Электротехника

Материалы с обратным пьезоэлектрическим эффектом

Пьезоэлектричество («пьезо» (piezo) заимствовано из греческого и означает «давлю») – явление возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект) и возникновения механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект).

Пьезоэлектричество открыли физики братья Пьер и Жак Кюри в 1880-1881 годах.

Пьезоэффект наблюдается в диэлектриках, называемых пьезоэлектриками. К ним относятся некоторые виды монокристаллов, а также поликристаллических материалов, структура которых упорядочена предварительной поляризацией в электрическом поле (пьезокерамика).

Механизм пьезоэффекта объясняется возникновением или изменением дипольного момента элементарной ячейки кристаллической решетки в резкльтате смещения элементарных электрических зарядов в ячейке под действием механических напряжений Т (прямой пьезоэффект) или перемещением элементарных электрических зарядов под действием электрического поля напряженностью Е и, как следствием, изменением средних расстояний между ними, т.е. деформацией (обратный пьезоэффект).

Прямой и обратный пьезоэффекты в первом приближении линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением T (прямой пьезоэффект):

P = dТ, или деформацию S с напряженностью электрического поля E (обратный пьезоэффект):

S = dE, где d – пьезомодуль (имеет одно и то же значение для прямого и обратного пьезоэффектов).

Схема проявления пьезоэффектов показана на рис. 1.1.

Схеме проявления прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов

Рис. 1.1. Схеме проявления прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов: стрелками Р и Е изображены внешние воздействия – механическая сила и напряженность электрического поля; штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями – контуры деформации пьезоэлектрика (для наглядности во много раз увеличены); Р – вектор

Пьезоэлектрическими свойствами обладают кристаллы, у которых кристаллическая решетка не имеет центра симметрии, например, кристаллы кварца SiO2, сегнетовой соли NaKC4H4O6·4H2O, дигидрофосфата калия КН2РO4 (КДП) и аммония (NH4)2HPO4 (АДП).

Кварц – широко распространенный в природе минерал. Наряду с природными используются синтетические кристаллы кварца.

Кристаллы сегнетовой соли, а также КДП, АДП и другие подобные им кристаллы выращиваются из водных растворов. Общими недостатками этих кристаллов, существенно ограничивающими их применение, являются хрупкость и гигроскопичность – влагопоглощение, изза чего они в луосвиях повышенной влажности со временем растворятся, если их не покрыть специальными защитными пленками.

В настоящее время наиболее широко применяемый пьезоэлектрический материал – пьезокерамика. По физическим свойствам она является поликристаллическим сегнетоэлектриком.

Сегнетоэлектрики (названы по первому материалу, в котором был обнаружен сегнетоэлектрический эффект – сегнетова соль) – это твёрдые диэлектрики, обладающие в определённом интервале температур собственным электрическим дипольным моментом, который может быть переориентирован за счёт приложения внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики характеризуется наличием в своем объеме доменов – областей спонтанной (самопроизвольной) поляризации.

По структуре неполяризованная пьезокерамика представляет собой совокупность зёрен (кристаллитов) со случайной ориентацией кристаллографических осей, причём каждое зерно имеет сложную доменную структуру, а полная спонтанная поляризация P = 0. В процессе поляризации в постоянном электрическом поле дипольные моменты доменов всех зёрен ориентируются вдоль направления поля. После выключения поля эта ориентация доменов в основном сохраняется, так что керамика приобретает полярную анизотропию (рис. 1.2).

Схема процесса поляризации

Рис. 1.2. Схема процесса поляризации: а – исходное состояние; б – состояние керамики в процессе действия электрического поля; в – конечное состояние

Путем изменения основного соотношения исходных материалов и введения добавок синтезируют разные пьезокерамические составы с определенными пьезоэлектрическими характеристиками.

Большинство этих составов представляют собой химические соединения с формулой АВО3 (например, титанат бария ВаТiO3, титанат свинца РbТiO3) и различные твёрдые растворы на их основе (например, система ВаТiO3 — СаТiO3). Особенно широко применяются в качестве пьезоэлектриков составы системы PbTiO3 – PbZrO3 (так называемая система ЦТС).

