Пьезоэлектричество - Piezoelectricity

Пьезоэлектрические весы представлены Пьер Кюри к Лорд Кельвин, Хантерианский музей, Глазго

Пьезоэлектричество это электрический заряд который накапливается в определенных твердых материалах (например, кристаллы, определенный керамика и биологическое вещество, такое как кость, ДНК и различные белки )^[1] в ответ на примененный механическое напряжение. Слово пьезоэлектричество означает электричество, возникающее в результате давления и скрытого тепла. Это получено из Греческий слово πιέζειν; пьезеин, что означает сжимать или нажимать, и ἤλεκτρον ēlektron, что значит Янтарь, древний источник электрического заряда.^[2][3] Французские физики Жак и Пьер Кюри открыл пьезоэлектричество в 1880 году.^[4]

Пьезоэлектрический эффект является результатом линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах без инверсионная симметрия.^[5] Пьезоэлектрический эффект - это обратимый процесс: материалы, проявляющие пьезоэлектрический эффект (внутреннее генерирование электрического заряда в результате механического сила ) также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Например, цирконат титанат свинца кристаллы будут генерировать измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется примерно на 0,1% от первоначального размера. И наоборот, те же самые кристаллы изменят примерно 0,1% своего статического размера, когда к материалу приложено внешнее электрическое поле. Обратный пьезоэлектрический эффект используется при создании ультразвуковых звуковых волн.^[6]

Пьезоэлектричество используется в ряде полезных приложений, таких как производство и обнаружение звука, пьезоэлектрические струйная печать, генерация высоких напряжений, генератор часов в электронике, микровесы, чтобы управлять ультразвуковая насадка, и сверхтонкая фокусировка оптических сборок. Он лежит в основе ряда научных инструментальных методов с атомным разрешением, сканирующие зондовые микроскопы, Такие как СТМ, AFM, MTA, и СБОМ. Он также находит повседневное применение, например, в качестве источника воспламенения для зажигалки, пуш-старт барбекю на пропане, используется в качестве источника привязки времени в кварцевые часы, а также в усиление пикапы для некоторых гитары и триггеры в большинстве современных электронные барабаны.^[7][8]

История

Открытие и ранние исследования

В пироэлектрический эффект, с помощью которого материал создает электрический потенциал в ответ на изменение температуры, было исследовано Карл Линней и Франц Эпинус в середине 18 века. Опираясь на эти знания, оба Рене Жюст Хаю и Антуан Сезар Беккерель постулировал связь между механическим напряжением и электрическим зарядом; однако эксперименты обоих оказались безрезультатными.^[9]

Вид пьезокристалла в верхней части компенсатора Кюри в Музее Шотландии.

Впервые прямой пьезоэлектрический эффект был продемонстрирован братьями в 1880 г. Пьер Кюри и Жак Кюри.^[10] Они объединили свои знания о пироэлектричестве с пониманием лежащих в основе кристаллических структур, которые привели к пироэлектричеству, чтобы предсказать поведение кристаллов, и продемонстрировали эффект, используя кристаллы турмалин, кварц, топаз, трость сахар, и Рошель соль (тетрагидрат тартрата натрия-калия). Кварц и соль Рошеля показали наибольшее пьезоэлектричество.

Пьезоэлектрический диск при деформации генерирует напряжение (изменение формы сильно преувеличено).

Однако Кюри не предсказал обратный пьезоэлектрический эффект. Обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэль Липпманн в 1881 г.^[11] Кюри сразу же подтвердили существование обратного эффекта:^[12] и продолжил получать количественные доказательства полной обратимости электроупругомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах.

В течение следующих нескольких десятилетий пьезоэлектричество оставалось чем-то вроде лабораторного любопытства, хотя оно было жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Пьером. Мари Кюри в 1898 году. Была проделана дополнительная работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество. Это завершилось в 1910 г. публикацией Вольдемар Фойгт с Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по физике кристаллов),^[13] в котором описаны 20 классов природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические постоянные с использованием тензорный анализ.

Первая мировая война и послевоенное время

Первое практическое применение пьезоэлектрических устройств было сонар, впервые разработанные во время Первая Мировая Война. В Франция в 1917 г., Поль Ланжевен и его коллеги разработали ультразвуковой подводная лодка детектор.^[14] Детектор состоял из преобразователь, сделанный из тонких кристаллов кварца, аккуратно склеенных между двумя стальными пластинами, и гидрофон обнаружить возвращенный эхо. Посредством излучения высокочастотного импульса от преобразователя и измерения количества времени, необходимого для того, чтобы услышать эхо от звуковых волн, отражающихся от объекта, можно рассчитать расстояние до этого объекта.

Использование пьезоэлектричества в гидролокаторах и успех этого проекта вызвали большой интерес разработчиков к пьезоэлектрическим устройствам. В течение следующих нескольких десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые применения для этих материалов.

Пьезоэлектрические устройства нашли применение во многих областях. Керамика фонограф Картриджи упростили конструкцию проигрывателя, были дешевыми и точными, а также сделали проигрыватели дешевле в обслуживании и облегчили сборку. Разработка ультразвукового преобразователя позволила легко измерять вязкость и эластичность жидкостей и твердых тел, что привело к огромным успехам в исследованиях материалов. Ультразвуковой рефлектометры во временной области (которые посылают ультразвуковой импульс через материал и измеряют отражения от неоднородностей) могут обнаруживать дефекты внутри литых металлических и каменных предметов, повышая безопасность конструкции.

Вторая мировая война и послевоенное время

В течение Вторая Мировая Война, независимые исследовательские группы в Соединенные Штаты, Россия, и Япония открыл новый класс синтетических материалов, названный сегнетоэлектрики, пьезоэлектрические постоянные которых во много раз выше, чем у природных материалов. Это привело к интенсивным исследованиям для разработки титанат бария а затем материалы из цирконата-титаната свинца с особыми свойствами для конкретных применений.

