Istraživanje piezoelektričnih materijala: Vrste, svojstva i tehnološki utjecaj

Tijekom godina, napredak u znanosti o materijalima stvorio je različite piezoelektrične materijale poput pojedinačnih kristala, keramike i tankih filmova.Ovaj članak pažljivo pogleda piezoelektrične materijale, uključujući njihova svojstva, vrste, kako rade i njihovu upotrebu.To ističe njihovu važnost u povezivanju strojarstva i elektrotehnike, pokretanju inovacija u mnogim područjima.

Katalog

Slika 1: Piezoelektrični materijal

Što je Piezo?

Riječ "piezo" dolazi od grčke riječi "piezein", znači "pritisnuti" ili "pritisak".To se dobro uklapa u njegovu upotrebu u znanosti za piezoelektričnost.1880. francuski fizičari Jacques i Pierre Curie otkrili su piezoelektričnost.Otkrili su da su, kada su određeni kristali poput turmalina, kvarca, topaza i rochelle soli, pritisnuti, proizveli električni naboj.Također su vidjeli da ti kristali mogu promijeniti oblik kada se primijeni električna struja pokazuje da bi postupak mogao raditi u oba smjera.

Ovo otkriće dovelo je do stvaranja različitih piezoelektričnih uređaja.Tijekom Prvog svjetskog rata, piezoelektričnost se uglavnom koristila u ultrazvučnim detektorima podmornice.Danas se piezoelektrični materijali koriste u mnogim stvarima.Nalaze se u svakodnevnim predmetima poput električnih upaljača cigareta i tintnih pisača, kao i u naprednim tehnologijama poput medicinskog ultrazvučnog snimanja i preciznosti kontrole pokreta u robotici.

Vrste piezoelektričnih materijala

Slika 2: Primjeri piezoelektričnih materijala

Pojedinačni kristalni piezoelektrični materijali

Pojedinačni piezoelektrični materijali karakteriziraju njihova kontinuirana i ujednačena kristalna rešetka, bez granica zrna.Ova ujednačena struktura često dovodi do bolje učinkovitosti elektromehaničkog spajanja u usporedbi s drugim piezoelektričnim materijalima.Primjeri takvih materijala uključuju kvarc i langazit.Ovi pojedinačni kristali proizvode se primjenom preciznih metoda rasta poput procesa Czochralski ili hidrotermalne sinteze.Njihova iznimna performansi čine ih savršenim za precizne aplikacije poput naprednih medicinskih sustava za snimanje, telekomunikacijski rezonatori i filtri, te nadzor vibracija u zrakoplovstvu.

Slika 3: Piezo kristalni kvarc materijal

Keramički piezoelektrični materijali

Piezoelektrična keramika izrađena je od materijala strukturiranih perovskitom poput olovnih cirkonata titanata (PZT).Ti su materijali polikristalni i stvaraju se sinterirajućim tvarima u prahu.Njihova piezoelektrična svojstva razvijaju se postupkom poliranja i poravnavaju električne dipole primjenom vanjskog električnog polja.Ova se keramika može lako oblikovati u različite oblike i veličine.Njihova izdržljivost i isplativost čine ih popularnim za upotrebu u aktuatorima, senzorima, ultrazvučnim pretvaračima i zujanjima potrošačke elektronike.

Slika 4: Struktura PZT tipa Piezoelektrična keramika

Tanki film piezoelektrični materijali

Tanki film piezoelektrike izrađuju se odlaganjem slojeva koji se kreću od nekoliko nanometara do nekoliko mikrometara debljine koristeći napredne tehnike izrade poput raspršivanja, kemijskog taloženja pare ili impulsnog taloženja lasera.Uobičajeni materijali koji se koriste u tankim filmovima uključuju PZT, cink oksid (ZnO) i aluminij nitrid (ALN).Tankost ovih filmova omogućava im da se integriraju u mikroelektromehaničke sustave (MEMS) i nanoelektromehaničke sustave (NEMS), povećavajući njihovu funkcionalnost u kompaktnim uređajima kao što su mikrofoni, mikro -svavoda i napredni nizovi senzora.Njihova kompatibilnost sa standardnim poluvodičkim procesima i skalabilnosti čini ih prikladnim za integrirane krugove i fleksibilnu elektroniku.

