Het verkennen van piëzo -elektrische materialen: typen, eigenschappen en technologische impact

In de loop der jaren hebben Advances in Material Science verschillende piëzo -elektrische materialen gecreëerd, zoals enkele kristallen, keramiek en dunne films.Dit artikel bekijkt piëzo -elektrische materialen, inclusief hun eigenschappen, soorten, hoe ze werken en hun gebruik.Het benadrukt hun belang bij het koppelen van mechanische en elektrotechniek, waardoor innovatie op veel gebieden wordt gestimuleerd.

Catalogus

Figuur 1: Piëzo -elektrisch materiaal

Wat is piëzo?

Het woord "piëzo" komt van het Griekse woord "piezein", betekent "drukken" of "druk".Dit past goed bij het gebruik in de wetenschap voor piëzo -elektriciteit.In 1880 ontdekten de Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie piëzo -elektriciteit.Ze ontdekten dat wanneer bepaalde kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaz en Rochelle -zout werden ingedrukt, ze een elektrische lading produceerden.Ze zagen ook dat deze kristallen van vorm konden veranderen wanneer een elektrische stroom werd toegepast, waaruit bleek dat het proces beide kanten op kon werken.

Deze ontdekking leidde tot het creëren van verschillende piëzo -elektrische apparaten.Tijdens de Eerste Wereldoorlog werd piëzo -elektriciteit voornamelijk gebruikt in ultrasone onderzeeërdetectoren.Tegenwoordig worden piëzo -elektrische materialen in veel dingen gebruikt.Ze zijn te vinden in alledaagse items zoals elektrische sigarettenaanstekers en inkjetprinters, evenals in geavanceerde technologieën zoals medische echografie -beeldvorming en precisiebewegingscontrole in robotica.

Soorten piëzo -elektrische materialen

Figuur 2: Voorbeelden van piëzo -elektrische materialen

Enkele kristal piëzo -elektrische materialen

Enkele kristal piëzo -elektrische materialen worden gekenmerkt door hun continue en uniform kristalrooster, vrij van korrelgrenzen.Deze uniforme structuur leidt vaak tot betere elektromechanische koppelingsefficiënties in vergelijking met andere piëzo -elektrische materialen.Voorbeelden van dergelijke materialen zijn Quartz en Langasite.Deze enkele kristallen worden geproduceerd met behulp van precieze groeimethoden zoals het Czochralski -proces of hydrothermische synthese.Hun uitzonderlijke prestaties maken ze perfect voor precieze toepassingen zoals geavanceerde medische beeldvormingssystemen, telecommunicatie -resonators en filters en trillingsmonitoring in ruimtevaart.

Figuur 3: Piëzo Crystal Quartz -materiaal

Keramische piëzo -elektrische materialen

Piëzo-elektrische keramiek is gemaakt van perovskiet-gestructureerde materialen zoals loodzirkonaattitanaat (PZT).Deze materialen zijn polykristallijn en worden gecreëerd door sinterende poedervormige stoffen.Hun piëzo -elektrische eigenschappen worden ontwikkeld via een polingproces en stemmen de elektrische dipolen uit door een extern elektrisch veld toe te passen.Deze keramiek kan gemakkelijk worden gevormd in verschillende vormen en maten.Hun duurzaamheid en kosteneffectiviteit maken ze populair voor gebruik in actuatoren, sensoren, ultrasone transducers en buzzers van consumentenelektronica.

