Anwendung des piezoelektrischen Keramikwandlers

Die piezoelektrische Keramik wurde aufgrund ihrer Piezoelektrizität und der daraus resultierenden Vielfalt elektromechanischer Eigenschaften weit verbreitet. Diese Anwendungen können im Allgemeinen in zwei breite Kategorien unterteilt werden, nämlich als piezoelektrische Vibratoren. Wenn als piezoelektrischer Vibrator verwendet wird, muss das piezoelektrische Keramikmaterial eine gute Frequenztemperaturstabilität und einen hohen mechanischen Qualitätsfaktor q aufweisen (Q zeigt den Grad des internen Energieverbrauchs des Materials während der Vibrationsumwandlung an). Es muss als Wandler verwendet werden. Der hohe mechanische Kopplungsfaktor K (mechanische Umwandlung in elektrische Energie / Eingangsmechanische Energie, elektrische Energie auf mechanische Energie / Eingangselektrische Energie) und große relative Dielektrizitätskonstante, die Anwendung von piezoelektrischen Keramik, ist nachstehend angegeben.

I. Übersicht
Die piezoelektrische Keramik ist ein polykristalliner Film mit piezoelektrischem Effekt, und sein Produktionsprozess ist nach seinem ähnlichen Produktionsprozess (Rohmaterial -Pulverisierung, Form, Form, Hochtemperatursintern) benannt. Einige anisotrope Kristalle werden unter mechanischer Kraft deformiert, wodurch die Ladepartikel relativ verschoben werden, was zu den positiven und negativen gebundenen Ladungen auf der Oberfläche des Kristalls führt. Dieses Phänomen wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Diese Eigenschaft des Kristalls heißt Piezoelektrizität. Die Piezoelektrizitätskeramik wurde 1880 von J. Curie und P. Curie Brothers entdeckt. Einige Monate später verifizierten sie den inversen piezoelektrischen Effekt experimentell, dh wenn eine Spannung auf den Piezokristall angewendet wird, wird der Piezokristall einer geometrischen Deformation unterzogen. Vor 1940 waren nur zwei Arten von Ferroelektrika bekannt (nicht nur spontan polarisiert in einem bestimmten Temperaturbereich, sondern auch die spontane Polarisation der Kristalle, die aufgrund der äußeren Feldstärke neu ausgerichtet werden können): Einer ist Kaliumdihydrogenphosphat und deren Äquivalent. Ersteres hat Piezoelektrizität bei normaler Temperatur und hat den technischen Nutzungswert, hat jedoch den Nachteil, leicht aufzulösen zu sein. Letzteres hat eine Piezoelektrizitätskeramik bei niedriger Temperatur (weniger als -14 ° C) und der technische Nutzungswert ist nicht groß. Es wurde festgestellt, dass Bariumtitanat (Batio) eine ungewöhnlich hohe dielektrische Konstante aufweist. Es wurde bald festgestellt, dass es piezoelektrisch ist, und die Entdeckung der bati -piezoelektrischen Keramik war ein Quantensprung für die piezoelektrischen Materialien. Zuvor gab es nur ein piezoelektrisches Kristallmaterial, und danach trat ein piezoelektrisches polykristallines Material, Piezoelektrik -Keramik auf und wurde weit verbreitet. 1947 verwendeten die Vereinigten Staaten die Batio -Keramik, um Pickups für Phonographien zu machen. Japan benutzte es zwei Jahre. Batio -Material hat den Nachteil, dass die Piezoelektrizität schwächer ist als das Ruhesalz und die Piezoelektrizität größer als der Quarzkristall mit Temperatur. Im Jahr 1954 entdeckten B. Jaffe und andere das piezoelektrische PBzro-PBTIO (PZT) -Fasserlösungssystem, das ein epochendisches Ereignis ist, das es unmöglich machte, Geräte im Batio herzustellen. Seitdem wurden PZT transparente piezoelektrische Keramik entwickelt, um die Anwendung der piezoelektrischen Keramik auf das Gebiet der Optik zu erweitern. Bisher ist die Anwendung der piezoelektrischen Keramik, von der Entwicklung des Universums bis zum Leben der Familie, äußerst umfangreich. Chinas Forschung zu piezoelektrischen Keramiken begann Ende der 1950er Jahre, etwa 10 Jahre später als das Ausland. Gegenwärtig gibt es ziemlich starke Kräfte in der Versuchsproduktion und der industriellen Produktion von piezoelektrischen Keramik. Viele Materialien haben die internationale Ebene erreicht oder liegen nahe.