Один значительный пример использования пьезоэлектрических кристаллов был разработан Bell Telephone Laboratories. После Первой мировой войны Фредерик Р. Лак, работавший в отделе радиотелефонии в инженерном отделе, разработал кристалл "AT-cut", кристалл, работающий в широком диапазоне температур. Кристалл Лака не нуждался в тяжелых аксессуарах, которые использовались ранее, что облегчало его использование на самолетах. Эта разработка позволила ВВС союзников участвовать в скоординированных массовых атаках с использованием авиационного радио.

Разработка пьезоэлектрических устройств и материалов в Соединенных Штатах велась в рамках компаний, занимавшихся разработкой, в основном из-за того, что эта область зародилась в военное время, и в интересах получения прибыльных патентов. Первыми были разработаны новые материалы - кристаллы кварца были первым пьезоэлектрическим материалом, использовавшимся в коммерческих целях, но ученые искали материалы с более высокими характеристиками. Несмотря на достижения в области материалов и совершенствование производственных процессов, рынок Соединенных Штатов не рос так быстро, как рынок Японии. Без множества новых приложений рост пьезоэлектрической промышленности США пострадал.

Напротив, японские производители делились своей информацией, быстро преодолевая технические и производственные проблемы и создавая новые рынки. В Японии термостойкий кристалл был разработан Исаак Кога. Японские усилия в области исследования материалов позволили создать пьезокерамические материалы, конкурентоспособные по сравнению с материалами США, но свободные от дорогостоящих патентных ограничений. Основные японские пьезоэлектрические разработки включали новые конструкции пьезокерамических фильтров для радиоприемников и телевизоров, пьезозуммеров и преобразователей звука, которые можно напрямую подключать к электронным схемам, а также пьезоэлектрический воспламенитель, который генерирует искры для систем зажигания небольших двигателей и зажигалок для газовых грилей за счет сжатия керамического диска. Ультразвуковые преобразователи, которые передают звуковые волны через воздух, существовали довольно давно, но впервые нашли широкое коммерческое использование в ранних телевизионных пультах дистанционного управления. Эти преобразователи теперь устанавливаются на нескольких машина модели как эхолокация устройство, помогающее водителю определять расстояние от автомобиля до любых объектов, которые могут оказаться на его пути.

Механизм

Пьезоэлектрическая пластина, используемая для преобразования звуковой сигнал к звуковым волнам

Природа пьезоэлектрического эффекта тесно связана с возникновением электрические дипольные моменты в твердых телах. Последнее может быть индуцировано для ионы на кристаллическая решетка сайты с асимметричным зарядовым окружением (как в BaTiO₃ и ПЗЦ ) или могут непосредственно переноситься молекулярными группами (как в тростниковый сахар ). Дипольная плотность или поляризация (размерность [См · м / м³]) легко вычисляется для кристаллы суммируя дипольные моменты на объем кристаллографической ячейка.^[15] Поскольку каждый диполь является вектором, плотность диполя п это векторное поле. Диполи рядом друг с другом имеют тенденцию выстраиваться в областях, называемых доменами Вейсса. Домены обычно ориентированы случайным образом, но могут быть выровнены с помощью процесса опрос (не то же самое, что магнитный опрос ), процесс, при котором к материалу прикладывается сильное электрическое поле, обычно при повышенных температурах. Не все пьезоэлектрические материалы можно полюсировать.^[16]

Решающее значение для пьезоэффекта имеет изменение поляризации п при применении механическое напряжение. Это может быть вызвано либо реконфигурацией диполь-индуцирующего окружения, либо переориентацией молекулярных дипольных моментов под влиянием внешнего напряжения. Затем пьезоэлектричество может проявляться в изменении силы поляризации, ее направления или обоих, причем детали зависят от: 1. ориентации п внутри кристалла; 2. симметрия кристалла; и 3. приложенное механическое напряжение. Изменение в п появляется как вариация поверхности плотность заряда на гранях кристалла, т.е. как вариант электрическое поле распространение между гранями, вызванное изменением дипольной плотности в объеме. Например, 1 см³ Куб кварца с правильно приложенной силой 2 кН (500 фунт-сила) может производить напряжение 12500 V.^[17]

Пьезоэлектрические материалы также показывают обратный эффект, называемый обратный пьезоэлектрический эффект, где приложение электрического поля создает механическую деформацию в кристалле.

Математическое описание

Линейное пьезоэлектричество - это совокупный эффект

• Линейное электрическое поведение материала:

${displaystyle mathbf {D} = {oldsymbol {varepsilon}}, mathbf {E} quad подразумевает quad D_ {i} = varepsilon _ {ij}, E_ {j};}$

куда D это плотность электрического потока^[18][19] (электрическое перемещение ), ε является диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая проницаемость свободного тела), E является напряженность электрического поля, и ${displaystyle abla cdot mathbf {D} = 0 ,,,, abla imes mathbf {E} = mathbf {0}}$.

• Закон Гука для линейно-упругих материалов:

${displaystyle {oldsymbol {S}} = {mathsf {s}}, {oldsymbol {T}} quad подразумевает quad S_ {ij} = s_ {ijkl}, T_ {kl};}$

куда S линеаризованный напряжение, s является согласие в условиях короткого замыкания, Т является стресс, и

${displaystyle abla cdot {oldsymbol {T}} = mathbf {0} ,,,, {oldsymbol {S}} = {frac {abla mathbf {u} + mathbf {u} abla} {2}}}$.

