Проучване на пиезоелектрически материали: видове, свойства и технологично въздействие

С течение на годините напредъкът в материалните науки създава различни пиезоелектрически материали като единични кристали, керамика и тънки филми.Тази статия внимателно разглежда пиезоелектрическите материали, включително техните свойства, видове, как работят и употребата им.Той подчертава тяхното значение за свързването на механичното и електротехниката, стимулирайки иновациите в много области.

Каталог

Фигура 1: Пиезоелектрически материал

Какво е пиезо?

Думата "пиезо" идва от гръцката дума "пиезеин" означава "да натискаш" или "натиск".Това се вписва добре с използването му в науката за пиезоелектричност.През 1880 г. френските физици Жак и Пиер Кюри откриват пиезоелектричност.Те откриха, че когато са притиснати определени кристали като турмалин, кварц, топаз и рошел, те произвеждат електрически заряд.Те също видяха, че тези кристали могат да променят формата си, когато се прилага електрически ток, показващ, че процесът може да работи и в двете посоки.

Това откритие доведе до създаването на различни пиезоелектрически устройства.По време на Първата световна война пиезоелектричността се използва главно в ултразвукови детектори за подводници.Днес пиезоелектрическите материали се използват в много неща.Те се намират в ежедневни предмети като електрически запалки с цигари и мастиленоструйни принтери, както и в напреднали технологии като медицински ултразвуков образ и прецизен контрол на движението в роботиката.

Видове пиезоелектрически материали

Фигура 2: Примери за пиезоелектрически материали

Единични кристални пиезоелектрически материали

Единичните кристални пиезоелектрични материали се характеризират с непрекъснатата им и равномерна кристална решетка, без граници на зърното.Тази равномерна структура често води до по -добра ефективност на електромеханично свързване в сравнение с други пиезоелектрически материали.Примери за такива материали включват кварц и лангасит.Тези единични кристали се произвеждат с помощта на прецизни методи на растеж като процеса на Czochralski или хидротермален синтез.Изключителната им производителност ги прави идеални за прецизни приложения като усъвършенствани системи за медицински изображения, телекомуникационни резонатори и филтри и мониторинг на вибрациите в аерокосмическото пространство.

Фигура 3: Пиезо кристален кварцов материал

Керамични пиезоелектрически материали

Пиезоелектричната керамика се произвежда от структурирани от перовскит материали като оловен цирконат титанат (PZT).Тези материали са поликристални и се създават чрез синтероване на прахообразни вещества.Техните пиезоелектрически свойства са разработени чрез процес на полиране и подравняват електрическите диполи чрез прилагане на външно електрическо поле.Тези керамики могат лесно да се оформят в различни форми и размери.Тяхната издръжливост и ефективност на разходите ги правят популярни за използване в задвижващите механизми, сензори, ултразвукови преобразуватели и потребителски електронични зумери.

Фигура 4: Структура от пиезоелектрична керамика тип PZT

Тънки филмови пиезоелектрически материали

Тънките филмови пиезоелектрици се правят чрез отлагане на слоеве, които варират от няколко нанометра до няколко микрометра с дебелина, като се използват модерни техники за производство като разпръскване, химическо отлагане на пари или импулсно лазерно отлагане.Общите материали, използвани в тънки филми, включват PZT, цинков оксид (ZnO) и алуминиев нитрид (ALN).Тънкостта на тези филми им позволява да бъдат интегрирани в микроелектромеханични системи (MEMS) и наноелектромеханични системи (NEMS), подобряване на тяхната функционалност в компактни устройства като микрофони, микропревредни и усъвършенствани сензорни масиви.Тяхната съвместимост със стандартните полупроводникови процеси и мащабируемостта ги прави подходящи за интегрални схеми и гъвкава електроника.

