5.6. Пьезоэлектрики

К пьезоэлектрикам относятся диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Различают прямой и обратный пьезоэффект.

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют поляризацию диэлектрика под действием внешних механических напряжений. Возникающий при поляризации на поверхности диэлектрика электрический заряд пропорционален механическому напряжению и определяется из выражения

, (5.17)

где q – заряд, который приходится на единицу площади (q = Q/s); σ – механическое напряжение в сечении диэлектрика; d – пьезомодуль, значение которого зависит от вида пьезоэлектрика и составляет 10 ^-11-10^-12 Кл/Н.

Пьезоэлектрический модуль определяет поляризацию пьезоэлектрика (или плотность заряда) при заданном приложенном механическом напряжении σ.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении размеров пьезоэлектрика Δl/l в зависимости от напряженности электрического поля Е по линейному закону

Δl/l = δ = d Е, (5.18)

где δ – относительная деформация.

Величина пьезомодуля d при прямом и обратном пьезоэффекте для одного и того же пьезоматериала равны между собой.

Итак, пьезоэлектрики являются электромеханическими преобразователями, преобразующими механическую энергию в электрическую и наоборот.

Различают продольный и поперечный пьезоэлектрические эффекты. При продольном пьезоэффекте заряды или механическая деформация возникают на противоположных гранях пьезопластинки в направлении приложенного механического усилия или электрического поля соответсвенно. При поперечном пьезоэффекте заряды или деформация возникают в направлении, перпендикулярном направлению механических усилий или приложенного электрического поля соответственно. В случае приложения переменного электрического напряжения к пьезоэлектрику в нем будут возникать переменные механические деформации той же частоты. При этом, при продольном пьезоэффекте образуются волны сжатия и растяжения (продольные волны), а при поперечном пьезоэффекте сдвиговые колебания (поперечные волны). Максимальная амплитуда механических колебаний будет в том случае, когда частота переменного электрического поля будет равна собственной (резонансной) частоте пьезоэлектрика, которая определяется по формуле

, (5.19)

где h – толщина пластины пьезоэлектрика; V - скорость распространения механических волн. Скорости распространения продольной V_e и поперечной V_t волн определяется из выражений

(5.20)

где Е, G – модуль упругости и модуль сдвига пьезоэлектрика; ρ – плотность.

Поскольку модуль сдвига G<Е, то V_t<V_l. Величины этих скоростей связаны соотношением , где μ – коэффициент Пуассона.

Эффективность преобразования электрической энергии пьезопреобразователя в механическую при обратном пьезоэффекте определяется коэффициентом электромеханической связи

(5.21)

где Р_э – электрическая мощность, подводимая к пьезоэлектрическому преобразователю; Р_а – мощность механических колебаний, развиваемая пьезоэлектриком. Коэффициент электромеханической связи зависит от вида пьезоэлектрика и колеблется в пределах 0,01-0,3.

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в кристаллических материалах с ионной или ковалентной связью, не имеющих центра симметрии. Кроме того, хорошими пьезоэлектрическими свойствами обладают пьезоэлектрики с высоким удельным сопротивлением, так как в проводящих материалах поляризация компенсируется свободными носителями заряда. В настоящее время известно очень большое количество материалов, (в том числе все сегнетоэлектрики), обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Все пьезоэлектрики по структуре можно подразделить на монокристаллические и поликристаллические.

Монокристаллические пьезоэлектрики. К этим материалам относятся кристаллы кварца SiO₂; пьезоэлектрики на основе ионных сегнетоэлектриков, например, ниобата лития LiNbO₃, танталата лития LiTaO₃, германата висмута Bi₁₂GeO₂₀ и на основе дипольных сегнетоэлектриков: сульфата лития Li₂SO₄H₂O, дигидрофосфата аммония NH₄PO₄ и другие.

Кварц является наиболее применяемым пьезоэлектрическим материалом, сохраняющим свои пьезоэлектрические свойства до Т = 573^оС, выше которой пьезоэлектрические свойства исчезают, так как структура его переходит в симметричную β-форму.

Плоскопараллельная пластина из кварца с нанесенными электродами представляет собой пьезоэлектрический резонатор. Частоту собственных колебаний пластин различных срезов можно определить по следующим приближенным формулам:

, (5.22)

где h – толщина пластины определенного типа среза.

Кварцевые резонаторы с собственной резонансной частотой f выше 10 МГц изготовить трудно ввиду того, что пластины толщиной менее 0,2 мм мало прочны. Поэтому в резонаторах на более высоких частотах используют нечетные гармоники 3 f, 5 f и т.д. Благодаря высокой добротности кварцевые резонаторы широко используют для стабилизации и эталонирования частоты генераторов. Кварц и сегнетоэлектрики на основе ниобата и тантала лития применяются в качестве электрических фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Поликристаллические пьезоэлектрики получают на основе керамических сегнетоэлектриков поляризацией их в сильном электрическом поле при температуре, близкой к Т_к. Из пьезокерамики можно изготовить пьезоэлементы любой формы и размеров с возможностью возбуждения в них как продольных, так и поперечных акустических колебаний. Благодаря высокому значению коэффициента электромеханической связи К пьезокерамику широко используют в качестве пьезопреобразователей для объемных ультразвуковых линий задержки, мощных ультразвуковых излучателей для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов, для очистки поверхностей деталей перед нанесением различных покрытий. Пьезокерамические датчики применяют в качестве датчиков давлений, деформаций, вибраций.

Прямой и обратный пьезоэффекты используются при конструировании пьезотрансформаторов высокого напряжения (рис. 5.13) в диапазоне 10-500 кГц.

Рис. 5.13. Схематическое изображение пьезоэлектрического трансформатора напряжения

Коэффициент трансформации по напряжению зависит от геометрии пластин и пропорционален отношению 2l/h. Пьезокерамические трансформаторы могут быть использованы для генерирования высоковольтных импульсов, для питания электронно-лучевых трубок, газоразрядных приборов. Поликристаллические пьезокерамики применяют для изготовления устройств на ПАВ.

Пленочные пьезоэлектрики получают на основе монокристаллических соединений AlN, ZnS, CdS, CdSe и окиси цинка ZnO с определенной кристаллографической ориентацией. Пьезоэлектрическими свойствами обладают также некоторые полимерные материалы в виде механически ориентированных и поляризованных в электрическом поле пленок. Наилучшими пьезоэлектрическими свойствами обладают пленки, на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) со структурной формулой CH₂-CF₂; коэффициент электромеханической связи его составляет 0,16.

Пленочные пьезоматериалы находят применение при создании различных акустоэлектронных устройств.