Их можно объединить в так называемые связанные уравнения, из которых форма деформационного заряда является:^[20]

${displaystyle {egin {align} {oldsymbol {S}} & = {mathsf {s}}, {oldsymbol {T}} + {mathfrak {d}} ^ {t}, mathbf {E} quad подразумевает четырехъядерный S_ {ij } = s_ {ijkl}, T_ {kl} + d_ {kij}, E_ {k} mathbf {D} & = {mathfrak {d}}, {oldsymbol {T}} + {oldsymbol {varepsilon}}, mathbf {E} quad подразумевает quad D_ {i} = d_ {ijk}, T_ {jk} + varepsilon _ {ij}, E_ {j} ,. end {выравнивается}}}$

В матричной форме

${Displaystyle {начало {выровнено} {S} & = left [s ^ {E} ight] {T} + [d ^ {mathrm {t}}] {E} {D} & = [d] {T} + left [varepsilon ^ {T} ight] {E} ,, конец {выровнен}}}$

куда [d] - матрица прямого пьезоэффекта, а [d^т] - матрица обратного пьезоэффекта. Верхний индекс E указывает на нулевое или постоянное электрическое поле; верхний индекс Т указывает на нулевое или постоянное поле напряжений; а верхний индекс t означает транспозиция из матрица.

Обратите внимание, что тензор третьего порядка ${displaystyle {mathfrak {d}}}$ отображает векторы в симметричные матрицы. Нетривиальных инвариантных к вращению тензоров, обладающих этим свойством, не существует, поэтому не существует изотропных пьезоэлектрических материалов.

Деформационный заряд для материала 4мм (C_4в) кристалл класс (например, пьезоэлектрическая керамика с поляризацией, такая как тетрагональный PZT или BaTiO₃) так же хорошо как 6мм класс кристалла также можно записать как (ANSI IEEE 176):

${displaystyle {egin {bmatrix} S_ {1} S_ {2} S_ {3} S_ {4} S_ {5} S_ {6} end {bmatrix}} = {egin {bmatrix} s_ {11 } ^ {E} & s_ {12} ^ {E} & s_ {13} ^ {E} & 0 & 0 & 0 s_ {21} ^ {E} & s_ {22} ^ {E} & s_ {23} ^ {E} & 0 & 0 & 0 s_ {31} ^ {E} & s_ {32} ^ {E} & s_ {33} ^ {E} & 0 & 0 & 0 0 & 0 & 0 & s_ {44} ^ {E} & 0 & 0 0 & 0 & 0 & 0 & s_ {55} ^ {E} & 0 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & s_ {66} ^ {E} = 2left (s_ {11} ^ {E} -s_ {12} ^ {E} ight) end {bmatrix}} {egin {bmatrix} T_ {1} T_ {2} T_ {3} T_ {4} T_ {5} T_ {6} end {bmatrix}} + {egin {bmatrix} 0 & 0 & d_ {31} 0 & 0 & d_ {32} 0 & 0 & d_ {33} 0 & d_ {24} & 0 d_ {15} & 0 & 0 0 & 0 & 0end {bmatrix}} {egin {bmatrix} E_ {1} E_ {2} E_ {3} end {bmatrix}}}$

${displaystyle {egin {bmatrix} D_ {1} D_ {2} D_ {3} end {bmatrix}} = {egin {bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & d_ {15} & 0 0 & 0 & 0 & 0 & d_ {24} & 0 & 0 d_ {31} & d_ { 32} & d_ {33} & 0 & 0 & 0end {bmatrix}} {egin {bmatrix} T_ {1} T_ {2} T_ {3} T_ {4} T_ {5} T_ {6} end {bmatrix}} + {egin {bmatrix} {varepsilon} _ {11} & 0 & 0 0 & {varepsilon} _ {22} & 0 0 & 0 & {varepsilon} _ {33} end {bmatrix}} {egin {bmatrix} E_ {1} E_ { 2} E_ {3} конец {bmatrix}}}$

где первое уравнение представляет собой соотношение для обратного пьезоэлектрического эффекта, а второе - для прямого пьезоэлектрического эффекта.^[21]

Хотя приведенные выше уравнения являются наиболее часто используемой формой в литературе, некоторые комментарии по поводу обозначений необходимы. В общем, D и E находятся векторов, то есть, Декартовы тензоры 1 ранга; и диэлектрическая проницаемость ε - декартов тензор ранга 2. Деформация и напряжение, в принципе, также имеют ранг 2. тензоры. Но обычно, поскольку деформация и напряжение являются симметричными тензорами, индекс деформации и напряжения может быть переименован следующим образом: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (В литературе разные авторы могут использовать разные условные обозначения. Например, некоторые используют вместо 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6). Вот почему S и Т похоже, имеют "векторную форму" из шести компонентов. Как следствие, s выглядит как матрица 6 на 6 вместо тензора ранга 3. Такое переименованное обозначение часто называют Обозначение Фойгта. Компоненты деформации сдвига S₄, S₅, S₆ компоненты тензора или инженерные деформации - другой вопрос. В приведенном выше уравнении они должны быть инженерными деформациями, чтобы коэффициент 6,6 матрицы податливости был записан, как показано, т. Е. 2 ​​(s^E
₁₁ − s^E
₁₂). Инженерные деформации сдвига вдвое превышают значение соответствующего тензорного сдвига, например S₆ = 2S₁₂ и так далее. Это также означает, что s₆₆ = 1/грамм₁₂, куда грамм₁₂ - модуль сдвига.