Пьезоэлементы

Базовым компонентом любого пьезоэлектрического устройства является пьезопреобразователь. Основная часть его состоит из отдельных или объединенных в группы электрически и механически связанных друг с другом пьезоэлементов. В свою очередь, пьезоэлементы представляют собой изготовленные из пьезокрамики (или ионного пьезоэлектрического материала) детали простой геометрической формы (пластины, диски, кольца, бруски, стержни, цилиндры и т.п.) с нанесенными на определенные ее поверхности электродами (рис. 1.3).

Пьезоэлементы

Рис. 1.3. Пьезоэлементы

Технологический процесс изготовления пьезокерамических элементов включает следующие основные стадии: синтез материала (получение однородного мелкодисперсного порошка из исходного сырья – оксидов PbO, TiO2, ZrO2 и др.); формование и спекание заготовок (получениие элемента заданной формы с плотной керамической структурой); нанесение металлических (обычно серебряных) электродов и поляризация керамики.

Механическое сжатие или растяжение, прикладываемое к поляризованному пьезокерамическому элементу, вызывает изменение дипольного момента, который, в свою очередь, создает электрическое напряжение (прямой пьезоэффект).

Если приложить ткр оэдлаемк пьезоэлемента электрическое напряжение, то в нем возникает механическое напряжение, которое приводит к его деформации (обратный пьезоэффект). Причем при подаче напряжения с противоположной напряжению поляризации полярностью, элемент станет короче и толще, а если к пьезокерамическому элементу приложить напряжение, совпадающее по полярности с напряжением поляризации, то элемент удлинится и станет тоньше. Если приложить переменное напряжение, то элемент будет удлиняться или укорачиваться циклически в соответствии с частотой приложенного напряжения.

Обычно пьезоэлементы по отдельности редко используются в качестве пьезопреобразователей, поскольку один пьезоэлемент может работать в весьма ограниченном диапазоне перемещений (0,01…0,1 мкм). Для расширения функциональных возможностей пьезопреобразователей, в частности увеличения диапазона перемещений пьезоэлементы объединяют в более сложные конструкции.

На практике широкое распространение получили пьезопреобразователи пакетной конструкции. Они представляют собой набор из отдельных пьезоэлементов, число которых может находиться в пределах от 5 до 200 шт. и определяется требуемым диапазоном перемещений (рис. 1.4). Небольшое перемещение каждого пьезоактивного слоя суммируется в общее перемещение, которое может доходить до 10 мкм и более.

В последние годы вместо пакетных конструкций все большее применение находят тонкопленочные многослойные конструкции, состоящие из чередующихся тонких слоев пьезокерамики и электродов. В них каждый слой соединен с последующим слоем электрически параллельно. Смежные слои пьезокерамики поляризованы во встречном направлении, в результате перемещение, создаваемое структурой, является суммой перемещений всех слоев.

Многослойные пьезопреобразователи по сравнению с пакетными имеют более высокую деформацию и способны развивать значительные усилия пропорционально площади сечения. Вместе с тем они имеют большие значения собственной емкости, что объясняется большим количеством параллельно соединенных слоев керамики малой толщины. Этот недостаток приводит к снижению их быстродействия.

Особый практический интерес представляют биморфные пьезопреобразователи (рис. 1.5), которые состоят из соединенных между собой двух пьезоэлементов либо одного пьезоэлемента и металлической пластины. Биморфная конструкция используется для увеличения диапазона линейных перемещений (до нескольких мм) и получения угловых перемещений объектов (до нескольких градусов).

Примером такой конструкции являются две склеенные между собой пьезокерамические пластины, напряжение на которые подается таким образом, чтобы одна из них сокращалась, а другая расширялась. При этом происходит изгиб в конструкции (по аналогии с биметаллической пластиной).

Пакеты из пьезкерамических дисков и колец

Рис. 1.4. Пакеты из пьезкерамических дисков и колец

Схема биморфного пьезокерамического преобразователя

Рис. 1.5. Схема биморфного пьезокерамического преобразователя

Если конструкция закреплена только с одной стороны (рис. 1.6, а), то свободный конец совершает угловые перемещения, а если с двух сторон (рис. 1.6, б), то ее центральная часть совершает линейные перемещения, равные прогибу всей конструкции.

