Пьезоэлектрики

3 Пьезоэлектрики

К пьезоэлектрикам относятся диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Прямым пьезоэффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. Электрический заряд Q, возникающий на поверхности, изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий F (рис. 36,а).

Q = dF; Q/S = qs = R = dd,

где d - пьезомодуль; S - площадь; qs - заряд на единицу площади, Р - поляризованость, d - механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Пьезомодуль d численно равен заряду, на единице площади поверхности при приложении к нему единицы давления. Величина пьезомодуля составляет около 10-10 Кл/Н.

При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика Dl/l пропорционально напряженности электрического поля Е.

D l/l = d = dE,

где d - относительная деформация.

Пьезомодули d прямого и обратного пьезоэффекта для одного и того же материала равны между собой.

Пьезоэффект наблюдается лишь в ионных и сильнополярных диэлектриках, в структуре которых отсутствует центр симметрии и которые обладают высоким удельным сопротивлением.

Для характеристики конкретных пьезоэлектриков используют также величину называемую коэффициентом электромеханической связи k. Это связано с тем, что реальная работа внешней силы затрачивается не только на деформацию, но и на поляризацию.

k2 = Wэ /W,

где Wэ - электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектриком; W - вся энергия затрачиваемая на деформацию.

При обратном пьезоэффекте энергия внешнего источника затрачивается не только на зарядку емкости пьезоэлектрика, но и на его деформацию.

k2 = Wм /W,

где Wм - плотность энергии механической деформации, Wм = CX2/2, здесь С - модуль упругости; Х - смещение.

Численное значения k для прямого и обратного пьезоэффектов совпадают.

В качестве пьезоматериалов широко применяют сегнетоэлектрики. Обычная сегнетокерамика как изотропная среда не обладает пьезоэффектом. Для придания пьезоэлектрических свойств ее подвергают поляризации: выдерживают в сильном электрическом поле при температуре 100-150°С в течение длительного времени. Поляризованность доменов получает преимущественную ориентацию в направлении поля. После снятия внешнего поля в керамике сохраняется устойчивая остаточная поляризация; из изотропного тела керамика превращается в анизатропное - текстуру. По своим свойствам поляризованный сегнетокерамический образец близок к однодоменному кристаллу. Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для использования ее пьезоэффекта, называют пьезокерамикой. Из пьезокерамики можно изготовить активный элемент практически любого размера и любой формы. Пьезокерамика используется для создания ультразвуковых излучателей, элементов преобразования электрических сигналов в звуковые и обратно, датчиков давления, деформаций, ускорений и вибраций, пьезорезонансных фильтров электрических сигналов, линий задержки, пьезотрансформаторов и пьезодвигателей. Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZrO3 - PbTiО3 (цирконат - титанат свинца или сокращенно ЦТС).

Ввиду высоких значений e, tgd и механических потерь пьезокерамику трудно использовать на частотах свыше 20Мгц. На более высоких частотах применяются монокристаллические пьезоэлектрики.

Из пьезоэлектрических кристаллов наиболее часто применяют кварц - двуокись кремния SiО2. В кристаллах кварца различают три главные оси, образующих прямоугольную систему координат (рис.37):X - электрическую ось, проходящую через вершины шестиугольника поперечного сечения (три оси); Y - механическую ось, перпендикулярную сторонам шестиугольника поперечного сечения (три оси); Z - оптическую ось, переходящую через вершины кристалла. Пластинки, вырезанные перпендикулярно оси Z не обладают пьезоэффектом.

Пластинки Х-среза обладают максимальным коэффициентом электромеханической связи (около 10%). Однако наибольшее применение находят пластины косых срезов кристалла, грани которых наклонены по отношению к его осям.

Плоскопараллельная полированная кварцевая пластинка с электродом и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, т.е. является колебательным контуром с определенной частотой колебаний. Частота определяется толщиной пластины и направлением кристаллографического среза. Преимуществом кварцевых резонаторов являются малый tgd, высокая механическая добротность (Qм=5×104 - 107) и температурная стабильность параметров. Благодаря высокой добротности кварцевые резонаторы используются в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов. Одно из главных требований к таким пьезоэлектрикам является нулевой или минимальный уход частоты механических колебаний в возможно более широком интервале температур. Этому требованию в значительной мере удовлетворяют АТ- и ВТ- срезы в диапозоне частот 0.6 - 100 и 5 - 20МГц соответственно, а также СТ-, DT- и GT- срезы - в диапозоне 100 - 550 кГц.