Der physikalische Mechanismus der Piezoceramic Piezoelektrizität
Piezoelektrische Keramik sind Polykristalle, deren PiezoelektrizitätPiezo -Disc -Sensorkann durch die Piezoelektrizität des Piezokristalls erklärt werden. Unter der Wirkung der mechanischen Kraft ändert sich das gesamte elektrische Dipolmoment (Polarisation), was zu einem piezoelektrischen Phänomen führt. Die Piezoelektrizität ist eng mit Polarisation, Deformation und dergleichen verbunden.

Mikroskopischer Polarisationsmechanismus

Der Polarisationszustand ist ein Zustand, in dem das elektrische Feld eine relative Verschiebungskraft auf den geladenen Punkt des Dielektrikums und ein vorübergehendes Gleichgewicht der gegenseitigen Anziehung zwischen den Ladungen ausübt. Es gibt drei Hauptpolarisationsmechanismen.

(1) Polarisation der Elektronenverschiebung - Das Atom oder Ion eines Dielektrikums stimmt nicht mit dem negativen Ladungszentrum eines positiv geladenen Kerns und eines Schalenelektrons unter der Wirkung einer elektrischen Feldkraft zusammen.

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(3) Orientierungspolarisation - Die polaren Moleküle, aus denen das Dielektrikum besteht, haben ein gewisses intrinsisches (inhärentes) elektrisches Moment. Aufgrund der thermischen Bewegung ist die Ausrichtung ungeordnet, das gesamte elektrische Moment ist Null. Wenn ein elektrisches Feld angewendet wird, ist das elektrische Dipolmoment. Die Richtung des elektrischen Feldes ist ausgerichtet und ein makroskopisches elektrisches Dipolmoment tritt auf. Für anisotrope Kristalle hängt die Polarisation mit dem Vorhandensein eines elektrischen Feldes zusammen.

2. Piezoelektrischer Effekt

(1) positiver piezoelektrischer Effekt
Wenn der piezoelektrische Kristall durch eine externe Kraft deformiert wird, sind die positiven und negativen Ladungszentren relativ verschoben, und die entgegengesetzten Ladungen werden auf einigen entsprechenden Gesichtern erzeugt, und die Polarisationsintensität tritt auf. Dieses Phänomen ohne elektrische Feld und Polarisation durch Deformation wird als positiver piezoelektrischer Effekt bezeichnet.

Für anisotrope Kristalle wird der Stress auf den Kristall angewendet; (entsprechende Stamm), der Kristall hat eine proportionale Polarisation in den drei Richtungen von x, y und z, die als piezoelektrische Spannungskonstante bzw. piezoelektrische Dehnungskonstante bezeichnet werden.

(2) umgekehrter piezoelektrischer Effekt
Wenn ein elektrisches Feld auf den Kristall angewendet wird, wird nicht nur die Polarisation, sondern auch eine Verformung erzeugt, und dieses Phänomen der Deformation durch das elektrische Feld wird als inverse piezoelektrische Wirkung bezeichnet. Dies liegt daran, dass der Kristall im Kristall einer elektrischen Feld (piezoelektrische Spannung) erzeugt wird und durch Spannung erzeugt wird.

3. Mechanismus des Druckeffekts
Der piezoelektrische Effekt wurde erstmals an Piezokristallen entdeckt. Jetzt verwenden wir Piezokristalle als Modell, um den physikalischen Mechanismus des piezoelektrischen Effekts zu veranschaulichen.
Wenn kein Druck ausgeübt wird, werden die positiven und negativen Ladungszentren des Kristalls verteilt. Zu diesem Zeitpunkt fällt die positiven und negativen Ladungszentren zusammen, und das gesamte elektrische Moment des Kristalls ist gleich Null, und die Kristalloberfläche ist nicht geladen (nicht piezoelektrisch).

