Дослідження п'єзоелектричних матеріалів: типи, властивості та технологічний вплив

Протягом багатьох років досягнення матеріалознавства створили різні п'єзоелектричні матеріали, такі як монокристали, кераміка та тонкі плівки.Ця стаття пильно розглядає п'єзоелектричні матеріали, включаючи їх властивості, типи, те, як вони працюють, та їх використання.Це підкреслює їх важливість для зв’язку машинобудування та електротехніки, що сприяє інноваціям у багатьох сферах.

Каталог

Малюнок 1: П'єзоелектричний матеріал

Що таке П'єзо?

Слово "п'єзо" походить від грецького слова "pieein", означає "натискати" або "тиск".Це добре відповідає його використанню в науці для п'єзоелектрики.У 1880 році французькі фізики Жак та П'єр Кюрі виявили п'єзоелектрику.Вони виявили, що коли певні кристали, такі як турмалін, кварц, топаз та соль Рошель, натиснули, вони створили електричний заряд.Вони також побачили, що ці кристали можуть змінювати форму, коли застосовувався електричний струм, що свідчить про те, що процес може працювати обома способами.

Це відкриття призвело до створення різних п'єзоелектричних пристроїв.Під час Першої світової війни п'єзоелектричність в основному використовувалася в ультразвукових підводних сповіщувачах.Сьогодні п'єзоелектричні матеріали використовуються в багатьох речах.Вони знаходяться в повсякденних предметах, таких як електричні запальнички для сигарет та струменеві принтери, а також у передових технологіях, таких як медичне ультразвукове зображення та точний контроль руху в робототехніці.

Типи п'єзоелектричних матеріалів

Малюнок 2: Приклади п'єзоелектричних матеріалів

Однористалічні п'єзоелектричні матеріали

Однористалічні п'єзоелектричні матеріали характеризуються їх безперервною та рівномірною кристалічною решіткою, вільною від меж зерна.Ця рівномірна структура часто призводить до кращої ефективності електромеханічного зв'язку порівняно з іншими п'єзоелектричними матеріалами.Приклади таких матеріалів включають кварц та лангасіт.Ці монокристали виробляються за допомогою точних методів росту, таких як процес Чокральського або гідротермального синтезу.Їх виняткові показники роблять їх ідеальними для точних застосувань, таких як вдосконалені системи медичної візуалізації, телекомунікаційні резонатори та фільтри та моніторинг вібрації в аерокосмічній.

Малюнок 3: Кварцовий матеріал Piezo

Керамічні п'єзоелектричні матеріали

П'єзоелектрична кераміка виготовлена ​​з структурованих перовскіт, таких як цирконат-титанат свинцевого цирконату (PZT).Ці матеріали є полікристалічними і створюються за допомогою спікання порошкоподібних речовин.Їх п'єзоелектричні властивості розробляються за допомогою процесу польоту та вирівнюють електричні диполі, застосовуючи зовнішнє електричне поле.Ці кераміки можна легко сформувати в різних формах і розмірах.Їх довговічність та економічна ефективність роблять їх популярними для використання в приводах, датчиках, ультразвукових перетворювачах та зумерах побутової електроніки.

Малюнок 4: Структура п'єзоелектричної кераміки PZT типу

Тонка плівка п'єзоелектричні матеріали

П'єзоелектрики з тонкою плівкою виготовляються шляхом відкладення шарів, що варіюються від кількох нанометрів до кількох мікрометрів товщиною, використовуючи вдосконалені методи виготовлення, такі як розпилення, осадження хімічної пари або імпульсне осадження лазера.Поширені матеріали, що використовуються в тонких плівках, включають PZT, оксид цинку (ZnO) та нітрид алюмінію (ALN).Тонкість цих плівок дозволяє їм інтегруватися в мікроелектромеханічні системи (MEMS) та наноелектромеханічні системи (NEMS), що підвищує їх функціональність у компактних пристроях, таких як мікрофони, мікро -обертання та вдосконалені сенсорні масиви.Їх сумісність із стандартними напівпровідниковими процесами та масштабованість робить їх придатними для інтегрованих схем та гнучкої електроніки.

Малюнок 5: Aln Piezoelectric тонкі плівки

Рисунок 6: Елементи PIGOP PIEZO

Вибір між тонкими фільтрами та об'ємними п'єзоелектричними матеріалами залежить від конкретних потреб програми щодо точності, потужності та довговічності.Матеріали з тонкофільми Piezo підходять у дрібних технологіях.Навпаки, масові п'єзо-матеріали є кращими у більш вимогливих, більш масштабних додатках.У таблиці нижче порівнюються тонкофільмові п'єзо-матеріали та сипучі п'єзо-матеріали на основі їх товщини, техніки виготовлення, ключових особливостей та застосувань.

Категорія	Матеріали з тонкою плівкою	Масові п'єзо -матеріали
Товщина	Кілька нанометрів до декількох мікрометрів	Кілька міліметрів до сантиметрів
Техніки виробництва	Розпилення, імпульсне лазерне осадження, хімічне осадження пари	Натискання, екструзія, обробка
Особливості	Високочастотна реакція: швидка реакція час	Висока виробництво електроенергії: виробляє електроенергію під механічне напруження
	Гнучкість: Застосовується до гнучкості поверхні	Довговічність: міцна і довговічна, підходяща для важких навантажень та суворих умов
	Точність: точний контроль на a мікроскопічний рівень	Універсальність: легко формується і розміром для конкретні потреби
Заявки	Мікроелектроніка та МЕМС: Акселерометри, гіроскопи, струменеві принтери	Збирання енергії: перетворює механічні стрес від коливань до електричної енергії
	Медичні пристрої: Ультразвукові перетворювачі Для візуалізації та терапії	Приводи та датчики: великі приводи в Автомобільна та аерокосмічна промисловість, датчики з високим навантаженням
	Телекомунікації: фільтри та Резонатори в мобільних телефонах та комунікаційних пристроях	Сонар і ультразвукові пристрої: Сонар Системи морського використання, промислові ультразвукові очищувачі

Тонкофільм PZT та методи осадження

Матеріали з тонкофільм-свинцевого цирконатного титанату (PZT) використовуються в датчиках, приводах та мікроелектрономеханічних системах (MEMS) через їх великі п'єзоелектричні властивості.Склад та ефективність тонких плівок PZT багато залежать від їх методів осадження, які можуть впливати на їх структуру, орієнтацію та п'єзоелектричні показники.Три основні методи осадження: соль-гель, розпилення та металеве органічне хімічне осадження пари (MOCVD).

Малюнок 7: Гнучкий тонкофальмський PZT

Соль-гельський процес

Процес соль-гелю-це економічно вигідний спосіб відкладення тонких плівок PZT та дозволу контролювати склад плівки на молекулярному рівні.Ця методика починається з підготовки колоїдного розчину (SOL), який перетворюється на гель.Важливі кроки включають гідролізуючі та полімеризуючі металеві алкоксиди.Отриманий гель наноситься на підкладку за допомогою спінового покриття або покриття з подальшим теплотом для видалення органічних компонентів та кристалізації фази ПЗТ.

Малюнок 8: Соль-гельський процес для тонких плівок PZT

Переваги

• Дозволяє тонкий контроль над стехіометрією, вдосконалюючи п'єзоелектричні властивості

• Використовує менші температури порівняно з іншими методами

Виклики

• Важко отримати постійну товщину та склад на великих ділянках

• Висока усадка під час висихання та стрільби часто викликає тріщини

Розпилення

Розпилення-це техніка фізичного осадження пари (PVD), де високоенергетичні частинки збивають матеріал з цілі, потім відкладають на підкладку.Для плівок PZT використовується RF Magnetron Sputtering, що включає плазму іонів аргонів, що вражають ціль PZT.

Малюнок 9: Метод осадження розпилення тонкого фільму осадження

Переваги

• виробляє плівки з хорошою адгезією та щільністю

• Підходить для покриття великих субстратів рівномірно

Виклики

• Стрес може наростати у фільмах, що впливають на їх властивості

• Склад цілі може змінюватися під час розпилення через диференціальні врожайності

Металева органічна хімічна осадження пари (MOCVD)

MOCVD передбачає розкладання метало-органічних попередників у паровій фазі і реагує або розкладається на нагрітому підкладці, утворюючи тонку плівку.Цей метод є кращим для виробництва високої чистоти, добре кристалізованих плівок, придатних для електронних застосувань.

Переваги

• забезпечує чудову рівномірність плівки та відповідність навіть на складних підкладках

• Добре для виробництва великого обсягу

Виклики

• вимагає більш високих температур, ніж інші методи

• Поводження та зберігання металоорганічних попередників може бути небезпечним

Малюнок 10: Органічне хімічне осадження парів металу

Як діють матеріали під напругою

Поведінка під стисненням

Коли такі матеріали, як кварц або титанат барію, стискаються, вони змінюються способами, які впливають на їх використання на різних пристроях.Ці матеріали мають спеціальні конструкції, які створюють електричні заряди при натисканні.Коли вони стискаються, вони скорочуються та зміни їх внутрішньої структури.

Це видавлення призводить до того, що електричні заряди всередині кристала стають нерівномірно розподіленими.Тиск рухає іони в структурі кристала, створюючи електричне поле.Це трапляється через те, що позитивні та негативні центри зарядки в зсуву матеріалу.Кількість електричної реакції залежить від типу кристала, застосованої сили та напрямку кристала відносно сили.

Наприклад, у датчиках напруга, що виробляється кристалами, може виміряти застосовану силу, що робить їх ідеальними для виявлення тиску та моніторингу навантажень.У приводах застосування електричного поля може зробити форму кристала, що дозволяє точно контролювати рухи в таких речах, як ультразвукові пристрої та форсунки автомобіля.

Малюнок 11: П'єзоелектричні матеріали працюють

П'єзоелектрична реакція на тиск

Коли п'єзоелектричні матеріали стикаються з механічним тиском, їх молекули переставляються, впливаючи на їх електричні властивості.Сила змінює молекулярну структуру, вирівнюючи області з рівномірним електричним напрямком, збільшує електричну поляризацію.

Це вирівнювання збільшує розділення заряду в матеріалі, посилюючи його електричну поляризацію.Простіше кажучи, тиск робить диполі (молекули з двома протилежними зарядами) більш рівномірними, створюючи більш сильне електричне поле для заданої сили.

Здатність точно контролювати цю відповідь під різним тиском робить п'єзоелектричні матеріали дуже корисними в багатьох технологіях.Їх здатність перетворити механічний тиск в електричні сигнали, і навпаки дозволяє ефективно використовувати їх у таких завданнях, як генерування точних електронних частот та моніторингу вібрацій у промислових умовах.

П'єзоелектричний ефект

Малюнок 12: П'єзоелектричний ефект

Перетворення механічної енергії в електричну енергію з п'єзоелектричним ефектом

П'єзоелектричний ефект змінює механічну енергію в електричну енергію, деформуючи певні кристалічні матеріали.Ці матеріали, відомі як п'єзоелектрики, включають такі природні речовини, як кварц та синтетичні, такі як вдосконалена кераміка.

Коли п'єзоелектричний матеріал стикається з механічним напруженням, таким як стискання, скручена або зігнута, його кристалічна структура, не має центральної симетрії і порушується.Це порушення зміщує центри зарядів у кристалі, що викликає поляризацію та створює електричний потенціал у певних точках матеріалу.

Ключові моменти цього процесу:

Вироблений електричний заряд відповідає кількості застосованого механічного напруження.Це означає, що електричний вихід можна точно керувати на основі відомої застосованої сили;

Коли сила знята, матеріал повертається до початкового стану, і електричний заряд відходить.Це забезпечує довговічність та надійність матеріалу, корисні для пристроїв, які повинні добре працювати добре.

Перетворення електричної енергії на механічну енергію зі зворотним п'єзоелектричним ефектом

Зворотний п'єзоелектричний ефект змінює електричну енергію назад у механічну енергію.Застосування електричної напруги до п'єзоелектричного матеріалу створює електричне поле, яке змінює кристалічну структуру решітки, змінюючи розміри матеріалу.

