pe 2024/07/26 642

Explorarea materialelor piezoelectrice: tipuri, proprietăți și impact tehnologic

De -a lungul anilor, progresele în știința materialelor au creat diferite materiale piezoelectrice, cum ar fi cristale unice, ceramică și filme subțiri.Acest articol aruncă o privire atentă asupra materialelor piezoelectrice, inclusiv proprietățile, tipurile lor, modul în care funcționează și utilizările lor.Acesta evidențiază importanța lor în legarea ingineriei mecanice și electrice, determinarea inovației în multe domenii.

Catalog

Figura 1: Material piezoelectric

Ce este piezo?

Cuvântul „piezo” provine din cuvântul grecesc „piezein”, înseamnă „a apăsa” sau „presiune”.Acest lucru se potrivește bine cu utilizarea sa în știință pentru piezoelectricitate.În 1880, fizicienii francezi Jacques și Pierre Curie au descoperit piezoelectricitate.Ei au descoperit că atunci când au fost apăsate anumite cristale precum turmalina, cuarțul, topaz -ul și sarea de rochelle, au produs o sarcină electrică.De asemenea, au văzut că aceste cristale ar putea schimba forma atunci când s -a aplicat un curent electric care arată că procesul ar putea funcționa în ambele sensuri.

Această descoperire a dus la crearea diferitelor dispozitive piezoelectrice.În timpul Primului Război Mondial, piezoelectricitatea a fost folosită în principal în detectoarele cu submarine cu ultrasunete.Astăzi, materialele piezoelectrice sunt utilizate în multe lucruri.Se găsesc în articole de zi cu zi, cum ar fi brichete electrice și imprimante cu jet de cerneală, precum și în tehnologii avansate, cum ar fi imagistica cu ultrasunete medicale și controlul mișcării de precizie în robotică.

Tipuri de materiale piezoelectrice

Figura 2: Exemple de materiale piezoelectrice

Materiale piezoelectrice cu un singur cristal

Materialele piezoelectrice cu un singur cristal sunt caracterizate prin rețeaua lor continuă și uniformă de cristal, fără granițe.Această structură uniformă duce adesea la o mai bună eficiență de cuplare electromecanică în comparație cu alte materiale piezoelectrice.Exemple de astfel de materiale includ cuarț și langasit.Aceste cristale unice sunt produse folosind metode de creștere precise precum procesul Czochralski sau sinteza hidrotermică.Performanța lor excepțională le face perfecte pentru aplicații precise precum sisteme avansate de imagini medicale, rezonatori și filtre de telecomunicații și monitorizarea vibrațiilor în aerospațial.

Figura 3: Material de cuarț cu cristal piezo

Materiale piezoelectrice ceramice

Ceramica piezoelectrică sunt fabricate din materiale structurate perovskite precum Titanat de zirconat de plumb (PZT).Aceste materiale sunt policristaline și sunt create prin sinterizarea substanțelor pudră.Proprietățile lor piezoelectrice sunt dezvoltate printr -un proces de poling și aliniază dipolii electrici prin aplicarea unui câmp electric extern.Aceste ceramice pot fi ușor modelate în diferite forme și dimensiuni.Durabilitatea și rentabilitatea lor le fac populare pentru utilizare în actuatoare, senzori, traductoare cu ultrasunete și buzunare electronice pentru consumatori.

Figura 4: Structura ceramicii piezoelectrice de tip PZT

Materiale piezoelectrice cu film subțire

Piezoelectricii cu peliculă subțire se realizează prin depunerea straturilor care variază de la câțiva nanometri la mai multe micrometri în grosime folosind tehnici avansate de fabricație, cum ar fi sputtering, depunerea de vapori chimici sau depunerea pulsată laser.Materialele obișnuite utilizate în pelicule subțiri includ PZT, oxid de zinc (ZnO) și nitrură de aluminiu (ALN).Subțire a acestor filme le permite să fie integrate în sisteme microelectromecanice (MEMS) și sisteme nanoelectromecanice (NEMS), îmbunătățindu -și funcționalitatea în dispozitive compacte, cum ar fi microfoane, micro -comutatoare și tablouri avansate de senzori.Compatibilitatea lor cu procesele semiconductoare standard și scalabilitatea le face potrivite pentru circuite integrate și electronice flexibile.

