Обратный и прямой пьезоэлектрический эффект: Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект — Студопедия

Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект — Студопедия

В 1880 году братья Кюри, исследуя свойства кристаллов кварца заметили, что если пластину сжать с двух сторон, то на её гранях перпендикулярных направлению сжатия возникают электрические заряды, на одной стороне положительные, на противоположной -отрицательные.

Такими же свойствами обладают сигнетовая соль и турмалин.

При растяжении на поверхностях кварца возникают заряды, но знаков противоположных тем которые возникают при сжатии.

Явление возникновения электрических зарядов при сжатии или растяжении пластинки получило название прямого пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект обратим, то есть пластина кварца, помещенная в электрическое поле будет сжиматься и растягиваться с частотой, соответствующей частоте смены знаков электрических зарядов. Таким образом, пьезоэлектрические пластины становятся излучателями ультразвука. Это обратный пьезоэлектрический эффект.

Для создания электрического контакта на поверхности пьезопластины наносят тонкий слой серебра, служащий электродом. При подаче на них электрического напряжения пластина изменяет свою толщину вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта.

Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель, и наоборот, если пьезопластина воспринимает импульс давления, то на её обкладках в следствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются заряды, величина которых может быть замерена. В этом случае пластина работает как приемник. Мощность колебания пластины зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты переменного тока и собственной частоты колебаний пластины.

Таким образом, пластина излучает ультразвуковые волны благодаря обратному пьезоэффекту, а принимает – благодаря прямому.

Наибольшую излучающую мощность можно получить при резонансе, когда собственная частота колебаний пьезопластины будет соответствовать частоте переменного тока генератора, возбуждающего его.

Пьезоэлектрическую пластину выбирают такой, чтобы её толщина была равна половине длины ультразвуковой волны в материале пластины.

δ = λ_п / 2 = C / 2f_п

λп – длина волны в материале пьезопластины

Сп – скорость ультразвука в материале пластины

δ – толщина пластины

Пьезоэлектрические материалы — Студопедия

Обратный пьезоэлектрический эффект ныне широко используется в науке и технике. Приложенное к пьезоэлектрическим кристаллам переменное напряжение вынуждает их совершать колебания и излучать звуковые волны, что находит применение в ультразвуковых устройствах (преобразователях) и т.д.

Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхности пластинки при ее деформации называется прямым пьезоэлектрическим эффектом.

В 1881 году Габриэль Липман сформулировал общую теорему, в которой утверждал, что, зная о существовании некоторого физического явления, можно предсказать существование и величину обратного эффекта, применимого к этому явлению. Эту теорему он применил к явлению пьезоэлектричества. Его утверждение представлено было так, при сжатии или растяжении некоторых кристаллов, например кварца, на его обкладках возникают электрические заряды. Так как механические силы, порождая заряды, изменяют размеры кристалла (изменение размеров приводит к возникновению напряжения), Липман предсказал, что если к кристаллу приложить напряжение, то это вызовет изменение его размеров. Пьер и Жак Кюри подтвердили предположение Липмана экспериментально, тем самым открыв явление обратного пьезоэффекта, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу кварца, вызывая его вибрацию (сжатие и растяжение) в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Начиная с 1882 г. Европейское научное сообщество интенсивно изучало кристаллы с несимметричной структурой, обладающие пьезосвойствами. Исследовался взаимный обмен электрической и механической энергии в этих материалах, термодинамические соотношения, измерялись механические, электрические и температурные константы.

К 1910 г. было обнаружено 20 классов кристаллических решеток, обладающих пьезосвойствами. В этом же году немецкий ученый Волдемар Войгт выпустил учебник «Lerbuch der Kristallphysik», который стал стандартом в понимании анизотропии физических свойств материалов и в частности пьезоэффекта.

Материалы, обладающие пьезоэффектом, условно можно разбить на группы:

• – природные и синтетические материалы;
• – монокристаллы, пьезокерамика и полимеры.

Как уже упоминалось ранее, сущность прямого пьезоэффекта состоит в том, что при сжатии пластинки, вырезанной с получением определенной кристаллографической ориентации из кристалла, вызывает образование электрических зарядов на его гранях: положительного заряда на одной грани и отрицательного – на другой. При растяжении кристаллической пластинки также происходит образование зарядов, но если заряд на этой грани при сжатии был положительным, то при растяжении заряд на этой грани – отрицательный, и наоборот.

Прямой пьезоэлектрический эффект возникает в том случае, когда упругая деформация кристалла с таким ассиметричным искажением распределения положительных и отрицательных зарядов в структуре твердого тела, что возникает общий дипольный момент, т.е. твердое тело поляризуется.

Обратный пьезоэлектрический эффект возникает в том случае, когда внешнее электрическое поле вызывает такое искажение распределения зарядов, которое вызывает геометрические искажения, проявляющиеся в виде деформаций.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают только ионные кристаллы, у которых отсутствует центр симметрии в кристаллической решетке. Из известных 32 кристаллических классов не имеет центра симметрии 21 класс. Однако у одного из них сочетание других элементов симметрии делает пьезоэффект невозможным. Таким образом, пьезоэлектрические свойства могут наблюдаться у 20 кристаллических классов.

Рисунок 46 – Кристалл кварца

Всего известно более 1500 веществ, у которых проявляются пьезоэлектрические свойства. Остановимся на свойствах кварца. Кристаллы кварца SiO2 (рисунок 46) существуют в различных кристаллографических модификациях. Интересующие нас кристаллы (α-кварц) принадлежат к так называемой тригональной кристаллографической системе и обычно имеют форму, показанную на рисунках 46 и 47, 

а. Они напоминают шестигранную призму, ограниченную двумя пирамидами, однако имеют еще ряд дополнительных граней. Такие кристаллы характеризуются четырьмя кристаллическими осями, определяющими важные направления внутри кристалла. Одна из этих осей – Z соединяет вершины пирамид. Три другие X₁, X₂, X₃ перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Направление, определяемое осью Z, пьезоэлектрически неактивно: при сжатии или растяжении по этому направлению никакой поляризации не происходит. Напротив, при сжатии или растяжении в любом направлении, перпендикулярном к оси Z, возникает электрическая поляризация. Ось Z называется оптической осью кристалла, а оси X₁, X₂, X₃ – электрическими или пьезоэлектрическими осями и расположены под углом 120 градусов друг к другу.

Оси Y₁, Y₂, Y₃называются нейтральными или механическими и направлены перпендикулярно к каждой площадке призмы через середины противолежащих граней, этих осей в кристалле также три (рисунок 47, в). Оси X и Y перпендику­лярны оси Z.

Рисунок 47 – а) кристалл кварца; б), в) изготовление пластины  х-среза; г) кварцевая пластинка, вырезанная перпендикулярно к пьезоэлектрической оси

Вырезанный из кварцевого кристалла прямоугольный параллелепипед (пластина), грани которого перпендикулярны осям Y и X, обладает пьезоэлектрическими свойствами (рисунок 47, в). Различают продольный и поперечный пьезоэлектрические эффекты (рисунок 47, г).

Продольный пьезоэффект заключается в том, что при сжатии или растяжении пластины вдоль оси Х на гранях пластины ABCD и EFGH, перпендикулярных к оси 

Х, получаем разноименные заряды. Т.е., при продольном пьезоэффекте заряды или механическая деформация возникают на противоположных гранях пьезопластинки в направлении приложенного механического усилия или электрического поля соответственно.

Поперечный пьезоэффект заключается в том, что прикладывая механические напряжения вдоль оси Y возникает поляризация вдоль оси Х и на тех же гранях АВСD и ЕFGН появляются поляризационные заряды. Т.е., при поперечном пьезоэффекте заряды или деформация возникают в направлении, перпендикулярном направлению механических усилий или приложенного электрического поля соответственно.

Пьезоэффект наблюдается лучше всего в случае, когда пластинки выре­заны в плоскости, при которой широкие стороны (длина и ширина) пластинок параллельны оси Z и одной из осей Y, а толщина пластинок параллельна оси Х.  Такую пластинку называют Х-срезом. Если пластинку, вырезанную та­ким способом, деформировать в на­правлении оси Х, то на ее поверхнос­ти возникнут электрические заряды. Если пластину поместить в перемен­ное электрическое поле, направлен­ное вдоль оси Х, то пластина будет совершать толщинные колебания (рисунок 48, а). Пластинки X-среза обладают продольным пьезоэффектом, при котором образуются волны сжатия-растяжения (продольные волны).

В некоторых случаях из­готавливают пластины Y-среза, то есть такие, у которых толщина совпадает с направлением оси Y, а длина и ширина параллельны осям X и Z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колеба­ния (рисунок 48, а). Пластинки Y-среза обладают поперечным пьезоэффектом, при котором образуются сдвиговые (поперечные) волны (рисунок 48, б).

а) б)

Рисунок 48 – Колебания пьезоэлектрической пластины в переменном электрическом поле: а) Х-среза и Y-среза; б) ПЭП поперечных волн, ориентированных нормально к поверхности на основе пьезопластины Y-среза.

 

2.2 Природа пьезоэлектричества на монокристаллах

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В ионных кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется электрический момент и в отсутствие электрического поля. Однако эта поляризация обычно не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются относительно друг друга и поэтому, изменяется электрический момент кристалла, т.е. проявляется поляризация, вызванная изменением расстояния между центрами тяжести разноименных зарядов.

 

Рисунок 49 поясняет возникновение пьезоэффекта в кварце – двуокиси кремния Si0₂. Здесь схематически показаны проекции положительных ионов Si – знаком , и отрицательных ионов О – знаком в плоскости, перпендикулярной оси Z. Ион кремния имеет заряд (+4), ион кислорода – заряд (-2). Этот рисунок не соответствует фактической конфигурации ионов в элементарной ячейке кварца, в которой ионы не лежат в одной плоскости, а их число больше показанного. Однако, он правильно передает симметрию взаимного расположения ионов, что уже достаточно для качественного объяснения.

Рисунок 49, а соответствует недеформированному кристаллу, элементарная ячейка кварца является электрически нейтральной. Заряд иона кремния 1 компенсируется зарядами ионов кислорода 2 и 6, расположенных от плоскости А дальше, чем ион 1, и т.д.

При действии внешней силы в направлении электрической оси Х₁(сжатии пластины) элементарная ячейка деформируется и приобретает вид, изображенный на рисунке 49, б. При этом положительный ион кремния 1 и отрицательный ион кислорода 2 «вдавливаются» внутрь ячейки, отчего выступающие заряды (положительный на плоскости А и отрицательный на плоскости В) уменьшаются, что эквивалентно появлению избыточного отрицательного заряда на плоскости А и соответственно избыточного положительного заряда на плоскости В.

При изменении направления деформации вдоль оси Х₁ (растяжении) полярность заряда поверхностей А и В меняется на противоположную (рисунок 49, в). Ионы 1 и 2 «выталкиваются» из элементарной ячейки, поэтому на грани А возникает дополнительный положительный заряд, а на грани В – отрицательный заряд.

Рисунок 49 – Принципиальная схема возникновения пьезоэффекта в двуокиси кремния: а) нейтральное состоянии ячейки; б) пластина сжата в продольном направлении (или в поперечном направлении растянута;

в) пластина растянута в продольном направлении (или в поперечном направлении сжата)

Анализ симметрии в теории твердого тела показывает, что пьезоэлектрический эффект может существовать только в кристаллах, в которых элементарная ячейка не имеет центра симметрии.

Ацентричные монокристаллы, обладающие пьезоэффектом, подразделяются на природные и синтетические.

К природным пьезоэлектрическим материалам относятся кварц и его производные: бесцветный кварц – горный хрусталь, фиолетовый – аметист, дымчатый – раухтопаз, черный – морион, золотистый – цитрин и др. Различные окраски обычно обусловлены наличием примесных атомов. Встречаются также сложно окрашенные кристаллы кварца за счет микровключений посторонних минералов: зеленый празем – включения микрокристалликов актинолита или хлорита; золотистый мерцающий авантюрин – включения слюды или гематита, и др.

Природные кристаллы кварца содержат в себе примеси, образующие структурные дефекты, снижающие их ценность. К числу дефектов относятся включение инородных минералов, трещины, пузыри, фантомы, голубые иглы и т.д. Природный пьезокварц являлся весьма редким и дорогим минеральным сырьем. Его месторождения имеются в небольшом числе России. В связи с этим потребности бурно развивающейся электроники в настоящее время удовлетворяются синтетическими монокристаллами кварца, которые выращиваются в автоклавах при повышенных температуре и давлении из насыщенных диоксидом кремния щелочных растворов.

Выращенные кристаллы разрезают на блоки и заготовки на специальных станках алмазным пилами при интенсивном жидкостном охлаждении. Вырезанные заготовки должны иметь точную ориентацию граней (от 1 до 5 угловых минут) по отношению к кристаллографическим осям кристалла. Вырезанные заготовки кристаллических пластин подвергаются механической обработке для придания им окончательной формы и размеров, а также нужной чистоты обработки поверхностей. Форма и размеры пластины определяют (при соблюдении точности ориентации) частоту и другие электрические характеристики, а чистота обработки – уровень потерь при колебаниях и стабильность частоты во времени. Чистота обработки в самом худшем случае определяется классом 9, достигая для высокостабильных и высокочастотных резонаторов самого высшего класса (13… 14) и выполняется шлифовкой пластин абразивными порошками карбида бора, наждака и корунда, в несколько переходов.

Затем производят очистку заготовок промывкой различными растворителями и водой. Последней операцией обработки заготовок является травление. Кварц травят в плавиковой кислоте или ее соединениях. Травлением удаляют остатки продуктов обработки, а также нарушенный процессами шлифовки поверхностный слой. Пластины подвергают прокаливанию при температуре 450 °С и медленному охлаждению с целью уменьшения механических напряжений. Для очистки широко используют ультразвуковые моечные установки. Качество очистки пластин существенно определяют характеристики стабильности частоты резонаторов.

Протравленные, тщательно очищенные от возможных загрязнений пластины поступают на участок металлических покрытий. Электродные покрытия наносят на кристаллические пластины различными методами. На низкочастотные пьезоэлементы наносят никелевые покрытия химическим способом. Для повышения адгезии покрытия никелированные пластины подвергают отжигу в вакууме при температуре 400 °С. Никелевые покрытия позволяют применять непосредственную припайку к ним проволочных держателей. На высокочастотные пьезоэлементы перед нанесением электродных покрытий наносят контактные площадки, к которым присоединяются держатели. Обычно контактные площадки осуществляют вжиганием специальной пасты, представляющей смесь дисперсного серебра с порошком легкоплавкой эмали и органической связкой. Выжигание этой пасты производят в туннельных или муфельных печах при температуре 470… 500 °С, что обеспечивает прочное соединение выжженного серебра с кварцем. Далее на пластины наносят электродные покрытия испарением металла в вакууме. Нанесение электродных покрытий вызывает изменение частоты пьезоэлемента, поэтому эта операция контролируется (по времени или непрерывным измерением частоты). После этого пластины прокаливают, чтобы стабилизировать структуру электродных покрытий.

В качестве материалов для электродных покрытий высокочастотных пьезоэлементов используют преимущественно серебро, а на частотах выше 30 МГц – алюминий.

Затем производится окончательная настройка частоты и монтаж пьезоэлемента в корпус. Окончательную настройку низкочастотных резонаторов чаще осуществляют подшлифовкой граней или ребер пьезоэлемента абразивным бруском. Широко используется также способ, известный как способ настроечных масс. На поверхность пьезоэлемента напаивают небольшие частицы припоя, массу которых затем можно либо уменьшать, либо увеличивать, изменяя тем самым частоту пьезоэлемента. Иногда используют способ настройки, основанный на увеличении или уменьшении массы нанесенных электродных покрытий. Указанные способы позволяют как повышать, так и понижать частоту пьезоэлемента.

Высокочастотные пьезоэлементы настраивают изменением массы тонких электродных покрытий. На многих предприятиях для этого используют гальванический способ, при котором на электродные покрытия наращивают (или удаляют) тонкий слой металла (серебра, золота, никеля).

Более совершенным является способ вакуумной настройки, при котором на специальных вакуумных установках наносят тонкую пленку проводящего, плохо проводящего (резистивного) или непроводящего (диэлектрического) материала. При этом пьезоэлемент включают в схему генератора, что позволяет контролировать изменение частоты в течение всего процесса настройки, прекращая его в тот момент, когда частота окажется в пределах нужного допуска. Нанесение резистивных или диэлектрических пленок при настройке более предпочтительно, так как не сопровождается изменением и ухудшением спектральных характеристик, как это имеет место при нанесении проводящих пленок.

Широко используется также способ настройки частоты в газовом разряде, основанный на воздействии на поверхность электрода ионизированных частиц газа (ионная бомбардировка), вследствие чего частота резонаторов повышается. Этим способом возможна настройка частоты после герметизации резонаторов. Он используется также для настройки частоты вакуумных резонаторов. Для окончательной настройки частоты (чаще резонаторов в стеклянных баллонах) используют воздействие лазерного луча на электродные или специальные настроечные покрытия. Лазерная настройка широко применяется в производстве микро резонаторов.

Турмалин. Название от сингальского «турмали», что означает «камень, притягивающий пепел». В Европу с острова Цейлон (Шри-Ланка) был привезен голландскими купцами около 1703 г. По химическому составу турмалин представляет собой сложный алюмоборосиликат с примесями магния, железа или щелочных металлов (Na, Li, K). Цвет от чёрного до зелёного, также красный до розового, реже бесцветный. Турмалин является пироэлектриком, у которого при нагревании или охлаждении появляются электрические заряды на поверхности кристалла. При нагревании один конец пироэлектрика заряжается положительно, а при охлаждении он же – отрицательно. Появление зарядов связано с изменением существующей поляризации при изменении температуры кристаллов. При трении электризуется, обладает сильным пьезоэлектрическим эффектом. Турмалин широко распространён в природе, однако в большинстве случаев кристаллы изобилуют трещинами. Бездефектные кристаллы, годные для пьезоэлектрических резонаторов, встречаются редко. Основным преимуществом турмалина является большая механическая прочность, поэтому из него возможно изготовление резонаторов на более высокие частоты. В настоящее время турмалин почти не используется для изготовления пьезоэлектрических резонаторов и имеет ограниченное применение для измерения гидростатического давления.

Сегнетова соль. Кристаллы сегнетовой соли получают из отходов виноделия. Сегнетоэлектричество впервые было открыто на кристаллах сегнетовой соли в 1920 г., поэтому класс, в который входит сегнетова соль и еще более 100 веществ, называется сегнетоэлектриками. Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной из осей кристалла). Причиной таких свойств является спонтанная поляризация сегнетиков. Из-за особо сильного взаимодействия частиц сегнетик можно разделить не на отдельные молекулы, а на целые области, электрические домены. Домен – область кристалла с однородной атомно-кристаллической, магнитной или электрической структурами, закономерным образом повернутыми и (или) сдвинутыми друг относительно друга. Внутри домена возникает большой электрический момент даже в отсутствии внешнего поля. Однако ориентированы они весьма хаотически, и суммарная поляризованность близка к нулю (рисунок 50). Во внешнем поле

поляризованность доменов становится со направленной с ним, а если убрать поле, то сохраняется остаточная поляризация.

Сегнетова соль гигроскопична. Для предохранения от воздействия влаги пьезоэлементы из сегнетовой соли покрывают тонкими пленками лака. Пьезоэлементы из сегнетовой соли широко использовались в аппаратуре, работающей в сравнительно узком температурном интервале, в частности, в звукоснимателях. Однако в настоящее время они почти полностью вытеснены керамическими пьезоэлементами.

Естественные пьезоэлектрические кристаллы в своем большинстве очень хрупки и не выдерживают больших механических нагрузок или имеют низкую температуру плавления, при которой они теряют пьезоэлектрические свойства и больше не восстанавливают их. Поэтому в науке и технике получили применение синтетические пьезоэлектрические материалы.

Ниобат лития. Ниобат лития (рисунок 51) – синтетический монокристалл – соединение ниобия, лития и кислорода. Ниобат лития не растворяется в воде, не разлагается при высоких температурах, отличается высокой механической прочностью. По электрическим свойствам он представляет собой сегнетоэлектрик с температурой Кюри около 1200 градусов Цельсия.

Рис. 51 Кристаллическая решетка ниобата лития

Благодаря своим высоким пьезоэлектрическим и механическим свойствам, в том числе и низкой добротности, ниобат лития является перспективным материалом для изготовления преобразователей различного назначения. Тонкие пленки ниобата лития, получаемые катодным распылением в вакууме, представляют собой ориентированные поликристаллические текстуры, которые могут быть использованы в качестве излучателей и приемников ультразвуковых колебаний СВЧ-диапазона.

Также в настоящее время все важные пьезоэлектрические монокристаллы, такие как дигидрофосфат аммония, ортофосфат галлия и сложные оксиды лантана и галлия, выращиваются искусственно.

Хотя новые монокристаллические пьезоматериалы продолжают разрабатывать и сейчас, наиболее широко применяемым классом пьезоэлектрических материалов являются поликристаллические пьезокерамические материалы. Они обладают гораздо более богатым набором полезных характеристик, а также способны функционировать в более широком диапазоне рабочих условий.

По физическим свойствам пьезокерамика – поликристаллические сегнетоэлектрики (сегнетоэлектрики – монокристаллические и поликристаллические вещества, которые способны поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля при температуре ниже фазового перехода – точки Кюри), представляющий собой химическое соединение или твердый раствор (порошок) зерен (кристаллитов). По химическому составу это сложный оксид, состоящий из ионов свинца или бария, а также ионов титана или циркония. Кристаллическая структура пьезокерамики показана на рисунке 52, каждая частица которой состоит из «малого» иона четырехвалентного металла (обычно титана или циркония) в кристаллической решетке, «большого» иона двухвалентного металла (обычно свинца или бария), а также ионов кислорода О₂ (рисунок 52, а). При определенных условиях кристаллы приобретают тетрагональную или ромбогедральную симметрию, в результате чего кристалл получает дипольный момент (рис. 52, б). Путем изменения основного соотношения исходных материалов и введения добавок

синтезируют разные составы пьезокерамики, обладающие определенными электрофизическими и пьезоэлектрическими характеристиками.

Наибольшее распространение получила группа пьезокерамических материалов типа ЦТС (цирконата-титаната свинца). Вместе с тем используется керамика на основе титаната бария (ТБ) и титаната свинца (ТС). В последние годы разрабатываются новые пьезокерамические материалы со свойствами, позволяющими в некоторых случаях использовать их вместо более дорогостоящих пьезоэлектрических кристаллов. В частности, разработана и производится группа материалов на основе ниобата свинца, которая уже нашла практическое применение благодаря возможности ее использования в диапазоне частот до 30 и более МГц. Значительные исследования проводятся по созданию пьезокерамических композитных материалов, а также многослойной керамики. Зарубежные производители в зависимости от пьезоэлектрических свойств делят ее на сегнетожесткую и сегнетомягкую. В отечественной практике существует дополнительное деление на керамику средней сегнетожесткости, а также выделяются высокостабильные, высокотемпературные и т. п. материалы.

Керамическая технология изготовления пьезоэлементов не накладывает принципиальных ограничений на их форму и размеры. Эти обстоятельства, а также высокие значения пьезоэлектрических характеристик обусловили широкое применение керамических пьезоэлементов в технике, в особенности в устройствах для излучения и приема ультразвуковых колебаний. Пьезокерамические элементы изготавливаются путем смешивания нескольких составляющих, последующего прессования или литья, затем обжигаются на воздухе при температуре 1000–1400 градусов по Цельсию. С целью уменьшения пористости обжиг может проводиться в среде кислорода. По специальной технологии на поверхность заготовок наносятся электроды, состоящие обычно из серебра, которые предназначены для формирования в теле пьезопластины электрического поля (при подаче на них электрического напряжения). Эти же электроды используются для снятия электрического заряда с пьезопластины при регистрации ультразвуковых волн. После изготовления элемента он еще не является пьезоэлектриком, так как диполи в нем оказываются параллельны только внутри каждого домена, в то время как сами области поляризованы хаотически. Упругая деформация набора хаотически поляризованных диполей не может привести к ассиметричному искажению распределения зарядов и поэтому не может вызвать пьезоэлектрический эффект. Поэтому последняя стадия производства пьезоэлектрической керамики всегда заключается в наложении сильного электрического поля при повышенной температуре. Электрическое поле выбирается из расчета 1000 В на 1 мм толщины пластины при температуре ниже точки Кюри в течение не менее 4 часов. Поляризация обычно является окончательным процессом при изготовлении пьезокерамических элементов, хотя за ним следует термостабилизация и контроль параметров. Под влиянием постоянного электрического поля все домены ориентируются в направлении приложенного поля. После снятия внешнего поля большая часть доменов удерживается в своем новом положении из-за внутреннего поля, которое возникает в результате параллельной ориентации направлений поляризации доменов. Благодаря этому керамика становится полярной текстурой, которая обладает пьезоэффектом (рисунок 53).

Пьезоэлектрическая керамика представляет собой твердый, химически инертный материал, совершенно нечувствительный к влажности и другим атмосферным воздействиям. По механическим качествам она подобна керамическим изоляторам.

В зависимости от предназначения пьезоэлементы могут иметь самую разнообразную конфигурацию (рисунок 54) – от плоской до объемной (сферы, полусферы и т.п.), следовательно, такие преобразователи могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении. Для направленного излучения и приема ультразвука применяют плоские пьезоэлементы.

Рисунок 54 – Пьезокерамические элементы

Особенность пьезопластин, изготовленных из пьезокерамики состоит в том, что при работе их при повышенной температуре снижается их эффективность преобразования. Допустимая температура нагрева пьезопластины на 20–50 °С ниже температуры аллотропического превращения для кварца, точек Кюри для пьезокерамики, температуры размягчения для ПВДФ.

Титанат бария. Титанат бария является сегнетоэлектриком. Пьезокерамика титаната бария (ТБ-1) широко применяется для изготовления преобразователей, к которым не предъявляют жесткие требования по температурной и временной стабильности характеристик. Отсутствие в рецептуре титаната бария летучих при обжиге компонентов и простота технологии изготовления пьезоэлементов делают этот материал по-прежнему распространенным в технике. У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз больше, чем у кварца при очень небольшой стоимости. Недостатком титаната бария являются большие механические и диэлектрические потери, что приводит его к перегреву. Кроме того, при температуре свыше 90 °С (точки Кюри) существенно снижается пьезоэлектрический эффект, его часто приходиться поляризовать повторно.

Титанат цирконат свинца. Твердые растворы титаната свинца обладают очень высокими значениями пьезоэлектрических характеристик. Они не растворимы в воде и имеют точку Кюри до 330 °С. На основе твердых растворов титаната свинца разработаны серии технологических пьезокерамических материалов, условное наименование ЦТС (за рубежом PZT) – ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС-3, ЦТСНВ-1, РZT-5H, PZT-8 и др.

Технология изготовления изделий из материалов типа ЦТС усложнена тем, что они содержат в своем составе оксид свинца, который частично улетучивается при высокотемпературном обжиге, что приводит к плохой воспроизводимости свойств. Поэтому обжиг заготовок пьезоэлементов проводят в атмосфере паров оксида свинца, для чего заготовки помещают в плотно закрытые капсели, содержащие засыпку из оксидных соединений свинца. Тем не менее, высокие характеристики этого типа материалов делают их весьма распространенными для изготовления пьезоэлектрических преобразователей различного назначения: для электроакустических приборов, ультразвуковой техники, пьезометрии, а также и некоторых видов радиотехнических фильтров. Если температура ЦТС поднимается выше 290 ºС (точка Кюри), он располяризуется.

Метаниобат свинца. Твердые растворы метаниобатов свинца и бария имеют высокую температуру точки Кюри. Материалы на их основе имеют стабильные в широком температурном интервале значения пьезмодулей и резонансных частот. Технология изготовления изделий из них проще, чем из материалов ЦТС, так как входящие в состав ниобатной керамики оксид свинца практически не летуч при обжиге.

2.4 Пьезоэлектрики – полимеры

Некоторые полимерные материалы в виде механически ориентированных и поляризованных в электрическом поле пленок являются полярными текстурами, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект. В настоящее время единственно выпускаемыми промышленностью пьезоэлектрическими полимерами являются поливинилденфторид (ПВДФ) и его сополимеры с трифторэтиленом и тетрафторэтиленом.

ПВДФ – частично кристаллический синтетический полимер с химической формулой (СН₂—СF₂)_n. Он производится в виде тонких пленок, растянутых вдоль плоскости пленки и поляризованных перпендикулярно этой плоскости для создания пьезосвойств.

Рисунок 55 – Обработка ПВДФ

Обработка ПВДФ для придания ему пьезосвойств (рисунок 55). В отлитой из расплава пленке полимера кристаллиты размером от десятков до сотен нанометров хаотически распределены между аморфными областями (вверху на рисунке). Растяжение полимерной пленки (в центре на рисунке) приводит к выпрямлению полимерных цепей в аморфных областях в плоскости пленки и способствует однородному вращению кристаллитов при наложении электрического поля. Поляризация по толщине пленки (например, с использованием осажденных металлических электродов) придает пленке пьезоэлектрические свойства (внизу на рисунке).

ПВДФ – эластичная полимерная пленка, которой можно придавать практически любую форму. У нее небольшое удельное сопротивление, что облегчает согласование с иммерсионной жидкостью. Радиальные колебания близки к нулю, механическая добротность очень низкая. Существуют пленки на очень высокие частоты (до 100 МГц).

Некоторые технические характеристики пьезоматериалов приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Технические характеристики пьезоматериалов.

Пьезоматериал	Кварц	ЦТС-19	Метаниобат свинца	ПВДФ	Ниобат лития
Свойства
Скорость, с×103, м/с	5,76	3…3,6	3,3	1,5…2,5	7,32
Плотность, ρ×103, кг/м3	2,65	7,4	6,2	1,3…1,8	4,64
Допустимая температура t, °С

Что такое пьезоэлектрический эффект, принцип его работы, как и где это применяется

Радиоэлектроника, схемы, статьи и программы для радиолюбителей.

• Схемы
  • Аудио аппаратура
    • Схемы транзисторных УНЧ
    • Схемы интегральных УНЧ
    • Схемы ламповых УНЧ
    • Предусилители
    • Регуляторы тембра и эквалайзеры
    • Коммутация и индикация
    • Эффекты и приставки
    • Акустические системы
  • Спецтехника
    • Радиомикрофоны и жучки
    • Обработка голоса
    • Защита информации
  • Связь и телефония
    • Радиоприёмники
    • Радиопередатчики
    • Радиостанции и трансиверы
    • Аппаратура радиоуправления
    • Антенны
    • Телефония
  • Источники питания
    • Блоки питания и ЗУ
    • Стабилизаторы и преобразователи
    • Защита и бесперебойное питание
  • Автоматика
    • На микроконтроллерах
    • Управление и контроль
    • Схемы роботов
  • Для начинающих
    • Эксперименты
    • Простые схемки
  • Фабричная техника
    • Усилители мощности
    • Предварительные усилители
    • Музыкальные центры
    • Акустические системы
    • Пусковые и зарядные устройства
    • Измерительные приборы
    • Компьютеры и периферия
    • Аппаратура для связи
  • Измерение и индикация
  • Бытовая электроника
  • Автомобилисту
  • Охранные устройства
  • Компьютерная техника
  • Медицинская техника
  • Металлоискатели
  • Оборудование для сварки
  • Узлы радиаппаратуры
  • Разные схемы

3.1.5. Пьезоэлектрический эффект

Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.

Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему механических напряжений (рис. 3.7а).

а б

Рис. 3.7

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении размеров диэлектрика при приложении к нему электрического поля (рис. 3.7б).

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в природных кристаллах, таких как кварц (SiO₂), поляризованных керамических материалах и некоторых полимерах, например поливинилиденфториде. Вещества, у которых наблюдаются такие свойства, называются пьезоэлектриками.

Физическую природу пьезоэлектрического эффекта рассмотрим на примере пьезоэлектрического кри­сталла – кварца. В кристалле кварца можно выделить три главные оси (рис. 3.8а): продольную (оптическую ось) Z; электрическую ось Х (три оси, сдвинутые на 120⁰), механическую Y (три оси, сдвинутые на 120⁰). Электрические оси Х проходят через центр и соединяют два разнополярных иона. Кристалл кварца можно представить в виде элементарных ячеек (рис. 3.8б), состоящих из атомовSi, обладающих положительным зарядом, и спаренных атомов О₂, обладающих отрицательным зарядом. По электрическим осям Х направлены векторы поляризации. Без приложения механических напряжений сумма векторовравна нулю, т. е. кварцевая ячейка является электрически нейтральной.

а б в г

Рис. 3.8

Если к кристаллу кварца вдоль оси X приложена сила F_x, равномерно распределенная по грани, перпендикулярной оси X, то в результате де

Получение ультразвука человеком. Пьезоэффект.

Получение ультразвука человеком. Пьезоэффект.

Телефон и факс:+7 (3854) 43-25-81

Практическое использование человеком ультразвука начато после открытия в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри пьезоэлектрического эффекта («Пьезо» — по гречески «дарить»). [1]. Впервые этот эффект обнаружен у горного хрусталя (разновидности кварца).
Сущность пьезоэффекта заключается в следующем: если деформировать пластину кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды, это явление называется прямым пьезоэффектом.
Механизм прямого пьезоэффекта объясняется возникновением и изменением дипольного момента элементарной ячейки кристаллической решетки в результате смещения зарядов под действием механического напряжения. Таким образом, на гранях пьезоэлектрического материала возникают электрические заряды.
Но оказалось, что существует и обратный пьезоэффект. Если прикладывать к пластине переменное электрическое напряжение, то кристалл начинает сжиматься и расширяться (изменять геометрические размеры), с частотой прикладываемого напряжения. Механизм обратного пьезоэффекта заключается в следующем. При действии электрического поля на элементарные заряды в ячейке, происходит их перемещение и как следствие изменение средних расстояний между ними, то есть деформация всего кристалла.
Изготовленная из пьезоэлектрического материала деталь простой геометрической формы (стержень, пластина, диск, цилиндр и т. п.) с нанесенными на ее определенные поверхности электродами называется пьезоэлементом.
Пьезоэлементы входят в состав пьезоэлектрического преобразователя. Преобразователь обеспечивает преобразование энергии электрических колебаний в энергию механических колебаний и вводит ее в обрабатывающиеся среды.
Естественный кварц дорог и поэтому были созданы искусственные пьезоматериалы на основе титаната бария и цирконата титаната свинца. У этих материалов пьезоэффект в 100 раз больше, чем у кварца.
Аналогичные материалы были обнаружены среди магнитных материалов и получили название магнитострикционных материалов.
Оказалось, что помещение магнитострикционного стержня в направленное вдоль него магнитное поле приводит к изменению геометрических размеров стержня.
На основе магнитострикционных и пьезокерамических материалов разрабатываются ультразвуковые преобразователи преобразователи – устройства, обеспечивающие преобразование энергии электрических колебаний в механические упругие колебания.
Для чего же можно использовать УЗ колебания? Одно из основных применений ультразвука связано с возможностью переноса в материальных средах огромных энергий, направленных на развитие и совершенствование промышленных технологий.
Перспективным направлением интенсификации технологических процессов является использование энергии механических колебаний ультразвуковой частоты высокой интенсивности.
Эффективность УЗ воздействий на различные технологические процессы подтверждена многочисленными исследованиями и опытом, позволившими установить следующее:

1. Применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности обеспечивает 10….1000 кратное ускорение процессов, протекающие между двумя или несколькими неоднородными средами (растворение, очистку, обезжиривание, дегазацию, крашение, измельчение, пропитку, эмульгирование, экстрагирование, кристаллизацию, полимеризацию, предотвращение образования накипи, гомогенизацию, эрозию, химические и электрохимические реакции и многое другое). При этом увеличивается выход полезных продуктов (например, экстрактов) и им придавались дополнительные свойства (например, биологическая активность и стерильность), а также удается получить вещества с новыми свойствами (например, тонкодисперсные эмульсии и суспензии).
2. Использование ультразвуковых колебаний позволяет осуществлять технологические процессы, не реализуемые, или сложно реализуемые, традиционными методами — обеспечивать размерную обработку (сверление, снятие фасок, выполнение пазов) хрупких и твердых материалов, таких как керамики, полупроводниковые материалы, стекло, самоцветы, ферриты, сверхтвердые сплавы и стали.
3. Ультразвуковые колебания позволяют интенсифицировать многие процессы, происходящие на границе контакта материалов (сварку полимерных материалов, склеивание, пропитку различных материалов), ускоряя технологические процессы и повышая качество получаемых изделий.Несомненные и уникальные достоинства УЗ технологий должны были обеспечить их широчайшее использование при решении сложных проблем современных производств, ориентированных на выпуск конкурентоспособной продукции. К сожалению, отмеченные выше достижения ультразвуковых технологий до настоящего времени мало известны широкому сообществу промышленников и достаточно редко используются в практической производственной и бытовой деятельности.

Мы в социальных сетях:

© 2020, ООО «Центр ультразвуковых технологий»
Любое использование материалов сайта возможно лишь с разрешения правообладателя и только при наличии ссылки на www.u-sonic.ru

Создание сайта — Mitra

Источники и приемники УЗ. Пьезоэффект (прямой и обратный), магнитострикция и электрострикция.

Для получения ультразвука используют

— обратный пьезоэлектрический эффект;

— магнитострикцию;

— электрострикцию;

Пьезоэлектрический эффеект — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца (или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластинку между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластинка придет в вынужденные колебания. Колебания пластинки передаются частицам окружающей среды (воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.

Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнитные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют линейные размеры под действием магнитного поля, направленного по оси стержня. Поместив такой стержень в переменное магнитное поле (например, внутрь катушки, по которой течет переменный ток), мы вызовем в стержне вынужденные колебания, амплитуда которых будет особенно велика при резонансе. Колеблющийся торец стержня создает в окружающей среде ультразвуковые волны, интенсивность которых находится в прямой зависимости от амплитуды колебаний торца.

Некоторые материалы (например, керамики) способны изменять свои размеры в электрическом поле. Это явление, получившее названиеэлектрострикции, внешне отличается от обратного пьезоэлектрического эффекта тем, что изменение размеров зависит только от напряженности приложенного поля, но не зависит от его знака. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.

Преобразователи, в которых используют описанные выше явления, называют соответственно пьезоэлектрическими, магнитострикционными и электрострикционными.

Излучатели ультразвука.

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются УЗ-выми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей – электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Электромеханический УЗ-излучатель использует явление обратного пьезоэлектрического эффекта и состоит из следующих элементов (рис.1)

• пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами;

• электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;

• генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.

При подаче на электроды (2) переменного напряжения от генератора (3) пластина (1) испытывает периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменения напряжения. Эти колебания передаются частицам окружающей среды, создавая механическую волну с соответствующей частотой. Амплитуда колебаний частиц среды вблизи излучателя равна амплитуде колебаний пластины.

К особенностям ультразвука относится возможность получения волн большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты.

I = ρ ω² ʋ А² / 2 (1)

Предельная интенсивность излучения ультразвука определяется свойствами материала излучателей, а также особенностями условий их использования.

Диапазон интенсивности при генерации УЗ в области УСЧ чрезвычайно широк: от 10 ^-14 Вт/см ² до 0,1 Вт/см ² .

Для многих целей необходимы значительно большие интенсивности, чем те которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой.

Приемники ультразвука. Электромеханические УЗ-приемники используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта.

В этом случае под действием УЗ волны возникают колебания кристаллической пластины (1), в результате которых на электродах (2) возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой (3).

В большинстве медицинских приборов генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник.

 

Пьезоэлектрический преобразователь: назначение и применение

Эти преобразователи относятся к подгруппе генераторов, в их основе с помощью механики накапливаются электрические заряды. В результате выделяется следующая связь: Q = d · P. В этом случае d — пьезомодуль, а P — усилие. Обычно материал — кварц, турмалин, смесь отжига, бария, свинца. Для проектирования пьезоэлектрического преобразователя необходимо использовать схемы нагружения: сжатие, изгиб, сдвиг, растяжение.

Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

Прямой эффект характеризуется следующим: используемый кристаллический материал образует решетку из-за заряженных ионов, расположенных в определенном порядке. В этом процессе непохожие частицы чередуются и производят взаимную компенсацию, в результате чего возникает электрическая нейтральность. Кристаллы имеют признаки, которые обозначены следующим образом:

• симметрия относительно оси;
• с учетом предыдущей формы появляется решетка с ионами, которые чередуются и сокращаются.

Если материал, используемый в процессе, направлен на силу F _x , то он деформируется, расстояние между положительными и отрицательными зарядами изменяется, и направление электризации в данной оси. Все это выражается формулой q = d ₁₁ F _x и пропорционально силе. Коэффициент связан с веществом и его состоянием и называется пьезоэлектрическим модулем. Показатели определяются силой и остротой, но если изменить направление, эффект будет другим.

Пьезоэлектрический преобразователь с прямым процессом электризации кристаллов под действием внешних сил. Этот эффект возникает из-за воздействия электрических веществ. Для изготовления средств измерений вам потребуются кристаллы кварца. То есть принцип работы пьезоэлектрического преобразователя следующий: при прямом воздействии эффект осуществляется механически, а при обратном — кристаллы деформируются.

Дополнительные пьезоэлектрические эффекты

Кристалл может быть поляризован, когда на пластину действуют силы по осям X, Y.Если сила F _{x , то возникает продольный эффект, а при F y — поперечный, при F z заряды не возникают. Кристалл кварца расположен по трем осям координат. Чтобы использовать пьезоэлектрические преобразователи, необходимо вырезать пластину, на которой будет отображаться эффект. Он имеет следующее описание:}

• высокопрочный;
• допускается напряжение до 10 ⁸ Н / м ² , благодаря этому возможны большие измеримые силы;
• жесткость и эластичность;
• минимальное трение внутри;
• стабильность не меняется;
• максимальная добротность производимого материала.

Кварцевые пластины используются только в преобразователях, измеряющих давление и силу. Учитывая твердость материала, его сложно обрабатывать, поэтому он создает простую форму. Модуль работает постоянно при неизменной температуре. Если он увеличивается, то в этом случае модуль уменьшается. Пьезоэлектрические свойства исчезают при температуре 573 градусов Цельсия.

Описание устройства и схем измерения

Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую конструкцию:

• мембрана, которая является нижней частью корпуса;
• облицовка снаружи заземлена, середина утеплена кварцем; Пластины
• имеют повышенное сопротивление, соединены параллельно;
• фольга и внутренняя жила кабеля закрепляются в отверстии, закрытом крышкой.

Выходная мощность минимальная, за счет этого предусилитель усилителя с высоким сопротивлением. Фактически напряжение зависит от емкости входной цепи. Характеристики преобразователя указывают на чувствительность и емкость. В основном это заряд и собственные показатели устройства. Если мы посчитаем общее количество, мы получим следующую выходную мощность: S _{q = q / F или U xx = d 11 · F / C o .}

Чтобы расширить частотный диапазон, вы должны измерять низкие значения переменных, увеличивающиеся в направлении постоянной временной цепи.Такое действие легко осуществить включением конденсаторов, расположенных параллельно устройству. Правда, выходное напряжение уменьшится. Повышенное сопротивление расширит диапазон без потери чувствительности. Но для его улучшения необходимы улучшенные изоляционные качества и высокоомные входные усилители.

Описание схем измерения

Удельное и поверхностное сопротивление определяется собственно, а основной компонент для кварца выше, поэтому пьезоэлектрический преобразователь должен быть герметичным.В результате качества улучшаются, а поверхность защищается от влаги и грязи. Сенсорные измерительные схемы были созданы в виде высокоомных усилителей на основе полевого транзистора и неинвертирующего усилителя с рабочим устройством. Напряжение подается на вход и выход.

Однако этот устаревший пьезоэлектрический преобразователь имел недостатки:

• зависимость выходного напряжения и чувствительности от объема сенсора;
• нестабильная емкость, которая меняется в зависимости от температурного режима.

Напряжение и чувствительность усилителя определяются по допустимой погрешности, если добавить включенный стабильный объем C ₁ . Формула: y _s = (ΔC _{o + ΔC k ) / (C o + C k + C 1 ). После пересчета получаем: S = U bx / F. Если коэффициент увеличивается, соответственно и эти переменные увеличиваются. Для характеристики измерительной цепи:}

• постоянная временная шкала;
• Сопротивление R определяется усилением входа, изоляцией датчиков, кабелей и R ₃ ;
• МИС транзисторы сильнее полевых устройств, но имеют высокий уровень шума;
• R ₃ стабилизирует напряжение, его значение рассчитывается как _~ 10 ¹¹ Ом

Анализируя последнюю переменную, вы можете предположить, что постоянная временная шкала имеет следующий вид: t ≤ 1c.Сегодня устройства могут использовать пьезоэлектрические датчики для зарядки усилителей напряжения.

Достоинства Характеристики приборов

Пьезоэлектрический преобразователь имеет следующие достоинства:

• простота конструктивного монтажа;
• габаритные размеры;
• надежность;
• Механика преобразования напряжения в электрический заряд;
• переменных, которые можно быстро измерить.

В случае такого материала, как кварц, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6.Однако развитие высокоточных технологий улучшило возможность реализации точности без потерь. В результате можно сделать вывод, что эти пьезоэлектрические преобразователи наиболее подходят для измерения силы, давления и других элементов.

Датчик ускорения имеет следующую структуру:

• все материалы прикреплены к титановой основе;
• два одновременно включенных пьезоэлектрических кварцевых элемента;
• инерционная масса с высокой плотностью рассчитана на минимальные габариты;
• удаление сигнала через латунную фольгу;
• он, в свою очередь, подключается к пропаянному кабелю;
• датчик закрывается крышкой, навинченной на основание;
• Чтобы усилить датчик на объекте, нарежьте резьбу.

Несмотря на вес, сенсор достаточно устойчивый и плотный. Работает в диапазоне 150 м / с ² .

Конструктивные особенности преобразователей

При необходимости изготовления датчика акселерометра важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие выполняется пайкой. Кабель должен соответствовать следующим требованиям:

• сопротивление изоляции должно быть высоким;
• Экран находится рядом с жилым;
• антивибрационные;
• гибкость.

То есть на входе усилителя не должно быть качающегося кабеля. Схема измерения создана симметрично, чтобы избежать помех. В датчике подключение асимметрично, сопротивление выводов и корпуса соединены таким образом, что получается изоляция внешних пластин. Для достижения желаемого результата нужно изготовить счетчик из нечетного количества материалов, которые используются в процессе. Элементы прижимаются к усилителю через отверстия в центральной части и через изоляторы, которые привинчены к корпусу.

Особенности приборов для измерения вибрации

Для повышения чувствительности измерительного прибора необходимо применить высокомодульный пьезоэлемент. Этот материал укладывается параллельно в ряд и соединяется металлическими прокладками и пластинами. Для этого эффекта можно использовать вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.

Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от

Цепь выработки электроэнергии с шагом

футов с использованием пьезоэлектрического датчика

За последние несколько лет спрос на портативные электронные устройства малой мощности быстро увеличился.И есть очень ограниченные возможности для питания этих небольших портативных электронных устройств, таких как щелочные батареи или солнечная энергия и т. Д. Итак, здесь мы используем другой метод для выработки небольшого количества энергии, который использует пьезоэлектрический датчик. Здесь мы построим Footstep Power Generation Circuit для выработки электроэнергии. Вы можете узнать больше о пьезоэлектрическом эффекте, следуя этой схеме пьезоэлектрического преобразователя.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект — это способность некоторых пьезоэлектрических материалов (таких как кварц, топаз, оксид цинка и т. Д.)) для создания электрического заряда в ответ на механическое напряжение. Слово «пьезоэлектрический» происходит от греческого слова «пьезеин», которое означает толкать, сжимать и давить.

Кроме того, пьезоэлектрический эффект обратим, что означает, что когда мы прикладываем механическое напряжение к пьезоэлектрическому материалу, мы получаем некоторый электрический заряд на выходе. И когда мы прикладываем электричество к пьезоэлектрическому материалу, он сжимает или растягивает пьезоэлектрический материал.

Пьезоэлектрический эффект используется в различных приложениях, включая

• Производство и обнаружение звука
• Генерация высокого напряжения
• Генерация электронной частоты
• Микровесы
• Сверхтонкая фокусировка оптических сборок
• Для повседневного использования, например, для зажигалок

Резонатор также использует пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрические материалы

Ряд пьезоэлектрических материалов доступны сейчас, даже натуральные и искусственные. Природные пьезоэлектрические материалы включают кварц, тростниковый сахар, соль Рошеля, топаз-турмалин и т. Д. Искусственные пьезоэлектрические материалы включают титанат бария и титанат цирконата. В нижеприведенной таблице представлены материалы в категории натуральные и синтетические:

Природный пьезоэлектрический материал	Синтетический пьезоэлектрический материал
Кварц (наиболее часто используемый)	Цирконат титанат свинца (PZT)
Рошельская соль	Оксид цинка (ZnO)
Топаз	Титанат бария (BaTiO 3 )
ТБ-1	Пьезоэлектрическая керамика Титанат бария
ТБК-3	Титанат кальция и бария
Сахароза	Ортофосат галлия (GaPO 4 )
Сухожилие	Ниобат калия (KNbO 3 )
Шелк	Титанат свинца (PbTiO 3 )
Эмаль	Литий танталит (LiTaO 3 )
Дентин	Лангасит (La 3 Ga 5 SiO 14 )
ДНК	Вольфрамат натрия (Na 2 WO 3 )

Необходимые компоненты

• Пьезоэлектрический датчик
• Светодиод (синий)
• Диод (1N4007)
• Конденсатор (47 мкФ)
• Резистор (1к)
• Кнопка
• Соединительные провода
• Макет

Принципиальная схема генератора ступенчатой ​​мощности

Пьезоэлектрический датчик изготовлен из пьезоэлектрического материала (чаще всего используется кварц).Он используется для преобразования механического напряжения в электрический заряд. Выход пьезоэлектрического датчика — AC . Нам нужен полный мостовой выпрямитель, чтобы преобразовать его в постоянный ток. Выходное напряжение датчика составляет менее 30 В (размах), вы можете подавать на выход пьезоэлектрического датчика или хранить его в батарее или других запоминающих устройствах. Сопротивление пьезоэлектрического датчика меньше 500 Ом. Диапазон рабочих температур и температур хранения составляет -20 ° C ~ + 60 ° C и -30 ° C ~ + 70 ° C соответственно.

После подключения в соответствии со схемой пьезоэлектрического датчика , когда мы прикладываем механическое напряжение к пьезоэлектрическому датчику, он генерирует напряжение. Выход пьезоэлектрического датчика находится в форме переменного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный мы используем полный мостовой выпрямитель. Выход выпрямителя подключен к конденсатору емкостью 47 мкФ. Напряжение, создаваемое пьезоэлектрическим датчиком, сохраняется в конденсаторе. И, когда кнопка нажата, вся накопленная энергия передается на светодиод, и светодиод включается до тех пор, пока конденсатор не разрядится.

В этой схеме светодиод светится доли секунды. Чтобы увеличить время включения светодиода, вы можете увеличить номинал конденсатора, но для зарядки потребуется больше времени. Даже вы можете подключить больше пьезоэлектрических датчиков последовательно для выработки большего количества электроэнергии. . Кроме того, диод используется для блокировки тока, протекающего от конденсатора к пьезоэлектрическому датчику, а резистор является ограничивающим ток резистором. Светодиод также может быть напрямую подключен к пьезоэлектрическому датчику, но он сразу же выключится, так как не будет конденсатора для удержания тока.

Демонстрационное видео для этой системы выработки электроэнергии с шагом футов приведено ниже.

