Пьезоэлектрические датчики и преобразователи, основанные на эффекте холла

Физические явления при пьезоэффекте

Термин «пьезо» переводится с греческого языка как «давить». Пьезоэффект был открыт в 1880 г. братьями Жаком и Пьером Кюри и связывает механическую деформацию в кристалле с возникающей в нем разностью потенциалов. Механическое воздействие, приложенное определенным образом к пьезоэлектрическому кристаллу, порождает в нем электрическое напряжение. Это явление называется прямым пьезоэффектом. И наоборот, электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механическую деформацию, что представляет собой обратный пьезоэффект.

Пьезоэффект обладает знакочувствитеяьностью, т. е. происходит изменение знака возникающего электрического заряда при замене сжатия растяжением и соответственно изменение знака деформации кристалла при изменении направления электрического поля. Пьезоэлектрический эффект может наблюдаться в кристаллах, которые не имеют центра симметрии. В природе существует 21 класс кристаллов, не обладающих такой симметрией, и свыше тысячи кристаллических материалов проявляют пьезокристаллический эффект.

Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах, например в кварце, турмалине, ниобате лития, сегнетовой соли и др., так и в поликристалл ических материалах, например в титанате бария, титанате свинца, цирконате свинца и др.

Физические явления, происходящие при пьезоэлектрическом эффекте, рассмотрим на примере широко известного пьезокристаллического материала — кварца, как показано на рис. 3.1.

Чтобы получить хорошие пьезоэлектрические свойства, кварцевые кристаллы следует точно ориентировать. Природные формы кристаллов также ограничиваются простейшими конфигурациями, например пластинками или дисками.

Ячейка кварца при отсутствии механического воздействия в целом электрически нейтральна, но в ней можно выделить.

Рис. 3.1. Схемы продольного (а) и поперечного (6) сжатия и сдвига (в) в кристалле кварца три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона (диполя). Эти полярные направления называются электрическими осями, или осями X, и по ним направлены векторы поляризации Р_1У Р₂ и Р_}. Если к кристаллу приложить механическую нагрузку, равномерно распределенную по его грани, то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нарушается. При этом, как показано на рис. 3.1, а и б_у при деформированном состоянии ячейки сумма проекций двух векторов поляризации Р₂ и Р_у на ось X становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) третьего вектора Р_г Появляется отличная от нуля равнодействующая векторов поляризации, которой соответствуют поляризационные заряды на гранях кристалла. Знаки этих зарядов для сжатия по осям X и Y показаны соответственно на рис. 3.1, а и б.

Деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма поляризационных векторов в силу симметрии равна нулю.

Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, под воздействием силы, направленной по этой оси X, называется продольным пьезоэффектом.

При направлении механической нагрузки вдоль одной из осей К, перпендикулярных оси X (они называются механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р₂ и Я₃ на ось X оказывается не равной третьему вектору Р_г Так, при сжатии пьезокристалла по оси У, как показано на рис. 3.1, б, указанная сумма превышает вектор Р_г В результате на нижней грани кристалла образуются положительные заряды, а на верхней грани — отрицательные. Эффект образования электрических зарядов на гранях, перпендикулярных механически нагружаемым, называется поперечным пьезоэффектом.

При равномерном нагружении кристалла со всех сторон (например, при гидростатическом сжатии) кристалл кварца остается электрически нейтральным. Кристалл кварца остается также электрически нейтральным при механическом нагружении, действующем вдоль оси Z, перпендикулярной осям X и У. Эта ось называется оптической осью кристалла.

При механическом воздействии сдвига, как показано на рис. 3.1, в, геометрическая сумма проекций векторов Р₂ и Р, на ось X оказывается равной третьему вектору P_v направленному вдоль оси X, и на гранях, перпендикулярных оси X, поляризационных зарядов не возникает. Однако проекции векторов Р₂ и Р_} на ось У между собой не равны, и на гранях, перпендикулярных оси У, возникает заряд.

Кроме естественных кристаллов, подобных кварцу или турмалину, для получения пьезоэффекта может быть использована также и пьезокерамика. Но в отличие от естественных кристаллов пьезо керамика вследствие хаотической ориентации электрических диполей сразу после ее изготовления не обладает пьезоэлектрическими свойствами. Для приобретения таких свойств ее подвергают «тренировке». Эта «тренировка» заключается в воздействии электрического поля напряженностью от 10 до 30 кВ/см при температуре несколько ниже точки Кюри. После этого такой материал будет вести себя как монокристалл. Преимущество пьезокерамики, заключающееся в том, что из нее оказывается возможным изготавливать детали сложной конфигурации, отличающиеся высокой химической стойкостью, при этом сохраняется. Пьезокерамические преобразователи изготавливаются по стандартным технологиям, принятым для керамических материалов.

Но керамический материал может и потерять свои пьезоэлектрические свойства, если он подвергается воздействию сильного переменного электрического поля, или воздействию.

Рис. 3.2. Принципиальные схемы пьезоэлектрических преобразователей.

[

постоянного поля, противоположного первоначальному направлению поляризации, или если температура возрастает выше точки Кюри, или если механическое воздействие превышает определенный уровень.

Как правило, пьезокерамика обладает значительно более высокими, чем кварц, пьезоэлектрическими показателями, но имеет худшие физико-механические характеристики. Модуль упругости пьезокерамических материалов лежит в пределах Е= (0,65…1,3) -10″ «Па.

На рис. 3.2 показаны различные принципиальные схемы пьезоэлектрических преобразователей, использующихся в схемах измерений механических параметров.

На рис. 3.2, а изображен преобразователь, в котором используется прямой пьезоэлектрический эффект. Такие преобразователи применяются в приборах для измерения силы, давления и ускорения. На рис. 3.2, б изображен преобразователь, в котором используется обратный пьезоэлектрический эффект. Такие преобразователи применяются в качестве излучателей акустических, в том числе ультразвуковых, колебаний, в качестве преобразователей электрического напряжения в механическую деформацию, например в пьезоэлектрических реле или в исполнительных элементах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов, в обратных преобразователях приборов балансировки и т. д.

На рис. 3.2, в изображен преобразователь, в котором используются как прямой, так и обратный пьезоэлектрические эффекты. Это пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на той или иной определенной резонансной частоте и резко уменьшающие свой коэффициент преобразования при отклонении от этой резонансной частоты. Такие пьезоэлектрические преобразователи применяются в качестве резонансных фильтров, пропускающих узкую полосу частот.

Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя (см. далее), работают в режиме автоколебаний и используются в качестве задающего генератора колебаний. В зависимости от типа используемого кристалла и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы применяются в двух разновидностях:

• • для обеспечения высокостабильной собственной частоты, не зависящей от внешних условий;
• • для генерации колебаний с управляемой собственной частотой (управляемые пьезорезонаторы).

Управляемые пьезорезонаторы могут быть использованы в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектрических, величин (давление, температура, ускорение и т. д.) в частоту электрических колебаний.