Slika 5: ALN Piezoelektrični tanki filmovi

Slika 6: Skupni piezo elementi

Odabir između piezoelektričnih materijala tankog filma i skupnih filma ovisi o specifičnim potrebama aplikacije za preciznošću, snagom i izdržljivošću.Materijali piezo tankih filmova prikladni su u malim tehnologijama.Suprotno tome, skupni piezo materijali preferiraju se u zahtjevnijim, većim aplikacijama.Tablica u nastavku uspoređuje piezo materijale tankog filma i skupne piezo materijale na temelju njihove debljine, tehnika proizvodnje, ključnih značajki i primjena.

Kategorija	Tanki film piezo materijali	Materijali od skupnog pieza
Debljina	Nekoliko nanometara do nekoliko mikrometara	Nekoliko milimetara do centimetara
Tehnike proizvodnje	Prskanje, impulsno taloženje lasera, kemijsko taloženje	Pritiranjem, ekstruzijom, obradom
Značajke	Visoko frekvencijski odgovor: Brzi odgovor vrijeme	Stvaranje velike energije: proizvodi snagu pod mehaničkim stresom
	Fleksibilnost: primjenjiva na fleksibilno površine	Trajnost: snažna i izdržljiva, prikladna za teška opterećenja i teške uvjete
	Preciznost: precizna kontrola na a mikroskopska razina	Svestranost: lako oblikovana i veličina za specifične potrebe
Prijava	Mikroelektronika i MEMS: Akcelerometri, žiroskopi, glave za pisače	Skupljanje energije: pretvara mehanički Napon od vibracija u električnu energiju
	Medicinski uređaji: ultrazvučni pretvarači za snimanje i terapiju	Pokretači i senzori: veliki pokretači u Automobilska i zrakoplovna industrija, senzori s velikim opterećenjem
	Telekomunikacije: filtri i rezonatori na mobilnim telefonima i komunikacijskim uređajima	Sonarni i ultrazvučni uređaji: sonar Sustavi za mornaričku upotrebu, industrijska ultrazvučna sredstva za čišćenje

Tanko-film PZT i metode taloženja

Materijali titanata u tankom filmu (PZT) koriste se u senzorima, pokretačima i mikroelektromehaničkim sustavima (MEMS) zbog svojih velikih piezoelektričnih svojstava.Sastav i učinkovitost PZT tankih filmova puno ovise o njihovim metodama taloženja koje mogu utjecati na njihovu strukturu, orijentaciju i piezoelektrične performanse.Tri glavne tehnike taloženja: sol-gel, raspršivanje i metalna organska kemijska taloženje pare (MOCVD).

Slika 7: Fleksibilni tanki film PZT

Sol-gel postupak

Proces sol-gel-a je isplativ način ležišta PZT tankih filmova i omogućavanje kontrole nad sastavom filma na molekularnoj razini.Ova tehnika započinje pripremom koloidne otopine (SOL) koja se pretvara u gel.Važni koraci uključuju hidroliziranje i polimerizaciju metalnih alkoksida.Rezultirajući gel primjenjuje se na supstrat pomoću okretnog premaza ili presvuka, nakon čega slijedi toplinska obrada za uklanjanje organskih komponenti i kristalizirajte PZT fazu.

Slika 8: Proces sol-gel za PZT tanke filmove

Prednosti

• Omogućuje finu kontrolu nad stehiometrijom, poboljšavajući piezoelektrična svojstva

• Koristi niže temperature u usporedbi s drugim metodama

Izazovi

• Teško je dobiti dosljednu debljinu i sastav na velikim područjima

• Visoko skupljanje tijekom sušenja i pucanja često uzrokuje pukotine

Prskanje

Pljutanje je fizička tehnika taloženja pare (PVD) u kojoj visokoenergetske čestice odbacuju materijal s cilja, a zatim nasloni na supstrat.Za PZT filmove koristi se RF magnetron prskanje koje uključuje plazmu argonskih iona koji pogađaju cilj PZT.

Slika 9: Metoda taloženja tankog filma tankog filma

Prednosti

• Izrađuje filmove s dobrom prianjanjem i gustoćom

• Pogodno za oblaganje velikih supstrata jednoliko

Izazovi

• Stres se može nakupljati u filmovima koji utječu na njihova svojstva

• Sastav cilja može se promijeniti tijekom prskanja zbog diferencijalnog prinosa za raspršivanje

Metalno organsko kemijsko taloženje pare (MOCVD)

MOCVD uključuje raspadanje metalno-organskog prekursora u pare faze i reagirati ili razgraditi na grijanom supstratu kako bi se stvorio tanki film.Ova metoda je preferirana za proizvodnju visokokristaliziranih filmova pogodnih za elektroničke primjene.

