Piezoelektrizität, Piezoelektrizität – Physik des Phänomens, Arten, Eigenschaften und Anwendungen

Piezoelektrika Dielektrika werden hervorgehoben piezoelektrischer Effekt.

Das Phänomen der Piezoelektrizität wurde 1880-1881 von den berühmten französischen Physikern Pierre und Paul-Jacques Curie entdeckt und untersucht.

Mehr als 40 Jahre lang fand die Piezoelektrizität keine praktische Anwendung und blieb Eigentum physikalischer Laboratorien. Erst während des Ersten Weltkriegs nutzte der französische Wissenschaftler Paul Langevin dieses Phänomen, um aus einer Quarzplatte Ultraschallschwingungen im Wasser zur Unterwasserortung („Echolot“) zu erzeugen.

Danach interessierten sich eine Reihe von Physikern für die Untersuchung der piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz und einigen anderen Kristallen sowie deren praktische Anwendungen. Unter ihren zahlreichen Werken befanden sich mehrere sehr wichtige Anwendungen.

Zum Beispiel im Jahr 1915 S.Butterworth zeigte, dass die Quarzplatte als eindimensionales mechanisches System, das durch die Wechselwirkung zwischen einem elektrischen Feld und elektrischen Ladungen angeregt wird, als äquivalenter Stromkreis mit in Reihe geschalteter Kapazität, Induktivität und Widerstand dargestellt werden kann.

Mit der Einführung einer Quarzplatte als Oszillatorschaltung war Butterworth der erste, der eine Ersatzschaltung für einen Quarzresonator vorschlug, die die Grundlage aller nachfolgenden theoretischen Arbeiten bildete. aus Quarzresonatoren.

Der piezoelektrische Effekt ist direkt und invers. Der direkte piezoelektrische Effekt ist durch die elektrische Polarisation des Dielektrikums gekennzeichnet, die durch die Einwirkung einer äußeren mechanischen Belastung auf das Dielektrikum entsteht, während die auf der Oberfläche des Dielektrikums induzierte Ladung proportional zur ausgeübten mechanischen Belastung ist:

Beim umgekehrten piezoelektrischen Effekt manifestiert sich das Phänomen umgekehrt: Das Dielektrikum ändert seine Abmessungen unter der Wirkung eines an es angelegten externen elektrischen Feldes, während die Größe der mechanischen Verformung (relative Verformung) proportional zur Stärke von ist das an die Probe angelegte elektrische Feld:

Der Proportionalitätsfaktor ist in beiden Fällen der Piezomodul d. Für den gleichen Piezoelektrikum sind die Piezomodule für den direkten (dpr) und den umgekehrten (drev) piezoelektrischen Effekt einander gleich. Piezoelektrika sind somit eine Art reversible elektromechanische Wandler.

Piezoelektrischer Längs- und Quereffekt

Der piezoelektrische Effekt kann je nach Probenart longitudinal oder transversal sein.Beim longitudinalen piezoelektrischen Effekt werden Ladungen als Reaktion auf Dehnung oder Dehnung als Reaktion auf ein externes elektrisches Feld in derselben Richtung wie die auslösende Aktion erzeugt. Beim transversalen piezoelektrischen Effekt ist das Auftreten von Ladungen bzw. die Richtung der Verformung senkrecht zur Richtung des Effekts, der sie verursacht.

Beginnt ein elektrisches Wechselfeld auf ein Piezoelektrikum einzuwirken, so tritt darin eine alternierende Verformung mit gleicher Frequenz auf. Wenn der piezoelektrische Effekt longitudinal ist, haben die Verformungen den Charakter von Druck und Spannung in Richtung des angelegten elektrischen Feldes, und wenn er transversal ist, werden Transversalwellen beobachtet.

Wenn die Frequenz des angelegten elektrischen Wechselfelds gleich der Resonanzfrequenz des Piezoelektrikums ist, ist die Amplitude der mechanischen Verformung maximal. Die Resonanzfrequenz der Probe kann durch die Formel bestimmt werden (V ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit mechanischer Wellen, h ist die Dicke der Probe):

Das wichtigste Merkmal des piezoelektrischen Materials ist der elektromechanische Kopplungskoeffizient, der das Verhältnis zwischen der Kraft mechanischer Schwingungen Pa und der elektrischen Leistung Pe angibt, die für ihre Anregung durch Aufprall auf die Probe aufgewendet wird. Dieser Koeffizient nimmt normalerweise einen Wert im Bereich von 0,01 bis 0,3 an.

Piezoelektrika zeichnen sich durch eine Kristallstruktur eines Materials mit kovalenter oder ionischer Bindung ohne Symmetriezentrum aus. Materialien mit geringer Leitfähigkeit, in denen es vernachlässigbare freie Ladungsträger gibt, zeichnen sich durch hohe piezoelektrische Eigenschaften aus.Zu den Piezoelektrika zählen alle Ferroelektrika sowie eine Vielzahl bekannter Materialien, darunter auch die kristalline Modifikation von Quarz.

Einkristall-Piezoelektrika

Zu dieser Klasse von Piezoelektrika gehören ionische Ferroelektrika und kristalliner Quarz (Beta-Quarz SiO2).

Ein Beta-Quarz-Einkristall hat die Form eines sechseckigen Prismas mit zwei Pyramiden an den Seiten. Lassen Sie uns hier einige kristallographische Richtungen hervorheben. Die Z-Achse verläuft durch die Spitzen der Pyramiden und ist die optische Achse des Kristalls. Wenn aus einem solchen Kristall eine Platte senkrecht zur gegebenen Achse (Z) geschnitten wird, kann der piezoelektrische Effekt nicht erreicht werden.