Figura 5: Filme subțiri piezoelectrice Aln

Figura 6: Elemente piezo în vrac

Alegerea dintre materialele piezoelectrice cu film subțire și în vrac depinde de nevoile specifice ale aplicației pentru precizie, putere și durabilitate.Materialele piezo cu film subțire sunt potrivite în tehnologii la scară mică.În schimb, materialele piezo-uri în vrac sunt preferate în aplicații mai solicitante, la scară mai mare.Tabelul de mai jos compară materialele piezo cu film subțire și materialele piezo în vrac bazate pe grosimea, tehnicile de fabricație, caracteristicile cheie și aplicațiile.

Categorie	Materiale piezo cu film subțire	Materiale piezo în vrac
Grosime	Câțiva nanometri la mai multe micrometri	Câțiva milimetri până la centimetri
Tehnici de fabricație	Sputtering, depunere cu laser pulsat, Depunerea de vapori chimici	Apăsare, extrudare, prelucrare
Caracteristici	Răspuns de înaltă frecvență: răspuns rapid ori	Generarea de mare putere: produce putere sub stres mecanic
	Flexibilitate: aplicabilă flexibilului suprafețe	Durabilitate: puternic și durabil, potrivit pentru încărcături grele și condiții dure
	Precizie: control precis pe un nivel microscopic	Versatilitate: cu ușurință și dimensionată nevoi specifice
Aplicații	Microelectronică și MEMS: Accelerometre, giroscopuri, capete de imprimantă cu jet de cerneală	Recoltarea energiei: convertește mecanic Stresul de la vibrații în energie electrică
	Dispozitive medicale: traductoare cu ultrasunete pentru imagistică și terapie	Actuatoare și senzori: acțiuni mari în Industrii auto și aerospațiale, senzori cu sarcină mare
	Telecomunicații: filtre și rezonatori în telefoane mobile și dispozitive de comunicare	Sonar și dispozitive cu ultrasunete: Sonar Sisteme de utilizare navală, curățători cu ultrasunete industriale

PZT cu film subțire și metode de depunere

Materialele de titanat de zirconat cu filmul subțire (PZT) cu plumb cu filme subțiri sunt utilizate în senzori, actuatoare și sisteme microelectromecanice (MEMS) din cauza proprietăților lor piezoelectrice mari.Compoziția și eficacitatea filmelor subțiri PZT depind foarte mult de metodele lor de depunere care pot afecta structura, orientarea și performanța piezoelectrică.Cele trei tehnici principale de depunere: Sol-Gel, Sputtering și Depunerea de vapori chimici organici metalici (MOCVD).

Figura 7: PZT cu film subțire flexibil

Procesul Sol-Gel

Procesul Sol-Gel este un mod rentabil de a depune filme subțiri PZT și de a permite controlul asupra compoziției filmului la nivel molecular.Această tehnică începe cu pregătirea unei soluții coloidale (SOL) care se transformă într -un gel.Etapele importante includ hidrolizarea și polimerizarea alcoxizilor metalici.Gelul rezultat este aplicat pe un substrat folosind acoperire de rotire sau acoperire cu dip, urmată de tratamentul termic pentru a îndepărta componentele organice și a cristaliza faza PZT.

Figura 8: Procesul Sol-Gel pentru filmele subțiri PZT

Avantaje

• Permite controlul fin asupra stoechiometriei, îmbunătățind proprietățile piezoelectrice

• Utilizează temperaturi mai scăzute în comparație cu alte metode

Provocări

• Este greu să obții o grosime și compoziție constantă pe zone mari

• O contracție ridicată în timpul uscării și trasării provoacă adesea fisuri

Sputtering

Sputtering-ul este o tehnică de depunere de vapori fizici (PVD) în care particulele cu energie mare elimină materialul de pe o țintă, apoi depune pe un substrat.Pentru filmele PZT, se utilizează sputtering de magnetron RF care implică o plasmă de ioni argon care lovesc ținta PZT.

Figura 9: Metoda depunerii sputterului de depunere a filmului subțire

Avantaje

• produce filme cu aderență și densitate bună

• Potrivit pentru acoperirea substraturilor mari

Provocări

• Stresul se poate acumula în filmele care afectează proprietățile lor

• Compoziția țintei se poate schimba în timpul sputteringului din cauza randamentelor de sputtering diferențiale

Depunerea metalică a vaporilor chimici organici (MOCVD)

MOCVD implică descompunerea precurgătorilor metal-organici într-o fază de vapori și reacționează sau se descompun pe un substrat încălzit pentru a forma o peliculă subțire.Această metodă este preferată pentru producerea de filme bine cristalizate, potrivite pentru aplicații electronice.

