Piezoelektromos anyagok feltárása: típusok, tulajdonságok és technológiai hatás

Az évek során az anyagtudomány fejlődése különféle piezoelektromos anyagokat hoz létre, például egykristályokat, kerámiákat és vékony filmeket.Ez a cikk alaposan megvizsgálja a piezoelektromos anyagokat, beleértve azok tulajdonságait, típusait, működését és felhasználását.Kiemeli azok fontosságát a mechanikai és villamosmérnöki összekapcsolásban, és számos területen innovációt ösztönöz.

Katalógus

1. ábra: Piezoelektromos anyag

Mi az a Piezo?

A "piezo" szó a görög "piezein" szóból származik, "azt jelenti, hogy" nyomja meg "vagy" nyomást ".Ez jól illeszkedik a piezoelektromos tudományban való felhasználásához.1880 -ban a francia fizikusok, Jacques és Pierre Curie felfedezték a piezoelektromosságot.Megállapították, hogy amikor bizonyos kristályokat, például a turmalin, a kvarc, a topaz és a rochelle sót préselték, elektromos töltést hoztak létre.Azt is látták, hogy ezek a kristályok megváltoztathatják az alakját, amikor elektromos áramot alkalmaztak, és azt mutatják, hogy a folyamat mindkét irányban működhet.

Ez a felfedezés különféle piezoelektromos eszközök létrehozásához vezetett.Az I. világháború alatt a piezoelektromosságot elsősorban ultrahangos tengeralattjáró -detektorokban használták.Manapság sok esetben a piezoelektromos anyagokat használják.Megtalálják őket a mindennapi tárgyakban, például az elektromos cigarettagyújtókban és a tintasugaras nyomtatókban, valamint a fejlett technológiákban, például az orvosi ultrahang képalkotásban és a robotikában a precíziós mozgásvezérlésben.

A piezoelektromos anyagok típusai

2. ábra: A piezoelektromos anyagok példái

Egykristályos piezoelektromos anyagok

Az egykristályos piezoelektromos anyagokat folyamatos és egységes kristályrácsuk jellemzi, a gabonahatároktól mentes.Ez az egységes szerkezet gyakran jobb elektromechanikus kapcsolási hatékonysághoz vezet, mint más piezoelektromos anyagok.Az ilyen anyagokra példa a kvarc és a langait.Ezeket az egykristályokat olyan pontos növekedési módszerekkel állítják elő, mint a czochralski folyamat vagy a hidrotermikus szintézis.Kivételes teljesítményük tökéletessé teszi őket olyan pontos alkalmazásokhoz, mint a fejlett orvosi képalkotó rendszerek, a telekommunikációs rezonátorok és szűrők, valamint a rezgésfigyelés az űrben.

3. ábra: Piezo Crystal Quartz anyag

Kerámia piezoelektromos anyagok

A piezoelektromos kerámia perovskite-strukturált anyagokból készül, mint például ólom-cironát-titanát (PZT).Ezek az anyagok polikristályos, és a porított anyagok szinterelésével készülnek.Piezoelektromos tulajdonságaikat egy poling eljárás útján fejlesztik ki, és külső elektromos mező alkalmazásával igazítja az elektromos dipólusokat.Ezek a kerámiák könnyen alakíthatók különféle formákká és méretköltséggé.Tartósságuk és költséghatékonyságuk népszerűvé teszi őket működtetőkben, érzékelőkben, ultrahangos átalakítókban és fogyasztói elektronikai hangjelzőkben.

