Badanie materiałów piezoelektrycznych: typy, właściwości i wpływ technologiczny

Z biegiem lat postęp w naukach materialnych stworzył różne materiały piezoelektryczne, takie jak pojedyncze kryształy, ceramika i cienkie folie.W tym artykule przygląda się materiałom piezoelektrycznym, w tym ich nieruchomości, typów, sposobu pracy i ich zastosowań.Podkreśla ich znaczenie w łączeniu inżynierii mechanicznej i elektrycznej, napędzaniu innowacji w wielu obszarach.

Katalog

Rysunek 1: Materiał piezoelektryczny

Co to jest piezo?

Słowo „piezo” pochodzi od greckiego słowa „piezein”, oznacza „naciskanie” lub „presji”.Dobrze pasuje do jego zastosowania w nauce do piezoelektryczności.W 1880 r. Francuscy fizycy Jacques i Pierre Curie odkryli piezoelektryczność.Odkryli, że gdy naciśniono pewne kryształy, takie jak turmalin, kwarc, topaz i sól Rochelle, wytworzyły ładunek elektryczny.Widzieli również, że kryształy te mogą zmienić kształt, gdy zastosowano prąd elektryczny, pokazując, że proces może działać w obie strony.

To odkrycie doprowadziło do stworzenia różnych urządzeń piezoelektrycznych.Podczas I wojny światowej piezoelektryczność była używana głównie w ultradźwiękowych detektorach okrętów podwodnych.Dziś materiały piezoelektryczne są używane w wielu rzeczach.Występują w przedmiotach codziennych, takich jak zapalnice papierosów i drukarki atramentowe, a także w zaawansowanych technologiach, takich jak medyczne obrazowanie ultrasonograficzne i precyzyjne kontrola ruchu w robotyce.

Rodzaje materiałów piezoelektrycznych

Rysunek 2: Przykłady materiałów piezoelektrycznych

Materiały piezoelektryczne z pojedynczych kryształów

Materiały piezoelektryczne z pojedynczych kryształów charakteryzują się ich ciągłą i jednolitą kryształową siecią, wolnymi od granic ziaren.Ta jednolita struktura często prowadzi do lepszych elektromechanicznych wydajności sprzężenia w porównaniu z innymi materiałami piezoelektrycznymi.Przykłady takich materiałów obejmują kwarc i langasite.Te pojedyncze kryształy są wytwarzane przy użyciu precyzyjnych metod wzrostu, takich jak proces czochralski lub synteza hydrotermalna.Ich wyjątkowa wydajność sprawia, że ​​są idealne do precyzyjnych zastosowań, takich jak zaawansowane systemy obrazowania medycznego, rezonatory i filtry telekomunikacyjne oraz monitorowanie wibracji w lotniu.

Rycina 3: Materiał kwarcowy krystalicznego piezo

Ceramiczne materiały piezoelektryczne

Ceramika piezoelektryczna jest wykonana z materiałów ustrukturyzowanych przez perkowskit, takich jak ołowiany tytanian cyrkonianu (PZT).Materiały te są polikrystaliczne i są tworzone przez spiekanie spiekanych substancji.Ich właściwości piezoelektryczne są opracowywane w procesie polowania i wyrównują dipole elektryczne poprzez zastosowanie zewnętrznego pola elektrycznego.Te ceramiki można łatwo kształtować w różne formy i rozmiary.Ich trwałość i opłacalność sprawiają, że są popularne do stosowania w siłownikach, czujnikach, przetwornikach ultradźwiękowych i brzęczykach elektroniki użytkowej.

