Zkoumání piezoelektrických materiálů: typy, vlastnosti a technologický dopad

V průběhu let vytvořily pokroky ve vědě o materiálu různé piezoelektrické materiály, jako jsou jednotlivé krystaly, keramika a tenké filmy.Tento článek se podrobně podívá na piezoelektrické materiály včetně jejich vlastností, typů, jak fungují a jejich použití.Zdůrazňuje jejich důležitost při propojení mechanického a elektrotechnického inženýrství a vedení inovací v mnoha oblastech.

Katalog

Obrázek 1: Piezoelektrický materiál

Co je to piezo?

Slovo „piezo“ pochází z řeckého slova „piezein“, znamená „tlačit“ nebo „tlak“.To dobře zapadá do jeho použití ve vědě pro piezoelektriku.V roce 1880 objevili francouzští fyzik Jacques a Pierre Curie piezoelektriku.Zjistili, že když byly lisovány určité krystaly, jako je turmalin, křemen, topaz a Rochelle sůl, vytvořili elektrický náboj.Také viděli, že tyto krystaly mohou změnit tvar, když byl aplikován elektrický proud, což ukazuje, že proces může fungovat oběma způsoby.

Tento objev vedl k vytvoření různých piezoelektrických zařízení.Během první světové války byla piezoelektrika používána hlavně v ultrazvukových detektorech ponorek.Dnes se piezoelektrické materiály používají v mnoha věcech.Nacházejí se v každodenních předmětech, jako jsou zapalovače elektrických cigaret a inkoustové tiskárny, jakož i v pokročilých technologiích, jako je lékařské ultrazvukové zobrazování a přesná kontrola pohybu v robotice.

Typy piezoelektrických materiálů

Obrázek 2: Příklady piezoelektrických materiálů

Jedno krystalové piezoelektrické materiály

Jedno krystalové piezoelektrické materiály jsou charakterizovány jejich kontinuální a jednotnou krystalovou mříží bez hranic zrn.Tato jednotná struktura často vede k lepší elektromechanické účinnosti vazby ve srovnání s jinými piezoelektrickými materiály.Příklady takových materiálů zahrnují křemen a langasite.Tyto jednotlivé krystaly jsou produkovány pomocí přesných růstových metod, jako je proces Czochralski nebo hydrotermální syntéza.Díky jejich výjimečnému výkonu z nich činí ideální pro přesné aplikace, jako jsou pokročilé lékařské zobrazovací systémy, telekomunikační rezonátory a filtry a monitorování vibrací v letectví.

Obrázek 3: Materiál libovolného krystalu křemene

Keramické piezoelektrické materiály

Piezoelektrická keramika se vyrábí z perovskitově strukturovaných materiálů, jako je titanát olovnatého zirkantu (PZT).Tyto materiály jsou polykrystalické a jsou vytvářeny slizovanými práškovými látkami.Jejich piezoelektrické vlastnosti jsou vyvíjeny procesem polingu a vyrovnávají elektrické dipóly použitím externího elektrického pole.Tato keramika může být snadno tvarována do různých forem a velikostí.Díky jejich trvanlivosti a efektivitě nákladů jsou populární pro použití v akčních ovladačích, senzorch, ultrazvukových převodnících a bzučácích spotřební elektroniky.

Obrázek 4: Struktura piezoelektrické keramiky typu PZT

Tenké filmové piezoelektrické materiály

Tenká filmová piezoelektrika se vyrábějí ukládáním vrstev, které sahají od několika nanometrů po několik mikrometrů v tloušťce pomocí pokročilých výrobních technik, jako je nápravu, depozice chemických par nebo depozice pulzního laseru.Mezi běžné materiály používané v tenkých filmech patří PZT, oxid zinečnatý (ZnO) a nitrid hliníku (ALN).Thisness těchto filmů jim umožňuje integrovat do mikroelektromechanických systémů (MEMS) a nanoelektromechanických systémů (NEMS), což zvyšuje jejich funkčnost v kompaktních zařízeních, jako jsou mikrofony, mikrospínače a pokročilé polí senzorů.Díky jejich kompatibilitě se standardními polovodičovými procesy a škálovatelností je činí vhodné pro integrované obvody a flexibilní elektroniku.