Всего есть четыре пьезоэлектрических коэффициента, d_ij, е_ij, грамм_ij, и час_ij определяется следующим образом:

${displaystyle {egin {выравниваться} d_ {ij} & = left ({frac {partial D_ {i}} {partial T_ {j}}} ight) ^ {E} && = left ({frac {partial S_ {j}) } {частичный E_ {i}}} полет) ^ {T} e_ {ij} & = left ({frac {partial D_ {i}} {частичный S_ {j}}} полет) ^ {E} && = - left ({frac {partial T_ {j}} {partial E_ {i}}} ight) ^ {S} g_ {ij} & = - left ({frac {partial E_ {i}}} {partial T_ {j}) }} ight) ^ {D} && = left ({frac {partial S_ {j}} {partial D_ {i}}} ight) ^ {T} h_ {ij} & = - left ({frac {partial E_ {i}} {partial S_ {j}}} ight) ^ {D} && = - left ({frac {partial T_ {j}} {partial D_ {i}}} ight) ^ {S} end {выровнено }}}$

где первый набор из четырех членов соответствует прямому пьезоэлектрическому эффекту, а второй набор из четырех членов соответствует обратному пьезоэлектрическому эффекту, и причина, по которой прямой пьезоэлектрический тензор равен транспонированию обратного пьезоэлектрического тензора, происходящего от Максвелл отношения в Термодинамика.^[22] Для тех пьезоэлектрических кристаллов, для которых поляризация носит индуцированный кристаллическим полем тип, разработан формализм, позволяющий рассчитывать пьезоэлектрические коэффициенты d_ij от электростатических постоянных решетки или более высокого порядка Константы Маделунга.^[15]

Кристалл классы

Любой пространственно разделенный заряд приведет к электрическое поле, и поэтому электрический потенциал. Здесь показан стандартный диэлектрик в конденсатор. В пьезоэлектрическом устройстве механическое напряжение вместо приложенного извне напряжения вызывает разделение зарядов в отдельных атомах материала.

Из 32 кристаллические классы, 21 не-центросимметричный (не имеющие центра симметрии), из них 20 обладают прямым пьезоэлектричеством^[23] (21-й кубический класс 432). Десять из них представляют классы полярных кристаллов,^[24] которые показывают спонтанную поляризацию без механического напряжения из-за отличного от нуля электрического дипольного момента, связанного с их элементарной ячейкой, и которые демонстрируют пироэлектричество. Если дипольный момент можно обратить, приложив внешнее электрическое поле, материал называется сегнетоэлектрик.

• 10 классов полярных (пироэлектрических) кристаллов: 1, 2, м, мм2, 4, 4 мм, 3, 3 м, 6, 6 мм.
• Остальные 10 классов пьезоэлектрических кристаллов: 222, 4, 422, 42м, 32, 6, 622, 62м, 23, 43м.

Для полярных кристаллов, для которых п ≠ 0 сохраняется без приложения механической нагрузки, пьезоэлектрический эффект проявляется в изменении величины или направления п или оба.

С другой стороны, для неполярных, но пьезоэлектрических кристаллов поляризация п отличное от нуля, возникает только при приложении механической нагрузки. Для них напряжение можно представить как преобразование материала из класса неполярных кристаллов (п = 0) в полярный,^[15] имея п ≠ 0.

Материалы

Многие материалы проявляют пьезоэлектричество.

Кристаллические материалы

• Лангасит (Ла₃Ga₅SiO₁₄) - аналог кварца кристалл
• Ортофосфат галлия (GaPO₄) - аналог кварца кристалл
• Литий ниобат (LiNbO₃)
• Литий танталат (LiTaO₃)
• Кварцевый
• Берлинит (АлПО₄) - редкий фосфат минеральная который структурно идентичен кварцу
• Рошель соль
• Топаз - Пьезоэлектричество в топазе, вероятно, можно объяснить упорядочением (F, OH) в его решетке, которая в остальном центросимметрична: орторомбическая бипирамидальная (ммм). Топаз имеет аномальные оптические свойства, которые объясняются таким упорядочением.^[25]
• Минералы турмалиновой группы
• Свинец титанат (PbTiO₃) - Хотя в природе встречается как минерал македонит,^[26][27] он синтезирован для исследований и приложений.

Керамика

Тетрагональная элементарная ячейка титаната свинца

Керамика со случайно ориентированными зернами должна быть сегнетоэлектрической, чтобы проявлять пьезоэлектричество.^[28] Макроскопическое пьезоэлектричество возможно в текстурированных поликристаллических несегнетоэлектрических пьезоэлектрических материалах, таких как AlN и ZnO. перовскит, вольфрам -бронза, и родственные структуры демонстрируют пьезоэлектричество:

• Цирконат титанат свинца (Pb [Zr_ИксTi_1−Икс]О₃ с 0 ≤Икс ≤ 1) - более известный как PZT, наиболее распространенная пьезоэлектрическая керамика, используемая сегодня.
• Ниобат калия (КНБО₃)^[29]
• Вольфрамат натрия (Na₂WO₃)
• Ба₂NaNb₅О₅
• Pb₂KNb₅О₁₅
• Оксид цинка (ZnO) - Структура вюрцита. В то время как монокристаллы ZnO бывают пьезоэлектрическими и пироэлектрическими, поликристаллический (керамический) ZnO со случайно ориентированными зернами не проявляет ни пьезоэлектрического, ни пироэлектрического эффекта. Не будучи сегнетоэлектриком, поликристаллический ZnO не может быть поляризован, как титанат бария или PZT. Керамика и поликристаллические тонкие пленки ZnO могут проявлять макроскопическое пьезоэлектричество и пироэлектричество, только если они текстурированный (зерна преимущественно ориентированы), так что пьезоэлектрический и пироэлектрический отклики всех отдельных зерен не компенсируются. Это легко достигается в тонких поликристаллических пленках.^[21]

Бессвинцовая пьезокерамика

• Ниобат натрия-калия ((K, Na) NbO₃). Этот материал также известен как НКН или КНН. В 2004 году группа японских исследователей во главе с Ясуёси Сайто открыла состав ниобата натрия-калия со свойствами, близкими к свойствам PZT, включая высокий Т_C.^[30] Было показано, что некоторые составы этого материала сохраняют высокий механический коэффициент качества (Q_м ≈ 900) с увеличением уровня вибрации, тогда как механическая добротность твердого PZT в таких условиях ухудшается. Этот факт делает NKN многообещающей заменой для резонансных приложений большой мощности, таких как пьезоэлектрические преобразователи.^[31]
• Феррит висмута (BiFeO₃) - перспективный кандидат на замену керамике на основе свинца.
• Ниобат натрия (NaNbO₃)
• Титанат бария (BaTiO₃) - Титанат бария был первой обнаруженной пьезоэлектрической керамикой.
• Титанат висмута (Би₄Ti₃О₁₂)
• Титанат висмута натрия (NaBi (TiO₃)₂)

До сих пор ни воздействие на окружающую среду, ни стабильность поставок этих веществ не измерялись.

