Изучение пьезоэлектрических материалов: типы, свойства и технологическое воздействие

За эти годы достижения в области материальной науки создали различные пьезоэлектрические материалы, такие как монокристаллы, керамика и тонкие пленки.В этой статье подробно рассказывается о пьезоэлектрических материалах, включая их свойства, типы, то, как они работают, и их использование.Это подчеркивает их важность при связывании машиностроения и электротехники, ведут инновации во многих областях.

Каталог

Рисунок 1: Пьезоэлектрический материал

Что такое пьезо?

Слово «пьезо» происходит от греческого слова «piezein», означает «нажимать» или «давление».Это хорошо вписывается в его использование в науке для пьезоэлектричества.В 1880 году французские физики Жак и Пьер Кюри обнаружили пьезоэлектричность.Они обнаружили, что когда были нажаты определенные кристаллы, такие как турмалин, кварц, топаз и рошель, они давали электрический заряд.Они также увидели, что эти кристаллы могут изменить форму, когда применялся электрический ток, показывая, что процесс может работать в обоих направлениях.

Это открытие привело к созданию различных пьезоэлектрических устройств.Во время Первой мировой войны пьезоэлектричность в основном использовалась в ультразвуковых детекторах подводных лодок.Сегодня пьезоэлектрические материалы используются во многих вещах.Они встречаются в повседневных предметах, таких как зажигалки с электрическими сигаретами и струйные принтеры, а также в передовых технологиях, таких как медицинская ультразвуковая визуализация и точное управление движением в робототехнике.

Типы пьезоэлектрических материалов

Рисунок 2: Примеры пьезоэлектрических материалов

Монокристаллические пьезоэлектрические материалы

Одно кристаллические пьезоэлектрические материалы характеризуются их непрерывной и однородной кристаллической решеткой, свободной от границ зерна.Эта равномерная структура часто приводит к повышению эффективности электромеханической связи по сравнению с другими пьезоэлектрическими материалами.Примеры таких материалов включают кварц и лангасит.Эти монокристаллы вырабатываются с использованием точных методов роста, таких как процесс Чокральски или гидротермальный синтез.Их исключительная производительность делает их идеальными для точных приложений, таких как передовые системы медицинской визуализации, телекоммуникационные резонаторы и фильтры, а также мониторинг вибраций в аэрокосмической промышленности.

Рисунок 3: Пьезотальный кварцевый материал

Керамические пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрическая керамика изготовлена ​​из структурированных перовскитовых материалов, таких как цирконат цирконат (PZT).Эти материалы являются поликристаллическими и создаются спекающими порошковыми веществами.Их пьезоэлектрические свойства разрабатываются в процессе полиции и выравнивают электрические диполи, применяя внешнее электрическое поле.Эта керамика может быть легко формирована в различные формы и размеры.Их долговечность и экономическая эффективность делают их популярными для использования в приводах, датчиках, ультразвуковых преобразователях и зуммерах потребительской электроники.

Рисунок 4: Структура пьезоэлектрической керамики типа PZT

Тонкие пьезоэлектрические материалы

Тонкопленка пьезоэлектрики изготавливаются путем отложения слоев, которые варьируются от нескольких нанометров до нескольких микрометров толщиной, с использованием передовых методов изготовления, таких как распыление, химическое осаждение пара или импульсное лазерное осаждение.Общие материалы, используемые в тонких пленках, включают PZT, оксид цинка (ZnO) и нитрид алюминия (ALN).Тонкость этих пленок позволяет им интегрироваться в микроэлектромеханические системы (MEMS) и наноэлектромеханические системы (NEMS), повышая их функциональность в компактных устройствах, таких как микрофоны, микросключатели и усовершенствованные массивы датчиков.Их совместимость со стандартными полупроводниковыми процессами и масштабируемостью делает их подходящими для интегрированных схем и гибкой электроники.

