|
|
|
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТКогда вдоль оси х прикладывается внешняя сила Fx, кристаллическая решетка деформируется. На рис. 3.21Б отображено, как сдавливающая сила сдвигает атомы кристалла таким образом, что положительный атом кремния перемещается на одну сторону решетки, а отрицательно заряженная пара атомов кислорода — на другую. В результате чего вдоль оси у наблюдается перераспределение зарядов. Если кристалл растянуть вдоль оси х (рис. 3.21В), в результате деформации растяжения заряды перераспределятся вдоль оси у в противоположном направлении. Эта упрощенная модель показывает, как на поверхности кристаллического материала могут образовываться электрические заряды в ответ на приложенное механическое воздействие. Подобное объяснение может быть дано пироэлектрическому эффекту, описанному в этом же сайте. Для сбора электрических зарядов к кристаллу на противоположных сторонах от среза прикрепляют электроды (рис. 3.22). Построенный таким образом пьезоэлектрический датчик можно считать конденсатором, в котором в качестве диэлектрика выступает сам кристалл, работающий как генератор электрических зарядов, приводящих к появлению электрического напряжения Кна электродах. Хотя заряд формируется только в местах приложения силы, металлические электроды вырав— нивают заряды вдоль всей их поверхности, лишая конденсатор избирательности. Однако, если форму электродов усложнить, можно определить точное место приложения внешней силы, детектируя сигналы с конкретных электродов.
Рис. 3.21 пьезоэлектрический эффект кварцевого кристалла
Пьезоэлектрический эффект является обратимым физическим явлением Это означает, что приложенное к кристаллу электрическое напряжение приводит к появлению механической деформации Если разместить на кристалле несколько электродов и на одну пару из них подать напряжение, на остальных парах электродов будет накапливаться заряд, сформированный из-за возникшей деформации Такой прием достаточно широко применяется в разных типах пьезоэлектрических преобразователей Пьезоэлектрический эффект можно оценить через вектор поляризации 
где х, у и z — координатные оси обычной ортогональной системы, совмещенные с осями кристалла Слагаемые этого выражения определяются в следующем виде (более полные формулы включают в себя также напряжение сдвига и соответствующие ^/-коэффициенты)» Рис. 3.22 пьезоэлектрический датчик, сформированный при помощи электродов, нанесенных на поляризованный кристалл 
где о — осевое напряжение, dmn — постоянные
пьезоэлектрические коэффициенты вдоль ортогональных осей срезов кристалла Эти
коэффициенты имеют размерность Кулон/Ньютон, те единичный заряд на единицу силы
Для удобства вычислений были введены две дополнительные
единицы.
Производство керамических пьезосенсоров из титаната
цирконата свинца (PZT) начинается с подготовки порошков оксидов металлов очень
высокой чистоты (оксида свинца, оксида циркония, оксида титана и др.). Порошки
измельчаются до требуемого состояния и тщательно перемешиваются в строго
определенной химической пропорции. В процессе прокаливания, проходящего при
достаточно высокой температуре, компоненты полученной смеси вступают в реакцию
друг с другом, образуя порошок, каждое зерно того по химическому составу
близко к требуемой композиции. Но на этой стадии порошок не имеет еще
необходимой кристаллической структуры.
Следующий технологический этап — смешение прокаленного
порошка с твердыми и/или жидкими органическими связующими компонентами (которые
должны быть выжжены в процессе обжига) и построение из полученной смеси
структуры, близкой по форме реализуемому сенсорному элементу. Для этого
разработано несколько методов. Перечислим некоторые из них: прессование при
помощи гидравлического пресса, литье (заливка вязких жидкостей в специальные
формы и их отверждение), выдавливание через специальную форму или прокат через
пару круглых валов для получения тонких листов и ленточное литье (нанесение
вязких составов на гладкую движущуюся ленту).
После этого сформированная структура помещается в печь для
обжига, который проводится под строгим температурным контролем. В результате
этой процедуры все органические связуюшие компоненты выжигаются, а объем
уменьшается приблизительно на 15%. Далее материал нагревается до температуры
красного каления и поддерживается в этом состоянии нето время, называемое
периодом выдержки, во время того происходят окончательные химические
реакции. После охлаждения материала кристаллическая структура считается
сформированной. В зависимости от типа материала полное время температурной
обработки может составлять порядка 24 часов. Далее на поверхность полученной
структуры необходимо нанести контакшые электроды. Это можно сделать несколькими
методами. Наиболее распространенными способами являются: трафаретная печать при
помощи смеси серебра и стекла с повторным обжигом, нанесение покрытия методом
химического восстановления в специальных реакторах и напыление (обработка
парами металлов в условиях низкого вакуума).