Ниобат и танталат лития, обладающие более высокими чем кварц пьезомодулями и коэффициентами электромеханической связи, во многих случаях вытесняют кварц. Фильтры на их основе обладают большей широкополосностью при меньших габаритах, более низким сопротивлением в полосе прозрачности, большей изоляцией от паразитных колебаний. Механическая добротность ниобата и танталата лития сохраняет высокое значение (105 - 106) до СВЧ-диапозона, тогда как у кварца она максимальна при частоте 1МГц, а выше 100МГц снижается до значений меньших 105. Эти материалы применяют в линиях задержки и фильтрах как объемных, так и поверхностных волн и других устройствах, использующих поверхностные акустические волны.

Пьезополупроводники СdS, ZnS, ZnO используют в основном для пленочных преобразователей электромагнитных колебаний в акустические на высоких и сверхвысоких частотах (до 40Ггц), акустических усилителях и других устройств.

Пироэлектрики

К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом.

Пироэлектрическим эффектом называют изменение спонтанной поляризованности диэлектрика при изменении его температуры.

Уравнение пироэлектрического эффекта имеет вид:

-dPсп= r×dT,

где Рсп - спонтанная поляризованность диэлектрика;

r - пироэлектрический коэффициент.

При неизменной температуре спонтанный электрический момент скомпенсирован. Иэменение спонтанной поляризованности сопровождается освобождением зарядов на поверхности диэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает ток:

где S -площадь поверхности диэлектрика, dT/dt - скорость изменения температуры.

Пироэлектрический коэффициент учитывает нарушение упорядоченности в расположении элементарных дипольных моментов (истинный пироэффект) и пьезоэлектрическую поляризацию, обусловленную изменением линейных размеров (вторичный пироэффект) при изменении температуры диэлектрика.

Спонтанная поляризованность зависит от температуры Рсп = А(Тк -Т)1/2, где А - некоторая постоянная для данного материала.

Отсюда следует, по мере приближения к температуре фазового перехода Тк пироэлектрический коэффициент возрастает:

Пироэлектрическими свойствами обладают все сегнетоэлектрики в монодоменизированном состоянии.

Наиболее стабильными пироэлектрическими свойствами обладают кристаллы ниобата и танталата лития, которые ввиду очень малого tgd и высокого удельного сопротивления отличается малым уровнем шумов и поэтому имеет высокую чувствительность на высоких частотах.

Пироэлектрическими свойствами обладают некоторые линейные диэлектрики (турмалин) и полимеры (поливинилденфторид, поливинилденхлорид). Чувствительность пленочных полимерных диэлектриков невысока, однако они обладают простотой изготовления, малой инерционностью и небольшой стоимостью.

Пироэлектрики применяются для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения. У них отсутствует избирательность по спектру излучения, обладают высоким быстродействием (до 10МГц), но имеют меньшую чувствительность чем полупроводниковые фотоприемники.

5. Электреты

Электреты - это твердые диэлектрики длительно сохраняющие поляризацию и создающие в окружающем их пространстве электрическое поле.

По способу формирования зарядов электреты подразделяют на термоэлекреты (получают при воздействии на нагретый диэлектрик электрического поля), фотоэлекреты (изготавливаются из материалов обладающих фотоэлектропроводностью - серы, сульфида кадмия и др.- при одновременном воздействии света электрического поля), и другие.

Знак заряда электрета может совпадать со знаком формирующего напряжения (гомозаряд) или не совпадать (гетерозаряд). Гомозаряд образуется инжекцией заряженных частиц в диэлектрик извне. Гетерозаряд формируется за счет смещения к противоположным сторонам собственных зарядов диэлектрика. Разность гетеро- и гомозаряда определяет результирующий заряд поверхности электрета. Гомозаряды сохраняются в течение более длительного времени по сравнению с гетерозарядами.

У органических полярных электретов преобладают гетерозаряды, у неорганических (керамических) материалов и органических неполярных диэлектриков - гомозаряды.

Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей cреды.

В настоящее время наибольшее практическое значение находят электреты на основе полимерных пленок политетрафторэтилена, полиэтилентерефталата, поликарбоната и др.. В условиях повышенной влажности наиболее стабильны электреты из политетрафторэтилена. Электреты используются для изготовления телефонов, микрофонов, дозиметров радиации измерителей атмосферного давления и влажности, электрометров и др.

Литература

1.         Суриков В.С. – Основы электродинамики – М. «Протон» - 2000 г.

2.         Карков И.С. – Физика элементарных частиц. – М. – 1999 г.

3.         Синджанов И.К. Электродинамика – М. 1998 г.

4.         Электротехнические материалы. Справочник / В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, А.М. Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504с.

5.         Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы . - М.: Радио и связь, 1999. - 352с.