книги из ГПНТБ / Яффе Б. Пьезоэлектрическая керамика

Широкое распространение получили пьезоэлектрические микро­ фоны из сегнетовой соли, в особенности для слуховых протезов, однако с появлением транзисторов на рынке стали преобладать электродинамические микрофоны с низким импедансом, хорошо согласующиеся с транзисторным входом. Прогресс в технологии изготовления тонких керамических изгибных элементов привел к некоторому увеличению сбыта пьезоэлектрических микрофонов.

Керамика также хорошо работает в качестве настроенных ультразвуковых микрофонов для дистанционного регулирования телевизионных сетей.

Г. П Ь Е З О К Е Р А М И Ч Е С К И Е Д А Т Ч И К И

Керамика из цирконата— титаната свинца стала преобладаю­ щим материалом для пьезоэлектрических акселерометров. Инте­

медицинской диагностики по отражению, звуковых волн от границы между различными тканями тела. Для

рассматриваемых высоких частот лучше использовать кристаллы с низкой диэлектрической проницаемостью, но в некоторых устрой­ ствах предпочитают пьезоэлектрическую керамику. В этом час­ тотном диапазоне керамика с низкой диэлектрической проницае­ мостью, включая ромбоэдрические твердые растворы титаната — цирконата свинца или метаниобат свинца, обладает преимуще­ ством благодаря своему более высокому импедансу для данной формы.

Миниатюрные керамические преобразователи помещают также в кровеносные сосуды для регистрации периодических изменений давления, связанных с биением сердца. Пьезокерамика хорошо служит в качестве преобразователей для специальных целей,

например для датчиков регистрации взрывных воли и' для элемен­ тов для восприятия шумов с. целью регистрации закипания охлаж­ дающей воды в атомных реакторах. Много изобретательности про­ явлено в отношении использования пьезоэлектриков в качестве рабочих элементов датчиков для измерения сил в аэрокосмичес­ ких, медицинских и различных индустриальных исследованиях.

Д . Г И Д Р О А К У С Т И Ч Е С К И Е И З Л У Ч А Т Е Л И И П РИ ЕМ Н И К И

Пьезоэлектрическая керамика нашла широкое применение для генерирования и приема звуковых волн в воде или других жид­ костях с аналогичными механическими свойствами. Эти примене­ ния включают преобразователи для ультразвуковой очистки, в ко­ торых керамика из цирконата — титаната свинца приобрела доми­ нирующее значение. Обычно работают на частотах 20— 100 кГц. Динамическая амплитуда у керамического диска, в котором возбуждены резонансные колебания по толщине, легко превосхо­ дит уровень, вызывающий кавитацию в жидкости; поэтому, разме­ щая между керамикой и жидкостью конические металлические элементы, можно экономично использовать маленькие керамиче­ ские образцы. Применение пьезокерамикп в системах подводного обнаружения включает пассивный метод прослушивания (гидро­ фоны) и активный метод излучения звуковых импульсов и реги­ страции их отражений (измерение глубины эхолотом, рыборазведка и гидролокация). Повышенные частоты (20 кГц и выше) дают хорошее разрешение, но ограничивают радиус действия из-за поглощения или рассеивания звука в воде. Если требуется повысить радиус действия, то рабочую частоту следует снизить. Подобные устройства используются при высоких уровнях мощности с целью достижения максимального радиуса действия, они проектируются для работы вблизи уровней мощности, вызывающих диэлектриче­ скую или механическую нелинейность. В этом, случае необходимо рассеивать выделяющееся тепло и предотвращать разрушение при растяжении керамики.

Последний эффект достигается приложением постоянного ме­ ханического напряжения сжатия. Относительно небольшой кера­ мический образец обычно согласовывают по импедансу с водой путем применения механического конуса, расширяющегося от преобразователя.

Для применения в гидролокации, как и для генерации ультра­ звука, самой распространенной в настоящее время является «жесткая» керамика.

Следует упомянуть о возбуждении интенсивных низкоампли­ тудных колебаний в таких устройствах, как ультразвуковые режу­ щие инструменты, сварочные агрегаты и паяльники. Сконструиро­ ваны сварочные агрегаты как для пластмасс, так и для металлов (при соответствующих уровнях мощности). Последние сообщения

указывают, что в этой области «жесткая» керамика из цирко­ ната— титаната свинца может успешно конкурировать с магннтострикциоииыми никелевыми преобразователям и.

