Радиоматериалы и радиокомпоненты

а)

б) в) г) Рисунок 6.8 − К пояснению возникновения пьезоэффекта.

6.2.2 Практическое применение пьезоэлектриков

Пьезоэлектрики используются в генераторах высоких напряжений, пьезорезонаторах, пьезотрансформаторах, пьезорезистивных усилительных элементах, излучателях и приемниках ультразвуковых колебаний и других устройствах.

В основе работы электромеханических генераторов высоких напряжений

лежит прямой пьезоэффект, возникающий при импульсном воздействии механической нагрузки на материал. Примером такого генератора являются бытовые электрозажигалки, в которых искра возникает при разности потенциалов на электродах порядка десяти и более киловольт.

Рассмотрим использование пьезоэлектриков в качестве резонаторов высокой добротности. Такой резонатор, в самом простейшем случае представляет собой пластинку пьезоэлектрического кристалла, на противоположные грани которой нанесены два электрода (рисунок 5.9). Допустим, пластинка, вырезана из кристалла так, что при воздействии напряжения в ней возникает поперечный обратный пьезоэффект деформация, которая, в свою очередь, порождает прямой пьезоэффект. Таким образом, в кристалле после воздействия импульса внешнего поля может происходить многократное превращение механической энергии в электрическую и наоборот. Этот колебательный процесс связан механическими параметрами, в частности, с частотой собственных колебаний пластинки. Оценим наинизшую собственную частоту для кристалла, выполненного в форме бруска, то есть для кристалла, у которого один из размеров L намного больше других. Для возникновения резонанса, необходимо, чтобы вдоль длины L было уложено целое число звуковых полуволн. Отсюда следует соотношение для максимальной резонансной длины 1 и минимальной резонансной частоты f1 (первая гармоника):

161

(возбудитель колебаний) поляризуется по толщине, другая часть (генератор) - по длине бруска (рисунок 6.10). Переменное электрическое поле, подводимое к обкладкам возбудителя, вызывает резонансные механические колебания по длине бруска. Колебания, возникающие в генераторной части, приводят к появлению выходного электрического напряжения. Коэффициент трансформации, оцениваемый как отношение длины бруска к его толщине L/h, достигает значений 50 и более. Пьезотрансформаторы могут быть сконструированы для работы в диапазоне частот 10-500 кГц. На более высоких частотах их размеры становятся слишком миниатюрными, а на более низких, наоборот, большими.

Пьезоэлектрики используются также в составе мощных излучателей ультразвуковых колебаний (в основном пьезокерамические материалы) для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов, механического катализа. Эти же материалы могут быть использованы в составе малогабаритных телефонов и микрофонов; датчиков давлений, деформаций, ускорений и вибраций. В радиоаппаратуре, помимо пьезорезонаторов, используются пьезокерамические линии задержки, усилительные пьезорезистивные устройства и др.

6.2.3 Пьезоэлектрические материалы

Одно из наиболее важных мест среди материалов - пьезоэлектриков занимает монокристаллический кварц (SiO2). Пластинки кварца, как правило, используются в качестве резонаторов высокой добротности Q~107 для стабилизации частот в радиодиапазоне ~ 103 108 Гц. Значения пьезомодулей d111= 2,3 10-12

Кл/Н и d123= 0,7 10-12 Кл/Н. Это не лучшие показатели. Однако кварц обладает тем преимуществом перед другими материалами, что имеет низкие температур-

ные коэффициенты линейного расширения ТКl~ 10-5 К-1, что обусловливает хорошую термостабильность резонансной частоты с температурным коэффициентом частоты (ТКЧ) того же порядка, что и ТКl. Кварцевые пьезорезонаторы могут иметь различную форму. Карта раскроя кристаллов кварца весьма сложна, раскрой осуществляется строго под определенными углами. Как правило, в области низких частот используется поперечный эффект, а в области высоких частот продольный эффект. Помимо растягивающе-сжимающих колебаний,

163

используются колебания кручения и другие. Некоторые кристаллические срезы ценны тем, что обеспечивают минимальный ТКЧ.