Кристаллиты (кристаллические элементарные ячейки) материала
могут рассматриваться как электрические диполи. В некоторых материалах, таких
как кварц, эти ячейки обычно ориентированы вдоль осей кристалла, поэтому такие
структуры обладают достаточно высокой чувствительностью к механическому
напряжению. В других материалах диполи ориентированы произвольным образом, и
для того, чтобы такие структуры проявили свои пьезоэлектрические свойства, их
необходимо предварительно поляризовать. Существуют несколько технологий
поляризации.
Самой популярной из них считается тепловая поляризация,
которая состоит из следующих этапов:
1. Кристаллический материал (керамическая или полимерная
пленка), в котором диполи имеют произвольную ориентацию, медленно нагревается
до температуры, не превышающей точку Кюри. Некоторые типы материалов (к примеру,
пленки из поливинилидин фторида (PVDF)) необходимо привести в напряженное
состояние. Высокая температура приводит к возбуждению диполей, что помогает
сравнительно легко их переориентировать в требуемом направлении.
2. Материалы помещаются в сильное электрическое поле Е (рис. Пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в
кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему
механических напряжений. Этот эффект наблюдается в природных кристаллах, таких
как кварц (химическая формула Si02), поляризованных керамических материалах и
некоторых полимерах, к примеру, в поливинилиденфториде. Говорят, что
пьезоэлектрические материалы обладают ферроэлектрическими свойствами. Слово
пьезо происходит из греческого piezen, означающего давление. Братья Кюри
открыли пьезоэлектрический эффект в кварце еще в 1880 году, но долгое время это
открытие не имело почти никакого практического применения. Только в 1917 году
французский профессор П. Лангевин использовал х-срез кварцевой пластины для
возбуждения и детектирования звуковых колебаний в воде. Его открытие привело к
созданию гидролокатора.
В 1927 году А. Мейснер предложил упрощенную модель для
объяснения пьезоэлектрического эффекта. Кристалл кварца в этой модели
представлен в виде элементарных ячеек, состоящих из атомов Si и спаренных
атомов 02 (рис. 3.21). Кварцевый кристалл имеет срезы вдоль осей х, у и z. На
рис. 3.21 отображено поперечное сечение вдоль оси z — В элементарную
монокристаллическую ячейку входят три атома кремния и шесть атомов кислорода. Каждый
атом кремния обладает четырьмя положительными зарядами, а каждая пара атомов
кислорода — четырьмя отрицательными (по два на атом). Поэтому без приложения
механических напряжений кварцевая ячейка является электрически нейтральной. Пока поляризованный материал находится при температуре ниже температуры Кюри,
он сохраняет свои поляризационные свойства Диполи поддерживают ориентацию, полученную
при высокой температуре в электрическом поле (рис 3 23В).
Рис. 3.23. Тепловая поляризация пьезоэлектрических и
пироэлектрических материалов
Другим методом поляризации является метод коронного разряда,
применяемый при производстве полимерных пьезо/пироэлектриков Полимерная пленка
подвергается воздействию коронного разряда Величина разряда достигает несколько
миллионов вольт на сантиметр толщины пленки, и его действие продолжается 40–50
секунд [5, 6| Это достаточно простои способ поляризации, который может
проводиться при комнатной температуре.
Последними операциями при изготовлении чувственного
элемента являются придание ему требуемой формы и чистовая обработка, которые
включают себя обрезку, механическую обработку и шлифование. По окончании последних
процедур обработки чувствительный пьезо (пиро) элемент вставляется в корпус
датчика, где его электроды соединяются с электрическими выводами и другими
электронными компонентами.
После поляризации кристаллы становятся постоянно
поляризованными, но электрически заряженными они остаются только сравнительно
короткий промежуток
времени. Это объясняется тем, что в окружающей среде
находится много заряженных ионов, а также достаточное количество свободных
носителей зарядов содержится внутри самого материала, которые могут
передвигаться под действием электрического поля, и эти свободные заряды,
приближаясь к соответствующим концам диполей, нейтрализуют их (рис. 3.23В). Поэтому
вскоре поляризованный пьезоматериал становится электрически разряженным и
удерживается в этом состоянии в течение всего времени, пока находится в
стационарных условиях. Однако когда к материалу прикладывается механическое
напряжение, или он начинает обдуваться ветром состояние равновесия нарушается и
на поверхности пьезоэлектрика появляется электрический заряд. Если механическое
напряжение будет поддерживаться нето время, заряды в материале опять
нейтрализуются за счет внутренних утечек. Таким образом, можно сделать вывод,
что пьезоэлектрические сенсоры являются чувствительными только к изменениям
тен-зоусилий, а не к их постоянному уровню. Другими словами, пьезоэлектрические
датчики — это устройства переменного, а не постоянного тока.
Направленная чувствительность пьезоэлектриков
(^-коэффициенты) зависит от температуры. Для некоторых материалов (к примеру,
кварца) чувствительность падает с ростом температуры со скоростью — 0.016%/°С. 3.23Б), в котором диполи выстраиваются вдоль силовых линии. При этом не
происходит полного выравнивания, и многие диполи отклоняются от направления
поля. Однако достигается статистически преобладающая одинаковая ориентация
диполей
3. Материал охлаждается при одновременном воздействии на
него электрического поля.
4 После охлаждения материала до требуемой температуры,
электрическое поле устраняется, и процесс поляризации считается законченным. Для других пьезоэлектриков таких как пленки PVDF и керамики, при температурах
до 40°С d-коэффициенты уменьшаются, а при более высоких температурах — растут. В
настоящее время самыми популярными материалами для изготовления
пьезоэлектрических сенсоров являются разные типы керамики [7–9]. Одним из самых
первых ферроэлектри-ческих керамических материалов был титанат бария,
обладающий поликристаллической структурой и следующей химической формулой:
ВаТЮ3. Стабильность поляризации обеспечивается за счет действия коэрцитивных
сил диполей. В некоторых материалах с течением времени происходит уменьшение
поляризации. Для снижения этого эффекта в основной материал вводятся
дополнительные добавки, цель которых заключается в «запирании» диполей в
определенном положении [4]. И пьезоэлектрическая константа, и диэлектрическая
проницаемость материала к зависят от рабочей температуры. Поскольку эти
величины входят в формулу (3.71): одна в числитель, другая в знаменатель, их
изменения будут взаимно уничтожаться, что приведет к повышению стабильности
выходного напряжения Vb широком температурном диапазоне.
Пьезоэлектрические элементы могут использоваться либо в
форме монокристалла, либо в виде многослойной структуры, в той отдельные
пластины соединяются вместе при помощи электродов, размещенных между ними. На
рис. 3.24 отображен двухслойный датчик силы. Когда к этому датчику прикладывается
внешняя сила, одна из его частей расширяется, в то время как другая сжимается,
что при корректном включении приводит к удвоению выходного сигнала. Двойные
сенсоры могут включаться либо параллельно, как отображено на рис. 3.25А, либо
последовательно — рис. 3.25В. Электрическая эквивалентная схема пьезоэлектрического
датчика представляет собой параллельное соединение сопротивления утечки г,
емкости С и источника тока /', индуцированного механическим напряжением. В
зависимости от типа соединения слоев эквивалентные схемы сдвоенных сенсоров
будут соответствовать рис. 3.25Б и рис. 3.25 г. Сопротивление утечки, как
правило, является очень крупным (порядка Ш'МО14 Ом), это значит, что датчик
обладает чрезвычайно высоким выходным импедансом. Поэтому для согласования с
последующими электронными цепями необходимо использовать специальные
интерфейсы, представляющие собой преобразователи заряда/гока в напряжение или
усилители напряжения, имеющие высокие входные сопротивления.
Пьезоэлектрические пленки В 1969 году японский ученый Каваи обнаружил сильный пьезоэлектрический эффект в PVDF пленках, а в 1975 году кампания Pioneer, Ltd выпустила первые громкоговорители и наушники, реализованные на основе PVDF [10]. PVDF — это полукристаллический полимер, степень кристаллизации того составляет 50% [11]. Подобно другим полукрист&тлическим полимерам PVDF представляет собой слоевую структуру с аморфными зонами. Молекулярный вес PVDF равен около 10 что соответствует порядка 2000 повторяющихся звеньев. Пленка является практически прозрачной в видимом и ближнем ИК (инфракрасном) диапазонах и поглощает излучение дальней И К области электромагнитного спектра. Пленки из PVDF сильно поглощают ИК лучи в диапазоне дайн волн 7.. .20 мкм. Этот диапазон соответствует спектру длин волн, излучаемых человеческим телом. Ее плотность равна около 1780 кг/м3. PVDF является механически прочным и гибким материалом. 
