Пьезоэлектрическая кристаллическая пленка. Пьезоэлектрические пленки


Пьезоэлектрические пленки

В 1969 году японский ученый Каваи обнаружил сильный пьезоэлектрический эффект в PVDF пленках, а в 1975 году кампания Pioneer, Ltd выпустила первые громкоговорители и наушники, реализованные на основе PVDF [10]. PVDF — это полукристаллический полимер, степень кристаллизации которого составляет 50% [11]. Подобно другим полукристаллическим полимерам PVDF представляет со­бой слоевую структуру с аморфными зонами. Его химическая формула состоит из

 

Молекулярный вес PVDF равен около 10\ что соответствует порядка 2000 повторяю­щихся звеньев. Пленка является практически прозрачной в видимом и ближнем ИК (инфракрасном) диапазонах и поглощает излучение дальней И К области электро­магнитного спектра. Ее плотность равна около 1780 кг/м3. PVDF является механи­чески прочным и гибким материалом. Для применения в пьезодатчиках

3.6. Пьезоэлектрический эффект

эту пленку обычно вытягивают в одном или сразу двух направлениях так, чтобы ее размеры увеличились в несколько раз. Коэффициенты упругости (такие как модуль Юнга) определяются величиной растяжения. Например, если пленка была растянута при температуре 140°С до соотношения 4:1, ее модуль Юнга равен 2.1 ГПа, а если до соотношения 6.8:1, модуль составляет 4.1 ГПа. Удельное сопротив­ление пленки зависит от величины ее относительного удлинения. Например, при небольшом удлинении удельное сопротивление равно 6.3х1015 Омхсм, в то время как при степени растяжения 7:1, оно составляет 2х10160мхсм.

Хотя пьезоэлектрические коэффициенты пленки из PVDF не такие высокие как у некоторых других пьезоматериалов, например, у ВаТЮ3 и PZT, они облада­ют уникальным свойством сохранять поляризацию даже при воздействии на них очень сильных переменных электрических полей. Это означает, что, несмотря на то, что значение dvпленки из PVDF почти в 10 раз меньше, чем у PZT, ее макси­мальная деформация может быть на порядок больше, чем у того же PZT, посколь­ку для PVDF предельно допустимая величина электрического поля в 100 раз пре­вышает аналогичную характеристику для PZT. К тому же пленки из PVDF обла­дают очень хорошей временной стабильностью: при хранении при температуре 60°С они теряют за шесть месяцев только около 1-2% чувствительности.

В Приложении приведены сравнительные характеристики различных пьезо­электрических материалов. Другим преимуществом пьезопленок над пьезокера-микой является их низкий акустический импеданс, который по значению близок к воде, человеческим тканям и другим органическим материалам. Например, аку­стический импеданс пьезопленки отличается от импеданса воды только в 2.6 раз, в то время как для пьезокерамики он, как правило, в 11 раз больше. Близкие зна­чения импедансов позволяют осуществлять более эффективную передачу акусти­ческих сигналов в воде и тканях.

Пьезоэлектрические пленки обладают следующими уникальными свойствами:

• Широким частотным диапазоном: 0.001...109 Гц

• Большим динамическим диапазоном: 10 8...106psi (фунтов на квадратный дюйм) или от мкТорр до Мбар

• Низким акустическим импедансом: близким к воде, человеческим тканям и клеевым составам

• Высокой упругой податливостью

• Высоким выходным напряжением: в 10 раз выше, чем у пьезокерамики при одинаковых приложенных силах

• Высокой электрической прочностью диэлектрика: выдерживают поля до 75 В/мкм, при которых большинство пьезокерамических материалов теряют по­ляризацию

• Высокой механической прочностью и ударостойкостью: 109...1010 пределов прочности

• Высокой стабильностью: устойчивостью к влажности (влагопоглощение ме­нее 0.02%), большинству химических реактивов, окислителям, мощному уль­трафиолетовому (УФ) и ядерному излучениям

• Из них можно получать структуры произвольной формы

• Их можно соединять обычными клеями.

98 Глава 3. Физические приципы датчиков

В таблице 3.1 приведены основные свойства пьезоэлектрических пленок: Таблица 3.1.Основные свойства пьезоэлектрических пленок

 

3.6. Пьезоэлектрический эффект

Как и другие ферроэлектрические материалы PVDF также обладает пироэлектри­ческими свойствами (см. раздел 3.7), т.е. на его поверхности образуется электрический сигнал в ответ на изменение температуры. Пленки из PVDF сильно поглощают ИК лучи в диапазоне длин волн 7.. .20 мкм. Этот диапазон соответствует спектру длин волн, излучаемых человеческим телом. Однако, несмотря на то, что сами пленки из PVDF могут поглощать тепловое излучение, в пироэлектрических датчиках они располага­ются между двумя тонкими электродами, которые иногда довольно сильно отражают волны интересующего диапазона. В таких случаях электрод, расположенный ближе к источнику тепловых излучений, либо покрывают теплопоглощающим слоем, либо из­готавливают из нихрома (сплава, обладающего высокой поглощающей способностью). На основе апенок из PVDF реализуют датчики перемещения людей, а также пироэлек­трические датчики для более сложных устройств, таких как видеокамеры для ночного наблюдения и лазерные копировальные приборы. Не так давно была представлена ИК матрица на основе PVDF пленки, позволяющая идентифицировать отпечатки паль­цев, использующая пироэффект, присущий полимерам. Новые сополимеры PVDF, раз­работанные в последние годы, нашли широкую сферу применения в пьезоэлектричес­ких полимерных датчиках. Такие сополимеры используются при более высоких темпе­ратурах (135°С), и из них можно получать новые формы датчиков: цилиндрические и полусферические. Из них можно изготавливать сенсоры, толщина которых превышает предельные значения для устройств на основе PVDF пленок: например, кремниевые датчики с ультратолстым (200 А) покрытием и гидролокаторы с цилиндром, толщина стенок которого превышает 1200 мкм. Пьезоэлектрические кабели также реализуют из сополимеров.

В отличие от пьезокерамических преобразователей датчики на основе пьезоэлект­рических пленок обладают более широкими динамическим и частотным диапазонами. Широкая полоса частот (практически от 0 до 2 ГГц) и низкая добротность могут быть объяснены мягкостью, присущей полимерам. В передатчиках звуковых сигналов пле­ночный пьезоэлемент, зафиксированный на двух концах, вибрирует на частоте, опреде­ляемой коэффициентом d31Такие датчики нашли широкое применение в ультразву­ковой технике, работающей на частотах до 50 кГц. При использовании в ультразвуковых передатчиках (частота более 500 кГц) частота пьезодатчиков определяется коэффици­ентом d33 . Максимальный коэффициент передачи достигается на частоте резонанса по толщине. Основной полуволновой резонанс пленочного пьезоэлектрического сенсора толщиной 28 мкм наступает на частоте порядка 40 МГц. Частота резонанса всегда зави­сит от толщины пленки: она меняется от единиц МГц для толстых пленок (=1000 мкм) до >100 МГц для тонких пленок (порядка мкм).

Датчики на пьезоэлектрических пленках имеют и ряд ограничений. Они обла­дают довольно слабым электромеханическим коэффициентом связи по сравнению с пьезокерамическими сенсорами, особенно на частоте резонанса и на низких час­тотах. Пленки из сополимеров могут использоваться и храниться при температу­рах, не превышающих 135°С, a PVDF пленки рекомендуется использовать при температурах до 100°С. Как только на пленку нанесены электроды, полученный сенсор становится чувствительным к электромагнитному излучению. Для защиты устройств от высокочастотных электромагнитных помех и от радиочастотных шу­мов необходимо применять методы экранирования. Из таблицы 3.1 и Приложения

100 Глава 3. Физические приципы датчиков

видно, что пьезоэлектрические пленки обладают низкой плотностью, отличной чув­ствительностью и механической прочностью. Упругая деформация пьезопленок в 10 раз превышает аналогичную характеристику керамики. Пьезоэлектрические полиме­ры могут напрямую прикрепляться к тонкопленочным структурам, не мешая их меха­ническому перемещению. Пьезопленки годятся для применения в датчиках деформа­ции, которые должны обладать высокой чувствительностью в широком частотном ди­апазоне. Низкий акустический импеданс полимеров позволяет изготавливать преоб­разователи, эффективно передающие энергию в широкой полосе частот воздуху и дру­гим газам.

В миниатюрных полупроводниковых датчиках пьезоэлектрический эффект явля­ется основным средством преобразования механической деформации в электрические сигналы и наоборот. Однако этот эффект применим для преобразования переменных входных сигналов и не годится для стационарных и медленно меняющихся внешних воздействий.

Поскольку кремний сам по себе не обладает пьезоэлектрическими свойствами, ему можно их придать при помощи нанесения кристаллических слоев пьезоматериа-лов. Для этой цели чаще всего используются следующие материалы: оксид цинка (ZnO), нитрид алюминия (A1N) и PZT (Pb(Zr,Ti)03). Для построения обычных пьезоэлектри­ческих датчиков, в основном, применяются те же материалы.

Оксид цинка обладает не только пьезоэлектрическими свойствами, он также яв­ляется пироэлектриком. Он часто используется для построения ультразвуковых акус­тических датчиков, устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ), микро­весов и т.д. Основным достоинством оксида цинка является простота химического трав­ления. ZnO часто наносится на кремний методом напыления.

Нитрид алюминия считается отличным пьезоэлектрическим материалом, благо­даря высокой акустической проводимости и устойчивости к влажности и высокой тем­пературе. Его пьезоэлектрический коэффициент несколько ниже, чем у оксида цинка, но выше, чем у других тонкопленочных пьезоматериалов, за исключением керамики. Акустические свойства нитрида алюминия позволяют использовать его в гигагерцо­вом частотном диапазоне. Тонкие пленки из A1N обычно изготавливаются по техноло­гии химического осаждения из газовой фазы или методом реактивной эпитаксии. Не­достаток этих способов — высокая температура нагрева подложки (до 1300°С).

Тонкие пленки из PZT обладают большим пьезоэлектрическим коэффициентом, чем A1N и ZnO, что делает их перспективными для использования в детекторах теп­лового излучения. Для формирования слоев из PZT существует большое количество методов, среди которых можно назвать электролучевое распыление [13], радиочастот­ное напыление [14], ионное осаждение [15], эпитаксиальное выращивание [16], маг-нетронное напыление [17], лазерное распыление [18] и золь-гелевая технология [19].

3.7. Пироэлектрический эффект

Пироэлектрики — это материалы с кристаллической структурой, в которых при воз­действии на них тепловым потоком появляются электрические заряды. Пироэлект­рический эффект очень близок к пьезоэлектрическому эффекту. Поэтому многое из того, что было изложено в предыдущем разделе, справедливо и для пироэлектриков.

3.7. Пироэлектрический эффект I

Подобно пьезоэлектрикам пироэлектрики используются в виде тонких пленок, с противоположных сторон которых нанесены электроды для сбора индуцированных теплом зарядов (рис. 3.26). Пироэлектрический детектор можно представить в виде конденсатора, электрически заряжающегося от по­тока тепла. Такой датчик не нуждается ни в каких внешних сигналах возбуж­дения, ему только требуется соответствующая интерфейсная электронная схе­ма для измерения заряда. В отличие от термопар (термоэлектрических уст­ройств), на выходе которых появляется постоянное напряжение, когда два спая различных металлов находятся при стационарной, но разной температуре (см. раздел 3.9), в пироэлектриках формируется заряд в ответ на изменение темпе­ратуры. Поскольку изменение температуры происходит при перемещении теп­ловых волн, пироэлектрические устройства являются детекторами потока теп­ла. Их иногда называют динамическими датчиками, что соответствует их фи­зической природе. Когда пироэлектрический кристалл подвергается воздей­ствию потока тепла (например, от источника ИК излучения), его температура повышается, и он также становится источником тепла. Поэтому с противопо­ложной стороны кристалла возникает отток тепла, как показано на рис. 3.26.