4. ábra: A PZT típusú piezoelektromos kerámia szerkezete

Vékony film piezoelektromos anyagok

A vékony film piezoelektrikákat olyan rétegek letétbe helyezésével készítik, amelyek néhány nanométertől több vastagságú mikrométerig terjednek, fejlett gyártási technikákkal, például porlasztás, kémiai gőzlerakódás vagy impulzusos lézer lerakódás alkalmazásával.A vékony filmekben használt általános anyagok közé tartozik a PZT, a cink -oxid (ZNO) és az alumínium -nitrid (ALN).Ezeknek a filmeknek a vékonysága lehetővé teszi számukra, hogy integrálódjanak a mikroelektromechanikus rendszerekbe (MEMS) és a nanoelektromechanikus rendszerekbe (NEMS), javítva funkcionalitásukat olyan kompakt eszközökben, mint a mikrofonok, a mikroszálak és az Advanced Sensor tömbök.A szokásos félvezető folyamatokkal és méretezhetőségükkel való kompatibilitásuk lehetővé teszi őket integrált áramkörök és rugalmas elektronikához.

5. ábra: Aln piezoelektromos vékony fóliák

6. ábra: Ömlesztett piezo elemek

A vékony film és az ömlesztett piezoelektromos anyagok közötti kiválasztás az alkalmazás pontosságának, teljesítményének és tartósságának sajátos igényeitől függ.A vékony film piezo anyagok kis méretű technológiákban alkalmasak.Ezzel szemben az ömlesztett piezo anyagokat igényesebb, nagyobb méretű alkalmazásokban részesítik előnyben.Az alábbi táblázat összehasonlítja a vékonyrétegű piezo anyagokat és az ömlesztett piezo anyagokat vastagságuk, gyártási technikák, kulcsfontosságú jellemzők és alkalmazások alapján.

Kategória	Vékony film piezo anyagok	Ömlesztett piezo anyagok
Vastagság	Néhány nanométer több mikrométerre	Több milliméter centiméterre
Gyártási technikák	Porlasztás, impulzusos lézer lerakódás, kémiai gőzlerakódás	Prés, extrudálás, megmunkálás
Jellemzők	Nagyfrekvenciás válasz: Gyors válasz idő	Nagy energiatermelés: energiát termel mechanikus stressz alatt
	Rugalmasság: A rugalmasra alkalmazható felületek	Tartósság: erős és tartós, megfelelő Nehéz terhelések és durva körülmények között
	Pontosság: Pontos vezérlés a mikroszkopikus szint	Sokoldalúság: könnyen kialakítható és méretű speciális igények
Alkalmazások	Mikroelektronika és MEMS: Gyorsulásmérők, giroszkópok, tintasugaras nyomtatófejek	Energia betakarítás: A mechanikus átalakításokat átalakítja stressz a rezgésekből az elektromos energiává
	Orvosi eszközök: ultrahang átalakítók A képalkotáshoz és a terápiához	Működtetők és érzékelők: nagy működtetők Autó- és repülőgépipar, nagy terhelésű érzékelők
	Távközlés: Szűrők és rezonátorok a mobiltelefonokban és a kommunikációs eszközökben	Sonar és ultrahangos eszközök: Sonar Haditengerészeti használatra szolgáló rendszerek, ipari ultrahangos tisztítószerek

Vékony film PZT és lerakódási módszerek

A vékonyrétegű ólom cirkonát titanát (PZT) anyagokat érzékelőkben, működtetőkben és mikroelektromechanikai rendszerekben (MEMS) használják, nagy piezoelektromos tulajdonságaik miatt.A PZT vékony fóliák összetétele és hatékonysága nagyban függ azok lerakódási módszerektől, amelyek befolyásolhatják szerkezetüket, orientációjukat és piezoelektromos teljesítményüket.A három fő lerakódási technika: szol-gél, porlasztás és fém szerves kémiai gőzlerakódás (MOCVD).

7. ábra: Rugalmas vékonyréteg PZT

Szol-gél folyamat

A Sol-Gel folyamat költséghatékony módszer a PZT vékony fóliák lerakására és a film összetételének molekuláris szintű ellenőrzésének lehetővé tételére.Ez a technika egy kolloid oldat (SOL) elkészítésével kezdődik, amely gélré válik.Fontos lépések közé tartozik a hidrolizálás és a polimerizáló fém -alkoxidok.A kapott gélt egy szubsztrátra alkalmazzuk, spin bevonat vagy dip-bevonat felhasználásával, majd hőkezeléssel a szerves komponensek eltávolítására és a PZT fázis kristályozására.

8. ábra: Sol-Gel folyamat PZT vékony fóliákhoz

Előnyök

• Lehetővé teszi a sztöchiometria finom ellenőrzését, javítva a piezoelektromos tulajdonságokat

• Az alacsonyabb hőmérsékleteket használja más módszerekhez képest

Kihívások

• Nehéz a nagy területeken következetes vastagságot és összetételt elérni

• A szárítás és a tüzelés során nagy zsugorodás gyakran repedéseket okoz

Porlasztás

A porlasztás egy fizikai gőzlerakódás (PVD) technika, ahol a nagy energiájú részecskék az anyagot leütik egy célból, majd egy szubsztrátra helyezkednek el.A PZT -filmekhez az RF magnetron porlasztást használják, amelyben az argon ionok plazmája ütközik a PZT -célba.

9. ábra: A vékonyréteg lerakódásának porlasztási lerakódási módja

Előnyök

• Jó adhéziós és sűrűségű filmeket készít

• A nagy szubsztrátok egyenletes bevonására alkalmas

Kihívások

• A stressz felépülhet a tulajdonságaikat érintő filmekben

• A cél összetétele a porlasztás során megváltozhat a differenciális porlasztási hozamok miatt

Fém szerves kémiai gőzlerakódás (MOCVD)

A MOCVD magában foglalja a fém-szerves prekurzorok bomlását egy gőzfázisban, és egy hevített szubsztrátumon reagál vagy bomlik, hogy vékony filmet képezzen.Ezt a módszert részesítik előnyben az elektronikus alkalmazásokhoz alkalmas nagy tisztességes, jól kristályosított filmek előállításához.

Előnyök

• Kiváló film egységességet és megfelelőséget biztosít a komplex alakú szubsztrátokon is

• Jó a nagy mennyiségű termeléshez

Kihívások

• Magasabb hőmérsékletet igényel, mint más módszerek

• A fém-szerves prekurzorok kezelése és tárolása veszélyes lehet

10. ábra: Fém szerves kémiai gőzlerakódás

Hogyan hatnak az anyagok stressz alatt

A tömörítés alatti viselkedés

Amikor az olyan anyagokat, mint a kvarc vagy a bárium -titanát, megszorítják, akkor olyan módon változnak, amelyek befolyásolják a különféle eszközökben való felhasználásukat.Ezeknek az anyagoknak speciális struktúrái vannak, amelyek elektromos töltéseket hoznak létre, amikor megnyomják őket.Ahogy tömörítve vannak, zsugorodnak és belső szerkezetük megváltozik.

Ez a szorítás miatt a kristály belsejében lévő elektromos töltések egyenetlenül eloszlanak.A nyomás mozgatja az ionokat a kristály szerkezetében, így elektromos mezőt hoz létre.Ez azért történik, mert az anyagváltás pozitív és negatív töltési központjai.Az elektromos válasz mennyisége a kristály típusától, az alkalmazott erőtől és a kristály irányától függ az erőhöz viszonyítva.

Például az érzékelőkben a kristályok által előállított feszültség megmérheti az alkalmazott erőt, így tökéletesen a nyomás észlelésére és a terhelések megfigyelésére.A hajtóművekben az elektromos mező alkalmazása a kristályváltozás alakját eredményezheti, lehetővé téve a mozgás pontos irányítását olyan dolgokban, mint az ultrahangos eszközök és az autó üzemanyag -befecskendezők.

11. ábra: Piezoelektromos anyagok működik

Piezoelektromos válasz a nyomásra

Amikor a piezoelektromos anyagok mechanikai nyomással szembesülnek, molekuláik igazulnak, befolyásolva azok elektromos tulajdonságait.Az erő megváltoztatja a molekuláris szerkezetet, összehangolva a régiókat egységes elektromos irányba, növeli az elektromos polarizációt.

Ez az igazítás növeli a töltés elválasztását az anyagban, javítva annak elektromos polarizációját.Egyszerűen fogalmazva: a nyomás a dipolok (két ellentétes töltésű molekulák) egységesebbé teszi, és erősebb elektromos mezőt hoz létre egy adott erő számára.

Az a képesség, hogy a válasz pontosan ellenőrizze a különböző nyomás alatt, sok technológiában nagyon hasznossá teszi a piezoelektromos anyagokat.Képességük, hogy a mechanikai nyomást elektromos jelekké alakítsák, és fordítva, lehetővé teszik számukra, hogy hatékonyan használják őket olyan feladatokban, mint például a pontos elektronikus frekvenciák előállítása és az ipari környezetben a rezgések megfigyelése.

A piezoelektromos hatás

12. ábra: A piezoelektromos hatás

A mechanikai energiát elektromos energiává alakítani a piezoelektromos hatással

A piezoelektromos hatás a mechanikai energiát elektromos energiává változtatja bizonyos kristályanyagok deformálásával.Ezek a piezoelectrics néven ismert anyagok olyan természetes anyagokat tartalmaznak, mint a kvarc és a szintetikus, például a fejlett kerámia.

Amikor egy piezoelektromos anyag mechanikus feszültséggel rendelkezik, mint például a szorítás, csavart vagy meghajlás, a kristályszerkezete nem rendelkezik központi szimmetriával és zavart.Ez a zavar elmozdítja a kristály töltési központjait, amelyek polarizációt okoznak, és elektromos potenciált teremtenek az anyag bizonyos pontjain.

Ennek a folyamatnak a legfontosabb pontjai:

Az előállított elektromos töltés megegyezik az alkalmazott mechanikai feszültség mennyiségével.Ez azt jelenti, hogy az elektromos kimenetet pontosan az alkalmazott erő alapján lehet szabályozni;

Az erő eltávolításakor az anyag visszatér az eredeti állapotába, és az elektromos töltés eltűnik.Ez biztosítja az anyag tartósságát és megbízhatóságát az eszközök számára, amelyeknek többször is jól működniük kell.

Az elektromos energiát mechanikus energiává alakítva fordított piezoelektromos hatásgal

A fordított piezoelektromos hatás megváltoztatja az elektromos energiát mechanikai energiává.Az elektromos feszültség alkalmazása a piezoelektromos anyagra olyan elektromos mezőt hoz létre, amely megváltoztatja a kristályrács szerkezetét, megváltoztatva az anyag méretét.

Ezt a hatást az optikai műszerekben és a mikroterítő rendszerekben alkalmazzák a precíziós hajtóművekben.A fordított piezoelektromos hatás biztosítja, hogy a kis elektromos bemenetek pontos, ellenőrzött mechanikai beállításokat eredményezjenek, elősegítik a robotika, az autóipari technológia, az orvosi műszerek és a telekommunikáció fejlődését.

A piezoelektromos hatás kettős képessége, hogy mind a mechanikus, mind az elektromos és a mechanikus transzducer, támogatja a technológiai fejlődéseket.Összekapcsolja a mechanikai és elektromos területeket, bővítve a modern mérnöki munkát és az innovációt.

13. ábra: Közvetlen és fordított piezoelektromos hatás

A nem piezoelektromos és piezoelektromos anyagok összehasonlítása

A nem piezoelektromos és piezoelektromos anyagok különböznek a mechanikai és elektromos energiák kezelésében.A nem piezoelektromos anyagok, például az acél és az alumínium villamos energiát viselhetnek, de stresszhelyzetben nem hoznak létre elektromos töltést.A piezoelektromos anyagok, mint például a kvarc és bizonyos kerámia, a mechanikai energiát elektromos energiává változtathatják speciális kristályszerkezetük miatt.

A nem piezoelektromos anyagok szimmetrikus kristályrácsokkal rendelkeznek, így stresszhelyzetben nem termelnek elektromos dipólt.A piezoelektromos anyagok aszimmetrikus kristályrácsokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy stressz alatt elektromos töltést generáljanak.Ez a deformáció belső polarizációt és elektromos potenciált hoz létre.

