Пьезоэлектрики — это диэлектрики, обладающие ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом.
Явление пьезоэлектричества было обнаружено и изучено в 1880 - 1881 гг. известными французскими физиками Пьером и Поль-Жаком Кюри.
Более 40 лет пьезоэлектричество не находило практического применения, оставаясь достоянием физических лабораторий. Лишь во время первой мировой войны французский ученый Поль Ланжевен применил это явление для генерирования кварцевой пластинкой ультразвуковых колебаний в воде для целей подводной локации («эхолот»).
После этого изучением пьезоэлектрических свойств кварца и некоторых других кристаллов и их практическими приложениями заинтересовался ряд физиков. Среди многих их работ было несколько, весьма важных применений.
Так, например, в 1915 г. С. Баттерворс показал, что кварцевая пластинка как одномерная механическая система, получающая возбуждение вследствие взаимодействия между электрическим полем и электрическими зарядами, может быть представлена как эквивалентная электрическая схема из последовательно включенных емкости, индуктивности и резистора.
Представив кварцевую пластинку как колебательный контур, Баттерворс впервые предложил эквивалентную схему кварцевого резонатора, которая легла в основу всех дальнейших теоретических работ по кварцевым резонаторам.
Пьезоэлектрический эффект бывает прямым и обратным. Для прямого пьезоэффекта характерна электрическая поляризация диэлектрика, наступающая вследствие действия на него внешнего механического напряжения, при этом индуцируемый на поверхности диэлектрика заряд оказывается пропорционален приложенному механическому напряжению:
При обратном пьезоэффекте явление проявляет себя наоборот - диэлектрик изменяет свои размеры под действием приложенного к нему внешнего электрического поля, при этом величина механической деформации (относительная деформация) будет пропорциональна напряженности приложенного к образцу электрического поля:
Коэффициентом пропорциональности и в том и в другом случае выступает пьезомодуль d. Для одного и того же пьезоэлектрика пьезомодули для прямого (dпр) и обратного (dобр) пьезоэффекта равны между собой. Таким образом, пьезоэлектрики — это своеобразные обратимые электромеханические преобразователи.
Продольный и поперечный пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический эффект, в зависимости от вида образца, может быть продольным или поперечным. В случае с продольным пьезоэлектрическим эффектом, заряды в ответ на деформацию или деформация в ответ на действие внешним электрическим полем, возникают в том же направлении, что и инициирующее воздействие. При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникновение зарядов или направление деформации окажутся перпендикулярны направлению вызывающего их воздействия.
Если на пьезоэлектрик начать действовать переменным электрическим полем, то в нем возникнет той же частоты переменная деформация. Если пьезоэффект продольный, то деформации будут носить характер сжатия и растяжения по направлению приложенного электрического поля, а если поперечный, то станут наблюдаться поперечные волны.
Если частоту приложенного переменного электрического поля сделать равной резонансной частоте пьезоэлектрика, то амплитуда механической деформации будет максимальной. Резонансную частоту образца можно определить по формуле (V - скорость распространения механических волн, h - толщина образца):
Важнейшей характеристикой пьезоэлектрического материала служит коэффициент электромеханической связи, показывающий, соотношение между мощностью механических колебаний Pа и электрической мощностью Pэ, затрачиваемой на их возбуждение посредством действия на образец. Данный коэффициент обычно принимает значение из диапазона от 0,01 до 0,3.
Для пьезоэлектриков характерна кристаллическая структура материала с ковалентной или ионной связью без центра симметрии. Материалы с низкой удельной проводимостью, в которых свободных носителей заряда пренебрежимо мало, отличаются высокими пьезоэлектрическими показателями. К пьезоэлектрикам относятся все сегнетоэлектрики, а также обилие известных материалов, в том числе кристаллическая модификация кварца.
Монокристаллические пьезоэлектрики
Данный класс пьезоэлектриков включает в себя ионные сегнетоэлектрики и кристаллическую модификацию кварца (бета-кварц SiO2).
Монокристалл бета-кварца имеет форму шестигранной призмы с двумя пирамидами по бокам. Выделим здесь несколько кристаллографических направлений. Ось Z проходит через вершины пирамид, и является оптической осью кристалла. Если вырезать пластину из такого кристалла в направлении перпендикулярном данной оси (Z), то пьезоэлектрический эффект получить не удастся.
