Реферат Moderno ier u izveido ana izmantojot pjezoelektriskos materi lus
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Daugavpils Universitāte
Dabaszinātnes un matemātikas fakultāte
Fizikas katedra
Kursa darbs
Moderno ierīču izveidošana izmantojot
pjezoelektriskos materiālus.
Fizikas bakalaura studiju programmas
2. kursa students
Aleksandrs Taraseņa
DMF 080033
Zinātniskais vadītājs
profesors Antonijs Salītis
Saturs
Ievads. 3
Pjezoelektrība. 3
Vēsture. 3
Atklāšana. 3
Pirmie praktiskie pielietojumi 3
Darbības princips. 3
Matemātiskais apraksts. 3
Materiāli 3
Dabīgie. 3
Mākslīgie. 3
Pielietošana. 3
Augstsprieguma un barošanas avoti 3
Sensori 3
Aktuātori 3
Pjezoelektriskie motori 3
Nobeigums. 3
Izmantotā literatūra. 3
Ievads
Mūsdienu pasaulē viss diezgan ātri attīstās, tā arī materiāli, kurus mēs izmantojam, kļūst arvien sarežģītāki un to izmantošanas iespējas daudz plašākas, atvieglojot un vienkāršojot mūsu dzīvi. Starp tiem ir materiāli, kuriem piemīt pjezoelektriskas īpašības, un to nosaukums ir pjezoelektriķi.
Pjezoelektriķi pasaulei ir pazīstami diezgan sen, un tos sāka izmantot daudz ātrāk par pārējo tipu modernajiem materiāliem. Lielākais pavērsiens to attīstībā bija Otrā pasaules kara sākums, kad to attīstība un izmantošana strauji paātrinājās specifisko īpašību dēļ. Gadiem ejot ierīcēs izmantojamie pjezoelektriķi kļuva arvien sarežģītāki ar daudz lielāku funkcionēt spēju, bet ir arī ierīces, kuru pjezoelektriķu darbība un materiāls ir pavisam vienkāršs. Pārsvarā izmanto sarežģītus sakausējumus, vai izaudzē speciālus kristālus, lai dabūtu nepieciešamas īpašības noteiktai pjezoelektriskai darbībai, kaut arī ir arī daudz dažādu un pat prātam neaptveramu dabā sastopamu materiālu ar pjezoelektrisko efektu. Pjezoelektriskie materiāli spēj gan uztvert apkārtējās vides izmaiņas, gan dod atbildes reakciju uz tām.
Cilvēki ir pieraduši, ka daudzas ierīces ir izveidotas no parastajem materiāliem, kas ir salikti kopā un tādejādi darbojas. Bet mūsdienās vairumam cilvēku mājās ir ierīces ar pjezoelektrisko materiālu, un ir maz tādu, kas zina un nojauš, ka nākotnes ierīces jau ir sākuši darboties mūsdienu pasaulē.
Pjezoelektrība
Pjezoelektrība ir materiālu spēja (īpašie kristāli, daža keramika, un bioloģisks materiāls, piemēram, kauls, DNS un dažādas olbaltumvielas) radīt elektrisko lauku vai elektrisko potenciālu mehāniskās spriedzes iedarbībā. Efekts ir cieši saistīts ar polarizācijas pārmaiņām blīvuma robežās materiāla tilpumā. Kad ķēde ir noslēgta enerģija ļoti ātri atbrīvojas, tādēļ, lai palaistu elektrisko slodzi( piemēram, spuldzi) ar pjezoelektrisko ierīci, mehāniskajai spriedzei jāsvārstās visu laiku uz priekšu un atpakaļ. Piemēram, ja jums tāda ierīce ir kurpēs un jūs gribat ar to uzlādēt telefonu, tad jums tas izdosies tikai staigājot, nevis stāvot uz vietas. Vārds ir atvasināts no grieķu pjezo vai piezein (πιέζειν), kas nozīmē izspiest vai nospiediet.
Pjezoelektriskā iedarbība var būt arī pretēja, tātad, ja pjezoelektriskajam materiālam pievada strāvu, tas tiek deformēts. Tādēļ to sauc arī par atgriezenisko efektu. Pie tam, ja pjezoelektriķi deformē dabūjot strāvu, un tad laiž strāvu caur to, tad materiāls iegūst iepriekšējo izskatu ar aptuveni 0,1% izmaiņu.