Rycina 4: Struktura ceramiki piezoelektrycznej typu PZT

Cienkie folii materiały piezoelektryczne

Cienkie warstwy piezoeelektryki są wytwarzane przez osadzanie warstw, które wahają się od kilku nanometrów do kilku mikrometrów grubości przy użyciu zaawansowanych technik wytwarzania, takich jak rozpylanie, chemiczne odkładanie pary lub pulsacyjne osadzanie laserowe.Typowe materiały stosowane w cienkich warstwach obejmują PZT, tlenek cynku (ZnO) i azotek aluminiowy (ALN).Cienkość tych folii pozwala na zintegrowanie ich z systemami mikroelektromechanicznymi (MEMS) i układami nanoelektromechanicznymi (NEMS), zwiększając ich funkcjonalność w kompaktowych urządzeniach, takich jak mikrofonie, mikroprzekucie i zaawansowane tablice czujników.Ich kompatybilność ze standardowymi procesami półprzewodników i skalowalność sprawiają, że są odpowiednie dla obwodów zintegrowanych i elastycznej elektroniki.

Rycina 5: Cienki warstwa piezoelektryczna ALN

Rysunek 6: Elementy piezo luzem

Wybór między materiałami piezoelektrycznymi między cienkimi filmem a luzem zależy od specyficznych potrzeb aplikacji w zakresie precyzji, mocy i trwałości.Materiały piezo z cienkimi filmirem są odpowiednie w technologiach na małą skalę.Natomiast materiały piezo masowe są preferowane w bardziej wymagających zastosowaniach na większą skalę.Poniższa tabela porównuje materiały piezo z cienkimi filmirem i materiały piezo zbiorcze na podstawie ich grubości, technik produkcyjnych, kluczowych funkcji i zastosowań.

Kategoria	Materiały piezo z cienkimi filmirem	Materiały do ​​piezo luzem
Grubość	Kilka nanometrów do kilku mikrometrów	Kilka milimetrów do centymetrów
Techniki produkcyjne	Rozpylenie, pulsowane osadzanie laserowe, Odkładanie pary chemicznej	Naciskanie, wytłaczanie, obróbka
Cechy	Odpowiedź o wysokiej częstotliwości: szybka reakcja czasy	Wysokie wytwarzanie energii: wytwarza moc pod naprężeniem mechanicznym
	Elastyczność: dotyczy elastycznego powierzchnie	Trwałość: silna i trwała, odpowiednia dla ciężkich obciążeń i trudnych warunków
	Precyzja: precyzyjna kontrola na a Poziom mikroskopowy	Wszechstronność: łatwo kształtowanie i rozmiar dla konkretne potrzeby
Zastosowania	Mikroelektronika i MEMS: Akcelerometry, żyroskopy, głowice drukarki atramentowej	Zbiór energii: przekształca mechaniczne stres z wibracji do energii elektrycznej
	Urządzenia medyczne: przetworniki ultradźwiękowe do obrazowania i terapii	Siłowniki i czujniki: duże siłowniki w Przemysł motoryzacyjny i lotniczy, czujniki o wysokim obciążeniu
	Telekomunikacja: filtry i rezonatory w telefonach komórkowych i urządzeniach komunikacyjnych	Sonar i urządzenia ultradźwiękowe: sonar Systemy do użytku marynarki wojennej, przemysłowe ultradźwiękowe środki czyszczące

Cienkie filmy PZT i metody osadzania

Materiały cyrkonian ołowiu cienkiego filmu (PZT) są stosowane w czujnikach, siłownikach i systemach mikroelektromechanicznych (MEMS) ze względu na ich wielkie właściwości piezoelektryczne.Skład i skuteczność cienkich warstw PZT w dużej mierze zależą od ich metod składania, które mogą wpływać na ich strukturę, orientację i wydajność piezoelektryczną.Trzy główne techniki osadzania: zol-żel, rozpylanie i metalowe osadzanie pary organicznej (MOCVD).

Rycina 7: Elastyczna cienkopięta pzt

Proces zol-żel

Proces zol-żel jest opłacalnym sposobem zdeponowania cienkich warstw PZT i umożliwienia kontroli nad składem na poziomie molekularnym.Ta technika zaczyna się od przygotowania roztworu koloidalnego (SOL), który zamienia się w żel.Ważne kroki obejmują hydrolizowanie i polimeryzację alkostek metali.Powstały żel jest stosowany do substratu przy użyciu powłoki spinowej lub powłoki dip, a następnie obróbki cieplnej w celu usunięcia składników organicznych i krystalizacji fazy PZT.