Figuur 4: Structuur van piëzo -elektrische keramiek van het PZT -type

Dunne film piëzo -elektrische materialen

Dunne film piëzo -elektrica worden gemaakt door lagen af ​​te zetten die variëren van enkele nanometer tot meerdere micrometers in dikte met behulp van geavanceerde fabricagetechnieken zoals sputteren, chemische dampafzetting of gepulseerde laserafzetting.Gemeenschappelijke materialen die in dunne films worden gebruikt, omvatten PZT, zinkoxide (ZnO) en aluminiumnitride (ALN).Met de dunheid van deze films kunnen ze worden geïntegreerd in micro -elektromechanische systemen (MEMS) en nano -elektromechanische systemen (NEMS), waardoor hun functionaliteit wordt verbeterd in compacte apparaten zoals microfoons, microschakelaars en geavanceerde sensorarrays.Hun compatibiliteit met standaard halfgeleiderprocessen en schaalbaarheid maakt ze geschikt voor geïntegreerde circuits en flexibele elektronica.

Figuur 5: Aln piëzo -elektrische dunne films

Figuur 6: Bulk piëzo -elementen

Het kiezen tussen dunne-film- en bulk piëzo-elektrische materialen hangt af van de specifieke behoeften van de toepassing voor precisie, kracht en duurzaamheid.Dunne-film piëzo-materialen zijn geschikt in kleinschalige technologieën.Bulk piëzo-materialen hebben daarentegen de voorkeur in meer veeleisende, grotere toepassingen.De onderstaande tabel vergelijkt dunne-film piëzo-materialen en bulk piëzo-materialen op basis van hun dikte, productietechnieken, belangrijke functies en toepassingen.

Categorie	Dun-film piëzo-materialen	Bulk piëzo -materialen
Dikte	Een paar nanometer voor verschillende micrometers	Verschillende millimeters tot centimeters
Productietechnieken	Sputeren, gepulseerde laserafzetting, Chemische dampafzetting	Presserend, extrusie, bewerking
Functies	Hoogfrequente reactie: snelle reactie tijd	Hoge stroomopwekking: produceert kracht Onder mechanische stress
	Flexibiliteit: van toepassing op flexibel oppervlakken	Duurzaamheid: sterk en duurzaam, geschikt Voor zware ladingen en harde omstandigheden
	Precisie: precieze controle op een microscopisch niveau	Veelzijdigheid: gemakkelijk gevormd en formaat voor specifieke behoeften
Toepassingen	Micro -elektronica en MEMS: Versnellingsmeters, gyroscopen, inkjetprinterkoppen	Energieoogst: converteert mechanisch Stress van trillingen in elektrische energie
	Medische hulpmiddelen: ultrasone transducers voor beeldvorming en therapie	Actuatoren en sensoren: grote actuatoren in Automotive en ruimtevaartindustrie, sensoren met een hoge belasting
	Telecommunicatie: filters en Resonators in mobiele telefoons en communicatieapparaten	Sonar en ultrasone apparaten: Sonar Systemen voor marinegebruik, industriële ultrasone reinigingsmiddelen

Dunne-film PZT en afzettingsmethoden

Dunne-film loodzirkonaat titanaat (PZT) materialen worden gebruikt in sensoren, actuatoren en micro-elektromechanische systemen (MEMS) vanwege hun grote piëzo-elektrische eigenschappen.De samenstelling en effectiviteit van PZT dunne films hangen veel af van hun depositiemethoden die hun structuur, oriëntatie en piëzo -elektrische prestaties kunnen beïnvloeden.De drie belangrijkste afzettingstechnieken: Sol-gel, sputteren en metaal organische chemische dampafzetting (MOCVD).

Figuur 7: Flexibele dunne film PZT

Sol-gelproces

Het SOL-gelproces is een kosteneffectieve manier om PZT dunne films te storten en controle over filmsamenstelling op moleculair niveau toe te staan.Deze techniek begint met het bereiden van een colloïdale oplossing (SOL) die verandert in een gel.Belangrijke stappen zijn onder meer hydrolysering en polymeriserende metaalalkoxiden.De resulterende gel wordt toegepast op een substraat met spincoating of dip-coating, gevolgd door warmtebehandeling om organische componenten te verwijderen en de PZT-fase te kristalliseren.