Šis pētījumu virziens ir saistīts ar metāla un kompozītu konstrukciju aktīvās kontroles, izmantojot pjezoelektriskos sensorus un aktuātorus, galīgo elementu modelēšanu un aprēķiniem. Šī principa ietvaros tiek izmantoti sensori un aktuātori, lai kontrolētu konstrukciju mehānisko uzvedību, izmantojot pjezoelektrisko efektu mākslīgo piepūļu izraisīšanu konstrukcijā. Tiešais efekts (elektriskā lauka ģenerēšana kā reakcija uz mehāniskām deformācijām) tiek izmantots pjezoelektriskajos sensoros; apgrieztais efekts (mehāniskās deformācijas kā reakcija uz elektrisko lauku) tiek izmantots pjezoelektriskajos aktuātoros. Pjezoelektriskie materiāli kā PZT(Svina cirkonija titanāts) un MFC var tik izmantoti "inteliģentajās" konstrukcijās kā sensori un/vai aktuātori tādiem mērķiem kā formas kontrole un aktīvā vibrāciju slāpēšana.
Vēsture
Atklāšana
Piroelektriskais efekts, ja materiāls ģenerē elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, pētījumus veica Karls Linnejss un Francs Aepinus 18 gadsimta vidū. Pamatojoties uz šīm zināšanām, gan Renē Just Haüy gan Antonijs Cēzars Bekerels noteica sakarību starp mehānisko spriedzi un elektrisko lādiņu, tomēr eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Pirmo tiešo pjezoelektriskā efekta demonstrāciju parādija 1880.gadā brāļi Pjērs Kirī un Žaks Kirī. Viņi apvienoja savas zināšanas par piroelektrību ar savu izpratni par notikušo kristāla struktūrās, kas izraisīja piroelektrību prognozējot kristālu uzvedību, un ilustrēt efektu, izmantojot Turmalīna, kvarca, topāza, cukurniedru cukura, un Segneta sāls (nātrija kālija tartrāta tetrahidrāta) kristālus. Kvarca un Segneta sāls rādija vislielāko pjezoelektrisko efektu. Tomēr brāļi Kirī nevarēja pierādīt pjezoelektrisko efektu. Pretējs efekts matemātiski izriet no termodinamisko principu pamatlikumiem, ko Gabriels Lipmans aprakstīja 1881.gadā. Brāļi Kirī nekavējoties apstiprināja, ka pastāv pretējs efekts. Un devās, lai iegūtu kvantitatīvu apliecinājumu par pilnīgu atgriezeniskumu elektromehāniskās Elasto-mehāniskās deformācijas ir pjezoelektriskie kristāli.
Nākamajās desmitgadēs pjezoelektrība palika laboratorijas zinātkāre. Lielāks darbs tika veikts, lai izpētītu un noteiktu kristālu struktūru, kas izstrādā pjezoelektrību. Tas beidzās 1910.g. ar Voldemārs Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (mācību grāmata par kristālu fizikā) publicēšanu, kas apraksta 20 dabas kristālu klases, kas piemīt pjezoelektriskais efekts, un stingri noteiktas pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzora analīzi.
Pirmie praktiskie pielietojumi
Pirmais praktiskais pielietojums pjezoelektriskajām ierīcēm bija ar hidrolokatoru, Pirmā pasaules kara laikā Francijā 1917.gadā, Pauls Langevīns un viņa kolēģi izstrādājuši ultraskaņas zemūdens detektoru. Detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavota no plāniem kvarca kristāliem, kas ir uzmanīgi pielīmēti starp divām tērauda plāksnēm, un hidrofonu sistēmu, lai noteiktu atpakaļ atgriezušos eho. Tas izstaro augstas frekvences skaņu no devēja, izmēra laika daudzums, kas nepieciešams, lai atbalss no skaņas viļņiem atstarojas no objekta, var aprēķināt attālumu līdz šīm objektam.
Otrā pasaules kara laikā, neatkarīgas pētnieciskas grupas Amerikas Savienotajās Valstīs, Krievijā un Japānā jaunu klasi mākslīgo materiālu, kurus nosauca par segnetoelektriķem, kas uzrādīja pjezoelektriskās konstantes daudzas reizes lielāks nekā dabīgiem materiāliem. Tas sekmēja intensīvās pētniecības attīstību bārija titanāta un vēlāk svina cirkonāta titanāta materiāliem ar specifiskām īpašībām konkrētiem lietojumiem.