Роль пьезоэлектриков могут выполнять некоторые сегнетоэлектрики. В подразделе 6.1 говорилось о том, что сегнетоэлектрики это материалы, в которых при температуре ниже температуры Кюри, нарушается симметрия, в том числе и центральная. С другой стороны, в энергетически равновесном состоянии сегнетоэлектрики разбиты на домены, поэтому пьезоэлектрические свойства доменов компенсируются по направлениям и проявиться не могут. Для того чтобы сегнетоэлектрик имел высокую и стабильную остаточную поляризацию, необходимо, чтобы его температура Кюри была достаточно высокой, выше Тк ~500 1000 C. Поляризация кристаллов проводится в сильном электрическом поле при температуре, близкой к ТК. Далее, производится плавное охлаждение кристаллов, и после этого поле снимается. Конкуренцию кварцу в отношении значений добротности, частотного диапазона и значений пьезомодулей (более, чем на порядок) составляют сегнетоэлектрические кристаллы ниобата и танталата лития (LiNbO3 и LiTaO3). Эти материалы, будучи поляризованными, сохраняют остаточную поляризацию и обладают стабильными пьезоэлектрическими свойствами.

Широкое распространение имеет пьезокерамика. Она получается спеканием сегнетоэлектрической фазы со стеклообразующей фазой в присутствии сильного электрического поля для получения поляризационной текстуры. Резонаторы из пьезокерамики имеют меньшую добротность, чем монокристаллические резонаторы, поэтому используются в составе полосовых фильтров. Целесообразность использования ее в излучателях УЗ-колебаний связано с тем, что она дешевле монокристаллов, из нее можно изготавливать излучатели произвольной формы.

6.3 Электреты

6.3.1 Основные понятия об электретах

Электретом называют твердый диэлектрик, длительно создающий в окружающем пространстве электростатическое поле за счет предварительной электризации или поляризации.

Электреты классифицируют, прежде всего, по способу формирования зарядов (рисунок 6.11).

Термоэлектреты получают при воздействии на нагретый диэлектрик электрического поля с последующим охлаждением в этом поле. Нагрев обычно производят до температуры плавления или размягчения для восков и смол, или до температуры стеклования для полимеров, когда, с одной стороны, резко облегчается ориентация полярных молекул под действием поля, а с другой — растет электрическая проводимость, что способствует ускорению процесса электризации и накопления объемных зарядов (ток абсорбции). После охлаждения диэлектрика в электрическом поле подвижность полярных молекул или свободных

164

зарядов резко уменьшается, и диэлектрик может длительно сохранять сформированную остаточную поляризацию и заряды (рисунок 6.11,а).

Фотоэлектреты получают воздействием света на диэлектрик, помещенный в электрическое поле. Под действием света в диэлектрике возникает фотопроводимость. Освобождаемые светом носители зарядов смещаются внешним электрическим полем и некоторые из них "застревают" на ловушках. После выключения света носители разноименных зарядов оказываются "замороженными" у противоположных сторон диэлектрика, который становится электретом (рисунок 6.11, б). Таким образом, если в термоэлектретах перераспределение зарядов стимулируется повышенной температурой, то в фотоэлектретах — освещением.

Радиоэлектреты получают воздействием на диэлектрик радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц). При излучении ускоренные заряженные частицы (электроны, ионы) либо выбивают электроны из поверхностного слоя, либо, наоборот, внедряются в поверхностный слой диэлектрика и создают в нем дополнительные дефекты; поверхность диэлектрика оказывается заряженной (рисунок 6.11, г).

Электроэлектреты получают путем воздействия на диэлектрик только электрического поля, без нагрева или облучения, но физический процесс электризации фактически сводится к рассмотренным выше. В зазоре между электродом и диэлектриком в сильном поле возникает газовый разряд; ионы газа, ускоренные полем, бомбардируют поверхность диэлектрика, создавая дефекты и стабильные заряды в поверхностном слое (рисунок 6.11, в).

Рисунок 6.11Виды электретов: а − термоэлектрет поляризационного типа; б − фотоэлектрет; в − электроэлектрет; г − радиоэлектрет; д − трибоэлектрет.

Трибоэлектреты получают контактной электризацией, трением двух диэлектриков. При тесном соприкосновении двух различных тел часть электронов одного из них (с меньшей работой выхода), переходит на другой. Трение нарушает нейтрализацию поверхностного заряда диэлектрика ионами воздуха. При разделении контактирующих материалов их поверхности оказываются заряженными противоположными знаками. Стабильный трибоэлектрет можно получить натиранием сухим мехом тефлона.

165

Электреты можно получить также за счет механического напряжения или деформации диэлектрика (механоэлектреты) и других воздействий.