Rycina 8: Proces zol-żel

Zalety

• Umożliwia drobną kontrolę nad stechiometrią, poprawiając właściwości piezoelektryczne

• wykorzystuje niższe temperatury w porównaniu z innymi metodami

Wyzwania

• Trudno uzyskać stałą grubość i skład na dużych obszarach

• Wysoki skurcz podczas suszenia i strzelania często powoduje pęknięcia

Rozpylenie

Rozpęwanie jest techniką fizycznego odkładania pary (PVD), w której cząsteczki o wysokiej energii strącają materiał z celu, a następnie osadzają się na podłożu.W przypadku filmów PZT stosuje się rozpylenie magnetronowe RF obejmujące plazmę jonów argonowych uderzających w cel PZT.

Rycina 9: Metoda osadzania rozpylania osadzania cienkiego filmu

Zalety

• produkuje filmy o dobrej przyczepności i gęstości

• Nadaje się do równomiernego powlekania dużych substratów

Wyzwania

• Stres może gromadzić się w filmach wpływających na ich właściwości

• Skład celu może ulec zmianie podczas rozpylania z powodu różnicowych plonów rozpylania

Metalowe organiczne osadzanie pary (MOCVD)

MOCVD obejmuje rozkład prekursorów organicznych metalowych w fazie pary i reaguj lub rozkładaj się na podgrzewanym podłożu, tworząc cienką warstwę.Ta metoda jest preferowana do wytwarzania dobrze krystalizowanych filmów odpowiednich do zastosowań elektronicznych.

Zalety

• Zapewnia doskonałą jednolitość i zgodność z filmu nawet na złożonych podłożach

• Dobra do produkcji o dużej objętości

Wyzwania

• wymaga wyższych temperatur niż inne metody

• Obsługa i przechowywanie prekursorów organicznych metalowych może być niebezpieczne

Rycina 10: Metalowe organiczne osadzanie pary

Jak materiały działają pod stresem

Zachowanie pod kompresją

Kiedy materiały takie jak kwarc lub tytanian baru są ściskane, zmieniają się w sposób, który wpływa na ich stosowanie na różnych urządzeniach.Materiały te mają specjalne konstrukcje, które tworzą ładunki elektryczne po ich naciśnięciu.Gdy są skompresowane, skurczą się, a ich wewnętrzna struktura się zmienia.

To ściskanie powoduje, że ładunki elektryczne wewnątrz kryształu stają się nierównomiernie rozmieszczone.Ciśnienie przesuwa jony w strukturze kryształu, tworząc pole elektryczne.Dzieje się tak, ponieważ dodatnie i ujemne centy ładunku w przesunięciu materiału.Ilość odpowiedzi elektrycznej zależy od rodzaju kryształu, przyłożonej siły i kierunku kryształu w stosunku do siły.

Na przykład w czujnikach napięcie wytwarzane przez kryształy może mierzyć przyłożoną siłę, co czyni je idealnymi do wykrywania ciśnienia i monitorowania obciążeń.W siłownikach zastosowanie pola elektrycznego może spowodować kształt zmiany kryształów, umożliwiając precyzyjną kontrolę ruchów w takich rzeczach takich jak urządzenia ultradźwiękowe i wtryskiwacze paliwa samochodowego.

Rysunek 11: Piezoelektryczne materiały działa

Odpowiedź piezoelektryczna na ciśnienie

Kiedy materiały piezoelektryczne napotykają ciśnienie mechaniczne, ich cząsteczki wyrównują, wpływając na ich właściwości elektryczne.Siła zmienia strukturę molekularną, wyrównując obszary o jednolitym kierunku elektrycznym, zwiększa polaryzację elektryczną.

