Aplicação do transdutor de cerâmica piezoelétrico

A cerâmica piezoelétrica tem sido amplamente utilizada devido à sua piezeletricidade e à diversidade resultante de propriedades eletromecânicas. Esses aplicativos geralmente podem ser divididos em duas categorias amplas, ou seja, como vibradores piezoelétricos. Quando é usado como um vibrador piezoelétrico, o material cerâmico piezoelétrico é necessário para ter uma boa estabilidade de temperatura de freqüência e um alto fator de qualidade mecânica Q (q indica o grau de consumo interno de energia do material durante a conversão de vibração); É necessário ser usado como transdutor. O alto fator de acoplamento mecânico K (conversão mecânica para energia elétrica / energia mecânica de entrada, energia elétrica para energia mecânica / energia elétrica de energia) e grande constante dielétrica relativa, a aplicação de cerâmica piezoelétrica é dada abaixo.

I. VISÃO GERAL.
A cerâmica piezoelétrica é um filme policristalino com efeito piezoelétrico, e seu processo de produção é nomeado após o seu processo de produção semelhante (pulverização de matérias-primas, moldagem, sinterização de alta temperatura). Alguns cristais anisotrópicos sofrem deformação sob força mecânica, fazendo com que as partículas de carregamento fossem relativamente deslocadas, resultando nas cobranças positivas e negativas na superfície do cristal. Este fenômeno é chamado de efeito piezoelétrico. Esta propriedade do cristal é chamada piezoeletricidade. Cerâmica de piezoeletricidade foi descoberta em 1880 por J. Curie e P. Curie Brothers. Alguns meses depois, eles verificaram experimentalmente o efeito piezoelétrico inverso, ou seja, quando uma tensão é aplicada ao cristal piezo, o cristal piezo sofrerá deformação geométrica. Antes de 1940, apenas dois tipos de ferroelétricos eram conhecidos (não só polarizados espontaneamente em uma determinada faixa de temperatura, mas também a polarização espontânea dos cristais que podem ser reorientados devido à força de campo externo): um é o fosfato di-hidrogênio de potássio e seu equivalente. O primeiro tem piezeletricidade na temperatura normal e tem valor de uso técnico, mas tem a desvantagem de ser fácil de dissolver; Este último tem cerâmica de piezoeletricidade a baixa temperatura (menos de -14 c), e o valor de uso de engenharia não é grande. O titanato de bário (Batio) foi encontrado para ter uma constante dielétrica anormalmente alta. Logo foi encontrado para ser piezoelétrico, e a descoberta de Bati O piezoelétrico de cerâmica era um salto quântico para os materiais piezoelétricos. Anteriormente, houve apenas um material de cristal piezoelétrico e, posteriormente, um material policristalino piezoelétrico, cerâmica piezoelétrico apareceu e foi amplamente utilizado. Em 1947, os Estados Unidos usavam a cerâmica Batio para fazer captadores para fonógrafos. O Japão usou dois anos. O material Batio tem a desvantagem de que a piezeletricidade é mais fraca do que o sal de repouso e a piezoeletricidade é maior que o cristal de quartzo com temperatura. Em 1954, B. Jaffe e outros descobriram o sistema de solução sólida piezoelétrico pbzro-pbtio (PZT), que é um evento de fabricação de época que tornou impossível fabricar dispositivos na Batio. Desde então, a cerâmica piezoelétrica transparente PZT foi desenvolvida para estender a aplicação de cerâmicas piezoelétricas para o campo da óptica. Até agora, a aplicação de cerâmica piezoelétrica, desde o desenvolvimento do universo até a vida da família, é extremamente extensa. A pesquisa da China sobre cerâmica piezoelétrica começou no final dos anos 1950, cerca de 10 anos depois do que os países estrangeiros. Atualmente, há forças bastante fortes na produção experimental e produção industrial de cerâmica piezoelétrica. Muitos materiais atingiram ou estão próximos do nível internacional.

O mecanismo físico da piezoeletricidade piezocerâmica
Cerâmica piezoelétrica são policristais cuja piezoeletricidadesensor de disco piezo.pode ser explicado pela piezoeletricidade do cristal piezo. Sob a ação da força mecânica, o total do dipolo elétrico (polarização) muda, resultando em um fenômeno piezoelétrico. A piezoeletricidade está intimamente relacionada à polarização, deformação e semelhantes.

Mecanismo microscópico de polarização

O estado de polarização é um estado em que o campo elétrico exerce uma força de deslocamento relativo no ponto cobrado do dielétrico e equilíbrio temporário de atração mútua entre as taxas. Existem três mecanismos principais de polarização.

(1) Polarização de deslocamento de elétrons - O átomo ou íon de um dielétrico não coincide com o centro negativo de carga de um núcleo carregado positivamente e um elétron de concha sob a ação de uma força elétrica de campo.

