70. Пьезоэлектрики

Поляризация диэлектриков может осуществляться не только при воздействии внешнего электрического поля, но и при механических напряжениях. Явление поляризации диэлектрика под действием механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. Возникающая поляризованность Р прямо пропорциональна приложенному механическому напряжению :

Р = d.

Коэффициент пропорциональности d называют пьезоэлектрическим модулем или пьезомодулем. Пьезомодуль d численно равен заряду, возникающему на единице поверхности пьезодиэлектрика при приложений к нему единицы давления. Изменение знака , т.е. замена растяжения сжатием, приводит к изменению знака переполяризации.

Пьезоэлектрический эффект обратим. При обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика l/l в зависимости от напряженности электрического Е поля по линейному, закону:

l/l =  = dE

(Т.к. Р = ₀(— 1)Е ),  - относительная деформация.

В термодинамике доказывается, что пьезомодули d прямого и обратного пьезоэффекта для одного и того же материала равны между собой. Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электрического поля и меняет знак при изменении направления последнего (рис 40).

На рис. 40 показано, что при приложении к пьезоэлектрику синусоидального электрического поля у него возникают синусоидальные деформации той же частоты.

Различают также продольный и поперечный пьезоэлектрические эффекты. Под первым понимают такой эффект, когда возникновение зарядов на противоположных гранях пластинки определяют в том же направлении, в котором были приложены механические усилия, а при обратном пьезоэлектрическом эффекте деформацию измеряют в направлении приложения электрического поля. При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникающие заряды или деформации измеряют в направлении, перпендикулярном направлению механических усилий или электрического поля соответственно.

Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Кюри в 1880 году.

Пьезоэффект широко используется в технике для преобразования механических смещений или напряжений в электрические сигналы (звукосниматели, приемники ультразвука, датчики деформаций и т.д.) или (обратный пьезоэффект) – электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука и т.д.). Вещества с четко выраженными пьезоэлектрическими свойствами называют пьезоэлектриками, а материалы, предназначенные для использования их пьезоэффекта - пьезоэлектрическими материалами.

Одно из важных мест среди них занимает монокристаллический кварц. Это одна из модификаций двуокиси кремния. Пьезосвойства существуют лишь у -кварца, устойчивого до температуры 573°С. Выше этой температуры изменяется тип структуры и пьезосвойства исчезают. Крупные природные прозрачные кристаллы кварца получили название горного хрусталя. В кристаллах кварца принято различать 3 главные оси, образующие прямоугольную систему координат: Х – электрическая ось, проходящая через вершины шестиугольника поперечного сечения (таких осей имеется три); У – механическая ось, перпендикулярная сторонам шестиугольника поперечного сечения кристалла (таких осей имеется три); Z – оптическая ось, проходящая через вершины кристалла (рис. 41).

Пластинки, вырезанные перпендикулярно оптической оси Z, не обладают пьезоэффектом. Наибольший заряд создается в том случае, если пластинка вырезана перпендикулярно электрической оси X.

Плоскопараллельная полированная кварцевая пластинка с электродами и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, т.е. является колебательным контуром с определенной резонансной частотой колебаний. Частота колебаний зависит от толщины пластинки и направления кристаллографического среза. Преимуществами кварцевых резонаторов являются малый tg и высокая механическая добротность (т.е. очень слабые механические потери). В лучших кристаллах кварца механическая добротность может составлять 10⁶-10⁷. Это обеспечивает высокую частотную избирательность кварцевых резонаторов. Если в таком резонаторе возбудить колебания на резонансной частоте, то их затухание будет происходить в течение длительного времени. Кварцевый пьезоэлемент, поставленный во входную цепь электрического генератора, навязывает ему собственную резонансную частоту.

Благодаря высокой добротности кварцевые резонаторы используют в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов (например, в радиолокационных станциях, в электронных часах и т.д.). Одно из главных требований к таким пьезоэлементам заключается в минимальном уходе резонансной частоты при изменении температуры. Этому требованию лучше всего удовлетворяют пластинки специальных косых срезов по отношению к главным осям.

Ввиду ограниченных запасов природного кварца основные потребности пьезотехники удовлетворяются искусственно выращенными кристаллами.

Кроме кварца в различных пьезопреобразователях применяют кристаллы сульфата лития Li₂SO₄H₂O сегнетовой соли, дигидрофосфата аммония NH₄H₂PO₄, а также ниобат и танталат лития LiNbO₃ и LiTaO₃. Последние составляют значительную конкуренцию кварцу, превосходя его по добротности в диапазоне высоких и сверхвысоких частот.

Наиболее широкое применение в качестве пьезоэлектрического материала находит сегнетоэлектрическая керамика. В обычном состоянии сегнетокерамика не проявляет пьезоактивности, поскольку является изотропной средой вследствие хаотического расположения кристаллических зерен и деления их на домены с разным направлением спонтанной поляризован нести. Однако, если подвергнуть сегнетокерамику воздействию сильного электрического поля, то поляризованность доменов получит преимущественную ориентацию в одном направлении. После снятия поля сохраняется устойчивая остаточная поляризованность. Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для использования в пьезоэлектрических преобразователях, называют пьезокерамикой.

Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее можно изготовить активный элемент практически любого размера и любой формы (например, полый цилиндр, являющийся частью гидролокатора). Основными материалами для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZrO₃–PbTiO₃ (цирконат — титанат свинца или сокращенно ЦТС). Эта керамика широко используется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов. Такие ультразвуковые генераторы применяются также в химической промышленности для ускорения различных процессов (полимеризаторы, стерилизаторы и др.) и в полупроводниковой технологии для эффективной отмывки и обезжиривания полупроводниковых пластин с помощью ультразвуковой ванны. Из пьезокерамики делают малогабаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители, (высокочастотные), слуховые аппараты, детонаторы (для оружия), различные устройства поджига в газовых системах. Пьезокерамические элементы можно использовать в качестве датчиков давлений, деформаций, ускорений, вибраций. Двойное преобразование энергии (электрической в механическую и наоборот) положено в основу работы пьезорезонансных фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов.

Пьезотрансформаторы предназначены для получения высокого напряжения. Их обычно выполняют в виде пластины или бруска, одна половина которого (возбудитель колебаний) поляризуется по толщине, а другая половина (генератор) по длине бруска. Переменное электрическое поле, подводимое к зажимам возбудителя, вызывает резонансные механические колебания по длине бруска. В свою очередь, механические колебания, возникающие в генераторной части, приводят к появлению выходного электрического напряжения.

Трансформаторы могут быть сконструированы для работы в диапазоне 10-500 кГц. На более высоких частотах их размеры оказываются слишком миниатюрными, а на более низких — большими. Коэффициент трансформации напряжения, пропорциональный отношению 2l/h может достигать значений 50 и более.

Пьезокерамические трансформаторы предназначены для использования в схемах питания электронно-лучевых трубок, газоразрядных приборов» счетчиков Гейгера и для генерирования высоковольтных импульсов- Преимуществами таких источников питания являются отсутствие магнитного поля, простота и надежность конструкции, малые массы и габаритные размеры.

Кроме керамики ЦТС для изготовления различных пьезоэлектрических преобразователей применяют керамические материалы на основе твердых растворов BaNi₂O₆–PbNb₂O₆ и NaNbO₃–KNbO₃. Последние разработаны специально для высокочастотных преобразователей (10-40 МГц).