A nem piezoelektromos anyagok úgy viselkednek, mint a szokásos vezetők vagy szigetelők, elektronmobilitásuk és sávszerkezetük alapján, és deformálva nem hoznak létre elektromos töltést.A piezoelektromos anyagok két hatást mutatnak: a közvetlen piezoelektromos hatást, ahol a mechanikai feszültség elektromos töltést generál, és az inverz piezoelektromos hatást, ahol az elektromos mező mechanikai deformációt okoz.Ezek a jellemzők a piezoelektromos anyagokat alkalmassá teszik érzékelőkben és működtetőkben való felhasználásra.

Különböző tulajdonságaik miatt a nem piezoelektromos és piezoelektromos anyagokat különféle alkalmazásokban használják.A nem piezoelektromos anyagokat a szerkezeti alkatrészekben, az elektromos vezetékekben és a standard elektronikus alkatrészekben használják, ahol az szilárdság és a vezetőképesség fontos.A piezoelektromos anyagokat olyan területeken használják fel, amelyek pontos vezérlést és mechanikus-elektromos energia-átalakítást igényelnek, például ultrahangos berendezéseket, precíziós pozicionáló eszközöket, valamint különféle érzékelőket és működtetőket, amelyek jóak a fejlett technológiákhoz.

A piezoelektromosság alkalmazásai

Fogyasztói elektronika: Az okostelefonokban és más eszközökben a piezoelektromos alkatrészeket hangszórókban és mikrofonokban használják.Az elektromos jeleket hangvibrékké vagy hangvibrékké alakítják az audio bemenet elektromos jeleire.

Autóipar: A modern autók piezoelektromos érzékelőket használnak számos célra, például a motorok üzemanyag -befecskendezésének ellenőrzését és a gumiabroncsok nyomását.

Környezeti megfigyelés: A piezoelektromos érzékelők észlelik a nyomásváltozásokat, a rezgéseket és a hangokat.Ezeket a környezeti feltételek ellenőrzésére és az épületek és hidak biztonságának biztosítására használják.

Energia betakarítás: A piezoelektromos anyagok megragadhatják az energiát a mechanikai stresszből.Például azok a padlók, amelyek az elektromos energiává alakítják a léptékeket, erőteljes lámpákat és elektronikát okozhatnak a forgalmas területeken, elősegítve a fenntartható környezet megteremtését.

Nagyfeszültségű piezoelektromos öngyújtók: Ezek az öngyilkosok, amelyeket gázkályhák és grillezés megvilágításához használnak, és nagy feszültséget hoznak létre egy kis mechanikus kattintásból, szikrát eredményezve az égő megvilágításához.Ez megmutatja a piezoelektromos anyagok gyakorlati használatát.

Orvosi képalkotás: A piezoelektromos kristályok hasznosak az ultrahang gépekben.Olyan hanghullámokat termelnek, amelyek lepattannak a szövetekről és a szervektől, és képeket hoznak létre a diagnózishoz.

Precíziós működtetők tudományos műszerekben: A piezoelektromos anyagok a precíziós működtetőkben apró mozgásokat hoznak létre az optikához és a nanotechnológiához.Ezek a hajtóművek mikroszkopikus pontossággal módosítják a tükröket, lencséket és más alkatrészeket a tudományos kutatáshoz és a félvezető gyártáshoz.

Következtetés

A piezoelektromos anyagok tanulmányozása szoros kapcsolatot mutat a fizika és a mérnöki munka között, megmutatva, hogy természetes tulajdonságaik hogyan használhatók sok technológiai célra.A piezoelektromos anyagok sokoldalúságát erős ömlesztett anyagokként és rugalmas vékony fóliákként kaphatják, különféle alkalmazásokhoz, például energia betakarításhoz, környezeti megfigyeléshez és fenntartható technológiák fejlesztéséhez.Ahogy az innováció folytatódik, a piezoelektromos anyagok kutatása és fejlesztése fontosabb, ígéretes javulás a hatékonyság, a pontosság és a jövőbeli technológiák funkcionalitásában.

