Из чего сделан пьезоэлемент

Описание устройства и цепей измерения

Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:

• мембрана, которая является дном корпуса;
• обкладка снаружи заземлена, а средняя изолируется кварцем;
• пластины имеют высокое сопротивление, соединены параллельно;
• фольгу и внутреннюю жилу кабеля скрепляют в отверстии, закрывающемся крышкой.

Мощность на выходе – минимальна, в связи с этим предусматривают усилитель с большим сопротивлением. По сути, напряжение зависит от емкости цепи входа. Характеристики преобразователя указывают на чувствительность и емкость. В основном это заряд и собственные показатели устройства. Если рассчитать суммарно, то получится следующая выходная мощность: Sq = q/F или Uxx = d11·F/Co.

Чтобы расширить диапазон частоты, необходимо измеряемые низкие переменные увеличить в сторону постоянной цепи времени. Подобное действие легко осуществить с помощью включения конденсаторов, которые расположены параллельно с устройством. Правда при этом напряжение выхода снизится. Сопротивление, которое было увеличено, расширит диапазон без утрат чувствительности. Но для его повышения необходимы улучшенные изоляционные качества и усилители с высокоомным входом.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики

), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называетсяпрямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина

. Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов . В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год .

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект

, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Рисунок 1 – Элементарная ячейка цирконата титоната свинца (ЦТС) при температуре выше точки Кюри (слева) и при температуре ниже точки Кюри (справа)

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект

на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO3, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО3), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO3 вместо Pb — Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.

Рисунок 2 – Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложениии сильного электрического поля (справа)

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности .

Причина самостоятельного срабатывания электроподжига

Различают 2 варианта авторозжига: от электросвечи и от пьезоэлемента. Рассматривать ситуации, как работает пьезоэлемент при подобных неисправностях, не будем. Такая поломка требует полной замены всего узла поджога. Но причин, почему щелкает электроподжиг, действительно очень много, помимо всех перечисленных. Все это можно устранить с минимальными потерями.

1.Попадание влаги в кнопку. В основном это может случить после промывки техники. В целом, для любой плиты с электроподключением имеется защита от влаги. Но в том случае, когда жидкость все же попадает на модуль, может произойти замыкание цепи. Искры из всех конфорок — это характерный признак.

2.Попадание грязи в розжиг. При постоянном попадании жира, еды и прочей грязи на важные узлы, со временем это все начинает налипать на проводах и контактах. Как результат, из-за этого кнопка «залипает», при нажатии кнопка не возвращается в исходное положение и начинает щелкать просто так.

3.Износ детали. Залипания розжига может происходить, даже если на нем отсутствует спай, нагар или мусор. Для тех, кто пользуется плитой больше 10 лет и внезапно вы заметили, что электроподжиг газовой плиты не выключается. Пришло время обратиться к специалисту для замены узла авторозжига. Самой уязвимой к подобным неисправностям считается техника Zanussi и Kaiser.

4.Поломки комплектующих. Система поджога имеет несколько составляющих, каждая из которых не защищена от поломок и может стать причиной щелчков и искр из горелки.

Преимущества пьезоэлектрических форсунок

Управление фазами впрыска

Применение пьзоэлектрического клапана позволило почти в 4 раза увеличить быстродействие форсунки по сравнению с электромагнитным клапаном (соленоидом). Наиболее точно разделить фазы впрыска удалось за счет того, что высокая скорость отклика способствует полному открыванию и запиранию клапана за короткое время. Та же особенность позволила с высокой точностью изменять продолжительность открытия управляющего клапана форсунки.

Переменное давление впрыска

Зачастую при послойном впрыске, подразумевающем многократное открытие форсунок, для каждой фазы требуется не только разная продолжительность, но и давление. Скажем для первичной, «запальной» фазы давление должно быть минимальным, а для подачи рабочей дозы требуется очень высокое давление. Применение пьезоэлектрической форсунки дало возможность изменять давление впрыска в широких пределах, приблизительно от 130 до 2200 бар.

Снижение шума при работе двигателя

Шум при работе мотора на холостом ходу вызван резкими перепадами давления топлива в форсунках, а также возникающих при этом вибрациях, отражающихся на элементах двигателя. Новые форсунки, благодаря быстродействию пьезоклапана, позволяют заметно понизить уровень шума. При разработке пьезоэлектрической форсунки был уменьшен диаметр ее плунжера, что позволило снизить механический шум возникающий при ее работе.

КПД форсунки

Высокий КПД насос-форсунки объясняется уменьшением электрической мощности, необходимой для работы клапана. За счет снижения объема топлива, необходимого для впрыска, удалось довести диаметр плунжера форсунки до 6,35 мм без потери интенсивности его подачи.

