Raziskovanje piezoelektričnih materialov: vrste, lastnosti in tehnološki vpliv

Z leti je napredek v znanosti o materialih ustvaril različne piezoelektrične materiale, kot so posamezni kristali, keramika in tanki filmi.Ta članek natančno gleda na piezoelektrične materiale, vključno z njihovimi lastnostmi, vrstami, kako delujejo, in njihovo uporabo.Poudarja njihov pomen pri povezovanju strojništva in elektrotehnike, ki spodbuja inovacije na mnogih področjih.

Katalog

Slika 1: Piezoelektrični material

Kaj je piezo?

Beseda "piezo" izvira iz grške besede "piezein", pomeni "pritiskati" ali "pritisk."To se dobro ujema z njegovo uporabo v znanosti za piezoelektričnost.Leta 1880 sta francoska fizika Jacques in Pierre Curie odkrila piezoelektričnost.Ugotovili so, da ko so pritisnjeni na nekatere kristale, kot so TOURMALINE, Kremen, Topaz in Rochelle Salt, so proizvedli električni naboj.Videli so tudi, da lahko ti kristali spremenijo obliko, ko je bil uporabljen električni tok, ki kaže, da lahko postopek deluje oboje.

To odkritje je privedlo do ustvarjanja različnih piezoelektričnih naprav.Med prvo svetovno vojno se je piezoelektričnost uporabljala predvsem v ultrazvočnih detektorjih podmornic.Danes se v mnogih stvareh uporabljajo piezoelektrični materiali.Najdemo jih v vsakdanjih predmetih, kot so električni vžigalniki cigaret in brizgalni tiskalniki, pa tudi v naprednih tehnologijah, kot sta medicinsko slikanje in natančno nadzor gibanja v robotiki.

Vrste piezoelektričnih materialov

Slika 2: Primeri piezoelektričnih materialov

Enojni kristalni piezoelektrični materiali

Za posamezne kristalne piezoelektrične materiale so značilne njihove neprekinjene in enotne kristalne rešetke, brez meja zrn.Ta enakomerna struktura pogosto vodi do boljših elektromehanskih učinkovitosti spajanja v primerjavi z drugimi piezoelektričnimi materiali.Primeri takšnih materialov vključujejo kremen in langasit.Ti posamezni kristali se proizvajajo z natančnimi metodami rasti, kot je proces Czochralski ali hidrotermalna sinteza.Njihova izjemna zmogljivost je kot nalašč za natančne aplikacije, kot so napredni medicinski slikovni sistemi, telekomunikacijski resonatorji in filtri ter spremljanje vibracij v vesolju.

Slika 3: Piezo Crystal Quartz Material

Keramični piezoelektrični materiali

Piezoelektrična keramika je narejena iz perovskitno strukturiranih materialov, kot je svinčev cirkonat titanat (PZT).Ti materiali so polikristalni in jih ustvarjajo s sintranimi snovmi v prahu.Njihove piezoelektrične lastnosti se razvijajo s postopkom poliranja in poravnajo električne dipole z uporabo zunanjega električnega polja.Te keramike je mogoče enostavno oblikovati v različne oblike in velikosti.Zaradi njihove trajnosti in stroškovne učinkovitosti sta priljubljena za uporabo v aktuatorjih, senzorjih, ultrazvočnih pretvornikih in brenčah potrošniške elektronike.

Slika 4: Struktura piezoelektrične keramike tipa PZT

Tanki film piezoelektrični materiali

Tanki filmski piezoelektriki so narejeni z odlaganjem plasti, ki segajo od nekaj nanometrov do več mikrometrov debeline z uporabo naprednih tehnik izdelave, kot so brizganje, nalaganje kemičnih hlapov ali impulzno nalaganje laserja.Običajni materiali, ki se uporabljajo v tankih filmih, vključujejo PZT, cinkov oksid (ZnO) in aluminijev nitrid (ALN).Tankost teh filmov jim omogoča, da se vključijo v mikroelektromehanske sisteme (MEMS) in nanoelektromehanske sisteme (NEMS), kar izboljšuje njihovo funkcionalnost v kompaktnih napravah, kot so mikrofoni, mikrofoni in napredni senzorski nizi.Njihova združljivost s standardnimi polprevodniškimi procesi in razširljivostjo je primerna za integrirana vezja in fleksibilno elektroniko.

