Utforska piezoelektriska material: Typer, egenskaper och teknisk påverkan

Under åren har framstegen inom materialvetenskap skapat olika piezoelektriska material som enstaka kristaller, keramik och tunna filmer.Den här artikeln tittar noga på piezoelektriska material inklusive deras egenskaper, typer, hur de fungerar och deras användning.Det belyser deras betydelse för att koppla mekanisk och elektroteknik och driva innovation inom många områden.

Katalog

Bild 1: Piezoelektriskt material

Vad är Piezo?

Ordet "piezo" kommer från det grekiska ordet "piezein" betyder "att trycka" eller "tryck."Detta passar bra med sin användning i vetenskapen för piezoelektricitet.1880 upptäckte franska fysiker Jacques och Pierre Curie piezoelektricitet.De fann att när vissa kristaller som Tourmaline, Quartz, Topaz och Rochelle Salt, pressades, producerade de en elektrisk laddning.De såg också att dessa kristaller kunde ändra form när en elektrisk ström applicerades och visade att processen kunde fungera båda vägarna.

Denna upptäckt ledde till skapandet av olika piezoelektriska enheter.Under första världskriget användes piezoelektricitet huvudsakligen i ultraljuds ubåtdetektorer.Idag används piezoelektriska material i många saker.De finns i vardagliga föremål som elektriska cigarettändare och bläckstråleskrivare, liksom i avancerad teknik som medicinsk ultraljudsavbildning och precisionsrörelse i robotik.

Typer av piezoelektriska material

Bild 2: Exempel på piezoelektriska material

Enkristall piezoelektriska material

Enkel kristallpiezoelektriska material kännetecknas av deras kontinuerliga och enhetliga kristallgitter, fria från korngränser.Denna enhetliga struktur leder ofta till bättre elektromekanisk kopplingseffektivitet jämfört med andra piezoelektriska material.Exempel på sådana material inkluderar kvarts och langasit.Dessa enskilda kristaller produceras med exakta tillväxtmetoder som Czochralski -processen eller hydrotermisk syntes.Deras exceptionella prestanda gör dem perfekta för exakta applikationer som avancerade medicinska avbildningssystem, telekommunikationsresonatorer och filter och vibrationsövervakning i flyg- och rymd.

Bild 3: Piezo Crystal Quartz Material

Keramiska piezoelektriska material

Piezoelektrisk keramik är tillverkad av perovskitstrukturerade material som blyzirkonattitanat (PZT).Dessa material är polykristallina och skapas av sintring pulveriserade ämnen.Deras piezoelektriska egenskaper utvecklas genom en polingprocess och anpassar de elektriska dipolerna genom att applicera ett externt elektriskt fält.Dessa keramik kan enkelt formas till olika former och storlekar.Deras hållbarhet och kostnadseffektivitet gör dem populära för användning i ställdon, sensorer, ultraljudsgivare och Consumer Electronics-summer.

Bild 4: Struktur av piezoelektrisk keramik av PZT -typ

Tunn film piezoelektriska material

Tunnfilm piezoelektrik är gjorda genom att avsätta lager som sträcker sig från några nanometer till flera mikrometer i tjocklek med avancerade tillverkningstekniker som sputtering, kemisk ångavsättning eller pulserad laseravsättning.Vanliga material som används i tunna filmer inkluderar PZT, zinkoxid (ZnO) och aluminiumnitrid (ALN).Tunnheten i dessa filmer gör att de kan integreras i mikroelektromekaniska system (MEMS) och nanoelektromekaniska system (NEM), vilket förbättrar deras funktionalitet i kompakta anordningar såsom mikrofoner, mikrowitches och avancerade sensormatriser.Deras kompatibilitet med standard halvledarprocesser och skalbarhet gör dem lämpliga för integrerade kretsar och flexibel elektronik.

Bild 5: ALN piezoelektriska tunna filmer

Bild 6: Bulk Piezo -element

Att välja mellan tunnfilm och bulk piezoelektriska material beror på applikationens specifika behov för precision, kraft och hållbarhet.Tunnfilm piezo-material passar i småskaliga tekniker.Däremot föredras bulkpiezomaterial i mer krävande, större applikationer.Tabellen nedan jämför tunnfilm piezomaterial och bulk piezomaterial baserat på deras tjocklek, tillverkningstekniker, nyckelfunktioner och tillämpningar.

Kategori	Tunnfilm piezo material	Bulk piezo material
Tjocklek	Några nanometer till flera mikrometer	Flera millimeter till centimeter
Tillverkningstekniker	Sputtering, pulserad laseravsättning, kemisk ångavsättning	Pressande, extrudering, bearbetning
Drag	Högfrekvenssvar: Snabbt svar Times	Hög kraftproduktion: producerar kraft under mekanisk stress
	Flexibilitet: tillämplig på flexibel ytor	Hållbarhet: Stark och hållbar, lämplig För tunga belastningar och hårda förhållanden
	Precision: exakt kontroll på en mikroskopisk nivå	Mångsidighet: enkelt formad och storlek för specifika behov
Ansökningar	Mikroelektronik och MEMS: Accelerometrar, gyroskop, bläckstråleskrivare	Energi skörd: konverterar mekanisk stress från vibrationer till elektrisk energi
	Medicinska apparater: ultraljudsgivare för avbildning och terapi	Ställdon och sensorer: stora ställdon i bil- och rymdindustri, högbelastningssensorer
	Telekommunikation: filter och resonatorer i mobiltelefoner och kommunikationsenheter	Sonar och ultraljudsanordningar: sonar System för marinbruk, industriella ultraljudsstädare

Tunnfilm PZT och deponeringsmetoder

Tunnfilm bly zirkonat titanat (PZT) -material används i sensorer, ställdon och mikroelektromekaniska system (MEMS) på grund av deras stora piezoelektriska egenskaper.Sammansättningen och effektiviteten hos tunna filmer PZT beror mycket på deras avsättningsmetoder som kan påverka deras struktur, orientering och piezoelektriska prestanda.De tre huvudavlagringsteknikerna: sol-gel, sputtering och metallorganisk kemisk ångavsättning (MOCVD).

Bild 7: Flexibel tunnfilm PZT

Sol-gelprocess

Sol-gel-processen är ett kostnadseffektivt sätt att deponera PZT-tunna filmer och tillåta kontroll över filmkompositionen på molekylnivå.Denna teknik börjar med att förbereda en kolloidal lösning (SOL) som förvandlas till en gel.Viktiga steg inkluderar hydrolysering och polymeriserande metallalkoxider.Den resulterande gelén appliceras på ett underlag med användning av spinnbeläggning eller doppbeläggning, följt av värmebehandling för att avlägsna organiska komponenter och kristallisera PZT-fasen.

Bild 8: Sol-gel-process för PZT-tunna filmer

Fördelar

• Tillåter fin kontroll över stökiometri, förbättring av piezoelektriska egenskaper

• Använder lägre temperaturer jämfört med andra metoder

Utmaningar

• Det är svårt att få en konsekvent tjocklek och komposition över stora områden

• Hög krympning under torkning och skjutning orsakar ofta sprickor

Sprutande

Sputtering är en fysisk ångavlagring (PVD) -teknik där högenergipartiklar slår materialet från ett mål och sedan avsätts på ett underlag.För PZT -filmer används RF -magnetronsputtering som involverar en plasma av argonjoner som träffar PZT -målet.

Bild 9: Sputteravlagringsmetod för deponering av tunnfilm

Fördelar

• producerar filmer med god vidhäftning och densitet

• Lämplig för beläggning av stora underlag enhetligt

Utmaningar

• Stress kan byggas upp i filmerna som påverkar deras egenskaper

• Målets sammansättning kan förändras under sputtering på grund av differentiella sputteringsutbyten

Metall Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)

MOCVD involverar att sönderdela metallorganiska föregångare i en ångfas och reagera eller sönderdelas på ett uppvärmt underlag för att bilda en tunn film.Denna metod är att föredra för att producera hög renhet, välkristalliserade filmer som är lämpliga för elektroniska applikationer.

