Пьезоэлектрический эффект и его применение в промышленных датчиках

1. Основной принцип

Пьезоэлектрический эффект возникает в некоторых материалах, когда механическое давление создает электрический заряд. Он был открыт братьями Кюри в 1880 году, а его название происходит от греческого слова "piezein", означающего "давить".

Существует два режима работы:

• Прямой эффект: Механическое напряжение деформирует материал, смещая внутренние заряды и создавая напряжение на поверхности материала. Таким образом, физическая сила превращается в электрические сигналы.
• Обратный эффект: Под действием электрического поля материал слегка изменяет форму. Это превращает электрические сигналы в точные механические движения.

2. Типы материалов

Существует три основные категории материалов. Stanford Advanced Materials (SAM) предлагает продукцию всех категорий.

Пьезоэлектрические кристаллы

Монокристаллы с регулярной атомной структурой. Наиболее распространенным остается кварц, обеспечивающий стабильную работу при изменении температуры с минимальным дрейфом сигнала. Ниобат и танталат лития хорошо подходят для высокочастотных применений. Кристаллы обычно демонстрируют более низкую чувствительность, чем керамика, но обеспечивают лучшую долгосрочную стабильность.

Пьезоэлектрическая керамика

Поликристаллические материалы, в основном цирконат-титанат свинца (PZT), доминируют в промышленном использовании. Они обладают гораздо более высокой чувствительностью, чем кварц. Производители могут изменять состав PZT, чтобы подчеркнуть специфические характеристики, такие как чувствительность или термостойкость. В настоящее время существуют варианты без свинца, такие как ниобат калия-натрия (KNN), для экологически чувствительных применений.

Пьезоэлектрические полимеры

Такие материалы, как ПВДФ, отличаются гибкостью и прочностью. Хотя они менее чувствительны, чем керамика, по акустическим свойствам они соответствуют воде и ткани. Это делает их полезными для медицинской визуализации и подводных звуковых систем.

3. Основные области применения

Датчики давления

Они измеряют быстрые изменения давления в двигателях, гидравлических системах и промышленных процессах. Кварц лучше всего подходит для высокотемпературных сред, требующих стабильной калибровки в течение многих лет. PZT обеспечивает максимальную чувствительность для обнаружения малых сил в контролируемых условиях.

Ультразвуковые устройства

Ультразвуковые преобразователи как посылают, так и принимают звуковые волны. Они используются в медицинских сканерах, промышленных дефектоскопах, расходомерах и гидролокационных системах. Выбор материала зависит от рабочей частоты и требований к мощности.

Датчики вибрации

Акселерометры определяют движение и вибрацию путем измерения силы, действующей на сейсмическую массу. Они контролируют состояние мостов. Они предсказывают поломки машин.

Они запускают автомобильные подушки безопасности. Они тестируют аэрокосмические детали. Они работают на частотах от нуля до тысяч герц.

Прецизионные позиционеры

Обратный эффект обеспечивает позиционирование с нанометровой точностью. Атомно-силовые микроскопы, инструменты для производства микросхем, топливные форсунки и головки принтеров используют пьезоэлектрические приводы для обеспечения скорости и точности.

Устройства сбора энергии

Вибрации от машин, транспортных средств или движения людей могут генерировать небольшое количество электроэнергии. Это позволяет питать беспроводные датчики там, где замена батарей нецелесообразна.

4. Руководство по выбору материалов

Для помощи в выборе материалов Stanford Advanced Materials (SAM) предлагает техническую поддержку, основанную на десятилетиях опыта поставок. Свяжитесь с нами и расскажите о своем проекте.

5. Линейка продуктов Stanford Advanced Materials (SAM)

Компания SAM поставляет в исследовательские лаборатории и промышленные предприятия по всему миру пьезоэлектрические материалы, отвечающие строгим техническим требованиям.

Кварцевые кристаллы

Компания SAM поставляет кварц в формах AT, BT, SC и нестандартных огранках. Каждый вид огранки отличается температурным режимом. Области применения включают измерение силы, ускорения и регулирование частоты, где стабильность имеет наибольшее значение. [Посмотреть изделия из кварца]

Ниобат лития

Ниобат лития компании SAM выпускается в конгруэнтном и стехиометрическом классах. Он поставляется в нескольких вариантах огранки, включая 128° Y-X, Y-36°, X-грань и Z-грань. Высокая температура Кюри (>1100°C) позволяет использовать его в фильтрах поверхностных акустических волн и оптоэлектронике.

Танталат лития

Более высокая температурная стабильность по сравнению с ниобатом делает танталат лития SAM выбором для телекоммуникационных фильтров и инфракрасных детекторов. Поставляется в 42° Y-срезе, X-срезе и других ориентациях диаметром до 4 дюймов. [Посмотреть изделия из танталата лития]

Монокристаллы PMN-PT

Эти релаксорные кристаллы достигают значений d₃₃ выше 1500 pC/N и коэффициентов связи выше 0,90. Медицинские ультразвуковые преобразователи увеличивают пропускную способность и чувствительность.

Приводы достигают большего перемещения. Энергетические комбайны улавливают больше энергии.

PZT-керамика

SAM предлагает твердые и мягкие PZT-композиции. Твердый PZT обеспечивает высокую мощность в ультразвуковых очистителях и сварке.

Мягкий PZT обеспечивает максимальную чувствительность датчиков. Доступны диски, пластины, трубки и нестандартные формы.

Услуги на заказ

SAM выращивает кристаллы по спецификации заказчика. Нужна конкретная ориентация? Уровень легирования? Размеры? Рисунок электрода? Техническая команда будет работать с вами. [Посмотреть заказные услуги]

Ссылки

1. Кюри, Ж. и Кюри, П. (1880). "Développement par compression de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées." Bulletin de la Société Minéralogique de France, 3(4), pp. 90-93.

2. Джаффе, Б., Кук, В.Р. и Джаффе, Х. (1971). Пьезоэлектрическая керамика. Академическая пресса, Лондон.

3. Стандарт IEEE по пьезоэлектричеству (1987). ANSI/IEEE Std 176-1987. Институт инженеров по электротехнике и электронике.

4. Учино, К. (2017). Пьезоэлектрические актуаторы: Principles and Applications. MDPI Books, Basel.

5. Сафари, А. и Акдоган, Э.К. (2008). Пьезоэлектрические и акустические материалы для применения в преобразователях. Springer Science+Business Media, New York.

6. Рёдель, Й., Веббер, К.Г., Диттмер, Р., Джо, В., Кимура, М. и Дамьянович, Д. (2015). "Переход к применению бессвинцовой пьезоэлектрической керамики". Journal of the European Ceramic Society, 35(6), pp. 1659-1681.

7. Тресслер, Дж. Ф., Алкой, С. и Ньюнэм, Р. Е. (1998). "Пьезоэлектрические датчики и сенсорные материалы". Journal of Electroceramics, 2(4), pp. 257-272.

8. Дамьянович, Д. (1998). "Ферроэлектрические, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства ферроэлектрических тонких пленок и керамики". Доклады о прогрессе в физике, 61(9), с. 1267-1324.

9. Чжан, С. и Ли, Ф. (2012). "Высокоэффективный ферроэлектрический релаксор-PbTiO₃ монокристаллы: Состояние и перспективы". Журнал прикладной физики, 111(3), 031301.