Е. П Р Е О Б Р А ЗО В А Т Е Л И Д Л Я Л И Н И Й З А Д Е Р Ж Е К

Системы обработки данных и вычислительные машины нуж­ даются в задержке сигналов на определенное время в пределах от 1 мкс и выше. Для интервала примерно от 10 мкс до нескольких миллисекунд скорость распространения звука в твердых телах и жидкостях такова, что обеспечивает удобные размеры линий за­ держек для таких временных интервалов. Информация может быть в форме прямоугольных импульсов или пакетов синусоидальных волн. Во всех случаях пьезоэлектрические элементы предпочти­ тельнее других электроакустических преобразователей. Используют как сдвиговые, так и продольные волны. Среда для прохождения звуковых волн может представлять собой металлическую полосу или проволоку, плавленый кварц или жидкую ртуть. Преобразо-' ватель может иметь различную форму в зависимости от длитель­ ности импульса, несущей частоты и геометрии акустической среды. В устройствах с повышенной частотой в качестве линий задержки обычно используют бруски плавленого кварца с контактирующими с ними пьезоэлектрическими преобразователями в виде пластин. Высокий коэффициент электромеханической связи пьезокерамики обеспечивает повышенные характеристики, поэтому керамика, пре­ имущественно из цирконата — титаната свинца, заменила в этой области применений кварц для несущих частот до 20 МГц. В тех случаях, когда частоты значительно превышают 1 А'ІГц, необхо­ дима относительно низкая диэлектрическая проницаемость. Пре­ образователи обычно имеют толщину, равную половине длины волны. При 30 МГц для преобразователя со сдвиговыми колеба­ ниями, изготовленного из ромбоэдрического цирконата — титаната свинца (скорость звука 2500 м/с), это приводит к толщине всего лишь 0,04 мм. В качестве преобразователей для линий задержки с такой высокой частотой также используют ниобат натрия — калия, полученный горячим прессованием. Применение этого материала обусловлено его относительно высокой скоростью звука, примерно 3500 м/с для сдвиговых колебаний, а также его низкой диэлектри­ ческой проницаемостью.

Ж . П О Л О С О В Ы Е Ф ИЛЬТРЫ

Одной из важнейших областей применений пьезоэлектрических кристаллов, главным образом кварца, является использование ах в устройствах для стабилизации и фильтрации рабочей частоты электрических цепей. Преимущество использования кварца в по­ добных устройствах основывается на его очень высокой коле­ бательной добротности (высокой Q) в сочетании' с неслабыми

256 ГЛАВА 12

пьезоэлектрическими и хорошими механическими свойствами. Пьезоэлектрическая керамика' на несколько порядков уступает кварцу по стабильности резонансной частоты. Это не позволяет применять керамику для стабилизации частоты или фильтрации

точность настройки и стабильность резонансной частоты порядка 1/1000 достаточны и где керамика предпочтительнее из-за высо­ кого коэффициента электромеханической связи и относительной легкости создания необходимых конструкций на ее основе. Ши­ рина полосы фильтра, построенного на пьезоэлектрических элемен­ тах без присоединения индуктивности, определяется квадратом коэффициента электромеханической связи. Так, если не присоеди­ нять катушки, кристаллы кварца с коэффициентом связи порядка

диальным коэффициентом связи 0,5 пропускает полосу шириной 10% от средней частоты.

Полосовые фильтры с полосой в несколько процентов от сред­ ней частоты используются в каскадах промежуточной частоты ра­