(2) Polarização de deslocamento de íon - os íons positivos e negativos do dielétrico são relativamente deslocados sob a ação de uma força de campo elétrico, gerando assim um momento elétrico elétrico.

(3) polarização de orientação - as moléculas polares que compõem o dielétrico têm um certo momento elétrico intrínseco (inerente). Devido ao movimento térmico, a orientação é desordenada, o momento total elétrico é zero. Quando um campo elétrico é aplicado, o momento do dipolo elétrico. A direção do campo elétrico é alinhada e um momento de dipolo elétrico macroscópico aparece. Para cristais anisotropic, a polarização está relacionada à presença de um campo elétrico.

2. Efeito piezoelétrico

(1) efeito piezoelétrico positivo
Quando o cristal piezoelétrico é deformado por uma força externa, os centros de carga positivos e negativos são relativamente deslocados, e os encargos opostos são gerados em alguns rostos correspondentes, e a intensidade de polarização ocorre. Esse fenômeno de nenhum campo elétrico e polarização por deformação é chamado de efeito piezoelétrico positivo.

Para cristais anisotrópicos, o estresse é aplicado ao cristal; (tensão correspondente), o cristal terá uma polarização proporcional nas três direções de X, Y e Z, que são chamadas de constante de estresse piezoelétrico e constante de esforço piezoelétrico, respectivamente.

(2) efeito piezoelétrico inverso
Quando um campo elétrico é aplicado ao cristal, não apenas a polarização, mas também a deformação é gerada, e esse fenômeno de deformação pelo campo elétrico é chamado de efeito piezoelétrico inverso. Isso ocorre porque quando o cristal é submetido a um campo elétrico, o estresse (estresse piezoelétrico) é gerado dentro do cristal, e a tensão piezoelétrica é gerada pelo estresse.

3. Mecanismo de efeito de pressão
O efeito piezoelétrico foi descoberto pela primeira vez em cristais piezo. Agora usamos cristais piezo como modelo para ilustrar o mecanismo físico do efeito piezoelétrico.
Quando nenhuma pressão é aplicada, os centros positivos e negativos do cristal são distribuídos. Neste momento, os centros de carga positivos e negativos coincidem, e o momento elétrico total do cristal é igual a zero, e a superfície de cristal não é cobrada (não piezoelétrico).

Aplicação de cerâmica piezoelétrica

Ignitério cerâmico piezoelétrico
Este é um dispositivo que converte força mecânica em uma faísca elétrica para inflamar a combustão e é um transdutor eletromecânico. Em 1958, foi utilizado o efeito piezoelétrico de cerâmica de titanato de bário (BATIO) para ignição. No entanto, o material PZT tem uma baixa taxa de ignição e alto ruído. Em 1962, os julgamentos de cerâmica piezoelétrico de titanato de zirconato de chumbo (PZT) foram usados ​​para tornar os ignitores. Os ignitantes são amplamente utilizados na vida cotidiana, produção industrial e aplicações militares para inflamar gás e vários tipos de explosivos e foguetes.

(1) princípios básicos

Geração de alta tensão - tomando um componente cerâmico piezoelétrico cilíndrico como exemplo, quando a força mecânica acts no cilindro, o cristal piezo é distorcido, fazendo com que o centro dos encargos positivos e negativos no cristal mude, de modo que um grande quantidade de carga se acumula nas superfícies superior e inferior do cilindro e

(2)Saída de alta tensão.

(3) estrutura de ignição e princípio de funcionamento

2. Transformador piezoelétrico
Desde os anos 50, os transformadores piezoelétricos foram desenvolvidos. Naquela época, o titanato de bário foi usado como o material principal. O impulso é relativamente baixo (apenas 50-60 vezes). A tensão de saída é de cerca de 3000 volts. Com o advento do chumbo zirconato titanato materiais cerâmicos piezoelétricos, a taxa de impulso foi aumentada para 300-500 vezes, e foi gradualmente aplicada a televisões, copiadoras eletrostáticas e geradores de íons negativos como suprimentos de alimentação de alta tensão.

(1) princípios básicos
A entrada de energia da vibração elétrica para a folha cerâmica piezoelétrica é convertida em energia de vibração mecânica pelo efeito piezoelétrico inverso, e depois convertido em energia elétrica pelo efeito piezoelétrico positivo. A conversão de impedância (de baixa impedância à alta impedância) é alcançada nessas duas conversões de energia para alcançar uma saída de alta tensão na frequência ressonante do chip cerâmico piezo. O princípio da transformação é explicado tomando um transformador horizontal e vertical de alongamento de vibração como exemplo.