Рис. 3.25 Параллельное (А) и последовательное (В) соединения
слоев в пьезоэлектрическом датчике и их соответствующие эквивалентные схемы (Б
и Г)
Для применения в пьезодатчиках эту пленку обычно вытягивают в одном или сразу двух направлениях так, чтобы ее размеры увеличились в несколько раз. Коэффициенты упругости (такие как модуль Юнга) определяются величиной растяжения. к примеру, если пленка была растянута при температуре 140°С до соотношения 4:1, ее модуль Юнга равен 2.1 ГПа, а если до соотношения 6.8:1, модуль составляет 4.1 ГПа. Удельное сопротивление пленки зависит от величины ее относительного удлинения. к примеру, при небольшом удлинении удельное сопротивление равно б.ЗхЮ15 Омхсм, в то время как при степени растяжения 7:1, оно составляет 2хЮ160мхсм. Хотя пьезоэлектрические коэффициенты пленки из PVDF не такие высокие как у некоторых других пьезоматериалов, к примеру, у ВаТЮ3 и PZT, они обладают уникальным свойством сохранять поляризацию даже при воздействии на них очень сильных переменных электрических полей. Это означает, что, несмотря на то, что значение dv пленки из PVDF почти в 10 раз меньше, чем у PZT, ее максимальная деформация может быть на порядок больше, чем у того же PZT, поскольку для PVDF предельно допустимая величина электрического поля в 100 раз превышает аналогичную характеристику для PZT. К тому же пленки из PVDF обладают очень хорошей временной стабильностью: при хранении при температуре 60°С они теряют за шесть месяцев только около 1–2% чувствительности. В Приложении приведены сравнительные характеристики различных пьезоэлектрических материалов. Другим преимуществом пьезопленок над пьезокера-микой является их низкий акустический импеданс, который по значению близок к воде, человеческим тканям и другим органическим материалам. к примеру, акустический импеданс пьезопленки отличается от импеданса воды только в 2.6 раз, в то время как для пьезокерамики он, как правило, в 11 раз больше. Близкие значения импедансов позволяют осуществлять более эффективную передачу акустических сигналов в воде и тканях. Пьезоэлектрические пленки обладают следующими уникальными свойствами: • Широким частотным диапазоном: 0.001...10' Гц • крупным динамическим диапазоном: 10 8...106psi (фунтов на квадратный дюйм) или от мкТорр до Мбар • Низким акустическим импедансом: близким к воде, человеческим тканям и клеевым составам • Высокой упругой податливостью • Высоким выходным напряжением: в 10 раз выше, чем у пьезокерамики при одинаковых приложенных силах • Высокой электрической прочностью диэлектрика: выдерживают поля до 75 В/мкм, при которых большинство пьезокерамических материалов теряют поляризацию • Высокой механической прочностью и ударостойкостью: Ю9...10ш пределов прочности • Высокой стабильностью: устойчивостью к влажности (влагопоглощение менее 0.02%), большинству химических реактивов, окислителям, мощному ультрафиолетовому (УФ) и ядерному излучениям • Из них можно получать структуры произвольной формы • Их можно соединять обычными клеями. Как и другие ферроэлектрические материалы PVDF также обладает пироэлектрическими свойствами (см. раздел 3.7), т.е. на его поверхности образуется электрический сигнал в ответ на изменение температуры. Однако, несмотря на то, что сами пленки из PVDF могут поглощать тепловое излучение, в пироэлектрических датчиках они располагаются между двумя тонкими электродами, которые иногда довольно сильно отражают волны интересующего диапазона. В таких случаях электрод, расположенный ближе к источнику тепловых излучений, либо покрывают теплопоглощающим слоем, либо изготавливают из нихрома (сплава, обладающего высокой поглощающей способностью). На основе апенок из PVDF реализуют датчики перемещения людей, а также пироэлектрические датчики для более сложных устройств, таких как видеокамеры для ночного наблюдения и лазерные копировальные приборы. Не так давно была представлена ИК матрица на основе PVDF пленки, позволяющая идентифицировать отпечатки пальцев, использующая пироэффект, присущий полимерам. Новые сополимеры PVDF, разработанные в последние годы, нашли широкую сферу применения в пьезоэлектрических полимерных датчиках. Такие сополимеры используются при более высоких температурах (135°С), и из них можно получать новые формы сенсоров: цилиндрические и полусферические. Из них можно изготавливать сенсоры, толщина которых превышает предельные значения для устройств на основе PVDF пленок: к примеру, кремниевые датчики с ультратолстым (200 А) покрытием и гидролокаторы с цилиндром, толщина стенок того превышает 1200 мкм. Пьезоэлектрические