Obrázek 5: ALN Piezoelektrické tenké filmy

Obrázek 6: Hromadné piezo prvky

Výběr mezi tenkým filmem a hromadným piezoelektrickým materiálem závisí na specifických potřebách aplikace pro přesnost, výkon a trvanlivost.Tenkovrstvé piezo materiály jsou vhodné v malých technologiích.Naproti tomu hromadné piezo materiály jsou preferovány u náročnějších aplikací ve větším měřítku.Níže uvedená tabulka porovnává tenkovrstvé piezo materiály a objemové piezo materiály na základě jejich tloušťky, výrobních technik, klíčových vlastností a aplikací.

Kategorie	Tenkovrstvé piezo materiály	Hromadné piezo materiály
Tloušťka	Několik nanometrů na několik mikrometrů	Několik milimetrů na centimetry
Výrobní techniky	Rozprašování, pulzní depozice laseru, Chemická depozice páry	Lisování, vytlačování, obrábění
Funkce	Vysokofrekvenční odezva: Rychlá odezva časy	Vysoká výroba energie: Vytváří sílu pod mechanickým stresem
	Flexibilita: použitelná na flexibilní povrchy	Trvanlivost: Silná a odolná, vhodná Pro těžké zatížení a drsné podmínky
	Přesnost: Přesná kontrola na a mikroskopická úroveň	Všestrannost: snadno tvarovaná a velikost specifické potřeby
Aplikace	Mikroelektronika a MEMS: Akcelerometry, gyroskopy, inkoustové hlavy tiskárny	Sběr energie: převádí mechanickou stres z vibrací do elektrické energie
	Zdravotnictví: Ultrazvukové převodníky Pro zobrazování a terapii	Pohony a senzory: Velké ovladače v Automobilový průmysl a letecký průmysl, senzory s vysokým zatížením
	Telekomunikace: filtry a Rezonátory v mobilních telefonech a komunikačních zařízeních	Sonar a ultrazvuková zařízení: Sonar Systémy pro použití námořního použití, průmyslové ultrazvukové čističe

Metody tenkého filmu PZT a depozice

Materiály tenkého filmu olovo zirkonate (PZT) se používají ve senzorů, ovladačích a mikroelektromechanických systémech (MEMS) kvůli jejich velkým piezoelektrickým vlastnostem.Složení a účinnost tenkých filmů PZT hodně závisí na jejich metodách depozice, které mohou ovlivnit jejich strukturu, orientaci a piezoelektrický výkon.Tři hlavní techniky hlavní depozice: sol-gel, rozprašování a kovové organické chemické depozice par (MOCVD).

Obrázek 7: Flexibilní tenkovrstvý PZT

Proces sol-gel

Proces sol-gel je nákladově efektivní způsob, jak ukládat tenké filmy PZT a umožnit kontrolu nad složením filmu na molekulární úrovni.Tato technika začíná přípravou koloidního roztoku (Sol), který se mění v gel.Mezi důležité kroky patří hydrolyzování a polymerační kovové alkoxidy.Výsledný gel je aplikován na substrát s použitím rotačního povlaku nebo ponoření, následovaný tepelným zpracováním k odstranění organických složek a krystalizaci fáze PZT.

Obrázek 8: Sol-gel Proces pro PZT tenké filmy

Výhody

• Umožňuje jemnou kontrolu nad stechiometrií a zlepšuje piezoelektrické vlastnosti

• Používá nižší teploty ve srovnání s jinými metodami

Výzvy

• Je těžké získat konzistentní tloušťku a složení na velkých plochách

• Vysoké smršťování během sušení a palby často způsobuje praskliny

Rozprašování

Rozprašování je technika fyzické depozice páry (PVD), kde vysokoenergetické částice srazí materiál z cíle a pak ukládá na substrát.U filmů PZT se používá RF magnetron rozprašovací prvek zahrnující plazmu argonových iontů zasahujících cíl PZT.

Obrázek 9: Metoda depozice rozprašování na depozici tenkovrstvého

Výhody

• Produkuje filmy s dobrou adhezí a hustotou

• Vhodné pro povlak velkých substrátů rovnoměrně

Výzvy

• Ve filmech ovlivňující jejich vlastnosti se může nahromadit stres

• Složení cíle se může během rozprašování změnit v důsledku roztržení výnosů

Kovová organická chemická depozice páry (MOCVD)

MOCVD zahrnuje rozložení kovově organických prekurzorů ve fázi páry a reagovat nebo rozkládat na vyhřívaném substrátu za vzniku tenkého filmu.Tato metoda je preferována pro produkci vysokorychlostních, dobře krystalizovaných filmů vhodných pro elektronické aplikace.

