Сегнетоэлектрики.

Сегнетоэлектрики - это материалы с несимметричной элементарной кристаллической ячейкой. Это предопределяет наличие дипольного момента и анизотропию свойств. В пределах домена размерами от 10^-4 до 10^-2 см диполи имеют параллельную ориентацию. В пределах образца домены ориентированы хаотически в результате воздействия тепловой энергии.

Ba²⁺

Ti⁴⁺

O^2-

Рис. Элементарная ячейка кристалла титаната бария Ba Ti O₃.

Под влиянием внешнего электрического поля домены начинают ориентировать вдоль силовых линий. Чем больше напряженность поля Е, тем большее число доменов приобретут одинаковую ориентацию. При Е _max происходит насыщение поляризации Р _нас - все домены ориентированы одинаково. При снятии электрического поля поляризация не исчезает полностью. (Для дезориентации недостаточно тепловой энергии (кинетической упругости) при нормальной температуре.) Для достижения нулевой поляризации необходимо приложить поле обратного знака. Т.о. при воздействии переменного электрического поля образуется петля гистерезиса. Это свойство используется для переключающих устройств - при Е = 0 имеется в зависимости от предыстории 2 различных поляризации Р.

Р_нас

E

E_max

Рис. Сегнетоэлектрический гистерезис.

По мере увеличения поляризации Р (Р = c_д Е , c_д = e_о ( e - 1 ))

увеличивается коэффициент поляризации c_д , и, следовательно, диэлектрическая проницаемость  , т.е. имеется зависимость  = f (E). Эта зависимость может существовать до определенной температуры – диэлектрической точки Кюри (Т_к). Большая тепловая энергия препятствует единообразному ориентированию дипольных моментов. Для титаната бария Т_к = 297 К. Зависимость  от температуры или напряженности электрического поля используется в управляемых конденсаторах, фильтрах и т.д.. Сегнетоэлектрическими свойствами обладают также сегнетова соль Na K C₃ H₄ O₆  4 H₂ O , дигидрофосфат калия К Н₂ Р О₄ .

Некоторые сегнетоэлектрики - кристаллы обладают пьезоэлектрическими свойствами - поляризоваться при механическом воздействии. Кристалл обладает единообразной ориентацией дипольного момента. Сжимающая или растягивающая сила F_x вдоль этого направления приводит к изменению дипольного момента М = q l (изменяется длина диполя l) и, следовательно, разности потенциалов между гранями кристалла. Воздействие вдоль других осей кристалла заметного прямого пьезоэффекта не вызывает.

U=kF/C

l₁ l₁ l₂ l₂

прямой пьезоэффект обратные пьезоэффекты ( l₁ > l₂ )

Рис. Пьезоэлектрические эффекты.

Прямой пьезоэффект описывает преобразование механической энергии в электрическую. Результирующее изменение заряда

Q = k F_x,

где k – пьезоэлектрический модуль (Q =  q, P =1/V∙  M^., Q = P ∙S, где S - площадь сечения пьезоэлектрика). Эффект увеличения заряда недолговечен: из-за возникшей разности потенциалов заряд начинает растекаться. Одинарное механическое воздействие может использоваться для фиксации самого факта воздействия. Чаще используется переменное периодическое воздействие с периодом, меньшим времени релаксации τ.

Обратный пьезоэффект заключается в изменении размеров кристалла под действием электрического поля, которое увеличивает или уменьшает длину диполя l . Это влечет за собой деформацию кристалла. Происходит преобразование электрической энергии в механическую.

Пьезоэффекты по своей физической природе маломасштабны. Это очерчивает круг применения прецизионными устройствами: высокодобротными резонаторами, сенсорами, позиционерами, компенсаторами, микроприводами, инжекторами (струйных принтеров высокого разрешения), тактильной поверхностью, микронасосами .

Рис. Датчики (Sensor) силы (Force), давления (Pressure), ускорения (Accelerometer).

Рис. Источник энергии. Преобразователь (2-ой ступени) движения мембраны в электрическое напряжение.

Микроробот для хирургии сосудов. Специалисты австралийской компании Qinetic сумели изготовить механизм величиной в два человеческих волоса, способный передвигаться по кровяным сосудам. Более 40 лет ученые работали над миниатюрным устройством, которое может продвигаться по узким сосудам головного мозга, куда не проходит обычная катетерная трубка. До сих пор это не удавалось из-за отсутствия идеи создания микромотора нужной мощности для такого устройства, чтобы оно могло продвигаться против кровотока. Несколько лет назад внимание изобретателей привлекли пьезоэлектрические кристаллы, сжимающиеся или расширяющиеся в зависимости от электрического напряжения. Это позволяет конструировать быстро двигающиеся взад и вперед линейные моторы. Сейчас ученым удалось преобразить линейное движение пьезоэлектрических микромоторов в движение вокруг оси, что дало возможность создать движитель размером меньше 0,25мм.

В качестве внутренних источников питания, кроме литиевой биобатарейки, можно использовать пьезоэлектрический механо- электрический преобразователь. Многослойная (металл – пьезоэлектрик – металл) консоль вибрирует во время движения. Пьезоэффект преобразует вибрации в переменный ток.

Рис. Структура и конструкции консольной пьезоэлектрической батареи.

Решетка нано- стержней из пьезо- полупроводника может использоваться для акустического генератора тока. Выходные параметры невелики: порядка 0.5 нА при 0.5 мВ, - но вполне подходят для питания наносенсоров и наноприводов, например, внутриполостных медицинских приборов. При изгибе пьезостержня, например, из оксида цинка генерируется импульс тока. Сгибающая сила передается через гибкий зубчатый электрод из кремния, покрытого тонким слоем платины. Этой силой может быть кровяной поток, сокращения мускулов тела, либо ультразвуковые колебания, специально посылаемые извне. Оксид цинка — не токсичен, что важно для медицинского применения. Пьезостержни выращиваются методом напыления на поверхности подложки из GaAs или GaN. Подложка является одним из электродов. Вторым электродом служит зубчатая поверхность, получаемая селективным травлением кремния.

Рис. Схема генератора тока. Фиолетовый и тёмно-жёлтый цвет – подложка, синий – гибкие, упругие и герметичные стенки, зелёный – пилообразный электрод, серый – наностержени.

Рис. Схема работы генератора тока.

Изменение размеров образца наблюдается для всех диэлектриков без исключения и называется электрострикцией. В отличие от пьезоэффекта (l → E) электрострикция вызывает меньшее удлинение (Δl/l=k E²) и не приводит к поляризации.

При периодическом изменении полярности напряжения деформация также будет менять знак, т.о. возникают механические колебания. Пьезоэффект используется для возбуждения ультразвуковых колебаний.

Пьезоэлектрический эффект может наблюдаться не только в кристаллах, но и в специально изготовленных керамике или полимерах. (Условия те же: наличие диполей и их единообразное ориентирование.) Маломасштабной электронике адекватны тонкие полимерный пленки, волокна, нанотрубки из углерода или нитрата бора.

Рис. Мониторинг сердца с помощью пьезоэлектрических датчиков в полимерных проводниках на одежде.

Пьезоэлектрический эффект наблюдается также у полупроводников. Асимметрия элементарной кристаллической решетки достигается легированием (диффузией или имплантацией). В результате получаются полупроводниковые резисторы, электрическое сопротивление которых зависит от механической нагрузки. Величина пьезоэлектрического эффекта обозначается безразмерной величиной GH (может достигать от нескольких единиц до 200). Полупроводниковые пьезорезисторы могут использоваться для измерения силы, давления, ускорения. (У пьезорезисторов выходным параметром является напряжение, а у тензорезисторов – сопротивление.) Из-за присущей полупроводникам температурной зависимости подобные устройства требуют термокомпенсации.

Создаваемое консольной балкой механическое напряжение на элемент с пьезоэлектрической полимерной пленкой генерирует сигнал, который отрабатывается управляющим устройством. Такое устройство может быть использовано для подсчета изделий на сборочных линиях, в качестве переключателей в системах автоматизации, например, для отключения вытяжки.

Пьезоэлектрические приводы. Пьезоэффект - это преобразование электрической энергии в механическую посредством изменения геометрических размеров: межатомных расстояний в структуре вещества.. В пьезоэлектрике возможно возбуждение продольных (растяжение - сжатие) и поперечных (сдвиг) акустических волн в объеме и на поверхности. Комбинирование нескольких видов реализует сложные движения манипуляторов: изгибы, кручения. Амплитуда изменений невелика, но высока точность перемещений. Данные параметры хорошо подходят для микротехники, в том числе для манипулятора иглы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Управляющими параметрами являются амплитуда напряжения, частота импульсов, число импульсов.

Пьезо- насос представляет собой мембрану пьезоэлектрика, на противоположные поверхности которого помещены электроды возбуждения объемной акустической волны. Периодические прогибания мембраны создают попеременно области низкого и высокого давления. Низкое давление способствует нагнетанию через входное отверстие в подмембранную камеру порции жидкости или газа. Во втором полупериоде высокое давление закрывает клапан входного отверстия, и, напротив, открывает клапан выходного отверстия, куда и поступает накопленная порция.

Рис. Схема работы пьезонасоса.

Принцип пьезонасоса используется для инжекции жидкости, например, чернил (Ink) для струйной печати высокого разрешения. Под действием пьезопривода (Piezo actuator), укрепленного на мембране (Membrane, Diaphragm) камеры, по капле (Droplet) выдавливаются чернила. Понижение давления в камере способствует затягиванию чернил из источника (Ink suply). Метод управления пьезоприводами позволяет формирование матрицы инжекторов для ускорения технологического процесса

Рис. Схема инжекторного устройства.

Рис. Матрица инжекторов.

Консольный пьезоэлектрический привод предназначен для создания периодических колебаний консоли (Cantilever) с управляемыми объектами: сенсорами, зеркалами и т.п.. На основной материал консоли наносится трехслойная структура пьезопривода (PZT Actuator). Верхний слой – один из электродов (Top Electrode), второй слой – пьезокерамика, третий слой – второй электрод (Bottom Electrode). При подаче на электроды разности потенциалов пьезокерамика изгибается, поднимая объект вверх. Этот подъем не может быть долговременным, так как наведенный заряд быстро стекает. Пьезопривод поэтому используется не для постоянных, а для переменных движений