63. Особливості застосування сегнетоелектриків в електронній біомедичній техніці.

У технічному застосуванні сегнетоелектриків намітилося кілька напрямків, найважливішими з яких слід вважати:

1) виготовлення малогабаритних низькочастотних конденсаторів з великою питомою ємністю;

2) використання матеріалів з великою нелінійністю поляризації для діелектричних підсилювачів, модуляторів і інших керованих пристроїв;

3) використання сегнетоелементов в лічильно-обчислювальної техніки як елементів пам'яті;

4) використання кристалів сегнето-і антісегнетоелектріков для модуляції і перетворення лазерного випромінювання;

5) виготовлення п'єзоелектричних і піроелектричних перетворювачів.

Конденсаторна сегнетокераміки, як і будь-діелектрик, для виробництва звичайних конденсаторів, повинна мати найбільшу величину діелектричної проникності з малої залежністю від температури, незначні втрати, найменшу залежність e і tgd від напруженості електричного поля (малу нелінійність), високі значення питомої об'ємного і поверхневого опорів і електричної міцності.

Одним з найважливіших методів отримання оптимальних властивостей в заданому температурному інтервалі є використання твердих розчинів. Зміною концентрації компонентів у твердому розчині можна регулювати значення діелектричної проникності, зміщувати температуру Кюрі, змінювати нелінійність поляризації і т. д. У твердих розчинах, в порівнянні з простими речовинами, можна отримати більш згладжені температурні залежності e, що має важливе значення для виробництва конденсаторів. Однак у більшості випадків використання однофазних матеріалів, навіть є твердими розчинами, не може забезпечити достатньо слабку температурну залежність e. Для ослаблення температурних залежностей параметрів конденсаторів до складу сегнетокераміки вводять різні добавки, які «розмивають» сегнетоелектричних фазовий перехід. У більшості випадків конденсаторні сегнетокераміческіе матеріали містять кілька кристалічних фаз. При «розмитому» фазовому переході порівняно слабко виражені і нелінійні властивості діелектриків. У промисловості використовують кілька сегнетокераміческіх матеріалів, кожен з яких застосовують для певних типів конденсаторів, тому що жоден матеріал не відповідає сукупності всіх перерахованих вимог.

Серед існуючої конденсаторної сегнетокераміки можна виділити:

1) матеріали зі слабко вираженою температурною залежністю діелектричної проникності, наприклад, Т - 900;

2) матеріали із згладженою залежністю діелектричної проникності від температури, наприклад, СМ-1;

3) матеріали з максимальним значенням діелектричної проникності в певному інтервалі температур, наприклад Т-8000.

У матеріалі Т-900 кристалічна фаза являє собою твердий розчин титанатів стронцію (SrTiO3) та вісмуту (Bi4Ti3O12). Максимум e відповідає точці Кюрі ТК = -140 ° С. Робочий діапазон температур розташований значно правіше ТК, тому температурна залежність e злегка падаюча.

Матеріал СМ-1 виготовляють на основі титанату барію з добавкою окислів цирконію і вісмуту. Його застосовують для виробництва малогабаритних конденсаторів на низькі напруги.

Матеріал Т-8000 має кристалічну фазу, що представляє собою твердий розчин ВаТiOз - ВаZr0з. Точка Кюрі цього матеріалу знаходиться в області кімнатної температури, тому поблизу неї діелектрична проникність має максимальне значення. Даний матеріал використовують для виготовлення конденсаторів, що працюють при кімнатній температурі (у неширокому інтервалі температур), в тому числі і високовольтних.

Поширені й інші сегнетокераміческіе матеріали для конденсаторів, що відрізняються більшою діелектричною проникністю і більше згладженої залежністю її від температури.

Матеріали для варікондов мають різко виражені нелінійні властивості; застосовуються для виготовлення нелінійних конденсаторів - варікондов.

Одна з основних характеристик варікондов - коефіцієнт нелінійності К, який визначається як відношення максимального значення діелектричної проникності при деякій, максимальної для даного матеріалу, напруженості електричного поля до початкового значення діелектричної проникності. Чисельне значення коефіцієнта нелінійності для різних марок варікондов може змінюватися від 4 до 50 (у змінному полі). Основний кристалічною фазою в таких матеріалах є тверді розчини системи Ba (Ti, Sn) 03 або Pb (Ti, Zr, Sn) 03.