Zeichnen Sie die X-Achsen durch die Eckpunkte des Sechsecks, es gibt drei solcher X-Achsen. Wenn Sie die Platten senkrecht zu den X-Achsen schneiden, erhalten wir eine Probe mit dem besten piezoelektrischen Effekt. Aus diesem Grund werden die X-Achsen im Quarz elektrische Achsen genannt. Alle drei senkrecht zu den Seiten des Quarzkristalls gezeichneten Y-Achsen sind mechanische Achsen.

Dieser Quarztyp gehört zu den schwachen Piezoelektrika, sein elektromechanischer Kopplungskoeffizient liegt im Bereich von 0,05 bis 0,1.

Kristalliner Quarz hat aufgrund seiner Fähigkeit, piezoelektrische Eigenschaften bei Temperaturen bis zu 573 °C aufrechtzuerhalten, die größte Anwendbarkeit. Piezoelektrische Quarzresonatoren sind nichts anderes als planparallele Platten mit daran befestigten Elektroden. Solche Elemente zeichnen sich durch eine ausgeprägte Eigenresonanzfrequenz aus.

Lithiumniobit (LiNbO3) ist ein weit verbreitetes piezoelektrisches Material im Zusammenhang mit Ionenferroelektrika (zusammen mit Lithiumtantalat LiTaO3 und Wismutgermanat Bi12GeO20).Ionische Ferroelektrika werden in einem starken elektrischen Feld bei einer Temperatur unterhalb des Curie-Punkts vorgetempert, um sie in einen Einzeldomänenzustand zu bringen. Solche Materialien haben höhere elektromechanische Kopplungskoeffizienten (bis zu 0,3).

Cadmiumsulfid CdS, Zinkoxid ZnO, Zinksulfid ZnS, Cadmiumselenid CdSe, Galliumarsenid GaAs usw. Sie sind Beispiele für halbleiterartige Verbindungen mit einer ionisch-kovalenten Bindung. Dabei handelt es sich um sogenannte Piezo-Halbleiter.

Auf der Basis dieser Dipol-Ferroelektrika werden auch Ethylendiamintartrat C6H14N8O8, Turmalin, Einkristalle von Rochelle-Salz, Lithiumsulfat Li2SO4H2O – Piezoelektrika erhalten.

Polykristalline Piezoelektrika

Ferroelektrische Keramiken gehören zu den polykristallinen Piezoelektrika. Um ferroelektrischen Keramiken piezoelektrische Eigenschaften zu verleihen, müssen solche Keramiken eine Stunde lang in einem starken elektrischen Feld (mit einer Stärke von 2 bis 4 MV/m) bei einer Temperatur von 100 bis 150 °C polarisiert werden, so dass nach dieser Einwirkung Die Polarisation bleibt darin erhalten, wodurch ein piezoelektrischer Effekt erzielt werden kann. Dadurch werden robuste piezoelektrische Keramiken mit piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten von 0,2 bis 0,4 erhalten.

Piezoelektrische Elemente der gewünschten Form werden aus Piezokeramik hergestellt, um dann mechanische Schwingungen der gewünschten Art (Längs-, Quer-, Biegeschwingungen) zu erhalten. Die Hauptvertreter der industriellen Piezokeramik werden auf Basis von Bariumtitanat, Calcium, Blei, Bleizirkonat-Titanat und Barium-Blei-Niobat hergestellt.

Polymer-Piezoelektrika

Polymerfolien (z. B. Polyvinylidenfluorid) werden um 100-400 % gestreckt, dann in einem elektrischen Feld polarisiert und anschließend werden durch Metallisierung Elektroden aufgebracht. Auf diese Weise werden piezoelektrische Filmelemente mit einem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten in der Größenordnung von 0,16 erhalten.

Anwendung von Piezoelektrika

Getrennte und miteinander verbundene piezoelektrische Elemente finden sich in Form vorgefertigter funktechnischer Geräte – piezoelektrische Wandler mit daran befestigten Elektroden.

Solche Geräte aus Quarz, piezoelektrischer Keramik oder ionischer Piezoelektrizität werden zur Erzeugung, Transformation und Filterung elektrischer Signale verwendet. Aus einem Quarzkristall wird eine planparallele Platte geschnitten, Elektroden angebracht – man erhält einen Resonator.

Die Frequenz und der Q-Faktor des Resonators hängen vom Winkel zu den kristallographischen Achsen ab, in dem die Platte geschnitten wird. Typischerweise erreicht der Gütefaktor solcher Resonatoren im Hochfrequenzbereich bis 50 MHz 100.000. Darüber hinaus werden piezoelektrische Wandler häufig als piezoelektrische Transformatoren mit hoher Eingangsimpedanz für einen typischerweise breiten Frequenzbereich verwendet.

In Bezug auf Qualitätsfaktor und Frequenz übertrifft Quarz Ionen-Piezoelektrika, die bei Frequenzen bis zu 1 GHz arbeiten können. Die dünnsten Lithiumtantalatplatten werden als Sender und Empfänger von Ultraschallschwingungen mit einer Frequenz von 0,02 bis 1 GHz, in Resonatoren, Filtern und Verzögerungsleitungen von akustischen Oberflächenwellen verwendet.

Auf dielektrischen Substraten abgeschiedene dünne Filme aus piezoelektrischen Halbleitern werden in Interdigitalwandlern verwendet (hier werden variable Elektroden zur Anregung akustischer Oberflächenwellen verwendet).

Auf der Basis von Dipol-Ferroelektrika werden niederfrequente piezoelektrische Wandler hergestellt: Miniaturmikrofone, Lautsprecher, Tonabnehmer, Sensoren für Druck, Verformung, Vibration, Beschleunigung, Ultraschallsender.