Полупроводники III – V и II – VI.

Пьезоэлектрический потенциал может быть создан в любом объемном или наноструктурированном кристалле полупроводника, имеющем нецентральную симметрию, таком как материалы групп III – V и II – VI, из-за поляризации ионов под действием приложенного напряжения и деформации. Это свойство является общим для обоих цинковая обманка и вюрцит кристаллические структуры. В первом порядке имеется только один независимый пьезоэлектрический коэффициент в цинковая обманка, называется e₁₄, связанные со сдвигающими компонентами деформации. В вюрцит, есть три независимых пьезоэлектрических коэффициента: е₃₁, е₃₃ и е₁₅.Полупроводники, в которых наблюдается наиболее сильное пьезоэлектричество, обычно встречаются в вюрцит структура, то есть GaN, InN, AlN и ZnO (см. пьезотроника ).

С 2006 года также поступил ряд сообщений о сильных нелинейные пьезоэлектрические эффекты в полярных полупроводниках.^[32]Такие эффекты обычно считаются важными, если не того же порядка величины, что и приближение первого порядка.

Полимеры

Пьезоотклик полимеры не такой высокий, как у керамики; однако полимеры обладают свойствами, которых нет у керамики. В течение последних нескольких десятилетий изучались и применялись нетоксичные пьезоэлектрические полимеры из-за их гибкости и меньшего размера. акустический импеданс.^[33] Другие свойства, которые делают эти материалы важными, включают их биосовместимость, биоразлагаемость, низкая стоимость и низкое энергопотребление по сравнению с другими пьезоматериалами (керамика и др.).^[34] Могут использоваться пьезоэлектрические полимеры и нетоксичные полимерные композиты, учитывая их различные физические свойства.

Пьезоэлектрические полимеры можно разделить на объемные полимеры, заряженные полимеры с пустотами («пьезоэлектреты») и полимерные композиты. Пьезоотклик, наблюдаемый у объемных полимеров, в основном связан с их молекулярной структурой. Есть два типа насыпных полимеров: аморфный и полукристаллический. Примеры полукристаллических полимеров: Поливинилиденфторид (ПВДФ) и его сополимеры, Полиамиды, и Парилен-С. Некристаллические полимеры, такие как Полиимид и Поливинилиденхлорид (ПВДХ), относятся к объемным аморфным полимерам. Заряженные полимеры с пустотами демонстрируют пьезоэлектрический эффект из-за заряда, индуцированного полированием пористой полимерной пленки.Под действием электрического поля на поверхности пустот образуются заряды, образующие диполи. Электрические реакции могут быть вызваны любой деформацией этих пустот. Пьезоэлектрический эффект также можно наблюдать в полимерных композитах, интегрируя пьезоэлектрические керамические частицы в полимерную пленку. Полимер не обязательно должен быть пьезоактивным, чтобы быть эффективным материалом для полимерного композита.^[34] В этом случае материал может состоять из инертной матрицы с отдельным пьезоактивным компонентом.

PVDF показывает пьезоэлектричество в несколько раз больше, чем кварц. Пьезоотклик, наблюдаемый от ПВДФ, составляет около 20–30 пКл / Н. Это на порядок в 5–50 раз меньше, чем у пьезокерамического цирконата титаната свинца (ЦТС).^[33][34] Термическая стабильность пьезоэлектрического эффекта полимеров из семейства PVDF (т. Е. Сополимера винилиденфторида и политрифторэтилена) достигает 125 ° C. Некоторые области применения ПВДФ - датчики давления, гидрофоны и датчики ударных волн.^[33]

Благодаря своей гибкости пьезоэлектрические композиты были предложены в качестве сборщиков энергии и наногенераторов. В 2018 году об этом сообщили Zhu et al. что пьезоэлектрический отклик около 17 пКл / Н может быть получен из нанокомпозита PDMS / PZT при пористости 60%.^[35] Еще один нанокомпозит PDMS был зарегистрирован в 2017 году, в котором BaTiO₃ был интегрирован в PDMS для создания растягиваемого прозрачного наногенератора для автономного физиологического мониторинга.^[36] В 2016 году полярные молекулы были введены в пенополиуретан, в котором были зарегистрированы высокие отклики до 244 пКл / Н.^[37]

Другие материалы

Большинство материалов демонстрируют по крайней мере слабые пьезоэлектрические характеристики. Тривиальные примеры включают сахароза (столовый сахар), ДНК, вирусные белки, в том числе из бактериофаг.^[38][39] Актуатор на основе древесных волокон, называемый целлюлозные волокна, было сообщено.^[34] Отклики D33 для ячеистого полипропилена составляют около 200 пКл / Н. Некоторые области применения сотового полипропилена - это музыкальные клавиатуры, микрофоны и системы эхолокации на основе ультразвука.^[33] Недавно одна аминокислота, такая как β-глицин, также показала высокий пьезоэлектрический эффект (178 пмВ).⁻¹) по сравнению с другими биологическими материалами.^[40]

Заявление

В настоящее время промышленность и производство являются крупнейшим рынком применения пьезоэлектрических устройств, за которым следует автомобильная промышленность. Большой спрос также исходит от медицинских инструментов, а также от информации и телекоммуникаций. Мировой спрос на пьезоэлектрические устройства в 2010 году оценивался примерно в 14,8 миллиарда долларов США. Крупнейшей группой материалов для пьезоэлектрических устройств является пьезокерамика, а пьезополимер переживает самый быстрый рост из-за его малого веса и небольших размеров.^[41]

Пьезоэлектрические кристаллы сейчас используются по-разному:

Источники высокого напряжения и питания

Прямое пьезоэлектричество некоторых веществ, например кварца, может генерировать потенциальные различия тысяч вольт.

