Применение пьезоэлектриков

Из пьезокерамики делают малогабаритные микрофоны, телефо­ны, громкоговорители (высокочастотные), слуховые аппараты, детонато­ры (для оружия), различные устройства, поджигав газовых системах. Пьезокерамические элементы можно использовать в качестве дат­чиков давлений, деформаций, ускорений и вибраций. Двойное преоб­разование энергии (электрической в механическую и наоборот) поло­жено в основу работы пьезорезонансных фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов.

Пьезотрансформаторы предназначены для получения высокого напряжения. Их обычно выполняют в виде пластины или бруска, одна половина которого (возбудитель колебаний) поляризуется по толщине, а другая половина (генератор) по длине бруска (рис. 2.11.1).

Рис. 2.11.1. Схема высоковольтного пьезоэлектрического трансформатора

(стрелки указывают направление остаточной поляризованности)

Переменное электрическое поле, подводимое к зажимам возбудителя, вызывает резонансные механические колебания по длине бруска. В свою оче­редь, механические колебания, возникающие в генераторной части, приводят к появлению выходного электрического напряжения.

Транс­форматоры могут быть сконструированы для работы в диапазоне частот 10—500 кГц. На более высоких частотах их размеры оказываются слишком миниатюрными, а на более низких — большими. Коэф­фициент трансформации напряже­ния, пропорциональный отношению 2l/h, может достигать значений 50 и более. Пьезокерамические трансфор­маторы предназначены для ис­пользования в схемах питания электроннолучевых трубок, газо­разрядных приборов, счетчиков Гейгера и для генерирования высоковольтных импульсов. Преиму­ществами таких источников питания являются отсутствие магнитного поля, простота и надежность конструкции, малые масса и габаритные размеры.

Кроме керамики ЦТС для изготовления различных пьезоэлектри­ческих преобразователей применяют керамические материалы на ос­нове твердых растворов BaNb₂O₆-PbNb₂O₆ и NaNbO₂-KNbO₃. Последние разработаны специально для высокочастотных преобразо­вателей (10-40 МГц).

Керамики состава (Pb_0.925 La_0.075) (Zr_yTi_1-y)_0.9813 + 0.5 мас.% MnO₂, где y = 0–0,1 характеризуется пьезоэлектрическими свойствами: диэлектрическая проницаемость 290–334 при комнатной температуре, которая увеличилась линейно с увеличением содержания Zr, а температура Кюри уменьшается незначительно. Образец с у = 0,1 имеет наилучшие эксплуатационные свойства. Из составов пьезоэлектронной керамики ZrTiPbO, сегнотомягкой PbAgZrTiO₃, сегнетожесткой PbZrTiO₃ и нелегированной PbZrTiO₃ наиболее высокой подвижностью доменов характеризуются сегнетомягкая керамика из–за высокой концентрации кислородных вакансий. Керамика x(Pb₂Me₂O₇)_1/2(1-x)[Pb(Zr_1-yTi_y)O₃], где 0,01<x<0,05; 0,40<y<0,55; Me - Sb, Nb или Ta предназначена, в основном для пьезоэлектрич. датчиков. В качестве добавок вводят 0,1-0,8 мас. % Cr₂O₃ и 0,01-0,1 мас. % SiO₂. Коэффициент электромеханической связи этой керамики составляет 35-39 %, диэлектрическая проницаемость 1300-1500, механическая добротность 130-190.

Явление скачка силы тока в пьезоэлектрических керамических вибраторах 0,95Pb(Z_0,51Ti_0,49)О₃-0,05Pb(Sb_0,5Nb_0,5)О₃-0,01MnCО₃ при высокой мощности обусловлено появлением более высоких гармоник вследствие сегнетоэлектрической нелинейности. Максимальное значение пьезоэлектрической константы для пленки Zr-Ti-Pb-O на Si подложке е₃₁ составляет ~2,5 Кл/м². Для керамики xPb(In_1/2Nb_1/2)O₃·(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ потери составляют 0,027, электрострикция Q₃₃=1,42*10^-2 м⁴/с², плотность ρ = 8,18 гр/см³ (98 % теор.), максимальная наведенная поляризация 23,95 С/см² при 48 кВ/см.

