Preskúmanie piezoelektrických materiálov: typy, vlastnosti a technologický vplyv

V priebehu rokov vytvorili Advances in Material Science rôzne piezoelektrické materiály, ako sú jednotlivé kryštály, keramika a tenké filmy.Tento článok sa podrobne zameriava na piezoelektrické materiály vrátane ich vlastností, typov, toho, ako fungujú a ich použitia.Zdôrazňuje ich dôležitosť pri spájaní mechanického a elektrotechniky a riadi inovácie v mnohých oblastiach.

Katalóg

Obrázok 1: Piezoelektrický materiál

Čo je piezo?

Slovo „piezo“ pochádza z gréckeho slova „piezein“, znamená „tlačiť“ alebo „tlak“.To sa dobre hodí k jeho použitiu vo vede na piezoelektrickú stránku.V roku 1880 objavili francúzski fyzici Jacques a Pierre Curie piezoelektrickosť.Zistili, že keď boli stlačené určité kryštály ako turmalín, kremeň, Topaz a Rochelle soľ, vytvorili elektrický náboj.Tiež videli, že tieto kryštály môžu zmeniť tvar, keď sa aplikoval elektrický prúd, čo ukazuje, že tento proces môže fungovať oboma spôsobmi.

Tento objav viedol k vytvoreniu rôznych piezoelektrických zariadení.Počas prvej svetovej vojny sa piezoelektrickosť používala hlavne v ultrazvukových ponorkových detektoroch.Dnes sa v mnohých veciach používajú piezoelektrické materiály.Nachádzajú sa v každodenných položkách, ako sú elektrické zapaľovače cigariet a atramentové tlačiarne, ako aj v pokročilých technológiách, ako je lekárske ultrazvukové zobrazovanie a presné riadenie pohybu v robotike.

Typy piezoelektrických materiálov

Obrázok 2: Príklady piezoelektrických materiálov

Jednorazové piezoelektrické materiály

Jednajú kryštálové piezoelektrické materiály sa vyznačujú ich kontinuálnou a rovnomernou kryštálovou mriežkou bez hraníc zŕn.Táto rovnomerná štruktúra často vedie k lepšej elektromechanickej účinnosti spojenia v porovnaní s inými piezoelektrickými materiálmi.Príklady takýchto materiálov zahŕňajú kremeň a langasit.Tieto jednokryštály sa vyrábajú pomocou presných metód rastu, ako je proces Czochralski alebo hydrotermálna syntéza.Vďaka ich výnimočnému výkonu sú perfektné pre presné aplikácie, ako sú Advanced Medical Imaging Systems, telekomunikačné rezonátory a filtre, a monitorovanie vibrácií v leteckom priestranstve.

Obrázok 3: Materiál Piezo Crystal Quartz

Keramické piezoelektrické materiály

Piezoelektrická keramika sa vyrába z materiálov štruktúrovaných perovskitmi, ako je olovo zirkonátový titanit (PZT).Tieto materiály sú polykryštalické a vytvárajú sa spekajúcimi práškovými látkami.Ich piezoelektrické vlastnosti sa vyvíjajú prostredníctvom procesu pólu a zarovnáva elektrické dipóly použitím externého elektrického poľa.Tieto keramiky sa dajú ľahko tvarovať do rôznych foriem a veľkostí.Ich trvanlivosť a nákladová efektívnosť ich robia obľúbenými pre použitie v ovládačoch, senzoroch, ultrazvukových prevodníkoch a bzučiakoch spotrebnej elektroniky.