• Самым известным приложением является электрическое зажигалка: нажатие кнопки заставляет подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, создавая достаточно высокое напряжение электрический ток что течет через небольшой разрядник, таким образом нагревая и воспламеняя газ. Портативные источники зажигания, используемые для зажигания газовые плиты работают так же, и многие типы газовых горелок теперь имеют встроенные пьезоэлектрические системы зажигания.
• Аналогичная идея исследуется DARPA в США в проекте под названием сбор энергии, который включает попытку питания оборудования поля боя пьезоэлектрическими генераторами, встроенными в солдаты сапоги. Однако эти источники сбора энергии по ассоциации влияют на организм. Попытки DARPA использовать 1-2 Вт от непрерывного воздействия обуви во время ходьбы были прекращены из-за непрактичности и дискомфорта от дополнительной энергии, расходуемой человеком, носящим обувь. Другие идеи сбора энергии включают сбор энергии от движений людей на вокзалах или других общественных местах.^[42][43] и преобразование танцпола для выработки электроэнергии.^[44] Вибрации от промышленного оборудования также могут быть собраны пьезоэлектрическими материалами для зарядки батарей для резервного питания или для питания маломощных микропроцессоров и беспроводных радиоприемников.^[45]
• Пьезоэлектрический трансформатор это тип умножителя переменного напряжения. В отличие от обычного трансформатора, который использует магнитную связь между входом и выходом, пьезоэлектрический трансформатор использует акустическая связь. Входное напряжение подается на короткую полосу пьезокерамического материала, например PZT, создавая переменное напряжение в стержне за счет обратного пьезоэлектрического эффекта и заставляя весь стержень вибрировать. Частота вибрации выбрана равной резонансный частота блока, обычно в 100килогерц до 1 мегагерца. В этом случае более высокое выходное напряжение создается на другом участке шины за счет пьезоэлектрического эффекта. Были продемонстрированы коэффициенты увеличения более 1000: 1.^{[нужна цитата ]} Дополнительной особенностью этого трансформатора является то, что, работая с частотой выше его резонансной частоты, он может выглядеть как индуктивный нагрузка, что полезно в схемах, требующих управляемого плавного пуска.^[46] Эти устройства могут использоваться в инверторах постоянного и переменного тока для управления люминесцентные лампы с холодным катодом. Пьезоэлектрические трансформаторы - одни из самых компактных источников высокого напряжения.

Датчики

Пьезоэлектрический диск, используемый в качестве звукосниматель для гитары

Многие реактивные гранаты использовали пьезоэлектрические предохранитель. На фото, русский РПГ-7^[47]

Принцип работы пьезоэлектрика датчик состоит в том, что физическое измерение, преобразованное в силу, действует на две противоположные стороны чувствительного элемента. В зависимости от конструкции датчика могут использоваться разные «режимы» нагружения пьезоэлемента: продольный, поперечный и сдвиг.

Обнаружение колебаний давления в виде звука является наиболее распространенным приложением датчика, например пьезоэлектрический микрофоны (звуковые волны изгибают пьезоэлектрический материал, создавая изменяющееся напряжение) и пьезоэлектрический пикапы за акустико-электрические гитары. Пьезоэлектрический датчик, прикрепленный к корпусу инструмента, известен как контактный микрофон.

Пьезоэлектрические датчики особенно используются с высокочастотным звуком в ультразвуковых преобразователях для медицинской визуализации, а также в промышленности. неразрушающий контроль (НК).

Для многих методов обнаружения датчик может действовать как датчик и как исполнительный механизм - часто термин преобразователь является предпочтительным, когда устройство действует в этой двойной емкости, но большинство пьезоустройств обладают этим свойством обратимости независимо от того, используется оно или нет. Ультразвуковые преобразователи, например, могут вводить ультразвуковые волны в тело, принимать возвращенную волну и преобразовывать ее в электрический сигнал (напряжение). Большинство медицинских ультразвуковых преобразователей являются пьезоэлектрическими.

В дополнение к упомянутым выше, различные приложения датчиков включают:

• Пьезоэлектрические элементы также используются при обнаружении и генерации гидроакустических волн.
• Пьезоэлектрические материалы используются для одноосевого и двухосного измерения наклона.^[48]
• Мониторинг мощности в приложениях с высокой мощностью (например, лечение, сонохимия и промышленная переработка).
• Пьезоэлектрические микровесы используются как очень чувствительные химические и биологические сенсоры.
• Пьезо иногда используются в тензодатчики.
• Пьезоэлектрический преобразователь использовался в приборе пенетрометра на Зонд Гюйгенса.
• Пьезоэлектрический преобразователи используются в электронные барабанные пэды для обнаружения ударов палок барабанщика, а также для обнаружения движений мышц в медицинских акселеромиография.
• Автомобильная промышленность системы управления двигателем используйте пьезоэлектрические преобразователи для обнаружения детонации двигателя (датчик детонации, KS), также известной как детонация, на определенных частотах герц. Пьезоэлектрический преобразователь также используется в системах впрыска топлива для измерения абсолютного давления в коллекторе (датчик MAP) для определения нагрузки двигателя и, в конечном итоге, времени включения топливных форсунок в миллисекундах.
• Ультразвуковые пьезодатчики используются для обнаружения акустической эмиссии в акустическая эмиссия.
• Пьезоэлектрические преобразователи могут использоваться во время прохождения ультразвуковые расходомеры.