кабели также реализуют из сополимеров. В отличие от пьезокерамических преобразователей датчики на основе пьезоэлектрических пленок обладают более широкими динамическим и частотным диапазонами. Широкая полоса частот (практически от 0 до 2 ГГц) и низкая добротность могут быть объяснены мягкостью, присущей полимерам. В передатчиках звуковых сигналов пленочный пьезоэлемент, зафиксированный на двух концах, вибрирует на частоте, определяемой коэффициентом d3]. Такие датчики нашли широкое применение в ультразвуковой технике, работающей на частотах до 50 кГц. При использовании в ультразвуковых передатчиках (частота более 500 кГц) частота пьезосенсоров определяется коэффициентом d . Максимальный коэффициент передачи достигается на частоте резонанса по толщине. Основной полуволновой резонанс пленочного пьезоэлектрического сенсора толщиной 28 мкм наступает на частоте порядка 40 МГц. Частота резонанса всегда зависит от толщины пленки: она меняется от единиц МГц для толстых пленок (=1000 мкм) до >100 МГц для тонких пленок (порядка мкм). Датчики на пьезоэлектрических пленках имеют и ряд ограничений. Они обладают довольно слабым электромеханическим коэффициентом связи по сравнению с пьезокерамическими сенсорами, особенно на частоте резонанса и на низких частотах. Пленки из сополимеров могут использоваться и храниться при температурах, не превышающих 135°С, a PVDF пленки рекомендуется использовать при температурах до 100°С. Как только на пленку нанесены электроды, полученный сенсор становится чувствительным к электромагнитному излучению. Для защиты устройств от высокочастотных электромагнитных помех и от радиочастотных шумов необходимо применять методы экранирования. Из таблицы 3.1 и Приложения видно, что пьезоэлектрические пленки обладают низкой плотностью, отличной чувствительностью и механической прочностью. Упругая деформация пьезопленок в 10 раз превышает аналогичную характеристику керамики. Пьезоэлектрические полимеры могут напрямую прикрепляться к тонкопленочным структурам, не мешая их механическому перемещению. Пьезопленки годятся для применения в датчиках деформации, которые должны обладать высокой чувствительностью в широком частотном диапазоне. Низкий акустический импеданс полимеров позволяет изготавливать преобразователи, эффективно передающие энергию в широкой полосе частот воздуху и другим газам. В миниатюрных полупроводниковых датчиках пьезоэлектрический эффект является основным средством преобразования механической деформации в электрические сигналы и наоборот. Однако этот эффект применим для преобразования переменных входных сигналов и не годится для стационарных и медленно меняющихся внешних воздействий. Поскольку кремний сам по себе не обладает пьезоэлектрическими свойствами, ему можно их придать при помощи нанесения кристаллических слоев пьезоматериа-лов. Для этой цели чаще всего используются следующие материалы: оксид цинка (ZnO), нитрид алюминия (A1N) и PZT (Pb(Zr,Ti)03). Для построения обычных пьезоэлектрических сенсоров, в основном, применяются те же материалы. Оксид цинка обладает не только пьезоэлектрическими свойствами, он также является пироэлектриком. Он часто используется для построения ультразвуковых акустических сенсоров, устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ), микровесов и т.д. Основным достоинством оксида цинка является простота химического травления. ZnO часто наносится на кремний методом напыления. Нитрид алюминия считается отличным пьезоэлектрическим материалом, благодаря высокой акустической проводимости и устойчивости к влажности и высокой температуре. Его пьезоэлектрический коэффициент несколько ниже, чем у оксида цинка, но выше, чем у других тонкопленочных пьезоматериалов, за исключением керамики. Акустические свойства нитрида алюминия позволяют использовать его в гигагерцовом частотном диапазоне. Тонкие пленки из A1N обычно изготавливаются по технологии химического осаждения из газовой фазы или методом реактивной эпитаксии. Недостаток этих способов — высокая температура нагрева подложки (до 1300°С). Тонкие пленки из PZT обладают крупным пьезоэлектрическим коэффициентом, чем A1N и ZnO, что делает их перспективными для использования в детекторах теплового излучения. Для формирования слоев из PZT существует большое количество методов, среди которых можно назвать электролучевое распыление [13], радиочастотное напыление [14], ионное осаждение [15], эпитаксиальное выращивание, магнетронное напыление [17], лазерное распыление [18] и золь-гелевая технология [19]. .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