Пьезоэлементы (пьезопреобразователи), работающие в режиме обратного пьезоэффекта, составляют основу исполнительных пьезоустройств – пьезоактуаторов. К ним относятся пьезодвигатели (пьезоприводы) и пьезоизлучатели.

Биморфные конструкции

Рис. 1.6. Биморфные конструкции: а – с угловым перемещением; б – с линейным перемещением

Пьезодвигатели

Существуют разнообразные пьезокерамические двигатели, которые по конструкции и принципу действия делятся на два основных типа: вращающиеся и линейные.

На рис. 1.7 показана схема вращающегося пьезодвигателя с пьезоэлементом, совершающим продольные и изгибные колебания. На активном статоре установлен пьезоэлемент 1, выполненный в виде пьезокерамической пластины с расположенными на её боковых поверхностях электродами. Один конец пластины закреплен в статоре с помощью эластичной акустически изолирующей прокладки, а на другом, обращенном к пассивному ротору 2, установлена износостойкая прокладка 4. Ротор выполнен в виде гладкого цилиндра, вал ротора закреплен в подшипниках. Статор и ротор прижимаются друг к другу силой F, создаваемой упругим элементом 3. К электродам пьезоэлемента подводится переменное напряжение возбуждения U.

Электроды расположены таким образом, что при подаче на них переменного напряжения пьезокерамическая пластина совершает продольные колебания.

При продольном смещении свободного конца пластины в сторону ротора пластина оказывает давление на ротор и заставляет его поворачиваться с угловой скоростью ω. Поперечная составляющая силы, действующей на пластину в зоне контакта, возбуждает ее изгибные колебания. При обратном продольном смещении пластины её конец отходит от ротора, и ротор движется по инерции. В результате установившихся продольных и изгибных колебаний происходит преобразование электрической энергии, потребляемой пьезоэлементом, в механическую энергию вращения ротора.

Рассмотренный двигатель работает в непрерывном режиме. Двигатель аналогичной конструкции может также работать в шаговом режиме: при подаче на обкладки пьезоэлемента одиночных импульсов напряжения ротор совершает вращение дискретными угловыми шагами.

Схема вращающегося пьезодвигателя

Рис. 1.8. Схема вращающегося пьезодвигателя: пьезоэлемент совершает радиальные колебания

На рис. 1.8 показана схема вращающегося пьезодвигателя с пьезоэлементом, совершающим радиальные колебания. Внешний пассивный ротор 1 выполнен в виде тонкостенного цилиндра. Внутри него находится статор – кольцевой дисковидный пьезоэлемент 2, у которого на торцевых поверхностях нанесены электроды, а внутренняя поверхность покрыта акустически изолирующим материалом. По внешней образующей статора закреплены упругие пластины – толкатели 3, установленные под определенным углом к внутренней поверхности ротора и прижатые к нему с некоторым усилием. При подаче переменного напряжения на торцевые электроды внешняя поверхность пьезоэлемента начинает совершать радиальные колебания.

При положительной полуволне сигнала диаметр пьезоэлемента увеличивается и толкатели, оказывая давление на ротор, поворачивают его на тноеркыой угол. Отрицательная полуволна сигнала вызывает уменьшение диаметра пьезоэлемента, и толкатели проскальзывают по внутренней стороне поворачивающегося ротора.

Линейные пьезодвигатели, совершающие относительно большие (несколько миллиметров и даже сантиметров) возвратнопоступательные перемещения, по принципу действия не отличаются отвращающихся пьезодвигателей.

На рис. 1.9, а изображена схема линейного пьезодвигателя с пьезоэлементом, совершающимн ыпреодоль и изгибные колебания.

Неподвижный пьезоэлемент 1 прижимается силой F к подвижной части 3 через износостойкие прокладки 2. Подвижная часть представляет собой стальной позиционер 3, перемещающийся на роликах 4. Если фазы продольных и изгибных колебаний согласовать таким образом, чтобы при удлинении пьезоэлемента он прижимался к позиционеру через левую прокладку, то позиционер будет перемещаться влево. При укорочении вибратора он прижимается к позиционеру через правую прокладку и позиционер продолжает двигаться влево. Изменение фазы продольных колебаний на 180° вызывает возвратное движение позиционера. У линейных пьезодвигателей рассмотренной конструкции разрешающая способность по перемещению сравнительно мала (не превышает 1-10 мкм).

Схемы линейных пьезодвигателей

Рис. 1.9. Схемы линейных пьезодвигателей: а – пьезоэлемент совершает продольные и изгибные колебания; б – пьезоэлемент с управляемой деформацие

В некоторых видах прецизионных технологических установок, используемых, например, в производстве микроэлектронных приборов, требуются исполнительные механизмы, осуществляющие перемещение в десятые или сотые доли микрометров. В качестве таких механизмов используются линейные пьезодвигатели с управляемой деформацией пьезоэлемента. У этих двигателей (рис. 1.9, б) рабочее перемещение осуществляет пьезопреобразователь 2, выполненный в виде стержнеобразного пакета из пьезокерамических шайб. На торцах стержня расположены зажимы 1 и 3. Если зафиксировать зажим 1 и подать на электроды пьезоэлемента постоянное напряжение, приводящее к удлинению стержня, то конец стержня с зажимом 3 переместится вправо. Перемещение будет зависеть от приложенного напряжения. На этом же принципе могут быть построены линейные шаговые двигатели с шагом в доли микрометров. После того, как правый конец стержня (рис. 1.9, б) переместился на заданный шаг, фиксируется зажим 3, освобождается зажим 1 и снимается напряжение с пьезоэлемента. Стержень сжимается до исходной длины, и его левый конец подтягивается к правому. Послео эгот вновь фиксируется зажим 1, освобождается зажим 3 и подается напряжение на пьезоэлемент. В результате происходит шаговое перемещение двигателя и связанного с ним объекта управления на требуемое расстояние.

Пакетный пьезодвигатель

Рис. 1.10. Пакетный пьезодвигатель

На рис. 1.10 показана конструкция мощного линейного пьезодвигателя на основе пьезопреобразователя пакетной конструкции.

Пьезопакет 2, состоящий из пьезодисков и силопередающих прокладок 4, устанавливается в корпусе 1 между винтом 3 и штоком 7. Механический контакт штока и винта с силопередающими прокладками осуществляется через стальные центрирующие шарики 5. Тарелочная пружина 6 служит для обеспечения предварительного сжатия пакета при повороте винта 3. Такой двигатель может развивать значительные усилия (до 200 Н) и служит для линейных перемещений объектов довольно большой массы (десятки килограмм) на расстояние от 2 до 50 мкм (зависит от количества элементов и напряжения управления).

Современные пакетные пьезодвигатели имеют встроенные измерительные преобразователи перемещений, которые обеспечивают обратную связь по положению (рис. 1.11).

В последние годы, в связи с развитием нанотехнологий, пьезодвигатели нашли применение в системах сверхточного позиционирования, используемых в зондовых микроскопах, позволяющих исследовать наноразмерные объекты.

На рис. 1.12 схематично показана одна из разновидностей таких микроскопов – сканирующий туннельный микроскопии (СТМ), в котором в качестве зонда используется остро заточенная металлическая игла. Принцип действия СТМ основан на туннельном эффекте – квантовом переходе электронов через область, запрещенную классической механикой. В СТМ такой областью является зазор между острием зонда и ближайшей точкой на поверхности образца. Ширина этого зазора соответствует ширине туннельного перехода.

Пьезодвигатель с встроенным индуктивным датчиком микроперемещений

Рис. 1.11. Пьезодвигатель с встроенным индуктивным датчиком микроперемещений

Схема сканирующего туннельного микроскопа

Рис. 1.12. Схема сканирующего туннельного микроскопа: 1 – зонд; 2 – образец; 3 – пьезоэлектрические двигатели x, y, z; 4 – генератор развертки x, y; 5 – туннельный сенсор; 6 – компаратор; 7 – электронная цепь обратной связи; 8 – компьютер; 9 – изображение z (x, y)

При наличии внешнего электрического напряжения, когда острие зонда оказывается на расстоянии около 0,5 нм от образца, электроны из образца начинают туннелировать через промежуток в зонд или, наоборот, в образец – в зависимости от знака напряжения.

Возникающий при этом ток туннелирования изменяется экспоненциально с зазором «зонд – образец» и измеряется туннельным сенсором. Пространственное положение зонда регулируется тремя пьезоэлементами путем подачи на них управляющего напряжения.

Зонд подводят к образцу на расстояние, обеспечивающее протекание туннельного тока, и с помощью пьезоэлементов, задающих его положение в плоскости xy, сканируют вдоль поверхности.

Пакетные пьезопреобразователи составляют основу конструкции различных пьезоприводов, которые благодаря обеспечению высокой точности позицирования широко применяются в автоматах точной дозировки жидкостей и газов; в фото и рентгенолитографии для точного совмещения шаблонов; в медицинской аппаратуре, например, для точной подачи инструмента при микрохирургических и глазных операциях; в ускорителях элементарных частиц для юстировки магнитных секций, задающих траектории частиц; в оптической и электронной микроскопии для микроперемещений предметного столика; в ткацком производстве для микроперемещений игл; в сканирующих системах лазерной техники и т.д.

Особенно разнообразны применения пьезоприводов в автомобилях, где они играют роль управляющих элементов в системах регулировки положения сидений, зеркал, фар; в системах подвески и антиблокировки тормозов.

Одним из основных направлений использования пьезоприводов в автомобилях является создание пьезокерамических высокоскоростных клапанов для топливной аппаратуры дизельных двигателей. Дело в том, что в дизельном двигателе процесс сгорания топлива в цилиндре тесно связан с процессом впрыскивания топлива. В последнее время разработана усовершенствованная система впрыска дизельного топлива с помощью пьезоприводов. Такая система впрыска топлива уменьшает задержку воспламенения топлива за счет: высокого давления впрыска, что приводит к сверхтонкому распылению топлива; быстрого и независимого управления форсунками, что позволяет осуществлять несколько впрысков в один и тот же цилиндр в течение одного цикла; дозирования с высокой точностью количества топлива на различных фазах работы двигателя, что увеличивает КПД двигателя, увеличивает срок службы, снижает расходы топлива и улучшает экономичность автотранспорта.

Электронный быстродействующий клапан со встроенным пьезоприводом позволяет управлять формой и длительностью импульса впрыска, что приводит к улучшению рабочих характеристик и гибкости системы управления впрыска топлива по заданному алгоритму для различных режимов управления, включая следующие: экономичный режим, обеспечивающий максимальное КПД и минимальное потребление топлива; экологически чистый режим, обеспечивающий минимальный уровень выброса вредных примесей в атмосферу; режим форсажа, обеспечивающий максимальную тягу.

Подобная система впрыска топлива с помощью пьезоприводов применяется также для бензиновых двигателей (рис. 1.13).

Перспективным направлением применения пьезоприводов является точная настройка металлорежущих станков, что, в свою очередь, обеспечивает высокую точность обработки деталей режущим инструментом. Кроме того, пьезоприводы используются для подавления (компенсации) вибрации станков, которую можно компенсировать за счет работы пьезоприводов в противофазе с вибрациями. Пьезокомпенсаторы вибраций могут найти применение не только в станкостроении, но и в других сферах.

Примером эффективного использования пьезоприводов является система управления многосегментным адаптивным зеркалом телескопа (рис. 1.14).

В телескопах адаптивная оптика используется для улучшения разрешающей способности телескопа при наблюдении звезд через турбулентную атмосферу.

Пьезофорсунка для впрыска бензина

Рис. 1.13. Пьезофорсунка для впрыска бензина: подача электрического напряжения вызывает расширение пьезокерамического столба, который приподнимает дозирующую иглу

Кроме того, необходимость разработки многосегментных зеркал в астрономическом приборостроении обусловлена тем, что диаметр современных наземных телескопов достиг критической величины, превышение которой ведет к большим технологическим сложностям в их изготовлении и эксплуатации.

Следует также учитывать, что стоимость телескопа резко возрастает с диаметром, в то время как применение составного зеркала телескопа позволяет существенно ее уменьшить. Наилучшие результаты применения пьезоприводов достигаются, если обеспечивается возможность управления наклоном и линейным перемещением каждого сегмента адаптивного зеркала.