Prednosti

• Pruža izvrsnu filmsku uniformnost i sukladnost čak i na podlogama složenih oblika

• Dobro za proizvodnju velikog volumena

Izazovi

• Zahtijeva veće temperature od ostalih metoda

• Rukovanje i skladištenje metalno-organskog prekursora može biti opasno

Slika 10: Metalno organsko kemijsko taloženje pare

Kako se materijali djeluju pod stresom

Ponašanje pod kompresijom

Kad se materijali poput kvarca ili barijevog titanata stisnu, oni se mijenjaju na načine koji utječu na njihovu upotrebu u raznim uređajima.Ovi materijali imaju posebne strukture koje stvaraju električne naboje kada su pritisnute.Kako su komprimirani, oni se smanjuju i njihove unutarnje strukture mijenjaju.

Ovo stisak uzrokuje da električni naboji unutar kristala postanu neravnomjerno raspoređeni.Tlak pomiče ioni u strukturi kristala, stvarajući električno polje.To se događa jer se pozitivni i negativni naboji centri u promjeni materijala.Količina električnog odgovora ovisi o vrsti kristala, primijenjenoj sili i smjeru kristala u odnosu na silu.

Na primjer, u senzorima napon koji proizvodi kristali može izmjeriti primijenjenu silu, što ih čini savršenom za otkrivanje tlaka i praćenje opterećenja.U pokretačima, primjena električnog polja može napraviti oblik promjene kristala, omogućujući preciznu kontrolu pokreta u stvarima poput ultrazvučnih uređaja i ubrizgavanja automobila.

Slika 11: Piezoelektrični materijali

Piezoelektrični odgovor na pritisak

Kad se piezoelektrični materijali suočavaju s mehaničkim tlakom, njihove se molekule usklađuju s njihovim električnim svojstvima.Sila mijenja molekularna struktura, usklađujući regije s ujednačenim električnim smjerom, povećava električnu polarizaciju.

Ovo usklađivanje povećava odvajanje naboja u materijalu, povećavajući njegovu električnu polarizaciju.Jednostavno rečeno, pritisak čini dipole (molekule s dva suprotna naboja) ujednačenije, stvarajući snažnije električno polje za određenu silu.

Sposobnost preciznog kontrole ovog odgovora pod različitim pritiscima čini piezoelektrične materijale vrlo korisnim u mnogim tehnologijama.Njihova sposobnost pretvaranja mehaničkih tlaka u električne signale i obrnuto omogućuje im učinkovito korištenje u zadacima poput stvaranja preciznih elektroničkih frekvencija i praćenja vibracija u industrijskim postavkama.

Piezoelektrični učinak

Slika 12: Piezoelektrični učinak

Pretvaranje mehaničke energije u električnu energiju s piezoelektričnim učinkom

Piezoelektrični učinak mijenja mehaničku energiju u električnu energiju deformirajući određene kristalne materijale.Ovi materijali, poznati kao piezoelektrici, uključuju prirodne tvari poput kvarca i sintetičkih poput napredne keramike.

Kad se piezoelektrični materijal suočava s mehaničkim stresom, poput stiskanja, uvijenog ili savijenog, njegove kristalne strukture, nema središnju simetriju i ometa se.Ovaj poremećaj pomiče centre naboja u kristalu uzrokujući polarizaciju i stvarajući električni potencijal u određenim točkama u materijalu.

Ključne točke ovog postupka:

Proizvedeni električni naboj odgovara količini primijenjenog mehaničkog naprezanja.To znači da se električni izlaz može precizno kontrolirati na temelju poznate primijenjene sile;

Kad se sila ukloni, materijal se vraća u prvobitno stanje i električni naboj odlazi.To osigurava trajnost i pouzdanost materijala za uređaje koji trebaju dobro raditi.

Pretvaranje električne energije u mehaničku energiju s obrnutim piezoelektričnim učinkom

Obrnuti piezoelektrični učinak mijenja električnu energiju natrag u mehaničku energiju.Primjena električnog napona na piezoelektrični materijal stvara električno polje koje mijenja strukturu kristalne rešetke, mijenjajući dimenzije materijala.

Taj se učinak koristi u preciznim aktuatorima u optičkim instrumentima i mikro-pozicioniranim sustavima.Obrnuti piezoelektrični učinak osigurava da mali električni ulazi rezultiraju preciznim, kontroliranim mehaničkim prilagodbama, pomažući u napretku u robotici, automobilskoj tehnologiji, medicinskim instrumentima i telekomunikacijama.

Dvostruka sposobnost piezoelektričnog učinka da djeluje i kao mehanički do električni i električno-mehanički pretvarač podržava tehnološki napredak.Povezuje mehaničke i električne domene, proširujući moderno inženjerstvo i inovacije.

Slika 13: Izravni i obrnuti piezoelektrični učinak

Usporedba ne-piezoelektričnih i piezoelektričnih materijala

Ne-piezoelektrični i piezoelektrični materijali različiti su u načinu na koji se bave mehaničkom i električnom energijom.Ne-piezoelektrični materijali poput čelika i aluminija mogu provoditi električnu energiju, ali ne stvarati električni naboj kada su pod stresom.Piezoelektrični materijali, poput kvarca i određene keramike, mogu mijenjati mehaničku energiju u električnu energiju zbog svoje posebne kristalne strukture.

Ne-piezoelektrični materijali imaju simetrične kristalne rešetke, tako da ne proizvode električni dipol kada su pod stresom.Piezoelektrični materijali imaju asimetrične kristalne rešetke, što im omogućuje stvaranje električnog naboja kada je pod naponom.Ova deformacija uzrokuje unutarnju polarizaciju i stvaranje električnog potencijala.

Ne-piezoelektrični materijali ponašaju se poput redovitih vodiča ili izolatora na temelju njihove pokretljivosti elektrona i strukture opsega i ne stvaraju električni naboj prilikom deformiranja.Piezoelektrični materijali pokazuju dva učinka: izravni piezoelektrični učinak, gdje mehanički naprezanja stvara električni naboj i inverzni piezoelektrični učinak, gdje električno polje uzrokuje mehaničku deformaciju.Ove karakteristike čine piezoelektrične materijale prikladnim za upotrebu u senzorima i pokretačima.

Zbog različitih svojstava, ne-piezoelektrični i piezoelektrični materijali koriste se u različitim primjenama.Ne-piezoelektrični materijali koriste se u strukturnim komponentama, električnom ožičenju i standardnim elektroničkim dijelovima gdje su važni čvrstoća i vodljivost.Piezoelektrični materijali koriste se u poljima koja zahtijevaju preciznu kontrolu i mehaničko-električnu pretvorbu energije, kao što su ultrazvučna oprema, uređaji za precizno pozicioniranje i razni senzori i pokretači dobri za napredne tehnologije.

Primjene piezoelektričnosti

Potrošačka elektronika: U pametnim telefonima i drugim uređajima piezoelektrični dijelovi koriste se u zvučnicima i mikrofonima.Oni električne signale pretvaraju u zvučne vibracije ili zvučne vibracije u električne signale za unos zvuka.

Automobilska industrija: Moderni automobili koriste piezoelektrične senzore u mnoge svrhe poput kontrole ubrizgavanja goriva u motorima i praćenja tlaka u gumama.

Nadgledanje okoliša: Piezoelektrični senzori otkrivaju promjene tlaka, vibracije i zvukove.Koriste se za provjeru okolišnih uvjeta i osiguravanje sigurnosti zgrada i mostova.

Skupljanje energije: Piezoelektrični materijali mogu uhvatiti energiju iz mehaničkog stresa.Na primjer, podovi koji pretvaraju korake u električnu energiju mogu napajati svjetla i elektroniku u prometnim područjima, pomažući u stvaranju održivih okruženja.

Visokonaponski piezoelektrični upaljači: Ovi upaljači koji se koriste za rasvjetu plinskih peći i roštilja i stvaraju visoki napon od malog mehaničkog klika, stvarajući iskru da zapali plamenik.To pokazuje praktičnu upotrebu piezoelektričnih materijala.

Medicinsko snimanje: Piezoelektrični kristali su korisni u ultrazvučnim strojevima.Oni proizvode zvučne valove koji odbijaju tkiva i organe, stvarajući slike za dijagnozu.

Precizni aktuatori u znanstvenim instrumentima: Piezoelektrični materijali u preciznim aktuatorima stvaraju sitne pokrete za optiku i nanotehnologiju.Ovi pokretači prilagođavaju ogledala, leće i druge dijelove s mikroskopskom točnošću za znanstvena istraživanja i proizvodnju poluvodiča.