Obrázok 4: Štruktúra piezoelektrickej keramiky typu PZT

Tenké piezoelektrické materiály

Tenký filmový piezoelektrik sa vyrába ukladaním vrstiev, ktoré sa pohybujú od niekoľkých nanometrov po niekoľko mikrometrov v hrúbke pomocou pokročilých výrobných techník, ako je rozprašovanie, chemické ukladanie pary alebo pulzné laserové ukladanie.Bežné materiály používané v tenkých filmoch zahŕňajú PZT, oxid zinočnatý (ZnO) a nitrid hlinitý (ALN).Tenkosť týchto filmov umožňuje integrovať sa do mikroelektromechanických systémov (MEMS) a nanoelektromechanických systémov (NEM), čím sa zvyšuje ich funkčnosť v kompaktných zariadeniach, ako sú mikrofóny, mikrospínačy a pokročilé senzorové polia.Vďaka ich kompatibilite so štandardnými polovodičovými procesmi a škálovateľnosťou sú vhodné pre integrované obvody a flexibilnú elektroniku.

Obrázok 5: ALN Piezoelectric tenké filmy

Obrázok 6: Prvky hromadného piezo

Výber medzi tenkými a hromadnými piezoelektrickými materiálmi závisí od špecifických potrieb aplikácie pre presnosť, výkon a trvanlivosť.Materiály Piezo tenké film sú vhodné v technológiách malých meradiel.Naopak, hromadné materiály piezo sú preferované v náročnejších a väčších aplikáciách.Nasledujúca tabuľka porovnáva materiály piezo z tenkého film a materiály z hromadného piezo na základe ich hrúbky, výrobných techník, kľúčových vlastností a aplikácií.

Kategória	Materiály s tenkým filmom Piezo	Hromadné materiály piezo
Hrúbka	Niekoľko nanometrov pre niekoľko mikrometrov	Niekoľko milimetrov až centimetrov
Výrobné techniky	Naprašovanie, pulzné laserové ukladanie, chemické usadzovanie	Lisovanie, vytláčanie, obrábanie
Funkcie	Vysokofrekvenčná odpoveď: Rýchla odpoveď časy	Vysoko výkonná výroba: Vytvára energiu pri mechanickom napätí
	Flexibilita: uplatniteľná na flexibilné povrchy	Trvanlivosť: Silný a odolný, vhodný Pre ťažké zaťaženia a tvrdé podmienky
	Presnosť: Presná kontrola na a mikroskopická úroveň	Všestrannosť: Ľahko tvarovaná a veľkosť konkrétne potreby
Žiadosti	Mikroelektronika a mems: Akcelerometre, gyroskopy, hlavy atramentovej tlačiarne	Zber energie: prevádza mechanické Stres z vibrácií do elektrickej energie
	Zdravotnícke pomôcky: ultrazvukové prevodníky pre zobrazovanie a terapiu	Ovládače a senzory: veľké ovládače v automobilový a letecký priemysel, senzory s vysokým zaťažením
	Telekomunikácie: filtre a rezonátory v mobilných telefónoch a komunikačných zariadeniach	Sonar a ultrazvukové zariadenia: Sonar Systémy pre námorné použitie, priemyselné ultrazvukové čistiace prostriedky

Metódy PZT s tenkým filmom a depozičné metódy

Materiály zirkonátu zirkonátu tenkého filmu (PZT) sa používajú v senzoroch, ovládačoch a mikroelektromechanických systémoch (MEMS) kvôli ich veľkým piezoelektrickým vlastnostiam.Zloženie a účinnosť tenkých filmov PZT veľa závisí od ich depozičných metód, ktoré môžu ovplyvniť ich štruktúru, orientáciu a piezoelektrický výkon.Tri hlavné depozičné techniky: sol-gel, naprašovanie a depozícia kovových organických chemikálií (MOCVD).

Obrázok 7: Flexibilný tenký film PZT

Proces sol-gélu

Proces Sol-Gel je nákladovo efektívny spôsob ukladania tenkých filmov PZT a umožňujúce kontrolu nad zložením filmu na molekulárnej úrovni.Táto technika sa začína prípravou koloidného roztoku (SOL), ktorý sa zmení na gél.Medzi dôležité kroky patrí hydrolyzovanie a polymerizácia kovových alkoxidov.Výsledný gél sa aplikuje na substrát s použitím spinového potiahnutia alebo potiahnutia, po ktorom nasleduje tepelné ošetrenie na odstránenie organických komponentov a kryštalizáciu fázy PZT.

