Расчет параметров пьезоэлектрического преобразователя

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Пензенский государственный  университет

Кафедра «Нано- и микроэлектроника»

 

 

 

Определение напряжения холостого хода пьезоэлектрического преобразователя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка к  курсовой работе

по курсу «Материалы электронной техники»

На тему: «Расчет параметров пьезоэлектрического преобразователя»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. 11ЕЮ1

Степанов Е.А.

Проверила:

Рыжова Т.Н.

 

 

 

 

 

2013 г.

Задание на курсовую работу

В данной курсовой работе требуется  произвести расчет напряжения холостого  пьезоэлектрического преобразователя  U_xx для заданных видов деформации. А дальнейший расчёт должен быть направлен на выбор и расчёт элементов измерительной схемы включения датчика и определение его выходного напряжения с учётом параметров этой схемы.

Рассматриваемый пьезоэлектрический преобразователь выполнен из материала ТБК-3, характеристики которого указаны в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные для расчёта преобразователя

Мате-риал	Fmax, H	Вид деформации	e	dij, Кл/Н‧10-12	qij, м В/Н‧10-3	k, % коэф. электромех связи	Плотность ρ, кг/м3‧103	Е, Н/м2‧109	Допустимая температура Тдоп, ˚С	Радиус образца, мм
ТБК-3	75	ТД ДД	1200	105 45	10,5 4,5	25	5,3	120	105	6,4
										h=3

 

Исследуемые тип деформации: деформация по толщине (ТД) и деформация по длине (ДД).

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 Введение………………………………………………………………....4

1. Пьезокерамика………………………….…………………………….…5

1.1 Получение пьезокерамики………………………………………....5

             1.2 Использование пьезокерамики………………………………….…9

2. Расчет параметров пьезоэлектрического преобразователя………….12
1. Расчет напряжения холостого хода пьезоэлектрического преобразователя для деформации по толщине (ТД)………….…12
2. Расчет напряжения холостого хода пьезоэлектрического преобразователя для деформации по длине (ДД)….…………....14

Заключение……………………………………………………………..16

     Список использованных источников…………………………………17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

       Пьезоэлектрический эффект– явление, характеризующее возникновение электрической поляризации (индукции) под действием механических напряжений или возникновение деформации под действием электрического поля в некоторых веществах (пьезокристаллах). Если пьезоэлектрическую пластину, вырезанную определенным образом, подвергнуть действию механических напряжений (сжатию, растяжению, сдвигу), то на ее поверхности появляются электрические заряды, обусловленные поляризацией, – это так называемый прямой пьезоэффект; при внесении такой пластинки в электрическое поле возникает ее деформация, линейно зависящая от напряженности электрического поля, – обратный пьезоэффект.

       Механизм прямого пьезоэффекта объясняется возникновением или изменением дипольного момента элементарной ячейки кристаллической решетки в результате смещения зарядов под действием механических напряжений. При действии электрического поля на элементарные заряды в ячейке приходит их смещение и как следствие изменение средних расстояний между ними, т.е. деформация (обратный пьезоэффект).

       Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими его у кварца и некоторых других кристаллов.

       Необходимое условие существования пьезоэлектрического эффекта – отсутствие у кристалла центра симметрии. Только в этом случае приложение напряжений может привести к появлению нескомпенсированного электрического заряда, т.е. к возникновению поляризации. Пьезоэлектриками являются кварц, турмалин, сенгетова соль, титанат бария и др[1].

 

 

1 Пьезокерамика

1.1Получение пьезокерамики

Весь технологический  процесс изготовления пьезокерамических изделий можно разбить на 7 этапов.

        Синтез материала - получение однородного мелкодисперсного порошка с высоким содержанием требуемого вещества. Исходное сырье -  окислы и соли. PbO, TiO2, ZrO2, добавки. Их смешивают в определенной пропорции в водной среде, после чего высушивают и размалывают с целью получения однородного состава.

       Изготовление заготовок - порошок смешивают с органическими вяжущими катализаторами, прессуют, каландрируют (прокатывают) или формуют с целью получения структурного элемента заданной формы (диск,      стержень, пластина и т. п.) методом полусухого прессования, шликерного литья, горячего литья под давлением, экструзии или изостатического прессования при высоком давлении;

       Обжиг - «сырые» керамические заготовки подвергаются обжигу при заданных температурных и временных режимах, в результате чего частицы порошка спекаются и материал приобретает плотную керамическую структуру. Обжиг производят в печах в среде кислорода для уменьшения пористости при температуре 1000–1400 градусов по Цельсию. Спеченные заготовки представляют собой спеченную массу мелких кристаллитов (керамических гранул) со стекловидными прослойками.  Обычная пьезокерамика содержит в одном кубическом сантиметре от 9-10 до 12-10 зерен.

      При температуре выше критической, так называемой точки Кюри,  каждый кристалл имеет простую кубическую симметрию, не обладающую дипольным моментом. При температурах ниже точки Кюри каждый кристалл приобретает (в зависимости от композиции материала) тетрагональную или ромбоэдрическую симметрию с дипольным моментом. Дипольные моменты различно ориентированы относительно в разных керамических зернах, и даже относительно в разных областях в отдельном зерне.  Области одинаково ориентированных дипольных моментов называются доменами, а каждый домен содержит сеть дипольных моментов. Однако распределение доменов в пьезокерамическом материале носит случайный характер, поэтому керамический элемент не имеет общей поляризации.

       Механическая обработка - этап доводки элементов до заданных размеров осуществляется темиже способами, что и обработка металлов:  на токарных, фрезерных и сверлильных станках с помощью инструмента из победита с последующим шлифованием и полировкой.

       Нанесение электродов - осуществляется вакуумным напылением, вжиганием, осаждением из раствора (химический способ). Материалы для электродов - серебро (обычно), никель, паладий, индий, медь. Наиболее распространенный способ - вжигание серебряной пасты: на обезжиренную поверхность наносят кистью или пульверизатором слой серебряной пасты,  сушат при 200°C и вжигают при 750-800°С.

       Поляризация - процесс ориентации произвольно направленных доменов вещества в определенном направлении. Способы: масляная и воздушная,  высоко- и низко- температурная, в постоянном или импульсном поле динамическим методом. Чаще используется масляная или воздушная в непрерывном постоянном поле при температуре ниже так называемой точки Кюри. Благодаря этому процессу поляризации большинство доменов принимают ориентацию, практически совпадающую с направлением вектора электрического поля, а керамика удлиняется параллельно оси поляризации.

       После отключения электрического поля большинство диполей остается ориентированными в направлении, близком к вектору поля поляризации. Это придает материалу постоянную поляризацию, называемую остаточной поляризацией.  

       Термостабилизация (искусственное старение) - необходима для стабилизации основных параметров пьезокерамики. Без нее все характеристики материала могли «плыть» достаточно долго во времени (месяцы и годы). Поляризованное состояние керамики является неравновесным и метастабильным. Со временем остаточная поляризация постепенно уменьшается по экспоненциальному закону и з-за разориентации направлений поляризации и изменения доменной структуры в кристаллитах. Время релаксации у современных сегнетокерамических материалов составляет несколько десятков лет. Эффект изменения параметров пьезокерамического материала со временем известен как старение. В общем случае в керамике со временем могут происходить как необратимые, так и обратимые изменения. Необратимые процессы, которые можно либо полностью исключить, либо свести к минимуму, включают в себя химические и структурные изменения диэлектрика со временем. Обратимое или электрическое старение является специфическим свойством сегнетоэлектриков, оно-то в основном и определяет временные изменения параметров пьезокерамики.

        Это старение обусловлено изменением со временем доменной структуры сегнетоэлектриков и объясняется перемещением доменных стенок в новые,  более равновесные положения и постепенным их закреплением дефектами кристаллической решетки, которые диффузионно перемещаются по образцу и накапливаются на доменных стенках. Подробности механизма старения еще не изучены достаточно хорошо, но известно, что состав материала и термообработка образцов сильно влияют на старение. Легкость перемещения доменных стенок (их подвижность) зависит от остаточных механических напряжений, возникающих при фазовом переходе и в процессе поляризации.

      В керамике переориентация доменов и кинетика доменных стенок в значительной мере зависят также от размера зерен, присутствия примесей и пор, препятствующих движению доменных стенок, от напряжений,  возникающих при взаимодействии с окружающими зернами, от структуры границ зерен, а также наличия частиц второй фазы. С повышением температуры скорость старения резко возрастает, что связано с облегчением обратных поворотов части доменов в исходное, существующее до поляризации положение и увеличением вклада этого процесса в остаточную поляризацию. В итоге процесс сокращается до нескольких часов, и параметры пьезокерамики становятся стабильными во времени, что очень важно для любых приложений.

      Выходной контроль пьезоэлементов - визуальный осмотр на соответствие чертежу и техническим условиям, контроль поляризации,  диэлектрических констант, коэффициента связи[2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Использование пьезокерамики

 

       Пьезоэлектрические элементы идеальны при использовании в качестве электромеханических преобразователей. Они достаточно широко используются для изготовления пьезокерамических компонентов, узлов и устройств. Некоторые пьезокерамические элементы уже изначально могут выполнять функции компонента или узла (например, пластинчатые биморфы) и не нуждаются в дополнительной доработке. Все изделия, изготовленные на базе пьезокерамики, подразделяют на следующие основные группы:

       - генераторы;

       - датчики  (сенсоры);

       - актюаторы (пьезоприводы);

       - преобразователи и комбинированные системы;

Пьезокерамические генераторы ;

       Они преобразуют механическое воздействие в электрический потенциал, используя прямой пьезоэффект. Примерами могут служить искровые воспламенители нажимного и ударного типов, применяемые в разного рода зажигалках и поджигающих системах, а также твердотельные батареи на основе многослойной пьезокерамики, применяемые в современных электронных схемах.

      Пьезокерамические датчики;

       Они  преобразуют механическую силу или движение в пропорциональный электрический сигнал, то есть также основаны на прямом пьезоэффекте. В условиях активного внедрения компьютерной техники датчики являются незаменимыми устройствами, позволяющими согласовывать механические системы с электронными системами контроля и управления.

       Выделяются два основных типа пьезокерамических датчиков: осевые (механическая сила действует вдоль оси поляризации, мода 33) и гибкие (сила действует перпендикулярно оси поляризации (мода 31)).

       В осевых датчиках в качестве пьезоэлементов используют диски, кольца, цилиндры и пластины. В качестве примеров можно привести датчики ускорения (акселерометры), датчики давления, датчики детонации, датчики разрушения и т. п.

      Гибкие датчики строятся на основе последовательных (слои керамики имеют противоположную направленность поляризации) и параллельных (направленность поляризации слоев совпадает) пьезокерамических биморфов. Наиболее распространены датчики силы и ускорения.

 Пьезокерамические актюаторы (пьезоприводы);