Пьезоэлектрические элементы. Структура пьезоматериалов. Достоинства и недостатки пьезоэлектрических ИП

Министерство Образования Республики Беларусь

Белорусский Национальный Технический Университет

Кафедра: ”Электроники и Электротехники”

Реферат по теме:

“Пьезоэлектрические элементы ”

Выполнили:  Цыркунов Ю. М.

                                                                                                          Лось Ю. Н.

                                                                                                         гр. 106614

Минск 2006г.

Содержание:

1. Определения

2. Прямой и обратный пьезоэффекты

3. Пьезоэлектрические материалы

4. Структура пьезоматериалов

5. Конструктивные особенности

6. Достоинства и недостатки пьезоэлектрических ИП

7. Схемы включения пьезоэлектрических ИП

Определения

•  Пьезоэлектрические преобразователи- преобразователи механических и акустических колебаний в электрические и обратно, основанные на пьезоэлектрическом эффекте. Используются в качестве мощных источников ультразвука, излучателей и приёмников звука, микрофонов и гидрофонов, звуковых резонаторов, фильтров, датчиков механического напряжений. Применяются в акустоэлектронике и сейсмических исследованиях.                                                                                                                          

•  Пьезоэлектрический эффект - возникновение электри-ческой поляризации в веществе в отсутствие электрического поля при упругих деформациях (прямой П. э.) и появление механических деформаций под действием электрического поля (обратный П. э.). Первое исследование П. э. осуществлено П. Кюри (1880) на кристалле кварца. П. э. обнаружен более чем у 1500 веществ. П. э. наблюдается у всех сегнетоэлектриков и у многих пироэлектриков.

Прямой и обратный пьезоэффекты

Принцип действия ИП пьезоэлектрических датчиков основан на использовании прямого или обратного пьезоэффектов:

•  Прямой пьезоэффект - заключается в способности некоторых материалов генерировать электрические заряды при приложении механической нагрузки.

•  Обратный пьезоэффект - заключается в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.

Количественно пьезоэффект характеризуется пьезомодулем:

Kd = Q/F,       (1)

где Q — генерируемый заряд при воздействии силы F.

Пьезоэлектрические материалы

В качестве пьезоэлектрических материалов используются кварц, турмалин и искусственно поляризованная керамика на основе титаната бария (ВаТiO3), титаната свинца (PbТiOз), цирконата свинца (PbZrO3) и др.

•     Наиболее распространен кварц; он имеет незначительный коэффициент линейного расширения при модуле упругости Е = 7,7·10¹⁰  Па, высокое удельное электрическое сопротивление (порядка 10¹⁶ Ом/м) и сравнительно незначительную зависимость пьезомодуля (2,3·10¹² Кл/Н) от температуры в диапазоне 2ОО...5ОО°С.

•     Пьезокерамика является продуктом отжига спрессованной смеси, содержащей мелко раздробленные сегнетоэлектрические кристаллы; пьезоэлектрические свойства такая керамика приобретает после поляризации в электрическом поле.

Механическая прочность пьезокерамики зависит от технологии и качества обработки соприкасающихся плоскостей; пьезомодуль, диэлектрическая проницаемость и их стабильность зависят от выбора направления поляризации, направления действия силы Р и способа съема заряда.

•     Пьезокерамика на основе ниобата свинца (НБС) и цирконата-титаната свинца (ЦТС) более стабильна, чем на основе титаната бария, однако уступает им по чувствительности. Так, пьезокерамика на основе титаната бария имеет точку Кюри 120˚С (температура, при которой теряются пьезоэлектрические свойства) при пьезомодуле порядка 100·10¹² Кл/Н, а пьезокерамика ЦТС-19 точку Кюри 290°С и в два раза более высокое значение пьезомодуля.

Структура пьезоматериалов

Все природные пьезоматериалы имеют кристаллическую структуру. Так, кварц имеет шестигранную структуру кристалла: пьезочувствительный элемент обычно вырезают из кристалла кварца в виде пластины (параллелепипеда), стороны которой параллельны осям кристалла (рис. 1, а). В свободном (ненапряженном) состоянии в пластине все заряды скомпенсированы и она является электрически нейтральной.

Если к пластине кварца приложена сила F вдоль оси X (см. рис. 1, а), то на ее гранях, перпендикулярных оси X, возникают разнополярные электрические заряды Q, значения которых в пределах упругих деформаций прямо пропорциональны сил е F в соответствии с выражением (1). Такой пьезоэффект называется продольным.

Рис. 1   Кристалл кварца (а) и конструкции пьезоэлектрических ИП (б,в,г,д)

Значения зарядов при этом не зависят от геометрических размеров пластины, а определяются лишь силой F.