Obrázok 8: Proces Sol-Gel pre tenké filmy PZT

Výhody

• Umožňuje jemnú kontrolu nad stechiometriou, zlepšovanie piezoelektrických vlastností

• Používa nižšie teploty v porovnaní s inými metódami

Výziev

• Je ťažké získať konzistentnú hrúbku a zloženie vo veľkých oblastiach

• Vysoké zmršťovanie počas sušenia a vypaľovania často spôsobuje praskliny

Rozčúľanie

Napruting je technika ukladania fyzikálnych pár pary (PVD), kde vysokoenergetické častice zrazia materiál z cieľa a potom sa usadzujú na substrát.Pre PZT filmy sa používa RF magnetrónové naprachovanie, ktoré zahŕňa plazmu argónových iónov zasiahnutých cieľom PZT.

Obrázok 9: Metóda depozície rozprašovania tenkých filmov

Výhody

• Vytvára filmy s dobrou adhéziou a hustotou

• Vhodné na rovnomerné poťahovanie veľkých substrátov

Výziev

• Stres sa môže hromadiť vo filmoch ovplyvňujúcich ich vlastnosti

• Zloženie cieľa sa môže počas rozprašovania meniť v dôsledku rozdielových výnosov na odpruženie

Depozícia kovových organických chemikálií (MOCVD)

MOCVD zahŕňa rozkladanie kov-organických prekurzorov v parnej fáze a reagujú alebo rozkladajú na vyhrievanom substráte za vzniku tenkého filmu.Táto metóda je uprednostňovaná na výrobu vysokokvalitných, dobre kryštalizovaných filmov vhodných pre elektronické aplikácie.

Výhody

• Poskytuje vynikajúcu uniformitu filmu a zhodu aj na komplexných substrátoch v tvare

• Dobré pre výrobu s veľkým objemom

Výziev

• Vyžaduje vyššie teploty ako iné metódy

• Manipulácia a skladovanie kov-organických prekurzorov môže byť nebezpečné

Obrázok 10: Depozícia kovových organických chemikálií

Ako materiály pôsobia pod stresom

Správanie pri kompresii

Ak sa stlačia materiály ako kremeň alebo titanitát bária, menia sa spôsobmi, ktoré ovplyvňujú ich použitie v rôznych zariadeniach.Tieto materiály majú špeciálne štruktúry, ktoré pri lisovaní vytvárajú elektrické náboje.Keď sú komprimované, zmenšujú sa a zmeny ich vnútornej štruktúry.

Toto stláčanie spôsobuje, že elektrické náboje vo vnútri kryštálu sú nerovnomerne rozložené.Tlak pohybuje ióny v štruktúre kryštálu a vytvára elektrické pole.Stáva sa to preto, že v materiálovom posunu sa centrá kladných a záporných nábojov.Množstvo elektrickej odozvy závisí od typu kryštálu, použitej sily a smeru kryštálu vzhľadom na silu.

Napríklad v senzoroch môže napätie produkované kryštálmi merať silu, ktorá ich robí, vďaka čomu sú ideálne na detekciu tlaku a monitorovacieho zaťaženia.V pohonoch môže použitie elektrického poľa vytvárať tvar zmeny kryštálu, čo umožňuje presnú kontrolu pohybov vo veciach, ako sú ultrazvukové zariadenia a vstrekovače automobilových paliva.

Obrázok 11: Piezoelektrické materiály fungujú

Piezoelektrická reakcia na tlak

Keď piezoelektrické materiály čelia mechanickému tlaku, ich molekuly vyživujú, čo ovplyvňuje ich elektrické vlastnosti.Sila mení molekulárnu štruktúru, zarovnáva oblasti s rovnomerným elektrickým smerom, zvyšuje elektrickú polarizáciu.