Vienu nozīmīgu piemēru pjezoelektrisko kristālu lietošanā izstrādāja Bella Telefona Laboratorijas. Pēc Pirmā pasaules kara, Frederiks R. Laks, strādājot radio telefonijas inženierzinātņu nodaļās, izstrādāja "AT-cut" kristālu, kristāls, kas darbojās, izmantojot dažādas temperatūras. Laka kristālam nebija vajadzības pēc smagiem aksesuāriem, kā tas bija iepriekšējiem kristāliem, kurus izmantoja, atvieglojot tās izmantošanu gaisa kuģī. Šī attīstība ļāva sabiedroto gaisa spēkiem iesaistīties saskaņotu masveida uzbrukumos, izmantojot aviāciju radio.
Attīstība pjezoelektriskajās ierīces un materiālos, kas Amerikas Savienotajās Valstīs tika turēti uzņēmumiem, kas veic attīstību, galvenokārt pateicoties kara sākumam, un nodrošināt rentablu patentu intereses. Jaunie materiāli bija pirmie, kas jāizstrādā - kvarca kristāli pirmoreiz komerciāli tika izmantoti pjezoelektriskajos materiālos, bet zinātnieki meklēja lielākas izšķirtspējas materiālus. Neskatoties uz materiāliem gatavību un ražošanas procesu sagatavošanu, Amerikas Savienoto Valstu tirgū pieprasījums nepieauga tik ātri. Bez daudziem jauniem lietojumiem, cieta Amerikas Savienoto Valstu pjezoelektrisko nozaru izaugsme.
Savukārt Japānas ražotāji dalījās informācijās, ātri pārvarēja tehniskās un ražošanas problēmas un radīja jauno tirgu. Japānas centieni materiālu pētniecībā rada pjezokeramiskiem materiāliem konkurenci ar ASV materiāliem, bet bez dārgiem patentu ierobežojumiem. Lielākie japāņu pjezoelektriskie notikumi ietver jaunus pjezokeramisko filtru radio un televizoru dizainparaugus, pjezo zummeri un audio pārveidotāji, kurus var savienot tieši elektroniskajās ķēdēs un pjezoelektriskajos aizdedžios, kas rada mazas dzirksteles motora aizdedzes sistēmā (un gāzes grils šķiltavās), saspiežot keramikas disku. Ultraskaņas devējiem, kas pārraida skaņu viļni pa gaisu pastāvēja jau ilgu laiku, bet pirmās pieredzētas būtiskas komerciālas izmantošanas sākumā bija televīzijas tālvadības pultis. Šie sensori tagad tiek montēti uz vairākiem automašīnu modeļiem, kā eholokatoru ierīces, kas palīdz vadītājam noteikt attālumu no auto aizmugures līdz jebkuram objektam, kas var būt tā ceļā.
Darbības princips
Pjezoelektriskā efekta raksturs ir cieši saistīts ar rašanos elektriskā dipola momentiem cietās daļiņas. Tas var būt izraisīts vai nu jonu kristāla režģa saitēs ar asimetrisku lādiņu apriņķošanu(kā BaTiO3 un PZTs), vai var tieši veikts ar molekulārām grupām (kā niedru cukurs). Dipola blīvumu vai polarizāciju (dimensija [Cm/m3]) var viegli aprēķināt kristāliem, saskaitot dipola momentiem šūnu tilpumu kristalografiskās vienības. Tā kā katrs dipols ir vektors, dipola blīvums P ir arī vektors. Dipoli, kas ir tuvu viens otram, parasti ir jāsakārto pa reģioniem, kurus sauc par Weisa domēniem. Domēni parasti ir nejauši orientēti, bet var būt sakartoti saskaņa ar poliem(nav tie paši, kas magnētiskie poli) procesā, kurā spēcīgs elektriskais lauks tiek virzīts uz visu materiālu, parasti paaugstinātā temperatūrā.
Izšķiroša nozīme ir novērot pjezoelektriskam efektam polarizācijas P izmaiņu, piemērojot mehāniskās spriedzes. Tas varētu būt izraisīts arī vai nu ar atkārtotu apkārtējo dipola inducējošu konfigurāciju, vai molekulāro dipola momentu pārorientācija, ko ietekmē ārējās iedarbības. Pjezoelektībā tad var izpausties izmaiņas polarizācijas spēkos, tās virzienos vai abas kopā, vai ar informāciju, atkarībā no:
1. orientācijas P kristāla ietvaros;
2. kristāla simetrijas;
3. piemērotās mehāniskās spriedzes.
P izmaiņas parādās kā virsmas lādiņa blīvums izmaiņas uz kristāla tilpumu, t.i., izmaiņas, kas elektriskā lauka paplašināšanu starp tilpumiem, jo virsmas lādiņa blīvums un polarizācijas vienības ir tās pašas, [C/m2] = [Cm / m3]. Tomēr pjezoelektrība nav izraisījusi izmaiņas lādiņa blīvumā uz virsmas, bet gan dipola blīvumu uz tilpumu. Piemēram, 1 cm3 kubam no kvarca ar 2 kN (500 lbf)ar pareizi piemērotiem spēkiem, var radīt spriegumu 12500 V.
Pjezoelektriskiem materiāliem piemīt arī pretējs efekts, to sauc arī par pretēju pjezoelektrisko efektu- elektriskā lauka potenciāls rada mehānisko deformāciju.
Matemātiskais apraksts
Pjezoelektrība ir materiāla elektriskās uzvedības kombinēts efekts:
kur D ir elektriskā lādiņa nobīdes blīvums (elektriskais pārvietojums), ε ir caurlaidība un E ir elektriskā lauka intensitāte, un
Huka likums:
kur S ir pieliktais spēks (N), s proporcionalitātes koeficients (N/m) un T pārvietojums (m).
Tos var apvienot tā saucamo vienādojumu sistēmu, no kuriem deformācijas lādiņa modelis ir:
kur d, ir tiešo pjezoelektrisko efektu matrica un dt, ir apgriezta pjezoelektriskā efekta matrica. Augšējais E ir vienāds ar nulli vai ir konstants-elektriskais lauks; augšējais T arī ir vienāds ar nulli vai ir konstants-deformācija; augšējais t ir transponēšanas matrica.
Deformācijas lādiņš materiālam ar 4mm kristāla klasi( tādi kā polu pjezoelektriskās keramikas vai tetroganālā PTZ, vai BaTiO3),kā arī 6mm kristālu klases var pārveidot kā:
kur pirmais vienādojums atspoguļo attiecību starp apgriezto pjezoelektrisko efektu un tā iedarbības tiešo pjezoelektrisko efektu.
Pavisam ir 4 pjezoelektriskie koeficienti, dij, eij, gij un hij definē šādi:
kur pirmie 4 noteikumi atbilst tiešais pjezoelektriskais efekts un otrie 4 noteikumi atbilst pretējām pjezoelektriskajam efektam. Formālisms ir izstrādāts tādiem pjezoelektriskiem kristāliem, kuru polarizācija ir kristāla lauka izraisītais veids, kas ļauj pjezoelektrisko koeficientu aprēķināt dij no elektrostatiskās režģa konstantes vai augstākas kārtas Madelunga konstantes.
Materiāli
Dabīgie
Dabā sastopamām kristāli:
· Berlinīts (AlPO4), rets fosfātu minerāls, kas ir strukturāli identiski kvarcam;
· Niedru cukurs;
· Kvarcs;
· Topāzs;
· Turmalīna grupas minerāli.
Citi dabas materiāli:
· Kauli: Tīri kauli parāda dažas pjezoelektriski īpašības. Pētījumi par Fukada et al. parādīja, ka tie nav saistīti ar apatīts kristāliem, kas ir centrā simetriski, tādējādi nav pjezoelektriskie, bet saistīti ar kolagēnu. Kolagēna struktūra ir vienass polāri orientēta molekulārais dipols un to var uzskatīt par bioelektrisku, dielektriska materiāla veids, kas rāda gandrīz patstāvīgu lādētu telpu ar dipola lādiņu. Potenciālas ir iespēja rasties, ja dažas kolagēna molekulas ir sasprindzināmas tāpat kā ievērojamus skaits lādiņu, pārvirzījušos no iekšpuses uz parauga virsmu. Atsevišķu individuālu kolagēna šķiedru pjezoelektrība tika izmērīta ar pjezo atbildes spēka mikroskopiju, un tika pierādīts, ka kolagēna šķiedras uzvedas galvenokārt kā bīdes pjezoelektriskie materiāli.