Výhody

• Poskytuje vynikající filmovou uniformitu a shodu i na komplexních substrátech

• Dobré pro produkci s vysokým objemem

Výzvy

• Vyžaduje vyšší teploty než jiné metody

• Manipulace a skladování kovově organických prekurzorů může být nebezpečné

Obrázek 10: Depozice kovového organického chemického páry

Jak materiály působí ve stresu

Chování pod kompresí

Když jsou materiály, jako je křemen nebo baryový titanát, změní se způsoby, které ovlivňují jejich použití v různých zařízeních.Tyto materiály mají speciální struktury, které vytvářejí elektrické náboje, když jsou stisknuty.Když jsou komprimovány, zmenšují se a změní se jejich vnitřní struktura.

Toto stlačení způsobuje, že elektrické náboje uvnitř krystalu jsou nerovnoměrně distribuovány.Tlak pohybuje ionty ve struktuře krystalu a vytváří elektrické pole.K tomu dochází proto, že pozitivní a záporná střediska náboje v posunu materiálu.Množství elektrické odezvy závisí na typu krystalu, aplikované síly a směru krystalu vzhledem k síle.

Například v senzorch může napětí produkované krystaly měřit aplikovanou sílu, takže je ideální pro detekci tlaku a monitorovacího zatížení.U ovladačů může použití elektrického pole vytvořit tvar změny krystalu, což umožňuje přesné ovládání pohybů ve věcech, jako jsou ultrazvuková zařízení a vstřikovač paliva.

Obrázek 11: Piezoelektrické materiály funguje

Piezoelektrická reakce na tlak

Když piezoelektrické materiály čelí mechanickému tlaku, jejich molekuly se vyrovnávají a ovlivňují jejich elektrické vlastnosti.Síla mění molekulární strukturu, vyrovnává oblasti s rovnoměrným elektrickým směrem, zvyšuje elektrickou polarizaci.

Toto zarovnání zvyšuje oddělení náboje v materiálu a zvyšuje jeho elektrickou polarizaci.Zjednodušeně řečeno, tlak způsobuje, že dipóly (molekuly se dvěma opačnými náboji) vytvářejí jednotnější a vytvářejí silnější elektrické pole pro danou sílu.

Schopnost přesně ovládat tuto odezvu při různých tlacích činí piezoelektrické materiály velmi užitečné v mnoha technologiích.Jejich schopnost přeměnit mechanický tlak na elektrické signály a naopak jim umožňuje efektivně používat v úkolech, jako je generování přesných elektronických frekvencí a monitorování vibrací v průmyslových prostředích.

Piezoelektrický účinek

Obrázek 12: Piezoelektrický účinek

Přeměňování mechanické energie na elektrickou energii s piezoelektrickým účinkem

Piezoelektrický účinek mění mechanickou energii na elektrickou energii deformací určitých krystalových materiálů.Tyto materiály, známé jako piezoelektrika, zahrnují přírodní látky jako křemen a syntetické ty, jako je pokročilá keramika.

Když piezoelektrický materiál čelí mechanickému napětí, jako je stlačení, zkroucené nebo ohnuté, jeho krystalová struktura, nemá centrální symetrii a je narušeno.Tato porucha posouvá nábojová centra v krystalu způsobující polarizaci a vytváří elektrický potenciál v určitých bodech materiálu.

Klíčové body tohoto procesu:

Elektrický náboj se shoduje s množstvím aplikovaného mechanického napětí.To znamená, že elektrický výstup může být přesně ovládán na základě známé síly aplikované;

Po odstranění síly se materiál vrátí do původního stavu a elektrický náboj zmizí.Tím je zajištěno, že odolnost a spolehlivost materiálu je dobré pro zařízení, která musí dobře fungovat opakovaně.

Proměnit elektrickou energii na mechanickou energii s reverzní piezoelektrický efekt

Reverzní piezoelektrický účinek mění elektrickou energii zpět na mechanickou energii.Použití elektrického napětí na piezoelektrický materiál vytváří elektrické pole, které mění strukturu krystalové mřížky a mění rozměry materiálu.

