Application du transducteur de la céramique piézoélectrique

La céramique piézoélectrique a été largement utilisée en raison de leur piézoélectricité et de la diversité qui en résulte des propriétés électromécaniques. Ces applications peuvent généralement être divisées en deux grandes catégories, à savoir les vibrateurs piézoélectriques. Lorsqu'il est utilisé comme vibrateur piézoélectrique, le matériau en céramique piézoélectrique est nécessaire pour avoir une bonne stabilité de température de fréquence et un facteur de qualité mécanique élevé Q (Q indique le degré de consommation interne d'énergie du matériau pendant la conversion des vibrations); Il faut être utilisé comme transducteur. Le facteur de couplage mécanique élevé K (conversion mécanique en énergie électrique / énergie mécanique d'entrée, énergie électrique en énergie mécanique / énergie électrique d'entrée) et grande constante diélectrique relative, l'application de céramiques piézoélectriques est donnée ci-dessous.

I. Aperçu
La céramique piézoélectrique est un film polycristallin avec un effet piézoélectrique, et son processus de production est nommé d'après son processus de production similaire (pulvérisation de matière première, moulure, frittage à haute température). Certains cristaux anisotropes subissent une déformation sous une force mécanique, ce qui fait déplacer relativement les particules de charge, entraînant les charges liées positives et négatives à la surface du cristal. Ce phénomène est appelé effet piézoélectrique. Cette propriété du cristal est appelée piézoélectricité. La céramique piézoélectricité a été découverte en 1880 par J. Curie et P. Curie Brothers. Quelques mois plus tard, ils ont vérifié expérimentalement l'effet piézoélectrique inverse, c'est-à-dire, lorsqu'une tension est appliquée au cristal piézo, le cristal piézo subira une déformation géométrique. Avant 1940, seuls deux types de ferroélectriques étaient connus (non seulement spontanément polarisés dans une certaine plage de températures, mais aussi la polarisation spontanée des cristaux qui peuvent être réorientés en raison de la force de champ externe): l'une est le dihydrogène de potassium et son équivalent. Le premier a une piézoélectricité à température normale et a une valeur d'utilisation technique, mais a l'inconvénient d'être facile à dissoudre; Ce dernier a une céramique piézoélectricité à basse température (moins de -14 C), et la valeur d'utilisation de l'ingénierie n'est pas grande. Le titanate de baryum (Batio) s'est avéré avoir une constante diélectrique anormalement élevée. Il s'est rapidement révélé être piézoélectrique, et la découverte de la céramique piézoélectrique Bati o était un bond quantique pour les matériaux piézoélectriques. Auparavant, il n'y avait qu'un matériau cristallin piézoélectrique, et par la suite un matériau polycristallin piézoélectrique, la céramique piézoélectrique est apparue et a été largement utilisée. En 1947, les États-Unis ont utilisé la céramique Batio pour effectuer des micros pour les phonographes. Le Japon l'a utilisé deux ans. Le matériau Batio a l'inconvénient que la piézoélectricité est plus faible que le sel au repos et la piézoélectricité est plus grande que le cristal de quartz avec la température. En 1954, B. Jaffe et d'autres ont découvert le système de solution solide Pbzro-Pbtio (PZT) piézoélectrique, qui est un événement de fabrication d'époches qui rendait impossible la fabrication d'appareils dans le batio. Depuis lors, des céramiques piézoélectriques transparentes PZT ont été développées pour étendre l'application de la céramique piézoélectrique au domaine de l'optique. Jusqu'à présent, l'application de la céramique piézoélectrique, du développement de l'univers à la vie de la famille, est extrêmement étendue. Les recherches de la Chine sur la céramique piézoélectrique ont commencé à la fin des années 1950, environ 10 ans plus tard que les pays étrangers. À l'heure actuelle, il existe des forces assez fortes dans la production d'essai et la production industrielle de céramiques piézoélectriques. De nombreux matériaux ont atteint ou sont proches du niveau international.

Le mécanisme physique de la piézoélectricité piézocéramique
Les céramiques piézoélectriques sont des polycristaux dont le piézoélectricitécapteur de disque piézoPeut s'expliquer par la piézoélectricité du cristal piézé. Sous l'action de la force mécanique, le moment dipolaire électrique total (polarisation) change, résultant en un phénomène piézoélectrique. La piézoélectricité est étroitement liée à la polarisation, à la déformation, etc.

Mécanisme microscopique de polarisation

L'état de polarisation est un état dans lequel le champ électrique exerce une force de déplacement relative sur le point chargé du diélectrique et un équilibre temporaire d'attraction mutuelle entre les charges. Il existe trois principaux mécanismes de polarisation.

(1) Polarisation du déplacement électronique - L'atome ou l'ion d'un diélectrique ne coïncide pas avec le centre de charge négatif d'un noyau chargé positivement et un électron de coque sous l'action d'une force de champ électrique.