Считается, что кристалл обладает пироэлектрическими свойствами, если при изменении температуры в нем появляется спонтанная поляризация. 21 из 32 типов кристаллов не обладают симметрией относительно центра, и толь­ко 10 из них проявляют пироэлектрические свойства. В дополнение к пиро­электрическим свойствам все эти кристаллы в той или иной степени являют­ся пьезоэлектриками, т.е. в них появляются заряды в ответ на механическое напряжение.

выходящий тепловой поток
Рис. 3.26 Пироэлектрический датчик имеет два электрода, расположенных на противоположных сторонах кристалла. Тепло поступает снизу вдоль оси 3 и оттекает

Пироэлектричество было открыто в кристаллах турмалина еще в 18 веке (хотя есть сведения, что греки заметили этот эффект на 23 века раньше). Поз­же, в 19 веке, для изготовления пироэлектрических датчиков использовались кристаллы сег-нетовой соли. После 1915 года в качестве пироэлектриков стали применяться следующие мате­риалы: KDP (Kh3P04), ADP (Nh5h3P04), BaTiO, и компози­ции PbZr03 и PbTiOv известные как PZT. В настоящее время из­вестно более 1000 материалов, обладающих свойством обрати­мой поляризации. Они называ­ются ферроэлектрическими кристаллами. Самыми интерес­ными из них считаются тригли-цин сульфат (TGS) и танталат лития (LiTa03). В 1969 году уче­ный Каваи обнаружил, что неко-

Глава 3. Физические приципы датчиков

торые пластмассы, например, поливинил фторид (PVF) и поливинилидин фто­рид (PVDF) [20], обладают сильными пьезоэлектрическими свойствами. Так­же оказалось, что эти материалы также являются и пироэлектриками.

Любой пироэлектрик можно представить в виде композиции большого числа кристаллитов, каждый из которых ведет себя как маленький электри­ческий диполь. Все эти диполи имеют произвольную ориентацию (рис. 3.23А). При температуре, превышающей точку Кюри, у кристаллитов нет дипольного момента. Изготовление пироэлектриков аналогично производству пьезоэлек-триков (см. раздел 3.6).

Существует несколько механизмов, объясняющих почему изменение тем­пературы приводит к возникновению пироэлектричества. Изменение темпе­ратуры может привести к удлинению или укорачиванию отдельных диполей. На ориентацию диполей может повлиять их возбуждение от повышения тем­пературы. Эти явления получили название первичного пироэлектричества. Су­ществует также вторичное пироэлектричество, которое в упрощенном виде можно считать следствием пьезоэлектрического эффекта (например, возник­новение напряжения в материале из-за теплового расширения). На рис. 3.26 показан пироэлектрический датчик, имеющий одинаковую температуру Т0в любой точке объема. Будучи электрически поляризованными, диполи ориен­тированы так, что одна сторона материала становится положительно заряжен­ной, а вторая — отрицательной. Однако в стационарных условиях свободные носители зарядов (электроны и дырки) нейтрализуют заряды, возникшие вслед­ствие поляризации, и конденсатор, образованный электродами и пироэлект-риком, разряжается (рис. 3.23В), что приводит к появлению нулевого заряда на выходе датчика. Тепло на сенсор может поступать в виде теплового излуче­ния, которое поглощается нижним электродом и распространяется по пиро-электрику, используя механизм теплопроводности. Нижний электрод иногда покрывают теплопоглощающим слоем из черненого золота или органическо­го красителя. В результате поглощения тепла нижняя часть сенсора нагревает­ся (его новая температура становится равной T1), что приводит к его расшире­нию, что, в свою очередь, вызывает изгиб датчика. Появившаяся деформация означает возникновение механического напряжения и, следовательно, изме­нение ориентации диполей. Поскольку материал сенсора также обладает и пье­зоэлектрическими свойствами, его напряженное состояние приводит к появ­лению на электродах противоположных по знаку зарядов. Отсюда видно, что вторичный пироэлектрический эффект можно описать следующей последо­вательностью событии: тепловое излучение —> поглощение тепла —» механи­ческое напряжение, индуцированное теплом —> электрический заряд.

Дипольный момент М объемного пироэлектрического датчика можно найти по выражению:

М = μAh, (3 72)

Где μ — дипольный момент на единицу объема, А — площадь датчика, h — его тол­щина. Заряд Qa, собранный на электродах, приводит к появлению в материале следующего дипольного момента:

3.7. Пироэлектрический эффект 103 jj

M0 = Qah

(3.73)

M должен быть равен М0, поэтому

Qa = μAh.

(3.74)

Поскольку температура меняется, дипольный момент тоже не остается постоян­ным, что и приводит к индуцированию заряда.

Количество поглощенного тепла можно выразить через изменение диполь-ного момента, при этом ц зависит как от температуры Г, так и от приращения тепловой энергии AW, поглощенной материалом:

 

На рис. 3.27 показан пироэлектрический детектор, подсоединенный к резистору Rb, отображающему либо внутреннее сопротивление утечки, либо входное сопро­тивление интерфейсной схемы, подключенной к выходу датчика. В правой части рисунка показана эквивалентная электрическая схема такого сенсора. Она состо­ит из следующих трех компонентов: (1) источника тока /, приводящего к появле­нию тепла (необходимо помнить, что ток — это движение электрических заря­дов), (2) емкости детектора Си (3) сопротивления утечки Rb.

Выходным сигналом пироэлектрического детектора в зависимости от конк­ретного применения может быть либо заряд (ток), либо напряжение. Поскольку пироэлектрический датчик является конденсатором, он будет разряжаться через сопротивление Rb. Величина электрического тока через этот резистор и напряже­ние на нем соответствуют заряду, индуцированному тепловым потоком. Пиро­электрический эффект характеризуется двумя коэффициентами [21]:

 

где Ps — спонтанная поляризация (другими словами, электрический заряд), Е — напряженность электрического поля, а Т— температура в Кельвинах. Отношение двух коэффициентов можно выразить через диэлектрическую проницаемость εr. и электрическую постоянную ε0:

Глава 3. Физические приципы датчиков

 

Поляризация зависит от температуры, и поэтому оба пироэлектрических коэф­фициента являются функциями температуры.

При воздействии источника тепла на пироэлектрик, его температура повы­шается на Д71, при этом происходят соответствующие изменения заряда и напря­жения:

ΔQ = PQAΔT, (3.78)

ΔV= PvhΔT.

Если емкость датчика выразить в следующем виде:

(3.78-3.80) можно вывести следующее соотношение:

 

Отсюда видно, что выходное напряжение датчика пропорционально росту темпе­ратуры и пироэлектрическому коэффициенту по заряду и обратно пропорцио­нально его толщине.

Когда пироэлектрический чувствительный элемент подвергается воздействию перепада температур, его поляризация (индуцируемый электрический заряд внут­ри кристалла) также меняется с температурой. На рис. 3.28 показана типовая за­висимость поляризации от температу­ры. Пироэлектрический коэффициент по напряжению Рсоответствует накло­ну кривой поляризации. Приближаясь к точке Кюри, этот коэффициент рез­ко возрастает, что объясняется исчезно­вением поляризации и потерей пиро­электрических свойств в этом темпера­турном диапазоне. Предполагается, что нелинейность кривой поляризации объясняется увеличением чувствитель­ности датчика с ростом температуры.

Рис.3.28. Поляризация пироэлектрическо­го кристалла. Датчик должен работать и хра­ниться при температурах, значительно меньших точки Кюри

3.7. Пироэлектрический эффект I

При выборе пироэлектрического материала необходимо учитывать эффек­тивность преобразования тепловой энергии в электрическую, которую можно оце­нить по пироэлектрическому коэффициенту связи кр2[21, 22] (крявляется анало­гом пьезоэлектрического коэффициента связи к). Этот коэффициент показывает во сколько раз пироэлектрическая эффективность ниже предельного значения Карно ΔТ/Тa. В Приложении приведены численные значения кр2.

Из соответствующей таблицы Приложения видно, что кристаллы триглицин сульфата (TGS) являются самыми эффективными пироэлектрическими преоб­разователями. Но до недавнего времени из-за низкой температуры Кюри они редко применялись на практике. Поскольку если температура датчика превышает этот уровень, он теряет свои поляризационные свойства. К тому же оказалось, что TGS датчики обладают довольно низкой стабильностью даже при температурах ниже точки Кюри [23]. Однако было обнаружено, что при легировании TGS кристал­лов L-аланином (Philips запатентовал название LATGS) в процессе выращивания не только повышается их стабильность, но и несколько увеличивается темпера­тура Кюри, которая после этого становится равной 60°С, и, значит, верхний пре­дел рабочих температур возрастает до уровня 55°С, достаточного для многих прак­тических применений.

Для производства пироэлектрических датчиков используются и другие мате­риалы, например, танталат лития и пироэлектрические керамики. Довольно по­пулярным стало применение полимерных пленок. В течение последних лет ин­тенсивно разрабатывались технологии нанесения тонких пироэлектрических пле­нок. Особенно перспективным считается применение титаната свинца (PbTi03), который относится к классу ферроэлектрических керамических материалов и об­ладает высокими пироэлектрическим коэффициентом и температурой Кюри (око­ло 490°С). Его основное достоинство — простота нанесения на кремниевые под­ложки золь-гелевым методом напыления [24].

На рис. 3.29 показаны временные диаграммы, построенные для пироэлект­рическою датчика при подаче на его вход ступенчатой тепловой функции. Из ди­аграмм видно, что электрический заряд достигае г своего пикового значения прак­тически мгновенно, а затем начинает уменьшаться с тепловой постоянной времени τT Это можно объяснить следующим образом: при нагреве поляризация первона­чально происходит в самых поверхностных слоях кристаллического материала толщиной в нескольких атомов, температура которых мгновенно повышается до максимального значения. При этом в материалах возникает высокий градиент температур, вызывающий максимальную поляризацию. После чего происходит распространение тепла по всему пироэлектрику, часть которого поглощается его массой пропорционально значению теплоемкости С, а другая часть отдается в окружающую среду через тепловое сопротивление R. Все это приводит к умень­шению первоначального заряда. Тепловая постоянная времени определяется про­изведением теплоемкости датчика на его тепловое сопротивление:

(3.82)

 

где с — удельная теплоемкость чувствительного элемента. Тепловое сопротивление R является функцией всех тепловых потерь в окружающую среду через

Глава 3. Физические приципы датчиков

конвекцию, теплопроводность и тепло­вое излучение. В низкочастотных устрой­ствах желательно использовать датчики с большой тепловой постоянной време­ни, тогда как в быстродействующих сис­импульсов) τТдолжно быть значительно ниже. Для уменьшения τТ пироэлектри-ки иногда покрывают теплоотводами (кусочками алюминия или меди).

Предполагается, что на пироэлект­рический датчик воздействует источ­ник тепла, обладающий очень высокой теплоемкостью, поэтому его собствен­ной теплоемкостью можно пренебречь. Тогда температура среды Тьво время проведения измерений считается посто­янной, в то время как температура дат­чика является функцией времени и оп­ределяется плотностью, удельной теп­лоемкостью и толщиной детектора. Если входной тепловой поток имеет форму ступенчатой функции, а датчик работа­ет в воздушной среде, для выходного тока можно записать следующее аппрокси-мационное выражение:

 

 

 

где z0 — пиковое значение тока.