Рисунок 5: Aln пьезоэлектрические тонкие пленки

Рисунок 6: Обваленные пьезовые элементы

Выбор между тонкопленочной и объемной пьезоэлектрическими материалами зависит от конкретных потребностей применения в точности, мощности и долговечности.Тонкоплавки пьезой материалов подходят в мелкомасштабных технологиях.Напротив, объемные пьезой материалы предпочтительнее в более требовательных, более масштабных приложениях.В приведенной ниже таблице сравниваются тонкопленочные пьезообразные материалы и объемные пьезой материалы в зависимости от их толщины, методов производства, ключевых функций и применений.

Категория	Тонкоплавки пьезо	Материалы пьезо
Толщина	Несколько нанометров до нескольких микрометров	Несколько миллиметров до сантиметров
Методы производства	Распыляние, импульсное лазерное осаждение, Химическое осаждение пара	Прессование, экструзия, обработка
Функции	Высокочастотный ответ: быстрый ответ раз	Высокая выработка электроэнергии: производит власть под механическим напряжением
	Гибкость: применимо к гибкой поверхности	Долговечность: сильная и долговечная, подходящая для тяжелых нагрузок и резких условий
	Точность: Точный контроль на Микроскопический уровень	Универсальность: легко формируется и размером для конкретные потребности
Приложения	Микроэлектроника и MEMS: Акселерометры, гироскопы, струйные принтеры головы	Сбор энергии: превращает механический напряжение от вибраций в электрическую энергию
	Медицинские устройства: ультразвуковые преобразователи Для визуализации и терапии	Приводы и датчики: крупные приводы в Автомобильная и аэрокосмическая промышленность, датчики с высокой нагрузкой
	Телекоммуникации: фильтры и Резонаторы на мобильных телефонах и устройствах связи	Сонар и ультразвуковые устройства: сонар Системы для военно -морского использования, промышленных ультразвуковых уборщиков

Тонкоплененные PZT и методы осаждения

Тонкопленочные цирконатные титанат (PZT) материалы используются в датчиках, приводах и микроэлектромеханических системах (MEMS) из-за их великих пьезоэлектрических свойств.Композиция и эффективность тонких пленок PZT сильно зависят от их методов осаждения, которые могут влиять на их структуру, ориентацию и пьезоэлектрические характеристики.Три основных метода осаждения: золь-гель, распыление и металлическое химическое химическое осаждение пара (MOCVD).

Рисунок 7: Гибкий тонкопленочный PZT

Сол-гель процесс

Процесс Sol-Gel является экономически эффективным способом внесения тонких пленок PZT и обеспечения контроля над составом пленки на молекулярном уровне.Этот метод начинается с подготовки коллоидного решения (SOL), которое превращается в гель.Важные шаги включают гидролизующие и полимеризующие металлические алкоксиды.Полученный гель применяется к подложке с использованием спинного покрытия или покрытия с приводом, с последующей термической обработкой для удаления органических компонентов и кристаллизации фазы PZT.

Рисунок 8: Сол-гель процесс для тонких пленок PZT

Преимущества

• Позволяет тонко контролировать стехиометрию, улучшая пьезоэлектрические свойства

• Использует более низкие температуры по сравнению с другими методами

Проблемы

• Трудно получить постоянную толщину и состав на больших областях

• Высокая усадка во время сушки и стрельбы часто вызывает трещины

Распыление

Распыление-это метод физического осаждения паров (PVD), в которой высокоэнергетические частицы сбивают материал с цели, затем откладывают на подложку.Для пленок PZT используется распыление RF магнетрона с участием плазмы ионов аргона, достигающих цели PZT.

Рисунок 9: Метод осаждения распыления тонкого отложения

Преимущества

• Производит пленки с хорошей адгезией и плотностью

• Подходит для равномерного покрытия больших субстратов

Проблемы

• Стресс может нарастать в фильмах, влияющих на их свойства

• Композиция цели может измениться во время распыления из -за дифференциальных выходов на распыление

Металлическое органическое химическое осаждение пара (MOCVD)

MOCVD включает в себя разложение металлических органических предшественников в паровую фазу и реагировать или разложить на нагретый субстрат, образуя тонкую пленку.Этот метод является предпочтительным для производства высокочистого, хорошо кристаллизованных пленок, подходящих для электронных применений.

Преимущества

• Предоставляет отличную однородность и соответствие пленки даже на сложных подложках

• Хорошо для масштабного производства

Проблемы

• Требуются более высокие температуры, чем другие методы

• Обработка и хранение металлических предшественников могут быть опасными.

Рисунок 10: Металлическое осаждение органического химического пары.

Как материалы действуют под стрессом

Поведение при сжатии

Когда такие материалы, как Quartz или Barium Titanate, сжимаются, они меняются так, как они влияют на их использование в различных устройствах.Эти материалы имеют специальные конструкции, которые создают электрические заряды, когда они нажимают.Когда они сжаты, они сокращаются, а их внутренняя структура меняется.

Это сжатие заставляет электрические заряды внутри кристалла становиться неравномерно распределенными.Давление перемещает ионы в структуре кристалла, создавая электрическое поле.Это происходит потому, что положительный и отрицательный заряд центров в сдвиге материала.Количество электрического отклика зависит от типа кристалла, приложенного силы и направления кристалла относительно силы.

Например, в датчиках напряжение, полученное кристаллами, может измерить приложенную силу, что делает их идеальными для обнаружения давления и мониторинга нагрузок.В приводах применение электрического поля может привести к форме изменения кристалла, позволяя точно управлять движениями в таких вещах, как ультразвуковые устройства и форсунки для автомобильных топливных топлив.

Рисунок 11: Пьезоэлектрические материалы работы

Пьезоэлектрический отклик на давление

Когда пьезоэлектрические материалы сталкиваются с механическим давлением, их молекулы перестают, влияя на их электрические свойства.Сила изменяет молекулярную структуру, выравнивая области с равномерным электрическим направлением, увеличивает электрическую поляризацию.

Это выравнивание повышает разделение заряда в материале, усиливая его электрическую поляризацию.Проще говоря, давление делает диполи (молекулы с двумя противоположными зарядами) более равномерными, создавая более сильное электрическое поле для данной силы.

Возможность точно управлять этим ответом под различным давлением делает пьезоэлектрические материалы очень полезными во многих технологиях.Их возможность преобразовать механическое давление в электрические сигналы, и наоборот позволяет эффективно использовать их в таких задачах, как генерирование точных электронных частот и мониторинг вибраций в промышленных условиях.

Пьезоэлектрический эффект

Рисунок 12: Пьезоэлектрический эффект

Превращение механической энергии в электрическую энергию с пьезоэлектрическим эффектом

Пьезоэлектрический эффект изменяет механическую энергию в электрическую энергию путем деформирования определенных кристаллических материалов.Эти материалы, известные как пьезоэлектрики, включают натуральные вещества, такие как кварц и синтетические, такие как продвинутая керамика.

Когда пьезоэлектрический материал сталкивается с механическим напряжением, таким как сжимание, скрученное или изогнутое, его кристаллическая структура не имеет центральной симметрии и нарушается.Это нарушение сдвигает центры заряда в кристалле, вызывающий поляризацию и создавая электрический потенциал в определенных точках материала.

Ключевые моменты этого процесса:

Полученный электрический заряд соответствует количеству приложенного механического напряжения.Это означает, что электрический выход может точно контролировать на основе применяемой известной силы;

Когда сила удаляется, материал возвращается в свое исходное состояние, и электрический заряд исчезает.Это обеспечивает долговечность и надежность материала для устройств, которые необходимо многократно работать.

Превращение электрической энергии в механическую энергию с обратным пьезоэлектрическим эффектом

Обратный пьезоэлектрический эффект изменяет электрическую энергию в механическую энергию.Применение электрического напряжения на пьезоэлектрический материал создает электрическое поле, которое изменяет структуру кристаллической решетки, изменяя размеры материала.

Этот эффект используется в точных приводах в оптических инструментах и ​​системах микропозиции.Обратный пьезоэлектрический эффект гарантирует, что небольшие электрические входы приводят к точным контролируемым механическим корректировкам, помогая достижениям в робототехнике, автомобильной технологии, медицинских инструментах и ​​телекоммуникациях.

Двойная способность пьезоэлектрического эффекта выступать в качестве механического к электрическому и электрическому к механическому преобразованию поддерживает технологические достижения.Он соединяет механические и электрические домены, расширяя современную технику и инновации.

Рисунок 13: Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

Сравнение непизоэлектрических и пьезоэлектрических материалов

Не-пизоэлектрические и пьезоэлектрические материалы отличаются от того, как они обрабатывают механическую и электрическую энергию.Не пизоэлектрические материалы, такие как сталь и алюминий, могут проводить электричество, но не создают электрический заряд при подчеркнуте.Пьезоэлектрические материалы, такие как кварц и определенная керамика, могут изменить механическую энергию в электрическую энергию из -за их специальной кристаллической структуры.

Не пизоэлектрические материалы имеют симметричные кристаллические решетки, поэтому при стрессе они не производят электрический диполь.Пьезоэлектрические материалы имеют асимметричные кристаллические решетки, которые позволяют им генерировать электрический заряд при напряжении.Эта деформация вызывает внутреннюю поляризацию и создает электрический потенциал.

Не пизоэлектрические материалы ведут себя как обычные проводники или изоляторы на основе их электронов и структуры полосы, и они не создают электрический заряд при деформировании.Пьезоэлектрические материалы демонстрируют два эффекта: прямой пьезоэлектрический эффект, где механическое напряжение генерирует электрический заряд, и обратный пьезоэлектрический эффект, где электрическое поле вызывает механическую деформацию.Эти характеристики делают пьезоэлектрические материалы подходящими для использования в датчиках и приводах.

Из-за их различных свойств не пизоэлектрические и пьезоэлектрические материалы используются в разных приложениях.Не пизоэлектрические материалы используются в структурных компонентах, электрической проводке и стандартных электронных частях, где важна прочность и проводимость.Пьезоэлектрические материалы используются в полях, которые требуют точного контроля и механической электрической энергии, таких как ультразвуковое оборудование, точные устройства позиционирования, а также различные датчики и приводы, которые хороши для передовых технологий.

Применение пьезоэлектричества

Потребительская электроника: в смартфонах и других устройствах пьезоэлектрические детали используются в динамиках и микрофонах.Они превращают электрические сигналы в звуковые вибрации или звуковые вибрации в электрические сигналы для аудио входа.

Автомобильная промышленность: современные автомобили используют пьезоэлектрические датчики для многих целей, таких как контроль впрыска топлива в двигателях и контроль давления в шинах.

Мониторинг окружающей среды: пьезоэлектрические датчики обнаруживают изменения давления, вибрации и звуки.Они используются для проверки условий окружающей среды и обеспечения безопасности зданий и мостов.

Сбор энергии: пьезоэлектрические материалы могут захватывать энергию от механического напряжения.Например, полы, которые преобразуют шаги в электрическую энергию, могут питать огни и электроники в оживленных областях, помогая создавать устойчивую среду.

Высоковольные пьезоэлектрические зажигалки: эти зажигалки, используемые для зажигающих газовых печей и барбекю, и создают высокое напряжение от небольшого механического щелчка, создавая искру, чтобы осветить горелку.Это показывает практическое использование пьезоэлектрических материалов.

Медицинская визуализация: пьезоэлектрические кристаллы полезны в ультразвуковых машинах.Они производят звуковые волны, которые отскакивают от тканей и органов, создавая изображения для диагностики.