Slika 5: ALN piezoelektrični tanki filmi

Slika 6: Razsuti piezo elementi

Izbira med tanko-filmi in razsutimi piezoelektričnimi materiali je odvisna od specifičnih potreb aplikacije za natančnost, moč in trajnost.Materiali s tanko filmi piezo so primerni v majhnih tehnologijah.V nasprotju s tem so v bolj zahtevnejših, večjih aplikacijah prednostni materiali za razsuti piezo.Spodnja tabela primerja s tanko-filmom piezo materialov in razsutimi piezo materiali, ki temeljijo na njihovi debelini, proizvodni tehniki, ključnih značilnostih in aplikacijah.

Kategorija	Materiali s tanko filmi piezo	Materiali za razsuti piezo
Debelina	Nekaj ​​nanometrov do več mikrometrov	Več milimetrov do centimetrov
Tehnike proizvodnje	Brizganje, impulzno lasersko odlaganje, Kemična odlaganje hlapov	Stiskanje, ekstruzija, obdelava
Lastnosti	Odziv visokofrekvenc: hiter odziv krat	Zvišana proizvodnja energije: proizvaja energijo pod mehanskim stresom
	Prilagodljivost: uporabna za prilagodljivo površine	Trajnost: močna in trpežna, primerna za velike obremenitve in težke razmere
	Natančnost: natančen nadzor na a mikroskopska raven	Vsestranskost: enostavno oblikovana in velikosti za posebne potrebe
Prijave	Mikroelektronika in MEMS: Accelerometers, žiroskopi, glave tiskalnikov za brizganje	Nabiranje energije: pretvori mehansko stres iz vibracij v električno energijo
	Medicinski pripomočki: ultrazvočni pretvorniki za slikanje in terapijo	Aktuatorji in senzorji: veliki aktuatorji v Avtomobilska in vesoljska industrija, senzorji z visoko obremenitvijo
	Telekomunikacije: filtri in resonatorji v mobilnih telefonih in komunikacijskih napravah	Sonar in ultrazvočne naprave: Sonar Sistemi za mornariško uporabo, industrijska ultrazvočna čistila

Metode tankega filma PZT in odlaganja

Tanko-filmi svinčeni cirkonat titanat (PZT) se uporabljajo v senzorjih, aktuatorjih in mikroelektromehanskih sistemih (MEMS) zaradi svojih velikih piezoelektričnih lastnosti.Sestava in učinkovitost tankih filmov PZT je veliko odvisna od njihovih metod nalaganja, ki lahko vplivajo na njihovo strukturo, orientacijo in piezoelektrično zmogljivost.Tri glavne tehnike odlaganja: sol-gel, brizganje in kovinsko organsko kemično nanašanje hlapov (MOCVD).

Slika 7: fleksibilen tanko-film pzt

Sol-gel postopek

Proces Sol-GEL je stroškovno učinkovit način za odlaganje tankih filmov PZT in omogoča nadzor nad kompozicijo filma na molekularni ravni.Ta tehnika se začne s pripravo koloidne raztopine (sol), ki se spremeni v gel.Pomembni koraki vključujejo hidroliziranje in polimerizirajoči kovinski alkoksidi.Nastali gel se nanese na substrat s pomočjo vrtenja ali premaza, nato pa sledi toplotna obdelava za odstranjevanje organskih komponent in kristalizacijo faze PZT.

Slika 8: Sol-gel postopek za tanke filme PZT

Prednosti

• Omogoča natančen nadzor nad stehiometrijo, izboljšuje piezoelektrične lastnosti

• Uporablja nižje temperature v primerjavi z drugimi metodami

Izzivi

• Težko je dobiti dosledno debelino in sestavo na velikih območjih

• Visoko krčenje med sušenjem in streljanjem pogosto povzroči razpoke

Brizganje

Sprathering je tehnika fizičnega odlaganja hlapov (PVD), kjer visokoenergijski delci odtrgajo material s cilja in nato odloži na substrat.Za PZT filme se uporablja RF magnetron brizganje, ki vključuje plazmo argonskih ionov, ki zadenejo cilj PZT.

Slika 9: Metoda odlaganja brizganja nalaganja tankega filma

Prednosti

• Proizvaja filme z dobrim oprijemom in gostoto

• Primerno za enotno prevleko velikih podlag

Izzivi

• V filmih se lahko porabi stres, ki vplivajo na njihove lastnosti

• Sestava cilja se lahko med brizganjem spremeni zaradi diferencialnih donosov

Odlaganje kovinskih organskih kemičnih hlapov (MOCVD)

MOCVD vključuje razgradnjo kovinsko-organskih predhodnikov v parni fazi in reagira ali razpade na ogrevani podlagi, da tvori tanek film.Ta metoda je prednostna za ustvarjanje visoko čisto kristaliziranih filmov, primernih za elektronske aplikacije.