Avantaje

• Oferă uniformitate și conformitate excelentă chiar și pe substraturi în formă de complex

• Bun pentru producția cu volum mare

Provocări

• Necesită temperaturi mai ridicate decât alte metode

• Manevrarea și depozitarea precursoarelor metalice-organice poate fi periculoasă

Figura 10: Depunerea de vapori chimici organici metalici

Cum acționează materialele sub stres

Comportament sub compresie

Când materialele precum cuarțul sau titanul de bariu sunt stoarse, acestea se schimbă în moduri care afectează utilizarea lor în diverse dispozitive.Aceste materiale au structuri speciale care creează sarcini electrice atunci când sunt presate.Pe măsură ce sunt comprimate, se micșorează și structura lor internă se schimbă.

Această stoarce face ca sarcinile electrice să fie distribuite în mod inegal.Presiunea se deplasează ioni în structura cristalului, creând un câmp electric.Acest lucru se întâmplă deoarece centrele de încărcare pozitive și negative din schimbarea materială.Cantitatea de răspuns electric depinde de tipul de cristal, de forța aplicată și de direcția cristalului în raport cu forța.

De exemplu, în senzori, tensiunea produsă de cristale poate măsura forța aplicată, ceea ce le face perfecte pentru detectarea presiunii și monitorizarea sarcinilor.În actuatoare, aplicarea unui câmp electric poate face ca schimbarea cristalului să se formeze, permițând controlul precis al mișcărilor în lucruri precum dispozitivele cu ultrasunete și injectoarele de combustibil auto.

Figura 11: Materiale piezoelectrice funcționează

Răspuns piezoelectric la presiune

Când materialele piezoelectrice se confruntă cu presiunea mecanică, moleculele lor se realiniază, afectând proprietățile lor electrice.Forța schimbă structura moleculară, alinând regiunile cu o direcție electrică uniformă, crește polarizarea electrică.

Această aliniere sporește separarea sarcinii în material, îmbunătățindu -și polarizarea electrică.În termeni simpli, presiunea face ca dipolii (molecule cu două sarcini opuse) să fie mai uniforme, creând un câmp electric mai puternic pentru o forță dată.

Capacitatea de a controla acest răspuns cu exactitate sub presiuni diferite face ca materialele piezoelectrice să fie foarte utile în multe tehnologii.Capacitatea lor de a converti presiunea mecanică în semnale electrice și invers le permite utilizarea eficientă în sarcini precum generarea de frecvențe electronice precise și monitorizarea vibrațiilor în setările industriale.

Efectul piezoelectric

Figura 12: Efectul piezoelectric

Transformarea energiei mecanice în energie electrică cu efectul piezoelectric

Efectul piezoelectric schimbă energia mecanică în energia electrică prin deformarea anumitor materiale de cristal.Aceste materiale, cunoscute sub numele de piezoelectrice includ substanțe naturale precum cuarțul și cele sintetice precum ceramica avansată.

Când un material piezoelectric se confruntă cu stres mecanic, cum ar fi stors, răsucit sau îndoit, structura cristalului său, nu are o simetrie centrală și este deranjat.Această perturbare schimbă centrele de încărcare din cristal, provocând polarizarea și crearea unui potențial electric în anumite puncte din material.

Puncte cheie ale acestui proces:

Sarcina electrică produsă se potrivește cu cantitatea de tensiune mecanică aplicată.Aceasta înseamnă că ieșirea electrică poate fi controlată cu exactitate pe baza forței cunoscute aplicate;

Când forța este eliminată, materialul revine la starea inițială și încărcarea electrică dispare.Acest lucru asigură durabilitatea și fiabilitatea materialului pentru dispozitivele care trebuie să funcționeze bine în mod repetat.

Transformarea energiei electrice în energie mecanică cu efectul piezoelectric invers

Efectul piezoelectric invers schimbă energia electrică din nou în energie mecanică.Aplicarea unei tensiuni electrice pe un material piezoelectric creează un câmp electric care schimbă structura de zăbrele de cristal, modificând dimensiunile materialului.

