Piezoelektrik, piezoelektrik - fisika fenomena, jenis, sifat, dan aplikasi

Piezoelektrik Dielektrik disorot efek piezoelektrik.

Fenomena piezoelektrik ditemukan dan dipelajari pada tahun 1880-1881 oleh fisikawan Prancis terkenal Pierre dan Paul-Jacques Curie.

Selama lebih dari 40 tahun, piezoelektrik tidak menemukan aplikasi praktis, tetap menjadi milik laboratorium fisika. Hanya selama Perang Dunia Pertama ilmuwan Prancis Paul Langevin menggunakan fenomena ini untuk menghasilkan getaran ultrasonik dalam air dari pelat kuarsa untuk tujuan lokasi bawah air ("lebih sehat").

Setelah itu, sejumlah fisikawan menjadi tertarik untuk mempelajari sifat piezoelektrik kuarsa dan beberapa kristal lain serta aplikasi praktisnya. Di antara banyak karya mereka ada beberapa aplikasi yang sangat penting.

Misalnya pada tahun 1915 S.Butterworth menunjukkan bahwa pelat kuarsa sebagai sistem mekanik satu dimensi, yang dieksitasi karena interaksi antara medan listrik dan muatan listrik, dapat direpresentasikan sebagai rangkaian listrik ekuivalen dengan kapasitansi, induktansi, dan resistor yang dihubungkan secara seri.

Memperkenalkan pelat kuarsa sebagai rangkaian osilator, Butterworth adalah orang pertama yang mengusulkan rangkaian ekuivalen untuk resonator kuarsa, yang merupakan dasar dari semua pekerjaan teoretis berikutnya. dari resonator kuarsa.

Efek piezoelektrik bersifat langsung dan terbalik. Efek piezoelektrik langsung dicirikan oleh polarisasi listrik dielektrik, yang terjadi karena aksi tekanan mekanis eksternal padanya, sedangkan muatan yang diinduksi pada permukaan dielektrik sebanding dengan tekanan mekanis yang diterapkan:

Dengan efek piezoelektrik terbalik, fenomena tersebut memanifestasikan dirinya sebaliknya - dielektrik mengubah dimensinya di bawah aksi medan listrik eksternal yang diterapkan padanya, sedangkan besarnya deformasi mekanis (deformasi relatif) akan sebanding dengan kekuatan medan listrik yang diterapkan pada sampel:

Faktor proporsionalitas dalam kedua kasus adalah piezomodulus d. Untuk piezoelektrik yang sama, piezomoduli untuk efek piezoelektrik langsung (dpr) dan mundur (drev) sama satu sama lain. Jadi, piezoelektrik adalah jenis transduser elektromekanis yang dapat dibalik.

Efek piezoelektrik longitudinal dan transversal

Efek piezoelektrik, tergantung pada jenis sampel, dapat memanjang atau melintang.Dalam kasus efek piezoelektrik longitudinal, muatan sebagai respons terhadap regangan atau regangan sebagai respons terhadap medan listrik eksternal dihasilkan dalam arah yang sama dengan aksi awal. Dengan efek piezoelektrik transversal, kemunculan muatan atau arah deformasi akan tegak lurus dengan arah efek yang menyebabkannya.

Jika medan listrik bolak-balik mulai bekerja pada piezoelektrik, maka deformasi bolak-balik dengan frekuensi yang sama akan muncul di dalamnya. Jika efek piezoelektrik bersifat longitudinal, maka deformasi akan bersifat kompresi dan tegangan searah dengan medan listrik yang diterapkan, dan jika bersifat transversal, maka gelombang transversal akan teramati.

Jika frekuensi medan listrik bolak-balik yang diterapkan sama dengan frekuensi resonansi piezoelektrik, maka amplitudo deformasi mekanis akan maksimum. Frekuensi resonansi sampel dapat ditentukan dengan rumus (V adalah kecepatan rambat gelombang mekanik, h adalah ketebalan sampel):

Karakteristik paling penting dari bahan piezoelektrik adalah koefisien kopling elektromekanis, yang menunjukkan rasio antara gaya getaran mekanis Pa dan daya listrik yang dihabiskan Pe untuk eksitasinya akibat benturan pada sampel. Koefisien ini biasanya mengambil nilai dalam kisaran 0,01 hingga 0,3.

Piezoelektrik dicirikan oleh struktur kristal suatu bahan dengan ikatan kovalen atau ionik tanpa pusat simetri. Bahan dengan konduktivitas rendah, di mana terdapat pembawa muatan bebas yang dapat diabaikan, dibedakan oleh karakteristik piezoelektrik yang tinggi.Piezoelektrik mencakup semua feroelektrik, serta banyak bahan yang diketahui, termasuk modifikasi kristal kuarsa.

piezoelektrik kristal tunggal

Kelas piezoelektrik ini termasuk feroelektrik ionik dan kristal kuarsa (beta-kuarsa SiO2).

Kristal tunggal kuarsa beta berbentuk prisma heksagonal dengan dua piramida di sisinya. Mari kita soroti beberapa petunjuk kristalografi di sini. Sumbu Z melewati puncak piramida dan merupakan sumbu optik kristal. Jika pelat dipotong dari kristal semacam itu dengan arah tegak lurus terhadap sumbu yang diberikan (Z), maka efek piezoelektrik tidak dapat dicapai.