(2) Polarisation du déplacement des ions - les ions positifs et négatifs du diélectrique sont relativement déplacés sous l'action d'une force de champ électrique, générant ainsi un moment dipolaire électrique.

(3) Polarisation d'orientation - Les molécules polaires qui composent le diélectrique ont un certain moment électrique intrinsèque (inhérent). En raison du mouvement thermique, l'orientation est désordonnée, le moment électrique total est nul. Lorsqu'un champ électrique est appliqué, le moment dipolaire électrique. La direction du champ électrique est alignée et un moment dipolaire électrique macroscopique apparaît. Pour les cristaux anisotropes, la polarisation est liée à la présence d'un champ électrique.

2. Effet piézoélectrique

(1) effet piézoélectrique positif
Lorsque le cristal piézoélectrique est déformé par une force externe, les centres de charge positifs et négatifs sont relativement déplacés et les charges opposées sont générées sur certains faces correspondantes et que l'intensité de polarisation se produit. Ce phénomène de champ électrique et de polarisation par déformation est appelé un effet piézoélectrique positif.

Pour les cristaux anisotropes, une contrainte est appliquée au cristal; (déformation correspondante), le cristal aura une polarisation proportionnelle dans les trois directions de x, y et z, qui sont appelées constante de contrainte piézoélectrique et constante de déformation piézoélectrique, respectivement.

(2) effet piézoélectrique inverse
Lorsqu'un champ électrique est appliqué au cristal, non seulement la polarisation mais aussi la déformation est générée, et ce phénomène de déformation par le champ électrique est appelé un effet piézoélectrique inverse. En effet, lorsque le cristal est soumis à un champ électrique, la contrainte (contrainte piézoélectrique) est générée à l'intérieur du cristal et la déformation piézoélectrique est générée par la contrainte.

3. Mécanisme d'effet de pression
L'effet piézoélectrique a été découvert pour la première fois sur les cristaux piézores. Maintenant, nous utilisons des cristaux piézores comme modèle pour illustrer le mécanisme physique de l'effet piézoélectrique.
Lorsqu'aucune pression n'est appliquée, les centres de charge positive et négative du cristal sont distribués. À l'heure actuelle, les centres de charge positive et négative coïncident et le moment électrique total du cristal est égal à zéro, et la surface cristalline n'est pas chargée (pas piézoélectrique).

Application de céramiques piézoélectriques

Igniter en céramique piézoélectrique
Il s'agit d'un dispositif qui convertit la force mécanique en une étincelle électrique pour enflammer la combustion, et est un transducteur électromécanique. En 1958, l'effet piézoélectrique de la céramique du titanate de baryum (Batio) a été utilisé pour l'allumage. Cependant, le matériau PZT a un faible taux d'allumage et un bruit élevé. En 1962, des essais de céradiques en céramique de titanate de zirconate de plomb (PZT) ont été utilisés pour fabriquer des allumeurs. Les allumeurs sont largement utilisés dans la vie quotidienne, la production industrielle et les applications militaires pour allumer le gaz et divers types d'explosifs et de roquettes.

(1) Principes de base

Génération à haute tension - - en faisant un exemple cylindrique en céramique piézoélectrique comme exemple, lorsque la force mécanique F agit sur le cylindre, le cristal piézo Une grande quantité de charge s'accumule sur les surfaces supérieures et inférieures du cylindre et un

(2)sortie haute tension.

(3) Structure de l'allumage et principe de travail

2. Transformateur piézoélectrique
Depuis les années 1950, des transformateurs piézoélectriques ont été développés. À cette époque, le titanate de baryum a été utilisé comme matériau principal. Le boost est relativement faible (seulement 50 à 60 fois). La tension de sortie est d'environ 3000 volts. Avec l'avènement des matériaux en céramique piézoélectrique en zirconate de plomb, le rapport de boost a été augmenté à 300 à 500 fois, et il a été progressivement appliqué aux téléviseurs, aux copiers électrostatiques et aux générateurs d'ions négatifs comme alimentations à haute tension.

(1) Principes de base
L'entrée d'énergie de vibration électrique à la feuille de céramique piézoélectrique est convertie en énergie de vibration mécanique par l'effet piézoélectrique inverse, puis converti en énergie électrique par l'effet piézoélectrique positif. La conversion d'impédance (de la faible impédance à une impédance élevée) est obtenue dans ces deux conversions d'énergie pour atteindre un débit haute tension à la fréquence résonante de la puce en céramique piézo. Le principe de transformation s'explique en prenant un exemple de transformateur horizontal et vertical de la vibration d'étirement.

L'ensemble de la pièce en céramique piézo est divisé en deux parties, la partie gauche est l'extrémité d'entrée (également appelée partie de conduite), les côtés supérieurs et inférieurs ont l'électrode d'argent infiltrée, qui est polarisée dans la direction d'épaisseur, et la partie droite est l'extrémité de sortie (également appelée partie de production de puissance) et l'extrémité droite. Il y a une électrode d'argent qui est infiltrée à la surface. Polarisé sur la longueur. Lorsque la borne d'entrée est appliquée avec une tension alternée, en raison de l'effet piézoélectrique inverse, la feuille de céramique piézo génère des vibrations d'étirement le long de la longueur, qui convertit l'énergie électrique d'entrée en énergie mécanique; et la partie générateurs de puissance convertit l'énergie mécanique en énergie électrique à travers l'effet piézoélectrique positif. Où le facteur de qualité mécanique du matériau; - les coefficients de couplage électromécaniques longitudinaux et transversaux du matériau; la longueur de la partie de production de puissance; T - L'épaisseur du transformateur.

(2) Application du transformateur piézoélectrique
Les transformateurs piézoélectriques sont principalement utilisés dans le cas d'une conversion à haute tension, à faible puissance et aux ondes sinusoïdales, et ont les avantages uniques de tension de sortie élevée, léger, petit volume, pas de champ magnétique de fuite, pas de combustion. Afin d'obtenir plusieurs sorties de tension, selon la tension de sortie du transformateur horizontal-vertical est proportionnelle à la longueur, plus la fin de la partie de la production d'énergie est élevée, plus la tension est élevée, nous pouvons faire des électrodes comme des robinets à différentes positions de la partie de production d'énergie, obtenant ainsi les différentes sorties de tension. .

4. Camionnettes et haut-parleurs en céramique de piezoélectrique

(1) vibrateur de type à double diaphragme

Le principe de travail du vibrateur de type à double diaphragme est donné. Lorsqu'une céramique piézoélectrique avec une certaine épaisseur est pliée sous la force, elle est allongée d'un côté de l'épaisseur et comprimée de l'autre côté, et une charge est générée à l'intérieur de la feuille de céramique piézo. Cependant, comme le diaphragme entier a la même direction de polarisation, le côté supérieur est allongé et le côté inférieur est comprimé, de sorte que le moment dipolaire électrique est opposé et que les symboles de charge du côté supérieur et inférieur sont les mêmes, donc il n'y a pas Différence de potentiel, telle que le passage à deux structures de double diaphragme qui se chevauchent, lorsque vous êtes soumis à la flexion de force, la sortie de tension peut être obtenue. Deux pièces de diaphragmes avec des directions de polarisation opposées sont connectées dans la série, et lorsque la force est appliquée, la pièce supérieure est allongée et la pièce inférieure est comprimée. Étant donné que les instructions de polarisation sont opposées, les côtés supérieurs et inférieurs du double diaphragme sont facturés de manière opposée avec un signe et une sortie de tension peut être obtenue. Les deux diaphragmes avec la même direction de polarisation sont connectés en parallèle pour former une tension de sortie.

(2) structure de ramassage en céramique piézoélectrique et principe de travail

(3) structure et principe de travail en céramique piézoélectrique et principe de travail
Le haut-parleur en céramique piézoélectrique est un dispositif électroacoustique simple et léger, qui présente les avantages d'une sensibilité élevée, pas de diffusion de champ magnétique, pas de fil de cuivre et de l'aimant, de faible coût, de faible consommation d'énergie, de réparation pratique et de production de masse.

Le système de conduite est unÉléments piézoélectriques du matériau PZTDouble diaphragme, le système de vibration est un cône de papier et le composant de couplage transmet efficacement l'énergie du système de conduite vers le système de vibration. Pendant le fonctionnement, l'énergie électrique appliquée au diaphragme à double diaphragme en céramique piézoélectrique est convertie en énergie mécanique, qui est transmise au cône de papier à travers l'élément de couplage pour vibrer et son. Le double diaphragme piézoélectrique a une impédance plus élevée et constitue un lecteur de tension. La relation entre la force f et la tension V est f = kV, k est un coefficient proportionnel, et l'impédance mécanique des vibrations, y compris l'impédance de rayonnement, est z, et la vitesse de vibration est
V = f / z
La pression acoustique P au centre R du film de vibration élevé peut être obtenue.

De plus, d'autres convertisseurs d'énergie électro-acoustiques tels qu'un émetteur, un récepteur, un buzzer, etc. peuvent être fabriqués en fonction de l'effet piézoélectrique de la céramique piézoélectrique.

(4) ventilateurs et relais en céramique piézoélectrique
La céramique piézoélectrique peut être transformée en un petit ventilateur en céramique piézoélectrique, qui a les avantages du petit volume, il n'y a pas de génération de chaleur, pas de bourdonnement, de faible consommation d'énergie et de longue durée de vie. Il s'agit d'un déformateur de flexion en céramique piézoélectrique, qui est composé de deux feuilles de céramique piézoélectrique prises en sandwich par une feuille métallique, et la feuille de céramique piézo génère un mouvement télescopique sous l'action d'un champ électrique externe. Si deux feuilles de céramique piézo sont appliquées avec une tension inverse, l'autre côté est contracté pour s'étirer et la feuille de métaux est pliée et déformée. Si une tension alternée est appliquée, la feuille métallique vibre périodiquement.