На рис. 3.29 показано, что заряд Q и напряжение ^никогда не снижаются до нуля. Рассмотрим почему так происходит: пироэлектрик получает тепловую энер­гию со стороны датчика а (рис. 3.26), за счет которой увеличивается температура материала. Рост температуры приводит к скачку заряда в датчике, уменьшающе­гося с постоянной времени τТ Однако датчик имеет еще одну сторону — b, кон­тактирующую с более холодной средой, через которую происходит потеря тепло­вой энергии, т.е. охлаждение датчика. Поскольку стороны а и b чувствительного элемента подвергаются воздействию разной температуры, через пироэлектрик по­стоянно проходит тепловой поток. Электрический ток на выходе пироэлектри­ческого датчика всегда повторяет форму теплового потока, проходящего через него. Проводя точные измерения, можно убедиться в том, что выходное напря­жение пироэлектрического сенсора равно постоянному значению К0, пропорци­ональному величине теплового потока.

Эффект Холла

Холл открыл это физическое явление в 1879 году. Первоначально этот эффект при­менялся для изучения электропроводности металлов, полупроводников и других токопроводящих материалов. В настоящее время датчики Холла используются

3.8. Эффект Холла

для обнаружения магнитных полей и определения положения и перемещения объектов [25, 26].

Эффект Холла основан на взаимодействии между движущимися носителями электрического заряда и внешним магнитным полем. В металлах носителями за­рядов являются электроны. При движении электронов в магнитном поле на них действует отклоняющая сила:

F = qvB,

траектория электрона

где q = 1.6 x10 |9Кл — величина заряда элект­рона, v — его скорость, а В — магнитная ин­дукция. Выделенный шрифт указывает на то, что F и В являются векторами. Направление силы и ее величина зависят от пространствен­ного расположения магнитного потока и на­правления движения электрона. Единицей измерения В является тесла: 1 Тесла = 1 Нью-тон/(амперхметр) = 104 Гаусс.

Рис. 3.30. Датчик Холла. Магнитное поле отклоняет движущийся электри­ческий заряд

Предположим, что электроны двигаются внутри электропроводной пластины, помещен­ной в магнитное поле В (рис. 3.30). На две сто­роны пластины нанесены дополнительные электроды, подключенные к вольтметру. Еще два электрода расположены сверху и снизу пласти­ны, они подсоединены к источнику электричес­кого тока. Из-за действия внешнего магнитно­го поля возникает отклоняющая сила, смещаю­щая электроны ближе к правому краю пласти­ны, поэтому эта сторона становится более от­рицательно заряженной, чем левая. Очевидно, что вследствие взаимодействия магнитного поля и электрического тока возникает поперечная раз­ность потенциалов, получившая название напря­жение Холла VнЗнак и амплитуда этого напря­жения зависят как от величины, так и направления магнитного и электрического по­лей. При фиксированной температуре оно определяется выражением:

 

где α — угол между вектором магни тного поля и плоскостью пластины Холла (рис. 3.31), a h — полная чувствительность датчика, на значение которой влияют тип материала пластины, ее геометрия (площадь активной зоны) и температура.

Полная чувствительность датчика Холла зависит от коэффициента Холла, ко­торый определяется градиентом поперечного электрического потенциала на еди­ницу интенсивности магнитного поля и на единицу плотности тока. В соответ­ствии с теорией свободных электронов в металлах, коэффициент Холла можно найти при помощи выражения:

Глава 3 Физические приципы датчиков

 

где N — число свободных электронов в единице объема, а с — скорость света. В зависимости от кристаллической структуры материала заряды могут быть либо электронами (отрицательными), либо дырками (положительными). Поэтому и эффект Холла бывает либо положительным, либо отрицательным

 

 

(А)

(Б)

Рис. 3.31.А — выходной сигнал датчика Холла зависит от угла между вектором магнитного поля и плоскостью пластины, Б — четыре вывода датчика Холла

Линейный датчик Холла обычно размещается в корпусе с четырьмя выво­дами. Два вывода для подключения тока управления называются управляющими выводами, а сопротивление между ними — сопротивлением управляющей цепи R Выводы для измерения выходного напряжения называются дифференциальными выходами, а сопротивление между ними — выходным дифференциальным сопро­тивлением R0. Эквивалентную схему датчика Холла (рис. 3.32) можно представить в виде узлового соедине­ния 4-х резисторов и двух источни­ков напряжения, включенных после­довательно с выходными выводами. Знак на рис. 3.31Б и 3.32 указывает на то, что вектор В направлен от на­блюдателя.

Датчик характеризуется следую­щими параметрами", сопротивления­ми Л и Rg , напряжением смещения при отсутствии магнитного поля, чувствительностью и температурным коэффициентом чувствительности.

3.8. Эффект Холла

Большинство датчиков Холла изготавливаются из кремния, и их можно разде­лить на две основные категории: простые и интегрированные. Для построения чувствительных элементов на основе эффекта Холла применяются InSb, InAs, Ge и GaAs. Кремниевые сенсоры могут быть интегрированы на одной подложке с интерфейсными электронными схемами. Такая интеграция особенно важна при построении прецизионных датчиков, поскольку напряжение Холла обычно до­вольно мало. В таблице 3.2 приведены основные характеристики простого крем­ниевого линейного датчика Холла UGN-3605K, выпускаемого кампанией Sprague.

 

Источник [27]

Встроенная интерфейсная схема может иметь в своем составе пороговый де­тектор, превращающий датчик в устройство с двумя положениями: его выходной сигнал будет равен нулю, когда магнит­ное поле ниже порогового значения, и единице — когда плотность магнитного потока становится значительной.

Поскольку кремний обладает пье-зорезистивными свойствами, датчики, реализованные на его основе, реагиру­ют на механические напряжения, по­этому необходимо минимизировать на­грузки на корпус датчика и на подво­дящие провода. Датчики Холла также являются чувствительными к колеба­ниям температуры, приводят к измене­нию сопротивления сенсорных эле­ментов. Если чувствительный элемент подключен к источнику напряжения, изменения температуры будут влиять на значение сопротивления, а, следовательно, и на ток в цепи управления.

Глава 3. Физические приципы датчиков

Поэтому предпочтительнее управляющие выводы подключать к источнику тока, а не источнику напряжения.

На рис. З.ЗЗА приведена схема датчика Холла, реализованного на кремниевой подложке p-типа с зоной n-типа, полученной методом ионной имплантации. Элек­трические контакты обеспечивают подсоединение к источнику питания и форми­руют выходные выводы датчика. Элемент Холла представляет собой квадрат с уг­лублением с четырьмя электродами, включенными по диагоналям (рис. З.ЗЗБ). На рис. 3.33В приведена его эквивалентная схема в виде резистивного моста. Посколь­ку мосты являются самыми популярными электрическими цепями с хорошо про­работанными методами расчета (раздел 5.7 главы 5), они чаще всего используется на практике.

studopedya.ru

3.7 Пьезоэлектрические пленки

Пьезоэлектрические пленки обладают следующими уникальными свойствами:

  • Широким частотным диапазоном: 0.001...109 Гц

  • Большим динамическим диапазоном: 10 8...106psi (фунтов на квадратный дюйм) или от мкТорр до Мбар

  • Низким акустическим импедансом: близким к воде, человеческим тканям и клеевым составам

  • Высокой упругой податливостью

  • Высоким выходным напряжением: в 10 раз выше, чем у пьезокерамики при одинаковых приложенных силах

  • Высокой электрической прочностью диэлектрика: выдерживают поля до 75 В/мкм, при которых большинство пьезокерамических материалов теряют поляризацию

  • Высокой механической прочностью и ударостойкостью: 109...1010 пределов прочности

  • Высокой стабильностью: устойчивостью к влажности (влагопоглощение менее 0.02%), большинству химических реактивов, окислителям, мощному ультрафиолетовому (УФ) и ядерному излучениям

  • Из них можно получать структуры произвольной формы

  • Их можно соединять обычными клеями.

3.8. Пироэлектрический эффект

Пироэлектрики — это материалы с кристаллической структурой, в которых при воздействии на них тепловым потоком появляются электрические заряды. Пироэлектрический эффект очень близок к пьезоэлектрическому эффекту. Поэтому многое из того, что было изложено в предыдущем разделе, справедливо и для пироэлектриков. Подобно пьезоэлектрикам пироэлектрики используются в виде тонких пленок, с противоположных сторон которых нанесены электроды для сбора индуцированных теплом зарядов (рис. 3.26). Пироэлектрический детектор можно представить в виде конденсатора, электрически заряжающегося от потока тепла. Такой датчик не нуждается ни в каких внешних сигналах возбуждения, ему только требуется соответствующая интерфейсная электронная схема для измерения заряда. В отличие от термопар (термоэлектрических устройств), на выходе которых появляется постоянное напряжение, когда два спая различных металлов находятся при стационарной, но разной температуре (см. раздел 3.9), в пироэлектриках формируется заряд в ответ на изменение температуры.

выходящий тепловой поток

Рис. 3.26 Пироэлектрический датчик имеет два электрода, расположенных на противоположных сторонах кристалла.

Любой пироэлектрик можно представить в виде композиции большого числа кристаллитов, каждый из которых ведет себя как маленький электрический диполь. Все эти диполи имеют произвольную ориентацию (рис. 3.23А). При температуре, превышающей точку Кюри, у кристаллитов нет дипольного момента. Изготовление пироэлектриков аналогично производству пьезоэлек-триков (см. раздел 3.6).

Существует несколько механизмов, объясняющих, почему изменение температуры приводит к возникновению пироэлектричества. Изменение температуры может привести к удлинению или укорачиванию отдельных диполей. На ориентацию диполей может повлиять их возбуждение от повышения температуры. Эти явления получили название первичного пироэлектричества. Существует также вторичное пироэлектричество, которое в упрощенном виде можно считать следствием пьезоэлектрического эффекта (например, возникновение напряжения в материале из-за теплового расширения). На рис. 3.26 показан пироэлектрический датчик, имеющий одинаковую температуру Т0 в любой точке объема. Будучи электрически поляризованными, диполи ориентированы так, что одна сторона материала становится положительно заряженной, а вторая — отрицательной. Однако в стационарных условиях свободные носители зарядов (электроны и дырки) нейтрализуют заряды, возникшие вследствие поляризации, и конденсатор, образованный электродами и пироэлектриком, разряжается (рис. 3.23В), что приводит к появлению нулевого заряда на выходе датчика. Тепло на сенсор может поступать в виде теплового излучения, которое поглощается нижним электродом и распространяется по пироэлектрику, используя механизм теплопроводности. Нижний электрод иногда покрывают теплопоглощающим слоем из черненого золота или органического красителя. В результате поглощения тепла нижняя часть сенсора нагревается (его новая температура становится равной T1), что приводит к его расширению, что, в свою очередь, вызывает изгиб датчика. Появившаяся деформация означает возникновение механического напряжения и, следовательно, изменение ориентации диполей. Поскольку материал сенсора также обладает и пьезоэлектрическими свойствами, его напряженное состояние приводит к появлению на электродах противоположных по знаку зарядов. Отсюда видно, что вторичный пироэлектрический эффект можно описать следующей последовательностью событий: тепловое излучение —> поглощение тепла —> механическое напряжение, индуцированное теплом —> электрический заряд.

Дипольный момент М объемного пироэлектрического датчика можно найти по выражению:

(3.72)

где μ — дипольный момент на единицу объема, А — площадь датчика, h - его толщина. Заряд Qa, собранный на электродах, приводит к появлению в материале следующего дипольного момента:

M0 = Qah(3.73)

M должен быть равен М0, поэтому

Qa = μA (3.74)

Поскольку температура меняется, дипольный момент тоже не остается постоянным, что и приводит к индуцированию заряда.