Цей ефект використовується в точних приводах в оптичних інструментах та системах мікропозиції.Зворотний п'єзоелектричний ефект забезпечує, що невеликі електричні входи призводять до точних, контрольованих механічних коригувань, сприяння просуванню робототехніки, автомобільних технологій, медичних інструментів та телекомунікацій.

Подвійна здатність п'єзоелектричного ефекту діяти як механічно-електричний, так і електричний до механічного перетворювача, підтримує технологічний прогрес.Він з'єднує механічні та електричні домени, розширюючи сучасну інженерію та інновації.

Малюнок 13: Прямий і зворотній п'єзоелектричний ефект

Порівняння не-пієзоелектричних та п'єзоелектричних матеріалів

Неп'єзоелектричні та п'єзоелектричні матеріали відрізняються тим, як вони обробляють механічну та електричну енергію.Неп'єзоелектричні матеріали, такі як сталь та алюміній, можуть проводити електроенергію, але не створювати електричний заряд при стресі.П'єзоелектричні матеріали, такі як кварц та певна кераміка, можуть змінити механічну енергію в електричну енергію через їх спеціальну кристалічну структуру.

Неп'єзоелектричні матеріали мають симетричні кристалічні решітки, тому вони не виробляють електричний диполь при стресі.П'єзоелектричні матеріали мають асиметричні кристалічні решітки, що дозволяє їм генерувати електричний заряд, коли під напругою.Ця деформація викликає внутрішню поляризацію та створює електричний потенціал.

Неп'єзоелектричні матеріали поводяться як звичайні провідники або ізолятори на основі їх мобільності електронів та структури смуги, і вони не створюють електричний заряд при деформі.П'єзоелектричні матеріали демонструють два ефекти: прямий п'єзоелектричний ефект, де механічне напруження генерує електричний заряд, а зворотна п'єзоелектрична ефект, де електричне поле викликає механічну деформацію.Ці характеристики роблять п'єзоелектричні матеріали придатними для використання в датчиках та приводах.

Завдяки різним властивостям, в різних застосуванні використовуються не-пієзоелектричні та п'єзоелектричні матеріали.Неп'єзоелектричні матеріали використовуються в конструкційних компонентах, електричній проводці та стандартних електронних частинах, де важлива міцність та провідність.П'єзоелектричні матеріали використовуються в полях, які потребують точного управління та механічно-електричної енергії, наприклад, ультразвукове обладнання, пристрої з точним позиціонуванням та різні датчики та приводи, корисні для передових технологій.

Застосування п'єзоелектрики

Споживча електроніка: У смартфонах та інших пристроях п'єзоелектричні деталі використовуються в динаміках та мікрофонах.Вони перетворюють електричні сигнали на звукові коливання або звукові коливання в електричні сигнали для введення аудіо.

Автомобільна промисловість: Сучасні автомобілі використовують п'єзоелектричні датчики для багатьох цілей, таких як контроль вприскування палива в двигуни та моніторинг тиску в шинах.

Моніторинг навколишнього середовища: п'єзоелектричні датчики виявляють зміни тиску, вібрації та звуки.Вони використовуються для перевірки умов навколишнього середовища та забезпечення безпеки будівель та мостів.

Збирання енергії: П'єзоелектричні матеріали можуть фіксувати енергію від механічного напруження.Наприклад, підлоги, які перетворюють кроки в електричну енергію, можуть вогняні електроенергії та електроніку в зайнятних районах, допомагаючи створити стійкі умови.

П'єзоелектричні запальнички високої напруги: Ці запальнички, які використовуються для освітлювальних газових печей та шашликів, і створюють високу напругу з невеликого механічного кліпу, створюючи іскру, щоб запалити пальник.Це показує практичне використання п'єзоелектричних матеріалів.

Медична візуалізація: П'єзоелектричні кристали корисні в ультразвукових машинах.Вони виробляють звукові хвилі, які відскакують тканини та органи, створюючи зображення для діагностики.