Fördelar

• Ger utmärkt film enhetlighet och överensstämmelse även på komplexformade underlag

• Bra för högvolymproduktion

Utmaningar

• kräver högre temperaturer än andra metoder

• Hantering och lagring av metallorganiska föregångare kan vara farliga

Bild 10: Metallorganisk kemisk ångavsättning

Hur material verkar under stress

Beteende under komprimering

När material som kvarts eller bariumtitanat pressas, förändras de på sätt som påverkar deras användning i olika enheter.Dessa material har speciella strukturer som skapar elektriska laddningar när de pressas.När de komprimeras krymper de och deras inre struktur förändras.

Denna pressning får elektriska laddningar inuti kristallen att bli ojämnt fördelad.Trycket rör sig joner i kristallens struktur och skapar ett elektriskt fält.Detta händer eftersom de positiva och negativa laddningscentra i materialförskjutningen.Mängden elektriskt svar beror på typen av kristall, kraften som appliceras och kristallens riktning relativt kraften.

I sensorer kan till exempel spänningen som produceras av kristallerna mäta kraften som appliceras vilket gör dem perfekta för att upptäcka tryck och övervakning av belastningar.I ställdon kan tillämpa ett elektriskt fält göra kristallförändringsformen, vilket möjliggör exakt kontroll av rörelser i saker som ultraljudsanordningar och injektorer för bilbränsle.

Bild 11: Piezoelektriska material fungerar

Piezoelektriskt svar på tryck

När piezoelektriska material möter mekaniskt tryck, justerar deras molekyler och påverkar deras elektriska egenskaper.Kraften förändrar molekylstrukturen, anpassade regioner med enhetlig elektrisk riktning, ökar elektrisk polarisering.

Denna justering ökar laddningsseparationen i materialet och förbättrar dess elektriska polarisering.Enkelt uttryckt gör trycket dipolerna (molekyler med två motsatta laddningar) mer enhetliga, vilket skapar ett starkare elektriskt fält för en given kraft.

Förmågan att kontrollera detta svar exakt under olika tryck gör att piezoelektriska material är mycket användbara i många tekniker.Deras förmåga att konvertera mekaniskt tryck till elektriska signaler och vice versa gör att de kan användas effektivt i uppgifter som att generera exakta elektroniska frekvenser och övervaka vibrationer i industriella miljöer.

Den piezoelektriska effekten

Bild 12: Den piezoelektriska effekten

Förvandla mekanisk energi till elektrisk energi med den piezoelektriska effekten

Den piezoelektriska effekten förändrar mekanisk energi till elektrisk energi genom att deformera vissa kristallmaterial.Dessa material, kända som piezoelektrik, inkluderar naturliga ämnen som kvarts och syntetiska sådana som avancerad keramik.

När ett piezoelektriskt material vetter mot mekanisk stress som att pressas, vridits eller böjas, har dess kristallstruktur inte en central symmetri och blir störd.Denna störning förskjuter laddningscentra i kristallen som orsakar polarisering och skapar en elektrisk potential vid vissa punkter i materialet.

Viktiga punkter i denna process:

Den producerade elektriska laddningen matchar mängden mekanisk spänning som appliceras.Detta innebär att den elektriska utgången kan kontrolleras exakt baserat på den kända kraften som appliceras;

När kraften tas bort återgår materialet till sitt ursprungliga tillstånd och den elektriska laddningen försvinner.Detta säkerställer materialets hållbarhet och tillförlitlighet som är bra för enheter som behöver fungera bra upprepade gånger.

Förvandla elektrisk energi till mekanisk energi med den omvända piezoelektriska effekten

Den omvända piezoelektriska effekten förändrar elektrisk energi tillbaka till mekanisk energi.Att applicera en elektrisk spänning på ett piezoelektriskt material skapar ett elektriskt fält som ändrar kristallgitterstrukturen och förändrar materialets dimensioner.

Denna effekt används i precisionsaffärer i optiska instrument och mikropositioneringssystem.Den omvända piezoelektriska effekten säkerställer att små elektriska ingångar resulterar i exakta, kontrollerade mekaniska justeringar, vilket hjälper framsteg inom robotik, bilteknik, medicinska instrument och telekommunikation.

Den piezoelektriska effektens dubbla förmåga att fungera som både en mekanisk-till-elektrisk och elektrisk till-mekanisk givare stöder tekniska framsteg.Den förbinder de mekaniska och elektriska domänerna och utvidgar modern teknik och innovation.

Bild 13: Direkt och omvänd piezoelektrisk effekt

Jämförelse av icke-piezoelektriska och piezoelektriska material

Icke-piezoelektriska och piezoelektriska material är olika i hur de hanterar mekanisk och elektrisk energi.Icke-piezoelektriska material som stål och aluminium kan utföra el men inte skapa en elektrisk laddning när de är stressade.Piezoelektriska material, såsom kvarts och viss keramik, kan förändra mekanisk energi till elektrisk energi på grund av deras speciella kristallstruktur.

Icke-piezoelektriska material har symmetriska kristallgitter, så att de inte producerar en elektrisk dipol när de är stressade.Piezoelektriska material har asymmetriska kristallgitter, vilket gör att de kan generera en elektrisk laddning när de är under stress.Denna deformation orsakar intern polarisering och skapar elektrisk potential.

Icke-piezoelektriska material uppträder som vanliga ledare eller isolatorer baserat på deras elektronmobilitet och bandstruktur och de skapar inte en elektrisk laddning när de deformeras.Piezoelektriska material uppvisar två effekter: den direkta piezoelektriska effekten, där mekanisk stress genererar en elektrisk laddning och den omvända piezoelektriska effekten, där ett elektriskt fält orsakar mekanisk deformation.Dessa egenskaper gör att piezoelektriska material är lämpliga för användning i sensorer och ställdon.

På grund av deras olika egenskaper används icke-piezoelektriska och piezoelektriska material i olika tillämpningar.Icke-piezoelektriska material används i strukturella komponenter, elektriska ledningar och vanliga elektroniska delar där styrka och konduktivitet är viktiga.Piezoelektriska material används i fält som kräver exakt kontroll och mekanisk elektrisk energiomvandling, såsom ultraljudsutrustning, precisionspositioneringsanordningar och olika sensorer och ställdon som är bra för avancerad teknik.

Applikationer av piezoelektricitet

Konsumentelektronik: I smartphones och andra enheter används piezoelektriska delar i högtalare och mikrofoner.De förvandlar elektriska signaler till ljudvibrationer eller ljudvibrationer till elektriska signaler för ljudinmatning.

Bilindustrin: Moderna bilar använder piezoelektriska sensorer för många ändamål som att kontrollera bränsleinsprutningen i motorer och övervaka däcktrycket.

Miljöövervakning: Piezoelektriska sensorer upptäcker tryckförändringar, vibrationer och ljud.De används för att kontrollera miljöförhållandena och säkerställa säkerheten för byggnader och broar.

Energi skörd: piezoelektriska material kan fånga energi från mekanisk stress.Till exempel kan golv som omvandlar fotspår till elektrisk energi kraftbelysning och elektronik i livliga områden, vilket hjälper till att skapa hållbara miljöer.

Högspänning piezoelektriska tändare: Dessa tändare som används för belysning av gasspisar och grillar och skapar en högspänning från ett litet mekaniskt klick, vilket ger en gnista för att tända brännaren.Detta visar den praktiska användningen av piezoelektriska material.

Medicinsk avbildning: Piezoelektriska kristaller är användbara i ultraljudsmaskiner.De producerar ljudvågor som studsar av vävnader och organ och skapar bilder för diagnos.

Precisionsaffärer i vetenskapliga instrument: piezoelektriska material i precisionsaffärer skapar små rörelser för optik och nanoteknologi.Dessa ställdon justerar speglar, linser och andra delar med mikroskopisk noggrannhet för vetenskaplig forskning och halvledartillverkning.

