Классификация по технологии изготовления

· Элементные

· Интегральные

1.2

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую' и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефоноз, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические преобразователи — пьезоэлектрические трансфор

Рассмотрим в общих чертах явления, происходящие в пьезоэлектрике, для двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии.

Пьезоэлемент (ПЭ) — тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных крис таллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики), имеющее проводящие обкладки (электроды) (рис. 2.). Таким образом, пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твердым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Ниже будет показано, какое значение имеет наличие пьезоэффекта и каким образом он оказывает влияние на электрические и механические характеристики пьезоэлемента. Если ПЭ используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующие на ПЭ, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьезоэлектрика используют электроды, покрывающие всю площадь граней ПЭ, а для создания равномерно распределенного механического напряжения — наклагки из упругог) материала, хорошо прилегающие

1.3

Внешняя сила вызывает деформацию ПЭ, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам ПЭ. Внешняя сила сообщает ПЭ энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жесткость ПЭ. Одновременно с деформацией ПЭ на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой ПЭ внешней силой, оказывается электрической и ее величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и емкость ПЭ.

Внешняя механическая сила, воздействующая на ПЭ, сообщает последнему энергию в виде энергии упругой деформации и энергии заряда емкости ПЭ. Если обозначить энергию упругой деформации ПЭ через а электрическую энергию заряда его емкости через то полная энергия сообщенная ПЭ, будет равна их сумме. Как во всяком обратимом преобразователе, при этом возникает обратное действие (пьезоэлектрическая реакция), заключающееся в том, что возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создает (уже в результате обратного пьезоэффекта) механические напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в увеличении жесткости ПЭ. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды ПЭ, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет; следовательно, должно произойти уменьшение жесткости ПЭ.

Подобные же рассуждения можно сделать и для случая обратного пьезоэффекта, т. е. воздействия на ПЭ внешней электрической силы. При этом внешний источник электрической энергии сообщает ПЭ энергию в виде энергии заряда емкости ПЭ и механической энергии его упругой деформации. Здесь также имеет место обратное действие. Если воспрепятствовать деформации жестким зажатием ПЭ, то можно обнаружить изменение его емкости. Этот факт легко наблюдается у

1 — пластина из пьезоэлектрика; 2 — электроды из проводящего материала, наложенные на грани пластины

Более полно пьезоэффект характеризует энергетический коэффициент к, называемый коэффициентом электромеханической связи (ЭМС) и определяемый отношением где — вся приложенная к ПЭ энергия, а и Гм — преобразованная (электрическая и механическая) энергия. Коэффициент ЭМС оказывается очень полезным для сравнения пьезоэлектриков, пьезоэлектрические, упругие и диэлектрические коэффициенты которых могут суще-венно различаться. Этот коэффициент различен для статического и динамического режимов преобразования, в последнем случае он зависит также от вида и моды колебания. Коэффициент ЭМС, как и пьезоэлектрические модули, зависит от направления воздействующих сил относительно кристаллографических осей кристалла. Он определяет такую существенную характеристику резонатора, как относительная ширина резонансной кривой. Чем больше коэффициент ЭМС, тем больше относительная ширина резонансной кривой. Преобразование энергии пьезоэлектрическим элементом не можт быть полным, поэтому коэффициент ЭМС не бывает больше 1. Для так называемых слабых пьезоэлектриков, к которым принадлежат кварц, коэффициент ЭМС не превышает нескольких процентов, для сильных пьезоэлектриков, таких как сегнетова соль или пьезо-керамика, он может достигать 50... 90%.