Количество поглощенного тепла можно выразить через изменение диполь-ного момента, при этом ц зависит как от температуры Г, так и от приращения тепловой энергии AW, поглощенной материалом:

(3.75)

На рис. 3.27 показан пироэлектрический детектор, подсоединенный к резистору Rb, отображающему либо внутреннее сопротивление утечки, либо входное сопротивление интерфейсной схемы, подключенной к выходу датчика. В правой части рисунка показана эквивалентная электрическая схема такого сенсора. Она состоит из следующих трех компонентов: (1) источника тока /, приводящего к появлению тепла (необходимо помнить, что ток — это движение электрических зарядов), (2) емкости детектора Си (3) сопротивления утечки Rb.

Пироэлектрический эффект характеризуется двумя коэффициентами [21]:

где Ps — спонтанная поляризация (другими словами, электрический заряд), Е - напряженность электрического поля, а Т— температура в Кельвинах. Отношение двух коэффициентов можно выразить через диэлектрическую проницаемость εr. и электрическую постоянную ε0:

studfiles.net

Пьезоэлектрическая кристаллическая пленка

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик ()850028

К ПАТЕНТУ (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 05,07.78 (21) 2632595/18-25 (23) Приоритет — (32)— (51)M. КЛ.З

Н 01 L 4) /08

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий (31) (33)—

Опубликовано 23.078)„Бюллетень ¹ 27 (53) УДК 537 228. . 1. (088. 8) Дата опубликования описания,23,0781 (72) Авторы изобретения

Иностранцы

Тосио Огава, Тасуку Масио и Хироси Нис (Япония) Иностранная Фирма

"Мурата МануФакчуринг КО, ЛТД" (Япония) (71) Заявитель (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ПЛЕНКА

Изобретение относится к пьезоэлектрическим кристаллическим пленкам и может быть использовано в приборах на пьезоэлектрической пленке, содержащей окись цинка с шестиугольной кристаллической (решеткой) структурой.

Известна пьезоэлектрическая кристаллическая пленка, состоящая из кристаллической окиси цинка с Сосью,1).

Недостатком известного устройства является узкий частотный диапазон существования пьезоэлектрического эффекта. 15

Известна..также пьезоэлектрическая кристаллическая пленка, состоящая из подложки и кристаллической окиси цинка с С-осью, перпендикулярной поверхности подложки 2) .

Недостаток известного устройства состоит в обеспечении пьезоэлектрического эффекта в узком диапазоне частот и использовании малых электромощностей.

Цель изобретения — обеспечение пьезоэлектрического эффекта в широком диапазоне от низких до высоких частот с использованием высоких электромощностей. 30

Поставленная цель достигается тем, что пьезоэлектрическая кристаллическая пленка дополнительно содержит 0,01-20,0 ат.% марганца, а ркись

Zn — остальное, также тем, что пьезоэлектрическая кристаллическая пленка дополнительно содержит 0,01-20,0 ат.т меди.

Пьезоэлектрическая кристаллическая пленка может быть выполнена в соответствии с .любым из обычных способов, таких как напыление радиочастотным способом,.способами сораспыления, а также способами внедрения ионов

На фиг. 1 изображена схема устройства, используемого для создания пьезоэлектрических кристаллических пленок способом радиочастотного исполнения; на фиг. 2 и 4 — снимки, выполненные на электронном микроскопе, обычных кристаллических пьезоэлектрических пленок на основе окиси цинка; на фиг. 3 и 5 — снимки, выполненные на электронном микроскопе, пьезоэлектрических кристаллических пленок, Устройство содержит кожух 1 в форме колокола, в котором установлены два электрода, т.е. расположен850028

Примесь, ат.Ъ

Мишень

Обра— зец

dS/dtx

>

Сопротивление, Ом см

Ориентация х 6

Сопротив-. ление, Ом см

Мп Си

3,5х10

Ъ

2,8х10

-to

7,6х10

1,3х10

t2

2,3х10

1,7х10

t >

8,5х10

3,3х10

5,8 5,5

2,7 2,5

1,3 1,7

2,2 3,3

3,2 3,4

1,1 2,1

0 5 1,7

0,7 2,5

8,6х10

3 1х10

6,3х10

? 0,01

3 2,0

4 10,0

5,9х10

8 9х10

I

3, 7х1(с

2,0

0,5

5 0,1

/ 1,0

4,3х10

-11

1,2х10

1,0

1,0

8 5,0

>п.>t:: .t f>,. лдельно плоский катод 2 и зло кии: под 3.

Па катоде 2 закреплена мишень 4, остоящан главным образом иэ кералики нп основе окиси цинка, включающзя магниц и медт, Подложку 6 из ст кл» или" Металла::нагревают до температуры оч 200 до 5000С во время распылсния. В колоколообразном кожух> предусмотрены отвод 7 и ввод 8

1i

Радиочастотное напыление выполнял>т слсдующим образом.

Пос.лс герметизации иэ колоколообразного кожуха 1 через отвод 7 удаляют газ до давления, не превышающего 1х,0 " тор, а затем подают аргон или кислород или смесь аргона и кислорода через анод 8, устанавливая,."авление на уровне от 1х10 до

1х10 - rop. На катод 2 подают напря. жение со скоростью изменения, соответствук>щей радиочастоте от электросилового источника 9, Мощность, создаваемая на мишени 4, соответствует

2-8 Бт/см .. 2.

Мишень, соcòoÿùóþ главным образом из .

Используя порошо

Мп0,) и Сс> как исходные материалы, т . приготовляю r с.меси, каждая и э к оторых имеет относительный пропорциональный состав, представленный в таблице. Каждую из смесей подвергают размалыванию влажным способом, просушивают, а затем подвергают предварительному спеканию при 600800С в течение 2 ч. Предварительно спеченный материал или агломерат разрушают, перемалывают влажным способом и с добавлением органического биндера или связующего вещества,а затем просушивают. Из полученного порошка путем прессования формируют диски диаметром 100 мм и толщиной

5 мм под давлением 1000 кг/см", а затем подвергают обжигу при 12000С в течение 2 ч до получения мишеней.

Образец 5 подвергают обжигу при температуре 1300-1400оС.

У получаемых таким образом мишеней определяют сопротивление и отношение кажущейся плотности dS к теоретической плотности dt(dS/dt)x100 в процентах. Полученные результаты представлены в таблице.

На основе использования соответствующих полученных мишеней на стек15 лянных подложках изготавливают на упомянутом устройстве радиочастотного напыления пьезоэлектрические кристаллические пленки. Радиочастотное напыление проводят в следующих

gp условиях: смесь газа, состоящую на

90 об.Ъ из аргона и 10 об.Ъ иэ кислорода, подают в колоколообразный кожух 1 по вводу 8., при этом давление внутри кожуха установлено на уровне

-Ъ ,от 1 до 2х10 тор. Стеклянную подложку нагревают до 350С и выдерживают при этой температуре. Мощность, создаваемая на мишени 4, составляет

6 Вт/см . За счет электросилового источника, работающего на частоте

30 13,56 МГц, Ориентация С-оси получаемых таким образом пьезоэлектрических кристалОлических пленок определена с помощью замыкающей кривой методом дифракции

35 рентгеновских лучей.

Среднее значение (x) и среднее квадратичное отклонение (6) данного угла С-оси от оси получают в отношении поверхности подложки того или

40 иного образца. Результаты представлены в таблице. Значения сопротивлений кристаллических пленок представлены также в таблице.,Пленка из окиси цинка

850028

Как видно из таблицы, предлагаемые кристаллические пленки имеют Сясь приблизительно перпендикулярную к поверхности подложки и большое значение сопротивления. Предлагаемые пьезоэлектрические пленки, 5 имеют большой коэффициент электротехнической связи.

Применяемый диапазон частот.при использовании пьезоэлектрических кристаллических пленок окиси цинка может быть вычислен путем определения f из упомянутого уравнения. с

Значения f, полученные для образцов 3, 4, а также для образцов 6-8 лежат в пределах от 10 до 100.

Таким образом частота, на которой могут работать предлагаемые пьезоэлектрические кристаллические пленки, составляет не менее 1 Гц. Это означает, что пьезоэлектрические кристаллические пленки могут быть ис- 30 пользованы в широком диапазоне от низких до высоких частот и могут найти применение в низкочастотных генераторах колебаний, например в миниатюрных камертонах и электронных 25 узлах с преломлением волны, например волновода.

Образцы 1, 3, 5. и 7 сфотографированы с помощью сканирующего электронного микроскопа с 1000-кратным увеличением. На фиг. 2 представлен снимок, выполненный с помощью электронного микроскопа, образца 1; на фиг. 3 — образец 3, на фиг. 4 — образец 5, а на фиг. 5 — образец 7.

Обычные пьезоэлектрические кристаллические пленки обладают шероховатой поверхностью (фиг. 2 и 4), в то время, как предлагаемые пьезоэлектрические кристаллические пленки обладают гладкой поверхностью 40 (фиг. 3 и 5).

В приведенных примерах, хотя магний и медь применены в виде окислов, однако возможно их использование и в других формах, например в виде со- 45 единений или сплавов магния и меди, если наперед заданные количества магния и меди войдут в получаемую пьезокристаллическую пленку, выполненную на основе окиси цинка, Кон- 50 центрация магния и меди в оксидноцинковых пленках, выполненных напылением,составляют 0,01 — 20,0 ат.% соответственно. Если и концентрация магния и концентрация меди равны менее 0,01 ат.Ъ, то получаемая поверхность такой кристаллической пленки является шероховатой, а сопротивление становится небольшим. Если кон, центрация магния или меди выше

20,0 ат.В, то направление кристал- ф0 лографической ориентации пленок окиси цинка становится плохо управляемой, что приводит к изменению р с nnnну ухудшения ориентации пленок окиси цинка.

Установлено, что при использовании мишени, содержащей магний при наличии или отсутствии меди, могут быть получены следующие преимущества.

При массовом производстве пьезоэлектрических кристаллических пленок в промышленном масщтабе способом напыления с помощью радиочастоты, необходимо величивать скорость роста кристаллических пленок, В таком случае электроэнергия, подаваемая на мишень на единицу ее площади, должна быть большей и в отношении самой мишени существует требование повышения кажущегося или насыпного веса этой мишени. Это требование полностью выполнено у мишени, содержащей магний и включающей или не включающей медь.

Как видно из таблицы, предлагаемые мишени имеют насыпную или кажущуюся плотность выше, чем у обычно используемых мишеней, так что мишени, содержащие магний и включающие или не включающие медь, позволяют осуществлять массовое производство пьезоэлектрических кристаллических пленок с использованием высоких электромощностей.

Кроме того, следует у и-. вать, что температура обжига при получении мишеней обычным способом составляет

1300-1400оС, включение же магния делает более низкои =емпературу обжига магния, что облегчает производство мищеней и снижает при этом затраты.

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрическая кристаллическая пленка, состоящая из кристаллической окиси цинка с С-осью, перпендикулярной поверхности пленки, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения пьезоэлектрического эффекта в широком диапазоне от низких до высоких частот с использованием высоких электромощностей, пьезоэлектрическая кристаллическая пленка содержит дополнительно марганец, при следующих соотношениях компонентов, ат.Ъ:

Магний О., 01-20, 00

Окись цинка Остальное

2. Пьезоэлектрическая кристаллическая пленка по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что оиа сод

Источники информации, принятые во внимание ири экспертизе

1. Заявка Японии 9 5И-23918, кл, 62 СО, 1975..

2. Заявка Японии 9 50-23917, кл. 62 СО,. 1975 (прототип).