To wyrównanie zwiększa rozdzielenie ładunku w materiale, zwiększając jego polaryzację elektryczną.Mówiąc prosto, ciśnienie sprawia, że ​​dipole (cząsteczki o dwóch przeciwnych ładunkach) są bardziej jednolite, tworząc silniejsze pole elektryczne dla danej siły.

Zdolność do dokładnego kontrolowania tej odpowiedzi pod różnymi ciśnieniami sprawia, że ​​materiały piezoelektryczne są bardzo przydatne w wielu technologiach.Ich zdolność do przekształcania ciśnienia mechanicznego na sygnały elektryczne i odwrotnie pozwala na efektywne stosowanie ich w zadaniach takich jak generowanie precyzyjnych częstotliwości elektronicznych i monitorowanie wibracji w ustawieniach przemysłowych.

Efekt piezoelektryczny

Rysunek 12: Efekt piezoelektryczny

Zmienianie energii mechanicznej w energię elektryczną z efektem piezoelektrycznym

Efekt piezoelektryczny zmienia energię mechaniczną w energię elektryczną, odkształcając niektóre materiały kryształowe.Materiały te, znane jako piezoelektryczne, obejmują naturalne substancje, takie jak kwarc i syntetyczne, takie jak zaawansowana ceramika.

Kiedy materiał piezoelektryczny staje w obliczu naprężenia mechanicznego, takiego jak ściskanie, skręcanie lub wygięte, jego struktura krystaliczna, nie ma centralnej symetrii i jest zaburzona.To zaburzenie przesuwa centra ładunku w kryształu powodując polaryzację i tworząc potencjał elektryczny w niektórych punktach materiału.

Kluczowe punkty tego procesu:

Wytworzony ładunek elektryczny odpowiada zastosowanemu naprężeniom mechanicznym.Oznacza to, że wyjście elektryczne można precyzyjnie kontrolować na podstawie przyłożonej siły;

Po usunięciu siły materiał powraca do pierwotnego stanu, a ładunek elektryczny znika.Zapewnia to trwałość i niezawodność materiału dla urządzeń, które muszą działać wielokrotnie.

Zmienianie energii elektrycznej w energię mechaniczną z odwrotnym efektem piezoelektrycznym

Odwrotny efekt piezoelektryczny zmienia energię elektryczną z powrotem na energię mechaniczną.Zastosowanie napięcia elektrycznego do materiału piezoelektrycznego tworzy pole elektryczne, które zmienia strukturę sieci kryształowej, zmieniając wymiary materiału.

Efekt ten jest wykorzystywany w precyzyjnych siłownikach w instrumentach optycznych i systemach mikro pozycjonowania.Odwrotne efekt piezoelektryczny zapewnia, że ​​małe wejścia elektryczne powodują precyzyjne, kontrolowane regulacje mechaniczne, pomagając postępom w robotyce, technologii motoryzacyjnej, instrumentach medycznych i telekomunikacji.

Podwójna zdolność efektu piezoelektrycznego do działania zarówno jako menu-elektryczny, jak i elektryczny do mechaniczny przetwornik wspiera postęp technologiczny.Łączy domeny mechaniczne i elektryczne, rozszerzając nowoczesną inżynierię i innowacje.

Rysunek 13: Bezpośredni i odwrotny efekt piezoelektryczny

Porównanie materiałów nie piezoelektrycznych i piezoelektrycznych

Materiały nie piezoelektryczne i piezoelektryczne różnią się tym, jak radzą sobie z energią mechaniczną i elektryczną.Materiały nie piezoelektryczne, takie jak stal i aluminium, mogą prowadzić energię elektryczną, ale nie tworzą ładunku elektrycznego po stresie.Materiały piezoelektryczne, takie jak kwarc i niektóre ceramiki, mogą zmienić energię mechaniczną na energię elektryczną ze względu na ich specjalną strukturę krystaliczną.

Materiały nie piezoelektryczne mają symetryczne kryształowe sieci, więc nie wytwarzają dipolu elektrycznego po stresie.Materiały piezoelektryczne mają asymetryczne kryształowe sieci, które pozwala im wygenerować ładunek elektryczny po stresie.Ta deformacja powoduje wewnętrzną polaryzację i tworzenie potencjału elektrycznego.