Toto zarovnanie zvyšuje oddelenie náboja v materiáli a zvyšuje jeho elektrickú polarizáciu.Jednoducho povedané, tlak robí dipóly (molekuly s dvoma opačnými nábojmi) rovnomernejšie, čím vytvára silnejšie elektrické pole pre danú silu.

Schopnosť tejto reakcie presne kontrolovať pri rôznych tlakoch robí piezoelektrické materiály veľmi užitočné v mnohých technológiách.Ich schopnosť premeniť mechanický tlak na elektrické signály a naopak umožňuje ich efektívne používanie úloh, ako je generovanie presných elektronických frekvencií a monitorovanie vibrácií v priemyselnom prostredí.

Piezoelektrický účinok

Obrázok 12: Piezoelektrický účinok

Premeniť mechanickú energiu na elektrickú energiu s piezoelektrickým účinkom

Piezoelektrický účinok mení mechanickú energiu na elektrickú energiu deformovaním určitých kryštálových materiálov.Tieto materiály, známe ako piezoelektrike, zahŕňajú prírodné látky ako kremeň a syntetické látky, ako je pokročilá keramika.

Keď piezoelektrický materiál čelí mechanickému napätiu, ako je stláčanie, skrútené alebo ohnuté, jeho kryštálová štruktúra, nemá centrálnu symetriu a narušuje sa.Toto narušenie posúva centrá náboja v kryštáli, čo spôsobuje polarizáciu a vytvára elektrický potenciál v určitých bodoch materiálu.

Kľúčové body tohto procesu:

Elektrický náboj sa zhoduje s množstvom použitého mechanického napätia.To znamená, že elektrický výstup je možné presne riadiť na základe známej použitej sily;

Po odstránení sily sa materiál vráti do pôvodného stavu a elektrický náboj zmizne.To zaisťuje trvanlivosť a spoľahlivosť materiálu dobré pre zariadenia, ktoré musia opakovane fungovať dobre.

Premeniť elektrickú energiu na mechanickú energiu s reverzným piezoelektrickým účinkom

Reverzný piezoelektrický efekt mení elektrickú energiu späť na mechanickú energiu.Aplikácia elektrického napätia na piezoelektrický materiál vytvára elektrické pole, ktoré mení štruktúru kryštálovej mriežky, čím sa zmení rozmery materiálu.

Tento účinok sa používa v presných ovládačoch v optických prístrojoch a systémoch mikro pripevňovania.Reverzný piezoelektrický efekt zaisťuje, že malé elektrické vstupy vedú k presným, kontrolovaným mechanickým úpravám, ktoré pomáhajú vylepšenia robotiky, automobilovej technológie, lekárskych nástrojov a telekomunikácií.

Dvojitá schopnosť piezoelektrického účinku pôsobiť ako mechanický až elektrický a elektrický prenosový prevodník podporuje technologický pokrok.Spája mechanické a elektrické domény, rozširuje moderné inžinierstvo a inovácie.

Obrázok 13: Priamy a spätný piezoelektrický účinok

Porovnanie nepiezoelektrických a piezoelektrických materiálov

Nepiezoelektrické a piezoelektrické materiály sa líšia v tom, ako manipulujú s mechanickou a elektrickou energiou.Nepiezoelektrické materiály ako oceľ a hliník môžu vykonávať elektrinu, ale pri strese nevytvárajú elektrický náboj.Piezoelektrické materiály, ako je kremeň a určitá keramika, môžu kvôli svojej špeciálnej kryštálovej štruktúre zmeniť mechanickú energiu na elektrickú energiu.

