4.11.2 Пьезоэлектрики
Пьезоэлектриками называют твердые, анизотропные кристаллические вещества, обладающие пьезоэффектом.
Пьезоэффект был открыт братьями Кюри в 1880 г.
Явление образования электрического заряда на поверхности соответствующих граней диэлектрика (поляризации) при его деформации под действием механических напряжений называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.
Возникающая при этом поляризованность Р прямо пропорциональна приложенному механическому напряжению σ:
Р = dσ, (4.20)
где d – коэффициент пропорциональности, называемый пьезоэлектрическим модулем или пьезомодулем.
Пьезомодуль определяет поляризацию кристалла или плотность заряда на его обкладках при заданном приложенном механическом напряжении.
Изменение знака σ, т.е. замена растяжения сжатием, приводит к изменению знака поляризации Р, т.е. переполяризации.
Материалы с прямым пьезоэлектрическим эффектом используют для преобразования механических напряжений или смещений в электрические сигналы (звукосниматели, приемники ультразвука, датчики деформаций).
Изменение формы диэлектрика при изменении напряженности электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. При этом размеры диэлектрика меняются по линейному закону. Если такой пьезоэлектрик поместить в электрическое поле, то амплитуда механических колебаний будет меняться с частотой переменного поля. При совпадении частоты электрического поля и собственной частоты пьезоэлектрика амплитуда принимает максимальное значение.
Обратный пьезоэффект используют для преобразования электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука).
Пьезокерамика. Сегнетокерамика является изотропным материалом и не обладает пьезоэффектом. Пьезоэлектрический эффект в сегнетоэлектриках создается в процессе выдержки ее в сильном постоянном электрическом поле при температуре 100÷150°С в течение длительного времени (примерно 1 ч.). Для этого на поверхность сегнетокерамики наносят серебряные электроды, к которым прикладывают напряжение из расчета нескольких киловольт на каждый сантиметр толщины образца. Под влиянием этого поля домены ориентируются в направлении приложенного поля и закрепляются в этом направлении свободными зарядами противоположных знаков. После снятия поля и охлаждения в образце сохраняется устойчивая остаточная поляризация. При этом образец приобретает анизотропное текстурированное [текстура (от лат. textura) – особенности строения твердого вещества, обусловленные характером расположения его составных частей (кристаллов, зерен и т.д.)] строение. Это приводит к появлению пьезоэффекта.
Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для использования ее пьезоэффекта, называют пьезокерамикой. Пьезокерамика представляет собой поликристаллическое вещество и поэтому результирующий пьезоэффект выражен в ней слабее, чем в монокристалле. Однако применение пьезокерамики обусловлено возможностью изготовления изделий любой формы и размеров, низкой стоимостью по сравнению с монокристаллами.
В зависимости от назначения пьезокерамические материалы подразделяют на четыре класса.
Материалы I класса применяют для изготовления высокочувствительных пьезоэлементов, работающих в режиме приема или излучения слабых механических колебаний. Так как механические и электрические напряжения при этом невелики, то в этих изделиях используются сегнетомягкие материалы.
Материалы II класса предназначены для пьезоэлементов, которые работают в условиях сильных электрических и механических напряжений. В этом случае, чтобы исключить располяризацию пьезоэлемента внешним электрическим полем, применяют сегнетотвердые материалы. Из них изготавливают мощные источники ультразвука, системы зажигания.
Материалы III класса применяют в пьезоэлементах, которые должны обладать повышенной стабильностью частотных характеристик во времени и изменении температуры.
Материалы IV класса используют в особых случаях, например когда требуется эксплуатация пьезоэлементов в условиях воздействия повышенной температуры. В этом случае используют сегнетоэлектрики с высокой точкой Кюри (Тк = 300°С), так как случайный перегрев пьезоэлемента выше Тк ведет к потере им пьезоэлектрических свойств.
В качестве пьезокерамических материалов используют титанат бария и его производные, ниобат бария – свинца, цирконат – титанат свинца и его производные.
Пьезоэлектрические монокристаллы. Как уже отмечалось, пьезокерамика имеет поликристаллическую структуру, что делает невозможным ее применение на частотах свыше 10 МГц.
На высоких частотах (ВЧ) и сверхвысоких частотах (СВЧ) применяют только монокристаллические природные или синтетические пьезоэлектрики. К ним относятся кварц, ниобат лития LiNbO3, танталат лития LiTaO3, сфалерит ZnS, сульфид кадмия CdS, оксид цинка ZnO, титанат бария BaTiO3 и др.
Кварц (горный хрусталь) – двуокись кремния SiO2, широко распространенный в природе минерал, который обладает:
высокими электрическими свойствами (тангенс угла диэлектрических потерь tg δ < 0,0001);
стабильностью частоты собственных колебаний;
сравнительно небольшим значением пьезомодуля, малозависящим от температуры и влажности окружающей среды;
высокой твердостью и механической прочностью, что усложняет изготовление пластин заданной формы и размеров (их нарезают алмазными пилами и обрабатывают на специальных шлифовальных станках);
сильной анизотропией;
высокой стоимостью.
Наряду с природными кристаллами все шире используют синтетические, которые имеют преимущество: добротность пьезоэлементов из природного кварца резко падает при нагревании до температуры до 250°С, а пьезоэлементы из синтетического кварца сохраняют высокую механическую добротность при температуре до 500°С.
Рисунок 4.4 – Ориентация кристаллографических осей в кристалле кварца.
Двуокись кремния представляет собой бесцветные прозрачные кристаллы в виде усеченных шестигранных призм (рисунок 4.4). Кварц имеет главную оптическую Z, три электрические Y и три механические X оси. Ось Z проходит вдоль кристалла через вершины пирамид. Три оси X проходят через вершины шестиугольника в плоскости, перпендикулярной оси Z. Три оси Y проходят перпендикулярно сторонам того же шестиугольника. Пластины, применяемые для изготовления устройств, представляют собой вырезанные из кристалла срезы, ориентированные относительно осей X, Y, Z. Срезы кварца, перпендикулярные оси Z, не обладают пьезоэффектом. Поляризацию вдоль оси Y можно получить только за счет сдвига механических напряжений. Продольный пьезоэффект имеется только вдоль оси X. Однако наибольшее применение находят пластины косых срезов кристалла, грани которых наклонены по отношению к его осям.
Кварц применяют для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний.
Ниобат лития LiNbO3 (точка Кюри 1200°С) и танталат лития LiTaO3 (точка Кюри 610°С) – синтетические кристаллы, которые часто используются вместо кварца. Они обладают более высокими, чем кварц, пьезоэлектрическими характеристиками, и их применение наиболее перспективно в диапазоне высоких и сверхвысоких частот.
Эти материалы применяют в основном в линиях задержки и фильтрах объемных и поверхностных волн. Использование этих кристаллов вместо кварца позволяет снизить влияние паразитных колебаний, расширить полосу пропускания при меньших размерах, снизить сопротивление в полосе прозрачности.
Сфалерит ZnS, сульфид кадмия CdS, оксид цинка ZnO являются пьезополупроводниками, которые используют в основном для пленочных преобразователей электромагнитных колебаний в акустические на высоких и сверхвысоких частотах (до 40 ГГц). Пленки подобных соединений напыляются в вакууме непосредственно на поверхность изделия, в котором нужно возбуждать акустические волны.