П’єзоелектричні матеріали для електроакустичних перетворювачів

П’єзоелектричнi матерiали – кристалiчнi з’єднання (дiелектрики та напiвпровiдники) якi володiють добре вираженими п’єзоелектричними властивостями та якi застосовуються для виготовлення п’езоелектричних перетворювачiв та п’єзоелементiв.

П’єзоелектричнi кристали – луги та солi , як правило, мiстять домiшки, достатньо широко розповсюдженi в природi у виглядi натуральних мiнералiв ( кварц , турмалiн ),однак у бiльшостi важливих для практики випадкiв п’єзоелектричнi матерiали синтезуються в лабораторних умовах чи промисловими методами ( сегнетова сiль, п’єзокерамiка, нiобат лiтiю та iн.).

Кварц. Кварцевi п’єзоелектричнi пластини в електроакустичних перетворювачах використовуються бiльше 50 років. Цей матерiал має високу температурну стабiльнiсть, хiмiчно стiйкий та механiчно мiцний, але має низьку ефективнiсть перетворювання електричних коливань в акустичнi та навпаки. Ефективнiсть описується таким параметром, як коефiцiєнт електромеханiчного зв’язку. Для кварцу вiн становить k_t = 0.091.

Основнi застосування п’єзокварцевих резонаторiв: стабiлiзацiя частоти електронних генераторiв; матерiал для електроакустичних перетворювачiв вимiрювальних пристроїв.

Первинним матерiалом для виготовлення кварцевих п’єзоелектричних пластин є природнi чи штучнi кристали так званого a- кварцу, який являє собою кристали безводневого двоокису кремнiю SiO2 ( кремнезети ), якi утворюются при температурi нижче 573°C. В природi iснують ще три модифiкацii кристалiв кварцу, але тiльки низькотемпературна володiє п’єзоелектричними властивостями. Таким чином, точка Кюрi п’єзокварцу становить 573°C.

Кристал кварцу має вигляд шестигранної призми з шестигранними пiрамiдами на кiнцях.

П’єзоелектричний ефект у кварцевих кристалах пояснюється вiдповiдним розташуванням iонiв кремнiю та кисню в кристалiчних решiтках. При механiчнiй деформацiї порушується внутрiшня електрична рiвновага кристалiчних решiток, що i викликає появу зарядiв на гранях. Вiдповiдно, зовнiшнє електричне поле, взаємодiючи з зарядами iонiв кристалiчних решiток, викликає механiчнi напруги, а значить i деформацiї п’єзоелектричної пластинки.

Сульфат лiтiю (LiSO₄×H₂O). Cеред водно-розчинних п’єзоелектричних кристалiв сульфат лiтiю видiляється великим коефiцiєнтом електромеханiчного зв’язку при поздовжнiх коливаннях за товщиною (k_t=0.3). Перетворювачi з даного матерiалу використовуються для роботи на частотах нижче 5МГц, оскiльки виготовлення бiльш високочастотних, тобто бiльш тонких, пластинок ускладнено через порiвняно малу механiчну мiцнiсть цих кристалiв.

Зазначимо, що сульфат лiтiю має малу температуру Кюрi (75°C), тобто його робочий температурний діапазон сильно обмежений.

Йодат лiтiю (LiJO₃). Кристали йодата лiтiю видiляються серед iнших п’єзоелектричних кристалiв особливо великим коефiцiєнтом електромеханiчного зв’язку (k_t=0,51 ). Крiм того цей матерiал має низьку дiелектричну проникнiсть.

Дослiдження п’єзоелектричних властивостей водно-розчинних кристалiв йодату лiтiю були розпочатi на початку 70-х рокiв.

Галат лiтiю (LiGaO₂). Коефiцiєнт зв’язку цього матерiалу в 3 рази бiльший коефiцієнту кварцевих пластинок, а механiчнi властивостi подiбнi (k_t=0,25).

Нiобати лужних металiв. Кристали нiобатiв лужних металiв видiляються серед iнших п’єэоелектричних матерiалiв великою швидкiстю поздовжнiх ультразвукових хвиль та добрими п’єзоелектричними властивостями. Через велику швидкiсть УЗ хвиль п’єзоелектричнi пластинки цих матерiалiв мають великi товщини, що дозволяє виготовляти пластинки з резонансними частотами до сотень МГц:

l_о=u/(2f_o),

де l_о- товщина п’єзопластинки; f_о- частота механiчного резонансу; u= 7300 м/с (для LiNbO₃).

Першими iз нiобатiв були вивченi кристали нiобату лiтiю (LiNbO₃).

Зазначимо, що всi розглянуті вище монокристали володiють анiзотропiєю електромеханiчних параметрiв.

Кристали в прямокутнiй системi координат характеризуються полярними осями Х (полярнi вісi другого порядку), вiссю Z (полярна вiсь третього порядку), яка спiвпадає з поздовжньою вiссю кристалу та вісями Y, якi перпендикулярнi осям Х.