Anwendung der piezoelektrischen Keramik

Piezoelektrischer Keramikzünder
Dies ist ein Gerät, das mechanische Kraft in einen elektrischen Funken umwandelt, um die Verbrennung zu entzünden, und ist ein elektromechanischer Wandler. 1958 wurde der piezoelektrische Effekt der Barium -Titanat -Keramik (Batio) zur Zündung verwendet. PZT -Material hat jedoch eine niedrige Zündrate und ein hohes Geräusch. Im Jahr 1962 wurden Versuche mit Bleizirkonat -Titanat (PZT) Piezoelektrikkeramik verwendet, um Zünder herzustellen. Zünder werden in der täglichen Lebens-, Industrieproduktion und militärischen Anwendungen zur Zündgas und verschiedenen Arten von Sprengstoff und Raketen häufig eingesetzt.

(1) Grundprinzipien

Hochspannungserzeugung-eine zylindrische piezoelektrische Keramikkomponente als Beispiel, wenn die mechanische Kraft f auf den Zylinder wirkt, der Piezokristall verzerrt ist, was den Zentrum der positiven und negativen Ladungen in der Kristall verlagert Auf den oberen und unteren Oberflächen des Zylinders und a sammelt sich große Ladungsmenge

(2)Hochspannungsausgang.

(3) Zünderstruktur und Arbeitsprinzip

2. Piezoelektrischer Transformator
Seit den 1950er Jahren wurden piezoelektrische Transformatoren entwickelt. Zu dieser Zeit wurde Bariumtitanat als Hauptmaterial verwendet. Der Schub ist relativ niedrig (nur 50-60 Mal). Die Ausgangsspannung beträgt etwa 3000 Volt. Mit dem Aufkommen von Bleizirkonat-Titanat-Piezoelektrik-Keramikmaterialien wurde das Boost-Verhältnis auf 300-500 Mal erhöht und schrittweise auf Fernseher, elektrostatische Kopierer und negative Ionengeneratoren als Hochspannungsstromversorgungen angewendet.

(1) Grundprinzipien
Der Eingang der elektrischen Schwingungsenergie zum piezoelektrischen Keramikblatt wird durch den inversen piezoelektrischen Effekt in mechanische Schwingungsenergie umgewandelt und dann durch den positiven piezoelektrischen Effekt in elektrische Energie umgewandelt. Die Impedanzumwandlung (von geringer Impedanz zu hoher Impedanz) wird in diesen beiden Energieumwandlungen erreicht, um einen Hochspannungsausgang bei der Resonanzfrequenz des Piezo -Keramikchips zu erzielen. Das Transformationsprinzip wird durch ein horizontales und vertikaler Transformator der Streckschwingung als Beispiel erklärt.

Das gesamte Piezo -Keramikstück ist in zwei Teile unterteilt, das linke Teil ist das Eingangsende (auch als Antriebsteil bezeichnet), die obere und die unteren Seiten haben die infiltrierte Silberelektrode, die in Dicke -Richtung polarisiert ist, und der rechte Teil ist ist Das Ausgangsende (auch als Stromerzeugungsteil bezeichnet) und das rechte Ende. Es gibt eine Silberelektrode, die auf der Oberfläche infiltriert wird. Polarisiert entlang der Länge. Wenn der Eingangsanschluss aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts mit einer abwechselnden Spannung angewendet wird, erzeugt das Piezo -Keramikblatt eine Streckschwingung entlang der Länge, die die Eingangselektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. und der Stromerzeugungsanteil wandelt die mechanische Energie durch den positiven piezoelektrischen Effekt in elektrische Energie um. Wo der mechanische Qualitätsfaktor des Materials; - die longitudinalen und transversalen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten des Materials; die Länge des l - Stromerzeugungsabschnitts; T - Die Dicke des Transformators.

(2) Anwendung des piezoelektrischen Transformators
Piezoelektrische Transformatoren werden hauptsächlich im Fall von hoher Spannung, niedriger Leistung und Sinuswellenumwandlung verwendet und haben die einzigartigen Vorteile einer hohen Ausgangsspannung, des leichten Gewichts, des kleinen Volumens, ohne Leckage -Magnetfeld, ohne Verbrennung. Um mehrere Spannungsausgänge zu erhalten, ist gemäß der Ausgangsspannung des horizontal-vertikalen Transformators proportional zur Länge, je näher am Ende des Stromerzeugungsteils, desto höher die Spannung, desto höher, desto höher, desto höher ist die Spannung Elektroden an verschiedenen Positionen Elektroden als TAPS an verschiedenen Positionen herstellen des Stromerzeugungsteils, wodurch die verschiedenen Spannungsausgänge erhalten werden. .