Приводы

Металлический диск с прикрепленным пьезоэлектрическим диском, используемый в зуммер

Поскольку очень высокие электрические поля соответствуют лишь крошечным изменениям ширины кристалла, эту ширину можно изменить с точностью домкм точности, что делает пьезокристаллы самым важным инструментом для точного позиционирования объектов, поэтому они используются в приводы.^[49]Многослойная керамика с использованием слоев тоньше 100 мкм, позволяют достичь высоких электрических полей с напряжением ниже 150 В. Эта керамика используется в двух типах приводов: прямых пьезоприводах и Усиленные пьезоэлектрические приводы. В то время как ход прямого привода обычно ниже, чем 100 мкм, усиленные пьезоприводы могут достигать миллиметровых ходов.

• Музыкальные колонки: Напряжение преобразуется в механическое движение металлической диафрагмы.
• Пьезоэлектрические двигатели: Пьезоэлектрические элементы прикладывают направленную силу к ось, заставляя его вращаться. Из-за чрезвычайно малых расстояний пьезодвигатель рассматривается как высокоточная замена шаговый двигатель.
• Пьезоэлектрические элементы могут использоваться в лазер выравнивание зеркал, при котором их способность перемещать большую массу (крепление зеркала) на микроскопические расстояния используется для электронного выравнивания некоторых лазерных зеркал. За счет точного управления расстоянием между зеркалами лазерная электроника может точно поддерживать оптические условия внутри лазерного резонатора для оптимизации выхода луча.
• Связанное приложение - это акустооптический модулятор, устройство, которое рассеивает свет от звуковых волн в кристалле, генерируемых пьезоэлектрическими элементами. Это полезно для точной настройки частоты лазера.
• Атомно-силовые микроскопы и сканирующие туннельные микроскопы использовать обратное пьезоэлектричество, чтобы измерительная игла удерживалась близко к образцу.^[50]
• Струйные принтеры: На многих струйных принтерах пьезоэлектрические кристаллы используются для выталкивания чернил из струйной печатающей головки по направлению к бумаге.
• Дизельные двигатели: Высокая производительность Аккумуляторная топливная система дизельные двигатели используют пьезоэлектрические топливные форсунки, впервые разработанная Роберт Бош ГмбХ, вместо более распространенного соленоидный клапан устройств.
• Активный контроль вибрации с помощью усиленных актуаторов.
• рентгеновский снимок ставни.
• Ступени XY для микро сканирования, используемые в инфракрасных камерах.
• Перемещение пациента точно внутрь активного CT и МРТ сканеры, где сильное излучение или магнетизм препятствуют работе электродвигателей.^[51]
• Хрустальные наушники иногда используются в старых или маломощных радиоприемниках.
• Сфокусированный ультразвук высокой интенсивности для локального обогрева или создания локализованного кавитация может быть достигнуто, например, в теле пациента или в промышленном химическом процессе.
• Обновляемый дисплей Брайля. Небольшой кристалл расширяется за счет подачи тока, который перемещает рычаг, поднимая отдельные ячейки Брайля.
• Пьезоэлектрический привод. Монокристалл или несколько кристаллов расширяются за счет приложения напряжения для перемещения и управления механизмом или системой.^[49]

Стандарт частоты

Пьезоэлектрические свойства кварца полезны как эталон частоты.

• Кварцевые часы нанять кварцевый генератор Изготовлен из кристалла кварца, в котором используется комбинация прямого и обратного пьезоэлектричества для генерации регулярно синхронизируемых серий электрических импульсов, используемых для отметки времени. Кристалл кварца (как и любой эластичный материала) имеет точно определенную собственную частоту (обусловленную его формой и размером), на которой он предпочитает колебаться, и это используется для стабилизации частоты периодического напряжения, приложенного к кристаллу.
• Тот же принцип используется в некоторых радио передатчики и приемники, И в компьютеры где он создает тактовый импульс. Оба они обычно используют умножитель частоты чтобы достичь гигагерцовых диапазонов.

Пьезоэлектрические двигатели

Привод скольжения

Типы пьезоэлектрического двигателя включают:

• В двигатель бегущей волны используется для автофокус в зеркальные камеры
• Двигатели Inchworm для линейного движения
• Прямоугольные четырехквадрантные двигатели с высокой удельной мощностью (2,5W /см³) и скорости от 10 нм / с до 800 мм / с.
• Шаговый пьезодвигатель, использующий прерывистое скольжение эффект.

За исключением шагового двигателя с прерывистым скольжением, все эти двигатели работают по одному и тому же принципу. Управляется двумя режимами ортогональной вибрации с фаза разница в 90 °, точка контакта между двумя поверхностями колеблется в эллиптический путь, производящий фрикционный сила между поверхностями. Обычно одна поверхность фиксируется, а другая движется. В большинстве пьезоэлектрических двигателей пьезоэлектрический кристалл возбуждается синусоидальная волна сигнал на резонансной частоте двигателя. Используя эффект резонанса, можно использовать гораздо более низкое напряжение для получения высокой амплитуды вибрации.

Двигатель с прерывистым скольжением работает за счет инерции массы и трения зажима. Такие моторы могут быть очень маленькими. Некоторые из них используются для смещения сенсора камеры, обеспечивая таким образом функцию защиты от сотрясения.

Снижение вибрации и шума

Различные группы исследователей изучали способы уменьшения вибрации материалов путем прикрепления пьезоэлементов к материалу. Когда материал изгибается за счет вибрации в одном направлении, система снижения вибрации реагирует на изгиб и посылает электрическую энергию на пьезоэлемент для изгиба в другом направлении. Ожидается, что в будущем эта технология будет применяться в автомобилях и домах для снижения шума. Дальнейшие применения в гибких конструкциях, таких как оболочки и пластины, также изучаются в течение почти трех десятилетий.