 

 

Y

 

Z

·

X

 

Рис.5.12. Розташування полярних осей для кварцу

 

Iз кристалiв кварцу п’єзоелектричнi пластинки вирiзаються таким чином, щоб їх товщина спiвпала з напрямком полярної вісi. Всi полярнi вісi Х рiвноцiннi, тому товщина п’єзоелектричної пластинки може бути вибрана паралельною будь-якiй з цих вісей. Вирiзанi таким чином пластинки називаються пластинками Х-зрiзу. Одна з можливих орiентацiй пластинки Х-зрiзу показана на рис.5.12. Х-вiсь називається ще електричною вiссю, так-як при механiчнiй деформацiї кристалу на ребрах, які перетинаються осями Х, виникають найбiльшi електричнi заряди. Додатнiми вважаються напрямки осей Х, якi спiвпадають з напрямками ребер, на яких при розтязi отримуються додатнi заряди.

Кристали сульфату лiтiю мають одну вiсь симетрiї другого порядку, яка спiвпадає з полярною вiссю Y. При заданому електричному полi найбiльша лiнiйна деформацiя в напрямку цього поля отримується в тому випадку, коли електричне поле паралельне вказанiй вісi симетрiї. Тому для п’єзоперетворювачiв, якi здiйснюють поздовжнi коливання по товщинi, використовуються пластинки сульфата лiтiю так званого Y-зрiзу, товщина яких паралельна полярнiй вісi Y.

Для галату лiтiю, йодату лiтiю, та нiобату лiтiю найкращим є Z-зрiз.

П’єзокерамiчнi матерiали. Керамiки, якi застосовуються для виготовлення п’єзокерамічних перетворювачiв, являються полiкристалiчними сегнетоелектричними матерiалами. Через хаотичне розташування полярних вісей окремих кристалiв у неполяризованому станi цi керамiки не володiють п’єзоефектом. У процесi електричної поляризацiї сильним електричним полем полярнi вісi бiльшостi кристалiв переорiєнтовуються в напрямку поляризуючого поля. Пiсля зняття цього поля зберiгається остаточна поляризацiя, i таким чином одержуються полiкристалiчнi матерiали, які в деякiй мiрi володiють властивостями, що аналогiчні властивостям деяких монокристалiв. Бiльшiсть п’єзокерамічних матеріалів мають коефiцiєнт електромеханiчного зв’язку значно бiльший, нiж кварцевi пластинки. Напрямок поляризуючого поля приймається за напрямок вісi Z та параметри, якi характеризують поздовжнi коливання позначаються iндексами (33).

Що ж таке керамiка? Поняття “керамiка” являється збірним. Зараз до керамiки вiдносять не тiльки матерiали, якi мiстять глину, а й матерiали, якi об’єднанi подiбнiстю технологiї виготовлення та властивостей: необхiдною умовою отримання керамiчних матерiалiв є високотемпературний випал.

Керамічний матеріал представляє собою складну систему, яка складається з трьох фаз: кристалічної, скловидної, газової.

Кристалiчна фаза визначає основнi характернi властивостi даного кристалiчного матерiалу.

Склоподiбна фаза утворює прошарок скла, яка зв’язує мiж собою частинки кристалiчної фази. Її отримують в результатi плавлення легкоплавких компонетiв у процесi випалу. У бiльшостi випадкiв склофаза має бiльш низькi властивостi, нiж кристалофаза, та погiршує електричнi та фiзико-хiмiчнi властивостi кераміки.

return false">ссылка скрыта

Газова фаза- пори в кристалiчному матерiалi, які зобов’язанi своїм виникненням як недостатньому видаленню повiтря з керамiчної маси до випалу, так i газовидiленню в процесi випалу. Якщо пори не виходять на поверхню керамiчного виробу, матерiали вiдносять до щiльної керамiки. При наявностi вiдкритих пор – до пористої керамiки. Пористiсть, як правило,погіршує i електричнi, i фiзико-механiчнi властивостi керамiки.

Першим п’єзокерамiчним матерiалом, який знайшов широке застосування у виробництвi електроакустичних перетворювачiв був титанат барiю (BaTiO₃). Цей матерiал отримується синтезом з вуглекислого барiю (BaCO₃ ) та двоокислу титану ( TiO₂ ) при температурах 1300 – 1325 °С. Як розглядалося ранiше температура Кюрi для BaTiO₃ - 118°С. Недоліком даної кераміки є мала температурна стабільність.

У даний момент випускається п’єзокераміка титанату барію марки ТБ–1 (робочий диапазон температур від +10 - +60°С).

Температурну стабільність п’єзокерамічних перетворювачів на основі титанату барію вдається трохи поліпшити шляхом введення домішок титанатів кальцію та свинцю, а також карбонату кобальту:

(ВаСа)ТіО₃ - (-50 - -115°С),

(ВаСаРb )ТіО₃ - (до +140°С).

