164

5.2.3 Пьезоэлектрические материалы

Одно из наиболее важных мест среди материаловпьезоэлектриков занимает монокристаллический кварц (SiO2). Пластинки кварца, как правило, используются в качестве резонаторов высокой добротностиQ~107 для стабилизации частот в радиодиапазоне~ 103¸108 Гц. Значения

пьезомодулей d111= 2,3×10-12 Кл/Н и d123= 0,7×10-12 Кл/Н. Это не лучшие показатели. Однако кварц обладает тем преимуществом перед другими материалами, что имеет низкие температурные коэффициенты линейного

расширения	ТКl~ 10-5	К-1,	что	обусловливает хорошую термостабильность
резонансной частоты		с температурным коэффициентом частоты(ТКЧ)
того же	порядка, что	и	ТКl.	Кварцевые пьезорезонаторы могут иметь

различную форму. Карта раскроя кристаллов кварца весьма сложна, раскрой осуществляется строго под определенными углами. Как правило, в области низких частот используется поперечный эффект, а в области высоких частот

¾продольный эффект. Помимо растягивающе-сжимающих колебаний,

используются колебания кручения и другие. Некоторые кристаллические срезы ценны тем, что обеспечивают минимальный ТКЧ.

Роль пьезоэлектриков могут выполнять некоторые сегнетоэлектрики. В подразделе 5.1 говорилось о том, что сегнетоэлектрики ¾ это материалы, в которых при температуре ниже температуры Кюри, нарушается симметрия, в том числе и центральная. С другой стороны, в энергетически равновесном состоянии сегнетоэлектрики разбиты на домены, поэтому пьезоэлектрические свойства доменов компенсируются по направлениям и проявиться не могут.

Для того чтобы сегнетоэлектрик имел высокую и стабильную остаточную поляризацию, необходимо, чтобы его температура Кюри была достаточно

высокой,	выше Тк ~500¸1000°C.		Поляризация кристаллов проводится					в
сильном	электрическом	поле	при	температуре, близкой		к ТК.	Далее,
производится плавное охлаждение кристаллов, и только после этого поле
снимается. Достойную		конкуренцию		кварцу	в	отношении		значений
добротности, частотного диапазона и значений пьезомодулей(более, чем на
порядок)	составляют сегнетоэлектрические кристаллы				ниобата и		танталата

лития (LiNbO3 и LiTaO3). Эти материалы, будучи поляризованными, хорошо сохраняют остаточную поляризацию и поэтому обладают стабильными пьезоэлектрическими свойствами.

Широкое распространение на практике имеетпьезокерамика. Она получается спеканием мелкокристаллической сегнетоэлектрической фазы со

стеклообразующей	фазой. Для	получения	поляризационной	текстуры,
спекание производится в присутствии сильного электрического поля.
Резонаторы из пьезокерамики имеют меньшую добротность, чем
монокристаллические	резонаторы, поэтому		используются	в	составе
полосовых фильтров.	Целесообразность использования ее излучателях				УЗ-

165

колебаний связано с тем, что она дешевле монокристаллов, но главное, из нее можно изготавливать излучатели произвольной формы, что особенно ценно при фокусировке колебаний.

5.3 Электреты

5.3.1 Основные понятия об электретах

Электретом	называют	твердый	диэлектрик, длительно	создающий			в
окружающем пространстве электростатическое поле за счет предварительной
электризации или поляризации.
Электреты	классифицируют, прежде всего, по способу			формирования

зарядов (рисунок 5.11).

