Grunderna bakom piezokeramisk teknik

Arbetsprincip piezo-elektricitet, perovskit och polarisering

Piezoelektricitet bygger på förmågan hos vissa kristaller att generera en elektiskt laddning när de belastas mekaniskt med tryck eller spänning, vilket kallas direkt piezo-effekt. Omvänt kan dessa kristaller genomgå en kontrollerad deformation när de utsätts för ett elektriskt fält - ett beteende som man brukar kalla omvänd piezoeffekt. Laddningens polaritet beror på hur kristallen är inriktad i förhållande till tryckets riktning.

Denna process kallas den dirketa piezo-effekten. Omvänt kan dessa kristaller genomgå en kontrollerad deformation när de utsätts för ett elektriskt fält - ett beteende som man brukar kalla omvänd piezo-effekt. Laddningens polaritet beror på hur kristallen är inriktad i förhållande till tryckets riktning.

Direkter piezoelektrischer Effekt

Direkt piezo-elektrisk effekt

Inverser piezoelektrischer Effekt

Omvänd piezo-elektrisk effekt

Perovskitstrukturen

Keramiska maerial som uppvisar piezo-elektriska egenskaper tillhör gruppen ferroelektriska material. Dagens system bygger nästan uteslutande på blyzirkonattitanat (PZT), d.v.s. de består av blandade kristaller av blyzirkonat (PbZrO3) och titanat (PbTiO3). Piezokeramiska komponenter har en polykristalin struktor som omfattar otaliga av kristalliter (domäner), som var och en består av ett flertal elementarceller. Elementarcellerna hos dessa ferroelektriska keramiska material har perovskitkristallstruktur, som allmänt kan beskrivas med den strukturella formlen A2+B4+O32-.

Schematiskt diragram av en idealisk perovskitstruktur, där man bortser från distorsioner på grund av spontan polarisering vid en temperatur lägre än Curie temperatur. Den tvåvärda katjonen finns i kubens mitt, medan de trevärda katjonerna bildar kubens hörn. Illustrationen visar de tvåvärda anjonerna i mitten av varje kubhörn. För PZT (blyzirkonattitanat) blandade kristallen gäller: A: Pb2+, B: Ti4+ / Zr4+

Piezoelektriska egenskaper genom polarisering

Omedelbart efter sintringen uppvisar domänerna i en keramkropp (områden som består av elementarceller med enhetlig dipolär riktning) en godtycklig, statistiskt fördelad orientering, dvs. den makroskopiska kroppen är isotrop och har inga piezoelektriska egenskaper.

Ferroelektriska keramiska material innan, under, och efter polarisering

Dessa piezoelektriska egenskaper måste framställas via "polarisering". Under denna process utsätts keramkroppen för ett starkt elektriskt likströmsfält som får de elektriska dipolerna att inrättas i fältets riktning. De bibehåller till stor del denna orientring även efter att likströmsfältet har tagits bort (remanent polarisering) - ett nödvändigt villkor för piezoelektriskt uppträdande hos ferrokeramiska keramer.

För mer information om grunderna i piezokeramisk teknik, de dynamiska beteendet hos piezokeramer och de grundläggande tillstånden i piezoeletriska resonatorer, rekommenderar vi broschyren "Högpresterande keramer i piezoapplikationer" med tillägget "Monolitiska manöverorgan med flera lager - drift och applikationer".

  • Piezoceramic Technology

    Advanced Ceramics in Piezo Applications

    • Språk: PDF, 2.6 MB

    • Språk: PDF, 2.5 MB

    • Språk: PDF, 5.5 MB

  • Piezoceramic Technology

    Advanced Ceramics in Piezo Applications

    • Språk: PDF, 2.6 MB

    • Språk: PDF, 2.5 MB

    • Språk: PDF, 5.5 MB

  • Piezoceramic Technology

    Advanced Ceramics in Piezo Applications

    • Språk: PDF, 2.6 MB

    • Språk: PDF, 2.5 MB

    • Språk: PDF, 5.5 MB

  • Piezoceramic Technology

    Monolithic Multilayer Actuators