Как видно из рисунка 6.11, кроме электретов с разноименными зарядами на противоположных сторонах существуют электреты, имеющие во всем объеме заряд одного знака (радио-, трибоэлектреты). Их называют моноэлектретами. Моноэлектреты нестабильны из-за быстрой компенсации их заряда зарядами окружающей среды и со временем обычно переходят в биполярные электреты, так как на противоположной стороне диэлектрика оседают компенсирующие заряды другого знака. Непосредственное получение биполярных электретов связано либо с пространственным разделением заряда, либо с поляризационным смеще-

нием (дипольные электреты). Последние являются электрическими аналогами постоянных магнитов. При разрезании дипольного электрета на части, каждая часть будет являться биполярным электретом. При разрезании электрета с про- странственно-разделенным зарядом можно получить два моноэлектрета с противоположными зарядами.

Знак заряда электрета может совпадать со знаком формирующего напряжения на прилегающем электроде (гомозаряд), а может быть противоположен ему (гетерозаряд). Гомозаряды образуются инжекцией заряженных частиц в диэлектрик извне, как это происходит в электроили радиоэлектретах. Гетерозаряд формируется за счет смещения к противоположным сторонам зарядов, образованных внутри диэлектрика — связанных или свободных. Это происходит при наличии у диэлектрика дипольной или миграционной поляризации (термоэлектреты). Гетерозаряд может быть получен и путем облучения диэлектрика заряженными частицами большой энергии (> 10 кэВ), проходящими через всю толщину диэлектрика и застревающими у его противоположной стороны (на передней стороне со временем оседают компенсирующие заряды другого знака).

С течением времени заряд электрета изменяется. Это связано с разрушением остаточной поляризации, освобождением носителей заряда, захваченных ловушками, нейтрализацией объемных зарядов за счет электропроводности диэлектрика. В одном электрете гомо- и гетерозаряд могут сосуществовать, частично компенсируя друг друга. При различной стабильности зарядов изменение суммарного заряда может быть сложной временной функцией (рисунок. 6.12). Стабильная составляющая заряда электрета связана с носителями заряда, закрепленными на глубоких ловушках, и наблюдается в материалах с очень высоким удельным сопротивлением. Время жизни для хороших электретов составляет сотни лет.

6.3.2 Электретные материалы

Фотоэлектреты применяют для световой записи информации на диэлектрическую пленку (подобно записи на магнитную пленку). Световое изображение проектируется на диэлектрик, помещенный в постоянное электрическое поле, при этом освещенные места электризуются, а затемненные остаются

166

1

Наибольшее применение в качестве электретов из неполярных диэлектриков нашли политетрафторэтилен (тефлон, фторопласт-4). В преобразователях используют полимерные пленки толщиной 3—20 мкм, металлизированные с одной стороны.

Ряд керамических материалов и стекол также может использоваться как электреты. Электризацию их осуществляют путем помещения на несколько часов в сильное электрическое поле (2 МВ/м) при температуре 150—200°С. Ток абсорбции и миграционная поляризация создают суммарный гомозаряд. Максимальная плотность заряда получена в керамике титаната кальция. Однако ввиду высокой диэлектрической проницаемости ( =150) напряженность внешнего поля электретов из CaTiO3 не выше, чем у электретов из полимерных диэлектриков.

6.4 Жидкие кристаллы

Особый класс электрооптических материалов представляют жидкие кристаллы, широко используемые на практике.

Жидкие кристаллы — это вещества, которые находятся в промежуточном состоянии между твердым кристаллом и жидкостью и обладают свойствами, характерными как для кристаллов (анизотропия), так и для жидкостей (текучесть).

Жидкокристаллическое состояние существует лишь в определенном интервале температур между твердокристаллическим состоянием и состоянием изотропной жидкости. Жидкокристаллическую фазу иногда называют мезофазой, т. е. промежуточной фазой, а жидкокристаллическое состояние вещества—мезо-

морфным.

Жидкие кристаллы образуются органическими соединениями, молекулы которых обычно имеют удлиненную, палочкообразную форму. Многие из них содержат бензольные кольца в молекулярной цепи. Например, молекула р-

168

метоксибензилинен — p'-n-бутиланилина (МББА), интервал температур мезофазы которого составляет 22—48° С, имеет вид

По структуре жидкие кристаллы подразделяют на три класса: нематические, смектические и холестерические.