Tento účinek se používá u přesných pohonů v optických nástrojích a mikropozičních systémech.Reverzní piezoelektrický účinek zajišťuje, že malé elektrické vstupy mají za následek přesné, kontrolované mechanické úpravy, pomáhají pokrokům v robotice, automobilové technologie, lékařské nástroje a telekomunikace.

Duální schopnost piezoelektrického účinku působí jako mechanicky-elektrický i elektrický mezi mechanickým převodníkem podporuje technologický pokrok.Spojuje mechanické a elektrické domény a rozšiřuje moderní inženýrství a inovace.

Obrázek 13: Přímý a reverzní piezoelektrický účinek

Porovnání neizoelektrických a piezoelektrických materiálů

Nebezoelektrické a piezoelektrické materiály se liší v tom, jak zvládají mechanickou a elektrickou energii.Nebezoelektrické materiály, jako je ocel a hliník, mohou provádět elektřinu, ale při stresu nevytvářejí elektrický náboj.Piezoelektrické materiály, jako je křemen a určitá keramika, mohou kvůli své speciální krystalové struktuře změnit mechanickou energii na elektrickou energii.

Non-koezoelektrické materiály mají symetrické krystalové mřížky, takže při stresu nevytvářejí elektrický dipól.Piezoelektrické materiály mají asymetrické krystalové mřížky, které jim umožňují generovat elektrický náboj při stresu.Tato deformace způsobuje vnitřní polarizaci a vytváří elektrický potenciál.

Nebezoelektrické materiály se chovají jako běžné vodiče nebo izolátory založené na jejich elektronové mobilitě a struktuře pásma a při deformaci nevytvářejí elektrický náboj.Piezoelektrické materiály vykazují dva účinky: přímý piezoelektrický účinek, kde mechanické napětí vytváří elektrický náboj, a inverzní piezoelektrický účinek, kde elektrické pole způsobuje mechanickou deformaci.Tyto vlastnosti způsobují, že piezoelektrické materiály jsou vhodné pro použití v senzorech a ovladačích.

Vzhledem k jejich různým vlastnostem se v různých aplikacích používají neizoelektrické a piezoelektrické materiály.Nebezoelektrické materiály se používají ve strukturálních komponentách, elektrickém zapojení a standardních elektronických částech, kde jsou důležité pevnost a vodivost.Piezoelektrické materiály se používají v polích, které vyžadují přesnou kontrolu a přeměnu mechanicko-elektrické energie, jako je ultrazvuková zařízení, přesná polohovací zařízení a různé senzory a členy dobré pro pokročilé technologie.

Aplikace piezoelektriky

Spotřebitelská elektronika: V chytrých telefonech a dalších zařízeních se piezoelektrické díly používají v reproduktorech a mikrofonech.Proměňují elektrické signály na zvukové vibrace nebo zvukové vibrace na elektrické signály pro zvukový vstup.

Automobilový průmysl: Moderní automobily používají piezoelektrické senzory pro mnoho účelů, jako je kontrola vstřikování paliva do motorů a monitorování tlaku pneumatik.

Sledování životního prostředí: Piezoelektrické senzory detekují změny tlaku, vibrace a zvuky.Používají se pro kontrolu podmínek prostředí a zajištění bezpečnosti budov a mostů.

Sběr energie: Piezoelektrické materiály mohou zachytit energii z mechanického stresu.Například podlahy, které přeměňují stopy na elektrickou energii, mohou napájet světla a elektroniku v rušných oblastech a pomoci vytvářet udržitelné prostředí.

Vysokopěťové piezoelektrické zapalovače: Tyto zapalovače používané pro osvětlení plynových kamen a grilování a vytvářejí vysoké napětí z malého mechanického kliknutí a vytvářejí jiskru, aby osvětlila hořák.To ukazuje praktické použití piezoelektrických materiálů.

Lékařské zobrazování: Piezoelektrické krystaly jsou užitečné v ultrazvukových strojích.Produkují zvukové vlny, které odrazí tkáně a orgány a vytvářejí obrázky pro diagnostiku.