Prednosti

• Omogoča odlično enotnost filma in skladnost tudi na podlagah v kompleksnih oblikah

• Dobro za proizvodnjo velikega obsega

Izzivi

• zahteva višje temperature kot druge metode

• Ravnanje in shranjevanje kovinsko-organskih predhodnikov je lahko nevarno

Slika 10: Odlaganje kovinskih organskih kemičnih hlapov

Kako materiali delujejo pod stresom

Vedenje pod stiskanjem

Ko se materiali, kot sta kremen ali barijev titanat, stisnejo, se spremenijo na načine, ki vplivajo na njihovo uporabo v različnih napravah.Ti materiali imajo posebne strukture, ki ustvarjajo električne naboje, ko jih pritisnete.Ko so stisnjeni, se skrčijo in njihova notranja struktura se spremeni.

To stiskanje povzroči, da se električni naboji znotraj kristala neenakomerno porazdelijo.Tlak premika ione v strukturi kristala in ustvarja električno polje.To se zgodi, ker se pozitivni in negativni naboji centrirajo v materialnem premiku.Količina električnega odziva je odvisna od vrste kristala, uporabljene sile in smeri kristala glede na silo.

Na primer, v senzorjih lahko napetost, ki jo proizvajajo kristali, izmeri uporabljeno silo, zaradi česar je popolna za zaznavanje tlaka in spremljanje obremenitev.V aktuatorjih lahko uporaba električnega polja naredi obliko kristala, kar omogoča natančen nadzor gibov v stvareh, kot so ultrazvočne naprave in injektorje avtomobilskega goriva.

Slika 11: Piezoelektrična materiala deluje

Piezoelektrični odziv na tlak

Ko se piezoelektrični materiali soočajo z mehanskim tlakom, se njihove molekule spreminjajo in vplivajo na njihove električne lastnosti.Sila spremeni molekularno strukturo, ki poravnava z enakomerno električno smer poveča električno polarizacijo.

Ta poravnava poveča ločevanje naboja v materialu in poveča njegovo električno polarizacijo.Preprosto povedano, tlak naredi dipole (molekule z dvema nasprotnima nabojem) bolj enakomerne, kar ustvarja močnejše električno polje za določeno silo.

Sposobnost natančnega nadzora tega odziva pod različnimi pritiski naredi piezoelektrične materiale zelo koristne pri mnogih tehnologijah.Njihova sposobnost pretvorbe mehanskega tlaka v električne signale in obratno jim omogoča učinkovito uporabo pri nalogah, kot so ustvarjanje natančnih elektronskih frekvenc in spremljanje vibracij v industrijskih nastavitvah.

Piezoelektrični učinek

Slika 12: Piezoelektrični učinek

Pretvorba mehanske energije v električno energijo s piezoelektričnim učinkom

Piezoelektrični učinek spremeni mehansko energijo v električno energijo z deformiranjem nekaterih kristalnih materialov.Ti materiali, znani kot piezoelektriki, vključujejo naravne snovi, kot so kremen in sintetične, kot je napredna keramika.

Ko se piezoelektrični material sooči z mehanskim stresom, kot so stisnjeni, zvit ali upognjeni, njegova kristalna struktura nima osrednje simetrije in se moti.Ta motnja premakne centre naboja v kristalu, kar povzroča polarizacijo in ustvari električni potencial na določenih točkah v materialu.

Ključne točke tega postopka:

Električni naboj se ujema s količino uporabljenega mehanskega stresa.To pomeni, da je mogoče električni izhod natančno nadzorovati na podlagi uporabljene znane sile;

Ko se sila odstrani, se material vrne v prvotno stanje in električni naboj mine.To zagotavlja, da je vzdržljivost in zanesljivost materiala dobra za naprave, ki morajo večkrat dobro delovati.

Spreminjanje električne energije v mehansko energijo z vzvratnim piezoelektričnim učinkom

Reverzni piezoelektrični učinek spreminja električno energijo nazaj v mehansko energijo.Uporaba električne napetosti na piezoelektrični material ustvarja električno polje, ki spremeni kristalno rešetko in spreminja dimenzije materiala.