Випускаються кераміки титанату барію-кальцію марки ТБК–3 та титанату барію-кальцію-свинцю марки ТБКС.

Зараз у багатьох областях ультразвукової техніки титанатобарієві п’єзоелектричні перетворювачі витісняються перетворювачами з п’єзокерамічних матеріалів системи цирконату-титанату свинцю Рb(ZrТі)О₃ та з ніобатів. Ці матеріали мають підвищену температурну стабільність та кращі п’єзоелектричні властивості.

Випускаються різні склади п’єзокераміки цирконату-титанату свинцю. Скорочено ці кераміки позначаються ЦТС. Окремі марки, які відрізняються хімічним складом, забезпечуються відповідними цифрами, наприклад, ЦТС– 19, ЦТС – 21 та ін.

П’єзокераміки ЦТС являються твердими розчинами цирконату свинцю РbZrО₃ та титанату свинцю РbТіО₃ з домішками деяких трьох- та п’ятивалентних елементів та частковим заміщенням свинцю стронцієм.

Шляхом зміни хімічного складу фізичні властивості цих керамік можна змінювати в широких межах без значного зменшення п’єзоелектричного ефекту. Для цих матеріалів коефіцієнт електромеханічного зв’язку сягає 0,5 і більше, а температура Кюрі перевищує 300°С.

До цих пір у нас широко використовується п’єзокераміка ЦТС – 19, яка має склад: Pb_0,5Sr_0,5(Zr_0,53Ti_0,47)+Nb₂O₅×1%.

Для ЦТС – 19 k_t = 0,34 – 0,5, але цей матеріал має великі діелектричні втрати: tgd = 0,035.

З ніобатних п’єзокерамічних матеріалів найбільше використовуються кераміки ніобату-барію-свинцю: Pb_1-xBa_xNb₂O₆(x = 0 – 1) та кераміка ніобату натрію-калію K_xNa_1-xNbO₃. Промисловістю випускаються марки НБС – 1 та НБС – 3 (k_t = 0,45 – 0,56 , T_к = 470°C); K_0,5Na_0,5NbO₃ (k_t = 0,5 , T_к = 420°C).

Синтетичні полімери. Стійкий п’єзоелектричний ефект можна отримати в деяких синтетичних полімерах методом їх поляризації в сильних постійних електричних полях при підвищених температурах. Серед цих матеріалів найбільш перспективним є полівінілденфторид (ПВДФ). Хоча він має більш низький коефіцієнт електромеханічного зв’язку та значно меншу, в порівнянні з цирконат-титанатом свинцю діелектричну проникність, його питомий акустичний імпеданс близький до імпедансу води та м’яких тканин, що обумовлює його застосування для гідрофонів та в медичній акустичній техніці.

Крім того, технологічно цей матеріал можна виготовляти у вигляді тонкої гнучкої плівки, що має велике значення в ряді додатків.

Області застосування п’єзоелектричних матеріалів

Багатокристалiчнi матерiали, а саме кварц, мають малі значення k_t i для них характерна мала чутливiсть за межами резонансу. Тому вони не придатнi для роботи в широкiй смузі частот, чи для використання в якостi приймачiв сигналiв. В силу вказаних причин кварц з його надзвичайною стабiльнiстю параметрiв використовується для вимiрювання акустичних характеристик матерiалiв на рiзних фiксованих частотах та для стабiлiзацiї частоти генераторiв.

Сегнетоелектричнi матерiали типу ЦТС мають порiвняно високий k_t та володiють помiтною чутливiстю поза резонансом, що дозволяє їх використовувати в широкосмуговому режимi. З урахуванням високої дiелектричної проникностi з цих матерiалiв можуть бути виготовленi перетворювачi малих розмiрiв. Тому ЦТС та iншi сегнетокерамiчнi матерiали стали широко застосовуватися для генерацiї та прийому акустичних хвиль у гiдроакустицi, дефектоскопiiї, радiотехнiцi, медицинi.

Полiвiнiліденфторид (ПВДФ) має бiльш низький коефiцiєнт електромеханiчного зв’язку (k_t=0,19) та значно меншу в порiвняннi з ЦТС електричну проникнiсть. Але його питомий акустичний iмпеданс близький до iмпедансу води та м’яких бiологiчних тканин, а механiчна добротнiсть мала. Це забезпечує можливiсть ефективної роботи в широкiй смузі частот. Крiм того, технологiчно ПВДФ можна надати вигляду тонкої гнучкої плiвки, що має велике практичне значення в рядi додаткiв. ПВДФ застосовується в медичнiй дiагностицi, гiдроакустицi, акустичнiй мiкроскопii.

Напiвпровiдниковi п’езоматерiали, які були розглянуті вище, застосовуються коли необхiдно частоти 100 МГц та бiльше, тобто в основному в акустичнiй мiкроскопiї.