Udforskning af piezoelektriske materialer: Typer, egenskaber og teknologisk påvirkning

I årenes løb har fremskridt inden for materialevidenskab skabt forskellige piezoelektriske materialer såsom enkeltkrystaller, keramik og tynde film.Denne artikel kigger nærmere på piezoelektriske materialer inklusive deres egenskaber, typer, hvordan de fungerer og deres anvendelser.Det fremhæver deres betydning for at forbinde mekanisk og elektroteknik og drive innovation på mange områder.

Katalog

Figur 1: Piezoelektrisk materiale

Hvad er Piezo?

Ordet "piezo" kommer fra det græske ord "piezein" betyder "at presse" eller "pres."Dette passer godt til dets anvendelse i videnskab til piezoelektricitet.I 1880 opdagede franske fysikere Jacques og Pierre Curie piezoelektricitet.De fandt, at når visse krystaller som Tourmaline, Quartz, Topaz og Rochelle Salt, blev presset, producerede de en elektrisk ladning.De så også, at disse krystaller kunne ændre form, når en elektrisk strøm blev påført, der viser, at processen kunne fungere begge veje.

Denne opdagelse førte til oprettelsen af ​​forskellige piezoelektriske enheder.Under første verdenskrig blev piezoelektricitet hovedsageligt brugt i ultralydsubåddetektorer.I dag bruges piezoelektriske materialer i mange ting.De findes i hverdagens genstande som elektriske cigaretlysere og inkjetprintere såvel som i avancerede teknologier som medicinsk ultralydafbildning og præcisionsbevægelseskontrol i robotik.

Typer af piezoelektriske materialer

Figur 2: Eksempler på piezoelektriske materialer

Enkelt krystal piezoelektrisk materiale

Enkelt krystalpiezoelektriske materialer er kendetegnet ved deres kontinuerlige og ensartede krystalgitter, fri for korngrænser.Denne ensartede struktur fører ofte til bedre elektromekanisk koblingseffektivitet sammenlignet med andre piezoelektriske materialer.Eksempler på sådanne materialer inkluderer kvarts og langasit.Disse enkeltkrystaller produceres ved anvendelse af præcise vækstmetoder som Czochralski -processen eller hydrotermisk syntese.Deres ekstraordinære ydelse gør dem perfekte til præcise applikationer som avancerede medicinske billeddannelsessystemer, telekommunikationsresonatorer og filtre og vibrationsovervågning i rumfart.

Figur 3: Piezo Crystal Quartz -materiale

Keramiske piezoelektriske materialer

Piezoelektrisk keramik er fremstillet af perovskitstrukturerede materialer som blyzirconattitanat (PZT).Disse materialer er polykrystallinske og skabes af sintrende pulveriserede stoffer.Deres piezoelektriske egenskaber udvikles gennem en poleringsproces og justerer de elektriske dipoler ved at anvende et eksternt elektrisk felt.Disse keramik kan let formes til forskellige former og størrelser.Deres holdbarhed og omkostningseffektivitet gør dem populære til brug i aktuatorer, sensorer, ultralydstransducere og forbrugerelektroniske summere.

Figur 4: Struktur af PZT -type piezoelektrisk keramik

Tynd film piezoelektriske materialer

Tynd film piezoelektrik er lavet ved at afsætte lag, der spænder fra et par nanometre til flere mikrometer i tykkelse ved hjælp af avancerede fabrikationsteknikker som sputtering, kemisk dampaflejring eller pulseret laseraflejring.Almindelige materialer, der bruges i tynde film, inkluderer PZT, zinkoxid (ZnO) og aluminiumsnitrid (ALN).Tyndheden af ​​disse film giver dem mulighed for at blive integreret i mikroelektromekaniske systemer (MEMS) og nanoelektromekaniske systemer (NEMS), hvilket forbedrer deres funktionalitet i kompakte enheder såsom mikrofoner, mikroswitches og avancerede sensorarrays.Deres kompatibilitet med standard halvlederprocesser og skalerbarhed gør dem velegnede til integrerede kredsløb og fleksibel elektronik.

Figur 5: Aln Piezoelektriske tynde film

Figur 6: Bulk piezo -elementer

Valg af tyndfilm og bulk piezoelektriske materialer afhænger af applikationens specifikke behov for præcision, kraft og holdbarhed.Tyndfilm piezo-materialer er velegnet til småskala teknologier.I modsætning hertil foretrækkes bulk-piezo-materialer i mere krævende, større applikationer.Tabellen nedenfor sammenligner tyndfilm piezo-materialer og bulk piezo-materialer baseret på deres tykkelse, fremstillingsteknikker, nøglefunktioner og applikationer.

Kategori	Tyndfilm piezo-materialer	Bulk piezo -materialer
Tykkelse	Et par nanometer til flere mikrometer	Flere millimeter til centimeter
Fremstillingsteknikker	Sputtering, pulserende laseraflejring, Kemisk dampaflejring	Tryk, ekstrudering, bearbejdning
Funktioner	Højfrekvent respons: Hurtigt svar gange	Høj kraftproduktion: producerer magt under mekanisk stress
	Fleksibilitet: Gælder for fleksibel overflader	Holdbarhed: stærk og holdbar, egnet For tunge belastninger og barske forhold
	Præcision: præcis kontrol på en Mikroskopisk niveau	Alsidighed: let formet og størrelse til specifikke behov
Applikationer	Mikroelektronik og MEMS: Accelerometre, gyroskoper, inkjetprinterhoveder	Energihøstning: Konverterer mekanisk Stress fra vibrationer til elektrisk energi
	Medicinsk udstyr: Ultralydstransducere Til billeddannelse og terapi	Aktuatorer og sensorer: store aktuatorer i Automotive- og Aerospace Industries, sensorer med høj belastning
	Telekommunikation: filtre og Resonatorer i mobiltelefoner og kommunikationsenheder	Sonar og ultralydsenheder: Sonar Systemer til flådebrug, industrielle ultralydsrensere

Tyndfilm PZT og deponeringsmetoder

Tyndfilm blyzirconat titanat (PZT) materialer bruges i sensorer, aktuatorer og mikroelektromekaniske systemer (MEMS) på grund af deres store piezoelektriske egenskaber.Sammensætningen og effektiviteten af ​​PZT -tynde film afhænger meget af deres deponeringsmetoder, der kan påvirke deres struktur, orientering og piezoelektrisk ydeevne.De tre hovedaflejringsteknikker: sol-gel, sputtering og organisk kemisk dampaflejring af metal (MOCVD).

Figur 7: Fleksibel tyndfilm PZT

Sol-gel-proces

Sol-gel-processen er en omkostningseffektiv måde at deponere PZT-tynde film og tillade kontrol over filmsammensætning på molekylært niveau.Denne teknik starter med at forberede en kolloidal opløsning (SOL), der bliver til en gel.Vigtige trin inkluderer hydrolysering og polymeriserende metalalkoxider.Den resulterende gel påføres på et substrat ved hjælp af spinbelægning eller dipbelægning, efterfulgt af varmebehandling for at fjerne organiske komponenter og krystallisere PZT-fasen.

Figur 8: Sol-gel-proces til PZT-tynde film

Fordele

• Tillader fin kontrol over støkiometri, forbedring af piezoelektriske egenskaber

• Bruger lavere temperaturer sammenlignet med andre metoder

Udfordringer

• Det er svært at få ensartet tykkelse og sammensætning på tværs af store områder

• Høj krympning under tørring og fyring forårsager ofte revner

Sputtering

Sputtering er en fysisk dampaflejring (PVD) -teknik, hvor højenergipartikler slår materiale fra et mål, der derefter aflejres på et underlag.Til PZT -film bruges RF -magnetron -sputtering, der involverer et plasma af argonioner, der rammer PZT -målet.

Figur 9: Sputteraflejringsmetode til tyndfilmaflejring

Fordele

• producerer film med god vedhæftning og densitet

• Velegnet til belægning af store underlag ensartet

Udfordringer

• Stress kan opbygge i filmene, der påvirker deres egenskaber

• Målets sammensætning kan ændre sig under sputtering på grund af differentielle sputteringudbytter

Metal organisk kemisk dampaflejring (MOCVD)

MOCVD involverer nedbrydning af metalorganiske forløbere i en dampfase og reagerer eller nedbrydes på et opvarmet underlag for at danne en tynd film.Denne metode foretrækkes til at producere vel-krystalliserede film, der er egnede til elektroniske applikationer.

