Meneroka Bahan Piezoelektrik: Jenis, Harta, dan Kesan Teknologi

Selama bertahun -tahun, kemajuan dalam sains bahan telah mencipta bahan piezoelektrik yang berbeza seperti kristal tunggal, seramik, dan filem nipis.Artikel ini melihat dengan jelas bahan piezoelektrik termasuk sifat, jenis, bagaimana mereka bekerja, dan kegunaan mereka.Ia menyoroti kepentingan mereka dalam menghubungkan kejuruteraan mekanikal dan elektrik, memacu inovasi dalam banyak bidang.

Katalog

Rajah 1: Bahan piezoelektrik

Apa itu Piezo?

Perkataan "piezo" berasal dari perkataan Yunani "piezein," bermaksud "untuk menekan" atau "tekanan."Ini sesuai dengan penggunaannya dalam sains untuk piezoelectricity.Pada tahun 1880, ahli fizik Perancis Jacques dan Pierre Curie menemui piezoelectricity.Mereka mendapati bahawa apabila kristal tertentu seperti Tourmaline, Quartz, Topaz, dan Rochelle Salt, ditekan, mereka menghasilkan caj elektrik.Mereka juga melihat bahawa kristal ini boleh berubah bentuk apabila arus elektrik digunakan menunjukkan bahawa proses itu dapat berfungsi dengan baik.

Penemuan ini membawa kepada penciptaan pelbagai peranti piezoelektrik.Semasa Perang Dunia I, piezoelectricity terutamanya digunakan dalam pengesan kapal selam ultrasonik.Hari ini, bahan piezoelektrik digunakan dalam banyak perkara.Mereka ditemui dalam barangan sehari -hari seperti pemetik api rokok elektrik dan pencetak inkjet, serta teknologi canggih seperti pengimejan ultrasound perubatan dan kawalan gerakan ketepatan dalam robotik.

Jenis bahan piezoelektrik

Rajah 2: Contoh bahan piezoelektrik

Bahan piezoelektrik kristal tunggal

Bahan piezoelektrik kristal tunggal dicirikan oleh kisi kristal yang berterusan dan seragam, bebas dari sempadan bijian.Struktur seragam ini sering membawa kepada kecekapan gandingan elektromekanik yang lebih baik berbanding dengan bahan piezoelektrik lain.Contoh bahan tersebut termasuk kuarza dan langasit.Kristal tunggal ini dihasilkan menggunakan kaedah pertumbuhan yang tepat seperti proses Czochralski atau sintesis hidroterma.Prestasi luar biasa mereka menjadikan mereka sesuai untuk aplikasi yang tepat seperti sistem pengimejan perubatan maju, resonator telekomunikasi dan penapis, dan pemantauan getaran dalam aeroangkasa.

Rajah 3: Bahan kuarza kristal piezo

Bahan piezoelektrik seramik

Seramik piezoelektrik dibuat dari bahan berstruktur perovskite seperti Lead Zirconate Titanate (PZT).Bahan -bahan ini adalah polikristalin dan dicipta oleh bahan serbuk sintering.Ciri -ciri piezoelektrik mereka dibangunkan melalui proses poling dan menjajarkan dipoles elektrik dengan menggunakan medan elektrik luaran.Seramik ini boleh dibentuk dengan mudah ke dalam pelbagai bentuk dan saiz.Ketahanan dan keberkesanan kos mereka menjadikan mereka popular untuk digunakan dalam penggerak, sensor, transduser ultrasonik, dan buzzer elektronik pengguna.

