Механизм пьезоэффекта можно пояснить на примере кристалла кварца
б-SiO2. Особенностью пьезоэффекта в кварце является то,что он в соответствии с его симметрией не обладает пьезоэлектрическими свойствами в направлении осиZ(оси с).Поэтому используют пьезоэлектрические срезы кварца (X и Y — срезы), перпендикулярные кристаллографическим осям X и Y.
Пластины X – среза используется для возбуждения продольного, а пластины Y – среза — поперечного пьезоэффектов. При сжатии вдоль оси X1 (рис. 2.1) ионы Si+ и О- перемещаются в глубь ячейки кристалла (содержащей три молекулы SiО2), в результате чего на плоскостях А и В появляются заряды. При растяжении в этих плоскостях возникают заряды противоположного знака.
Одно из самых ценных свойств кварца — способность мало изменять и хорошо воспроизводить свои характеристики в широком интервале температур. Стабильность характеристик кварца обеспечивает его широкое применение, и в первую очередь в кварцевых генераторах (для стабилизации их частоты ), в высокочастотных электромеханических преобразователях, пьезоэлектрических фильтрах и др.
Пьезоэлектрики используются для изготовления различных электромеханических преобразователей.Под действием механической нагрузки наблюдается не только электрическая поляризация, но и изменение оптических свойств материалов — пьезооптический эффект (появление двойного лучепреломления в изотропных материалах и его изменение — в анизотропных). На данном эффекте основан поляризационно — оптический метод исследования механических напряжений.
Пьезоэлектрики широко используются в современной технике как датчики давления, пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца.
2. Сегнетоэлектрики области применения
Сегнетоэлектриками называются вещества, обладающие спонтанной электрической поляризацией, которая может быть обращена приложением электрического поля E подходящей величены и определенного направления. Этот процесс, называемый переполяризацией, сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Сегнетоэлектрики во многих отношениях являются электрическим аналогами ферромагнетиков, в которых намагниченность I может быть обращена магнитным полем H. Однако по своей микроскопической природе сегнетоэлектрики и ферромагнетики совершенно различны.
Сегнетоэлектрики отличаются большой диэлектрической проницаемостью, высоким пьезомодулем, наличием петли диэлектрического гистерезиса, интересными электрооптическими свойствами, и поэтому широко применяется во многих областях современной техники: радиотехнике, электроакустике, квантовой электронике и измерительной технике.
Сегнетоэлектрики обладают интересными электрическими свойствами; во многих твердых телах силы связи носят главным образом электрический характер, и тот факт, что в сегнетоэлектриках эти силы могут проявляется весьма ярко, существенно облегчает их изучение,
Наиболее распространена классификация сегнетоэлектриков в соответствии со структурой и связанной с ней механизмом возникновения спонтанной поляризации при фазовом переходе. По этому признаку они подразделяются на сегнетоэлектрики типа «смещения», у которых переход в сегнетоэлектрическую фазу связан со смещением ионов, и сегнетоэлектрики типа «порядок-беспорядок», у которых при переходе в сегнетоэлектрическую фазу происходит упорядочение имевшихся в исходной фазе диполей.
Сегнетоэлектрики типа «смещения» подразделяются на две основные группы:
группу перовскита и группу псевдоильменита.
Свойства:
Многие свойства сегнетоэлектриков отличаются от свойств которых следовало бы ожидать для однородных материалов. Это обусловлено наличием доменов точно также, как в ферромагнетиках. Так, например, характер тока переключения тесно связан с поведением доменов. Домены имеются как в монокристалле, так и в кристаллах керамического образца. Сегнетоэлектрический домен представляет собой макроскопическую область, в которой направление спонтанной поляризации одинаково и отличается от направления спонтанной поляризации в соседних доменах.
Разделяющие доменные стенки могут перемещаться внутри монокристалла; при этом одни домены увеличиваются, а другие уменьшаются. Теоретически было рассчитано Ландауэром и другими, что в титанате бария необходимое для переполяризации монокристалла поле должно составлять около 200 кВ/см, однако практически переполяризация легко осуществляется в поле порядка 1 кВ/см, очевидно, благодаря тому, что в кристалле всегда присутствуют небольшие домены с обратным направлением поляризации. При переполяризации эти домены растут либо за счет перемещения доменных стенок, либо за счет некоторого сходного процесса
Применение
В техническом применении сегнетоэлектриков наметилось несколько направлений, важнейшими из которых следует считать:
1) изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;
2) использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств;
3) использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти;
4) использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения;
5) изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей.
Варикапы
Варикап - это очередная разновидность полупроводникового диод, который способен изменять свою внутреннюю емкость прямо пропорционально уровню приложенного обратного напряжения смещения p-n перехода от единиц до сотен пикофарад.