Acest efect este utilizat în actuatoarele de precizie în instrumente optice și sisteme de micro-poziționare.Efectul piezoelectric invers asigură că micile intrări electrice au ca rezultat ajustări mecanice precise, controlate, ajutând progrese în robotică, tehnologie auto, instrumente medicale și telecomunicații.

Abilitatea dublă a efectului piezoelectric de a acționa atât ca un traductor mecanic-electric și electric-mecanic, susțin avansările tehnologice.Conectează domeniile mecanice și electrice, extinzând inginerie modernă și inovație.

Figura 13: efect piezoelectric direct și invers

Compararea materialelor non-pizoelectrice și piezoelectrice

Materialele non-piezoelectrice și piezoelectrice sunt diferite în modul în care gestionează energia mecanică și electrică.Materialele non-piezoelectrice precum oțelul și aluminiul pot efectua electricitate, dar nu creează o încărcare electrică atunci când sunt stresate.Materialele piezoelectrice, cum ar fi cuarțul și anumite ceramice, pot schimba energia mecanică în energie electrică din cauza structurii lor speciale de cristal.

Materialele non-piezoelectrice au rețele simetrice de cristal, astfel încât acestea nu produc un dipol electric atunci când sunt stresate.Materialele piezoelectrice au rețele de cristal asimetrice, care le permite să genereze o sarcină electrică atunci când sunt sub stres.Această deformare provoacă polarizarea internă și crearea potențialului electric.

Materialele non-piezoelectrice se comportă ca conductori obișnuiți sau izolatori pe baza mobilității electronilor și a structurii benzii și nu creează o încărcare electrică atunci când sunt deformate.Materialele piezoelectrice prezintă două efecte: efectul piezoelectric direct, unde tensiunea mecanică generează o sarcină electrică și efectul piezoelectric invers, unde un câmp electric provoacă deformare mecanică.Aceste caracteristici fac materialele piezoelectrice adecvate pentru utilizare în senzori și actuatoare.

Datorită diferitelor proprietăți, materialele non-piezoelectrice și piezoelectrice sunt utilizate în diferite aplicații.Materialele non-piezoelectrice sunt utilizate în componente structurale, cabluri electrice și piese electronice standard, unde rezistența și conductivitatea sunt importante.Materialele piezoelectrice sunt utilizate în câmpuri care necesită control precis și conversie mecanică-electrică a energiei, cum ar fi echipamente cu ultrasunete, dispozitive de poziționare de precizie și diverși senzori și actuatoare bune pentru tehnologii avansate.

Aplicații de piezoelectricitate

Electronica de consum: în smartphone -uri și alte dispozitive, piesele piezoelectrice sunt utilizate în boxe și microfoane.Acestea transformă semnalele electrice în vibrații sonore sau vibrații sonore în semnale electrice pentru intrare audio.

Industria auto: mașinile moderne folosesc senzori piezoelectrici în mai multe scopuri, cum ar fi controlul injecției de combustibil la motoare și monitorizarea presiunii anvelopelor.

Monitorizarea mediului: senzorii piezoelectrici detectează modificări de presiune, vibrații și sunete.Sunt utilizate pentru verificarea condițiilor de mediu și pentru asigurarea siguranței clădirilor și a podurilor.

Recoltarea energiei: Materialele piezoelectrice pot capta energie din stresul mecanic.De exemplu, podelele care transformă pașii în energie electrică pot alimenta luminile și electronica în zonele aglomerate, contribuind la crearea unor medii durabile.

Brichete piezoelectrice de înaltă tensiune: aceste brichete utilizate pentru iluminarea sobelor de gaz și grătar și creează o tensiune înaltă dintr-un clic mecanic mic, producând o scânteie pentru a aprinde arzătorul.Aceasta arată utilizarea practică a materialelor piezoelectrice.

Imagini medicale: cristalele piezoelectrice sunt utile în mașinile cu ultrasunete.Acestea produc unde sonore care resping țesuturile și organele, creând imagini pentru diagnostic.

Actuatoarele de precizie în instrumente științifice: Materialele piezoelectrice în actuatoarele de precizie creează mișcări minuscule pentru optică și nanotehnologie.Aceste actuatoare ajustează oglinzile, lentilele și alte părți cu precizie microscopică pentru cercetarea științifică și fabricarea semiconductorilor.