Термоэлектреты получают при воздействии на нагретый диэлектрик

электрического поля с последующим охлаждением						в этом .		полеНагрев
обычно производят до температуры плавления или размягчения для восков и
смол, или	до температуры стеклования для полимеров, когда, с одной
стороны, резко облегчается ориентация полярных молекул							под	действием
поля, а с другой— растет электрическая проводимость, что способствует
ускорению процесса электризации и накопления объемных заряд(товк
абсорбции).	После	охлаждения	диэлектрика		в	электрическом				поле
подвижность полярных молекул или свободных зарядов резко уменьшается, и
диэлектрик	может	длительно	сохранять	сформированную					остаточную
поляризацию и заряды (рисунок 5.11,а).
Фотоэлектреты		получают	воздействием			света		на	,диэлектрик
помещенный в электрическое поле. Под действием света в диэлектрике
возникает	фотопроводимость. Освобождаемые			светом		носители			зарядов
смещаются внешним электрическим полем и некоторые из них"застревают"
на ловушках. После выключения света носители разноименных зарядов
оказываются	"замороженными" у противоположных				сторон		диэлектрика,

который становится электретом(рисунок 5.11, б). Таким образом, если в термоэлектретах перераспределение зарядов стимулируется повышенной температурой, то в фотоэлектретах — освещением.

Радиоэлектреты получают воздействием на диэлектрик радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц). При излучении ускоренные

заряженные частицы (электроны,		ионы) либо		выбивают электроны из
поверхностного	слоя, либо, наоборот,		внедряются	в поверхностный слой
диэлектрика и	создают в	нем	дополнительные дефекты; поверхность

диэлектрика оказывается заряженной (рисунок 5.11, г).

Электроэлектреты получают путем воздействия на диэлектрик только электрического поля, без нагрева или облучения, но физический процесс электризации фактически сводится к рассмотренным выше. В зазоре между

166

электродом и диэлектриком в сильном поле возникает газовый разряд; ионы газа, ускоренные полем, бомбардируют поверхность диэлектрика, создавая дефекты и стабильные заряды в поверхностном слое(рисунок 5.11, в).

Процесс получения электроэлектрета протекает лучше при пониженном давлении газа (1—10 Па) в коронном разряде. Такие электроэлектреты иногда называют короно-электретами.

а)	б)	в)	г)	д)
Рисунок 5.11Виды	электретов: а -	термоэлектрет	поляризационного типа;

б - фотоэлектрет; в - электроэлектрет; г - радиоэлектрет; д - трибоэлектрет.

Трибоэлектреты получают контактной электризацией, трением двух диэлектриков. При тесном соприкосновении двух различных тел часть электронов одного из них (с меньшей работой выхода), переходит на другой. Трение также нарушает нейтрализацию поверхностного заряда диэлектрика ионами воздуха. В результате при разделении контактирующих материалов их поверхности оказываются заряженными противоположными знаками. Стабильный трибоэлектрет можно получить, например, натиранием сухим мехом тефлона.

Электреты можно получить также за счет механического напряжения или деформации диэлектрика (механоэлектреты) и других воздействий.

Как видно из рисунка 5.11, кроме электретов с разноименными зарядами на противоположных сторонах существуют электреты, имеющие во всем объеме заряд одного знака(р дио-, трибоэлектреты). Их называют моноэлектретами. Моноэлектреты нестабильны из-за быстрой компенсации

их заряда зарядами окружающей среды и со временем обычно переходят в биполярные электреты, так как на противоположной стороне диэлектрика оседают компенсирующие заряды другого . знакаНепосредственное получение биполярных электретов связано либопространственным разделением заряда, либо с поляризационным смещением (дипольные электреты). Последние являются электрическими аналогами постоянных магнитов. При разрезании дипольного электрета на части, каждая часть будет являться биполярным электретом. Ясно, что при разрезании электрета с

167

пространственно-разделенным зарядом можно получить два моноэлектрета с противоположными зарядами.

Знак заряда электрета может совпадать со знаком формирующего напряжения на прилегающем электроде, а может быть противоположен ему.

