flexoelectric effect in ceramic lead zirconate titanate // Appl. Phys. Lett. 86 072905 (2005).

Александр Самардак

elementy.ru

Пьезоэлектрический эффект и его роль в современной электронике

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.

Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.

Прямой пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Выше упоминалось, что существует и обратный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств. Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки. Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах. Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.

Пьезоэлектрические материалы

Данные материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения.

Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.

Давайте сравним искусственно полученный цирконат-титанат свинца ЦТС и природный элемент кварц. Итак, ЦТС способен вырабатывать гораздо большее напряжение при одинаковой деформации. Соответственно при обратном эффекте он склонен к большей деформации при одном и том же напряжении. Кварц – первый известный пьезоэлектрический материал.

ЦТС производится при высоких температурах с двух химических элементов – свинца и циркония, с добавлением химического соединения под названием титанат. Химическая формула ЦТС Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O₃. Он широко используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов, датчиков и других электронных устройств. Он также имеет специфический диапазон различных свойств. Впервые был изготовлен в 1952 году в Токийском технологическом институте.

Титанат бария представляет собой сегнетоэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала больше, чем другие. Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны и имеет химическую формулу BaTiO₃.

Ниобат лития – соединение, сочетающее в себе кислород, литий и ниобий. Имеет химическую формулу LiNbO₃. Как и титанат бария, является сегнетоэлектрическим керамическим материалом.

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.

elenergi.ru