Варіконди призначені для управління параметрами електричних ланцюгів за рахунок зміни їх ємності при впливі як постійної або змінної напруги, так і декількох напруг, прикладених одночасно і розрізняються за значенням і частотою. У найпростішому випадку їм доводиться працювати при одночасному впливі змінного (синусоїдального) і постійного електричних полів, причому Е_>> E ~. Як зазначалося, зміна поляризації сегнетоелектриків в цих умовах визначається реверсивної діелектричною проникністю eР. Вона характеризує ступінь ориентируемого електричних моментів доменів змінним полем при наявності переважної спрямованості їх дією постійного поля. Чим сильніше прикладена до сегнетоелектрики постійне поле, тобто чим більше спрямованість електричних моментів доменів, тим менше вплив на сумарну електричну індукцію в сегнетоелектрики надає змінне поле. Отже, при заданій амплітуді змінного поля еm реверсивна діелектрична проникність eР із зростанням Е_ зменшується.

Нелінійні діелектричні елементи, зазвичай в тонкоплівкових виконанні, є основою різноманітних радіотехнічних пристроїв - параметричних підсилювачів, низькочастотних підсилювачів потужності, фазовращателей, умножителей частоти, модуляторів, стабілізаторів напруги, керованих фільтрів тощо

Як приклад використання варікондов наведемо принципову схему діелектричного підсилювача, заснованого на зміні ємності нелінійного конденсатора зварити під впливом поля вхідного сигналу Uвх, що обумовлює зміна струму в навантаженні Iн.

Сегнетоелектрики з ППГ. У адресних регістрах обчислювальних машин багаторазово використовуються перемикачі, за допомогою яких проводиться вибір необхідного елементу пам'яті. При розробці обчислювальних машин вживаються заходи для зменшення часу спрацьовування цих перемикачів число необхідних селекторів.

У 1952р Андерсон висловив припущення, що сегнетоелектрики з хорошою прямокутною петлею гістерезису можна використовувати в якості елементів запам'ятовуючих пристроїв обчислювальних машинах з можливою матричної селекцією. Для цих цілей необхідний матеріал з можливо більш прямокутною петлею гистерезиса (ППГ), що характерно для монокристалів (наприклад, триглицинсульфата). Під час відсутності зовнішнього поля сегнетоелектрик з ППГ має два стійких стани, що відповідають різним напрямкам залишкової електричної індукції. Одне з цих станів у пам'ятною осередку означає зберігання одиниці, а інше - зберігання нуля. Подаючи зовнішня напруга різної полярності, сегнетоелектрик можна переводити з одного стану в інший. На цьому засновані запис, зчитування і стирання інформації. Зчитування інформації можна здійснити без її руйнування, наприклад, оптичним методом або вимірюванням опору тонкої напівпровідникової плівки, нанесеної на поверхні сегнетоелектриків.

Час перемикання осередку пропорційно товщині кристала і при товщинах в декілька десятих доль міліметра становить кілька мікросекунд. У сегнетокераміки процес переполяризації в окремих зернах відбувається незалежно, і час проростання доменів визначається розмірами зерен, які можна зменшити до декількох мікрометрів. У цьому випадку досягається більш високу швидкодію, ніж в монокристалах, хоча погіршується прямокутність петлі гістерезису.

П'єзоелектричні і піроелектричні перетворювачі. Найбільш широке застосування в якості п'єзоелектричного матеріалу знаходить сегнетоелектричних кераміка. Полярну сегнетокераміки, призначену для використання у п'єзоелектричних перетворювачах, називають п'єзокерамікою.

Основним матеріалом для виготовлення п'єзокерамічних елементів є тверді розчини PbZrO3 - PbTiO3 (ЦТС). Ця кераміка широко використовується для створення потужних ультразвукових випромінювачів у широкому діапазоні частот для цілей гідроакустики, дефектоскопії, механічної обробки матеріалів. Такі ультразвукові генератори застосовуються також у хімічній промисловості для прискорення різних процесів і в напівпровідниковій технології для ефективної промивки і знежирення напівпровідникових пластин за допомогою ультразвукової ванни. З п'єзокераміки роблять малогабаритні мікрофони, телефони, гучномовці, слухові апарати, детонатори, різні пристрої підпалу в газових системах. П'єзокерамічні елементи можна використовувати в якості датчиків тиску, деформацій, прискорень, вібрацій. Подвійне перетворення енергії покладено в основу роботи пьезорезонансних фільтрів, ліній затримки і п'єзотрансформатора.

Піроелектричний ефект проявляється в поляризованої сегнетокераміки, хоча піроелектричних зразків помітно гірше, ніж у монокристалів. Для виготовлення фотоприймачів можна використовувати всі види п'єзокераміки, однак найбільш відповідним матеріалом для цих цілей є кераміка ЦТСЛ. Введення добавки окису лантану дозволяє наблизити температуру Кюрі до кімнатної і отримати більш високі значення піроелектричних коефіцієнтів.