Gambarlah sumbu X melalui simpul segi enam, ada tiga sumbu X. Jika Anda memotong pelat tegak lurus terhadap sumbu X, maka kami mendapatkan sampel dengan efek piezoelektrik terbaik. Inilah mengapa sumbu X disebut sumbu listrik dalam kuarsa. Ketiga sumbu Y yang ditarik tegak lurus ke sisi kristal kuarsa adalah sumbu mekanis.

Jenis kuarsa ini termasuk piezoelektrik lemah, koefisien kopling elektromekanisnya berkisar antara 0,05 hingga 0,1.

Kuarsa kristal memiliki penerapan terbesar karena kemampuannya untuk mempertahankan sifat piezoelektrik pada suhu hingga 573 ° C. Resonator piezoelektrik kuarsa tidak lebih dari pelat bidang-paralel dengan elektroda yang terpasang padanya. Elemen-elemen tersebut dibedakan oleh frekuensi resonansi alami yang diucapkan.

Lithium niobite (LiNbO3) adalah bahan piezoelektrik yang banyak digunakan terkait dengan feroelektrik ion (bersama dengan lithium tantalate LiTaO3 dan bismuth germanate Bi12GeO20).Feroelektrik ionik dipra-anil dalam medan listrik yang kuat pada suhu di bawah titik Curie untuk membawanya ke keadaan domain tunggal. Bahan semacam itu memiliki koefisien kopling elektromekanis yang lebih tinggi (hingga 0,3).

Kadmium sulfida CdS, seng oksida ZnO, seng sulfida ZnS, kadmium selenida CdSe, galium arsenida GaAs, dll. Mereka adalah contoh senyawa tipe semikonduktor dengan ikatan ionik-kovalen. Inilah yang disebut semikonduktor piezo.

Atas dasar feroelektrik dipol ini, etilendiamin tartrat C6H14N8O8, turmalin, kristal tunggal garam Rochelle, litium sulfat Li2SO4H2O - piezoelektrik juga diperoleh.

piezoelektrik polikristalin

Keramik feroelektrik milik piezoelektrik polikristalin. Untuk memberikan sifat piezoelektrik pada keramik feroelektrik, keramik tersebut harus dipolarisasi selama satu jam dalam medan listrik yang kuat (dengan kekuatan 2 hingga 4 MV / m) pada suhu 100 hingga 150 ° C, sehingga setelah pemaparan ini , polarisasi tetap ada di dalamnya, yang memungkinkan untuk mendapatkan efek piezoelektrik. Dengan demikian, diperoleh keramik piezoelektrik yang kuat dengan koefisien sambungan piezoelektrik 0,2 hingga 0,4.

Elemen piezoelektrik dari bentuk yang diperlukan terbuat dari piezoceramics untuk kemudian memperoleh getaran mekanis dari sifat yang diperlukan (memanjang, melintang, menekuk). Perwakilan utama piezokeramik industri dibuat berdasarkan barium titanat, kalsium, timbal, timbal zirkonat-titanat, dan barium timbal niobate.

piezoelektrik polimer

Film polimer (misalnya polivinilidena fluorida) diregangkan 100-400%, kemudian dipolarisasi dalam medan listrik, dan kemudian elektroda diaplikasikan dengan metalisasi. Dengan demikian, elemen piezoelektrik film dengan koefisien kopling elektromekanis urutan 0,16 diperoleh.

Aplikasi piezoelektrik

Elemen piezoelektrik yang terpisah dan saling berhubungan dapat ditemukan dalam bentuk perangkat teknik radio siap pakai - transduser piezoelektrik dengan elektroda yang terpasang padanya.

Perangkat semacam itu, terbuat dari kuarsa, keramik piezoelektrik, atau piezoelektrik ionik, digunakan untuk menghasilkan, mengubah, dan menyaring sinyal listrik. Pelat bidang-paralel dipotong dari kristal kuarsa, elektroda dipasang - diperoleh resonator.

Frekuensi dan faktor-Q dari resonator tergantung pada sudut sumbu kristalografi di mana pelat dipotong. Biasanya, dalam rentang frekuensi radio hingga 50 MHz, faktor Q dari resonator tersebut mencapai 100.000. Selain itu, transduser piezoelektrik banyak digunakan sebagai transformator piezoelektrik dengan impedansi input tinggi, untuk rentang frekuensi yang biasanya lebar.

Dalam hal faktor kualitas dan frekuensi, kuarsa mengungguli piezoelektrik ion, yang mampu beroperasi pada frekuensi hingga 1 GHz. Pelat litium tantalate tertipis digunakan sebagai pemancar dan penerima getaran ultrasonik dengan frekuensi 0,02 hingga 1 GHz, pada resonator, filter, jalur penundaan gelombang akustik permukaan.

Film tipis semikonduktor piezoelektrik yang disimpan pada substrat dielektrik digunakan dalam transduser interdigital (di sini elektroda variabel digunakan untuk membangkitkan gelombang akustik permukaan).

Transduser piezoelektrik frekuensi rendah dibuat berdasarkan feroelektrik dipol: mikrofon mini, pengeras suara, pickup, sensor tekanan, deformasi, getaran, akselerasi, pemancar ultrasonik.