Оси X проведем через вершины шестигранника, здесь три таких оси X. Если вырезать пластины перпендикулярно осям X, то получим образец с наилучшим пьезоэффектом. Оси X называются поэтому у кварца электрическими осями. А три оси Y, проведенные перпендикулярно боковым граням кристалла кварца — механические оси.
Данный вид кварца относится к слабым пьезоэлектрикам, его коэффициент электромеханической связи находится в пределах от 0,05 до 0,1.
Кристаллический кварц возымел наибольшую применимость в силу способности сохранять пьезоэлектрические свойства при температурах до 573°C. Пьезоэлектрические резонаторы на базе кварца — это есть ни что иное, как плоскопараллельные пластины с прикрепленными к ним электродами. Такие элементы отличаются ярко выраженной собственной резонансной частотой.
Ниобит лития (LiNbO3) — широко применяемый пьезоэлектрический материал, относящийся к ионным сегнетоэлектрикам (наравне с танталатом лития LiTaO3 и германатом висмута Bi12GeO20). Ионные сегнетоэлектрики предварительно отжигают в сильном электрическом поле при температуре ниже точки Кюри, чтобы привести их в однодоменное состояние. Такие материалы обладают более высокими коэффициентами электромеханической связи (до 0,3).
Сульфид кадмия CdS, оксид цинка ZnO, сульфид цинка ZnS, селенид кадмия CdSe, арсенид галлия GaAs и т. д. — примеры соединений полупроводникового типа с ионно-ковалентной связью. Это так называемые пьезополупроводники.
Этилендиаминтартрат C6H14N8O8, турмалин, монокристаллы сегнетовой соли, сульфат лития Li2SO4H2O — на основе этих дипольных сегнетоэлектриков также получают пьезоэлектрики.
Поликристаллические пьезоэлектрики
К поликристаллическим пьезоэлектрикам относится сегнетоэлектрическая керамика. Для придания сегнетокерамике пьезоэлектричексих свойств, такую керамику необходимо в течение часа поляризовать в сильном электрическом поле (напряженностью от 2 до 4 МВ/м) при температуре от 100 до 150°C, чтобы по завершении этого воздействия в ней осталась поляризация, позволяющая в дальнейшем получать пьезоэлектрический эффект. Так получают сильную пьезоэлектрическую керамику с коэффициентами пьезоэлектрической связи от 0,2 до 0,4.
Из пьезокерамики изготавливают пьезоэлементы требуемой формы, чтобы потом получать механические колебания необходимого характера (продольные, поперечные, изгибыне). Главные представители промышленной пьезокерамики изготавливаются на основе титаната бария, кальция, свинца, цирконата-титаната свинца, ниобата бария-свинца.
Полимерные пьезоэлектрики
Пленки полимеров (например поливинилиденфторид) вытягивают на 100-400%, затем поляризуют в электрическом поле, а после - наносят электроды путем металлизации. Так получают пленочные пьезоэлементы с коэффициентом электромеханической связи порядка 0,16.
Применение пьезоэлектриков
Отдельные и соединенные друг с другом пьезоэлементы можно встретить в виде готовых радиотехнических устройств — пьезоэлектрических преобразователей с нанесенными на них электродами.
Такие устройства, изготовленные из кварца, пьезокерамики или ионных пьезоэлектриков, служат для генерации, трансформации и фильтрации электрических сигналов. Плоско-параллельную пластинку вырезают из кристалла кварца, прикрепляют электроды — получают резонатор.
Частота и добротность резонатора зависит от угла к кристаллографическим осям, под которым вырезали пластинку. Обычно в диапазоне радиочастот до 50 МГц добротность таких резонаторов достигает 100000. Кроме того пьезоэлектрические преобразователи находят широкое применение в качестве пьезотрансформаторов с высоким входным сопротивлением, для характерно большого диапазона частот.
По добротности и частоте кварц превосходят ионные пьезоэлектрики, способные действовать на частотах до 1 ГГц. Тончайшие пластинки танталата лития применяются как излучатели и приемники ультразвуковых колебаний частотой от 0,02 до 1 ГГц, в резонаторах, фильтрах, линиях задержки на поверхностных акустических волнах.
Тонкие пленки пьезополупроводников, напыленные на диэлектрические подложки, применяются в встречно-штыревых преобразователях (чередующиеся электроды служат здесь для возбуждения поверхностных акустических волн).
Низкочастотные пьезоэлектрические преобразователи изготавливают на базе дипольных сегнетоэлектриков: миниатюрные микрофоны, динамики, звукосниматели, датчики давления, деформации, вибрации, ускорения, ультразвуковые излучатели.
Андрей Повный