Заряд первого типа называютгомозарядом, а второго—гетерозарядом. Гомозаряды образуются инжекцией заряженных частиц в диэлектрик извне, как это происходит в электроили радиоэлектретах. Гетерозаряд формируется за счет смещения к противоположным сторонамзарядов, образованных

внутри	диэлектрика — связанных или свободных. Это происходит					при
наличии	у	диэлектрика	дипольной	или	миграционной	поляризаци

(термоэлектреты). Гетерозаряд может быть получен и путем облучения диэлектрика заряженными частицами большой энергии(> 10 кэВ), проходящими через всю толщину диэлектрика и застревающими у его противоположной стороны (на передней стороне со временем оседают компенсирующие заряды другого знака).

С течением времени заряд электрета изменяется. Это связано					с
разрушением остаточной поляризации, освобождением носителей заряда,
захваченных	ловушками, нейтрализацией	объемных	зарядов	за	счет
электропроводности диэлектрика. В одном		электрете	гомо- и гетерозаряд

могут сосуществовать, частично компенсируя друг друга. При различной стабильности зарядов изменение суммарного заряда может быть сложной временной функцией, зачастую со сменой знака заряда(рисунок. 5.12). Стабильная составляющая заряда электрета связана с носителями заряда, закрепленными на наиболее глубоких ловушках, и наблюдается в материалах с очень высоким удельным сопротивлением. Параметром стабильности электретного состояния является время жизни электрета ¾ время, в течение

которого значение стабильного заряда(после некоторой выдержки в естественных условиях и "ухода" нестабильной составляющей) уменьшается

ве раз. Время жизни для хороших электретов может составлять сотни лет.

5.3.2Электретные материалы

Фотоэлектреты применяют для световой записи информации на диэлектрическую пленку (подобно записи на магнитную пленку). Световое изображение проектируется на диэлектрик, помещенный в постоянное электрическое поле, при этом освещенные места электризуются, а затемненные остаются незаряженными. Напылением заряженного порошка скрытое электростатическое изображение можно сделать видимым. На этом основано ксерокопирование. Трибоэлектретный эффект используется в электростатических генераторах высокого напряжения(генераторы Ван-дер- Граафа). Электреты применяются в микрофонах, телефонах, датчиках давлений, вибраций, ускорений.

168

В большинстве случаях применения электретов полезный эффект дает электрическое поле, созданное электретом в окружающем пространстве. Напряженность его пропорциональнаповерхностной плотности зарядаs, которая считается основным параметром электретных материалов. Обычно электрет имеет вид тонкой пластинки или пленки с разноименными зарядами одинаковой поверхностной плотности±s на противоположных сторонах. Если ее поместить между обкладками плоского конденсатора, как показано на рисунке 5.13, то легко показать, что:

	E =	σ/ε0		Qинд =		Q	(5.6)
		1 + εh/d			1 + ε h/d
	где E - напряженность поля в			воздушном	зазоре; Q=s×S и Qинд=sинд×S -

соответственно заряд электрета и заряд, индуцированный на обкладке конденсатора; d,S — толщина и площадь поверхности электрета(равная площади обкладки).

При изменении зазора h индуцированный заряд также изменяется. При периодическом изменении зазора в цепи между электродами проходит переменный ток, частота которого равна частоте изменения зазора. Так как внутреннее сопротивление системы электрет¾ электроды велико (107¾108 Ом), то ток не зависит от внешней нагрузки и получается своеобразный генератор переменного тока. На этом принципе работают микрофоны и

телефоны, не		требующие	дополнительного		источника		напряжения.
Колеблющаяся мембрана является, по сути, подвижным электродом.
	В качестве электретных материалов могут быть использованы все
диэлектрики как органические, так и неорганические, при соответствующем
методе электретирования. Однако долгоживущие электреты получаются лишь
из	некоторых	диэлектриков	с	высоким	удельным		сопротивление.
Поверхностная плотность стабилизированного заряда для						них равна10-5—
10-4 Кл/м2.
	На основе полярных полимеров — полиметилметакрилата (оргстекло),
поливинилхлорида,		полиэтилентерефталата			(лавсан),	получают

термоэлектреты поляризацией при температуре стеклования(120 — 135°С). При определенных условиях получения стабильным в этих полимерах может остаться гетерозаряд.