เพียโซอิเล็กทริก, เพียโซอิเล็กทริก - ฟิสิกส์ของปรากฏการณ์ ประเภท คุณสมบัติ และการนำไปใช้

เพียโซอิเล็กทริก มีการเน้นไดอิเล็กตริก ผลเพียโซอิเล็กทริก.

ปรากฏการณ์ของเพียโซอิเล็กทริกถูกค้นพบและศึกษาในปี พ.ศ. 2423-2424 โดยปิแอร์และปอล-ฌาคส์ คูรี นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสที่มีชื่อเสียง

เป็นเวลากว่า 40 ปีที่ piezoelectricity ไม่พบการใช้งานจริง แต่ยังคงเป็นสมบัติของห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ ในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่งเท่านั้นที่นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Paul Langevin ใช้ปรากฏการณ์นี้เพื่อสร้างการสั่นสะเทือนแบบอัลตราโซนิกในน้ำจากแผ่นควอทซ์เพื่อจุดประสงค์ในการระบุตำแหน่งใต้น้ำ ("ตัวสร้างเสียง")

หลังจากนั้น นักฟิสิกส์จำนวนหนึ่งเริ่มสนใจศึกษาคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกของควอตซ์และผลึกอื่นๆ และการใช้งานจริง ในงานจำนวนมากของพวกเขามีแอปพลิเคชันที่สำคัญมากหลายรายการ

ตัวอย่างเช่น ในปี 1915 S.บัตเตอร์เวิร์ธแสดงให้เห็นว่าแผ่นควอทซ์เป็นระบบกลไกหนึ่งมิติ ซึ่งถูกกระตุ้นเนื่องจากการทำงานร่วมกันระหว่างสนามไฟฟ้าและประจุไฟฟ้า สามารถแสดงเป็นวงจรไฟฟ้าที่เทียบเท่ากับความจุ ความเหนี่ยวนำ และตัวต้านทานที่ต่ออนุกรมกัน

บัตเตอร์เวิร์ธเป็นคนแรกที่เสนอแผ่นควอทซ์เป็นวงจรออสซิลเลเตอร์เป็นรายแรกที่เสนอวงจรสมมูลสำหรับแร่ควอทซ์ ซึ่งเป็นพื้นฐานของงานทางทฤษฎีที่ตามมาทั้งหมด จากแร่ควอตซ์.

ผลเพียโซอิเล็กทริกเป็นแบบตรงและแบบผกผัน เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงนั้นมีลักษณะเฉพาะคือโพลาไรเซชันทางไฟฟ้าของอิเล็กทริกซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากการกระทำของความเค้นเชิงกลภายนอก ในขณะที่ประจุที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของไดอิเล็กตริกนั้นแปรผันตามความเค้นเชิงกลที่ใช้:

ด้วยเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับ ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นในอีกทางหนึ่ง นั่นคือไดอิเล็กตริกเปลี่ยนขนาดภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอกที่กระทำกับมัน ในขณะที่ขนาดของการเสียรูปเชิงกล (การเสียรูปสัมพัทธ์) จะเป็นสัดส่วนกับความแข็งแรงของ สนามไฟฟ้าที่ใช้กับตัวอย่าง:

ปัจจัยสัดส่วนในทั้งสองกรณีคือ piezomodulus d สำหรับ piezoelectric เดียวกัน piezomoduli สำหรับเอฟเฟกต์ piezoelectric แบบตรง (dpr) และแบบย้อนกลับ (drev) จะเท่ากัน ดังนั้น piezoelectrics จึงเป็นประเภทของทรานสดิวเซอร์เครื่องกลไฟฟ้าแบบย้อนกลับได้

ผลเพียโซอิเล็กทริกตามยาวและตามขวาง

เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับประเภทของตัวอย่าง อาจเป็นแนวยาวหรือแนวขวางก็ได้ในกรณีของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกตามแนวยาว ประจุที่ตอบสนองต่อความเครียดหรือความเครียดที่ตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าภายนอกจะถูกสร้างขึ้นในทิศทางเดียวกับการกระทำที่เริ่มต้น ด้วยเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกตามขวาง ลักษณะของประจุหรือทิศทางของการเสียรูปจะตั้งฉากกับทิศทางของเอฟเฟกต์ที่ทำให้เกิดประจุเหล่านั้น

หากสนามไฟฟ้ากระแสสลับเริ่มทำงานบนเพียโซอิเล็กทริก ความผิดปกติแบบสลับที่มีความถี่เดียวกันจะปรากฏขึ้น หากเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกเป็นแนวยาว การเสียรูปจะมีลักษณะของการบีบตัวและแรงดึงในทิศทางของสนามไฟฟ้าที่ใช้ และถ้าเป็นแนวขวาง ก็จะสังเกตเห็นคลื่นตามขวาง

หากความถี่ของสนามไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้มีค่าเท่ากับความถี่เรโซแนนซ์ของเพียโซอิเล็กทริก แอมพลิจูดของการเสียรูปเชิงกลจะสูงสุด ความถี่เรโซแนนซ์ของตัวอย่างสามารถกำหนดได้จากสูตร (V คือความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นเชิงกล h คือความหนาของตัวอย่าง):