Nepiezoelektrické materiály majú symetrické kryštálové mriežky, takže pri strese nevyrábajú elektrický dipól.Piezoelektrické materiály majú asymetrické kryštalické mriežky, ktoré im umožňujú generovať elektrický náboj, keď je pod stresom.Táto deformácia spôsobuje vnútornú polarizáciu a vytvára elektrický potenciál.

Non-pizoelektrické materiály sa správajú ako bežné vodiče alebo izolátory na základe ich elektrónovej mobility a štruktúry pásov a pri deformácii nevytvárajú elektrický náboj.Piezoelektrické materiály vykazujú dva účinky: priamy piezoelektrický efekt, kde mechanické napätie vytvára elektrický náboj a inverzný piezoelektrický efekt, kde elektrické pole spôsobuje mechanickú deformáciu.Vďaka týmto charakteristikám sú piezoelektrické materiály vhodné na použitie v senzoroch a ovládačoch.

Vďaka svojim rôznym vlastnostiam sa v rôznych aplikáciách používajú nepiezoelektrické a piezoelektrické materiály.Non-pizoelektrické materiály sa používajú v štrukturálnych komponentoch, elektrických zapojeniach a štandardných elektronických častiach, kde sú dôležité pevnosť a vodivosť.Piezoelektrické materiály sa používajú v oblastiach, ktoré vyžadujú presnú kontrolu a mechanickú elektrickú konverziu energie, ako sú ultrazvukové zariadenia, presné polohovacie zariadenia a rôzne senzory a ovládače vhodné pre pokročilé technológie.

Aplikácie piezoelektrie

Spotrebná elektronika: V smartfónoch a iných zariadeniach sa piezoelektrické časti používajú v reproduktoroch a mikrofónoch.Premieňajú elektrické signály na zvukové vibrácie alebo zvukové vibrácie na elektrické signály pre zvukový vstup.

Automobilový priemysel: Moderné autá používajú piezoelektrické senzory na mnohé účely, ako je napríklad ovládanie vstrekovania paliva v motoroch a monitorovací tlak v pneumatikách.

Monitorovanie životného prostredia: Piezoelektrické senzory detekujú zmeny tlaku, vibrácie a zvuky.Používajú sa na kontrolu podmienok životného prostredia a na zabezpečenie bezpečnosti budov a mostov.

Zber energie: Piezoelektrické materiály môžu zachytiť energiu z mechanického napätia.Napríklad podlahy, ktoré premieňajú kroky na elektrickú energiu, môžu v rušných oblastiach napájacie svetlá a elektronika, čo pomáhajú vytvárať udržateľné prostredie.

Piezoelektrické zapaľovače s vysokým napätím: Títo zapaľovatelia používaní na osvetlenie plynových sporákov a grilu a vytvárajú vysoké napätie z malého mechanického kliknutia, čím sa vyrábajú iskra, aby osvetľovali horák.To ukazuje praktické použitie piezoelektrických materiálov.

Lekárske zobrazovanie: Piezoelektrické kryštály sú užitočné v ultrazvukových strojoch.Vytvárajú zvukové vlny, ktoré odrážajú tkanivá a orgány a vytvárajú obrázky pre diagnostiku.

Presné ovládače vedeckých nástrojov: Piezoelektrické materiály v presných ovládačoch vytvárajú malé pohyby pre optiku a nanotechnológiu.Tieto ovládače upravujú zrkadlá, šošovky a ďalšie časti s mikroskopickou presnosťou pre vedecký výskum a výrobu polovodičov.

Záver

Štúdium piezoelektrických materiálov ukazuje silné spojenie medzi fyzikou a inžinierstvom, ktoré demonštrujú, ako sa dajú ich prirodzené vlastnosti použiť na mnohé technologické účely.Univerzálnosť piezoelektrických materiálov dostupných ako silné hromadné materiály a flexibilné tenké filmy ich robia vhodné pre rôzne aplikácie, ako je zber energie, monitorovanie životného prostredia a vývoj udržateľných technológií.Ako inovácia pokračuje, výskum a vývoj v piezoelektrických materiáloch sú dôležitejšie, sľubné zlepšenie efektívnosti, presnosti a funkčnosti budúcich technológií.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Čo spôsobuje výrobu elektriny z piezoelektrického efektu?