Rajah 4: Struktur seramik piezoelektrik jenis PZT

Bahan piezoelektrik filem nipis

Piezoelektrik filem nipis dibuat dengan mendepositkan lapisan yang terdiri daripada beberapa nanometer ke beberapa mikrometer dalam ketebalan menggunakan teknik fabrikasi canggih seperti sputtering, pemendapan wap kimia atau pemendapan laser berdenyut.Bahan biasa yang digunakan dalam filem nipis termasuk PZT, zink oksida (ZnO), dan aluminium nitrida (ALN).Penipisan filem -filem ini membolehkan mereka diintegrasikan ke dalam sistem mikroelektrik (MEMS) dan sistem nanoelectromekanikal (NEMS), meningkatkan fungsi mereka dalam peranti padat seperti mikrofon, mikroswitches dan array sensor lanjutan.Keserasian mereka dengan proses semikonduktor standard dan skalabiliti menjadikannya sesuai untuk litar bersepadu dan elektronik fleksibel.

Rajah 5: Filem nipis piezoelektrik Aln

Rajah 6: Unsur piezo pukal

Memilih antara bahan nipis dan bahan piezoelektrik pukal bergantung kepada keperluan khusus aplikasi untuk ketepatan, kuasa dan ketahanan.Bahan-bahan piezo filem nipis sesuai dengan teknologi berskala kecil.Sebaliknya, bahan piezo pukal lebih disukai dalam aplikasi yang lebih menuntut, lebih besar.Jadual di bawah membandingkan bahan piezo filem nipis dan bahan piezo pukal berdasarkan ketebalan, teknik pembuatan, ciri dan aplikasi utama.

Kategori	Bahan piezo filem nipis	Bahan piezo pukal
Ketebalan	Beberapa nanometer ke beberapa mikrometer	Beberapa milimeter hingga sentimeter
Teknik pembuatan	Sputtering, pemendapan laser berdenyut, pemendapan wap kimia	Menekan, penyemperitan, pemesinan
Ciri -ciri	Tanggapan frekuensi tinggi: tindak balas pantas kali	Generasi Kuasa Tinggi: Menghasilkan Kuasa di bawah tekanan mekanikal
	Fleksibiliti: Berkenaan dengan fleksibel permukaan	Ketahanan: kuat dan tahan lama, sesuai untuk beban berat dan keadaan yang keras
	Ketepatan: Kawalan tepat pada a Tahap mikroskopik	Fleksibiliti: mudah dibentuk dan bersaiz untuk keperluan khusus
Aplikasi	Mikroelektronik dan MEMS: Accelerometers, gyroscopes, kepala pencetak inkjet	Penuaian Tenaga: Menukar mekanikal Tekanan dari getaran ke dalam tenaga elektrik
	Peranti Perubatan: Transduser ultrasonik untuk pengimejan dan terapi	Penggerak dan sensor: penggerak besar di industri automotif dan aeroangkasa, sensor beban tinggi
	Telekomunikasi: penapis dan Resonator dalam telefon bimbit dan peranti komunikasi	Peranti sonar dan ultrasonik: sonar Sistem untuk kegunaan tentera laut, pembersih ultrasonik industri

Kaedah PZT dan pemendapan filem nipis

Bahan-bahan titanat zirkonat tipis tipis (PZT) digunakan dalam Sensor, Penggerak, dan Sistem Mikroelektrik (MEMS) kerana sifat piezoelektrik mereka yang hebat.Komposisi dan keberkesanan filem nipis PZT banyak bergantung pada kaedah pemendapan mereka yang boleh menjejaskan struktur, orientasi, dan prestasi piezoelektrik mereka.Tiga teknik pemendapan utama: sol-gel, sputtering, dan logam pemendapan wap kimia organik (MOCVD).

Rajah 7: PZT filem nipis fleksibel

Proses sol-gel

Proses sol-gel adalah cara yang kos efektif untuk mendepositkan filem nipis PZT dan membolehkan kawalan ke atas komposisi filem di peringkat molekul.Teknik ini bermula dengan menyediakan penyelesaian koloid (SOL) yang menjadi gel.Langkah -langkah penting termasuk hidrolisis dan polimerik alkoxides logam.Gel yang dihasilkan digunakan untuk substrat menggunakan salutan spin atau salutan dip, diikuti dengan rawatan haba untuk menghilangkan komponen organik dan mengkristalisasi fasa PZT.

Rajah 8: Proses sol-gel untuk filem nipis PZT

Kelebihan

• Membolehkan kawalan baik ke atas stoikiometri, meningkatkan sifat piezoelektrik

• Menggunakan suhu yang lebih rendah berbanding dengan kaedah lain

Cabaran

• Sukar untuk mendapatkan ketebalan dan komposisi yang konsisten di seluruh kawasan

• Pengecutan tinggi semasa pengeringan dan tembakan sering menyebabkan retak

Sputtering

Sputtering adalah teknik pemendapan wap fizikal (PVD) di mana zarah tenaga tinggi mengetuk bahan dari sasaran kemudian mendepositkan ke substrat.Untuk filem PZT, RF magnetron sputtering digunakan melibatkan plasma ion argon yang memukul sasaran PZT.

Rajah 9: Kaedah pemendapan sputter pemendapan filem nipis

Kelebihan

• Menghasilkan filem dengan lekatan dan ketumpatan yang baik

• Sesuai untuk salutan substrat besar secara seragam

Cabaran

• Tekanan dapat membina filem yang mempengaruhi sifat mereka

• Komposisi sasaran mungkin berubah semasa sputtering kerana hasil sputtering berbeza

Pemendapan wap kimia organik logam (MOCVD)

MOCVD melibatkan penguraian prekursor logam-organik dalam fasa wap dan bertindak balas atau mengurai pada substrat yang dipanaskan untuk membentuk filem nipis.Kaedah ini lebih disukai untuk menghasilkan filem-filem yang tinggi dan baik yang sesuai untuk aplikasi elektronik.

Kelebihan

• Menyediakan keseragaman filem yang sangat baik dan kesesuaian walaupun pada substrat berbentuk kompleks

• Baik untuk pengeluaran volum tinggi

Cabaran

• Memerlukan suhu yang lebih tinggi daripada kaedah lain

• Pengendalian dan penyimpanan prekursor logam-organik boleh berbahaya

Rajah 10: Pemendapan wap kimia organik logam

Bagaimana bahan bertindak di bawah tekanan

Tingkah laku di bawah mampatan

Apabila bahan -bahan seperti kuarza atau barium titanate diperah, mereka berubah dengan cara yang memberi kesan kepada penggunaannya dalam pelbagai peranti.Bahan -bahan ini mempunyai struktur khas yang membuat caj elektrik apabila ditekan.Kerana mereka dimampatkan, mereka mengecut dan perubahan struktur dalaman mereka.

Pergeseran ini menyebabkan caj elektrik di dalam kristal menjadi tidak teragih.Tekanan bergerak ion dalam struktur kristal, mewujudkan medan elektrik.Ini berlaku kerana pusat caj positif dan negatif dalam peralihan bahan.Jumlah tindak balas elektrik bergantung kepada jenis kristal, daya yang digunakan dan arah kristal relatif kepada daya.

Sebagai contoh, dalam sensor, voltan yang dihasilkan oleh kristal dapat mengukur daya yang digunakan menjadikannya sempurna untuk mengesan tekanan dan pemantauan beban.Dalam penggerak, memohon medan elektrik boleh membuat bentuk perubahan kristal, yang membolehkan kawalan pergerakan yang tepat dalam perkara seperti peranti ultrasonik dan penyuntik bahan api kereta.

Rajah 11: Bahan piezoelektrik berfungsi

Tindak balas piezoelektrik terhadap tekanan

Apabila bahan piezoelektrik menghadapi tekanan mekanikal, molekul mereka menyusun semula, mempengaruhi sifat elektrik mereka.Kekuatan ini mengubah struktur molekul, menjajarkan kawasan dengan arah elektrik seragam, meningkatkan polarisasi elektrik.

Penjajaran ini meningkatkan pemisahan caj dalam bahan, meningkatkan polarisasi elektriknya.Secara ringkas, tekanan menjadikan dipoles (molekul dengan dua caj bertentangan) lebih seragam, mewujudkan medan elektrik yang lebih kuat untuk daya tertentu.

Keupayaan untuk mengawal tindak balas ini dengan tepat di bawah tekanan yang berbeza menjadikan bahan piezoelektrik sangat berguna dalam banyak teknologi.Keupayaan mereka untuk menukar tekanan mekanikal ke dalam isyarat elektrik dan sebaliknya membolehkan mereka digunakan dengan berkesan dalam tugas -tugas seperti menghasilkan frekuensi elektronik yang tepat dan getaran pemantauan dalam tetapan perindustrian.

Kesan piezoelektrik

Rajah 12: Kesan piezoelektrik

Mengubah tenaga mekanikal menjadi tenaga elektrik dengan kesan piezoelektrik

Kesan piezoelektrik mengubah tenaga mekanikal ke dalam tenaga elektrik dengan mengubah bentuk bahan kristal tertentu.Bahan -bahan ini, yang dikenali sebagai piezoelektrik termasuk bahan semulajadi seperti kuarza dan sintetik seperti seramik maju.

Apabila bahan piezoelektrik menghadapi tekanan mekanikal seperti diperah, dipintal, atau bengkok, struktur kristalnya, tidak mempunyai simetri pusat dan terganggu.Gangguan ini mengalihkan pusat caj dalam kristal yang menyebabkan polarisasi dan mewujudkan potensi elektrik pada titik -titik tertentu dalam bahan.

Titik utama proses ini:

Caj elektrik yang dihasilkan sepadan dengan jumlah tegasan mekanikal yang digunakan.Ini bermakna output elektrik boleh dikawal dengan tepat berdasarkan daya yang diketahui;

Apabila daya dikeluarkan, bahan itu kembali ke keadaan asalnya dan caj elektrik hilang.Ini memastikan ketahanan dan kebolehpercayaan bahan yang baik untuk peranti yang perlu berfungsi dengan baik berulang kali.

Mengubah tenaga elektrik menjadi tenaga mekanikal dengan kesan piezoelektrik terbalik

Kesan piezoelektrik terbalik mengubah tenaga elektrik kembali ke tenaga mekanikal.Memohon voltan elektrik ke bahan piezoelektrik mewujudkan medan elektrik yang mengubah struktur kekisi kristal, mengubah dimensi bahan.

Kesan ini digunakan dalam penggerak ketepatan dalam instrumen optik dan sistem penempatan mikro.Kesan piezoelektrik terbalik memastikan bahawa input elektrik kecil menghasilkan pelarasan mekanikal yang tepat dan terkawal, membantu kemajuan dalam robotik, teknologi automotif, instrumen perubatan, dan telekomunikasi.

Keupayaan dua kesan piezoelektrik untuk bertindak sebagai transduser mekanikal-ke-elektrik dan elektrik yang menyokong kemajuan teknologi.Ia menghubungkan domain mekanikal dan elektrik, memperluaskan kejuruteraan dan inovasi moden.

Rajah 13: Kesan piezoelektrik langsung dan terbalik

Membandingkan bahan bukan piezoelektrik dan piezoelektrik

Bahan bukan piezoelektrik dan piezoelektrik berbeza dalam cara mereka mengendalikan tenaga mekanikal dan elektrik.Bahan bukan piezoelektrik seperti keluli dan aluminium boleh menjalankan elektrik tetapi tidak membuat caj elektrik apabila ditekankan.Bahan piezoelektrik, seperti kuarza dan seramik tertentu, boleh mengubah tenaga mekanikal menjadi tenaga elektrik kerana struktur kristal khas mereka.

Bahan bukan piezoelektrik mempunyai kisi kristal simetri, jadi mereka tidak menghasilkan dipole elektrik apabila ditekankan.Bahan piezoelektrik mempunyai kisi kristal asimetri, yang membolehkan mereka menghasilkan caj elektrik apabila di bawah tekanan.Deformasi ini menyebabkan polarisasi dalaman dan mewujudkan potensi elektrik.

Bahan-bahan bukan piezoelektrik berkelakuan seperti konduktor biasa atau penebat berdasarkan mobiliti elektron dan struktur band mereka dan mereka tidak membuat caj elektrik apabila cacat.Bahan piezoelektrik mempamerkan dua kesan: kesan piezoelektrik langsung, di mana tekanan mekanikal menghasilkan caj elektrik, dan kesan piezoelektrik songsang, di mana medan elektrik menyebabkan ubah bentuk mekanikal.Ciri -ciri ini menjadikan bahan piezoelektrik sesuai untuk digunakan dalam sensor dan penggerak.

Oleh kerana sifat-sifatnya yang berbeza, bahan bukan piezoelektrik dan piezoelektrik digunakan dalam aplikasi yang berbeza.Bahan bukan piezoelektrik digunakan dalam komponen struktur, pendawaian elektrik, dan bahagian elektronik standard di mana kekuatan dan kekonduksian penting.Bahan piezoelektrik digunakan dalam bidang yang memerlukan kawalan tenaga dan penukaran tenaga elektrik yang tepat, seperti peralatan ultrasound, peranti kedudukan ketepatan, dan pelbagai sensor dan penggerak yang baik untuk teknologi canggih.

Aplikasi piezoelectricity

Elektronik Pengguna: Dalam telefon pintar dan peranti lain, bahagian piezoelektrik digunakan dalam pembesar suara dan mikrofon.Mereka menjadikan isyarat elektrik menjadi getaran bunyi atau getaran bunyi ke dalam isyarat elektrik untuk input audio.

Industri Automotif: Kereta moden menggunakan sensor piezoelektrik untuk pelbagai tujuan seperti mengawal suntikan bahan api dalam enjin dan memantau tekanan tayar.

Pemantauan Alam Sekitar: Sensor piezoelektrik mengesan perubahan tekanan, getaran, dan bunyi.Mereka digunakan untuk memeriksa keadaan persekitaran dan memastikan keselamatan bangunan dan jambatan.

Penuaian Tenaga: Bahan piezoelektrik dapat menangkap tenaga dari tekanan mekanikal.Sebagai contoh, lantai yang menukar jejak langkah ke dalam tenaga elektrik boleh menyalakan lampu dan elektronik di kawasan yang sibuk, membantu mewujudkan persekitaran yang mampan.

Pemetik piezoelektrik voltan tinggi: Pemetik api ini digunakan untuk dapur gas dan barbeku dan membuat voltan tinggi dari klik mekanikal kecil, menghasilkan percikan untuk menyalakan pembakar.Ini menunjukkan penggunaan praktikal bahan piezoelektrik.

Pencitraan perubatan: Kristal piezoelektrik berguna dalam mesin ultrasound.Mereka menghasilkan gelombang bunyi yang melantun tisu dan organ, mewujudkan imej untuk diagnosis.

Penggerak ketepatan dalam instrumen saintifik: Bahan piezoelektrik dalam penggerak ketepatan membuat pergerakan kecil untuk optik dan nanoteknologi.Penggerak ini menyesuaikan cermin, kanta, dan bahagian lain dengan ketepatan mikroskopik untuk penyelidikan saintifik dan pembuatan semikonduktor.

Kesimpulan

Mempelajari bahan piezoelektrik menunjukkan hubungan yang kuat antara fizik dan kejuruteraan, menunjukkan bagaimana sifat semulajadi mereka boleh digunakan untuk banyak tujuan teknologi.Fleksibiliti bahan piezoelektrik yang tersedia sebagai bahan pukal yang kuat dan filem nipis yang fleksibel, menjadikannya sesuai untuk pelbagai aplikasi, seperti penuaian tenaga, pemantauan alam sekitar, dan membangunkan teknologi lestari.Memandangkan inovasi berterusan, penyelidikan dan pembangunan dalam bahan piezoelektrik lebih penting, penambahbaikan yang menjanjikan kecekapan, ketepatan, dan fungsi untuk teknologi masa depan.

Soalan Lazim [Soalan Lazim]

1. Apa yang menyebabkan elektrik dihasilkan dari kesan piezoelektrik?

Kesan piezoelektrik berlaku apabila bahan -bahan tertentu menghasilkan cas elektrik sebagai tindak balas kepada tekanan mekanikal.Bahan-bahan ini, kristal seperti kuarza, seramik seperti barium titanate dan beberapa polimer, mempunyai struktur kekisi kristal yang bukan centrosymmetric, yang bermaksud ia tidak mempunyai pusat simetri.Apabila daya mekanikal seperti tekanan atau getaran digunakan, struktur ini menjadi terdistorsi.Penyimpangan ini menggantikan ion -ion dalam kisi, mewujudkan kawasan dengan caj positif dan negatif.Pemisahan spatial caj ini menghasilkan potensi elektrik yang menjana elektrik.Kesan ini boleh diterbalikkan dan memohon medan elektrik untuk bahan -bahan ini juga akan mendorong tekanan mekanikal.

2. Peranti apa yang menggunakan kesan piezoelektrik?

Peranti yang menggunakan kesan piezoelektrik bervariasi dan termasuk peralatan setiap hari dan khusus.Aplikasi biasa adalah:

Jam tangan kuarza: Menggunakan getaran biasa kuarza di bawah medan elektrik untuk menjaga masa dengan tepat.

Peranti ultrasound perubatan: Menjana gelombang bunyi yang bergema di dalam badan untuk membuat imej diagnostik.

Penyuntik bahan api dalam kereta: Menggunakan penggerak piezoelektrik untuk mengawal masa dan jumlah bahan api yang disuntik ke dalam silinder enjin.

Sensor piezoelektrik dan pecutan: Mengukur perubahan tekanan, pecutan, ketegangan, atau daya dengan menukarnya ke dalam isyarat elektrik.

3. Berapa banyak voltan piezo?

Output voltan elemen piezoelektrik boleh berbeza -beza bergantung kepada saiz, bahan, dan jumlah tegasan mekanikal yang digunakan.Unsur piezo kecil seperti yang terdapat dalam pemetik api atau peranti elektronik boleh menghasilkan spike voltan dari beberapa volt hingga beberapa ratus volt.Walau bagaimanapun, output ini pada umumnya pada arus yang sangat rendah dan hanya mikrosecond hanya.

4. Adakah piezo memerlukan perintang?

Dalam banyak aplikasi, perintang digunakan dengan elemen piezoelektrik untuk mengehadkan arus dan melindungi komponen lain dalam litar dari lonjakan voltan tinggi yang dihasilkan apabila piezo diaktifkan.Nilai perintang bergantung kepada keperluan spesifik litar termasuk masa tindak balas dan kepekaan yang diingini.Tanpa perintang, piezo berpotensi merosakkan komponen elektronik yang disambungkan akibat lonjakan voltan awal yang tinggi.

5. Bagaimana piezoelektrik berkaitan dengan kuasa manusia?

Kesan piezoelektrik secara langsung digunakan untuk memanfaatkan kuasa manusia dengan cara yang inovatif.Ia boleh menukar tenaga mekanikal dari aktiviti manusia, seperti berjalan atau menekan butang, ke dalam tenaga elektrik.Teknologi ini diterokai dalam pelbagai aplikasi:

Jubin lantai penuaian tenaga: Jubin ini menjana elektrik dari tekanan kaki di kawasan yang sibuk seperti stesen kereta bawah tanah atau pusat membeli-belah.

Teknologi yang boleh dipakai: Membenamkan bahan piezoelektrik dalam kasut atau pakaian untuk menjana kuasa untuk peranti kecil melalui pergerakan badan biasa.

Implan Perubatan: Menggunakan pergerakan badan ke peranti kuasa seperti alat pacu jantung, mengurangkan atau menghapuskan keperluan bateri luaran.