ลักษณะที่สำคัญที่สุดของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกคือค่าสัมประสิทธิ์การมีเพศสัมพันธ์ทางเครื่องกลไฟฟ้า ซึ่งระบุอัตราส่วนระหว่างแรงสั่นสะเทือนทางกล Pa และพลังงานไฟฟ้า Pe ที่ใช้ในการกระตุ้นโดยผลกระทบต่อตัวอย่าง ค่าสัมประสิทธิ์นี้มักจะใช้ค่าในช่วง 0.01 ถึง 0.3

เพียโซอิเล็กทริกมีลักษณะเป็นโครงสร้างผลึกของวัสดุที่มีพันธะโควาเลนต์หรือไอออนิกโดยไม่มีจุดศูนย์กลางสมมาตร วัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำซึ่งมีตัวพาประจุฟรีเล็กน้อยนั้นมีลักษณะเฉพาะของเพียโซอิเล็กทริกสูงเพียโซอิเล็กทริกรวมถึงเฟอร์โรอิเล็กทริกทั้งหมด ตลอดจนวัสดุที่เป็นที่รู้จักมากมาย รวมถึงการดัดแปลงผลึกของควอตซ์

เพียโซอิเล็กทริกผลึกเดี่ยว

เพียโซอิเล็กทริกประเภทนี้ประกอบด้วยไอออนิก เฟอร์โรอิเล็กทริกและคริสตัลไลน์ควอตซ์ (เบต้า-ควอตซ์ SiO2)

ผลึกเดี่ยวของเบตาควอตซ์มีรูปร่างเป็นปริซึมหกเหลี่ยมที่มีปิรามิดสองอันอยู่ด้านข้าง ให้เราเน้นทิศทางผลึกศาสตร์สองสามข้อที่นี่ แกน Z เคลื่อนผ่านยอดปิรามิดและเป็นแกนแสงของคริสตัล หากแผ่นถูกตัดออกจากคริสตัลดังกล่าวในทิศทางที่ตั้งฉากกับแกนที่กำหนด (Z) ก็จะไม่สามารถบรรลุผลเพียโซอิเล็กทริกได้

วาดแกน X ผ่านจุดยอดของรูปหกเหลี่ยม มีแกน X สามแกน หากคุณตัดแผ่นตั้งฉากกับแกน X เราจะได้ตัวอย่างที่มีเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกที่ดีที่สุด นี่คือสาเหตุที่แกน X เรียกว่าแกนไฟฟ้าในควอตซ์ แกน Y ทั้งสามแกนที่ตั้งฉากกับด้านข้างของคริสตัลควอตซ์เป็นแกนเชิงกล

ควอตซ์ประเภทนี้เป็นของเพียโซอิเล็กทริกที่อ่อนแอ ค่าสัมประสิทธิ์การมีเพศสัมพันธ์ทางเครื่องกลไฟฟ้าอยู่ในช่วง 0.05 ถึง 0.1

คริสตัลไลน์ควอตซ์มีประโยชน์มากที่สุดเนื่องจากความสามารถในการรักษาคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกที่อุณหภูมิสูงถึง 573 °C ควอทซ์เพียโซอิเล็กทริกเรโซเนเตอร์ไม่มีอะไรมากไปกว่าแผ่นเพลทขนานระนาบที่มีอิเล็กโทรดติดอยู่ องค์ประกอบดังกล่าวมีความโดดเด่นด้วยความถี่เสียงสะท้อนตามธรรมชาติที่เด่นชัด

ลิเธียมไนโอไบต์ (LiNbO3) เป็นวัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งเกี่ยวข้องกับไอออนเฟอร์โรอิเล็กทริก (รวมถึงลิเธียมแทนทาเลต LiTaO3 และบิสมัทเจอร์เมเนต Bi12GeO20)ไอออนิกเฟอร์โรอิเล็กทริกจะถูกหลอมล่วงหน้าในสนามไฟฟ้าแรงสูงที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดคูรีเพื่อให้อยู่ในสถานะโดเมนเดียว วัสดุดังกล่าวมีค่าสัมประสิทธิ์การมีเพศสัมพันธ์ทางไฟฟ้าสูงกว่า (ไม่เกิน 0.3)

แคดเมียมซัลไฟด์ CdS, ซิงค์ออกไซด์ ZnO, ซิงค์ซัลไฟด์ ZnS, แคดเมียมซีลีไนด์ CdSe, แกลเลียมอาร์เซไนด์ GaAs เป็นต้น เป็นตัวอย่างของสารประกอบประเภทเซมิคอนดักเตอร์ที่มีพันธะไอออนิก-โควาเลนต์ สิ่งเหล่านี้เรียกว่าสารกึ่งตัวนำเพียโซ