Slutsats

Att studera piezoelektriska material visar en stark koppling mellan fysik och teknik, vilket visar hur deras naturliga egenskaper kan användas för många tekniska ändamål.Mångsidigheten hos piezoelektriska material som finns tillgängliga som både starka bulkmaterial och flexibla tunna filmer, gör dem lämpliga för olika applikationer, såsom energiavverkning, miljöövervakning och utveckling av hållbar teknik.När innovationen fortsätter är forskning och utveckling inom piezoelektriska material viktigare, lovande förbättringar i effektivitet, precision och funktionalitet för framtida tekniker.

Vanliga frågor [FAQ]

1. Vad får el att produceras från piezoelektrisk effekt?

Den piezoelektriska effekten uppstår när vissa material ger en elektrisk laddning som svar på mekanisk stress.Dessa material, en kristaller som kvarts, keramik som bariumtitanat och vissa polymerer, har en kristallgitterstruktur som är icke-centrosymmetrisk, vilket innebär att det saknar ett centrum för symmetri.När mekanisk kraft såsom tryck eller vibration appliceras blir denna struktur förvrängd.Denna distorsion förskjuter jonerna i gitteret och skapar områden med positiva och negativa laddningar.Den rumsliga separationen av dessa laddningar resulterar i en elektrisk potential som genererar el.Denna effekt är reversibel och applicering av ett elektriskt fält på dessa material kommer också att inducera mekanisk stress.

2. Vilken enhet använder den piezoelektriska effekten?

Enheter som använder den piezoelektriska effekten varierar och inkluderar både vardaglig och specialiserad utrustning.Vanliga applikationer är:

Kvartsur: Använd de vanliga vibrationerna i kvarts under ett elektriskt fält för att hålla tiden exakt.

Medicinska ultraljudsanordningar: Generera ljudvågor som ekar inuti kroppen för att skapa diagnostiska bilder.

Bränsleinsprutare i bilar: Använd piezoelektriska ställdon för att kontrollera tidpunkten och mängden bränsle som injiceras i motorcylindrarna.

Piezoelektriska sensorer och accelerometrar: Mätning av förändringar i tryck, acceleration, belastning eller kraft genom att omvandla dem till en elektrisk signal.

3. Hur många volt är en piezo?

Spänningsutgången för ett piezoelektriskt element kan variera mycket beroende på dess storlek, material och mängden mekanisk spänning som appliceras.Ett litet piezoelement som de som finns i tändare eller elektroniska enheter kan producera en spänningsspikare som sträcker sig från några volt till flera hundra volt.Dessa utgångar är emellertid i allmänhet vid mycket låga strömmar och håller endast mikrosekunder.

4. Behöver en piezo ett motstånd?

I många applikationer används ett motstånd med ett piezoelektriskt element för att begränsa strömmen och skydda andra komponenter i kretsen från högspänningsspik som produceras när piezo är aktiverad.Motståndets värde beror på de specifika kraven i kretsen inklusive önskad responstid och känslighet.Utan motstånd kan piezo potentiellt skada anslutna elektroniska komponenter på grund av den höga initiala spänningsspiket.

5. Hur är piezoelektrisk relaterad till mänsklig makt?

Den piezoelektriska effekten är direkt tillämplig för att utnyttja mänsklig kraft på innovativa sätt.Den kan konvertera mekanisk energi från mänskliga aktiviteter, till exempel promenader eller tryckande knappar, till elektrisk energi.Denna teknik utforskas i olika applikationer:

Energi-skörd av golvplattor: Dessa plattor genererar elektricitet från trycket på fotfall i livliga områden som tunnelbanestationer eller gallerior.

Bärbar teknik: Inbäddning av piezoelektriska material i skor eller kläder för att generera kraft för små enheter genom normala kroppsrörelser.

Medicinska implantat: Använda kroppsrörelser till kraftenheter som pacemaker, minska eller eliminera behovet av externa batterier.