Ta učinek se uporablja pri natančnih aktuatorjih v optičnih instrumentih in sistemih za mikro postavitev.Vzvratni piezoelektrični učinek zagotavlja, da majhni električni vhodi povzročijo natančne, nadzorovane mehanske prilagoditve, ki pomagajo pri napredovanju v robotiki, avtomobilski tehnologiji, medicinskih instrumentih in telekomunikacijah.

Dvojna sposobnost piezoelektričnega učinka, da deluje kot mehansko-električni in električni in mehanski pretvornik, podpira tehnološki napredek.Povezuje strojne in električne domene, ki širi sodobni inženiring in inovacije.

Slika 13: Neposredni in obratni piezoelektrični učinek

Primerjava ne-piezoelektričnih in piezoelektričnih materialov

Ne-piezoelektrični in piezoelektrični materiali so različni v tem, kako ravnajo z mehansko in električno energijo.Ne-piezoelektrični materiali, kot sta jeklo in aluminij, lahko izvajajo elektriko, vendar ob stresu ne ustvarijo električnega naboja.Piezoelektrični materiali, kot sta kremen in nekatera keramika, lahko zaradi svoje posebne kristalne strukture spremenijo mehansko energijo v električno energijo.

Ne-piezoelektrični materiali imajo simetrične kristalne rešetke, zato ob stresu ne proizvajajo električnega dipola.Piezoelektrični materiali imajo asimetrične kristalne rešetke, ki jim omogočajo, da ustvarijo električni naboj, kadar je pod stresom.Ta deformacija povzroči notranjo polarizacijo in ustvarja električni potencial.

Ne-piezoelektrični materiali se obnašajo kot običajni prevodniki ali izolatorji, ki temeljijo na njihovi mobilnosti elektronov in strukturi pasu, in ne ustvarijo električnega naboja, ko se deformirajo.Piezoelektrični materiali imajo dva učinka: neposreden piezoelektrični učinek, kjer mehanski stres ustvarja električni naboj, in inverzni piezoelektrični učinek, kjer električno polje povzroči mehansko deformacijo.Te značilnosti naredijo piezoelektrične materiale, primerne za uporabo v senzorjih in aktuatorjih.

Zaradi različnih lastnosti se v različnih aplikacijah uporabljajo ne-piezoelektrični in piezoelektrični materiali.Ne-piezoelektrični materiali se uporabljajo v strukturnih komponentah, električnem ožičenju in standardnih elektronskih delih, kjer sta pomembna moč in prevodnost.Piezoelektrični materiali se uporabljajo na poljih, ki zahtevajo natančno kontrolno in mehansko-elektronsko pretvorbo energije, kot so ultrazvočna oprema, natančne pozicionirane naprave ter različni senzorji in aktuatorji, ki so dobri za napredne tehnologije.

Uporaba piezoelektričnosti

Potrošniška elektronika: V pametnih telefonih in drugih napravah se v zvočnikih in mikrofonih uporabljajo piezoelektrični deli.Električne signale pretvorijo v zvočne vibracije ali zvočne vibracije v električne signale za zvočni vhod.

Avtomobilska industrija: Sodobni avtomobili uporabljajo piezoelektrične senzorje za številne namene, kot je nadzor vbrizgavanja goriva v motorjih in spremljanje tlaka v pnevmatikah.

Okoljsko spremljanje: Piezoelektrični senzorji zaznajo spremembe tlaka, vibracije in zvoke.Uporabljajo se za preverjanje okoljskih razmer in zagotavljanje varnosti stavb in mostov.

Nabiranje energije: Piezoelektrični materiali lahko zajamejo energijo iz mehanskega stresa.Na primer, tla, ki pretvorijo korake v električno energijo, lahko napajajo luči in elektroniko na prometnih območjih, kar pomaga pri ustvarjanju trajnostnega okolja.

Visokonapetostni piezoelektrični vžigalniki: ti svetilniki, ki se uporabljajo za osvetlitev plinskih peči in žar in ustvarijo visoko napetost iz majhnega mehanskega klika, ki ustvari iskrico za prižge gorilnika.To prikazuje praktično uporabo piezoelektričnih materialov.

Medicinsko slikanje: Piezoelektrični kristali so uporabni v ultrazvočnih strojih.Proizvajajo zvočne valove, ki odbijajo tkiva in organe, kar ustvarja slike za diagnozo.

Natančni aktuatorji v znanstvenih instrumentih: piezoelektrični materiali v natančnih aktuatorjih ustvarjajo drobna gibanja za optiko in nanotehnologijo.Ti aktuatorji prilagodijo ogledala, leče in druge dele z mikroskopsko natančnostjo za znanstvene raziskave in proizvodnjo polprevodnikov.