Fordele

• Giver fremragende filmuniformitet og overensstemmelse selv på komplekse formede underlag

• God til produktion med høj volumen

Udfordringer

• Kræver højere temperaturer end andre metoder

• Håndtering og opbevaring af metalorganiske forløbere kan være farlige

Figur 10: Organisk kemisk dampaflejring

Hvordan materialer handler under stress

Adfærd under komprimering

Når materialer som kvarts eller bariumtitanat presses, ændres de på måder, der påvirker deres anvendelse på forskellige enheder.Disse materialer har specielle strukturer, der skaber elektriske ladninger, når de presses.Når de er komprimeret, krymper de, og deres interne struktur ændres.

Denne klemme får de elektriske ladninger inde i krystallen til at blive ujævnt fordelt.Trykket bevæger ioner i krystalens struktur og skaber et elektrisk felt.Dette sker, fordi de positive og negative ladningscentre i materialeskiftet.Mængden af ​​elektrisk respons afhænger af typen af ​​krystal, kraften påført og krystalens retning i forhold til kraften.

For eksempel i sensorer kan spændingen produceret af krystallerne måle den anvendte kraft, hvilket gør dem perfekte til at detektere tryk og overvåge belastninger.I aktuatorer kan anvendelse af et elektrisk felt gøre krystalændringsformen, hvilket tillader præcis kontrol af bevægelser i ting som ultralydsanordninger og bilbrændstofinjektorer.

Figur 11: Piezoelektriske materialer fungerer

Piezoelektrisk respons på pres

Når piezoelektriske materialer står over for mekanisk tryk, tilpasser deres molekyler sig, hvilket påvirker deres elektriske egenskaber.Kraften ændrer molekylstrukturen, justering af regioner med ensartet elektrisk retning, øger elektrisk polarisering.

Denne justering øger ladningsseparationen i materialet og forbedrer dens elektriske polarisering.Enkelt sagt gør trykket dipolerne (molekyler med to modsatte ladninger) mere ensartede, hvilket skaber et stærkere elektrisk felt for en given kraft.

Evnen til at kontrollere dette svar nøjagtigt under forskellige tryk gør piezoelektriske materialer meget nyttige i mange teknologier.Deres evne til at konvertere mekanisk pres til elektriske signaler og omvendt tillader dem at blive brugt effektivt i opgaver som at generere nøjagtige elektroniske frekvenser og overvågning af vibrationer i industrielle omgivelser.

Den piezoelektriske effekt

Figur 12: Den piezoelektriske effekt

At omdanne mekanisk energi til elektrisk energi med den piezoelektriske effekt

Den piezoelektriske effekt ændrer mekanisk energi til elektrisk energi ved at deformere visse krystalmaterialer.Disse materialer, kendt som Piezoelectrics, inkluderer naturlige stoffer som kvarts og syntetiske, som avanceret keramik.

Når et piezoelektrisk materiale står over for mekanisk stress, såsom at blive presset, snoet eller bøjet, har dens krystalstruktur ikke en central symmetri og bliver forstyrret.Denne forstyrrelse skifter ladningscentre i krystalen, der forårsager polarisering og skaber et elektrisk potentiale på visse punkter i materialet.

Nøglepunkter for denne proces:

Den producerede elektriske ladning matcher mængden af ​​påført mekanisk stress.Dette betyder, at den elektriske output kan kontrolleres nøjagtigt baseret på den kendte kraft påført;

Når kraften fjernes, vender materialet tilbage til sin oprindelige tilstand, og den elektriske ladning forsvinder.Dette sikrer materialets holdbarhed og pålidelighed, der er godt for enheder, der skal fungere godt gentagne gange.

At omdanne elektrisk energi til mekanisk energi med den omvendte piezoelektriske effekt

Den omvendte piezoelektriske effekt ændrer elektrisk energi tilbage til mekanisk energi.Påføring af en elektrisk spænding på et piezoelektrisk materiale skaber et elektrisk felt, der ændrer krystalgitterstrukturen og ændrer materialets dimensioner.