Figuur 8: Sol-gelproces voor PZT dunne films

Voordelen

• maakt een fijne controle over stoichiometrie mogelijk, waardoor piëzo -elektrische eigenschappen worden verbeterd

• Gebruikt lagere temperaturen in vergelijking met andere methoden

Uitdagingen

• Het is moeilijk om consistente dikte en samenstelling over grote gebieden te krijgen

• Hoge krimp tijdens het drogen en schieten veroorzaakt vaak scheuren

Sputteren

Sputeren is een fysieke dampafzetting (PVD) techniek waarbij hoge energie-deeltjes materiaal van een doelwit slaan en vervolgens afzitten op een substraat.Voor PZT -films wordt RF Magnetron -sputtering gebruikt met een plasma van argonionen die het PZT -doelwit raken.

Figuur 9: Sputter-afzettingsmethode van dunne-filmafzetting

Voordelen

• Produceert films met goede hechting en dichtheid

• Geschikt voor het uniforme coaten van grote substraten

Uitdagingen

• Stress kan zich opbouwen in de films die hun eigenschappen beïnvloeden

• De samenstelling van het doel kan veranderen tijdens het sputteren als gevolg van differentiële sputteropbrengsten

Metaal organische chemische dampafzetting (MOCVD)

MOCVD omvat het ontbinden van metaal-organische voorlopers in een dampfase en reageren of ontleden op een verwarmd substraat om een ​​dunne film te vormen.Deze methode heeft de voorkeur voor het produceren van hoge zuiverheid, goed gekristalliseerde films die geschikt zijn voor elektronische toepassingen.

Voordelen

• Biedt uitstekende filmuniformiteit en conformiteit, zelfs op complexvormige substraten

• Goed voor productie met een groot volume

Uitdagingen

• Vereist hogere temperaturen dan andere methoden

• Behandeling en opslag van metaalorganische voorlopers kan gevaarlijk zijn

Figuur 10: Metaal organische chemische dampafzetting

Hoe materialen werken onder stress

Gedrag onder compressie

Wanneer materialen zoals kwarts of bariumtitanaat worden geperst, veranderen ze op manieren die van invloed zijn op hun gebruik in verschillende apparaten.Deze materialen hebben speciale structuren die elektrische ladingen creëren wanneer ze worden ingedrukt.Terwijl ze worden gecomprimeerd, krimpen ze en verandert hun interne structuur.

Dit persen zorgt ervoor dat de elektrische ladingen in het kristal ongelijk verdeeld worden.De druk verplaatst ionen in de structuur van het kristal, waardoor een elektrisch veld ontstaat.Dit gebeurt omdat de positieve en negatieve lading centra in de materiaalverschuiving.De hoeveelheid elektrische respons hangt af van het type kristal, de uitgeoefende kracht en de richting van het kristal ten opzichte van de kracht.

In sensoren kan de spanning die door de kristallen wordt geproduceerd bijvoorbeeld de toegepaste kracht meten, waardoor ze perfect zijn voor het detecteren van druk en het bewaken van belastingen.In actuatoren kan het aanbrengen van een elektrisch veld de kristalveranderingsverandering maken, waardoor nauwkeurige controle van bewegingen mogelijk is in dingen zoals ultrasone apparaten en autofroedelsinjectoren.

Figuur 11: Piëzo -elektrische materialen werken

Piëzo -elektrische reactie op druk

Wanneer piëzo -elektrische materialen mechanische druk onder ogen zien, herschikken hun moleculen, die hun elektrische eigenschappen beïnvloeden.De kracht verandert de moleculaire structuur, die gebieden uitlijnen met uniforme elektrische richting, verhoogt de elektrische polarisatie.

Deze uitlijning verhoogt de ladingsscheiding in het materiaal, waardoor de elektrische polarisatie ervan wordt verbeterd.In eenvoudige bewoordingen maakt de druk de dipolen (moleculen met twee tegengestelde ladingen) uniformer, waardoor een sterker elektrisch veld voor een bepaalde kracht ontstaat.