Многосегментное адаптивное зеркало телескопа

Рис. 1.14. Многосегментное адаптивное зеркало телескопа (а) и система управления им (б)

В практическом отношении весьма эффективны пьезоприводы на основе пьезопреобразователей биморфной конструкции. В частности, такие биморфные конструкции с угловым перемещением используются в системах сканирования и пространственного управления оптическим излучением (дефлекторах), а с линейным перемещением – в системах юстировки и позиционирования оптикомеханических систем.

Пьезоизлучатели

Основу конструкции пьезоизлучателей составляют пьезокерамические преобразователи. Различают пьезоизлучатели, служащие для генерации звука слышимого диапазона и ультразвука.

Пьезоизлучатели звука широко применяются в телефонных аппаратах, часахбудильниках, микрофонах, бытовой технике, офисном оборудовании (ноутбуки, принтеры и др.), системах аварийной, противопожарной и охранной сигнализации, электронных игрушках.

Они также используются в охранных целях в качестве источников зашумления, обеспечивающих защиту от утечки речевой информации в помещениях путем создания заградительного шума. При этом становится возможным нейтрализовать как непосредственное подслушивание в условиях плохой звукоизоляции помещения, так и подслушивание, осуществляемое с помощью специальных технических средств: микрофонов, установленных в полостяхе снт , в надпотолочном пространстве, вентиляционных коробах и т.п.; стетоскопов, установленных в стенах, потолках или полах, а также в трубах водо- (тепло-, и газо-) снабжения и т.п.; лазерных и микроволновых систем съема аудиоинформации с окон и элементов интерьера.

Одним из эффективных применений пьезоизлучателей звука является создание звуковых индикаторов, предназначенных для повышения безопасности вождения автомобилей, особенно в ночное время. Такие устройства препятствуют засыпанию водителя во время движения. Благодаря специальной конструкции их можно закреплять за ухом, так что при глубоком наклоне головы (в момент засыпания) они включатся, генерируя громкий сигнал, который мгновенно будит водителя.

Пьезоизлучатели ультразвука получили большое распространение, прежде всего, благодаря особенностям воздействия ультразвука на различные вещества. В частности, пьезкерамические преобразователи играют роль активных элементов в ультразвуковой (УЗ) аппаратуре, предназначенной для обработки жидких и жидкодисперсных сред (рис. 1.15). При этом под действием ультразвука в этих средах интенсифицируются процессы диспергирования, экстракции, растворения, кристаллизации, очистки, гомогенизирования и др. Разновидностью такой аппаратуры, используемой в быту, являются ультразвуковые стиральные машины.

Ультразвуковые колебательные системы на основе пьезокерамических преобразователей для воздействия на жидкие среды

Рис. 1.15. Ультразвуковые колебательные системы на основе пьезокерамических преобразователей для воздействия на жидкие среды

Подобного рода ультразвуковая аппаратура широко используется для мелкодисперсного распыления жидкостей, например, при сушке кофе, молока, молочных продуктов, растительных лекарственных препаратов, полировальных составов в электронной промышленности.

Важная область применения ультразвуковых пьезоизлучателей – медицина.

В терапии используются разнообразные аппараты, действие которых основано на явлениях, возникающих в биологических тканях при прохождении через них ультразвуковых волн, а именно: локальный нагрев тканей в результате поглощения ультразвука, эффекты физикохимического характера, инициированные ультразвуком, и т.п. (рис. 1.16).

Рабочие наконечник иблока ультразвуковой терапии

Рис. 1.16. Рабочие наконечники блока ультразвуковой терапии

В хирургии используются непосредственный контакт ультразвукового излучателя с тканью, а также воздействие на ткани фокусированным ультразвуком, что особенно эффективно для создания локальных разрушений в тканях организма.

В стоматологической практике получили распространение ультразвуковые инструменты для механической обработки поверхностей зубов.

Ультрозвуковая аппаратура применяется для приготовления экстрактов из растительного сырья, приготовления кремов, мазей и других лекарственных препаратов.

Одним из хорошо известных применений ультразвуковых пьезоизлучателей является создание устройств отпугивания грызунов и насекомых, которые не переносят действие ультразвуковых колебаний и покидают места своего обитания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *