Пьезоэлектричество

Прямой пьезоэффект: механическое давление смещает положительный (Q +) и отрицательный центр тяжести (Q–). Это создает диполь , электрическое напряжение на элементе.

Пьезоэлектричества даже пьезоэффект или короткий эффект пьезо (из Alt Gr. Πιέζειν piezein , нажмите, нажмите и ἤλεκτρον электронов , Бернштейн «) описывает изменение электрической поляризации , и , таким образом , возникновение электрического напряжения на твердые тела, когда упруго деформируются быть (прямой пьезоэлектрический эффект) . И наоборот, материалы деформируются при приложении электрического напряжения (обратный пьезоэффект) .

история

Квадрантный электрометр Пьера Кюри , 1880–1890. Музей науки в Лондоне .

Прямой пьезоэффект был открыт в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри . В экспериментах с кристаллами турмалина они обнаружили, что механическая деформация кристаллов создает электрические заряды на поверхности кристалла , величина которых пропорциональна напряжению. Сегодня керамика PZT (такая как цирконат-титанат свинца ) в основном используется для пьезоэлементов .

Макроскопически эффект можно было описать в контексте механики сплошной среды еще в начале 20 века. Микроскопическое описание стало возможным только через глубокое понимание дискретной структуры конденсированного вещества . Более подробный микроскопический трактат дал Ричард М. Мартин в 1972 году.

Первыми приложениями были пьезоэлектрические ультразвуковые преобразователи, а вскоре и кварцевые генераторы для стабилизации частоты. С патентом на усилитель заряда, выданным Уолтеру П. Кистлеру в 1950 году , пьезоэлектрическая измерительная технология достигла своего прорыва в широком промышленном использовании.

принцип

Путем направленной деформации пьезоэлектрического материала с образованием микроскопических диполей внутри элементарных ячеек (смещение областей заряда ). Суммирование связанного электрического поля во всех элементарных ячейках кристалла приводит к макроскопически измеряемому электрическому напряжению. Направленная деформация означает, что приложенное давление действует на образец не со всех сторон, а (например) только с противоположных сторон. И наоборот, деформация кристалла или пьезокерамического компонента может быть достигнута путем приложения электрического напряжения.

По сути, существует три различных эффекта:

  • Продольный эффект: сила создает поляризацию в направлении силы, и электрическое напряжение может быть измерено в том же направлении.
  • Поперечный эффект: поляризация перпендикулярна силе, так что натяжение создается поперек направления силы.
  • Эффект сдвига: напряжение создается по диагонали к плоскостям сдвига .

Все три эффекта также можно обратить; то есть сила может быть создана действием натяжения за счет изменения объема.

Как и любое другое твердое тело, пьезоэлектрические тела также могут совершать механические колебания. В случае пьезоэлектриков эти колебания могут быть возбуждены электрически и, в свою очередь, вызывать электрическое напряжение. Частота колебаний зависит только от скорости звука (материальной постоянной) и размеров пьезоэлектрического тела. При подходящем приспособлении эти собственные частоты практически не подвержены влиянию окружающей среды, а это означает, что пьезоэлектрические компоненты, такие как кварцевые генераторы, очень хорошо подходят для использования в точных генераторах , например, в кварцевых часах .

Пьезоэлектрические материалы

Основы

В первую очередь пьезоэлектрический эффект можно объяснить изменением геометрии. Это резистивный пьезоэлектрический эффект. В растянутом состоянии, т. Е. Длиннее и тоньше, проволока имеет более высокое сопротивление. В случае металлов пьезоэлектрический эффект основан исключительно на изменении геометрии. Кроме того, все непроводящие сегнетоэлектрические материалы и материалы с постоянным электрическим диполем также являются пьезоэлектрическими, например титанат бария и титанат цирконата свинца (PZT). Однако только некоторые пьезоэлектрики ведут себя сегнетоэлектрически.

В случае кристаллов симметрия кристалла является другим критерием возникновения пьезоэлектричества. Пьезоэлектрическая поляризация не возникает, если кристалл имеет центр инверсии. Пьезоэлектричество может возникать во всех 21 нецентросимметричной точечной группе , за исключением кубической точечной группы 432 . Другими словами, в элементарной ячейке не должно быть точки, в которой точечное отражение превращает кристалл в самого себя.

Самый известный материал с пьезо-свойствами - кварц (SiO 2 ). Кристаллы кварца имеют нецентросимметричную точечную группу 32 . Каждый атом Si находится в центре тетраэдра, состоящего из четырех атомов кислорода. Сила, действующая в направлении острия основания (кристаллографическое направление: [111]) теперь деформирует эти тетраэдры таким образом, что сжатые тетраэдры электрически поляризованы, и на поверхностях кристалла возникает суммарное напряжение (в [111] направление).

Технически используемые материалы, которые демонстрируют более сильный пьезоэффект, чем кварц, часто происходят из структуры перовскита , например Например: титанат бария (BaTiO 3 ). Сама кубическая модификация перовскита имеет центросимметричную точечную группу и, следовательно, не является пьезоэлектрической, но ниже критической температуры - пьезоэлектрической температуры Кюри T C  - материал может превратиться в нецентросимметричную структуру перовскита (ромбоэдрическую / тетрагональную, см. Цирконат титанат свинца ). Тогда он показывает спонтанную поляризацию и обладает сегнетоэлектрическими свойствами.

Пьезоэлектрические кристаллы

  • Наиболее важным пьезоэлектрическим кристаллом является тригональная кристаллическая структура α-кварца, образованная кварцем, который стабилен до 573 ° C. Наиболее важное применение - кристаллы кварца.
  • Литий имеет более высокие пьезоэлектрические постоянные и используется для пьезоэлектрических фильтров и устройств на ПАВ (нем.: Поверхностная акустическая волна , поверхностная акустическая волна ).
  • Ортофосфат галлия используется в качестве пьезоэлектрического материала только с 1990-х годов. Этот материал похож на кварц, но имеет более высокие пьезоэлектрические постоянные и лучшую температурную стабильность. Он стабилен до температуры более 900 ° C.

К другим пьезоэлектрическим кристаллам относятся берлинит , минералы турмалиновой группы , соленая соль и все сегнетоэлектрики, такие как титанат бария (BTO) или титанат цирконата свинца (PZT). Однако BTO и PZT обычно используются не в виде монокристаллов, а в поликристаллической форме (керамика).

По сравнению с пьезоэлектрическими кристаллами пьезокерамика, такая как PZT, имеет преимущество в виде значительно более высоких пьезоэлектрических коэффициентов. Преимуществами кристаллов кварца, ортофосфата галлия и ниобата лития являются более высокая температурная стабильность, меньшие потери, значительно меньший гистерезис и отсутствие ползучести (то есть замедленной деформации) после изменения приложенного напряжения.

Пьезоэлектрическая керамика

Элементарная ячейка перовскита из пьезокерамики PZT. Диполь образуется ниже температуры Кюри.
Задание направления поляризации путем выравнивания диполей в электрическом поле

Промышленно производимые пьезоэлементы - это в основном керамика . Эта керамика изготавливается из синтетических , неорганических , сегнетоэлектрических и поликристаллических керамических материалов. Типичными основными материалами для высоковольтных приводов являются модифицированный цирконат-титанат свинца (PZT) и ниобат свинца-магния (PMN) для низковольтных приводов .

Композит керамики PZT (Pb, O, Ti / Zr) кристаллизуется в кристаллической структуре перовскита. Ниже пьезоэлектрической температуры Кюри искажения идеальной структуры перовскита создают дипольный момент .

В керамических пьезоэлементах внутренние диполи все еще неупорядочены после процесса спекания , поэтому пьезоэлектрические свойства не обнаруживаются. В районах Weiss или домены имеют произвольную пространственную ориентацию и компенсируют друг друга. Четко измеримые пьезоэлектрические свойства могут быть получены только с помощью внешнего постоянного электрического поля с силой в несколько МВ / м, в результате чего материал нагревается до температуры чуть ниже температуры Кюри, а затем снова охлаждается. При этом запечатленная ориентация в значительной степени сохраняется ( остаточная поляризация ) и называется направлением поляризации .

Спеченные пьезоэлементы характеризуются КПД от 25% до 50% и диэлектрической проницаемостью ε r около 1000.

Вращение доменов Вейсса за счет поляризации приводит к небольшому искажению материала и макроскопическому увеличению длины в направлении поляризации.

Другие пьезоэлектрические материалы

  • Пьезоэлектрические тонкие пленки также все чаще используются в качестве активных сенсорных материалов . С помощью полупроводниковых технологий можно нанести эти активные пьезоэлектрические тонкие пленки на кремний. В основном это оксид цинка (ZnO) или нитрид алюминия (AlN).
  • Пластиковый поливинилиденфторид (ПВДФ) может быть поляризован - подобно пьезоэлектрической керамике - и тогда он будет пьезоэлектрическим. Применения для этого - гидрофоны .

Биологическая ткань

Пьезоэлектрический эффект для костей был открыт в 1957 году. Они пьезоэлектрически реагируют на нагрузки . В 1967 году пьезоэлектрический эффект был также продемонстрирован для мягких тканей типа кожи, соединительной ткани и хряща. В частности, фибриллы и волокна коллагена пьезоэлектрически реагируют на давление, растяжение и скручивание. Однако согласно современным данным, аорта не является пьезоэлектрической.

расчет

Макроскопическое описание в контексте механики сплошных сред показано ниже. Учитывается только линейное приближение между рассматриваемыми размерами. Нелинейные эффекты, такие как электрострикция , здесь не учитываются.

геометрия

Определение направлений осей

Система координат выбрана для описания пространственно различных свойств . Для индексации обычно используется система координат x, y, z, оси которой обозначены цифрами 1, 2, 3 (ось 3 соответствует оси поляризации). В настриг шерсти на этих осей пронумерованы 4, 5, 6. На основании этих осей, пьезоэлектрические свойства выражаются в уравнениях с тензорами .

Уравнения

Простейшие уравнения пьезоэффекта содержат поляризацию P pz (единица [Кл / м²]) и деформацию S pz ( безразмерная величина ):

где d, e - пьезоэлектрические коэффициенты, E - напряженность электрического поля (В / м), а T - механическое напряжение (Н / м²). Первое уравнение описывает прямой, второе - обратный пьезоэффект.

Пьезоэлектрические коэффициенты описываются трехступенчатыми так называемыми пьезоэлектрическими тензорами . С одной стороны, у вас есть:

  • коэффициенты пьезоэлектрических искажений (реакция искажения на электрическое поле)
; с другой стороны
  • коэффициенты пьезоэлектрического напряжения (реакция механического напряжения на электрическое поле)

Два коэффициента могут быть связаны с упругими постоянными :

Эффекты второго порядка (обратный пьезоэффект) описываются коэффициентами электрострикции .

Пример структуры матриц коэффициентов для класса кристаллов 4мм , к которому также принадлежит ЦТС

Приведенные выше тензоры обычно переписываются в матричной форме ( нотация Фойгта ). Это дает матрицы с шестивалентными компонентами, которые соответствуют определению оси, показанному выше. Затем пьезоэлектрические эффекты описываются двумя связанными уравнениями, в которых вместо поляризации используется диэлектрическое смещение D.

Диэлектрическая проницаемость при постоянном механическом напряжении
Константа упругости при постоянной напряженности электрического поля

Обычно элементы этих уравнений суммируются в матрице связи. Наиболее важным параметром материала для обратного пьезоэффекта и, следовательно, для исполнительных механизмов является постоянная пьезоэлектрического заряда d. Он описывает функциональную взаимосвязь между напряженностью приложенного электрического поля и создаваемой им деформацией. Характерные размеры пьезоэлектрического преобразователя различны для разных направлений воздействия.

Слева: перекрестный эффект. Справа: продольный эффект

В области приводов важны два основных эффекта. Для этих двух эффектов уравнение разложения упрощается следующим образом

  1. Пьезоэлектрический поперечный или поперечный эффект ( эффект d 31 ). Механическая сила действует поперек приложенного поля.
  2. Пьезоэлектрический продольный или продольный эффект ( эффект d 33 ). Механическая сила действует параллельно приложенному полю.

Приложения

Сегодня пьезоэлектрические компоненты используются во многих секторах: промышленность и производство, автомобильная промышленность, медицинские технологии и телекоммуникации. В 2010 году объем продаж на мировом рынке пьезоэлектрических компонентов составил около 14,8 миллиардов долларов США.