4. Piezoelektrische Keramik -Pickups und -redner

(1) Doppelmembran -Vibrator vom Typ

Das Arbeitsprinzip des doppelten Membran -Vibrators ist angegeben. Wenn eine piezoelektrische Keramik mit einer gewissen Dicke unter der Kraft gebeugt ist, ist sie auf der einen Seite der Dicke verlängert und auf der anderen Seite komprimiert, und in der Piezo -Keramikblatt wird eine Ladung erzeugt. Da das gesamte Membran jedoch die gleiche Polarisationsrichtung aufweist, ist die obere Seite länglich und die untere Seite komprimiert, so dass das elektrische Dipolmoment entgegengesetzt ist und die oberen und unteren Seitenladungssymbole gleich sind, so dass es keine gibt Potentialdifferenz, wie das Umschalten auf zwei überlappende Doppelmembranstruktur, wenn der Spannungsausgang ausgesetzt ist, kann der Spannungsausgang erhalten werden. In der Serie sind zwei Zwerchfellstücke mit entgegengesetzten Polarisationsrichtungen verbunden, und wenn die Kraft aufgetragen wird, ist das obere Stück länglich und das untere Stück komprimiert. Da die Polarisationsanweisungen gegenüberliegen, sind die oberen und unteren Seiten des doppelten Zwerchfells entgegengesetzt mit einem Vorzeichen aufgeladen, und es kann ein Spannungsausgang erhalten werden. Die beiden Zwerchfell mit der gleichen Polarisationsrichtung sind parallel an eine Ausgangsspannung angeschlossen.

(2) Piezoelektrische Keramik -Pickup -Struktur und Arbeitsprinzip

(3) Struktur der piezoelektrischen Keramiklautsprecher und das Arbeitsprinzip
Der piezoelektrische Keramiklautsprecher ist ein einfaches und leichtes elektroakustisches Gerät, das die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit, keine Magnetfeldstreuung, kein Kupferdraht und Magnet, niedrige Kosten, niedriger Stromverbrauch, bequeme Reparatur und Massenproduktion hat.

Das Fahrsystem ist aPZT -Material Piezoelektrische ElementeDoppelter Membran, das Schwingungssystem ist ein Papierkegel, und die Kopplungskomponente überträgt die Energie des Antriebssystems effizient an das Schwingungssystem. Während des Betriebs wird die auf die piezoelektrische Keramik -Doppelmembran angewendete elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, die durch das Kopplungselement zum Schwingung und Schall an den Papierkegel übertragen wird. Das piezoelektrische Doppelmembran hat eine höhere Impedanz und stellt einen Spannungsantrieb dar. Die Beziehung zwischen der Kraft F und der Spannung V ist f = kV, k ist ein proportionaler Koeffizient, und die mechanische Schwingungsimpedanz einschließlich der Strahlungsimpedanz ist z und die Schwingungsgeschwindigkeit ist
V = f/z
Der Schalldruck P in der Mitte R des hohen Schwingungsfilms kann erhalten werden.

Darüber hinaus können andere elektroakustische Energiewandler wie ein Sender, ein Empfänger, ein Summer usw. gemäß der piezoelektrischen Wirkung der piezoelektrischen Keramik erfolgen.

(4) Piezoelektrische Keramikfans und Relais
Die piezoelektrische Keramik kann zu einem kleinen piezoelektrischen Keramikventilator gemacht werden, der die Vorteile eines kleinen Volumens hat, es gibt keine Wärmeerzeugung, keinen Summen, einen geringen Stromverbrauch und eine lange Lebensdauer. Es handelt sich um einen piezoelektrischen Keramik -Biegedeformer, der aus zwei piezoelektrischen Keramikblättern besteht, die von einer Metallfolie eingeklemmt sind, und das Piezo -Keramikblatt erzeugt eine Teleskopbewegung unter der Wirkung eines externen elektrischen Feldes. Wenn zwei Piezo -Keramikblätter mit einer Umkehrspannung aufgetragen werden, wird die andere Seite zum Dehnen beauftragt und das Metallblatt gebogen und deformiert. Wenn eine Wechselspannung aufgetragen wird, vibriert das Metallblech regelmäßig.