Разница между прямым и обратным смещением по сравнительной таблице

Одно из основных различий между прямым и обратным смещением состоит в том, что при прямом смещении положительный вывод батареи подключается к полупроводниковому материалу p-типа , а отрицательный вывод подключается к n- Тип полупроводниковый материал .В то время как при обратном смещении материал n-типа подключается к положительной клемме источника питания , а материал p-типа подключается к отрицательной клемме батареи . Прямое и обратное смещение дифференцируются ниже в сравнительной таблице.

Смещение означает, что к полупроводниковому устройству подключено электрическое питание или разность потенциалов. Разность потенциалов бывает двух типов: прямое смещение и обратное смещение.

Прямое смещение снижает потенциальный барьер диода и обеспечивает легкий путь для прохождения тока. В то время как в обратное смещение разность потенциалов увеличивает силу барьера, который препятствует перемещению носителя заряда через переход. Обратное смещение обеспечивает высокий резистивный путь для прохождения тока, и, следовательно, ток не течет через цепь.

Содержимое: прямое смещение против обратного смещения

1. Таблица сравнения
2. Определение
3. Ключевые отличия

Сравнительная таблица

Основа для сравнения	Прямое смещение	Обратное смещение
Определение	Внешнее напряжение, которое прикладывается к PN-диоду для уменьшения потенциального барьера и составляет легкое протекание тока через него, называется прямым смещением.	Внешнее напряжение, которое прикладывается к PN-переходу для усиления потенциального барьера и предотвращает прохождение тока через него, называется обратным смещением.
Символ
Соединение	Положительная клемма аккумулятора подключается к полупроводнику P-типа устройства, а отрицательная клемма подключается к полупроводнику N-типа	Отрицательная клемма аккумулятора подключается к P-области и положительный полюс батареи подключен к полупроводнику N-типа.
Барьерный потенциал	Снижает	Усиление
Напряжение	Напряжение на аноде больше, чем на катоде.	Напряжение на катоде больше, чем на аноде.
Прямой ток	Большой	Маленький
Слой истощения	Тонкий	Толстый
Сопротивление	Низкое	Высокое
Текущий поток	Допускает	Предотвращает
Величина тока	Зависит от прямого напряжения.	Ноль
Эксплуатация	Проводник	Изолятор

Определение прямого смещения

При прямом смещении внешнее напряжение подается на диод PN-перехода. Это напряжение устраняет потенциальный барьер и обеспечивает путь с низким сопротивлением для прохождения тока. Прямое смещение означает, что положительная область подключена к p-клемме источника питания, а отрицательная область подключена к n-типу устройства.

Напряжение потенциального барьера очень мало (около 0,7 В для кремния и 0,3 В для германиевого перехода), поэтому для полного устранения барьера требуется очень небольшое напряжение. Полное устранение барьера составляет путь с низким сопротивлением для прохождения тока. Таким образом, через переход начинает течь ток. Этот ток называется прямым током.

Определение обратного смещения

При обратном смещении отрицательная область подключена к положительной клемме батареи, а положительная область подключена к отрицательной клемме.Обратный потенциал увеличивает силу потенциального барьера. Потенциальный барьер препятствует потоку носителей заряда через переход. Он создает путь с высоким сопротивлением, в котором ток не течет через цепь.

Ключевые различия между прямым и обратным смещением

1. Прямое смещение снижает силу потенциального барьера, из-за чего ток легко перемещается через переход, тогда как обратное смещение усиливает потенциальный барьер и препятствует потоку носителей заряда.
2. При прямом смещении положительный полюс батареи подсоединяется к p-области, а отрицательный вывод подключается к материалу n-типа, в то время как при обратном смещении положительный вывод источника питания подсоединяется к материалу n-типа, а отрицательный вывод. клемма подключается к материалу p-типа устройства.
3. Прямое смещение создает электрическое поле поперек потенциала, которое снижает силу потенциального барьера, тогда как обратное смещение увеличивает силу потенциального барьера.
   • Примечание. Потенциальный барьер — это слой между диодом PN перехода, который ограничивает движение электронов через переход.
4. При прямом смещении напряжение на аноде больше, чем на катоде, тогда как при обратном смещении напряжение на катоде больше, чем на аноде.
5. Прямое смещение имеет большой прямой ток, а обратное смещение имеет очень небольшой прямой ток.
   • Примечание. Ток в диоде, когда он течет в прямом направлении, называется прямым током.
6. Слой обеднения диода очень тонкий при прямом смещении и толстый при обратном смещении.
   • Примечание. Слой обеднения — это область вокруг перехода, в которой свободные носители заряда истощены.
7. Прямое смещение уменьшает сопротивление диода, тогда как обратное смещение увеличивает сопротивление диода.
8. При прямом смещении ток легко течет по цепи, тогда как обратное смещение не позволяет току течь через нее.
9. При прямом смещении величина тока зависит от прямого напряжения, тогда как при обратном смещении величина тока очень мала или незначительна.
10. При прямом смещении устройство работает как проводник, тогда как при обратном смещении устройство действует как изолятор.

Прямое напряжение кремниевого диода составляет 0,7 В, а прямое напряжение германия — 0,3 В.

Что такое пьезоэлектрический преобразователь? (с рисунками)

Пьезоэлектрический преобразователь — это устройство, которое преобразует один тип энергии в другой, используя пьезоэлектрические свойства определенных кристаллов или других материалов.Когда пьезоэлектрический материал подвергается напряжению или силе, он генерирует электрический потенциал или напряжение, пропорциональное величине силы. Это делает этот тип преобразователя идеальным в качестве преобразователя механической энергии или силы в электрический потенциал.

Пьезоэлектрические преобразователи используются во многих полевых радиоприемниках и микрофонах, поскольку они могут преобразовывать электричество в механическое воздействие и наоборот.

Высокая чувствительность пьезоэлектрических преобразователей делает их полезными в микрофонах, где они преобразуют звуковое давление в электрическое напряжение, в прецизионных весах, в акселерометрах и детекторах движения, а также в качестве генераторов и детекторов ультразвука. Они также используются в неразрушающем контроле, при генерации высокого напряжения и во многих других приложениях, требующих точного определения движения или силы.

Поскольку пьезоэлектрические преобразователи выделяют электричество при нажатии, они используются во многих типах электростартеров.

Пьезоэлектрический эффект также работает в обратном направлении: напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому материалу, заставляет этот материал изгибаться, растягиваться или иным образом деформироваться. Эта деформация обычно очень мала и пропорциональна приложенному напряжению, поэтому обратный эффект предлагает метод точного перемещения в микромасштабе.Следовательно, преобразователь может использоваться в качестве привода для точной настройки точных оптических инструментов, лазеров и атомно-силовых микроскопов.

Эти устройства могут использоваться как датчики и исполнительные механизмы, поэтому их называют преобразователями — термин, применяемый к любому устройству, которое может преобразовывать одну форму энергии в другую.В результате под эту категорию подпадают как пьезоэлектрические датчики, так и пьезоэлектрические приводы. Датчик превращает механическую энергию в электрический потенциал, а исполнительный механизм преобразует электрическую энергию в механическую силу или движение.

Напряжение, создаваемое пьезоэлектрическими преобразователями, может быть довольно высоким, часто в несколько тысяч вольт, но кратковременным, возникающим только тогда, когда материал изначально деформирован.Это делает их полезными в электронных зажигалках и кнопочных зажигалках для газовых плит и грилей. В этих приложениях нажатие кнопки активирует небольшой подпружиненный молоток, который ударяет по пьезоэлектрическому материалу и генерирует напряжение, достаточное для того, чтобы вызвать электрическую дугу между открытыми электродами воспламенителя.

Первоначально считалось, что это свойство только определенных типов кристаллов, таких как кварц и топаз, достижения в области материаловедения привели к созданию полимеров и керамики, которые также демонстрируют пьезоэлектрические свойства.Фактически, наиболее распространенным пьезоэлектрическим материалом, используемым в настоящее время, является искусственный керамический цирконат-титанат свинца, известный как PZT. Этот материал способен обеспечивать вдвое большее напряжение, чем кварц при заданной силе.

Эти преобразователи просты, надежны и очень прочны, поэтому находят широкое применение в промышленности, медицине и авиакосмической работе.На них не действуют внешние электромагнитные поля, поэтому их можно использовать в приложениях, где электронные датчики не работают. Они стабильны в широком диапазоне температур, но на них можно воздействовать длительным использованием при высоких температурах.

Материалы с кристаллической решеткой могут накапливать энергию или выделять ее в виде электричества при физическом воздействии.

Протоколы прямой и обратной трансфекции

Прямая трансфекция

Наиболее часто используемый протокол трансфекции, при котором клетки высевают за день до трансфекции, называется «прямой трансфекцией». Методы прямой трансфекции хорошо работают для большинства адгезивных типов клеток, которые высевают за день до трансфекции, чтобы достичь активно делящейся популяции клеток во время трансфекции. Типичный протокол прямой трансфекции с использованием реагента для трансфекции Trans IT®-2020 можно найти здесь.