В целом приложения можно разделить на три области:

  1. Датчики
  2. Приводы
  3. Электрические компоненты

Датчики

Возникновение пьезоэлектрического заряда в случае механической деформации используется в датчиках силы, давления и ускорения . Полученный заряд можно преобразовать в электрическое напряжение с низким импедансом источника с помощью усилителя заряда . При использовании другого варианта зарядки конденсатора этим зарядом и измерения его напряжения с помощью устройства измерения напряжения с максимально возможным сопротивлением низкое сопротивление изоляции, например, из-за влаги, может значительно исказить результат и предотвратить регистрацию медленных деформаций.

Пьезоэлемент для преобразования механического давления в электрическое напряжение.
  • В музыке пьезоэлементы используются в качестве звукоснимателей для акустических инструментов, в основном для струнных инструментов, таких как гитара , скрипка или мандолина . Динамическая деформация инструмента (вибрация звукового тела) преобразуется в низкое переменное напряжение , которое затем усиливается электрически .
  • В случае пьезоэлектрических датчиков ускорения или датчиков механическая деформация (сжатие или сдвиг) вызывает разделение зарядов из-за ускорения и, таким образом, заряд, который может попадать на осажденные из паровой фазы электроды.
  • В случае кварцевых генераторов можно использовать влияние различных переменных на резонансную частоту , а в случае компонентов поверхностных акустических волн можно использовать влияние на время задержки. Важным приложением является измерение массы кварца, например Б. в промышленных процессах нанесения покрытий для определения толщины слоя. Также можно измерить температурную зависимость частоты колебаний; однако такие колеблющиеся кварцевые термометры больше не продаются.

Приводы

Пьезоприводы можно различать по режиму работы (квазистатический или резонансный) или по направлению используемого эффекта. Различие между поперечным эффектом (поперечный эффект, эффект d31), продольным эффектом (продольный эффект, эффект d33) и эффектом сдвига (эффект d15) приводит к созданию трех различных основных элементов для пьезоэлектрических приводов. Однако эффект сдвига в исполнительных механизмах используется значительно реже, чем два других эффекта, поскольку исполнительные механизмы d15 более сложны в изготовлении. Для многомерных перемещений несколько пьезоэлементов должны быть объединены таким образом, чтобы они действовали в разных направлениях.

Основные элементы пьезоактуатора

Даже приводы, которые работают в диапазоне кГц, можно рассматривать как квазистатические, если рабочая частота значительно ниже первой резонансной частоты . Высокая точность и отличная динамика предопределяют пьезоактуатор для задач позиционирования и активного гашения вибрации. Типичные изменения длины и, следовательно, диапазонов хода составляют 0,1% от длины привода и, следовательно, порядка 100 мкм для самых больших доступных приводов. Электрическая прочность материала, высокие рабочие напряжения и кривая насыщения материала ограничивают диапазон перемещения. Короткие диапазоны хода пьезоприводов могут быть увеличены различными способами, например: B. с помощью рычагов или специальных конструкций, таких как биморфный изгибающий элемент. Это комбинация двух поперечных расширительных элементов. Противоположная поляризация или управление элементами приводит к изгибу привода.

Примеры квазистатического применения пьезоактуаторов:

  • Дисплеи Брайля для слепых, с помощью которых тактильные ручки подталкиваются вверх путем подачи напряжения на слепых, в результате чего текст на мониторе преобразуется в тактильные символы Брайля на ПК.
  • Струйный принтер ( drop-on-demand )
  • Пьезо-динамики, в которых звуковые волны генерируются переменным напряжением звуковой частоты.
  • Системы впрыска дизельного топлива с пьезоэлектрическими приводами (керамические многослойные компоненты с внутренними электродами из драгоценных металлов) с улучшенной технологией Common Rail . В этом случае частично заменяется впрыск дизельного топлива через клапаны. Пьезоприводы также используются в системе насос-форсунка с 2005 года . Промышленными компаниями, производящими такие пьезоприводы в больших количествах, являются Epcos и Bosch .

Пьезоактуаторы, работающие в резонансе , в основном используются для генерации ультразвука и в пьезодвигателях, таких как B. Используются двигатели бегущей волны . В пьезодвигателях небольшие диапазоны хода пьезоприводов складываются с использованием различных принципов, так что можно достичь очень больших диапазонов хода. В зависимости от принципа действия двигателя пьезомоторы работают квазистатически или резонансно.