Zaključek

Študij piezoelektričnih materialov kaže močno povezavo med fiziko in inženirstvom, kar kaže, kako se lahko njihove naravne lastnosti uporabljajo v številne tehnološke namene.Vsestranskost piezoelektričnih materialov, ki so na voljo kot močni razsuti materiali in prilagodljivi tanki filmi, je primerna za različne aplikacije, kot so nabiranje energije, spremljanje okolja in razvoj trajnostnih tehnologij.Ker se inovacije nadaljujejo, so pomembnejše raziskave in razvoj v piezoelektričnih materialih, obetavne izboljšave učinkovitosti, natančnosti in funkcionalnosti za prihodnje tehnologije.

Pogosto zastavljena vprašanja [FAQ]

1. Kaj povzroča proizvodnjo električne energije iz piezoelektričnega učinka?

Piezoelektrični učinek se pojavi, ko nekateri materiali proizvajajo električni naboj kot odgovor na mehanski stres.Ti materiali, kristali, kot so kremen, keramika, kot so barijev titanat in nekateri polimeri, imajo kristalno rešetko, ki je nekontrosimetrična, kar pomeni, da nima središče simetrije.Ko se uporablja mehanska sila, kot sta tlak ali vibracija, postane ta struktura izkrivljena.To izkrivljanje izpodriva ione znotraj rešetke in ustvarja območja s pozitivnimi in negativnimi naboji.Prostorska ločitev teh nabojev povzroči električni potencial, ki ustvarja električno energijo.Ta učinek je reverzibilen in uporaba električnega polja za te materiale bo povzročila tudi mehanski stres.

2. Katera naprava uporablja piezoelektrični učinek?

Naprave, ki uporabljajo piezoelektrični učinek, so raznolike in vključujejo vsakodnevno in specializirano opremo.Skupne aplikacije so:

Quartz ure: Uporaba običajnih vibracij kremena pod električnim poljem, da bi čas natančno ohranili čas.

Medicinske ultrazvočne naprave: ustvarjanje zvočnih valov, ki odmevajo znotraj telesa, da ustvarijo diagnostične slike.

Injektorji goriva v avtomobilih: z uporabo piezoelektričnih aktuatorjev za nadzor časa in količine goriva, vbrizganega v jeklenke motorja.

Piezoelektrični senzorji in merilniki pospeška: merjenje sprememb tlaka, pospeška, napetosti ali sile s pretvorbo v električni signal.

3. Koliko voltov je piezo?

Izhod napetosti piezoelektričnega elementa se lahko zelo razlikuje glede na njegovo velikost, material in količino uporabljenega mehanskega napetosti.Majhen element piezo, kot je tisti, ki ga najdemo v vžigalnikih ali elektronskih napravah, lahko ustvari napetostno konico, ki sega od nekaj voltov do nekaj sto voltov.Vendar so ti izhodi na splošno pri zelo nizkih tokovih in na koncu samo mikrosekunde.

4. Ali piezo potrebuje upor?

V mnogih aplikacijah se uporabi upor s piezoelektričnim elementom za omejitev toka in zaščito drugih komponent v vezju pred visokonapetostnim konico, ki nastane, ko se piezo aktivira.Vrednost upora je odvisna od posebnih zahtev vezja, vključno z želenim odzivnim časom in občutljivostjo.Brez upora, lahko piezo zaradi visokega začetnega napetostnega konice potencialno poškoduje povezane elektronske komponente.

5. Kako je piezoelektrik povezan s človeško močjo?

Piezoelektrični učinek je neposredno uporaben za izkoriščanje človeške moči na inovativne načine.Mehansko energijo lahko pretvori iz človeških dejavnosti, na primer hoje ali stiskanja gumbov, v električno energijo.Ta tehnologija se raziskuje v različnih aplikacijah:

Talne ploščice, ki vlagajo energijo: Te ploščice proizvajajo elektriko iz pritiska stopal na prometnih območjih, kot so postaje podzemne železnice ali trgovski centri.

Nosljiva tehnologija: vdelava piezoelektričnih materialov v čevlje ali oblačila za ustvarjanje moči za majhne naprave z običajnimi gibi telesa.

Medicinski vsadki: Uporaba gibanja telesa za napajanje naprav, kot so spodbujevalniki, zmanjša ali odpravi potrebo po zunanjih baterijah.