De mogelijkheid om deze reactie nauwkeurig onder verschillende druk te regelen, maakt piëzo -elektrische materialen in veel technologieën zeer nuttig.Door hun vermogen om mechanische druk om te zetten in elektrische signalen en vice versa kan ze effectief worden gebruikt in taken zoals het genereren van precieze elektronische frequenties en het bewaken van trillingen in industriële omgevingen.

Het piëzo -elektrische effect

Figuur 12: Het piëzo -elektrische effect

Mechanische energie omzetten in elektrische energie met het piëzo -elektrische effect

Het piëzo -elektrische effect verandert mechanische energie in elektrische energie door bepaalde kristalmaterialen te vervormen.Deze materialen, bekend als piëzo -elektrica, omvatten natuurlijke stoffen zoals kwarts en synthetische zoals geavanceerd keramiek.

Wanneer een piëzo -elektrisch materiaal geconfronteerd wordt met mechanische stress, zoals worden geperst, gedraaid of gebogen, zijn kristalstructuur, heeft geen centrale symmetrie en wordt gestoord.Deze verstoring verschuift de ladingscentra in het kristal die polarisatie veroorzaken en een elektrisch potentieel creëert op bepaalde punten in het materiaal.

Belangrijkste punten van dit proces:

De geproduceerde elektrische lading komt overeen met de hoeveelheid toegepaste mechanische spanning.Dit betekent dat de elektrische uitgang precies kan worden geregeld op basis van de bekende toegepaste kracht;

Wanneer de kracht wordt verwijderd, keert het materiaal terug naar zijn oorspronkelijke toestand en verdwijnt de elektrische lading.Dit zorgt voor de duurzaamheid en betrouwbaarheid van het materiaal dat goed is voor apparaten die herhaaldelijk goed moeten werken.

Elektrische energie omzetten in mechanische energie met het omgekeerde piëzo -elektrische effect

Het omgekeerde piëzo -elektrische effect verandert elektrische energie terug in mechanische energie.Het aanbrengen van een elektrische spanning op een piëzo -elektrisch materiaal creëert een elektrisch veld dat de kristalroosterstructuur verandert, waardoor de afmetingen van het materiaal worden gewijzigd.

Dit effect wordt gebruikt in precisie-actuatoren in optische instrumenten en micro-positioneringssystemen.Het omgekeerde piëzo -elektrische effect zorgt ervoor dat kleine elektrische ingangen resulteren in precieze, gecontroleerde mechanische aanpassingen, het helpen van vooruitgang in robotica, automotive -technologie, medische instrumenten en telecommunicatie.

Het dubbele vermogen van het piëzo-elektrische effect om te werken als zowel een mechanisch-tot-elektrische als elektrische-tot-mechanische transducer ondersteunt technologische vooruitgang.Het verbindt de mechanische en elektrische domeinen en breidt moderne engineering en innovatie uit.

Figuur 13: Direct en omgekeerde piëzo -elektrisch effect

Het vergelijken van niet-piezo-elektrische en piëzo-elektrische materialen

Niet-piezo-elektrische en piëzo-elektrische materialen zijn verschillend in hoe ze omgaan met mechanische en elektrische energie.Niet-piezo-elektrische materialen zoals staal en aluminium kunnen elektriciteit leiden, maar creëren geen elektrische lading wanneer ze worden gestrest.Piëzo -elektrische materialen, zoals kwarts en bepaald keramiek, kunnen mechanische energie veranderen in elektrische energie vanwege hun speciale kristalstructuur.

Niet-piezo-elektrische materialen hebben symmetrische kristallen roosters, zodat ze geen elektrische dipool produceren als ze gestrest zijn.Piëzo -elektrische materialen hebben asymmetrische kristallen roosters, waarmee ze een elektrische lading kunnen genereren wanneer ze onder spanning zijn.Deze vervorming veroorzaakt interne polarisatie en het creëren van elektrische potentiaal.