Toda a peça cerâmica piezo é dividida em duas partes, a parte esquerda é a extremidade de entrada (também chamada de parte de condução), os lados superior e inferior têm o eletrodo de prata infiltrado, que é polarizado na direção de espessura, e a parte direita é A extremidade de saída (também chamada de parte geradora de energia), e a extremidade direita. Há um eletrodo de prata infiltrado na superfície. Polarizado ao longo do comprimento. Quando o terminal de entrada é aplicado com uma tensão alternada, devido ao efeito piezoelétrico inverso, a folha de cerâmica piezo gera a vibração de alongamento ao longo da direção do comprimento, que converte a energia elétrica de entrada em energia mecânica; e a parte geradora de energia converte a energia mecânica em energia elétrica através do efeito piezoelétrico positivo. Onde o fator de qualidade mecânico do material; - os coeficientes de acoplamento eletromecânico longitudinal e transverso do material; o comprimento da porção de geração de energia L; T - a espessura do transformador.

(2) Aplicação do transformador piezoelétrico
Transformadores piezoelétricos são usados ​​principalmente no caso de alta tensão, baixa potência e conversão de ondas senoides, e têm as vantagens únicas de alta tensão de saída, peso leve, volume pequeno, sem vazamento de campo magnético, sem combustão. Para obter várias saídas de tensão, de acordo com a tensão de saída do transformador vertical horizontal é proporcional ao comprimento, quanto mais próximo do final da parte de geração de energia, maior a tensão, podemos fazer eletrodos como torneiras em diferentes posições da parte de geração de energia, obtendo assim as diferentes saídas de tensão. .

Pickups e alto-falantes cerâmicos 4.Piezoelétricos

(1) vibrador do tipo diafragma duplo

O princípio de funcionamento do vibrador do tipo diafragma duplo é dado. Quando uma cerâmica piezoelétrica com uma certa espessura é curvada sob a força, é alongada de um lado da espessura e comprimido do outro lado, e uma carga é gerada dentro da folha cerâmica piezo. No entanto, uma vez que todo o diafragma tem a mesma direção de polarização, o lado superior é alongado, e o lado inferior é comprimido, de modo que o momento do dipolo elétrico é oposto, e os símbolos superiores e inferiores da carga são os mesmos, então não há Diferença potencial, como mudar para duas estruturas de diafragma duplas sobrepostas, quando é submetido a flexão de força, a saída de tensão pode ser obtida. Duas peças de diafragmas com direções opostas de polarização são conectadas na série, e quando a força é aplicada, a peça superior é alongada e a peça inferior é comprimida. Como as direções de polarização são opostas, os lados superior e inferior do diafragma duplo são opostos com um sinal, e uma saída de tensão pode ser obtida. Os dois diafragmas com a mesma direção de polarização são conectados em paralelo para formar uma tensão de saída.

(2) Estrutura de captação cerâmica piezoelétrica e princípio de funcionamento

(3) Estrutura de alto-falante de cerâmica piezoelétrica e princípio de funcionamento
O alto-falante cerâmico piezoelétrico é um dispositivo eletroacústico simples e leve, que tem as vantagens de alta sensibilidade, sem dispersão de campo magnético, sem fio de cobre e ímã, baixo custo, baixo consumo de energia, reparo conveniente e produção de massa.

O sistema de condução é umElementos piezoelétricos de material PZTDuplo diafragma, o sistema de vibração é um cone de papel, e o componente de acoplamento transmite a energia do sistema de condução para o sistema de vibração eficientemente. Durante a operação, a energia elétrica aplicada ao diafragma duplo cerâmico piezoelétrico é convertida em energia mecânica, que é transmitida ao cone de papel através do elemento de acoplamento para vibrar e som. O diafragma duplo piezoelétrico tem uma maior impedância e constitui uma unidade de tensão. A relação entre a força F e a voltagem V é f = kv, k é um coeficiente proporcional, e a impedância mecânica de vibração, incluindo a impedância de radiação, é Z, e a velocidade de vibração é
V = f / z
A pressão sonora P no centro R do filme de alta vibração pode ser obtida.

Além disso, outros conversores de energia eletro-acústica, como um transmissor, um receptor, uma campainha, etc. podem ser feitos de acordo com o efeito piezoelétrico da cerâmica piezoelétrica.

(4) fãs cerâmicos piezoelétricos e relés
A cerâmica piezoelétrica pode ser feita em um pequeno ventilador de cerâmica piezoelétrico, que tem as vantagens de pequeno volume, não há geração de calor, sem aroma, baixo consumo de energia e longa vida. É uma deformação de flexão cerâmica piezoelétrica, que é composta de duas folhas cerâmicas piezoelétricas imprensadas por uma folha de metal, e a folha de cerâmica piezo gera um movimento telescópico sob a ação de um campo elétrico externo. Se duas folhas cerâmicas de piezo são aplicadas com uma tensão inversa, o outro lado é contratado para esticar, e a folha de metal é curvada e deformada. Se uma tensão alternada for aplicada, a folha de metal vibrará periodicamente.