Фигура 5: Пиезоелектрични тънки филми Aln

Фигура 6: Елементи на насипни пиезо

Изборът между тънки филми и насипни пиезоелектрически материали зависи от специфичните нужди на приложението за прецизност, мощност и издръжливост.Материалите с тънкослоен пиезо са подходящи в дребномащабни технологии.За разлика от тях, насипните пиезо материали са предпочитани в по-взискателни, по-мащабни приложения.Таблицата по-долу сравнява тънкослойните пиезо материали и насипни пиезо материали въз основа на тяхната дебелина, техники за производство, ключови характеристики и приложения.

Категория	Материали с тънкослоен пиезо	Групови пиезо материали
Дебелина	Няколко нанометра до няколко микрометра	Няколко милиметра до сантиметри
Техники за производство	Разпръскване, импулсно лазерно отлагане, Химическо отлагане на пари	Натискане, екструзия, обработка
Характеристики	Високочестотна реакция: Бърза реакция пъти	Генерация с висока енергия: произвежда мощност при механично напрежение
	Гъвкавост: Приложимо за гъвкав повърхности	Издръжливост: Силна и издръжлива, подходяща за тежки товари и тежки условия
	Прецизност: Прецизен контрол на a Микроскопично ниво	Универсалност: лесно оформен и оразмерен за специфични нужди
Приложения	Микроелектроника и MEMS: Акселерометри, жироскопи, мастиленоструйни принтери	Енергийно събиране: Преобразува механично стрес от вибрации в електрическа енергия
	Медицински изделия: Ултразвукови преобразуватели За изображения и терапия	Задвижватели и сензори: големи задействащи механизми в Автомобилна и аерокосмическа индустрия, сензори с високо натоварване
	Телекомуникации: филтри и Резонатори в мобилни телефони и комуникационни устройства	Сонарни и ултразвукови устройства: Сонар Системи за военноморска употреба, индустриални ултразвукови почистващи препарати

Методи за тънка филма PZT и отлагане

Материалите с оловен цирконат (PZT) на оловен цирконат (PZT) се използват в сензори, задвижващи механизми и микроелектромеханични системи (MEMS) поради техните страхотни пиезоелектрични свойства.Съставът и ефективността на тънки филми на PZT зависят много от техните методи за отлагане, които могат да повлияят на тяхната структура, ориентация и пиезоелектрически показатели.Трите основни техники за отлагане: сол-гел, разпръскване и метално органично химическо отлагане на пари (MOCVD).

Фигура 7: гъвкав тънък PZT

Процес на сол-гел

Процесът на SOL-GEL е рентабилен начин за депозиране на PZT тънки филми и позволяване на контрол върху филмовия състав на молекулно ниво.Тази техника започва с приготвянето на колоиден разтвор (SOL), който се превръща в гел.Важните стъпки включват хидролизиране и полимеризиране на метални алкоксиди.Полученият гел се прилага върху субстрат с помощта на спин покритие или потапяне, последвано от топлинна обработка за отстраняване на органични компоненти и кристализиране на фазата на PZT.

Фигура 8: Процес на сол-гел за тънки филми PZT

Предимства

• Позволява фин контрол върху стехиометрията, подобрявайки пиезоелектричните свойства

• използва по -ниски температури в сравнение с други методи

Предизвикателства

• Трудно е да се получи постоянна дебелина и състав на големи площи

• Високото свиване по време на сушене и изстрелване често причинява пукнатини

Разпръскване

Sputtering е физическа техника на отлагане на пари (PVD), при която високоенергичните частици избиват материал от целта, след което се отлагат върху субстрат.За PZT филми се използва RF Magnetron Sputtering, включващо плазма от аргонови йони, удрящи целта на PZT.

Фигура 9: Метод за отлагане на разпръскване на отлагане на тънкослов

Предимства

• Произвежда филми с добра адхезия и плътност

• Подходящо за покриване на големи субстрати равномерно

Предизвикателства

• Стресът може да се натрупа във филмите, засягащи техните свойства

• Съставът на целта може да се промени по време на разпръскване поради диференциални добиви на разпръскване

Метално органично отлагане на химически пари (MOCVD)

MOCVD включва разлагане на метало-органични прекурсори във фаза на пари и реагира или се разлага върху нагрята субстрат, за да образува тънък филм.Този метод е предпочитан за производство на добре кристализирани филми, подходящи за електронни приложения.

Предимства

• Осигурява отлична филмова равномерност и съответствие дори при субстрати със сложна форма

• Добър за производството с голям обем

Предизвикателства

• Изисква по -високи температури от другите методи

• Работата и съхранението на метало-органични прекурсори може да бъде опасна

Фигура 10: Отлагане на метални органични химически пари

Как материалите действат под стрес

Поведение при компресия

Когато се изтръгнат материали като кварц или бариев титанат, те се променят по начини, които влияят на използването им в различни устройства.Тези материали имат специални структури, които създават електрически заряди, когато са притиснати.Тъй като те са компресирани, те се свиват и вътрешната им структура се променя.

Това притискане кара електрическите заряди вътре в кристала да станат неравномерно разпределени.Налягането движи йони в структурата на кристала, създавайки електрическо поле.Това се случва, защото положителните и отрицателни центрове за зареждане в материалното изместване.Количеството електрическа реакция зависи от вида на кристала, прилаганата сила и посоката на кристала спрямо силата.

Например, в сензорите напрежението, произведено от кристалите, може да измери приложената сила, което ги прави идеални за откриване на налягане и натоварвания за наблюдение.В задействащите механизми прилагането на електрическо поле може да направи формата на смяна на кристала, което позволява прецизен контрол на движенията в неща като ултразвукови устройства и инжектори за автомобилно гориво.

Фигура 11: Пиезоелектрически материали работи

Пиезоелектричен отговор на налягането

Когато пиезоелектрическите материали са изправени пред механично налягане, молекулите им се пренасят, влияещи върху техните електрически свойства.Силата променя молекулната структура, подравнявайки регионите с еднаква електрическа посока, увеличава електрическата поляризация.

Това подравняване засилва разделянето на заряда в материала, засилвайки електрическата му поляризация.Казано по -просто, налягането прави диполите (молекули с два противоположни заряда) по -равномерни, създавайки по -силно електрическо поле за дадена сила.

Способността да се контролира точно този отговор под различно налягане прави пиезоелектрическите материали много полезни в много технологии.Тяхната способност да преобразуват механичното налягане в електрически сигнали и обратно им позволява да се използват ефективно в задачи като генериране на точни електронни честоти и мониторинг на вибрации в индустриални настройки.

Пиезоелектричният ефект

Фигура 12: Пиезоелектричният ефект

Превръщане на механичната енергия в електрическа енергия с пиезоелектричния ефект

Пиезоелектричният ефект променя механичната енергия в електрическата енергия чрез деформиране на определени кристални материали.Тези материали, известни като пиезоелектрици, включват естествени вещества като кварц и синтетични като усъвършенствана керамика.

Когато пиезоелектричният материал е изправен пред механично напрежение, като например да се изстиска, усука или огънат, кристалната му структура, няма централна симетрия и се нарушава.Това смущение измества центровете за зареждане в кристала, причинявайки поляризация и създаване на електрически потенциал в определени точки в материала.

Основни точки на този процес:

Изготвеният електрически заряд съвпада с количеството на приложеното механично напрежение.Това означава, че електрическият изход може да бъде точно контролиран въз основа на приложената известна сила;

Когато силата бъде отстранена, материалът се връща в първоначалното си състояние и електрическият заряд отминава.Това гарантира издръжливостта и надеждността на материала за устройства, които трябва да работят добре многократно.

Превръщане на електрическата енергия в механична енергия с обратния пиезоелектрически ефект

Обратният пиезоелектрически ефект променя електрическата енергия обратно в механичната енергия.Прилагането на електрическо напрежение върху пиезоелектрически материал създава електрическо поле, което променя структурата на кристалната решетка, променяйки размерите на материала.