· Cīpsla;
· Zīds;
· Koks- sakarā ar pjezoelektrisko faktūru;
· Emālijs;
· Dentīns.
Mākslīgie
Mākslīgie kristāli:
· Gallija ortofosfāts (GaPO4), analoģisks kvarca kristālam;
· Langasites kristāls (La3Ga5SiO14), kvarca analoģisks kristāls;
Mākslīgā keramika:
· Bārija titanāts (BaTiO3), bija pirmais atklātais pjezoelektriski keramisks materiāls;
· Svina titanāts (PbTiO3) ;
· Svina cirkonāta titanāts (Pb [ZrxTi1-x] O3 0 <x <1), vairāk pazīstams kā PZT, visbiežāk lietojamais pjezoelektriski keramisks materiāls šodien;
· Kālija niobāts (KNbO3) ;
· Litija niobāts (LiNbO3);
· Litija tantalats (LiTaO3);
· Nātrija volframāts (Na2WO3).
Bezsvina piezokeramika:
Arvien vairāk pieaug bažas par toksicitāti svinu saturošās iekārtas, ko darbojas uz diriktīvo noteikumu ierobežotājām bīstamajām vielām. Lai risinātu šo problēmu, ir notikusi sastāva attīstības atjaunošanās par bezsvina pjezoelektriskajiem materiāliem.
· Nātrija kālija niobāts (NaKNb). 2004.gadā Japānas pētnieki , Yasuyoshi Saito vadība, grupa atklāja nātrija kālija niobāta sastāvu ar īpašībām, tuvu PZT, tostarp augsta TC.
· Bismuta ferīts (BiFeO3)- ir daudzsološa pretendente rezerves Svina keramikai.
· Nātrija niobāts NaNbO3 .
Polimēri:
· Polivinilidēna fluorīds (PVDF): PVDF pjezoelektricitāte piemīt vairākas reizes lielāks nekā kvarcam. Atšķirībā no keramikas, kur kristāla struktūras materiāls rada pjezoelektrisko efektu, polimēri savstarpēji garās ķēdes molekulas piesaista un atstumj viena otru, kad tie tiek ievietoti elektriskajā laukā.
Pielietošana
Augstsprieguma un barošanas avoti
Tiešs pjezoelektrisks efekts, piemēram, kvarca vielām, kā minēts iepriekš, var radīt tūkstošiem voltu potenciālu starpību.
Pazīstamākais pielietojums ir elektriskās cigarešu šķiltavas: nospiežot pogu, rodas atsperes deformācija, lai sasniegtu pjezoelektrisko efektu kristāla, kas ražo pietiekami augstu spriegumu elektrisko strāvu, kas plūst pāri mazai dzirksteļspraugai, un aizdegas gāze. Portatīvos aizdedzes ierīces izmanto vieglās gāzes griliem vai plītīs, kas darbojas tādā pašā veidā, kā arī daudzos no gāzes degļu veidiem tagad ir iebūvēts aizdedzes sistēmas pjezo pamatā.
Līdzīgas idejas tiek izpētītas DARPA ASV projektā ar nosaukumu Energy Harvesting, kas ietver mēģinājumu iebūvēt karavīra zābakos pjezoelektrisko ģeneratoru. Tomēr šīm enerģijas ieguves avotam ir nelabvēlīga ietekme uz cilvēka ķermeni. DARPA centieni, lai izmantotu 1-2 vatus no nepārtrauktas kurpju kustības ejot, tika pamesti, jo praktiski tas nebija iespējams, un no radīta diskomforta un patērētās papildus enerģijas valkājot šādas kurpes. Citas enerģijas ieguves idejas ietver enerģijas ražošanu no cilvēka kustībām dzelzceļa stacijās vai citās publiskās vietās.
Pjezoelektriskie transformatori AC tipa-sprieguma reizinātāji. Atšķirībā no parastajiem transformatoriem, kas izmanto magnētisko savienojumu starp ieejas un izejas spriegumu, pjezoelektriskie transformatori izmanto akustiskas sakabes. Ieejas spriegumam tiek pielietots visā tā garuma joslā pjezokeramisks materiāls, piemēram, PZT, radot mainīgu stieņa deformāciju ar apgriezto pjezoelektrisko efektu un liek visam stienim vibrēt. Vibrācijas frekvence tiek izraudzīta ar rezonanses frekvences bloku, parasti no 100 KHz līdz1 MHz diapazonā. Lielāks spriegums tiek radīts ar pāri citu sadaļu stieni ar pjezoelektrisko efektu. Papildus iezīme šajā pārveidotājā ir tāda, ka, darbojoties virs tās rezonanses frekvences, to var uztaisīt kā induktīvo slodzi, kas ir noderīga, ķēdēm, kas pieprasa kontrolēt mīkstu sākumu. Šīs ierīces var izmantot DC-AC pārveidotājos pievadīt aukstā katoda luminiscences spuldzēs. Pjezo transformatori ir vieni no visvairāk kompaktajiem augstsprieguma avotiem.
Sensori
Pjezoelektrisko sensoru darbības princips ir tāds, ka fiziskā dimensija, pārveidojoties spēkā, darbojas divās pretējās virsmas sensoros. Atkarībā no sensoru konstrukcijas, dažādiem veidiem, lai dabūtu pjezoelektrisko elementu vajadzīgo slodzi, var izmantot: garenvirzienā, šķērseniski un bīdes savienojumus.
Spiediena svārstību uztveršana, kas izpaužas kā skaņa ir visbiežākais sensoru pielietojums, piemēram, pjezoelektriskie mikrofoni (skaņu viļņi saloka pjezoelektrisko materiālu, radot mainīgu spriegumu) un pjezoelektriskie noņēmēji priekš elektriski-akustiskai ģitārai. Pjezo sensoru pievienot pie instrumenta korpusa ir tas pats kā sazināties ar mikrofonu.
Pjezoelektriski sensori sevišķi tiek izmantoti ar augstu frekvenci ultraskaņas devējiem medicīniskās skaņas attēlveidošanai un arī neiznicināmās rūpniecības testēšanai (NRT).
Daudzās izpētes metodēs, sensors var darboties gan kā sensors, gan kā aktuātors - bieži termins devējā tiek dota, kad ierīce darbojas šajā dubultā statusā, bet lielākā daļa pjezo ierīcēm ir šī atgriezeniskuma īpašība vai to izmanto vai nē. Ultraskaņas devējs, piemēram, var injicēt ultraskaņas viļņus ķermenī, saņemt atpakaļ viļņus, un pārvērst to par elektrisko signālu (spriegumu). Lielākā daļa medicīnas ultraskaņas devēju ir pjezoelektriski.
Papildus iepriekš minētājam, dažādu sensoru izmantošanā iekļauj:
· Pjezoelektriskos elementus izmanto arī, lai atklātu un ģenerētu hidrolokatoru viļņu.
· Enerģijas uzraudzības lieljaudas lietojumiem (piemēram, medicīniskā ārstēšana, sonoķimiskā un rūpnieciska pārstrāde).
· Pjezoelektriskie mikrosvari tiek izmantoti priekš ļoti jutīgiem ķīmiskiem un bioloģiskiem sensoriem.
· Pjezos dažreiz izmanto spriedzes mērinstrumentos.
· Pjezoelektriskie pārveidotāji tiek izmantot kā elektroniskās bungas spilventiņi, lai noteiktu triecienus bundzinieku nūjiņās.
· Automobiļu dzinēju vadības sistēmā izmanto pjezoelektriskos devējus, lai noteiktu detonācijas paraugus vibrācijas motora blokam, kā arī noteikt precīzu brīdi degvielas iesmidzināšanai (adatu lifta sensors).
· Ultraskaņas pjezo sensori, kurus izmanto, lai atklātu akustisko emisiju, akustiskās emisijas testēšanai.
Aktuātori
Tā kā ļoti lielie elektriskie lauki atbild tikai uz niecīgām izmaiņām kristāla platumā, šo platumu var mainīt ar mazāku nekā mikrometru precizitāti, padarot pjezo kristālu par vissvarīgāko līdzekli pozicionēšanas ierīcēs ar ārkārtīgu precizitāti - līdz ar to tos labi lietot kā aktuātorus. Daudzslāņu keramika, izmantojot slāņus plānākas nekā 100 mikronus, ļauj sasniegt augstu elektrisko lauku ar spriegumu mazāku nekā 150 V. Tādā keramikā tiek izmantoti divu veidu izpildmehānismi: tiešā pjezo pievade un papildināta pjezoelektriskā pievade. Kamēr ar parastu aktuātoru virzuļa gājiens parasti ir zemāks par 100 mikroniem, aktuātoru papildināti ar pjezo pievadi var sasniegt milimetra virzuļa gājienu.
Pjezoelektrisko aktuātoru izmantošanas veidi:
· Skaļruņi: Spriegumu pārvērš mehāniskā kustībā pjezoelektrisko polimēru plēvēs.
· Pjezoelektriskie motori: pjezoelektriskos elementus piemēro spēka ass virzienā, liekot tam rotēt. Sakarā ar ļoti maziem attiecīgajiem attālumiem, pjezo motori tiek uzskatīti par augstas precizitātes aizvietotājiem Steppera motoriem.
· Pjezoelektriskus elementus var izmantot lāzera spoguļa virsmā, jo tas spēj pārvietot lielu masu (spoguļa stiprinājums) lielākos par mikroskopiskajiem attālumiem, izmantoto elektroniski, lai saskaņotu lāzera spoguļus. Ar precīzu attālumu kontroli starp spoguļiem, tādejādi lāzera elektronika var precīzi saglabāt optisko nosacījumu lāzera dobuma iekšpusē, lai optimizētu gaismas jaudu.
· Saistīta pielietošana akustiski-optiskajos modulatoros, ierīcēs, kas izkaisa gaismu pie noteiktiem skaņas viļņiem vielā, ko rada pjezoelektriski elementi. Tas ir noderīgi lāzera frekvences precizēšanā.
· Atomspēku mikroskopos un skenēšanu tunelēšanas mikroskopos izmanto apgriezto pjezoelektrisko efektu, lai saglabātu adatu zondēšanu tuvu paraugam.
· Tintes printeri: Daudzos tintes printeros pjezoelektriskie kristāli tiek izmantoti, lai kontrolētu tintes izmešanu no tintes drukas galviņas pret papīru.
· Aktīva vibrācijas kontrole, izmantojot pastiprināto pievadi.
· Rentgenstaru aizvirtņi.
· XY posmos mikro skenēšanai izmanto infrasarkano staru kameras.
Pjezoelektriskie motori
Pjezoelektrisko motoru veidi:
· Labi zināms ceļojošo viļņu motors, ko izmanto auto-fokusēšanai atstarošanas kamerās.
· Kāpurķēdes motori lineārajām kustībām.
· Taisnstūrveida četru kvadrantu motori ar augstu jaudas blīvums (2,5 watt/cm3) un ātrumu svārstās no 10 nm / s līdz 800 mm / s.
· Pastiprinošs pjezo motors, izmantojot iestrēgšanas-slīdēšanas efektu.
Visi šie motori, izņemot pastiprinošu iestrēgšanas-slīdēšanas motoru, strādā uz tā paša principa. Darbojas ar divējādu taisnleņķa vibrācijas režīmu ar fāžu starpību 90 °, savienošanas punkts starp divām virsmām vibrē pa eliptisku ceļu, rada berzes spēku starp virsmām. Parasti viena virsma ir nostiprināta ar citu, kas pārvietojas. Vairumā pjezoelektriskajos motoros pjezoelektriskais kristāls ir satraukts par sinusoidāla viļņa signālu ar rezonanses frekvences motoru. Izmantojot rezonanses efektu, var izmantot daudz zemāku spriegumu, lai ražotu augstas vibrācijas amplitūdu. Bet iestrēgšanas-slīdēšanas motors darbojas, izmantojot masas inerci un skavu berzi. Šādi motori var būt ļoti mazi. Daži izmanto sensora nobīdes kameras, radot vibrāciju slāpēšanas funkciju.
Nobeigums
Pjezoelektriskie materiāli ir diezgan plaši pielietojami, un to darbība ir diezgan labi saorganizēta, tādejādi tos ir ļoti izdevīgi izmantot un tālāk attīstīt. Kā katram no viedo materiālu grupām, tā arī šiem materiāliem, ir savs specifisks raksturs un darbība.