Электрические компоненты

В этих приложениях механическая вибрация пьезоэлектрического твердого тела электрически возбуждается и снова электрически обнаруживается. Принципиальное различие проводится между двумя типами

В качестве компонента пьезоэлектрический преобразователь используется как форма резонансного преобразователя для генерации высокого напряжения в области инвертора . Он используется для питания люминесцентных ламп (CCFL), например, ламп , используемых в качестве фонового освещения в жидкокристаллических дисплеях .

Другое использование

Пьезоэлектрический эффект используется в пьезозажигалках , здесь внезапное высокое давление (молоток) используется в пьезо воспламенителе для генерации кратковременного высокого электрического напряжения. Искровой разряд затем зажигает пламя газа. Также используются ударные взрыватели, такие как боеголовки противотанкового оружия (Panzerfaust / RPG-7 ), пьезомикрофоны (кристаллические микрофоны ), пьезо-динамики в наушниках, безбатарейные радиопереключатели, пьезосирены и зуммеры .

Ряд микромеханических датчиков используют пьезоэлектричество, например B. Датчики ускорения , скорости рыскания , датчики давления и силы, а также ультразвуковые датчики, микровесы и датчики детонации в двигателях транспортных средств.

Некоторые микромеханические приводы также основаны на пьезоэлектричестве: пьезомоторы ( волнистые линии ), ультразвуковые двигатели , например B. Для автофокусировки линз или часовых приводов в области систем микро- и нанопозиционирования используются сканирующий туннельный микроскоп , сканирующий электронный микроскоп и атомно-силовой микроскоп с пьезоэлектрическим приводом. В клапанной технологии , инъекционные сопла от автомобилей (серийное производство началось в 2000 году для дизельных двигателей), регуляторы давления , пропорциональные и печатающие головки от струйных принтеров должны быть упомянуты. Звукосниматели , электроакустические линии задержки, как в старых цветных телевизорах PAL или SECAM , безбатарейные радиотехнологии (переключатели) и оптические модуляторы также являются пьезоэлектрическими компонентами. В технологии кормления используются многие из упомянутых компонентов. Пьезоэлектрический кристалл также используется для генерации холодного атмосферного давления плазмы, который в основном используется для поверхностной активации , уменьшения зародышей и запаха сокращения в медицине.

Подобные эффекты

веб ссылки

Commons : Piezoelectricity  - коллекция изображений, видео и аудио файлов.

Индивидуальные доказательства

  1. ^ Ричард М. Мартин: Пьезоэлектричество . В: Physical Review B . Т. 5, вып. 4 , 1972, ISSN  1098-0121 , с. 1607-1613 , DOI : 10.1103 / PhysRevB.5.1607 .
  2. а б Экберт Геринг; Рольф Мартин; Мартин Сторер: Физика для инженеров . 12-е издание. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-662-49354-0 , 9.3.3 Пьезоэлектричество.
  3. Исследователи попадают прямо в основу пьезоэлектрических тканей. В: Phys.org, Американский институт физики. 5 октября 2017, доступ к 5 декабря 2018 .
  4. Эйити Фукада, Ивао Ясуда: О пьезоэлектрическом эффекте кости . В: Журнал физического общества Японии . Лента 12 , вып. 10 , 1957, стр. 1158-1162 , DOI : 10,1143 / JPSJ.12.1158 .
  5. Моррис Х. Шамос, Лерой С. Лавин, пьезоэлектричество как фундаментальное свойство биологических тканей , Nature, том 213, стр. 267-269, 21 января 1967 г.
  6. Хартмут Гейне: Учебник биологической медицины: основы и Extrazellutäre Martix , Haug Verlag, 2015, ISBN 978-3-8304-7544-6 . С. 42 .
  7. Томас Ленц и др., Сегнетоэлектричество и пьезоэлектричество в мягких биологических тканях: новый взгляд на стенки аорты свиньи , Applied Physics Letters (2017), DOI: 10.1063 / 1.4998228 .
  8. ↑ Обзор рынка: Мировой рынок пьезоэлектрических устройств . Acmite Market Intelligence . Проверено 27 июля 2011 года.
  9. Доктор. Стефан Неттесхайм: Инновационный плазменный генератор в пьезотехнологии: применение в медицине и медицинских технологиях. (PDF) 29 октября 2015, доступ к 5 марта 2019 .