Този ефект се използва при прецизни задвижващи механизми в оптични инструменти и микропозициониращи системи.Обратният пиезоелектрически ефект гарантира, че малките електрически входове водят до прецизни, контролирани механични настройки, подпомагане на напредъка в роботиката, автомобилната технология, медицинските инструменти и телекомуникациите.

Двойната способност на пиезоелектричния ефект да действа както като механично-електрически, така и като електрически домеханичен преобразувател поддържа технологичния напредък.Той свързва механичните и електрическите домейни, разширявайки съвременното инженерство и иновации.

Фигура 13: Директен и обратен пиезоелектричен ефект

Сравняване на непизоелектрически и пиезоелектрически материали

Непизоелектрическите и пиезоелектрическите материали са различни по това как се справят с механичната и електрическата енергия.Не пиезоелектрическите материали като стомана и алуминий могат да провеждат електричество, но не създават електрически заряд, когато се стресират.Пиезоелектрическите материали, като кварц и определена керамика, могат да променят механичната енергия в електрическа енергия поради тяхната специална кристална структура.

Непизоелектрическите материали имат симетрични кристални решетки, така че те не произвеждат електрически дипол, когато се стресират.Пиезоелектрическите материали имат асиметрични кристални решетки, което им позволява да генерират електрически заряд, когато са под стрес.Тази деформация причинява вътрешна поляризация и създаване на електрически потенциал.

Непизоелектрическите материали се държат като редовни проводници или изолатори въз основа на тяхната електронна подвижност и структура на лентата и те не създават електрически заряд при деформиране.Пиезоелектрическите материали проявяват два ефекти: директният пиезоелектричен ефект, при който механичното напрежение генерира електрически заряд, и обратният пиезоелектричен ефект, където електрическото поле причинява механична деформация.Тези характеристики правят пиезоелектрическите материали, подходящи за използване в сензори и задвижващи механизми.

Поради различните им свойства, в различни приложения се използват непизоелектрически и пиезоелектрически материали.Непизоелектрическите материали се използват в структурни компоненти, електрическо окабеляване и стандартни електронни части, където якостта и проводимостта са важни.Пиезоелектрическите материали се използват в полета, които изискват прецизно управление и механично-електрическо преобразуване на енергия, като ултразвуково оборудване, прецизни устройства за позициониране и различни сензори и задвижващи механизми, подходящи за модерни технологии.

Приложения на пиезоелектричност

Потребителската електроника: В смартфони и други устройства пиезоелектрическите части се използват в високоговорители и микрофони.Те превръщат електрически сигнали в звукови вибрации или звукови вибрации в електрически сигнали за аудио вход.

Автомобилна индустрия: Съвременните автомобили използват пиезоелектрически сензори за много цели като контролиране на впръскване на гориво в двигатели и наблюдение на налягането в гумите.

Мониторинг на околната среда: Пиезоелектрическите сензори откриват промени в налягането, вибрациите и звуците.Те се използват за проверка на условията на околната среда и осигуряване на безопасността на сградите и мостовете.

Енергийно събиране: Пиезоелектрическите материали могат да улавят енергия от механично напрежение.Например етажите, които преобразуват стъпки в електрическа енергия, могат да захранват светлините и електрониката в натоварените райони, помагайки за създаването на устойчива среда.

Пиезоелектрични запалки с високо напрежение: Тези запалки, използвани за осветление на газови печки и барбекюта, и създават високо напрежение от малко механично щракване, произвеждайки искра, за да запали горелката.Това показва практическото използване на пиезоелектрически материали.

Медицински изображения: Пиезоелектричните кристали са полезни при ултразвукови машини.Те произвеждат звукови вълни, които отскачат от тъканите и органите, създавайки изображения за диагноза.