850028

Фиг. 2 (i

Фиг. 4

Фиг 5 о„у

Составитель В. Вавер

Редактор С. Патрушева Техред A,Ñàâêà Корректор Л. Иван

Заказ 6164/83 . Тираж 784 Пол-..нсное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобр тоний и открытий

113035, Москва, iK-3.5, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4

Пьезоэлектрическая кристаллическая пленка Пьезоэлектрическая кристаллическая пленка Пьезоэлектрическая кристаллическая пленка Пьезоэлектрическая кристаллическая пленка 

www.findpatent.ru

Пьезоэлектрические материалы

Количество просмотров публикации Пьезоэлектрические материалы - 3016

Материалы, обладающие пьезоэффектом,условно можно разбить на группы:

– природные и синтетические материалы;

– монокристаллы, пьезокерамика и полимеры.

2.1 Пьезоэлектрические монокристаллы

Как уже упоминалось ранее, сущность прямого пьезоэффекта состоит в том, что при сжатии пластинки, вырезанной с получением определœенной кристаллографической ориентации из кристалла, вызывает образование электрических зарядов на его гранях: положительного заряда на одной грани и отрицательного – на другой. При растяжении кристаллической пластинки также происходит образование зарядов, но если заряд на этой грани при сжатии был положительным, то при растяжении заряд на этой грани – отрицательный, и наоборот.

Прямой пьезоэлектрический эффект возникает в том случае, когда упругая деформация кристалла с таким ассиметричным искажением распределœения положительных и отрицательных зарядов в структуре твердого тела, что возникает общий дипольный момент, ᴛ.ᴇ. твердое тело поляризуется.

Обратный пьезоэлектрический эффект возникает в том случае, когда внешнее электрическое поле вызывает такое искажение распределœения зарядов, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ вызывает геометрические искажения, проявляющиеся в виде дефомаций.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают только ионные кристаллы, у которых отсутствует центр симметрии в кристаллической решетке. Из известных 32 кристаллических классов не имеет центра симметрии 21 класс. При этом у одного из них сочетание других элементов симметрии делает пьезоэффект невозможным. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, пьезоэлектрические свойства могут наблюдаться у 20 кристаллических классов.

Рисунок 46 – Кристалл кварца  
Всего известно более 1500 веществ, у которых проявляются пьезоэлектрические свойства. Остановимся на свойствах кварца. Кристаллы кварца SiO2 (рисунок 46) существуют в различных кристаллографических модификациях. Интересующие нас кристаллы (a-кварц) принадлежат к так называемой тригональной кристаллографической системе и обычно имеют форму, показанную на рисунках 46 и 47, а. Οʜᴎ напоминают шестигранную призму, ограниченную двумя пирамидами, однако имеют еще ряд дополнительных граней. Такие кристаллы характеризуются четырьмя кристаллическими осями, определяющими важные направления внутри кристалла. Одна из этих осœей – Z соединяет вершины пирамид. Три другие X1, X2, X3 перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Направление, определяемое осью Z, пьезоэлектрически неактивно: при сжатии или растяжении по этому направлению никакой поляризации не происходит. Напротив, при сжатии или растяжении в любом направлении, перпендикулярном к оси Z, возникает электрическая поляризация. Ось Z принято называть оптической осью кристалла, а оси X1, X2, X3 – электрическими или пьезоэлектрическими осями и расположены под углом 120 градусов друг к другу.

Оси Y1, Y2, Y3называются нейтральнымиили механическими и направлены перпендикулярно к каждой площадке призмы через середины противолежащих граней, этих осœей в кристалле также три (рисунок 47, в). Оси X и Y перпендику­лярны оси Z.

Рисунок 47 – а) кристалл кварца; б), в) изготовление пластины х-среза; г) кварцевая пластинка, вырезанная перпендикулярно к пьезоэлектрической оси

Вырезанный из кварцевого кристалла прямоугольный параллелœепипед (пластина), грани которого перпендикулярны осям Y и X, обладает пьезоэлектрическими свойствами (рисунок 47, в). Различают продольный и поперечный пьезоэлектрические эффекты (рисунок 47, г).

Продольный пьезоэффект состоит по сути в том, что при сжатии или растяжении пластины вдоль оси Х на гранях пластины ABCD и EFGH, перпендикулярных к оси Х, получаем разноименные заряды. Т.е., при продольном пьезоэффекте заряды или механическая деформация возникают на противоположных гранях пьезопластинки в направлении приложенного механического усилия или электрического поля соответственно.

Поперечный пьезоэффект состоит по сути в том, что прикладывая механические напряжения вдоль оси Y возникает поляризация вдоль оси Х и на тех же гранях АВСD и ЕFGН появляются поляризационные заряды. Т.е., при поперечном пьезоэффекте заряды или деформация возникают в направлении, перпендикулярном направлению механических усилий или приложенного электрического поля соответственно.

Пьезоэффект наблюдается лучше всœего в случае, когда пластинки выре­заны в плоскости, при которой широкие стороны (длина и ширина) пластинок параллельны оси Z и одной из осœей Y, а толщина пластинокпараллельна оси Х. Такую пластинку называют Х-срезом. В случае если пластинку, вырезанную та­ким способом, деформировать в на­правлении оси Х, то на ее поверхнос­ти возникнут электрические заряды. В случае если пластину поместить в перемен­ное электрическое поле, направлен­ное вдоль оси Х, то пластина будет совершать толщинные колебания (рисунок 48, а). Пластинки X-среза обладают продольным пьезоэффектом, при котором образуются волны сжатия-растяжения (продольные волны).

В некоторых случаях из­готавливают пластины Y-среза, то есть такие, у которых толщина совпадает с направлением оси Y, а длина и ширина параллельны осям X и Z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колеба­ния (рисунок 48, а). Пластинки Y-среза обладают поперечным пьезоэффектом, при котором образуются сдвиговые (поперечные) волны (рисунок 48, б).

а) б)

Рисунок 48 – Колебания пьезоэлектрической пластины в переменном электрическом поле: а) Х-среза и Y-среза; б) ПЭП поперечных волн, ориентированных нормально к поверхности на базе пьезопластины Y-среза.

2.2 Природа пьезоэлектричества на монокристаллах

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В ионных кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется электрический момент и в отсутствие электрического поля. При этом эта поляризация обычно не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются относительно друг друга и в связи с этим, изменяется электрический момент кристалла, ᴛ.ᴇ. проявляется поляризация, вызванная изменением расстояния между центрами тяжести разноименных зарядов.

Рисунок 49 поясняет возникновение пьезоэффекта в кварце – двуокиси кремния Si02. Здесь схематически показаны проекции положительных ионов Si – знаком , и отрицательных ионов О – знаком в плоскости, перпендикулярной оси Z. Ион кремния имеет заряд (+4), ион кислорода – заряд (-2). Этот рисунок не соответствует фактической конфигурации ионов в элементарной ячейке кварца, в которой ионы не лежат в одной плоскости, а их число больше показанного. При этом, он правильно передает симметрию взаимного расположения ионов, что уже достаточно для качественного объяснения.

Рисунок 49, а соответствует недеформированному кристаллу, элементарная ячейка кварца является электрически нейтральной. Заряд иона кремния 1 компенсируется зарядами ионов кислорода 2 и 6, расположенных от плоскости А дальше, чем ион 1, и т.д.

При действии внешней силы в направлении электрической оси Х1(сжатии пластины)элементарная ячейка деформируется и приобретает вид, изображенный на рисунке 49, б. При этом положительный ион кремния 1 и отрицательный ион кислорода 2 ʼʼвдавливаютсяʼʼ внутрь ячейки, отчего выступающие заряды (положительный на плоскости А и отрицательный на плоскости В) уменьшаются, что эквивалентно появлению избыточного отрицательного заряда на плоскости А и соответственно избыточного положительного заряда на плоскости В.

При изменении направления деформации вдоль оси Х1 (растяжении) полярность заряда поверхностей А и В меняется на противоположную (рисунок 49, в). Ионы 1 и 2 ʼʼвыталкиваютсяʼʼ из элементарной ячейки, в связи с этим на грани А возникает дополнительный положительный заряд, а на грани В – отрицательный заряд.

Рисунок 49 – Принципиальная схема возникновения пьезоэффекта в двуокиси кремния: а) нейтральное состоянии ячейки; б) пластина сжата в продольном направлении (или в поперечном направлении растянута;

в) пластина растянута в продольном направлении (или в поперечном направлении сжата)

Анализ симметрии в теории твердого тела показывает, что пьезоэлектрический эффект может существовать только в кристаллах, в которых элементарная ячейка не имеет центра симметрии.

Ацентричные монокристаллы, обладающие пьезоэффектом, подразделяются на природные и синтетические.

К природным пьезоэлектрическим материалам относятся кварц и его производные: бесцветный кварц – горный хрусталь, фиолетовый – аметист, дымчатый – раухтопаз, черный – морион, золотистый – цитрин и др. Размещено на реф.рфРазличные окраски обычно обусловлены наличием примесных атомов. Встречаются также сложноокрашенные кристаллы кварца за счёт микровключений посторонних минœералов: зелœеный празем – включения микрокристалликов актинолита или хлорита; золотистый мерцающий авантюрин – включения слюды или гематита͵ и др.

Природные кристаллы кварца содержат в себе примеси, образующие структурные дефекты, снижающие их ценность. К числу дефектов относятся включение инородных минœералов, трещины, пузыри, фантомы, голубые иглы и т.д. Природный пьезокварц являлся весьма редким и дорогим минœеральным сырьем. Его месторождения имеются в небольшом числе России. В связи с этим потребности бурно развивающейся электроники в настоящее время удовлетворяются синтетическими монокристаллами кварца, которые выращиваются в автоклавах при повышенных температуре и давлении из насыщенных диоксидом кремния щелочных растворов.

Выращенные кристаллы разрезают на блоки и заготовки на специальных станках алмазным пилами при интенсивном жидкостном охлаждении. Вырезанные заготовки должны иметь точную ориентацию граней (от 1 до 5 угловых минут) по отношению к кристаллографическим осям кристалла. Вырезанные заготовки кристаллических пластин подвергаются механической обработке для придания им окончательной формы и размеров, а также нужной чистоты обработки поверхностей. Форма и размеры пластины определяют (при соблюдении точности ориентации) частоту и другие электрические характеристики, а чистота обработки – уровень потерь при колебаниях и стабильность частоты во времени. Чистота обработки в самом худшем случае определяется классом 9, достигая для высокостабильных и высокочастотных резонаторов самого высшего класса (13... 14) и выполняется шлифовкой пластин абразивными порошками карбида бора, наждака и корунда, в несколько переходов.

Затем производят очистку заготовок промывкой различными растворителями и водой. Последней операцией обработки заготовок является травление. Кварц травят в плавиковой кислоте или ее соединœениях. Травлением удаляют остатки продуктов обработки, а также нарушенный процессами шлифовки поверхностный слой. Пластины подвергают прокаливанию при температуре 450 °С и медленному охлаждению с целью уменьшения механических напряжений. Для очистки широко используют ультразвуковые моечные установки. Качество очистки пластин существенно определяют характеристики стабильности частоты резонаторов.

Протравленные, тщательно очищенные от возможных загрязнений пластины поступают на участок металлических покрытий. Электродные покрытия наносят на кристаллические пластины различными методами. На низкочастотные пьезоэлементы наносят никелœевые покрытия химическим способом. Для повышения адгезии покрытия никелированные пластины подвергают отжигу в вакууме при температуре 400 °С. Никелœевые покрытия позволяют применять непосредственную припайку к ним проволочных держателœей. На высокочастотные пьезоэлементы перед нанесением электродных покрытий наносят контактные площадки, к которым присоединяются держатели. Обычно контактные площадки осуществляют вжиганием специальной пасты, представляющей смесь дисперсного серебра с порошком легкоплавкой эмали и органической связкой. Вжигание этой пасты производят в туннельных или муфельных печах при температуре 470... 500 °С, что обеспечивает прочное соединœение вжженного серебра с кварцем. Далее на пластины наносят электродные покрытия испарением металла в вакууме. Нанесение электродных покрытий вызывает изменение частоты пьезоэлемента͵ в связи с этим эта операция контролируется (по времени или непрерывным измерением частоты). После этого пластины прокаливают, чтобы стабилизировать структуру электродных покрытий.