Обратная трансфекция

Для суспензионных клеток и / или приложений с высокой пропускной способностью идеален протокол «обратной трансфекции», при котором свежепассированные клетки добавляются к предварительно посеянным трансфекционным комплексам, поскольку он сокращает время работы конечного пользователя. Время культивирования клеток можно дополнительно сократить, используя для некоторых экспериментов замороженные готовые к анализу клетки. Обратные трансфекции также совместимы с большинством автоматизированных роботизированных систем.

Ключевым различием между прямой и обратной трансфекцией является плотность клеток во время посева.Клетки теряют день удвоения в типичном протоколе обратной трансфекции; поэтому рекомендуется примерно в два раза больше клеток по сравнению с прямой трансфекцией. Типичная плотность клеток для обратной трансфекции находится в диапазоне 3,2-4 × 10 ⁵ клеток на мл полной среды для выращивания. Кроме того, поскольку обратные трансфекции обычно проводят в широком формате, например 96-луночные, 384-луночные, 1536-луночные микропланшеты и т. Д., Требуются очень низкие объемы реагента трансфекции, ДНК, а также клеток на лунку. .По возможности, большие мастер-миксы для трансфекции следует готовить с 20% -ным дополнительным объемом для учета ошибок пипетирования и дозирования. Все реагенты для трансфекции Trans IT® можно использовать для обратной трансфекции и разводить с использованием 80–100% этанола в зависимости от реагента. В качестве альтернативы исследователи могут десятикратно разбавить требуемый объем реагента и ДНК в Opti-MEM® I Reduced-Serum Medium непосредственно перед использованием, чтобы избежать ошибок при дозировании. Подробные протоколы обратной трансфекции плазмидной ДНК и миРНК можно найти по следующим ссылкам:

Протокол обратной трансфекции плазмидной ДНК с использованием реагента для трансфекции Trans IT®-2020

Протокол обратной трансфекции siRNA с использованием Trans IT-TKO® Transfection Reagent

Существует также несколько вариантов стандартных протоколов обратной трансфекции, которые используются исследователями; краткие пояснения приведены ниже:

Модифицированная обратная трансфекция

При «модифицированной обратной» трансфекции клетки пассируют и высевают непосредственно перед добавлением трансфекционных комплексов к клеткам.В этом сценарии адгезивные клетки слабо прикрепляются к поверхности планшета к тому времени, когда они взаимодействуют с комплексами трансфекции.

Твердофазная обратная трансфекция

Если нуклеиновая кислота, которая должна быть трансфицирована, иммобилизована или нанесена в многолуночный формат уже, как в случае скрининга кДНК / кшРНК / миРНК, протокол трансфекции называется «твердофазная обратная трансфекция».

Реагенты для трансфекции, которые можно использовать для обратной трансфекции

Все реагенты для трансфекции Trans IT® могут быть использованы для обратной трансфекции со следующими соображениями, основанными на нуклеиновой кислоте, которую необходимо доставить:

1. Плазмидная ДНК, включая кДНК и shRNA, кодирующие библиотеки плазмидной ДНК: Trans IT®-Express Transfection Reagent — это реагент для трансфекции ДНК с низкой токсичностью, специально разработанный для широкого применения и хорошо работает с обычно используемыми типами клеток.Новые высокоэффективные реагенты для трансфекции, такие как Trans IT®-2020 Transfection Reagent, также можно использовать для обратной трансфекции ДНК в трудно трансфектируемые клетки. Кроме того, все реагенты для трансфекции, специфичные для линии клеток Trans IT®, могут использоваться для обратной трансфекции плазмидной ДНК в соответствующие типы клеток. Подробный протокол, а также ссылки на использование реагентов Trans IT® для обратной трансфекции плазмидной ДНК можно найти здесь.
2. siRNA / miRNA: Для высокопроизводительной трансфекции siRNA / miRNA в зависимости от типа клетки можно использовать либо Trans IT-TKO®, либо Trans IT-siQUEST®.Подробный протокол, а также ссылки на использование реагента Trans IT-TKO® для обратной трансфекции миРНК можно найти здесь.
3. Большая мРНК: Обратную трансфекцию более крупных видов РНК, таких как мРНК, можно выполнить с помощью набора для трансфекции Trans IT®-мРНК.
4. Олигонуклеотиды ДНК и РНК: Высокопроизводительная обратная трансфекция различных олигонуклеотидов ДНК и РНК может быть выполнена с использованием реагента для трансфекции Trans IT®-Oligo.

Цитирование для обратной трансфекции с использованием реагентов для трансфекции Trans IT®

Цитирование	Трансфицированные типы клеток	Трансфицированная нуклеиновая кислота	Trans Используемый реагент IT®	Роботизированная система б / у	Многолуночный формат	Приложение
Zhao et al. Молекулярная нейродегенерация 2009, 4 : 4	HeLa	Плазмидная ДНК	Транс IT®-LT1	Нет	384-х	Анализ расщепления Aβ на основе флуоресценции HT
Owens et al. Дж. Биол. Хим. . 2010 26 февраля; 285 (9): 6761-6769.	HeLa	Плазмидная ДНК	Транс IT®-LT1	Многоточечный 384 (Титан)	384-х	Скрининг на основе клеток HT для обнаружения стабилизированных белковых мишеней после химического мутагенеза
Warzecha et al. Mol Cell. 2009 13 марта; 33 (5): 591-601.	Клон клетки HEK 293T, стабильно экспрессирующий репортер сплайсинга люциферазы	Плазмидная ДНК	Транс IT®-293	Wellmate Handler (Матрица)	384-х	Скрининг экспрессии кДНК на основе всего генома на HT-клетках
Андерсен и др. Mol Ther. 2010 ноябрь; 18 (11): 2018-2027.	Мезенхимальные стволовые клетки человека (hMSC)	миРНК	Транс IT-TKO®	Нет	Планшеты для культивирования тканей, покрытые в процессе лиофилизации частицами Trans IT-TKO® / миРНК	Тканевая инженерия с использованием наноструктурированных каркасов, покрытых миРНК
Lu et al. Онкоген. 2011 10 ноября; 30 (45): 4567-4577.	MDA-MB-468	миРНК	Транс IT-TKO®	Нет	96-луночный	Фосфопротеомный скрининг миРНК HT Kinome с использованием библиотеки миРНК, нацеленной на 541 киназу и гены, связанные с киназой
Choudhary et al. J. Biol Chem , 286, 37187-37195.	Линия стабильных репортерных клеток A549-Luc	миРНК	Транс IT-siQUEST®	Titertek, многоточечный диспенсер на 384 ячейки	96-луночный	Скрининг HT siRNA кинома человека
Лю и др. J. Biol Chem. 2008 22 августа; 283 (34) 23169-23178.	Ikk γ — / — MEF	миРНК	Транс IT-siQUEST®	Нет	Не указано	Исследование механизмов RSV-инфекции

Пьезоэлектрический преобразователь

Пьезоэлектрический преобразователь — это устройство, преобразующее электричество в механические силы или колебания.Хотя у пьезоэлектрических преобразователей есть и другие применения, они требуются ультразвуковым устройствам. Пьезоэлектрические преобразователи обычно преобразуют электричество в колебания и колебания в электричество, хотя это не всегда так. Они основаны на двух явлениях, известных как «электрострикция» и «пьезоэлектрический эффект».

Как работают пьезоэлектрические преобразователи
Пьезоэлектрические преобразователи состоят как из положительных, так и из отрицательных элементов, которые выравниваются друг с другом в присутствии электрического поля.Это свойство заставляет их фактически изменять размеры. Когда к преобразователю приложено переменное электрическое поле, материал колеблется взад и вперед, создавая ультразвуковую частоту. В то время как большинство пьезоэлектрических материалов перемещаются между состояниями вперед и назад, некоторые из них заблокированы в своем положении и просто производят электрический ток, когда механические силы физически перемещают их. Эти типы пьезоэлектрических материалов составляют основу ультразвуковых датчиков. Пьезоэлектрические преобразователи когда-то были сделаны из пьезоэлектрических кристаллов, но теперь они сделаны из керамики.Они производят длину волны, которая в два раза превышает толщину элемента. Из-за этого элементы обрезаются до размера ½ от желаемой длины волны. Это также означает, что более тонкие элементы производят более высокие частоты.

Приложения
Пьезоэлектрические преобразователи чаще всего используются для получения ультразвуковых частот и иногда называются ультразвуковыми преобразователями. Они также используются в качестве измерителей давления и могут использоваться на светофорах для обнаружения движения, в жидкостных системах для выброса и перекачивания жидкостей и в динамиках для создания звуковых волн.Пьезоэлектрические преобразователи также могут использоваться для печати, контроля вибрации и подавления шума как для промышленных, так и для военных транспортных средств, таких как вертолеты, ракеты-носители, подводные лодки и космические платформы.

No related posts.