Прецизни задвижващи механизми в научните инструменти: пиезоелектрически материали в прецизни задвижващи механизми създават малки движения за оптика и нанотехнологии.Тези задвижващи механизми регулират огледала, лещи и други части с микроскопична точност за научни изследвания и производство на полупроводници.

Заключение

Изучаването на пиезоелектрически материали показва силна връзка между физиката и инженерството, демонстрирайки как техните естествени свойства могат да се използват за много технологични цели.Универсалността на пиезоелектрическите материали, налични като силни насипни материали, така и гъвкави тънки филми, ги прави подходящи за различни приложения, като събиране на енергия, мониторинг на околната среда и разработване на устойчиви технологии.Тъй като иновациите продължават, изследванията и разработката в пиезоелектрическите материали са по -важни, обещаващи подобрения в ефективността, прецизността и функционалността за бъдещите технологии.

Често задавани въпроси [FAQ]

1. Какво причинява производството на електричество от пиезоелектрически ефект?

Пиезоелектричният ефект възниква, когато определени материали произвеждат електрически заряд в отговор на механично напрежение.Тези материали, кристали като кварц, керамика като бариев титанат и някои полимери, притежават кристална структура на решетката, която е нецентросиметрична, което означава, че му липсва център на симетрия.Когато се прилага механична сила, като налягане или вибрация, тази структура се изкривява.Това изкривяване измества йоните в решетката, създавайки области с положителни и отрицателни заряди.Пространственото разделяне на тези заряди води до електроенергия, генерираща електроенергия.Този ефект е обратим и прилагането на електрическо поле към тези материали също ще предизвика механично напрежение.

2. Какво устройство използва пиезоелектричния ефект?

Устройствата, които използват пиезоелектричния ефект, са разнообразни и включват както ежедневно, така и специализирано оборудване.Общите приложения са:

Кварцови часовници: Използване на редовните вибрации на кварц под електрическо поле, за да се поддържа времето точно.

Медицински ултразвукови устройства: Генериране на звукови вълни, които отекват вътре в тялото, за да създадат диагностични изображения.

Инжекторите за гориво в автомобилите: Използване на пиезоелектрически задвижващи механизми за контрол на времето и количеството на горивото, впръснати в цилиндрите на двигателя.

Пиезоелектрически сензори и акселерометри: Измерване на промените в налягането, ускорението, напрежението или силата чрез превръщането им в електрически сигнал.

3. Колко волта е пиезо?

Изходът на напрежението на пиезоелектрически елемент може да варира значително в зависимост от неговия размер, материал и количеството на прилагания механичен стрес.Малък пиезо елемент като този, който се намира в запалки или електронни устройства, може да произведе скок на напрежението, вариращ от няколко волта до няколкостотин волта.Тези изходи обаче обикновено са при много ниски токове и продължават само микросекунди.

4. Има ли пиезо резистор?

В много приложения резистор се използва с пиезоелектричен елемент за ограничаване на тока и защита на други компоненти във веригата от шипа на високо напрежение, произведен при активиране на пиезото.Стойността на резистора зависи от специфичните изисквания на веригата, включително желаното време за реакция и чувствителност.Без резистор пиезото може потенциално да повреди свързани електронни компоненти поради високия начален скок на напрежението.

5. Как пиезоелектрик е свързан с човешката сила?

Пиезоелектричният ефект е пряко приложим за използване на човешката сила по иновативни начини.Той може да преобразува механичната енергия от човешки дейности, като копчета за ходене или натискане, в електрическа енергия.Тази технология се изследва в различни приложения:

Енергийно прибиране на плочки: Тези плочки генерират електричество от натиска на краката в натоварени райони като метростанции или молове.

Носима технология: Вграждане на пиезоелектрически материали в обувки или дрехи за генериране на енергия за малки устройства чрез нормални движения на тялото.

Медицински импланти: Използване на движения на тялото на захранващи устройства като пейсмейкъри, намаляване или премахване на нуждата от външни батерии.