В качестве материалов для электродных покрытий высокочастотных пьезоэлементов используют преимущественно серебро, а на частотах выше 30 МГц – алюминий.

Затем производится окончательная настройка частоты и монтаж пьезоэлемента в корпус. Окончательную настройку низкочастотных резонаторов чаще осуществляют подшлифовкой граней или ребер пьезоэлемента абразивным бруском. Широко используется также способ, известный как способ настроечных масс. На поверхность пьезоэлемента напаивают небольшие частицы припоя, массу которых затем можно либо уменьшать, либо увеличивать, изменяя тем самым частоту пьезоэлемента. Иногда используют способ настройки, основанный на увеличении или уменьшении массы нанесенных электродных покрытий. Указанные способы позволяют как повышать, так и понижать частоту пьезоэлемента.

Высокочастотные пьезоэлементы настраивают изменением массы тонких электродных покрытий. На многих предприятиях для этого используют гальванический способ, при котором на электродные покрытия наращивают (или удаляют) тонкий слой металла (серебра, золота͵ никеля).

Более совершенным является способ вакуумной настройки, при котором на специальных вакуумных установках наносят тонкую пленку проводящего, пло-хопроводящего (резистивного) или непроводящего (диэлектрического) материала. При этом пьезоэлемент включают в схему генератора, что позволяет контролировать изменение частоты в течение всœего процесса настройки, прекращая его в тот момент, когда частота окажется в пределах нужного допуска. Нанесение резистивных или диэлектрических пленок при настройке более предпочтительно, так как не сопровождается изменением и ухудшением спектральных характеристик, как это имеет место при нанесении проводящих пленок.

Широко используется также способ настройки частоты в газовом разряде, основанный на воздействии на поверхность электрода ионизированных частиц газа (ионная бомбардировка), вследствие чего частота резонаторов повышается. Этим способом возможна настройка частоты после герметизации резонаторов. Он используется также для настройки частоты вакуумных резонаторов. Для окончательной настройки частоты (чаще резонаторов в стеклянных баллонах) используют воздействие лазерного луча на электродные или специальные настроечные покрытия. Лазерная настройка широко применяется в производстве микрорезонаторов.

Турмалин. Название от сингальского ʼʼтурмалиʼʼ, что означает ʼʼкамень, притягивающий пепелʼʼ. В Европу с острова Цейлон (Шри-Ланка) был привезен голландскими купцами около 1703 ᴦ. По химическому составу турмалин представляет собой сложный алюмоборосиликат с примесями магния, желœеза или щелочных металлов (Na, Li, K). Цвет от чёрного до зелёного, также красный до розового, реже бесцветный. Турмалин является пироэлектриком, у которого при нагревании или охлаждении появляются электрические заряды на поверхности кристалла. При нагревании один конец пироэлектрика заряжается положительно, а при охлаждении он же – отрицательно. Появление зарядов связано с изменением существующей поляризации при изменении температуры кристаллов. При трении электризуется, обладает сильным пьезоэлектрическим эффектом. Турмалин широко распространён в природе, однако в большинстве случаев кристаллы изобилуют трещинами. Бездефектные кристаллы, годные для пьезоэлектрических резонаторов, встречаются редко. Основным преимуществом турмалина является большая механическая прочность, в связи с этим из него возможно изготовление резонаторов на более высокие частоты. Сегодня турмалин почти не используется для изготовления пьезоэлектрических резонаторов и имеет ограниченное применение для измерения гидростатического давления.

Сегнетова соль. Кристаллы сегнетовой соли получают из отходов виноделия. Сегнетоэлектричество впервые было открыто на кристаллах сегнетовой соли в 1920 ᴦ., в связи с этим класс, в который входит сегнетова соль и еще более 100 веществ, принято называть сегнетоэлектриками. Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной из осœей кристалла). Причиной таких свойств является спонтанная поляризация сегнетиков. Из-за особо сильного взаимодействия частиц сегнетик можно разделить не на отдельные молекулы, а на целые области, электрические домены. Домен – область кристалла с однородной атомно-кристаллической, магнитной или электрической структурами, закономерным образом повернутыми и (или) сдвинутыми друг относительно друга. Внутри домена возникает большой электрический момент даже в отсутствии внешнего поля. При этом ориентированы они весьма хаотически, и суммарная поляризованность близка к нулю (рисунок 50). Во внешнем поле

поляризованность доменов становится сонаправленной с ним, а если убрать поле, то сохраняется остаточная поляризация.

Сегнетова соль гигроскопична. Для предохранения от воздействия влаги пьезоэлементы из сегнетовой соли покрывают тонкими пленками лака. Пьезоэлементы из сегнетовой соли широко использовались в аппаратуре, работающей в сравнительно узком температурном интервале, в частности, в звукоснимателях. При этом в настоящее время они почти полностью вытеснены керамическими пьезоэлементами.

Естественные пьезоэлектрические кристаллы в своем большинстве очень хрупки и не выдерживают больших механических нагрузок или имеют низкую температуру плавления, при которой они теряют пьезоэлектрические свойства и больше не восстанавливают их. По этой причине в науке и технике получили применение синтетические пьезоэлектрические материалы.

Ниобат лития. Ниобат лития (рисунок 51) – синтетический монокристалл – соединœение ниобия, лития и кислорода. Ниобат лития не растворяется в воде, не разлагается при высоких температурах, отличается высокой механической прочностью. По электрическим свойствам он представляет собой сегнетоэлектрик с температурой Кюри около 1200 градусов Цельсия.

Рис. 51 Кристаллическая решетка ниобата лития
Благодаря своим высоким пьезоэлектрическим и механическим свойствам, в т.ч. и низкой добротности, ниобат лития является перспективным материалом для изготовления преобразователœей различного назначения. Тонкие пленки ниобата лития, получаемые катодным распылением в вакууме, представляют из себяориентированные поликристаллические текстуры, которые бывают использованы в качестве излучателœей и приемников ультразвуковых колебаний СВЧ-диапазона.

Также в настоящее время всœе важные пьезоэлектрические монокристаллы, такие как дигидрофосфат аммония, ортофосфат галлия и сложные оксиды лантанаи галлия, выращиваются искусственно.

2.3 Пьезоэлектрическая керамика

Хотя новые монокристаллические пьезоматериалы продолжают разрабатывать и сейчас, наиболее широко применяемым классом пьезоэлектрических материалов являются поликристаллические пьезокерамические материалы. Οʜᴎ обладают гораздо более богатым набором полезных характеристик, а также способны функционировать в более широком диапазоне рабочих условий.

По физическим свойствам пьезокерамика – поликристаллические сегнетоэлектрики (сегнетоэлектрики – монокристаллические и поликристаллические вещества, которые способны поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля при температуре ниже фазового перехода – точки Кюри), представляющий собой химическое соединœение или твердый раствор (порошок) зерен (кристаллитов). По химическому составу это сложный оксид, состоящий из ионов свинца или бария, а также ионов титана или циркония. Кристал-лическая структура пьезокерамики показана на рисунке 52, каждая частица которой состоит из "малого" иона четырехвалентного металла (обычно титана или циркония) в кристаллической решетке, "большого" иона двухвалентного металла (обычно свинца или бария), а также ионов кислорода О2 (рисунок 52, а). При определœенных условиях кристаллы приобретают тетрагональную или ромбогедральную симметрию, благодаря чему кристалл получает дипольный момент (рис. 52, б). Путем изменения основного соотношения исходных материалов и введения добавок

синтезируют разные составы пьезокерамики, обладающие определœенными электрофизическими и пьезоэлектрическими характеристиками.

Наибольшее распространение получила группа пьезокерамических материалов типа ЦТС (цирконата-титаната свинца). Вместе с тем используется керамика на базе титаната бария (ТБ) и титаната свинца (ТС). В последние годы разрабатываются новые пьезокерамические материалы со свойствами, позволяющими в некоторых случаях использовать их вместо более дорогостоящих пьезоэлектрических кристаллов. В частности, разработана и производится группа материалов на базе ниобата свинца, которая уже нашла практическое применение благодаря возможности ее использования в диапазоне частот до 30 и более МГц. Значительные исследования проводятся по созданию пьезокерамических композитных материалов, а также многослойной керамики. Зарубежные производители исходя из пьезоэлектрических свойств делят ее на сегнетожесткую и сегнетомягкую. В отечественной практике существует дополнительное делœение на керамику средней сегнетожесткости, а также выделяются высокостабильные, высокотемпературные и т. п. материалы.

Керамическая технология изготовления пьезоэлементов не накладывает принципиальных ограничений на их форму и размеры. Эти обстоятельства, а также высокие значения пьезоэлектрических характеристик обусловили широкое применение керамических пьезоэлементов в технике, в особенности в устройствах для излучения и приема ультразвуковых колебаний. Пьезокерамические элементы изготавливаются путем смешивания нескольких составляющих, последующего прессования или литья, затем обжигаются на воздухе при температуре 1000–1400 градусов по Цельсию. С целью уменьшения пористости обжиг может проводиться в среде кислорода. По специальной технологии на поверхность заготовок наносятся электроды, состоящие обычно из серебра, которые предназначены для формирования в телœе пьезопластины электрического поля (при подаче на них электрического напряжения). Эти же электроды используются для снятия электрического заряда с пьезопластины при регистрации ультразвуковых волн. После изготовления элемента он еще не является пьезоэлектриком, так как диполи в нем оказываются параллельны только внутри каждого домена, в то время как сами области поляризованы хаотически. Упругая деформация набора хаотически поляризованных диполей не может привести к ассиметричному искажению распределœения зарядов и в связи с этим не может вызвать пьезоэлектрический эффект. По этой причине последняя стадия производства пьезоэлектрической керамики всœегда состоит в наложении сильного электрического поля при повышенной температуре. Электрическое поле выбирается из расчета 1000 В на 1 мм толщины пластины при температуре ниже точки Кюри в течение не менее 4 часов. Поляризация обычно является окончательным процессом при изготовлении пьезокерамических элементов, хотя за ним следует термостабилизация и контроль параметров. Под влиянием постоянного электрического поля всœе домены ориентируются в направлении приложенного поля. После снятия внешнего поля большая часть доменов удерживается в своем новом положении из-за внутреннего поля, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ возникает в результате параллельной ориентации направлений поляризации доменов. Благодаря этому керамика становится полярной текстурой, которая обладает пьезоэффектом (рисунок 53).

Пьезоэлектрическая керамика представляет собой твердый, химически инœертный материал, совершенно нечувствительный к влажности и другим атмосферным воздействиям. По механическим качествам она подобна керамическим изоляторам.

Учитывая зависимость отпредназначения пьезоэлементы могут иметь самую разнообразную конфигурацию (рисунок 54) – от плоской до объёмной (сферы, полусферы и т.п.), следовательно, такие преобразователи могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении. Стоит сказать, что для направленного излучения и приема ультразвука применяют плоские пьезоэлементы.

Рисунок 54 – Пьезокерамические элементы

Особенность пьезопластин, изготовленных из пьезокерамики состоит в том, что при работе их при повышенной температуре снижается их эффективность преобразования. Допустимая температура нагрева пьезопластины на 20–50 °С ниже температуры аллотропического превращения для кварца, точек Кюри для пьезокерамики, температуры размягчения для ПВДФ.