На демонстрации на выставке Material Vision в г. Франкфурт в ноябре 2005 г. команда из TU Дармштадт в Германия показали несколько панелей, по которым ударили резиновым молотком, и панель с пьезоэлементом сразу перестала раскачиваться.

Технология пьезоэлектрического керамического волокна используется в качестве электронной системы демпфирования на некоторых ГОЛОВА теннисные ракетки.^[52]

Лечение бесплодия

У людей с предыдущим полная неудача оплодотворения, пьезоэлектрическая активация ооцитов вместе с интрацитоплазматическая инъекция спермы (ИКСИ), кажется, улучшает результаты оплодотворения.^[53]

Хирургия

Пьезохирургия^[4] Пьезохирургия - это минимально инвазивный метод, целью которого является разрезание целевой ткани с небольшим повреждением соседних тканей. Например, Hoigne и другие.^[54] использует частоты в диапазоне 25–29 кГц, вызывая микровибрации 60–210 мкм. Он способен разрезать минерализованные ткани без разрезания сосудисто-нервной ткани и других мягких тканей, тем самым сохраняя рабочую зону без крови, лучшую видимость и большую точность.^[55]

Возможные приложения

В 2015 году исследователи Кембриджского университета, работающие совместно с исследователями из Национальной физической лаборатории и кембриджской компании по производству диэлектрических антенн Antenova Ltd, с помощью тонких пленок пьезоэлектрических материалов обнаружили, что на определенной частоте эти материалы становятся не только эффективными резонаторами, но и эффективными излучателями. также, что означает, что они потенциально могут использоваться в качестве антенн. Исследователи обнаружили, что при воздействии на пьезоэлектрические тонкие пленки асимметричного возбуждения симметрия системы аналогичным образом нарушается, что приводит к соответствующему нарушению симметрии электрического поля и генерации электромагнитного излучения.^[56][57]

Было предпринято несколько попыток макро-масштабного применения пьезоэлектрической технологии.^[58][59] для сбора кинетической энергии у идущих пешеходов.

В этом случае расположение участков с высокой проходимостью имеет решающее значение для оптимизации эффективности сбора энергии, так как ориентация плиточного покрытия существенно влияет на общее количество собранной энергии.^[60] Оценка плотности потока рекомендуется для качественной оценки потенциала сбора пьезоэлектрической энергии рассматриваемой территории на основе количества пешеходных переходов в единицу времени.^[61] В исследовании X. Li рассматривается и обсуждается потенциальное применение коммерческого пьезоэлектрического комбайна для сбора энергии в центральном здании университета Маккуори в Сиднее, Австралия. Оптимизация развертывания пьезоэлектрической плитки представлена ​​в соответствии с частотой пешеходной мобильности, и разработана модель, в которой 3,1% общей площади пола с максимальной пешеходной мобильностью вымощено пьезоэлектрической плиткой. Результаты моделирования показывают, что общий годовой потенциал сбора энергии для предложенной оптимизированной модели плиточного покрытия оценивается в 1,1 МВт · ч / год, чего будет достаточно для удовлетворения около 0,5% годовой потребности здания в энергии.^[61] В Израиле есть компания, которая установила пьезоэлектрические материалы под оживленным шоссе. Вырабатываемая энергия достаточна для питания уличных фонарей, рекламных щитов и вывесок.^{[нужна цитата ]}

Шинная компания Хороший год планирует разработать электрическую шину, внутри которой будет покрыт пьезоэлектрический материал. Когда шина движется, она деформируется и, таким образом, вырабатывается электричество.^[62]

Фотогальваника

Эффективность гибрида фотоэлектрический элемент который содержит пьезоэлектрические материалы, может быть увеличен, просто поместив его рядом с источником окружающего шума или вибрации. Эффект был продемонстрирован на органических клетках с использованием оксид цинка нанотрубки. Электроэнергия, генерируемая самим пьезоэлектрическим эффектом, составляет ничтожно малый процент от общей выходной мощности. Уровень звука всего 75 децибел повысил эффективность до 50%. Эффективность достигла максимума на частоте 10 кГц, резонансной частоте нанотрубок. Электрическое поле, создаваемое вибрирующими нанотрубками, взаимодействует с электронами, мигрирующими из слоя органического полимера. Этот процесс снижает вероятность рекомбинации, при которой электроны получают энергию, но оседают обратно в дырку, а не мигрируют в акцептирующий электроны слой ZnO.^[63][64]

Смотрите также

Рекомендации

Международные стандарты

• EN 50324 (2002) Пьезоэлектрические свойства керамических материалов и компонентов (3 части)
• ANSI-IEEE 176 (1987) Стандарт пьезоэлектричества
• IEEE 177 (1976) Стандартные определения и методы измерения для пьезоэлектрических вибраторов
• IEC 444 (1973) Основной метод измерения резонансной частоты и эквивалентного последовательного сопротивления кварцевых кристаллов методом нулевой фазы в пи-цепи
• IEC 302 (1969) Стандартные определения и методы измерения пьезоэлектрических вибраторов, работающих в диапазоне частот до 30 МГц

внешняя ссылка

• Гаучи, Густав Х. (2002). Пьезоэлектрическая сенсорика. Springer. ISBN  978-3-540-42259-4.
• Пьезоэлектрические ячеистые полимерные пленки: изготовление, свойства и применение
• Микропривод на основе пьезомотора для записи нейросигналов
• Исследования новых пьезоэлектрических материалов
• Пьезо-уравнения
• Пьезо в медицинском дизайне
• Видео демонстрация пьезоэлектричества
• Пакет для преподавания и обучения DoITPoMS - Пьезоэлектрические материалы
• PiezoMat.org - Онлайн-база данных пьезоэлектрических материалов, их свойств и областей применения
• Типы пьезодвигателей
• Пьезо-теория и приложения