Пьезоэлектрические константы увеличиваются с возрастанием ионного радиуса лантанида в R₃GaGa.₄(Ga,Si)O₁₄. где R – La, Pr, Nd. Для монокристаллов пьезоэлектриков La₃Ga₅SiO₁₄ (LGS), La₃Ga_5,5Nd_0,5SiO14 (LGN), La₃Ga_5,5Ta_0,5SiO₁₄ (LGT) определены значения энергии активации носителей заряда, которые составили для LGS-1,1 эВ, для LGN-1,0 эВ, для LGT-0,9 эВ. Такие пьезоэлектрики проявляют зависимость оптической активности от длины волны. Монокристаллы Ia-Ga-Si-O диаметром ~82 мм и массой >3,5 кг, полученные в среде Ar в течение 30-36 ч при 1300-1673К, могут быть использованы для изготовления устройств на объёмных и поверхностно акустических волнах.

Модифицированный композит PZT-(Ba,Si)TiO₃ имел пьезоэлектрический модуль d₃₃ 250 пКл/Н при 30 К, что связано с сдвигом к морфотропной фазовой границе. Поликристалическую керамику и монокристаллы можно использовать в изготовлении конденсаторов и пускателей, используемых при криогенных температурах. Керамика на основе твёрдого раствора PZT/SKN имеет температурный коэффициент пьезоэлектрического модуля в интервале от -50 до 150 ºС, меньше, чем 10^-3 К, температура Кюри составляет 335 ºC. Это значит, что материал PZT/SKN может быть использован для изготовления датчиков.

Высококачественные тонкие пленки (Pb,La)(Zr,Ti)O₃, Pb(Zr,Ti)O₃ и (Pb,La)TiO₃ обладают высокими электрическими свойствами.

Пленки ZnO, AlN, LiNbO_x, LiTaO_x, LiBO₃ применяются для изготовления резонаторов и сенсоров, конденсаторов и пускателей, используемых при криогенных температурах. Пьезоэлектрические и ферроэлектрические пленки на основе ZnO, AlN, LiNbO₃, LiTaO₃, LiBO₄, Ta₂O₅, Ti(Zr)PbO_x могут быть использованы в приборах для измерения поверхностных и объемных акустических волн.

В пленках на основе ZnО, AlN, ниобата и тантилата Li, тетрабората Li, пентоксида тантала и титоната-цирконата Pb существуют закономерности распределения акустических волн. Пленки используются в приборах изучения поверхности и объема акустических волн в разнообразных резонаторах и сенсорах, для пьезоэлектрических модулей, диафрагм, зондов, керамических резонаторов, электростатических возбудителей многослойного типа, пьезоэлектрических преобразователей.

Не содержащие свинец материалы Na_0,5Bi_0,5TiO₃ и x[Bi_1/2Na_1/2]TiO_3-y[MeNbO₃]-(z/2)[Bi₂O₃, Sc₂O₃], где Ме - К или Na, характеризуются высокими пьезоэлектрическими характеристиками.

Материал (Na_0,5Bi_0,5)_1-xM_xBi₄Ti₄O₁₅, где M- двухвалентный металл, имеет пьезоэлектрический модуль d₃₃ = 25 нКл/Н при температуре более 500 ºС. Пьезоэлектрический керамический материал (NaBiTiCrBCaO), включающий Bi₂O₃, TiO₂, Na₂O, Cr₂O₃, B₂O₃, дополнительно содержащий оксид Са, обладает повышенной стабильностью значений тангенса угла диэлектрических потерь и удельного объемного сопротивления во времени, повышенным значением пьезомодуля d₃₃ и является стабильным к одновременному воздействию высоких (до 500 ºС) температур и одноосного механического сжатия (до 1500 кг/см²). Образцы (NaBi)_0,5Ca_1-xBi₄Ti₄O₁₅ показали аномалии диэлектрических характеристик. Установлено искажение октаэдрических слоев перовскитового типа вдоль поляризационной оси, что обуславливает наличие самопроизвольной поляризации. Увеличение содержания Ca повышало температуру Кюри. Проводимость полученной керамики была обусловлена вакансиями и дефектами.

Диффузный фазовый переход в монокристаллах Na_0,5Bi_0,5TiО₃ и Ba_0,14(Na_0,5Bi_0,5)_0,86TiO₃ сопровождается аномалиями неупругого рассеяния света. При увеличении значения переменного электрического поля диэлектрическая проницаемость керамики Na_0,5Bi_0,5TiO₃, как функции температуры, смещается в сторону низких температур. Постоянное электрическое поле уменьшает значе­ние диэлектрической проницаемости и слегка подавляет ее частотную дисперсию. Указанные эффекты могут быть связаны с наличием в данной керамике полярных областей.

Дата добавления: 2014-01-20