Точні приводи в наукових інструментах: П'єзоелектричні матеріали з точних приводів створюють крихітні рухи для оптики та нанотехнологій.Ці приводи регулюють дзеркала, лінзи та інші частини з мікроскопічною точністю для наукових досліджень та виробництва напівпровідників.

Висновок

Вивчення п'єзоелектричних матеріалів демонструє міцний зв’язок між фізикою та інженерією, демонструючи, як їх природні властивості можна використовувати для багатьох технологічних цілей.Універсальність п'єзоелектричних матеріалів, доступних як сильних об'ємних матеріалів, так і гнучких тонких плівок, робить їх придатними для різних застосувань, таких як збирання енергії, моніторинг навколишнього середовища та розробка стійких технологій.По мірі продовження інновацій, дослідження та розробки в п'єзоелектричних матеріалах є важливішими, перспективними покращенням ефективності, точності та функціональності для майбутніх технологій.

Часті запитання [FAQ]

1. Що спричиняє виробництво електроенергії з п'єзоелектричного ефекту?

П'єзоелектричний ефект виникає, коли певні матеріали виробляють електричний заряд у відповідь на механічне напруження.Ці матеріали, такі кристали, як кварц, кераміка, такі як барієвий титанат та деякі полімери, мають кристалічну решітку, яка не є нецензиметричною, тобто йому не вистачає центру симетрії.Коли застосовується механічна сила, така як тиск або вібрація, ця структура спотворюється.Це спотворення витісняє іони всередині решітки, створюючи ділянки з позитивними та негативними зарядами.Просторове розділення цих зарядів призводить до електричного потенціалу, що виробляє електроенергію.Цей ефект є оборотним, а застосування електричного поля до цих матеріалів також спричинить механічне напруження.

2. Який пристрій використовує п'єзоелектричний ефект?

Пристрої, які використовують п'єзоелектричний ефект, різноманітні і включають як повсякденне, так і спеціалізоване обладнання.Загальні програми:

Кварцові годинники: Використання звичайних коливань кварцу під електричним полем, щоб точно зберегти час.

Медичні ультразвукові пристрої: генерування звукових хвиль, що перегукуються всередині тіла для створення діагностичних зображень.

Інжектори палива в автомобілях: Використання п'єзоелектричних приводів для контролю термінів та кількості введеного палива в циліндри двигуна.

П'єзоелектричні датчики та акселерометри: вимірювання змін тиску, прискорення, напруги або сили, перетворюючи їх на електричний сигнал.

3. Скільки вольт п'єзо?

Вихід напруги п'єзоелектричного елемента може сильно відрізнятися залежно від його розміру, матеріалу та кількості застосованого механічного напруження.Невеликий п'єзо -елемент, як ті, що знаходяться у запальничках або електронних пристроях, може створити шип напруги, починаючи від кількох вольт до декількох сотень вольт.Однак ці результати, як правило, знаходяться на дуже низьких струмах і тривають лише мікросекунди.

4. Чи потрібен п'єзо резистор?

У багатьох програмах резистор використовується з п'єзоелектричним елементом для обмеження струму та захисту інших компонентів у ланцюзі від шипів високої напруги, що виробляється при активації п'єзо.Значення резистора залежить від конкретних вимог ланцюга, включаючи потрібний час реакції та чутливість.Без резистора п'єзо може потенційно пошкодити з'єднані електронні компоненти через високий початковий шип напруги.

5. Як п'єзоелектрик пов'язаний з силою людини?

П'єзоелектричний ефект безпосередньо застосовується до використання людської сили інноваційними способами.Він може перетворювати механічну енергію з людських заходів, таких як ходьба або натискання кнопок, в електричну енергію.Ця технологія досліджена в різних додатках:

Енергозбірна плитка підлоги: Ці плитки виробляють електроенергію від тиску підпад у напружених районах, таких як станції метро або торгові центри.

Технологія, що носиться: вбудовування п'єзоелектричних матеріалів у взуття або одяг, щоб генерувати потужність для невеликих пристроїв через звичайні рухи тіла.

Медичні імплантати: Використання руху тіла до силових пристроїв, таких як кардіостимулятори, зменшуючи або усуваючи потребу у зовнішніх акумуляторах.