Pjezoelektrīsks efekts rada elektrisko strāvu, notiekot materiāla deformācijai, kā arī ja tiek pielietots ārējais spriegums. Ir arī pretējais efekts- elektriskais spriegums rāda mehānisko deformāciju. Tas ir saistīts ar polarizācijas izmaiņām blīvuma robežās materiāla tilpumā. To pirmie sāka pētīt brāļi Kirī, viņi prognozēja kristāla uzvedību, izmantojot piroelektrisko efektu, un apstiprināja pjezoelektrisko materiālu eksistenci. Kurus jau intensīvi sāka izmantot Pirmajā un Otrajā pasaules karos, lietojot tos kara vajadzībām, izgudroja jaunas kara tehnikas, kas vēlāk pārtapa arī par sadzīviskām ierīcēm. Tādi kā augstsprieguma avoti, piemēram, elektriskās cigarešu šķiltavas, un barošanas avoti vai transformatori. No pjezoelektriskajiem materiāliem var veidot sensorus, lai uztveru spiediena svārstības un deformācijas, aktuātorus, lai varētu uztverošo ārējo spēku iedarbību vizuāli vai kā citādi parādīt, nodemonstrēt, kā arī pjezoelektriskie motori, kas rada kustību.Prieks tādām ierīcēm ir jāizmanto arī citi materiāli, kuriem būtu pjezoelektrisks efekts. Tādi materiāli sastopami dabā, piemēram, niedru cukurs, kvarcs, kā arī kauli, cīpsla, koks, zīds, kā arī tos var radīt mākslīgi, piemēram, Gallija ortofosfāts, svina titanāts, kālija niobāts, bet aizvien vairāk cenšas radīt bezsvina saturošos materiālus, tādus kā Nātrija kālija niobāts un Bismuta ferīts. Kā arī ir citi materiāli, kuriem ir pjezoelektrisks efekts, un ierīces spēj ar to palīdzību darboties.
Nākamajās desmitgadēs, jaunie pjezoelektriskie materiāli un jaunie pieteikumi par šiem materiāliem tiks pētītas un attīstītas. Bet jau tagad pjezoelektriskās ierīces atrodamas mājās daudzās jomās. Keramikas fonogrāfs, kārtridži, vienkāršoti atskaņotāju dizaini, bija lēti un precīzi, un ierakstu atskaņotājus ir lētāk uzturēt un vieglāk būvēt. Ar ultraskaņas devēju attīstību kļuva viegli mērīt viskozitāti šķidrumos un cietās daļiņas elastību, kas rada milzīgu progresu materiālu pētniecībā.
Izmantotā literatūra
1. M. Birkholz (1995). "Crystal-field induced dipoles in heteropolar crystals – II. physical significance". Z. Phys. B 96: 333–340.
2. Holler, F. James; Skoog, Douglas A; Crouch, Stanley R (2007). "Chapter 1". Principles of Instrumental Analysis (6th ed.). Cengage Learning. p. 9.
3. Damjanovic, Dragan (1998). "Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics". Reports on Progress in Physics 61: 1267–1324.
4. Kochervinskii, V (July 2003). "Piezoelectricity in Crystallizing Ferroelectric Polymers". Crystallography Reports 48 (4): 649–675.
5. M. Minary-Jolandan, and Min-Feng Yu, Nanotechnology 20 (2009) 085706 (6pp).
6. Becker, Robert O; Marino, Andrew A (1982). "Chapter 4: Electrical Properties of Biological Tissue (Piezoelectricity).
7. Fotiadis, D.I; Foutsitzi, G., and Massalas, C.V (1999). "Wave propagation modeling in human long bones". Acta Mechanica 137: 65–81.
8. Saito, Yasuyoshi; Takao, Hisaaki; Tanil, Toshihiko; Nonoyama, Tatsuhiko; Takatoril Kazumasa; Homma, Takahiko; Nagaya, Toshiatsu; Nakamura, Masaya (2004-11-04). "Lead-free piezoceramics". Nature (Nature Publishing Group) 432: 81–87.
9. http://silver.neep.wisc.edu/~lakes/BoneElectr.html
10. http://web.mit.edu/newsoffice/2007/crowdfarm-0725.html
11. http://www.eeproductcenter.com/showArticle.jhtml?articleID=192200838
12. http://www.cedrat.com/fileadmin/user_upload/cedrat_groupe/Publications/Publications/2001/09/ESMATS9th_Scanning_piezo_mechanisms_Rosetta_Fligth_model.pdf
13. http://www.head.com/tennis/technology.php?region=eu&tag=intelligence