Титанат бария. Титанат бария является сегнетоэлектриком. Пьезокерамика титаната бария (ТБ-1) широко применяется для изготовления преобразователœей, к которым не предъявляют жесткие требования по температурной и временной стабильности характеристик. Отсутствие в рецептуре титаната бария летучих при обжиге компонентов и простота технологии изготовления пьезоэлементов делают данный материал по-прежнему распространенным в технике. У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз больше, чем у кварца при очень небольшой стоимости. Недостатком титаната бария являются большие механические и диэлектрические потери, что приводит его к перегреву. Вместе с тем, при температуре свыше 90 °С (точки Кюри) существенно снижается пьезоэлектрический эффект, его часто приходиться поляризовать повторно.

Титанат цирконат свинца. Твердые растворы титаната свинца обладают очень высокими значениями пьезоэлектрических характеристик. Οʜᴎ не растворимы в воде и имеют точку Кюри до 330 °С. На базе твердых растворов титаната свинца разработаны серии технологических пьезокерамических материалов, условное наименование ЦТС (за рубежом PZT) – ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС-3, ЦТСНВ-1, РZT-5H, PZT-8 и др.

Технология изготовления изделий из материалов типа ЦТС усложнена тем, что они содержат в своем составе оксид свинца, который частично улетучивается при высокотемпературном обжиге, что приводит к плохой воспроизводимости свойств. По этой причине обжиг заготовок пьезоэлементов проводят в атмосфере паров оксида свинца, для чего заготовки помещают в плотно закрытые капсели, содержащие засыпку из оксидных соединœений свинца. Тем не менее, высокие характеристики этого типа материалов делают их весьма распространенными для изготовления пьезоэлектрических преобразователœей различного назначения: для электроакустических приборов, ультразвуковой техники, пьезометрии, а также и некоторых видов радиотехнических фильтров. В случае если температура ЦТС поднимается выше 290 ºС (точка Кюри), он располяризуется.

Метаниобат свинца. Твердые растворы метаниобатов свинца и бария имеют высокую температуру точки Кюри. Материалы на их базе имеют стабильные в широком температурном интервале значения пьезмодулей и резонансных частот. Технология изготовления изделий из них проще, чем из материалов ЦТС, так как входящие в состав ниобатной керамики оксид свинца практически не летуч при обжиге.

2.4 Пьезоэлектрики – полимеры

Некоторые полимерные материалы в виде механически ориентированных и поляризованных в электрическом поле пленок являются полярными текстурами, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект. Сегодня единственно выпускаемыми промышленностью пьезоэлектрическими полимерами являются поливинилденфторид (ПВДФ) и его сополимеры с трифторэтиленом и тетрафторэтиленом.

ПВДФ – частично кристаллический синтетический полимер с химической формулой (СН2-СF2)n. Он производится в виде тонких пленок, растянутых вдоль плоскости пленки и поляризованных перпендикулярно этой плоскости для создания пьезосвойств.

Рисунок 55 – Обработка ПВДФ
Обработка ПВДФ для придания ему пьезосвойств (рисунок 55). В отлитой из расплава пленке полимера кристаллиты размером от десятков до сотен нанометров хаотически распределœены между аморфными областями (вверху на рисунке). Растяжение полимерной пленки (в центре на рисунке) приводит к выпрямлению полимерных цепей в аморфных областях в плоскости пленки и способствует однородному вращению кристаллитов при наложении электрического поля. Поляризация по толщинœе пленки (к примеру, с использованием осажденных металлических электродов) придает пленке пьезоэлектрические свойства (внизу на рисунке).

ПВДФ – эластичная полимерная пленка, которой можно придавать практически любую форму. У нее небольшое удельное сопротивление, что облегчает согласование с иммерсионной жидкостью. Радиальные колебания близки к нулю, механическая добротность очень низкая. Существуют пленки на очень высокие частоты (до 100 МГц).

Некоторые технические характеристики пьезоматериалов приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Технические характеристики пьезоматериалов.

Пьезоматериал Кварц ЦТС-19 Метаниобат свинца ПВДФ Ниобат лития
Свойства
Скорость, с×103, м/с 5,76 3…3,6 3,3 1,5…2,5 7,32
Плотность, ρ×103, кг/м3 2,65 7,4 6,2 1,3…1,8 4,64
Допустимая температура t, °С

referatwork.ru

5. Пьезоэлектрики. Характеристика пьезоэлектриков

В твердых телах механическое напряжение Т в соответствии с законом Гука вызывает упругую деформацию S:

T = YS, (5.1)

где Y – модуль упругости.

В пьезоэлектриках оно вызывает, кроме того, ропорциональную электрическую поляризацию:

P=dT, (5.2)

где d – коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем, Кл/Н.

Таким образом, кристаллические вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствии внешнего электрического поля, называется пьезоэлектриками, а сам эффект — пьезоэффектом или пьезоэлектричеством.

Существует и обратный пьезоэффект, вызывающий появление механической деформации под действием прикладываемого электрического поля:

S=dE. (5.3)

Обратный пьезоэффект необходимо отличать от электрострикции — деформации, возникающей вследствие смещения зарядов в диэлектрике любой природы. В этом случае, в отличии от пьезоэффекта. Наблюдается квадратичная зависимость деформации от поля и знак деформации не зависит от электрической полярности (большинство диэлектриков растягиваются в направлении приложенного поля).

Для электрострикции не существует аналога прямого пьезоэффекта — при действии механических напряжений поляризация не происходит.

Впервые пьезоэффект был обнаружен в 1880г. Ж. и П. Кюри на кристалле кварца. Если на грани пластинки кварца наложить металлические обкладки и продеформировать пластинку, то при разомкнутых обкладках между ними возникнет разность потенциалов. В случае замкнутых обкладок на них при деформации появляются заряды, равные по величине (но противоположные по знаку) поляризационным зарядам, возникающим на поверхности пластинки, и в цепи. Соединяющей обкладки, течет ток. При подключении к обкладкам внешней ЭДС кристалл деформируется.

Необходимое условие пьезоэффекта — отсутствие центра инверсии ионного кристалла. В этом случае при деформационных смещениях составляющих кристалл заряженных частиц возникает электрический момент (поляризация). При наличии центра инверсии смещения положительных и отрицательных зарядов компенсируют друг друга и макроскопическая поляризация не наблюдается. Единственным исключением являются кубические кристаллы с точечной группой симметрии 432, в которых компенсация смещений положительных и отрицательных частиц так же наблюдается. Несмотря на отсутствие центра симметрии. Кроме того, пьезоэлектриками могут быть лишь вещества с высоким удельным сопротивлением (т.е. диэлектрики), поскольку в проводящих средах пьезоэлектрическая поляризация быстро компенсируется свободными носителями заряда. Таким образом, из общего числа 32 кристаллографических классов, или точечных групп, к которым принадлежат все кристаллы, 20 классов (из 21), не имеющих центра симметрии, допускают существование пьезоэлектрического эффекта. Однако лишь малая часть кристаллов этих групп обладает достаточно большим пьезоэффектом: кварц, сегнетова соль, титанат бария — стронция и др.

Количественной характеристикой пьезоэффекта является совокупность пьезоконстант (пьезомодулей) — коэффициентов пропорциональности в отношениях между электрическими (Е и Р) и механическими (Т, U) параметрами. Связь между ними носит линейный характер[1].

Механизм пьезоэффекта можно пояснить на примере кристалла кварца

б-SiO2. Особенностью пьезоэффекта в кварце является то,что он в соответствии с его симметрией не обладает пьезоэлектрическими свойствами в направлении осиZ(оси с).Поэтому используют пьезоэлектрические срезы кварца (X и Y — срезы), перпендикулярные кристаллографическим осям X и Y.

Пластины X – среза используется для возбуждения продольного, а пластины Y – среза — поперечного пьезоэффектов. При сжатии вдоль оси X1 (рис. 2.1) ионы Si+ и О- перемещаются в глубь ячейки кристалла (содержащей три молекулы SiО2), в результате чего на плоскостях А и В появляются заряды. При растяжении в этих плоскостях возникают заряды противоположного знака.

Рис. 5.1 Схема гексагональной структуры кварца в виде проекции ионов Si+

(О ) и О- (0) на плоскость, перпендикулярную оси 3-го порядка

а — недеформированное состояние; б, в — соответственно сжатие и растяжение вдоль оси X1.

Одно из самых ценных свойств кварца — способность мало изменять и хорошо воспроизводить свои характеристики в широком интервале температур. Стабильность характеристик кварца обеспечивает его широкое применение, и в первую очередь в кварцевых генераторах (для стабилизации их частоты ), в высокочастотных электромеханических преобразователях, пьезоэлектрических фильтрах и др.

Известно более 1 тыс. веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе все сегнетоэлектрики, у которых величина пьезоэффекта более чем на порядок выше, чем в кварце [1].

Пьезоэлектрики используются для изготовления различных электромеханических преобразователей.Под действием механической нагрузки наблюдается не только электрическая поляризация, но и изменение оптических свойств материалов — пьезооптический эффект (появление двойного лучепреломления в изотропных материалах и его изменение — в анизотропных). На данном эффекте основан поляризационно — оптический метод исследования механических напряжений[2].

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКОВ:

Пьезоэлектрики широко используются в современной технике как датчики давления, пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца[1].

Чаще всего современный человек встречается с ними в зажигалках, где искра образуется от удара в пьезопластинку, а также при медицинской диагностике с помощью УЗИ, в которой используются пьезоэлектрические источник и датчик ультразвука. Передовой областью использования пьезоэлектриков является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Из них изготавливаются сканирующие элементы зондовых микроскопов, осуществляющие перемещение зонда в плоскости образца с точностью до 0.01 Å. Наибольшее распространение в ней имеют трубчатые пьезоэлементы. Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при сравнительно небольших управляющих напряжениях. Они представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезоэлектрических материалов. Соединение трех таких трубок в единый узел позволяет организовать перемещение зонда в трех ортогональных направлениях, такой сканирующий элемент называется триподом

Сравнительно новой областью применения пьезоэлектриков являются пьезоэлектрические двигатели. В таких двигателях отсутствуют какие-либо обмотки и магнитные поля, поэтому они находят применение в радиотехнических устройствах, лентопротяжных и других приводах магнитофонов, в робототехнике. В пьезодвигателях основным элементом являются поляризованные керамические пластинки, колебания которых преобразуются во вращательное движение ротора. В настоящее время уровень разработки пьезокерамических, сверхтвердых и износостойких материалов ограничивает применение пьезодвигателей мощностью до 10 Вт, однако их характеристики указывают на перспективность применения в современных электронных устройствах, системах автоматизации и в бытовой технике[1].

В конце 60-х — начале 70-х годов были открыты высокоэффективные полимерные пьезоэлектрики на основе, в частности, поливинилиденфторида (ПВДФ), конкурентноспособные с пьезокерамикой. Пьезопленка из ПВДФ и композитов на ее основе находит применение в бесконтактных переключателях в клавиатуре калькуляторов, ЭВМ, телефонных номеронабирателях, электрических печатающих машинках. Широко применяются также композиционные полимерные пьезоэлектрики, получаемые смешением полимеров с пьезоактивным наполнителем, обычно пьезокерамикой.

Стабильность пьезосвойств ПВДФ и керамики ЦТС сравнима. Основные параметры композитов с ЦТС снижаются на 1% в год в течение 10 лет, у ПВДФ — на 4% за 10 лет[1].

Пьезоэлектрические свойства проявляются у поляризованных керамических сегнетоэлектриков. После поляризации в постоянном электрическом поле сегнетоэлектрик ведет себя как монокристалл. Первый пьезопреобразователь на основе титаната бария появился в 1947 г. До сих пор пьезокерамика остается незаменимой для ряда преобразователей звукового и ультразвукового диапазонов. Разработка технологии сегнетокерамики и изучение ее свойств относится к специальным разделам материаловедения.