Внематических кристаллах удлиненные молекулы выстроены в виде нитей, как показано на рисунке 6.14, а (слово «немос» по-гречески означает нить). Направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью кристалла (нематическим директором).

Всмектических жидких кристаллах параллельно ориентированные (за счет дисперсионного взаимодействия) молекулы упакованы в слои (рисунок 6.14, б). Если одно и то же вещество мо-

смещаются относительно друг друга. Слово «смектос» по-гре-

чески — мыло; к этим кристаллам относятся и мыльные растворы.

В холестерических жидких кристаллах пластинчатые молекулы также укладываются в слои, но ориентировка их плавно меняется от слоя к слою, − молекулы выстраиваются по пространственной спирали с шагом порядка нескольких сотен нанометров (рисунок 6.14, в). К этому классу относятся соединения холестерина.

Ориентационный порядок в расположении молекул приводит к анизотропии свойств жидких кристаллов: показатель преломления, диэлектрическая и магнитная проницаемости, удельное сопротивление, вязкость и другие параметры в направлении, параллельном молекулярным осям, и в перпендикулярной плоскости неодинаковы. Структура жидких кристаллов очень подвижна и легко изменяется при внешних воздействиях: электрического и магнитного поля, температуры, давления и т. д. Изменение структуры в свою очередь приводит к изменениям оптических, электрических и других свойств. Поэтому можно управлять свойствами жидких кристаллов путем очень слабых внешних воздействий, то есть использовать их в качестве чувствительных индикаторов этих

169

воздействий. На практике используют изменение оптических свойств при внешних воздействиях электрическим полем в нематических кристаллах и тепловым

— в холестерических.

Электрические свойства жидких кристаллов сходны со свойствами сегнетоэлектриков.Жидкие кристаллы разбиты на домены — области с одинаковыми направлениями осей молекул. Время переориентации диполей в жидких кристаллах велико по сравнению сегнетоэлектриками, и петли гистерезиса наблюдаются лишь на очень низких частотах (< 1 Гц).

Жидкие кристаллы нематического типа применяют благодаря присущему им электрооптическому эффекту динамического рассеяния. Им присуща ди-

электрическая (и оптическая) анизотропия, мерой которой является разность диэлектрической проницаемости (и показателя преломления), измеренной вдоль и поперек преимущественной ориентации молекул = || − . Положительная анизотропия имеет место в веществах, молекулы которых имеют дипольные моменты, направленные вдоль молекулярных осей, отрицательная в веществах, с моментами, направленными перпендикулярно осям молекул. Относительно слабое электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, вызывает выстраивание молекул параллельно ( >0), или перпендикулярно ( <0) полю. Если напряжение превысит некоторое пороговое значение, устойчивая доменная структура разрушается, возникает ячеистая структура, сопровождающаяся появлением гидродинамических течений. При дальнейшем увеличении напряжения течение в жидкости становится турбулентным, а вещество оптически неоднородным. Жидкий кристалл в таком неупорядоченном состоянии рассеивает свет во всех направлениях. Эффект динамического рассеяния приводит к изменению прозрачности жидкого кристалла под действием электрического поля. Поле может быть как постоянным, так и переменным с низкой частотой (до 102 —104 Гц). Время установления состояния динамического рассеяния составляет 1—10 мс, а исчезновения после снятия напряжения — 20 200 мс. Жидкокристаллическая ячейка, основанная на эффекте динамического рассеяния, состоит из двух стеклянных пластинок с нанесенными на их внутренние стороны прозрачными электродами, между которыми расположен тонкий слой (5—50 мкм) жидкого кристалла. При подаче напряжения больше порогового (обычно 8—50 В) молекулы жидкости в пространстве между электродами начинают вращаться и рассеивать падающий свет. Под прозрачным электродом виден яркий рисунок по форме электрода.

Жидкие кристаллы имеют довольно высокое удельное сопротивление (106—1010 Ом м). Поэтому мощность, потребляемая на питание ячейки, не превышает 1 Вт/м2, что на два порядка ниже, чем у газоразрядных и на пять порядков у светодиодных индикаторов. Кроме того, они более дешевы.

Для получения цветных изображений в жидкие кристаллы вводят красители, обладающие длинными палочкообразными молекулами. Молекулы красителя ориентируются молекулами жидкого кристалла перпендикулярно электродам ячейки и оказываются невидимыми. При подаче напряжения, когда

170