Gyakran feltett kérdések [GYIK]

1. Mi okozza az elektromosság előállítását a piezoelektromos hatásból?

A piezoelektromos hatás akkor fordul elő, amikor egyes anyagok elektromos töltést eredményeznek a mechanikai feszültségre válaszul.Ezek az anyagok, olyan kristályok, mint a kvarc, a kerámia, mint például a bárium-titanát és néhány polimer, kristályrácsos szerkezetük van, amely nem centrosimmetrikus, vagyis hiányzik a szimmetria központja.Amikor mechanikai erő, például nyomás vagy rezgés alkalmazzák, ez a szerkezet torzul.Ez a torzulás elmozdítja a rácson belüli ionokat, pozitív és negatív töltésekkel teremtve.Ezeknek a töltéseknek a térbeli elválasztása elektromos potenciált eredményez, amely villamos energiát generál.Ez a hatás visszafordítható, és az elektromos mező alkalmazása ezekre az anyagokra is mechanikai feszültséget vált ki.

2. Milyen eszköz használja a piezoelektromos hatást?

A piezoelektromos hatást használó eszközök változnak, és magukban foglalják mind a mindennapi, mind a speciális berendezéseket.Általános alkalmazások:

Kvarcórák: A kvarc rendszeres rezgéseinek használata egy elektromos mező alatt, hogy az idő pontosan megőrizze.

Orvosi ultrahangos eszközök: olyan hanghullámok generálása, amelyek visszhangzik a test belsejében, hogy diagnosztikai képeket készítsenek.

Üzemanyag -befecskendezők autókban: Piezoelektromos hajtóművek használata a motorhengerekbe befecskendezett üzemanyag időzítésének és mennyiségének szabályozására.

Piezoelektromos érzékelők és gyorsulásmérők: A nyomás, a gyorsulás, a feszültség vagy az erő változásainak mérése azáltal, hogy elektromos jelzé alakítja őket.

3. Hány volt egy piezo?

A piezoelektromos elem feszültség kimenete nagymértékben változhat annak méretétől, anyagától és az alkalmazott mechanikai feszültség mennyiségétől függően.Egy kis piezo elem, mint például az öngyilkosságokban vagy az elektronikus eszközökben, feszültség tüskét eredményezhet, néhány feszültségtől több száz voltig.Ezek a kimenetek azonban általában nagyon alacsony áramoknál vannak, és csak mikrosekundumok vannak.

4. Szüksége van -e egy piezo ellenállásra?

Számos alkalmazásban egy ellenállást használnak egy piezoelektromos elemmel az áram áramlásának korlátozására és az áramkör más alkatrészeinek védelmére a piezo aktiválásakor előállított nagyfeszültségű tüskétől.Az ellenállás értéke az áramkör konkrét követelményeitől függ, beleértve a kívánt válaszidőt és az érzékenységet.Ellenállás nélkül a piezo potenciálisan megsérülhet a csatlakoztatott elektronikus alkatrészek miatt a magas kezdeti feszültség tüske miatt.

5. Hogyan kapcsolódik a piezoelektromos az emberi erőhez?

A piezoelektromos hatás közvetlenül alkalmazható az emberi erő innovatív módon történő kiaknázására.Átalakíthatja a mechanikai energiát az emberi tevékenységekből, például a sétálás vagy a gombok megnyomása elektromos energiává.Ezt a technológiát különféle alkalmazásokban vizsgálják meg:

Energiatakarékos padlólapok: Ezek a csempe villamos energiát generál a lábszárnyak nyomásából olyan forgalmas területeken, mint a metróállomások vagy a bevásárlóközpontok.

Hordható technológia: Piezoelektromos anyagok beágyazása cipőbe vagy ruházatba, hogy a szokásos testmozgások révén energiát generáljanak.

Orvosi implantátumok: A testmozgások használata olyan erőművekhez, mint a szívritmus -szabályozók, a külső akkumulátorok szükségességének csökkentése vagy kiküszöbölése.