Zaključak

Proučavanje piezoelektričnih materijala pokazuje snažnu povezanost fizike i inženjerstva, pokazujući kako se njihova prirodna svojstva mogu koristiti u mnoge tehnološke svrhe.Svestranost piezoelektričnih materijala dostupnih i kao snažni skupni materijali i fleksibilni tanki filmovi, čini ih prikladnim za različite primjene, poput prikupljanja energije, nadzora okoliša i razvoja održivih tehnologija.Kako se inovacija nastavlja, istraživanje i razvoj piezoelektričnih materijala su važniji, obećavajuća poboljšanja u učinkovitosti, preciznosti i funkcionalnosti za buduće tehnologije.

Često postavljana pitanja [FAQ]

1. Što uzrokuje proizvodnju električne energije iz piezoelektričnog učinka?

Piezoelektrični učinak nastaje kada određeni materijali proizvode električni naboj kao odgovor na mehanički stres.Ovi materijali, kristali poput kvarca, keramike poput barij titanata i nekih polimera, posjeduju strukturu kristalne rešetke koja nije netosimetrična, što znači da mu nedostaje središte simetrije.Kada se primijeni mehanička sila poput tlaka ili vibracija, ova se struktura iskrivljuje.Ovo izobličenje istiskuje ione unutar rešetke, stvarajući područja s pozitivnim i negativnim nabojima.Prostorno odvajanje ovih naboja rezultira električnim potencijalom koji stvara električnu energiju.Taj je učinak reverzibilan i primjena električnog polja na ove materijale također će izazvati mehanički stres.

2. Koji uređaj koristi piezoelektrični učinak?

Uređaji koji koriste piezoelektrični učinak su različiti i uključuju svakodnevnu i specijaliziranu opremu.Uobičajene aplikacije su:

Quartz satovi: Korištenje redovitih vibracija kvarca pod električnim poljem kako bi se precizno zadržalo vrijeme.

Medicinski ultrazvučni uređaji: generiranje zvučnih valova koji odjekuju unutar tijela kako bi stvorili dijagnostičke slike.

Ubrizgači goriva u automobilima: Korištenje piezoelektričnih pokretača za kontrolu vremena i količine goriva ubrizgavanih u cilindre motora.

Piezoelektrični senzori i akcelerometri: Mjerenje promjena tlaka, ubrzanja, naprezanja ili sile pretvaranjem u električni signal.

3. Koliko je volta piezo?

Izlaz napona piezoelektričnog elementa može se uvelike razlikovati ovisno o njegovoj veličini, materijalu i količini primijenjenog mehaničkog naprezanja.Mali piezo element poput onih koji se nalaze u upaljačima ili elektroničkim uređajima može proizvesti naponski šiljak u rasponu od nekoliko volti do nekoliko stotina volti.Međutim, ti su izlazi uglavnom na vrlo niskim strujama i traju samo mikrosekunde.

4. Treba li piezo otpornik?

U mnogim se primjenama otpornik koristi s piezoelektričnim elementom za ograničavanje struje i zaštitu drugih komponenti u krugu od visokog napona koji se proizvodi kada se piezo aktivira.Vrijednost otpornika ovisi o specifičnim zahtjevima kruga, uključujući željeno vrijeme odziva i osjetljivost.Bez otpornika, piezo može potencijalno oštetiti povezane elektroničke komponente zbog visokog početnog napona.

5. Kako je piezoelektric povezan s ljudskom snagom?

Piezoelektrični učinak izravno je primjenjiv na iskorištavanje ljudske moći na inovativne načine.Može pretvoriti mehaničku energiju iz ljudskih aktivnosti, poput hodanja ili pritiskanja gumba, u električnu energiju.Ova se tehnologija istražuje u raznim aplikacijama:

Podne pločice za beru energiju: Ove pločice stvaraju električnu energiju iz pritiska nogu u prometnim područjima poput stanica podzemne željeznice ili tržnih centara.

Nosiva tehnologija: Ugradnja piezoelektričnih materijala u cipele ili odjeću za stvaranje snage za male uređaje kroz normalne pokrete tijela.

Medicinski implantati: Korištenje pokreta tijela za napajanje uređaja poput pejsmejkera, smanjenje ili uklanjanje potrebe za vanjskim baterijama.