Denne effekt bruges i præcisionsaktuatorer i optiske instrumenter og mikro-positioneringssystemer.Den omvendte piezoelektriske effekt sikrer, at små elektriske input resulterer i præcise, kontrollerede mekaniske justeringer, hvilket hjælper fremskridt inden for robotik, bilteknologi, medicinske instrumenter og telekommunikation.

Den dobbelte evne af den piezoelektriske effekt til at fungere som både en mekanisk-til-elektrisk og elektrisk-til-mekanisk transducer understøtter teknologiske fremskridt.Det forbinder de mekaniske og elektriske domæner og udvider moderne teknik og innovation.

Figur 13: Direkte og omvendt piezoelektrisk effekt

Sammenligning af ikke-piezoelektriske og piezoelektriske materialer

Ikke-piezoelektriske og piezoelektriske materialer er forskellige i, hvordan de håndterer mekanisk og elektrisk energi.Ikke-piezoelektriske materialer som stål og aluminium kan udføre elektricitet, men skaber ikke en elektrisk ladning, når den stresses.Piezoelektriske materialer, såsom kvarts og visse keramik, kan ændre mekanisk energi til elektrisk energi på grund af deres specielle krystalstruktur.

Ikke-piezoelektriske materialer har symmetriske krystalgitter, så de producerer ikke en elektrisk dipol, når de er stresset.Piezoelektriske materialer har asymmetriske krystalgitter, der giver dem mulighed for at generere en elektrisk ladning, når de er under stress.Denne deformation forårsager intern polarisering og skaber elektrisk potentiale.

Ikke-piezoelektriske materialer opfører sig som regelmæssige ledere eller isolatorer baseret på deres elektronmobilitet og båndstruktur, og de opretter ikke en elektrisk ladning, når de er deformeret.Piezoelektriske materialer udviser to effekter: den direkte piezoelektriske effekt, hvor mekanisk stress genererer en elektrisk ladning, og den inverse piezoelektriske virkning, hvor et elektrisk felt forårsager mekanisk deformation.Disse egenskaber fremstiller piezoelektriske materialer, der er egnede til brug i sensorer og aktuatorer.

På grund af deres forskellige egenskaber bruges ikke-piezoelektriske og piezoelektriske materialer i forskellige anvendelser.Ikke-piezoelektriske materialer bruges i strukturelle komponenter, elektriske ledninger og standard elektroniske dele, hvor styrke og ledningsevne er vigtige.Piezoelektriske materialer bruges i felter, der kræver præcis kontrol og mekanisk-elektrisk energikonvertering, såsom ultralydsudstyr, præcisionspositioneringsenheder og forskellige sensorer og aktuatorer, der er gode til avancerede teknologier.

Anvendelser af piezoelektricitet

Forbrugerelektronik: I smartphones og andre enheder bruges piezoelektriske dele i højttalere og mikrofoner.De omdanner elektriske signaler til lydvibrationer eller lydvibrationer til elektriske signaler til lydindgang.

Bilindustri: Moderne biler bruger piezoelektriske sensorer til mange formål som at kontrollere brændstofinjektionen i motorer og overvåge dæktryk.

Miljøovervågning: Piezoelektriske sensorer detekterer trykændringer, vibrationer og lyde.De bruges til at kontrollere miljøforhold og sikre sikkerheden ved bygninger og broer.

Energihøstning: Piezoelektriske materialer kan fange energi fra mekanisk stress.F.eks. Kan gulve, der konverterer fodspor til elektrisk energi, tænde lys og elektronik i travle områder, hjælpe med at skabe bæredygtige miljøer.

Højspændingspiezoelektriske tændere: Disse tændere, der blev brugt til belysning af gasovne og grill og skaber en høj spænding fra et lille mekanisk klik, hvilket producerer en gnist for at tænde brænderen.Dette viser den praktiske anvendelse af piezoelektriske materialer.

Medicinsk billeddannelse: Piezoelektriske krystaller er nyttige i ultralydsmaskiner.De producerer lydbølger, der afviser væv og organer, hvilket skaber billeder til diagnose.

Præcisionsaktuatorer i videnskabelige instrumenter: piezoelektriske materialer i præcisionsaktuatorer skaber små bevægelser for optik og nanoteknologi.Disse aktuatorer justerer spejle, linser og andre dele med mikroskopisk nøjagtighed til videnskabelig forskning og fremstilling af halvleder.