Техник радиолюбителям о медицинской техники и не только
Принцип действия:
Условно графическое изображение варикапа на принципиальных схемах сочетает в себе обозначение диода и емкости конденсатора. Поэтому варикап еще и называют - емкостной диод. Если вспомнить принцип работы p-n перехода, то мы упоминали о том, что в нем присутствует так называемая барьерной ёмкостью. Сама по себе барьерная ёмкость несет паразитные свойства. Но и этот существенный минус смогли обратить в плюс. В результате этой попытки избавиться от паразитной емкости и был открыт варикап - так называемый гибрид диода и переменного конденсатора, емкость которого можно регулируется с помощью приложенного обратного напряжения
Варикап работа и устройство Варикап - это очередная разновидность полупроводникового диод, который способен изменять свою внутреннюю емкость прямо пропорционально уровню приложенного обратного напряжения смещения p-n перехода от единиц до сотен пикофарад. Принцип работы варикапа Условно графическое изображение варикапа на принципиальных схемах сочетает в себе обозначение диода и емкости конденсатора. Поэтому варикап еще и называют - емкостной диод. Если вспомнить принцип работы p-n перехода, то мы упоминали о том, что в нем присутствует так называемая барьерной ёмкостью. Сама по себе барьерная ёмкость несет паразитные свойства. Но и этот существенный минус смогли обратить в плюс. В результате этой попытки избавиться от паразитной емкости и был открыт варикап - так называемый гибрид диода и переменного конденсатора, емкость которого можно регулируется с помощью приложенного обратного напряжения. Как мы уже знаем из основ работа диода, при подаче обратного напряжения на него, он закрыт и электрический ток через него не течет . Т.е p-n переход выполняет функцию изолятора, толщина которого почти прямо пропорциональна величине обратного напряжения Uобр. Регулируя Uобр, мы меняем толщину p-n слоя. А так как электрическая емкость конденсатора зависит от площади обкладок, и в данном случае от площади p-n слоя, и расстояния между обкладками – в данном случае толщины перехода, то появляется отличная возможность регулировать емкость p-n слоя с помощью обратного напряжения. Как только на варикап подают обратное напряжение смещения, изменяется величина емкости потенциального барьера p-n перехода. В номинальном значении она снижается с ростом приложенного обратного напряжения смещения. У варикапов емкость может меняться в очень широком диапазоне, от 3 до 10 раз. Кроме того у емкостных диодов очень низкие потери электрической энергии и низкий ТКЕ (температурный коэффициент емкости) поэтому они отлично подходят для работы на очень высоких частотах, где емкость измеряется долями пикофарад. Это очень важный момент, так как если бы емкость была нестабильна, то частота колебательного контура «плавала», т.е. менялась. А это неприемлемо! Рассмотрим упрощенную типовую схема управления емкостным диодом. Для отображения ссылки для скачки, схемы, картинки, формулы и т.п отключите Блокировщик Рекламы!!! В ней R2 - переменное сопротивление с помощью плавно изменяется сопротивление резистора, а как следствие, и величина обратного напряжения смещения Uобр, следующего на варикап. Емкость С1 не пропускает на индуктивность L1 постоянного напряжения. Сопротивление R1 снижает шунтирующее действие R2 на колебательный контур, что позволяет сохранить его резонансные свойства. Как видим по схеме, емкость варикапа входит в состав колебательного контура. Меняя ее, мы изменяем свойства колебательного контура и частоту его настройки. Так и осуществляется электронная настройка на частоту в современных схемах приемников (Схема УКВ приемника на микросхеме TDA 7000) В меню телевизоров имеется функция – автонастройка телеканалов. Выбираем ее, и весь телевизионный диапазон сканируется на наличие вещательных программ - телеканалов. Так вот эту функции просто бы не возможно было бы использовать, если бы не был открыт емкостной диод. В схеме телевизора формируется плавно изменяющееся напряжение настройки, которое и поступает на варикап. За счет него изменяются параметры колебательного контура тюнера и он настраивается на вещательный канал. Затем найденные каналы, а точнее напряжения обратного смещения запоминаются, и мы можем переключаться на любой из них с помощью ПДУ в любой момент. В телевизионной и специальной радио техники очень часто применяются сдвоенные и строенные варикапы с общим катодом. Вот так они обозначаются на принципиальных схемах. Они применяются, в модулях радиоприемных устройств, где требуется одновременно настраивать входной контур и гетеродин с помощью одного переменного сопротивления. Встречаются так же обычные сборки, когда в одном корпусе имеется несколько емкостных диодов не связанных между собой Параметры варикапа Несмотря на то, что варикап это полупроводниковый диод, по сути это все-таки конденсатор и поэтому параметры, связанные с емкостью и являются системо образующими. Вот лишь часть наиболее часто используемая из них:
Несмотря на то, что варикап это полупроводниковый диод, по сути это все-таки конденсатор и поэтому параметры, связанные с емкостью и являются системо образующими. Вот лишь часть наиболее часто используемая из них:
Они применяются, в модулях радиоприемных устройств, где требуется одновременно настраивать входной контур и гетеродин с помощью одного переменного сопротивления. Встречаются так же обычные сборки, когда в одном корпусе имеется несколько емкостных диодов не связанных между собой
Пироэлектрики.
К активным диэлектрикам относятся п и р о э л е к т р и к и, т.е. диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом.
Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфат лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть изменено внешним электрическим полем. При неизменной температуре спонтанная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака за счет процессов электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток.