압전, 압전 - 현상의 물리학, 유형, 속성 및 응용

압전 유전체가 강조 표시됨 압전 효과.

압전 현상은 유명한 프랑스 물리학자 Pierre와 Paul-Jacques Curie가 1880-1881년에 발견하고 연구했습니다.

40년 이상 동안 압전은 실제 응용을 찾지 못했고 물리학 실험실의 재산으로 남아 있었습니다. 프랑스 과학자 Paul Langevin이 수중 위치("사운더")를 목적으로 석영판에서 수중 초음파 진동을 생성하기 위해 이 현상을 사용한 것은 1차 세계대전 동안이었습니다.

그 후, 많은 물리학자들이 석영 및 기타 결정의 압전 특성 연구와 실제 응용에 관심을 갖게 되었습니다. 그들의 많은 작업 중에는 몇 가지 매우 중요한 응용 프로그램이 있었습니다.

예를 들어, 1915년 S.Butterworth는 전기장과 전하의 상호 작용으로 인해 여기된 1차원 기계 시스템으로서의 석영판이 커패시턴스, 인덕턴스 및 저항이 직렬로 연결된 등가 전기 회로로 표현될 수 있음을 보여주었습니다.

발진기 회로로 수정판을 도입한 Butterworth는 이후의 모든 이론 작업의 기초가 되는 수정 공진기에 대한 등가 회로를 처음으로 제안했습니다. 석영 공진기에서.

압전 효과는 직접적이고 반대입니다. 직접적인 압전 효과는 유전체의 전기적 분극화를 특징으로 하며, 이는 외부 기계적 응력의 작용으로 인해 발생하며 유전체 표면에 유도된 전하는 적용된 기계적 응력에 비례합니다.

역 압전 효과를 사용하면 현상이 반대로 나타납니다. 유전체는 외부 전기장의 작용에 따라 치수가 변경되는 반면 기계적 변형(상대적 변형)의 크기는 강도에 비례합니다. 샘플에 적용되는 전기장:

두 경우 모두 비례 계수는 piezomodulus d입니다. 동일한 압전에서 직접(dpr) 압전 효과와 역방향(drev) 압전 효과에 대한 피에조모듈러스는 서로 동일합니다. 따라서 압전 소자는 일종의 가역 전기 기계 변환기입니다.

세로 및 가로 압전 효과

압전 효과는 샘플 유형에 따라 종방향 또는 횡방향일 수 있습니다.세로 압전 효과의 경우 변형에 대한 전하 또는 외부 전기장에 대한 변형에 대한 전하가 개시 작용과 동일한 방향으로 생성됩니다. 횡 압전 효과를 사용하면 전하의 출현 또는 변형 방향이 전하를 유발하는 효과의 방향과 수직이 됩니다.

교류 전기장이 압전 장치에 작용하기 시작하면 동일한 주파수의 교번 변형이 나타납니다. 압전 효과가 종방향이면 변형은 인가된 전기장의 방향으로 압축과 장력의 특성을 가지며 횡방향이면 횡파가 관찰됩니다.

적용된 교류 전기장의 주파수가 압전의 공진 주파수와 같으면 기계적 변형의 진폭이 최대가 됩니다. 샘플의 공진 주파수는 공식에 의해 결정될 수 있습니다(V는 기계적 파동의 전파 속도, h는 샘플의 두께).

압전 재료의 가장 중요한 특성은 기계적 진동의 힘 Pa와 샘플에 대한 충격에 의해 여기에 소비되는 전력 Pe 사이의 비율을 나타내는 전기 기계적 결합 계수입니다. 이 계수는 일반적으로 0.01에서 0.3 범위의 값을 갖습니다.

압전은 대칭 중심이 없는 공유 결합 또는 이온 결합을 가진 물질의 결정 구조를 특징으로 합니다. 무시할 수 있는 자유 전하 캐리어가 있는 낮은 전도성을 가진 재료는 높은 압전 특성으로 구별됩니다.압전 소자에는 모든 강유전체뿐만 아니라 석영의 결정 변형을 포함하여 알려진 물질이 풍부하게 포함됩니다.

단결정 압전

이 종류의 압전에는 이온성 강유전체와 결정질 석영(베타 석영 SiO2)이 포함됩니다.

베타 석영의 단결정은 측면에 두 개의 피라미드가 있는 육각 프리즘 모양을 하고 있습니다. 여기에서 몇 가지 결정학적 방향을 강조하겠습니다. Z축은 피라미드의 정점을 통과하며 결정의 광축입니다. 이러한 결정에서 주어진 축(Z)에 수직인 방향으로 판을 자르면 압전 효과를 얻을 수 없습니다.