Concluzie

Studierea materialelor piezoelectrice arată o legătură puternică între fizică și inginerie, demonstrând modul în care proprietățile lor naturale pot fi utilizate în mai multe scopuri tehnologice.Versatilitatea materialelor piezoelectrice disponibile atât ca materiale în vrac puternice, cât și ca pelicule subțiri flexibile, le face potrivite pentru diverse aplicații, cum ar fi recoltarea de energie, monitorizarea mediului și dezvoltarea tehnologiilor durabile.Pe măsură ce inovația continuă, cercetarea și dezvoltarea materialelor piezoelectrice sunt mai importante, îmbunătățiri promițătoare ale eficienței, preciziei și funcționalității pentru tehnologiile viitoare.

Întrebări frecvente [FAQ]

1. Ce face ca energia electrică să fie produsă din efect piezoelectric?

Efectul piezoelectric apare atunci când anumite materiale produc o sarcină electrică ca răspuns la stresul mecanic.Aceste materiale, un cristale precum cuarțul, ceramica precum titanatul de bariu și unii polimeri, au o structură de zăpadă de cristal care nu este centrozimetrică, ceea ce înseamnă că îi lipsește un centru de simetrie.Când se aplică forța mecanică, cum ar fi presiunea sau vibrațiile, această structură devine distorsionată.Această distorsiune deplasează ionii din rețea, creând zone cu sarcini pozitive și negative.Separarea spațială a acestor sarcini are ca rezultat o electricitate electrică care generează potențial.Acest efect este reversibil, iar aplicarea unui câmp electric la aceste materiale va induce, de asemenea, tensiune mecanică.

2. Ce dispozitiv folosește efectul piezoelectric?

Dispozitivele care utilizează efectul piezoelectric sunt variate și includ atât echipamente de zi cu zi, cât și specializate.Aplicațiile comune sunt:

Ceasuri de cuarț: Utilizarea vibrațiilor obișnuite ale cuarțului sub un câmp electric pentru a menține timpul exact.

Dispozitive cu ultrasunete medicale: generarea de unde sonore care răsună în interiorul corpului pentru a crea imagini de diagnostic.

Injectoare de combustibil în mașini: Utilizarea actuatoarelor piezoelectrice pentru a controla calendarul și cantitatea de combustibil injectat în buteliile motorului.

Senzorii și accelerometrele piezoelectrice: măsurarea modificărilor în presiune, accelerație, tulpină sau forță prin transformarea lor într -un semnal electric.

3. Câte volți este un piezo?

Ieșirea de tensiune a unui element piezoelectric poate varia foarte mult în funcție de dimensiunea, materialul și cantitatea de stres mecanic aplicat.Un element piezo mic precum cele găsite în brichete sau dispozitive electronice poate produce un vârf de tensiune, de la câțiva volți la câteva sute de volți.Cu toate acestea, aceste rezultate sunt, în general, la curenți foarte mici și durează doar microsecunde.

4. Are nevoie de un piezo de un rezistor?

În multe aplicații, un rezistor este utilizat cu un element piezoelectric pentru a limita curentul și a proteja alte componente din circuit de vârful de înaltă tensiune produs atunci când piezo este activat.Valoarea rezistenței depinde de cerințele specifice ale circuitului, inclusiv timpul de răspuns dorit și sensibilitatea.Fără un rezistor, piezo poate deteriora potențial componentele electronice conectate din cauza vârfului de tensiune inițial ridicat.

5. Cum este legat piezoelectric cu puterea umană?

Efectul piezoelectric se aplică direct pentru valorificarea puterii umane în moduri inovatoare.Poate converti energia mecanică din activități umane, cum ar fi mersul pe jos sau apăsarea butoanelor, în energie electrică.Această tehnologie este explorată în diverse aplicații:

Placi de podea de recoltare a energiei: aceste plăci generează energie electrică din presiunea piciorului în zone aglomerate, cum ar fi stații de metrou sau mall-uri.

Tehnologie purtabilă: încorporarea materialelor piezoelectrice în încălțăminte sau îmbrăcăminte pentru a genera energie pentru dispozitive mici prin mișcări normale ale corpului.

Implanturi medicale: utilizarea mișcărilor corpului către dispozitive de alimentare, cum ar fi stimulatoarele cardiace, reducerea sau eliminarea nevoii de baterii externe.