1.3. Основные применения активных диэлектриков

Применения активных диэлектриков в современной технике чрезвычайно многообразны. Мы перечислим лишь некоторые основные [9,10].

Электреты. Первым (1928 г.) и до настоящего времени наиболее важным применением электретов являются микрофоны. В них электретная мембрана расположена с некоторым зазором над металлическим основанием. Звуковая волна заставляет колебаться мембрану и в основании наводится переменный электрический сигнал, частота и амплитуда которого соответствуют звуковым колебаниям.

Электреты применяются и в других электромеханических преобразователях: звукоснимателях с высоким динамическим диапазоном, гидрофонах, датчиках вибраций и давлений, сенсорных переключателях.

Электретные полимерные пленки могут применяться в современной технике записи сигналов и изображений. Запись сигналов производится посредством электрических разрядов или сканирующих электронных пучков, считывание - электронным пучком. Электростатическая запись используется в вычислительной технике.

Получившая широкое распространение техника копирования -ксерография - основана на применении фотоэлектретов (селен), в которых формирование электрических зарядов зависит не только от электрического поля, но и от освещенности.

Пироэлектрики применяются в качестве детекторов и приемников тепловых и электромагнитных излучений, теплометрических приборов, преобразователей изображений. Незначительные мощности и КПД пироэлектрических преобразователей ограничивают их применение главным образом измерительными и преобразовательными устройствами.

Пироэлектрические приемники имеют высокую чувствительность, низкий коэффициент шумов и очень широкий спектральный диапазон детектируемых излучений - от сантиметровых волн до рентгеновских и даже у-лучей (1010 - 1020 Гц). Ввиду электрической компенсации постоянной части поляризации пироприемники реагируют только на переменную часть радиационного потока.

Одно из перспективных решений проблемы темновидения (видение в инфракрасных лучах) - разработка пироэлектрических видиконов -передающих телевизионных трубок, преобразующих тепловое (или радиационное) изображение в электрический видеосигнал.

Пьезоэлектрические кристаллы. Основное применение классических пьезоэлектриков - монокристаллов кварца - пьезоэлектрические резонаторы (103 -108 Гц). Их используют для стабилизации частоты радиотехнических генераторов, электронных часов и других устройств. Добротность кварцевых резонаторов достигает 106-107, намного превышая добротность ЬС-резонансных контуров. Кристаллы ниобата и танталата лития в области мегагерцевых частот превосходят кварц по добротности.

Сегнето- и пьезокерамика. По определению (см. раздел 1.1) все сегнетоэлектрики одновременно являются пиро-, пьезо- и диэлектриками. При этом именно сегнетоэлектрики обычно имеют наиболее высокие значения пьезо-, пиро- и диэлектрических параметров, что делает их чрезвычайно полезными для применения в соответствующих областях.

В настоящее время по объему промышленного использования бесспорными лидерами являются поликристаллические материалы на основе сегнетоэлектриков перовскитового семейства АIIВIVO3: титаната бария (ТБ) и цирконата-титаната свинца (ЦТС). Дробь в обозначении ЦТС 47/53 указывает молярное соотношение титаната и цирконата свинца в твердом растворе РгУПо^Го^зОз.

Открытие сегнетоэлектрических свойств у ТБ (1944-45 гг.) - новый этап в изучении и применении сегнетоэлектриков. Сегнетоэлектрические материалы на основе ТБ наиболее широко применяются в конденсаторостроении. В этом случае представляют интерес высокие значения диэлектрической проницаемости сегнетокерамики, возможность получения материалов с различными    величинами    е/еа    и    температурными коэффициентами

диэлектрической проницаемости ТК8, а также такие специфические явления как конденсаторы с межзеренными барьерными слоями. Важное применение находят составы на основе ТБ, обладающие положительным коэффициентом сопротивления, - позисторы. Два последних свойства ТБ подробно рассматриваются в главе 7.

Материалы ЦТС находят наиболее массовое применение в качестве пьезокерамики. К моменту открытия сегнетоэлектрических свойств у ТБ самопонятие пьезоэлектрическая керамика могло вызвать недоумение - настолько однозначной казалась связь между пьезоэлектричеством и симметрией кристалла. Если взять фрагменты классического пьезоэлектрика - кварца и приготовить из них поликристаллический образец, он в целом не проявит пьезоэлектрических свойств. При приложении механического напряжения дипольные моменты, возникающие на каждом фрагменте - кристаллите, компенсируют друг друга вследствие хаотического расположения кристаллитов. В сегнетокерамике можно создать преимущественное направление - полярную текстуру - векторов спонтанной поляризации доменов во всех кристаллитах, приложив к образцу на некоторое время электрическое поле достаточной величины (такая операция называется поляризацией). Поляризованная сегнетокерамика обладает ненулевым суммарным дипольным моментом и обладает пьезоэффектом, т.е. является пьезоэлектрической керамикой.

К настоящему времени пьезокерамика заменила пьезоэлектрические кристаллы для большинства применений. Это объясняется значительно большей технологичностью и дешевизной ее изготовления, а также высокими пьезоэлектрическими свойствами пьезокерамики.

Пьезокерамика широко применяется в качестве пьезопреобразователей энергии [9-13]. Преобразователи механической энергии в электрическую работают на прямом пьезоэффекте и используются в акселерометрах, детонаторах, устройствах зажигания, микрофонах, головках проигрывателей. Преобразователи электрической энергии в механическую, работающие на обратном пьезоэффекте, используются в высокочастотных громкоговорителях, ультразвуковых гидроакустических локаторах (сонарах), устройствах ультразвуковой очистки, наушниках, слуховых аппаратах, сердечных насосах.

Пьезокерамические элементы применяются в качестве двигателей для механических приводов магнитофонов, электрофонов, устройств магнитной записи. Преимущества пьезодвигателей - экономичность и простота конструкции, стабильность хода, отсутствие магнитных полей, возможность быстрого включения и остановки.

Значительная группа применений основана на двойном электромехано-электрическом преобразовании энергии. На этом принципе работают ультразвуковые линии задержки, пьезоэлектрические трансформаторы и фильтры. Пьезоэлемент трансформатора представляет собой пластину с двумя парами электродов, образующими возбудитель и генератор. Возбудительсоздает во всем объеме элемента акустическую волну (в режиме резонанса), которая в генераторной секции создает трансформированное выходное напряжение. Коэффициент трансформации в пьезотрансформаторах может превышать 1000, КПД - выше 90%, рабочая частота обычно в пределах 104-106 Гц.

Пьезокерамические фильтры применяются для селекции сигналов в различных радиотехнических устройствах. Пьезофильтры на объемных волнах имеют конструкцию, подобную конструкции пьезотрансформаторов. Такие фильтры работают в диапазоне радиочастот и обеспечивают затухание сигнала в области пропускания ниже 3 дБ, а в области заграждения - выше 30 дБ.

Пьезоэлектрические фильтры на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) перекрывают телевизионный диапазон до 1000 МГц. В устройствах на ПАВ в формировании и преобразовании электрических и акустических сигналов участвует только поверхностный слой пьезоэлемента. ПАВ возбуждаются системой гребенчатых или штыревых металлических электродов, наносимых методами фотолитографии, что обеспечивает их хорошую сочетаемость с микросхемами. Кроме фильтров, устройства на ПАВ используют для линий задержки сигналов, фазовращателей, частотных дискриминантов, модуляторов и других преобразователей сигналов. По существу техника ПАВ позволила сформировать новое научно-техническое направление - акустоэлектронику.

В настоящее время разрабатываются и начинают использоваться сегнетоэлектрические кристаллы в вычислительных машинах, системах связи, оптоэлектронике. Сюда относятся запоминающие и печатающие устройства, дисплеи, логические системы, модуляторы и дефлекторы лазерного излучения, преобразователи частоты и детекторы. Например, четырьмя основными элементами голографического оперативного запоминающего устройства емкостью порядка 1010 бит являются: дефлектор лазерного луча для выработки нужной голограммы, регистрирующая среда для записи голограмм, составитель страниц, преобразующий электрические сигналы в оптическое изображение, и детектор, преобразующий выходные оптические сигналы в электрические. Все эти четыре части могут быть выполнены на основе полярных материалов.