บนพื้นฐานของไดโพลเฟอร์โรอิเล็กทริกเหล่านี้, เอทิลีนไดเอมีนทาร์เทรต C6H14N8O8, ทัวร์มาลีน, ผลึกเดี่ยวของเกลือ Rochelle, ลิเธียมซัลเฟต Li2SO4H2O - piezoelectrics

โพลิคริสตัลไลน์เพียโซอิเล็กทริก

เซรามิกส์เฟอร์โรอิเล็กตริกเป็นของโพลิคริสตัลไลน์เพียโซอิเล็กทริก ในการถ่ายทอดคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกให้กับเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริก เซรามิกดังกล่าวจะต้องถูกโพลาไรซ์เป็นเวลาหนึ่งชั่วโมงในสนามไฟฟ้าแรง (ที่มีความแรง 2 ถึง 4 MV / m) ที่อุณหภูมิ 100 ถึง 150 ° C ดังนั้นหลังจากการสัมผัสนี้ โพลาไรเซชันยังคงอยู่ซึ่งทำให้สามารถรับเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกได้ ดังนั้นจึงได้เซรามิกเพียโซอิเล็กทริกที่ทนทานพร้อมค่าสัมประสิทธิ์การควบรวมเพียโซอิเล็กทริกที่ 0.2 ถึง 0.4

ชิ้นส่วนเพียโซอิเล็กทริกของรูปทรงที่ต้องการนั้นทำจากเพียโซเซรามิกส์ เพื่อให้ได้การสั่นสะเทือนเชิงกลในลักษณะที่ต้องการ (แนวยาว แนวขวาง แนวโค้ง) ตัวแทนหลักของ piezoceramics อุตสาหกรรมทำขึ้นจากแบเรียมไททาเนต, แคลเซียม, ตะกั่ว, ตะกั่วเซอร์โคเนต - ไททาเนตและแบเรียมตะกั่วไนโอเบต

พอลิเมอร์เพียโซอิเล็กทริก

ฟิล์มโพลิเมอร์ (เช่น พอลิไวนิลิดีนฟลูออไรด์) จะถูกยืดออก 100-400% จากนั้นจึงโพลาไรซ์ในสนามไฟฟ้า จากนั้นจึงใช้อิเล็กโทรดโดยการทำให้เป็นโลหะ ดังนั้นจึงได้องค์ประกอบฟิล์มเพียโซอิเล็กทริกที่มีค่าสัมประสิทธิ์การมีเพศสัมพันธ์แบบเครื่องกลไฟฟ้าเท่ากับ 0.16

การประยุกต์ใช้เพียโซอิเล็กทริก

องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกที่แยกจากกันและเชื่อมต่อกันสามารถพบได้ในรูปแบบของอุปกรณ์วิศวกรรมวิทยุสำเร็จรูป - ทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริกที่มีขั้วไฟฟ้าติดอยู่

อุปกรณ์ดังกล่าว ทำจากควอตซ์ เซรามิกเพียโซอิเล็กทริก หรือเพียโซอิเล็กทริกไอออนิก ถูกนำมาใช้เพื่อสร้าง แปลง และกรองสัญญาณไฟฟ้า คริสตัลควอตซ์ตัดแผ่นระนาบขนานติดอิเล็กโทรด - รับตัวสะท้อน

ความถี่และ Q-factor ของ resonator ขึ้นอยู่กับมุมของแกน crystallographic ที่จานถูกตัด โดยทั่วไปแล้วในช่วงความถี่วิทยุสูงถึง 50 MHz ปัจจัย Q ของตัวสะท้อนดังกล่าวจะสูงถึง 100,000 นอกจากนี้ ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกยังใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะหม้อแปลงเพียโซอิเล็กทริกที่มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงสำหรับช่วงความถี่ที่กว้างโดยทั่วไป

ในแง่ของปัจจัยด้านคุณภาพและความถี่ ควอตซ์มีประสิทธิภาพเหนือกว่าอิออนเพียโซอิเล็กทริก ซึ่งสามารถทำงานที่ความถี่สูงถึง 1 GHz แผ่นลิเธียมแทนทาเลตที่บางที่สุดใช้เป็นตัวปล่อยและตัวรับการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกที่มีความถี่ 0.02 ถึง 1 GHz ในเครื่องสะท้อนเสียง ตัวกรอง เส้นหน่วงเวลาของคลื่นอะคูสติกบนพื้นผิว

ฟิล์มบางของสารกึ่งตัวนำเพียโซอิเล็กทริกที่เกาะอยู่บนวัสดุไดอิเล็กตริกจะใช้ในทรานสดิวเซอร์แบบอินเตอร์ดิจิทัล (ในที่นี้จะใช้อิเล็กโทรดแบบแปรผันเพื่อกระตุ้นคลื่นอะคูสติกที่พื้นผิว)

ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกความถี่ต่ำทำจากไดโพลเฟอร์โรอิเล็กทริก: ไมโครโฟนขนาดเล็ก, ลำโพง, รถปิคอัพ, เซ็นเซอร์สำหรับความดัน, การเสียรูป, การสั่นสะเทือน, การเร่งความเร็ว, ตัวปล่อยอัลตราโซนิก