Niet-piezo-elektrische materialen gedragen zich als reguliere geleiders of isolatoren op basis van hun elektronenmobiliteit en bandstructuur en ze creëren geen elektrische lading wanneer ze vervormd zijn.Piëzo -elektrische materialen vertonen twee effecten: het directe piëzo -elektrische effect, waarbij mechanische spanning een elektrische lading genereert en het omgekeerde piëzo -elektrische effect, waarbij een elektrisch veld mechanische vervorming veroorzaakt.Deze kenmerken maken piëzo -elektrische materialen geschikt voor gebruik in sensoren en actuatoren.

Vanwege hun verschillende eigenschappen worden niet-piezo-elektrische en piëzo-elektrische materialen in verschillende toepassingen gebruikt.Niet-piezo-elektrische materialen worden gebruikt in structurele componenten, elektrische bedrading en standaard elektronische onderdelen waar sterkte en geleidbaarheid belangrijk zijn.Piëzo-elektrische materialen worden gebruikt in velden die nauwkeurige controle- en mechanisch-elektrische energieconversie vereisen, zoals ultrasone apparatuur, precisiepositioneringsapparatuur en verschillende sensoren en actuatoren die goed zijn voor geavanceerde technologieën.

Toepassingen van piëzo -elektriciteit

Consumentenelektronica: in smartphones en andere apparaten worden piëzo -elektrische onderdelen gebruikt in luidsprekers en microfoons.Ze veranderen elektrische signalen in geluidstrillingen of geluidsvibraties in elektrische signalen voor audio -ingang.

Automotive -industrie: moderne auto's gebruiken piëzo -elektrische sensoren voor veel doeleinden, zoals het regelen van de brandstofinjectie in motoren en het bewaken van bandenspanning.

Omgevingsmonitoring: piëzo -elektrische sensoren detecteren drukveranderingen, trillingen en geluiden.Ze worden gebruikt voor het controleren van omgevingscondities en het waarborgen van de veiligheid van gebouwen en bruggen.

Energieoogst: piëzo -elektrische materialen kunnen energie van mechanische stress vastleggen.Vloeren die voetstappen omzetten in elektrische energie kunnen bijvoorbeeld stroomverlichting en elektronica in drukke gebieden omzetten, waardoor duurzame omgevingen worden gecreëerd.

Hoogspanning piëzo-elektrische aanstekers: deze aanstekers die worden gebruikt voor het verlichten van gasfornuizen en barbecues en creëren een hoogspanning van een kleine mechanische klik, die een vonk produceert om de brander aan te steken.Dit toont het praktische gebruik van piëzo -elektrische materialen.

Medische beeldvorming: piëzo -elektrische kristallen zijn nuttig in echografie -machines.Ze produceren geluidsgolven die van weefsels en organen stuiteren en beelden maken voor diagnose.

Precisieactuatoren in wetenschappelijke instrumenten: piëzo -elektrische materialen in precisie -actuatoren creëren kleine bewegingen voor optica en nanotechnologie.Deze actuatoren passen spiegels, lenzen en andere onderdelen aan met een microscopische nauwkeurigheid voor wetenschappelijk onderzoek en de productie van halfgeleiders.

Conclusie

Het bestuderen van piëzo -elektrische materialen toont een sterk verband tussen fysica en engineering, wat aantoont hoe hun natuurlijke eigenschappen voor veel technologische doeleinden kunnen worden gebruikt.De veelzijdigheid van piëzo -elektrische materialen die beschikbaar zijn als zowel sterke bulkmaterialen als flexibele dunne films, maakt ze geschikt voor verschillende toepassingen, zoals energieopvang, milieumonitoring en het ontwikkelen van duurzame technologieën.Naarmate innovatie doorgaat, zijn onderzoek en ontwikkeling in piëzo -elektrische materialen belangrijker, veelbelovende verbeteringen in efficiëntie, precisie en functionaliteit voor toekomstige technologieën.