Materiały nie piezoelektryczne zachowują się jak zwykłe przewody lub izolatory w oparciu o ich mobilność elektronów i strukturę pasma i nie tworzą ładunku elektrycznego po deformacji.Materiały piezoelektryczne wykazują dwa efekty: bezpośredni efekt piezoelektryczny, w którym naprężenie mechaniczne wytwarza ładunek elektryczny, oraz odwrotne działanie piezoelektryczne, w którym pole elektryczne powoduje odkształcenie mechaniczne.Te cechy sprawiają, że materiały piezoelektryczne są odpowiednie do stosowania w czujnikach i siłownikach.

Ze względu na ich różne właściwości materiały nie piezoelektryczne i piezoelektryczne są stosowane w różnych zastosowaniach.Materiały nie piezoelektryczne są stosowane w elementach konstrukcyjnych, okablowaniu elektrycznym i standardowych częściach elektronicznych, w których ważna jest wytrzymałość i przewodność.Materiały piezoelektryczne są wykorzystywane w polach, które wymagają precyzyjnej kontroli i mechanicznej konwersji energii, takich jak sprzęt ultradźwiękowy, precyzyjne urządzenia do pozycjonowania oraz różne czujniki i siłowniki dobre do zaawansowanych technologii.

Zastosowania piezoelektryczności

Elektronika konsumpcyjna: W smartfonach i innych urządzeniach części piezoelektryczne są używane w głośnikach i mikrofonach.Zmieniają sygnały elektryczne w wibracje dźwiękowe lub wibracje dźwiękowe w sygnały elektryczne do wejścia audio.

Przemysł motoryzacyjny: nowoczesne samochody wykorzystują czujniki piezoelektryczne do wielu celów, takich jak kontrolowanie wtrysku paliwa w silnikach i monitorowanie ciśnienia w oponach.

Monitorowanie środowiska: Czujniki piezoelektryczne wykrywają zmiany ciśnienia, wibracje i dźwięki.Służą do sprawdzania warunków środowiskowych i zapewnienia bezpieczeństwa budynków i mostów.

Zbieranie energii: Materiały piezoelektryczne mogą uchwycić energię ze stresu mechanicznego.Na przykład podłogi, które przekształcają kroki w energię elektryczną, mogą zasilać światła i elektronikę w ruchliwych obszarach, pomagając tworzyć zrównoważone środowiska.

Lightters piezoelektrycznych wysokiego napięcia: zapalnice są używane do oświetlenia pieców gazowych i grilla oraz tworzą wysokie napięcie z małego mechanicznego kliknięcia, wytwarzając iskrę do zapalania palnika.To pokazuje praktyczne zastosowanie materiałów piezoelektrycznych.

Obrazowanie medyczne: kryształy piezoelektryczne są przydatne w maszynach ultradźwiękowych.Tworzą fale dźwiękowe, które odbijają tkanki i narządy, tworząc obrazy do diagnozy.

Precyzyjne siłowniki w instrumentach naukowych: materiały piezoelektryczne w precyzyjnych siłownikach tworzą niewielkie ruchy optyki i nanotechnologii.Te siłowniki dostosowują lustra, soczewki i inne części o mikroskopowej dokładności badań naukowych i produkcji półprzewodników.

Wniosek

Badanie materiałów piezoelektrycznych wykazuje silny związek między fizyką a inżynierią, pokazując, w jaki sposób ich naturalne właściwości mogą być stosowane do wielu celów technologicznych.Wszechstronność materiałów piezoelektrycznych dostępnych zarówno jako silne materiały masowe, jak i elastyczne cienkie folie, sprawia, że ​​są odpowiednie do różnych zastosowań, takich jak pozyskiwanie energii, monitorowanie środowiska i rozwijanie zrównoważonych technologii.W miarę kontynuowania innowacji badania i rozwój materiałów piezoelektrycznych są ważniejsze, obiecująca poprawa wydajności, precyzji i funkcjonalności przyszłych technologii.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Co powoduje wytwarzanie energii elektrycznej z efektu piezoelektrycznego?

