Блог

Пьезоэлектрики могут генерировать высокое напряжение и деформироваться при воздействии внешнего напряжения. Поэтому пьезоэлектрические материалы используются для создания, например, зуммеров и различных датчиков.

Пьезоэлектрические элементы имеют удивительно широкий спектр применения. Поэтому вам будет полезно знать, что такое пьезоэлектрические материалы.

Что такое пьезоэлектрический материал?

В основном разговорный термин «пьезоэлектрик» относится к материалу, т.е. к материалу, в котором есть пьезоэлектрический эффект. На практике различные электронные элементы (например, зуммеры) также называют пьезоэлектриками. Определения, которые даны в учебниках сформулированы таким образом, что они могут сбить с толку новичков, и тех, кто хоть мало-мальски в этом разбирается, поэтому стоит начать с простого практического определения.

Пьезоэлектрический материал	Пьезоэлектрический элемент (зуммер)

Пьезоэлектрические материалы генерируют электрическое напряжение (часто неожиданно высокое) при механической деформации. Что очень важно, пьезоэлектрические материалы и элементы обладают «двунаправленным», обратимым действием — подача на них напряжения вызовет небольшую деформацию пьезоэлектрика. Известно множество различных пьезоэлектрических материалов , но лишь немногие из них нашли практическое применение.

В учебных определениях часто подчеркивается, что пьезоэлектрики — это кристаллы — кристаллические материалы. Да, история пьезоэлектриков началась с кристаллов. Пьезоэлектрическое явление было открыто в 1880 году Пьером Кюри, известным в Польше, и его братом Полем-Жаком Кюри. Они изучали пьезоэлектрический эффект в кристаллах, т.е. в кристаллах сахара.

Однако помимо простых пьезоэлектрических материалов известны и другие пьезоэлектрические материалы, в том числе так называемые поликристаллические, керамические и другие. Пьезоэлектрическими материалами являются некоторые пластиковые пленки, а также… кости и некоторые другие ткани нашего тела. Но на практике чаще всего используются пьезоэлементы, в которых активным материалом являются различные виды керамики. Пьезокерамика представляет собой агломерат, т.е. спеченный при высокой температуре порошок, содержащий химические соединения с определенной кристаллической структурой, проявляющие пьезоэлектрический эффект.

Конструкция пьезоэлемента

Пьезоэлектрический материал всегда является изолятором — диэлектриком. Он не проводит электричество. При механической деформации на противоположных плоскостях этого непроводника появляются заряды противоположных знаков. Однако эти плоскости не проводят электричество, поэтому, чтобы хоть как-то использовать заряды, нужно покрыть плоскости токопроводящим материалом.

Используя обратный пьезоэлектрический эффект, непроводящий активный материал фактически реагирует на электрическое поле. Чтобы легко генерировать это поле, пьезоэлектрический материал, который является изолятором, должен быть помещен между двумя проводящими, предпочтительно металлическими, пластинами. Затем нужно подать напряжение между этими пластинами, что создаст между ними однородное электрическое поле, как в любом плоском конденсаторе. Тогда приложение напряжения заданной полярности будет деформировать пьезоэлектрический материал «в одну сторону», а напряжение противоположной полярности — «в другую сторону».

В любом случае, проводящие покрытия необходимы независимо от конфигурации. Так что можно сказать, что пьезоэлемент является специфическим типом конденсатора, но он абсолютно не служит для хранения энергии — это механико-электрический преобразователь. Он работает как бы в двух направлениях: деформация вызывает напряжение, а подача напряжения извне вызывает искажение. Итак, основы просты и понятны.

Как работает пьезоэлектрик?

Более ранний приведенный рисунок, может вызвать сомнения, хотя он и отражает конструкцию самого верного элемента — пьезоэлектрической диафрагмы, закрепленной на круглой пластине, являющейся «нижней» пластиной.

«Верхняя» пластина конденсатора на предыдущем рисунке нечетко обозначена, ее также не видно на фотографии выше. Вторая, «верхняя» пластина представляет собой напыленный тонкий слой металла, к которому можно припаять провод — пример показан ниже. Во многих элементах пьезопокрытия представляют собой тонкий напыленный слой какого-то проводника.

На этом сомнения не заканчиваются. На более раннем рисунке электрическое поле вызывает деформацию по оси, перпендикулярной направлению силовых линий. Например, следующая анимированная картинка из Википедии иллюстрирует пьезоэлектрический эффект и предполагает, что направление деформации идет параллельно силовым линиям электрического поля.

Однако здесь нет противоречия. Предположим, у нас есть куб из пьезоэлектрического материала. В кубе легко выделить три направления — три оси: X , Y , Z (длина, ширина, высота). Оказывается, что отдельные пьезоэлектрические материалы проявляют пьезоэффект только в одном из этих трех направлений.

Удивительно, но направление электрического поля не во всех случаях совпадает с направлением деформации. Однако нам не нужно углубляться в эту тему, потому что большинство практически полезных пьезоэлементов имеют форму не куба, а просто форму плоского керамического диска с металлическими пластинами с обеих сторон.

Пьезоэлектрическое явление против явления электрострикции

Также необходимо подчеркнуть, что пьезоэлектрическое явление обратимо и его не следует путать с явлением «односторонней» электрострикции. Электрострикция — явление малого изменения размеров под действием электрического поля во всех диэлектриках, однако механическая сила, действующая на такой элемент, не вызывает там электрического поля и напряжения.

Пьезоэлектрические элементы на практике

Подавляющее большинство пьезоэлементов содержат активный материал в виде керамики, а керамика твердая и хрупкая. Во многих электронных устройствах пьезоэлектрический керамический элемент повреждается либо механически, либо в результате перегрева при пайке провода к пластине. Другой вопрос связан с твердостью и хрупкостью: механические деформации в процессе эксплуатации не велики и не могут быть большими — можно оценить, что максимальное изменение размеров составляет порядка ±0,01 %.

Также важно, что почти все пьезоэлектрические элементы обладают резонансными свойствами. Резонансная (механическая) частота определяется размером активного элемента. Проще говоря, они лучше всего работают с сигналами переменной формы с частотами, близкими к их так называемой механической резонансной частотой. Эта резонансная частота может варьироваться от сотен герц до многих мегагерц.

На самом деле это конденсаторы, которые в некоторых устройствах взаимодействуют с катушкой, выбранной таким образом, что результирующий электрический LC-резонансный контур имеет характерную частоту, совпадающую с частотой механического резонанса преобразователя.

Идея двойного механического и электрического резонанса проста, но практическая реализация электрического резонанса сложна. Об этом стоит знать и при необходимости искать нужную информацию в Интернете. LC-резонансный контур может быть самым простым способом достижения высокого напряжения, необходимого для больших преобразователей — до нескольких сотен вольт.

Пьезоэлектрическое явление обратимо, многие пьезоэлементы могут успешно работать как датчики, так и актуаторы. Однако во многих случаях данный элемент может работать только «однонаправленно» для получения оптимальных свойств. Хороший пример — популярный ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04, в котором мы находим два пьезопреобразователя (обычно с резонансной частотой 40 кГц).

Также необходимо знать, что пьезоэлектриками являются кварцевые резонаторы и фильтры, а также керамические резонаторы и фильтры (фильтры поверхностных волн на ПАВ). Исторически в аналоговых телевизорах использовались пьезоэлектрические линии задержки. До недавнего времени в некоторых телевизорах и мониторах использовались пьезоэлектрические преобразователи в цепях питания ламп CCFL для ЖК-экранов. Некоторые измерители ускорения (акселерометры) также содержат пьезоэлектрические элементы.

Пьезоэлектрик как исполнительный элемент

Наиболее популярными пьезоэлектрическими элементами среди любителей являются показанные ранее пьезомембраны, также называемые зуммерами. Они играют роль громкоговорителей, а точнее сигнализации. Они должны питаться переменным током. Существуют также пьезоэлектрические твитеры, но из-за своих резонансных характеристик и других недостатков они не пользуются популярностью, несмотря на простоту конструкции.

Часто термин зуммер относится к мембране с взаимодействующим простым генератором на одном транзисторе — такой пьезозуммер питается от постоянного напряжения. Его называют зуммер с генератором — на его корпусе обычно есть плюсик (+) с той стороны, на которой находится вывод для подключения плюсовой шины питания.

Пьезоэлектрические форсунки в автомобильных двигателях также являются исполнительными механизмами. Есть пьезоэлектрические микронасосы (например, в струйных принтерах), микроклапаны и микроактуаторы — высокоскоростные позиционеры с крошечным ходом.

Также стоит помнить, что в пьезозажигалках пьезоэлектрический элемент генерирует очень высокое напряжение, порядка киловольт, вызывающее вспышку искры. Применяются также пьезомоторы различной конструкции, называемые ультразвуковыми моторами (их можно встретить, например, в зеркальных объективах и более качественных беззеркальных камерах). Существуют также вентиляторы без механических частей, которые благодаря пьезоэлектрическим элементам фактически работают как высокоскоростной электронный вентилятор.

Пьезоэлектрик как датчик

Десятилетия назад использовались пьезоэлектрические звукосниматели и пьезоэлектрические микрофоны. Из-за их сильных резонансных свойств и других недостатков на сегодняшний день стали очень редки. Пьезоэлектрические контактные микрофоны могут использоваться в некоторых устройствах.

Пьезомикрофон	Гитарный микрофон

Стоит знать, что каждая пластина — пьезомембрана — это микрофон, дающий значительное напряжение, но очень малый ток (имеет большое внутреннее сопротивление). Такая пластина может быть и датчиком вибрации — вибрации очень низкой частоты. Также доступны специализированные пьезоэлектрические датчики вибрации.

Пьезоэлектрические элементы используются для измерения сил и напряжений, т.е. в популярных сегодня «цифровых» весах. Пьезоэлектрические двусторонние передатчики/приемники работают в гидрофонах и в качестве ультразвуковых датчиков . Спектр применения пьезоэлектриков действительно огромен.

Итог

Пьезоэлектрические элементы имеют множество применений — они очень полезны. Всегда нужно помнить, что настоящий пьезоэлектрик обладает обратимым действием — при деформации он генерирует напряжение, а при воздействии напряжения (электрического поля) деформируется.

Тема пьезоэлектрических материалов и элементов очень широка. В нашей статье обозначены лишь некоторые из наиболее важных вопросов. Чисто из любопытства стоит знать, что пьезоэлектрические преобразователи вибрации иногда используются для получения небольшого количества «бесплатного» электричества (так называемый сбор энергии).

С Уважением, МониторБанк