육각형의 꼭지점을 통과하는 X축을 그리면 3개의 X축이 있고 X축에 수직으로 판을 자르면 압전 효과가 가장 좋은 샘플을 얻을 수 있습니다. 이것이 석영에서 X축을 전기축이라고 부르는 이유입니다. 수정의 측면에 수직으로 그려진 3개의 Y축은 모두 기계적 축입니다.

이 유형의 석영은 약한 압전 소자에 속하며 전기 기계적 결합 계수는 0.05 ~ 0.1 범위입니다.

결정질 석영은 최대 573°C의 온도에서 압전 특성을 유지하는 능력으로 인해 적용 가능성이 가장 컸습니다. 석영 압전 공진기는 전극이 부착된 평면 평행판에 지나지 않습니다. 이러한 요소는 뚜렷한 자연 공진 주파수로 구별됩니다.

리튬 니오바이트(LiNbO3)는 이온 강유전체(리튬 탄탈레이트 LiTaO3 및 비스무트 게르마네이트 Bi12GeO20와 함께)와 관련하여 널리 사용되는 압전 재료입니다.이온성 강유전체는 퀴리점 이하의 온도에서 강한 전기장에서 사전 어닐링되어 단일 도메인 상태가 됩니다. 이러한 재료는 전기 기계적 결합 계수가 더 높습니다(최대 0.3).

황화카드뮴 CdS, 산화아연 ZnO, 황화아연 ZnS, 셀렌화카드뮴 CdSe, 비화갈륨 GaAs 등 그들은 이온 공유 결합을 가진 반도체 유형 화합물의 예입니다. 이들은 소위 피에조 반도체입니다.

이러한 쌍극자 강유전체를 기반으로 에틸렌디아민 주석산염 C6H14N8O8, 전기석, Rochelle 염의 단결정, 황산 리튬 Li2SO4H2O — 압전 소자도 얻습니다.

다결정 압전

강유전체 세라믹은 다결정 압전 소자에 속합니다. 강유전체 세라믹에 압전 특성을 부여하기 위해서는 이러한 세라믹을 100~150°C의 온도에서 강한 전기장(2~4MV/m의 강도)에서 1시간 동안 분극해야 하므로 이 노출 후 , 분극이 남아있어 압전 효과를 얻을 수 있습니다. 따라서, 0.2 내지 0.4의 압전 결합 계수를 갖는 견고한 압전 세라믹이 얻어진다.

필요한 모양의 압전 요소는 필요한 특성(세로, 가로, 굽힘)의 기계적 진동을 얻기 위해 압전 세라믹으로 만들어집니다. 산업용 압전세라믹의 주요 대표자는 티탄산바륨, 칼슘, 납, 티탄산지르콘산납 및 니오브산바륨납을 기본으로 합니다.

고분자 압전

폴리머 필름(예: 폴리비닐리덴 플루오라이드)을 100-400% 연신한 다음 전기장에서 분극화한 다음 금속화를 통해 전극을 적용합니다. 따라서, 0.16 정도의 전기기계 결합 계수를 갖는 필름 압전 소자가 얻어진다.

압전의 응용

분리되고 상호 연결된 압전 소자는 기성 무선 공학 장치(전극이 부착된 압전 변환기)의 형태로 찾을 수 있습니다.

석영, 압전 세라믹 또는 이온 압전으로 만들어진 이러한 장치는 전기 신호를 생성, 변환 및 필터링하는 데 사용됩니다. 평면 평행 판이 수정에서 절단되고 전극이 부착되어 공진기가 얻어집니다.

공진기의 주파수와 Q 계수는 플레이트가 절단되는 결정학적 축에 대한 각도에 따라 달라집니다. 일반적으로 최대 50MHz의 무선 주파수 범위에서 이러한 공진기의 Q 계수는 100,000에 달합니다.또한 압전 변환기는 일반적으로 넓은 주파수 범위에 대해 입력 임피던스가 높은 압전 변환기로 널리 사용됩니다.

품질 계수 및 주파수 측면에서 석영은 최대 1GHz의 주파수에서 작동할 수 있는 이온 압전 소자보다 성능이 뛰어납니다. 가장 얇은 리튬 탄탈레이트 플레이트는 공진기, 필터, 표면 탄성파 지연선에서 0.02~1GHz 주파수의 초음파 진동 방출기 및 수신기로 사용됩니다.

유전체 기판에 증착된 압전 반도체 박막은 인터디지털 변환기에 사용됩니다(여기서는 가변 전극이 탄성 표면파를 여기시키는 데 사용됨).

저주파 압전 변환기는 소형 마이크, 확성기, 픽업, 압력 센서, 변형, 진동, 가속도, 초음파 방출기 등 쌍극자 강유전체를 기반으로 만들어집니다.