Přesné akční členy ve vědeckých nástrojích: Piezoelektrické materiály v přesných ovladačích vytvářejí malé pohyby pro optiku a nanotechnologii.Tyto pohony upravují zrcadla, čočky a další části s mikroskopickou přesností pro vědecký výzkum a polovodičové výrobu.

Závěr

Studium piezoelektrických materiálů ukazuje silné spojení mezi fyzikou a inženýrstvím, což ukazuje, jak lze jejich přirozené vlastnosti použít pro mnoho technologických účelů.Všestrannost piezoelektrických materiálů dostupných jako silných hromadných materiálů a flexibilních tenkých filmů je činí vhodnými pro různé aplikace, jako je sklizeň energie, monitorování životního prostředí a vývoj udržitelných technologií.Jak inovace pokračuje, výzkum a vývoj v piezoelektrických materiálech je důležitější a slibné zlepšení účinnosti, přesnosti a funkčnosti pro budoucí technologie.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Co způsobuje výrobu elektřiny z piezoelektrického účinku?

Piezoelektrický účinek nastává, když určité materiály vytvářejí elektrický náboj v reakci na mechanické napětí.Tyto materiály, krystaly jako křemen, keramika, jako je baryový titanát a některé polymery, mají krystalovou mřížkovou strukturu, která je necentrosymmetrická, což znamená, že postrádá střed symetrie.Když je aplikována mechanická síla, jako je tlak nebo vibrace, tato struktura se zkreslí.Toto zkreslení posune ionty uvnitř mříže a vytváří oblasti s pozitivními a negativními náboji.Prostorové oddělení těchto poplatků má za následek elektrickou elektrickou elektřinu.Tento efekt je reverzibilní a použití elektrického pole na tyto materiály také vyvolá mechanické napětí.

2. Jaké zařízení používá piezoelektrický efekt?

Zařízení, která využívají piezoelektrický efekt, jsou rozmanitá a zahrnují každodenní i specializované vybavení.Běžné aplikace jsou:

Křemenné hodinky: Používání pravidelných vibrací křemene pod elektrickým polem, aby bylo možné přesně udržet čas.

Lékařská ultrazvuková zařízení: Generování zvukových vln, které se ozývají uvnitř těla a vytvářejí diagnostické obrazy.

Vstřikovače paliva v automobilech: Použití piezoelektrických ovladačů k řízení načasování a množství paliva vstřikovaného do válců motoru.

Piezoelektrické senzory a akcelerometry: měření změn tlaku, zrychlení, napětí nebo síly jejich přeměnou na elektrický signál.

3. Kolik voltů je piezo?

Výstup napětí piezoelektrického prvku se může značně lišit v závislosti na jeho velikosti, materiálu a množství aplikovaného mechanického napětí.Malý piezo prvek, jako je ty, které se vyskytují ve zapalovačích nebo elektronických zařízeních, může produkovat napěťový hrot od několika voltů až po několik set voltů.Tyto výstupy jsou však obecně při velmi nízkých proudech a vydrží pouze mikrosekundy.

4. Potřebuje piezo rezistor?

V mnoha aplikacích se používá rezistor s piezoelektrickým prvkem k omezení proudu a chránění dalších složek v obvodu před vysokým napěťovým hrotem vytvořeným při aktivaci piezo.Hodnota rezistoru závisí na specifických požadavcích obvodu včetně požadované doby odezvy a citlivosti.Bez rezistoru může piezo potenciálně poškodit elektronické komponenty spojené s vysokým počátečním napětím.

5. Jak souvisí s lidskou mocí piezoelektriku?

Piezoelektrický účinek je přímo použitelný pro využití lidské síly inovativním způsobem.Může převádět mechanickou energii z lidských činností, jako jsou chůze nebo lisování knoflíků, na elektrickou energii.Tato technologie je zkoumána v různých aplikacích:

Dlaždice sběru energie: Tyto dlaždice vyrábějí elektřinu z tlaku nohou v rušných oblastech, jako jsou stanice metra nebo nákupní centra.

Nositelná technologie: Vložení piezoelektrických materiálů do bot nebo oděvů za účelem generování energie pro malá zařízení prostřednictvím normálních pohybů těla.

Lékařské implantáty: Používání pohybů těla k napájecím zařízením, jako jsou kardiostimulátoři, snížení nebo eliminace potřeby externích baterií.