Физические основы и область применения пьезоэлектрических преобразователей

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при замене сжатия рас­тяжением и изменение знака деформации при изменении направле­ния поля.

Физическую природу пьезоэффекта рассмотрим на примере наиболее известного пьезоэлектрического кристалла — кварца. На рис. (3-1, а)показана форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца. Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти полярные направления называются электрическими осями или осями X, и по ним направлены векторы поляризации Р₁, Р₂ и Р₃. Если к крис­таллу кварца вдоль оси приложена сила F_х, равномерно распреде­ленная по грани, перпендикулярной оси X, то в результате дефор­мации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нару­шается. При этом, как показано на рис. (3-1, б), в деформированном состоянии сумма проекций векторов Р₂ и Р₃ на ось X становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора Р_т. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляризационные заряды на гранях, знаки кото­рых для сжатия показаны на рис. (3-1, 6). Нетрудно видеть, что дефор­мация ячейку не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма проекций векторов равна нулю, ибо Р_2у = Р_зу. Обра­зование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси X называется продольным пьезоэффектом.

При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей Y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р₂ и Р₃ на ось Y равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, поляризационные заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р₃ и Р₂ на ось X оказывается не равной вектору Р ₁ Так, при сжатии пьезоэлемента, как показано на рис. (3-1, в), указанная сумма превышает Р₁ в ре­зультате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней — отрицательные. Рассмотренный эффект образования заря­дов на гранях, перпендикулярных нагружаемым граням, называется; поперечным.

 

Рис 3-1.

 

При равномерном нагружении со всех сторон (например, гидростатическое сжатие или тепловые напряжения и деформации) кристалл кварца остается электрически нейтральным, так же как и при нагружении по оси Z, перпендикулярной осям X и Y и назы­ваемой оптической осью кристалла.

Наличие полярных направлений объясняет важность опреде­ленной ориентации граней пьезоэлемента относительно кристалло-физических осей кристалла X, Y и Z. Для преобразователей, исполь­зующих продольный пьезоэффект, максимальную чувствительность имеет пьезоэлемент, ориентированный относительно кристаллофизических осей так, как показано на рис. (3-1, а)(положение 1 и 3 ) и называемый Х-срезом.

При изменении ориентации всего на 30° (положение 2на рис. 3-1, а) чувствительность уменьшается до нуля, а срез такого вида называется Y-срезом. Реальный пьезоэлемент может быть вырезан так, что его ребра не совпадут с кристаллофизическими осями, как это и показано на рис. (3-2). При угле φ=3° чувствительность умень­шается на 1,2%, при угле β=3° — на 0,6%.

Рис 3-2.

 

Пироэлектрики представляют собой особую разновидность пьезоэлектриче­ских кристаллов и отличаются от соб­ственно пьезоэлектриков тем, что их ячейка имеет одно или несколько взаим­но неуравновешенных полярных на­правлений. Благодаря этому указанная кристаллов поляризуется при всестороннем гидростатитепловом расширении, откуда и происходит название «пироэлектрики». Типичным представителем пироэлектриков является турмалин.

Сегнетоэлектрики входят в группу пироэлектрических кристал­лов. Характерным отличием сегнетоэлектриков является то, что их кристалл разбит на домены, в пределах которых существует упорядоченная структура и свое полярное направление. Однако полярные направления доменов ориентированы по-разному. Такое строение подобно строению ферромагнетиков, поэтому сегнетоэлек-трические материалы называют также ферроэлектрическими. Сегнетоэлектрикам присуща нелинейная зависимость плот­ности поляризованных зарядов от внешних воздействий (механи­ческие напряжения, температура и т. д.) и гистерезис.

Одни и те же кристаллы в зависимости от температуры могут быть как сегнетоэлектриками, так и линейными кристаллами. Температура, при которой сегнетоэлектрическая структура крис­талла преобразуется в структуру линейного кристалла или в дру­гую сегнетоэлектрическую структуру, называется точкой Кюри. Вблизи точки Кюри аномальные свойства сегнетоэлектриков, например высокая поляризация при действии механических напря­жений и температуры или очень большое изменение диэлектри­ческой проницаемости εпри действии температуры, проявляются особенно сильно. Типичными представителями сегнето­электриков являются сегнетова соль между точками Кюри от —18 до +24 °С и монокристаллический титанат бария, имеющий три точки Кюри: при—80; 0 и +120 °С. Сегнетоэлектрические монокристаллы сравнительно мало используются в измерительной технике из-за относительно низкой стабильности свойств и трудности полу­чения бездефектных монокристаллов.

Сегнетоэлектрические пьезокерамики представляют собой про­дукт отжига спрессованной смеси, состоящей из мелкораздроб­ленного сегнетоэлектрического кристалла с присадками. Пьезоэлек­трические свойства они приобретают после поляризации в сильном электрическом поле, направление которого и определяет поляр­ный вектор пьезокерамики (направление поляризации в пьезокерамике обычно обозначают осью Z). В настоящее время сырьем для производства пьезокерамики наряду с титанатом бария с точ­кой Кюри +120° С служат титанат свинца РЬТi₃ с точкой Кюри около +500 °С и цирконат свинца PbZrO₃ с точкой Кюри примерно +230 °С. Наилучшие результаты получаются при использовании смесей этих материалов — так называемых цирконато-титанатов свинца (керамики типа ЦТС), которые получили сейчас самое широ­кое распространение, так как, обладая такой же чувствитель­ностью, как и ВаТiO₃, они обеспечивают работу преобразователя в температурном диапазоне до 200—250 °С.

Область применения пьезоэлектрических преобразователей весьма обширна.

1. Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект (рис. 3-3, а), применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения.

2. Преобразователи, выполненные из материалов, обладающих пироэффектом, могут быть использованы для измерений тепловой радиации (рис. 3-3, б).

3. Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в качестве преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, пьезовибраторах осциллографов (рис. 3-3, в), в качестве обратных преобразователей приборов урав­новешивания и т. д.

4. Преобразователи, использующие одновременно прямой и обрат­ный пьезоэффекты, — пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резо­нансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразо­вания при отступлении от резонансной частоты (т. е. высокую доб­ротность), — используются в качестве фильтров, пропускаю­щих очень узкую полосу частот (рис. 3-3, г).

Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа воз­буждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной час­тотой и с управляемой собственной частотой. Управля­емые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектричес­ких величин (температура, давление, ускорение и т. д.) в частоту. Пьезоэлектрические генераторы могут применяться и как ампли­тудные преобразователи, работая врежиме изменения добротности, например, для фиксации соприкосновения колеблющегося кристалла с каким-либо телом. Пьезоэлементы, кроме того, используются в твердых схемах, заменяющих собой целый ряд электрон­ных устройств.

 

Рис. 3-3