зависимость частотной постоянной от температуры или времени не более 0,1 или 0,2%, необходимо использовать специальную кера­ мику; это может быть цирконат — титанат свинца, модифициро­ ванный хромом [5, 6], и, возможно, некоторые ниобаты свинца и щелочноземельных металлов, особенно ниобат бария — свинца [7, 8]. Острота полосы пропускания зависит от механической доб­ ротности керамики, которая должна быть примерно равна вели­ чине, обратной требуемой стабильности, т. е. равна 1000. В настоя­ щее время имеются в продаже керамические фильтры со средней частотой в диапазоне от 200 кГц до 1 МГц, шириной полосы от 0,5 до 10% и с отношением ширины полос 60 дб/6 дб (т. е. с прямоугольностью по этим уровням) вплоть до 1,2. Изготовлены образцы со средними частотами в более широком диапазоне: от 5 кГц до 10 МГц. Как выпускаемые промышленностью, так и опытные фильтры содержат от одного трехполосного элемента до 20 эле­ ментов в многозвенных фильтрах с высокими характеристиками. На верхнем конце этой частотной шкалы вместо резонаторов на радиальных колебаниях применяются небольшие резонаторы, ко­ леблющиеся по толщине, полученные нанесением электродов ма­ лой площади на керамическую пластину большой площади, при этом имеет место чистый резонанс по толщине. (Обычно толщинНые резонансы керамического образца не могут быть использованы из-за множества побочных резонансов, вызываемых поперечной

интерес, в особенности для небольших одноцилиндровых двигате­ лей, где привлекает их простота. Однако внедрение в крупном масштабе зависит от факторов относительной стоимости [10]. Уни­ кальное преимущество пьезоэлектрической системы зажигания по сравнению с системами зажигания на основе магнето или катушки индуктивности заключается в фактической независимости напря­ жения от пусковой скорости, что особенно ценно для облегчения стартования в холодную погоду.

В настоящее время существует множество различных промыш­ ленных применении пьезоэлектрического искрообразования: для зажигания бутана и природного газа в нагревателях, предназна­ ченных для обогрева помещений, кухонных плитах, паяльных го­ релках и даже зажигалках для сигарет. Используют как ударные, так и постепенно сдавливающие 'системы, последние дают не­ сколько искр во время действия единожды прикладываемого усилия.

Путем подачи на поляризованную сегнетоэлектрическую кера­ мику близкого к разрушающему или разрушающего давления ге­ нерировали напряжения до 100 кВ или выше. В таких эксперимен­ тах далеко превосходят предел линейного пьезоэлектрического эф­ фекта и деполяризуют образец путем переориентации доменов или же вызывают фазовые переходы за счет давления.

') Зарегистрированная торговая марка фирмы «Кливайт корпорейшн».

терь зависит от механической деформации и электрического поля соответственно.

Элементами симметрии поляризованной сегнетоэлектрической керамики являются ось симметрии бесконечного порядка вдоль на­ правления поляризации и бесконечное множество проходящих через эту ось плоскостей симметрии (группа ю ш т ) . Эта ось.'выбпраёмая в качестве кристаллофизнческой оси Z, полярна. В ка­ честве оси X может быть выбрано любое направление, перпенди­ кулярное оси Z. Из такой симметрии вытекает следующий набор ненулевых упругих, пьезоэлектрических и диэлектрических коэф­ фициентов (табл. П.1):

Симметрия обусловливает следующие соотношения между коэф­ фициентами:

Нетрудно убедиться, что приведенный набор констант совпадает с набором для гексагонального полярного кристаллического класса б mm — Cgu.2

2. Электрострикционные эффекты

Сегнетоэлектрическая керамика до поляризации изотропна и не обнаруживает пьезоэлектрического эффекта. В случае малых приложенных - сигналов наблюдается обычный электрострикционный эффект, т. е. возникает деформация, пропорциональная квад­ рату приложенного электрического поля, и происходит изменение проницаемости, пропорциональное приложенному механическому напряжению. В больших электрических полях существенную роль начинают играть явления гистерезиса, и описать электромеханиче­ ское поведение на основании коэффициентов электрострикции, свя­ зывающих деформацию с напряженностью электрического поля, становится невозможно. Однако полная деформация приблизитель­ но пропорциональна квадрату полной электрической индукции. При этом в соотношении между изменением деформации и индукцией, вызываемой приложенным малым измерительным электрическим полем, появляются линейные члены. Учитывая векторный характер сложения остаточной индукции и индукции, вызываемой измери­ тельным полем, и пренебрегая зависимостью диэлектрической про­ ницаемости и коэффициентов электрострикции от индукции, по­ лучаем следующие соотношения между, пьезоэлектрическими и