Efekt piezoelektryczny występuje, gdy niektóre materiały wytwarzają ładunek elektryczny w odpowiedzi na naprężenie mechaniczne.Materiały te, kryształy takie jak kwarc, ceramika takie jak tytanian baru i niektóre polimery, mają strukturę kryształów, która jest nie-centrozymetryczna, co oznacza, że ​​brakuje mu centrum symetrii.Gdy zastosowano siłę mechaniczną, taką jak ciśnienie lub wibracje, struktura ta zostaje zniekształcona.To zniekształcenie wypiera jony w sieci, tworząc obszary o dodatnich i ujemnych ładunkach.Przestrzenne oddzielenie tych ładunków powoduje potencjał elektryczny wytwarzający energię elektryczną.Efekt ten jest odwracalny, a zastosowanie pola elektrycznego do tych materiałów wywoła również naprężenie mechaniczne.

2. Jakie urządzenie używa efektu piezoelektrycznego?

Urządzenia wykorzystujące efekt piezoelektryczny są zróżnicowane i obejmują zarówno codzienne, jak i wyspecjalizowane sprzęt.Typowe aplikacje to:

Zegarki kwarcowe: Używanie regularnych wibracji kwarcu pod polem elektrycznym, aby dokładnie utrzymać czas.

Medical Ultrasound Devices: Generowanie fal dźwiękowych, które odbijają się echem w ciele w celu tworzenia obrazów diagnostycznych.

Wtryskiwacze paliwa w samochodach: Wykorzystanie siłowników piezoelektrycznych do kontrolowania czasu i ilości paliwa wstrzykniętego do cylindrów silnika.

Czujniki piezoelektryczne i akcelerometry: pomiar zmian ciśnienia, przyspieszenia, odkształcenia lub siły poprzez przekształcenie ich w sygnał elektryczny.

3. Ile woltów jest piezo?

Wyjście napięcia elementu piezoelektrycznego może się znacznie różnić w zależności od jego wielkości, materiału i ilości zastosowanego naprężenia mechanicznego.Mały element piezo, taki jak znajdujący się na zapalniczkach lub urządzeniach elektronicznych, może wytwarzać skok napięcia od kilku woltów do kilkuset woltów.Jednak wyniki te są na ogół przy bardzo niskich prądach i trwają tylko mikrosekundy.

4. Czy piezo potrzebuje rezystora?

W wielu zastosowaniach stosuje się rezystor z elementem piezoelektrycznym w celu ograniczenia prądu i ochrony innych elementów w obwodzie z kolca wysokiego napięcia wytwarzanego po aktywowaniu piezo.Wartość rezystora zależy od konkretnych wymagań obwodu, w tym od pożądanego czasu odpowiedzi i czułości.Bez rezystora piezo może potencjalnie uszkodzić połączone elementy elektroniczne z powodu wysokiego początkowego napięcia.

5. W jaki sposób piezoelektryczny jest związany z władzą ludzką?

Efekt piezoelektryczny ma bezpośredni wpływ do wykorzystania ludzkiej władzy w innowacyjny sposób.Może przekształcić energię mechaniczną z działalności człowieka, takich jak spacery lub naciskanie przycisków, w energię elektryczną.Ta technologia jest badana w różnych aplikacjach:

Płytki podłogowe o wysokości energii: płytki te wytwarzają energię elektryczną z ciśnienia stóp w ruchliwych obszarach, takich jak stacje metra lub centra handlowe.

Technologia noszenia: Osadzanie materiałów piezoelektrycznych w butach lub odzieży do generowania energii dla małych urządzeń poprzez normalne ruchy ciała.

Implanty medyczne: Wykorzystanie ruchów ciała do zasilania urządzeń takich jak rozruszniki serca, zmniejszenie lub eliminowanie potrzeby zewnętrznych baterii.