Первое сообщение об использовании пленочных преобразователей ультразвукового диапазона появилось в 1965 г. Благодаря применению пьезоэлектрических пленок при изготовлении линии задержки на объемных волнах, рабочую частоту удалось повысить до 18 ГГц. Другим этапом пленочных устройств стали высокоэффективные акустооптические приборы на объемных акустических волнах (ОАВ), а с 1970 г. стали выпускаться преобразователи на поверхностных акустических волнах (ПАВ) на пьезоэлектрических подложках. Промышленное применение находят пленки ZnS, CdS, ZnSe, CdSe. На основе AlN создают приборы гигагерцевого диапазона с высокой скоростью[2].

Представляют интерес для изучения и пьезоэлектрические свойства пленок с низкой скоростью звука типа Bi12GeO28, Bi12SiO20. Заметной пьезоактивностью обладают пленки LiNbO3, Li1-xNaxNbO3, BeO, LaN, GaAs, LiO3 и др. Для массового выпуска телевизионных фильтров применяются монокристаллы ниобата лития, керамика PZT и тонкие пленки оксида цинка.

Промышленность многих стран, включая нашу, в настоящее время выпускает промышленные полимерные пьезоматериалы в основном на основе поливинилиденфторида, в виде металлизированных пленок толщиной от 5 мкм до 1..2 мм. На основе поливинилиденфторида разработаны высокоэффективные пьезоэлектрики конкурентноспособные с пьезокерамикой. Поливинилиденфторид и сополимеры винилиденфторида с другими мономерами обладают сегнетоэлектрическими свойствами – способностью к переполяризации, гистерезисными зависимостями поляризации от напряженности поля и температурой Кюри [1].

Из высокоэффективных пьезоэлектрических стеклообразных полимеров можно назвать сополимер винилиденцианида с винилиденацетатом.

Ø военная техника; транспорт, спортивные товары и товары для отдыха.

studfiles.net

пьезоэлектрические плёнки — с русского на английский

См. также в других словарях:

  • СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ — кристаллич. диэлектрики, обладающие в определённом интервале темп р спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, к рая существенно изменяется под влиянием внеш. воздействий. Сегнетоэлектрич. св ва были впервые обнаружены у кристаллов сегнетовой… …   Физическая энциклопедия

  • Ультразвук —         упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5 2 ․104 гц (15 20 кгц) и до 109 гц (1 Ггц), область частот У. от 109 до 1012 13 гц принято называть Гиперзвуком. Область частот У. можно подразделить на три подобласти: У. низких… …   Большая советская энциклопедия

  • Микрофон — (от Микро... и греч. phōnē звук)         электроакустический прибор для преобразования звуковых колебаний в электрические. Применяется в телефонии, радиовещании, телевидении, системах звукоусиления и звукозаписи. По принципу действия М.… …   Большая советская энциклопедия

  • Сегнетоэлектрики —         кристаллические Диэлектрики, обладающие в определённом интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий. Электрические свойства С. во многом подобны магнитным …   Большая советская энциклопедия

  • АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА — занимается разработкой УЗ устройств для преобразования и аналоговой матем. обработки радиосигналов. Возможность и целесообразность такого использования упругих волн обусловлены их малой скоростью по сравнению со скоростью света и разл. видами вз… …   Физическая энциклопедия

  • ГИПЕРЗВУК — высокочастотная часть спектра упругих волн от 109 до 1012 1013 Гц. По физ. природе Г. ничем не отличается от ультразвука, частоты к рого простираются от 2•104 до 109 Гц. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в… …   Физическая энциклопедия

  • Атомные часы — Атомные часы …   Википедия

  • ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ — электроакустич. преобразователи, действие к рых основано на свойствах обеднённого носителями заряда тонкого слоя пьезополупроводника. Обычно П. п. являются вибраторами, работающими на резонансной частоте (в диапазоне частот от 10 МГц до 75 ГГц).… …   Физическая энциклопедия

  • Ногинск — Город Ногинск Флаг Герб …   Википедия

  • АЦПУ — Компьютерный принтер (англ. printer печатник) устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу. Относится к терминальным устройствам компьютера. Процесс печати называется вывод на печать, а получившийся документ… …   Википедия

  • Картридж чернильный — Компьютерный принтер (англ. printer печатник) устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу. Относится к терминальным устройствам компьютера. Процесс печати называется вывод на печать, а получившийся документ… …   Википедия

translate.academic.ru

Пьезоэлектрические кабели

АрхеологияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБотаникаБухгалтерский учётВойное делоГенетикаГеографияГеологияДизайнИскусствоИсторияКиноКулинарияКультураЛитератураМатематикаМедицинаМеталлургияМифологияМузыкаПсихологияРелигияСпортСтроительствоТехникаТранспортТуризмУсадьбаФизикаФотографияХимияЭкологияЭлектричествоЭлектроникаЭнергетика

Вибрационные датчики, реализованные в виде кабелей, строятся на основе пьезоэ­лектрического эффекта: при сжатии внешней поверхности такого кабеля на его внут­реннем проводнике появляется электрический сигнал. Пьезоэлектрические кабели Vibracoax™ (Philips Electronic Instruments, Norcross, GA) используются для мониторин­га вибраций лопастей компрессора в самолетных двигателях турбинного типа. Такие кабели также применяются для обнаружения насекомых в хранилищах силоса и при анализе потока транспорта на автострадах. В последнем случае пьезоэлектрические кабели монтируются в дорожное покрытие перпендикулярно движению транспорта. При соответствующей установке и эксплуатации срок службы таких датчиков состав­ляет, по крайней мере, пять лет [12]. Эти датчики реагируют преимущественно на силы,

направленные вдоль вертикальной оси. Пьезоэлектрический кабель состоит из твер­дого медного кожуха, покрытого слоем изоляции, внешний диаметр которого состав­ляет 3 мм; плотно спрессованного пьезоэлектрического керамического порошка и внут­реннего медного стержня (рис. 8.15А). Обычно кабель заварен с одной стороны, а с другой стороны подсоединен к 50-ти омному кабелю расширения.

пьезопо-лимер
пьезоэлект­рический порошок
внешний кожух

медный провод

оплетка

пластмас-совое/А1 покрытие

резиновая оболочка

Рис. 8.15 .Датчики в виде пьезоэлектрических кабелей. А — устройство кабеля Vibracoax, Б — полимерная пленка, используемая как компонент, вы­рабатывающий напряжение [13]

Другой метод реализации пьезоэлектрических кабелей заключается в исполь­зовании полимерной пленки из поливинилиден фторида (PVDF) в качестве од­ного из компонентов изоляции медного кабеля (рис. 8.15Б). Пленка из PVDF при соответствующем изготовлении обладает пьезоэлектрическими свойствами, что делает возможным построение на ее основе чувствительных элементов. Когда к кабелю прикладывается механическая сила, пьезоэлектрическая пленка сжима­ется и на ее поверхностях образуются электрические заряды противоположных знаков. Внутренний медный провод и оплетка используются в качестве электро­дов, собирающих заряды.

Для придания кабелю пьезоэлектрических свойств его чувствительный ком­понент (керамический порошок или полимерная пленка) должны пройти проце­дуру поляризации. Для этого кабель нагревается до температуры, близкой к тем­пературе Кюри, и для придания требуемой ориентации керамическим диполям в

большие грузовики
дорожное покрытие
маленький пикап
эпок­сидная смола

канал из алюминия

эпоксидная смола+песок

пьезокабель

(А)

(Б)

Рис. 8.16. Применение пьезоэ­лектрических кабелей при мо­ниторинге дороги: А — установ­ка датчика в дорожное покры­тие, Б - форма выходных элек­трических сигналов

порошке или диполям полимера в пленке подвергается воздействию высокого напряжения, после чего охлаждается (высокое напряжение при этом не отключа­ется). Когда такой кабель вмонтирован в дорожное покрытие (рис. 8.16), необхо­димо произвести его калибровку, поскольку форма выходного электрического сиг­нала и его амплитуда зависят не только от свойств кабеля, но и от типа покрытия и грунта. Выходной сигнал пропорционален механическому напряжению, при­ложенному к кабелю Длинный кабель с тонким пьезоэлектрическим изоляцион­ным слоем обладает сравнительно низким выходным импедансом (600 пФ/м), что нехарактерно для пьезоэлектрических устройств. Такой пьезоэлектрический ка­бель имеет довольно широкий динамический диапазон (>200 дБ), способен по­чувствовать вибрации малой амплитуды от дождя и града, при этом его выходной сигнал сохранит свою линейность даже при движении по дороге тяжелых грузо­виков. Кабели данного типа выдерживают давление до 100 МПа и работают в тем­пературном диапазоне —40...+125°С. В таблице 8.2 приведены типовые парамет­ры пьезокабелей

 

Таблица 8.2.Типовые параметры пьезоэлектрических кабелей  
Параметр Едиь шца измерения Значение
Емкость на частоте 1 кГц   пФ/м
Предел прочности на разрыв   МПа
Модуль Юнга   ГПа 2,3
Плотность   кг/м3
Акустический импеданс   Мрейл (106/см2)
Относительная диэлектрическая проницаемость 1 кГц
tan 5e   1 кГц 0,017
Гидростатический пьезокоэффициент   пКл/Н
Продольный пьезокоэффициент   В*м/Н 250х103
Поперечный пьезкоэффициент   В*м/Н 150x103
Электромеханический коэффициент связи   %
Выходная мощность   мДж/напряжение (%)
Выходное напряжение   кВ/напряжение (%)
Источник [140]

Литература

1 Articolo, G A Shock impulse response of a force balance servo-accelerometerIn Sensors Expo West Proceedings Helmers Publishing, 1989

2 Sensor signal conditioning an 1С designer's perspective Sensors Magazine, 23-30,1991

3 Alien, H , Terry, S , and De Bruin, D Accelerometer system with self-testable features SensorsActuators 20, 153-161, 1989

4 Suminto, J T A simple, high performance piezoresistive accelerometer In Trans-ducers'91, 1991International Conference on Sohd-State Sensors and Actuator's Digest of Technical Papers, IEEE,New York, 1991, pp

5 Hantsuka, R , van Duyn, D S , Otaredian, T, and de Vnes, P A novel accelerom-eter based on a siliconthermopile In Transducers '91 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators Digest ofTechnical Papers IEEE, New York, 1991, pp 420-423

6 Fox, С H J and Hardie, D S W Vibratory gyroscopic sensors Symposium Gyro Technology (DGON), 1984

7 Boxenhom, В В , Dew В , and Greiff, P The micromechanical inertial guidance system and itsapplications In 14th Biennial Guidance Test Symposium, 6588th Test Group, Holloman AFB,New Mexico, Oct 3-5, 1989

8 Vamham, M P, Hodgins, D , Norm, TS , and Thomas, H D Vibrating planar gyro U S patent5,226,321, 1993

9 Udd, E Fiber optic sensors based on the Sagnac interferometer and passive ring resonator In FiberOptic Sensors E Udd, ed John Wiley & Sons, New York, 1991,pp 233-269

10 Ezekiel, S and Arditty, H, J , eds Fiber-Optic Rotation Sensors Springer Series in Optical SciencesVol 32, Springer-Verlag, New York, 1982

11 Fredericks, R J , and Ulnch, R Phase error bounds of fiber gyro with imperfect polarizer/depolarizerElectron Lett 29, 330, 1984

12 Bailleui, G Vibracoax piezoelectric sensors for road traffic analysis Sensor Expo Proceedings,Helmers Publishing, 1991

13 Radice, P F Piezoelectric sensors and smart highways In Sensors Expo Proceedings HelmersPublishing, 1991

14 Piezo Film Sensors Technical Manual Measurement Specialties, Inc , Fail-field, NJ , April 1999,available at www msiusa com

studopedya.ru


Sititreid | Все права защищены © 2018 | Карта сайта