Veelgestelde vragen [FAQ]

1. Wat zorgt ervoor dat elektriciteit wordt geproduceerd uit piëzo -elektrisch effect?

Het piëzo -elektrische effect treedt op wanneer bepaalde materialen een elektrische lading produceren in reactie op mechanische spanning.Deze materialen, een kristallen zoals kwarts, keramiek zoals bariumtitanaat en sommige polymeren, hebben een kristalroosterstructuur die niet-centrosymmetrisch is, wat betekent dat het een centrum van symmetrie mist.Wanneer mechanische kracht zoals druk of trillingen wordt uitgeoefend, wordt deze structuur vervormd.Deze vervorming verplaatst de ionen in het rooster en creëert gebieden met positieve en negatieve ladingen.De ruimtelijke scheiding van deze ladingen resulteert in een elektrisch potentieel dat elektriciteit genereert.Dit effect is omkeerbaar en het toepassen van een elektrisch veld op deze materialen zal ook mechanische stress veroorzaken.

2. Welk apparaat gebruikt het piëzo -elektrische effect?

Apparaten die het piëzo -elektrische effect gebruiken, zijn gevarieerd en omvatten zowel alledaagse als gespecialiseerde apparatuur.Veel voorkomende toepassingen zijn:

Quartz -horloges: het gebruik van de reguliere trillingen van kwarts onder een elektrisch veld om de tijd nauwkeurig te houden.

Medische echografie -apparaten: het genereren van geluidsgolven die in het lichaam echoën om diagnostische afbeeldingen te maken.

Brandstofinjectoren in auto's: piëzo -elektrische actuatoren gebruiken om de timing en hoeveelheid brandstof in de motorcilinders te regelen.

Piëzo -elektrische sensoren en versnellingsmeters: het meten van veranderingen in druk, versnelling, spanning of kracht door ze om te zetten in een elektrisch signaal.

3. Hoeveel volt is een piëzo?

De spanningsuitgang van een piëzo -elektrisch element kan sterk variëren, afhankelijk van de grootte, materiaal en de hoeveelheid mechanische stress die wordt toegepast.Een klein piëzo -element zoals die in aanstekers of elektronische apparaten kan een spanningspiek produceren, variërend van enkele volt tot enkele honderden volt.Deze uitgangen bevinden zich echter over het algemeen op zeer lage stromen en laatste alleen microseconden.

4. Heeft een piëzo een weerstand nodig?

In veel toepassingen wordt een weerstand gebruikt met een piëzo -elektrisch element om de stroom te beperken en andere componenten in het circuit te beschermen tegen de hoogspanningsspike geproduceerd wanneer de piëzo wordt geactiveerd.De waarde van de weerstand hangt af van de specifieke vereisten van het circuit, inclusief de gewenste responstijd en gevoeligheid.Zonder een weerstand kan de piëzo mogelijk verbonden elektronische componenten beschadigen vanwege de hoge initiële spanningspiek.

5. Hoe is piëzo -elektrisch gerelateerd aan menselijke kracht?

Het piëzo -elektrische effect is direct van toepassing op het benutten van de menselijke macht op innovatieve manieren.Het kan mechanische energie omzetten van menselijke activiteiten, zoals wandelen of drukken, in elektrische energie.Deze technologie wordt in verschillende toepassingen onderzocht:

Energie-oogstende vloertegels: deze tegels genereren elektriciteit door de druk van voetstappen in drukke gebieden zoals metrostations of winkelcentra.

Draagbare technologie: inbedden piëzo -elektrische materialen in schoenen of kleding om kracht te genereren voor kleine apparaten door normale lichaamsbewegingen.

Medische implantaten: het gebruik van lichaamsbewegingen naar stroomapparaten zoals pacemakers, het verminderen of elimineren van de behoefte aan externe batterijen.