Использование пьезоэффекта в технике

Прямой пьезоэффект используется:

• в пьезогенераторах электроэнергии разнообразного назначения:
  • в пьезозажигалках, для получения высокого напряжения на разряднике от движения пальца;
  • в контактном пьезоэлектрическом взрывателе (например, к выстрелам РПГ-7);
• в датчиках:
  • в качестве чувствительного к силе элемента (чем больше сила, тем выше напряжение на контактах), например, в силоизмерительных датчиках, датчиках давления жидкостей и газов;
  • в качестве чувствительного элемента в микрофонах, гидрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, приёмных элементов сонаров;

Обратный пьезоэлектрический эффект используется:

• в акустических излучателях:
  • в пьезокерамических излучателях звука (эффективны на высоких частотах и имеют небольшие габариты; такие например встраиваются в музыкальные открытки, различные оповещатели, применяемые во всевозможных бытовых устройствах от наручных часов до );
  • в ультразвуковых излучателях для увлажнителей воздуха, ультразвуковой гидроочистки (в частности, ультразвуковых стиральных машин и промышленных ультразвуковых ванн);
  • в излучателях гидролокаторов (сонарах);
• в системах механических перемещений (активаторах):
  • в системах сверхточного позиционирования, например, в системе позиционирования иглы в сканирующем туннельном микроскопе или в позиционере перемещения головки жёсткого диска;
  • в адаптивной оптике, для изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.
• в пьезоэлектрических двигателях;
• для подачи чернил в струйных принтерах.

Прямой и обратный эффект одновременно используются:

• в кварцевых резонаторах, используемых как эталон частоты;
• в пьезотрансформаторах для изменения напряжения высокой частоты.
• в приборах на эффекте поверхностных акустических волн:
  • в ультразвуковых линиях задержки электронной аппаратуры;
  • в датчиках на поверхностных акустических волнах.

Пьезохирургический аппарат Piezomed от W&H

Помимо всех прочих достоинств, у аппарата есть уникальная и очень полезная функция – автоматическое распознавание насадки. Вы фиксируете насадку в наконечнике, и необходимая программа подбирается автоматически. Очень грамотно предустановлены три режима. Основной (умеренный) — мощность не зависит от нагрузки на наконечник. Плавный режим обеспечивает уменьшение мощности наконечника при возрастании нагрузки. И, наконец, режим при котором мощность растет с увеличением давления на насадку. Есть полезная функция Boost для временного увеличения мощности на 20%. Подсветка операционного поля обеспечивается благодаря светодиодному кольцу в наконечнике. Отверстие для выхода охлаждающей жидкости находится рядом с рабочей зоной насадки.

W&H предлагает ассортимент из 33 насадок для разных клинических случаев. Прибор комплектуется ножной педалью, наконечником, ирригационными шлангами, подставкой для наконечника и ключом для замены инструмента. Кроме того, в комплект поставки входит набор из шести насадок Bone.

• 3 режима (Power, Basic, Smooth);
• Функция ускорения Boost;
• Выходная мощность: 24 Вт;
• Мощность насоса: 100 мл/мин.

Возможные поломки, при которых всё время работает электроподжиг

Неполадки, которые проявляются заевшим розжигом, то чаще всего причиной является поломка кнопки поджога. А точнее – с кнопками. Поскольку цепи соединяются параллельно, и поломка одной кнопки может привести тому, что все горелки искрят сразу. Если вы столкнулись с тем, что не работает электроподжиг варочной панели или работает, но некорректно, то незамедлительно вызывайте мастера, который определит, в чем причина и устранит неполадку.

Применение пьезокерамики

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента

обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах

, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

В сенсорах

, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах

, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях

, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики .

Ультразвук Преобразователи Проектирование

Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms.- Saskatchewan, Canada.: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005
Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover.- PA, USA.: Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
www.piezo.com
ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические»
Tokin. Multilayer Piezoelectic Actuators. User’s Manual, Tokin Corporate Publisher.: 1996.
Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.I. Механика.- Москва.:1979.
Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. Fundamentals of Piezoelectric Sensorics.- Heidelberg, Dordrecht, London, New York.: Springer, 2010

Термины и определения для пьезоэлектрических резонаторов

Основные термины для пьезоэлектрических резонаторов установлены стандартами Международной электротехнической комиссии (МЭК). В соответствии с этим документом определена стандартная отечественная терминология для основных понятий, касающихся пьезоэлектрических резонаторов. В справочнике использована стандартная терминология, имеющаяся в указанных документах. Понятия, для которых еще нет твердо установленных терминов, определены терминами, известными из тех или иных источников, на которые даны соответствующие ссылки.

Пьезоэлектрический резонатор (пьезорезонатор) — компонент радиоэлектронной аппаратуры. Его основной частью является пьезоэлемент, определяющий резонансный характер зависимости его полного сопротивления от частоты и имеющий параметры и характеристики, оговоренные в технической документации.

Многополюсный резонатор — резонатор с числом внешних выводов больше двух, соединенных с электродами пьезоэлемента и не связанных электрически между собой.

Многоэлементный пьезорезонатор — пьезоэлектрический резонатор, в корпусе которого смонтировано несколько пьезоэлементов.

Двухмодовый резонатор — резонатор, пьезоэлемент которого имеет две рабочие моды колебаний и соответственно две рабочие частоты.

Бескорпусной пьезорезонатор — пьезорезонатор, не имеющий внешней оболочки (корпуса), конструктивные и электрические параметры которого нормированы, а методы испытаний и правила обращения указаны в технической документации. Термины «пьезоэлемент» и «пьезовибратор» синонимами бескорпусного резонатора не являются.

Пьезоэлектрический элемент (пьезоэлемент) — пластина, стержень или тело иной формы из пьезоэлектрика, имеющие определенные размеры и ориентацию относительно кристаллографических осей или определенное направление поляризации (для керамики) с электродами.

Пьезоэлектрический вибратор (пьезовибратор) — пьезоэлемент с деталями крепления или смонтированный с держателем.

Электроды — пленки, наложенные на пьезоэлектряческую пластину, или проводящие пластины, расположенные вблизи нее, предназначенные для приложения внешнего электрического напряжёi4ия или съема пьезоэлектрических зарядов.

Корпус — оболочка, предохраняющая пьезоэлемент от внешних механических и климатических воздействий и имеющая выводы для соединения с внешней электрической цепью.

Держатель — устройство для фиксации положения пьезоэлемента в корпусе резонатора или на плате функционального пьезоэлектрического прибора.

Отражатель — компактная относительно массивная деталь в виде шайбы, шарика или тела иной формы устанавливаемая на проволочных держателях для предотвращения потерь энергии вследствие распространения по ним возбужденных пьезоэлементом механических колебаний.

Пьезоэлектрическая подложка (пьезоподложка) — пластина из пьезоэлектрика с пленочными электродами, на которой расположены также элементы другого функционального назначения.

Микроминиатюрные резонаторы — сверхминиатюрные резонаторы, предназначенные для использования в наручных электронных часах и микроэлектронной аппаратуре.

Резонатор-термостат — резонатор, у которого внутри корпуса размещены нагреатель пьезоэлемента, датчик температуры и другие элементы, определяющие температурньтй режим ПЭ.

Интегральный резонатор — резонатор, основные элементы которого (пьезоэлемент, детали его крепления и держатель) выполнены из одного куска пьезоэлектрика.

Резонатор с зазором — резонатор, пьезоэлемент которого имеет электроды, расположенные на небольшом расстоянии от поверхности последнего.

Полюс резонатора — внешний вывод от электрода ПЭ для включения во внешнюю цепь.

Производство пьезоэлементов

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО3 (напр., BaTiO3, РbТiO3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO3 — CaTiO3, BaTiO3 — CaTiO3 — CoCO3, NaNbO3 — KNbO3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO3 — PbZrO3 (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ2О6, напр. PbNb2O6, имеющих весьма высокую Кюри точку (~570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента

Процесс изготовления пьезокерамики

разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации .

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое разрешение в нанометровом масштабе
• Одновременное получение топографии и пьезоэлектрического отклика
• Позволяет манипулировать сегнетоэлектрическими доменами в нанометровом масштабе с помощью сегнетоэлектрической нанолитографии
• Неразрушающие методы визуализации и изготовления
• Требуется небольшая подготовка образца

Недостатки

• Сканирование может быть медленным, например, до десятков минут.
• Износ наконечника изменяет взаимодействие с поверхностью и может влиять на контраст
• Ограничено боковым диапазоном АСМ, т.е. приблизительно 100 × 100 мкм 2
• Электромеханическое поведение не может быть связано с явлениями пьезо / ферроэлектричества.
• Поверхность должна быть относительно ровной и полированной.

Похожие записи:

Программа codevisionavr, описание, скачать бесплатно Как создаются электропроекты частных домов Единица измерения напряжения Датчики приближения в смартфонах Ms-dos и tasm 2.0. часть 7. данные Стабилитрон д814г (г1)