Piezoelektrický účinok sa vyskytuje, keď určité materiály vyrábajú elektrický náboj v reakcii na mechanické napätie.Tieto materiály, kryštály ako kremeň, keramika, ako je titanitán bária a niektoré polyméry, majú štruktúru kryštálovej mriežky, ktorá je necentrosymetrická, čo znamená, že chýba stred symetrie.Ak sa použije mechanická sila, ako je tlak alebo vibrácie, táto štruktúra sa skreslí.Toto skreslenie vytesňuje ióny v mriežke a vytvára oblasti s pozitívnymi a negatívnymi nábojmi.Priestorové oddelenie týchto nábojov vedie k elektrickej elektrickej energii.Tento účinok je reverzibilný a aplikovanie elektrického poľa na tieto materiály tiež vyvolá mechanické napätie.

2. Aké zariadenie používa piezoelektrický efekt?

Zariadenia, ktoré využívajú piezoelektrický efekt, sú rôzne a zahŕňajú každodenné aj špecializované vybavenie.Bežné aplikácie sú:

Hodinky Quartz: Používanie pravidelných vibrácií kremeňa pod elektrickým poľom, aby sa presný čas udržal.

Lekárske ultrazvukové zariadenia: Generovanie zvukových vĺn, ktoré sa odrážajú vo vnútri tela, aby sa vytvorili diagnostické obrázky.

Injektory paliva v automobiloch: Používanie piezoelektrických ovládačov na riadenie načasovania a množstva paliva vstreknutého do valcov motora.

Piezoelektrické senzory a akcelerometre: meranie zmien v tlaku, zrýchlení, kmeňoch alebo sile ich premenou na elektrický signál.

3. Koľko voltov je piezo?

Výstup napätia piezoelektrického prvku sa môže značne líšiť v závislosti od jeho veľkosti, materiálu a množstva použitého mechanického napätia.Malý piezo prvok, ako sú tie, ktoré sa nachádzajú v zapaľovačoch alebo elektronických zariadeniach, môže produkovať špičku napätia v rozmedzí od niekoľkých voltov po niekoľko stoviek voltov.Tieto výstupy sú však vo všeobecnosti pri veľmi nízkych prúdoch a trvajú iba mikrosekundy.

4. Potrebuje piezo odpor?

V mnohých aplikáciách sa rezistor používa s piezoelektrickým prvkom na obmedzenie prúdu a ochranu ďalších komponentov v obvode pred vysokým napätím, ktorý sa vyrába pri aktivácii piezo.Hodnota odporu závisí od špecifických požiadaviek obvodu vrátane požadovaného času odozvy a citlivosti.Bez odporu môže piezo potenciálne poškodiť elektronické komponenty v dôsledku vysokého počiatočného napätia.

5. Ako súvisí piezoelektrik s ľudskou silou?

Piezoelektrický efekt je priamo použiteľný na využitie ľudskej moci inovatívnym spôsobom.Môže premeniť mechanickú energiu z ľudských aktivít, ako sú chôdza alebo lisovacie tlačidlá, na elektrickú energiu.Táto technológia sa skúma v rôznych aplikáciách:

Podlahové dlaždice na zber energie: Tieto dlaždice vytvárajú elektrinu z tlaku Footfalls v rušných oblastiach, ako sú stanice metra alebo nákupné strediská.

Nositeľná technológia: Vkladanie piezoelektrických materiálov do topánok alebo odevov na výrobu energie pre malé zariadenia prostredníctvom bežných pohybov tela.

Lekárske implantáty: Používanie pohybu tela na napájacie zariadenia, ako sú kardiostimulátory, znižujú alebo eliminujú potrebu externých batérií.