Konklusion

At studere piezoelektriske materialer viser en stærk forbindelse mellem fysik og teknik, der demonstrerer, hvordan deres naturlige egenskaber kan bruges til mange teknologiske formål.Alsidigheden af ​​piezoelektriske materialer, der er tilgængelige som både stærke bulkmaterialer og fleksible tynde film, gør dem velegnede til forskellige anvendelser, såsom energihøstning, miljøovervågning og udvikling af bæredygtige teknologier.Efterhånden som innovation fortsætter, er forskning og udvikling i piezoelektriske materialer vigtigere, lovende forbedringer i effektivitet, præcision og funktionalitet for fremtidige teknologier.

Ofte stillede spørgsmål [FAQ]

1. Hvad får elektricitet til at produceres fra piezoelektrisk effekt?

Den piezoelektriske effekt opstår, når visse materialer producerer en elektrisk ladning som respons på mekanisk stress.Disse materialer, en krystaller som kvarts, keramik som bariumtitanat og nogle polymerer, har en krystalgitterstruktur, der er ikke-centrosymmetrisk, hvilket betyder, at det mangler et symmetricenter.Når der anvendes mekanisk kraft, såsom tryk eller vibration, bliver denne struktur forvrænget.Denne forvrængning fortrænger ionerne inden for gitteret og skaber områder med positive og negative afgifter.Den rumlige adskillelse af disse afgifter resulterer i et elektrisk potentiale, der genererer elektricitet.Denne effekt er reversibel, og at anvende et elektrisk felt på disse materialer vil også inducere mekanisk stress.

2. Hvilken enhed bruger den piezoelektriske effekt?

Enheder, der bruger den piezoelektriske effekt, er forskellige og inkluderer både hverdagslige og specialiserede udstyr.Almindelige applikationer er:

Kvartsure: Brug af de almindelige vibrationer af kvarts under et elektrisk felt for at holde tiden nøjagtigt.

Medicinske ultralydsenheder: Generering af lydbølger, der gentager sig inde i kroppen for at skabe diagnostiske billeder.

Brændstofinjektorer i biler: Brug af piezoelektriske aktuatorer til at kontrollere timingen og mængden af ​​brændstof, der indsprøjtes i motorcylindrene.

Piezoelektriske sensorer og accelerometre: måling af ændringer i tryk, acceleration, belastning eller kraft ved at omdanne dem til et elektrisk signal.

3. Hvor mange volt er en piezo?

Spændingsudgangen fra et piezoelektrisk element kan variere meget afhængigt af dets størrelse, materiale og mængden af ​​påført mekanisk stress.Et lille piezo -element som dem, der findes i tændere eller elektroniske enheder, kan producere en spændingspike, der spænder fra et par volt til flere hundrede volt.Imidlertid er disse output generelt ved meget lave strømme og sidste kun mikrosekunder.

4. Har en piezo brug for en modstand?

I mange anvendelser bruges en modstand med et piezoelektrisk element til at begrænse strømmen og beskytte andre komponenter i kredsløbet mod højspændingsspidsen produceret, når piezo er aktiveret.Værdien af ​​modstanden afhænger af de specifikke krav i kredsløbet inklusive den ønskede responstid og følsomhed.Uden en modstand kan piezo potentielt beskadige tilsluttede elektroniske komponenter på grund af den høje indledende spændingsspids.

5. Hvordan er piezoelektrisk relateret til menneskelig magt?

Den piezoelektriske effekt er direkte anvendelig til at udnytte menneskelig magt på innovative måder.Det kan konvertere mekanisk energi fra menneskelige aktiviteter, såsom gå- eller trykknapper, til elektrisk energi.Denne teknologi udforskes i forskellige applikationer:

Energihøstende gulvfliser: Disse fliser genererer elektricitet fra trykket fra fodfald i travle områder som metrostationer eller indkøbscentre.

Bærbar teknologi: Indlejring af piezoelektriske materialer i sko eller tøj til at generere strøm til små enheder gennem normale kropsbevægelser.

Medicinske implantater: Brug af kropsbevægelser til strømenheder som pacemakere, reduktion eller eliminering af behovet for eksterne batterier.