Чип-фильтры, пьезоэлектрические материалы и пьезоэлектрический эффект

Привет всем, я Роуз. Добро пожаловать в новый пост сегодня. Сегодня я представлю пьезоэлектрик, включая его определение, материал, применение и так далее.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. История пьезотехники

Ⅱ. Пьезоэлектрические приложения

Ⅲ. Пьезоэлектрический принцип

Ⅳ. Пьезоэлектрическое уравнение

Ⅴ. Пьезоэлектрический материал

Пьезоэлектрический материал, он обладает волшебным эффектом – пьезоэлектрическим эффектом. Именно этот пьезоэлектрический эффект объединяет электромагнитные волны со звуковыми волнами (механическими волнами). Итак, сегодня давайте узнаем об этом волшебном пьезоэлектрическом эффекте.

Ⅰ. История пьезотехники

Фигура. 1

В Парижской академии наук в 1880 году лаборантами служили братья Пьер и Жак Кюри. Они обнаружили, что прессование кристаллов, таких как кварц, турмалин и сегнетовая соль, создает электрический заряд на их поверхности. Прямой пьезоэлектрический эффект — это название механизма, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую. Греческое слово «пьезо» означает «давить». Если тянуть или сжимать вдоль главной оси (кварцевого блока), на конце этой оси появляется равная величина противоположного знака, которая пропорциональна силе и не зависит от размера кварца. Это наблюдение позже было резюмировано Жаком в его статье 1889 года «Анналы де Химии и телосложения».

Фигура. 2

Габриэль Липпман предвидел противоположный результат в 1881 году, используя математический вывод основных термодинамических принципов, а именно, что приложение электрического поля к этим материалам вызовет внутренние механические напряжения. Путем испытаний семья Кюри быстро доказала этот обратный пьезоэлектрический эффект.

Фигура. 3

Во второй четверти XIX века пьезоэлектричество стало новой областью исследований, вызванной повышенным интересом научного сообщества к этому явлению. Результатом этого исследования стал учебник Вольдемара Фойгта «Lehrbuch der Kristallphysik» 1910 года, в котором перечислены 20 категорий встречающихся в природе кристаллов, проявляющих пьезоэлектрические свойства.

Фигура. 4

Хотя открытие Кюри вызвало интерес в научном сообществе, пройдет некоторое время до первого практического применения пьезоэлектрических материалов.

Ⅱ. Пьезоэлектрические приложения

Сонар был создан Полем Ланжевеном и его соратниками во Франции во время Первой мировой войны и стал первым практическим применением. Они создали подводный ультразвуковой зонд, состоящий из двух стальных пластин, между которыми расположены датчик и гидрофон, изготовленный из тонких кристаллов кварца. Гидрофон улавливает отраженное эхо, когда преобразователь посылает в воду импульс высокой частоты. Глубину можно определить, определив время, необходимое для того, чтобы услышать эхо.

Фигура. 5

После войны конструкция детектора была окончательно усовершенствована. Однако успех проекта вызвал большой интерес к пьезоэлектрической технологии в промышленно развитых странах. В результате во время Первой и Второй мировых войн было создано множество новых применений пьезоэлектрических кристаллов, включая фильтры сигналов, микрофоны, акселерометры и звукосниматели для фонографов.

Фигура. 6

Эластичность и вязкость материалов также измеряются с помощью модернизированных ультразвуковых преобразователей. В результате этого исследования материалов значительно продвинулись вперед. Кроме того, развитие рефлектометрии во временной области позволило обнаружить дефекты в литых металлических и каменных изделиях, которые ранее были необнаружимы, что повысило структурную безопасность.

Фигура. 7

Природные вещества, такие как кварц, турмалин и соли селекции, обладают ничтожно скромным пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрические константы класса синтетических материалов, известных как сегнетоэлектрики, значительно выше, чем у природных материалов.

Фигура. 8

Во время Второй мировой войны исследовательские группы из трех стран (США, Японии и России) независимо друг от друга разработали сегнетоэлектрическое керамическое вещество титанат бария (BaTiO3). В 1952 году ученые Токийского технологического института создали цирконат-титанат свинца (ЦТС), который имеет лучшую чувствительность и рабочую температуру.

Фигура. 9

Соединенные Штаты добились большого технического прогресса за десятилетия, прошедшие после Второй мировой войны, но развитие рынка пьезоэлектрических устройств отставало от этого научного прогресса. Это объясняется секретностью, окружающей бизнес-операции организации, в которой происходит рост. Частично это можно объяснить возникновением отрасли во время Второй мировой войны, а частично — идеей о том, что патенты и эксклюзивные технологии приведут к значительной финансовой выгоде.

Фигура. 10

Напротив, производители в Японии сотрудничают, чтобы быстро решить технологические проблемы и открыть новые рынки. В результате исследования материалов также были разработаны новые семейства непатентованной пьезоэлектрической керамики. В число товаров, созданных японскими производителями, входят пьезоэлектрические керамические воспламенители и фильтры сигналов для телевидения и радио.

Фигура. 11

Ⅲ. Пьезоэлектрический принцип

Из истории открытия пьезоэлектричества мы знаем, что обратный пьезоэлектрический эффект — это процесс, при котором материалы деформируются напряжением, то есть электрическая энергия преобразуется в механическую. Пьезоэлектрический эффект — это процесс, при котором материалы подвергаются давлению для генерации напряжения, то есть процесс преобразования механической энергии в электрическую. действие. Пьезоэлектрический эффект схематически изображен на рисунке ниже.

Фигура. 12

Это обусловлено уникальностью предмета. Регулярные кристаллы идентифицируются по их элементарным ячейкам, упорядоченной и повторяющейся структуре атомов, соединенных связями. Даже если применяется деформация, общие центры заряда положительных и отрицательных ионов уравновешиваются в элементарной ячейке непьезоэлектрических материалов, предотвращая общую поляризацию. . такие как медь, железо и другие металлы.

Фигура. 13

Для пьезоэлектрических материалов структура кристалла асимметрична, но без приложения внешней силы кристалл находится в стабильном состоянии и не проявляет электрической полярности наружу. Однако при приложении внешней силы атомы кристалла рассеются, а электричество внутри рассеется. Электрическая полярность создается при смещении баланса. Кристаллы пьезоэлектрического вещества аналогичным образом расширяются и сжимаются при подаче напряжения, преобразуя электрическую энергию в механическую.

Фигура. 14

Ⅳ. Пьезоэлектрическое уравнение

Из вышеупомянутого объяснения становится ясно, что пьезоэлектрический эффект по существу относится к сочетанию механических и электрических свойств материала. Для существования механических свойств материалов необходимо соблюдение закона Гука для упругих материалов:

Фигура. 15

в формуле

S — деформация материала

Т – давление

s - коэффициент деформации материала

Электрические свойства материала можно описать уравнением электрического смещения

Фигура. 16

в формуле

D - плотность электрического смещения

e относится к относительной диэлектрической проницаемости материала.

E - напряженность электрического поля

Как показано в следующем уравнении, которое является наиболее фундаментальным уравнением пьезоэлектрического эффекта, эти уравнения можно объединить, чтобы построить уравнение пьезоэлектрической связи. Пьезоэлектрические характеристики и пьезоэлектрические коэффициенты различных пьезоэлектрических материалов отличаются друг от друга. Например, давление кварца цирконат-титанат свинца (PZT) имеет пьезоэлектрическое значение 3 10 -10 и электрический коэффициент 3 10 -12.

Фигура. 17

Ⅴ. Пьезоэлектрический материал

Кюри исследовали поверхностные заряды множества веществ во время открытия пьезоэлектрического эффекта и обнаружили, что такие вещества, как сахароза, турмалин, кварц, топаз и сегнетова соль обладают пьезоэлектрическим эффектом. Они также открыли свойства кварца и сегнетовой соли. Наибольший эффект имеет пьезоэлектрический эффект. В результате постоянных исследований ученых создается все больше и больше пьезоэлектрических материалов. Мы разделяем их на следующие группы.

① Натуральные кристаллы: кварц, сахароза, сешельская соль, топаз, турмалин, берлинский камень.

2 Искусственный кристалл: ортофосфат галлия (GaPO4), лангасит (3Ga5SiO14).

③ Пьезоэлектрическая керамика: титанат бария (BaTiO 3 ) титанат свинца (PbTiO 3 ) цирконат титанат свинца (PZT) ниобат калия (KNbO 3 ) ниобат лития (LiNbO 3 ) танталат лития (LiTaO 3 ) вольфрамат натрия (Na 2 WO 4 ) Натрий Калий Ниобат (NaKNb) Феррит висмута (BiFeO 3 ) Ниобат натрия (NaNbO 3 ) Нитрид алюминия ALN Оксид цинка ZnO

④ Биопьезоэлектрические материалы: сухожилие, дерево, шелк, эмаль, дентин, коллаген.

В сфере радиочастот материалы служат основой технического прогресса. Значительному прогрессу в разработке радиочастот способствовало использование пьезоэлектрических материалов, а также нитрида галлия. Большинству тех, кто работает с радиочастотами, не хватает необходимых знаний в области материаловедения, поэтому мы надеемся, что эта статья даст нам базовое представление о пьезоэлектрических материалах.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое пьезоэлектрический материал?

Пьезоэлектрики представляют собой кристаллические материалы, которые под действием давления создают напряжение на обоих концах. Использование пьезоэлектрических материалов позволяет реализовать взаимное преобразование механической вибрации (звуковой волны) и переменного тока.

2. На сколько категорий можно разделить пьезоэлектрические материалы?

Разделены на 2 категории: 1. Неорганические пьезоэлектрические материалы (пьезокристаллы и пьезокерамика); 2. Органические пьезоэлектрические материалы (также известные как пьезоэлектрические полимеры). (Если есть третья категория, то это композиционные пьезоэлектрические материалы).

3. Каковы области применения пьезоэлектрических материалов?

Области применения пьезоэлектрических материалов можно грубо разделить на две категории: энергия вибрации и энергия ультразвуковой вибрации, преобразователи электрической энергии, включая электроакустические преобразователи, подводные акустические преобразователи, ультразвуковые преобразователи и т. д., а также другие датчики и драйверы.