Принцип действия и материалы пьезоэлектрических ИП

Принцип действия данных преобразователей основан на пьезоэлектрическом эффекте, т. е. на возникновении электрических зарядов на поверхности кристаллических диэлектриков, подверженных механическим деформациям (прямой пьезоэффект).

Кроме прямого пьезоэффекта существует и обратный, который проявляется в изменении размеров диэлектрика при приложении к нему электрического поля. Вещества (нецентросимметричные ионные кристаллы, поликристаллы), у которых наблюдаются такие свойства, называются пьезоэлектриками (кварц, титанат бария и др.).

В качестве материалов пьезоэлектрических преобразователей используются различные типы пьезоэлектрической керамики, например: титанат бария ВаТiО₃, ЦТС керамика (керамика на основе смесей цирканато-титанатов свинца), НБС керамика (керамика на основе ниобата свинца) и кварц. Пьезоэлектрические керамические материалы имеют большие значения пьезомодуля, например, керамика ВаТiО₃ имеет значение пьезомодуля d₁₁ = 107^.10^-12 Кл/Н. Большинство пьезокерамик обладает достаточной температурной стабильностью. Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры Кюри. Для титаната бария температура Кюри равна 115 ⁰С. В результате старения свойства пьезокерамики изменяются. Изготовление преобразователей из пьезокерамики проще, чем из моно-кристаллических материалов. Кварц имеет пьезоэлектрический модуль d₁₁ = 2,1^. 10^-12 Кл/Н, величина которого не зависит от температуры до 200 ⁰С. Предельная рабочая температура составляет 500 ⁰С. При температуре 573 ⁰С кварц теряет пьезоэлектрический эффект в результате необратимых изменений кристаллической решетки (переход в аморфное состояние). Он имеет высокую стабильность электрических и механических свойств. За 10 лет изменение характеристик не превышает 0,05 % [9].

В кристаллах кварца (рис. 9.1 а) различают три главных кристаллографических оси: продольную (оптическую ось Z); электрические оси Х (три оси, сдвинутых на 120^О), проходящие через ребра шестигранной призмы; механические оси Y (три оси, сдвинутых на 120^О), нормальные по отношению к граням кристалла.

Z-оптическая ось

y

,

 

x

l_Y F_X

l

Y-механи-ческая ось перпен-но граням

l_X

 

F_Y

а) б)

Рис. 9.1

Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед так, чтобы его грани были перпендикулярны осям X-Y (рис. 9.1 б), то под действием силы F_X в направлении оси X на гранях параллельных оси Y появится заряд (продольный пьезоэффект)

q = d₁₁ F_Х, (9.1)

где d₁₁ – пьезоэлектрическая постоянная (пьезомодуль).

Если измеряемая сила направлена вдоль механической оси Y, то заряд все равно индуцируется на гранях параллельных Y, но его значение уже будет зависеть от соотношений геометрических размеров кристалла (поперечный пьезоэффект) q = - (l_Y/ l_X)d₁₁ F_Y, где l_X и l_Y – размеры кристалла по осям X и Y.

Знаки поляризации при продольном и поперечном пьезоэффекте – противоположны. С изменением направления силы изменяется знак заряда. При действии силы вдоль оптической оси Z пьезоэффект не возникает.