Точные приводы в научных инструментах: пьезоэлектрические материалы в точных приводах создают крошечные движения для оптики и нанотехнологий.Эти приводы корректируют зеркала, линзы и другие детали с микроскопической точностью для научных исследований и производства полупроводников.

Заключение

Изучение пьезоэлектрических материалов показывает прочную связь между физикой и инженерией, демонстрируя, как их естественные свойства можно использовать для многих технологических целей.Универсальность пьезоэлектрических материалов, доступных в качестве сильных объемных материалов, так и гибких тонких пленок, делает их подходящими для различных применений, таких как сбор энергии, мониторинг окружающей среды и разработка устойчивых технологий.Поскольку инновации продолжаются, исследования и разработка в пьезоэлектрических материалах являются более важными, многообещающими улучшениями в эффективности, точности и функциональности для будущих технологий.

Часто задаваемые вопросы [FAQ]

1. Что приводит к производству электричества из пьезоэлектрического эффекта?

Пьезоэлектрический эффект возникает, когда определенные материалы производят электрический заряд в ответ на механическое напряжение.Эти материалы, такие кристаллы, как кварц, керамика, такая как титанат бария и некоторые полимеры, обладают кристаллической решеткой, которая является нецентрозимметричной, что означает, что в нем отсутствует центр симметрии.Когда применяется механическая сила, такая как давление или вибрация, эта структура искажается.Это искажение вытесняет ионы внутри решетки, создавая области с положительными и отрицательными зарядами.Пространственное разделение этих зарядов приводит к электрическому потенциалу, производящему электроэнергию.Этот эффект является обратимым, и применение электрического поля к этим материалам также будет вызывать механическое напряжение.

2. Какое устройство использует пьезоэлектрический эффект?

Устройства, которые используют пьезоэлектрический эффект, варьируются и включают как повседневное, так и специализированное оборудование.Общие приложения:

Кварцевые часы: Использование обычных вибраций кварца под электрическим полем для точного времени.

Медицинские ультразвуковые устройства: генерирование звуковых волн, которые эхо внутри теле для создания диагностических изображений.

Топливные форсунки в автомобилях: использование пьезоэлектрических приводов для управления временем и количеством топлива, введенного в цилиндры двигателя.

Пьезоэлектрические датчики и акселерометры: измерение изменений давления, ускорения, деформации или силы путем преобразования в электрическом сигнале.

3. Сколько вольт пьезо?

Выход напряжения пьезоэлектрического элемента может сильно различаться в зависимости от его размера, материала и количества применяемого механического напряжения.Небольшой пьезо -элемент, подобный тем, которые обнаружены в зажигалках или электронных устройствах, может привести к всплеску напряжения в диапазоне от нескольких вольт до нескольких сотен вольт.Тем не менее, эти выходы, как правило, находятся в очень низких токах и имеют только только микросекунд.

4. Нужен ли пьезо резистор?

Во многих приложениях резистор используется с пьезоэлектрическим элементом для ограничения тока и защиты других компонентов в цепи от всплеска высокого напряжения, полученного при активации пьезо.Значение резистора зависит от конкретных требований схемы, включая желаемое время отклика и чувствительность.Без резистора пьезо может потенциально повредить подключенные электронные компоненты из -за высокого начального пика напряжения.

5. Как пьезоэлектрик связан с человеческой силой?

Пьезоэлектрический эффект напрямую применим к использованию человеческой власти инновационными способами.Он может преобразовать механическую энергию из человеческой деятельности, такой как кнопки ходьбы или нажимания, в электрическую энергию.Эта технология изучается в различных приложениях:

Плитка пола на пола.

Носимые технологии: внедрение пьезоэлектрических материалов в обувь или одежду для генерации мощности для небольших устройств с помощью нормальных движений тела.

Медицинские имплантаты: использование движений тела для силовых устройств, таких как кардиостимуляторы, сокращение или устранение потребности в внешних батареях.