generarea undelor ultrasonore_ceramici piezoelectrice

Post on 20-Jul-2015

89 views

Category:

Documents

4 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

Generarea undelor ultrasonore

Ceramici piezoelectrice

Efectul piezoelectric

Efectul piezoelectric a fost descoperit n 1880 de ctre Jacques i Pierre Curie n perioada cnd studiau efectul presiunii asupra generrii de sarcini electrice de ctre diferite cristale naturale (de exemplu cuar) Efectul piezoelectric direct este definit ca o schimbare n polarizarea electric determinat de aplicarea unei tensiuni mecanice Efectul piezoelectric invers const n apariia unor tensiuni mecanice i a unor deformaii interne ntr-un material sub influiena unui cmp electric extern.

Efectul piezoelectric

Relaia liniar ntre efortul unitar Xik aplicat unui material piezoelectric i densitatea de sarcin rezultant Di este cunoscut ca efect piezoelectric direct i poate fi scris

unde dijk (C N1) este tensorul coeficienilor piezoelectrici.

Efectul piezoelectric

O proprietate util a materialelor piezoelectrice este c i schimb dimensiunile (se dilat sau se contract) cnd sunt situate ntr-un cmp electric. Efectul piezoelectric invers descrie apariia unei tensiuni mecanice la plicarea unui cmp electric:

unde t specific matricea transpus Unitile de msur pentru coeficienii care descriu efectul piezoelectric invers sunt (m V1).

Efectul piezoelectric

Coeficienii piezoelectrici, d, pentru efectul direct i invers sunt identici, adic ddirect = dinvers. Trebuie precizat faptul c semnul densitii de sarcin Di i al deformaiei xij depind de direcia eforturilor mecanice i a cmpurilor electrice. Coeficienii piezoelectrici d pot fi pozitivi sau negativi.

Efectul piezoelectric

Coeficientul piezoelectric msurat n direcia cmpului aplicat este numit n mod obinuit coeficient longitudinal iar cel msurat ntr-o direcie perpendicular cmpului este numit coeficient transversal. Ali coeficieni folosii pentru descrierea efectului piezoelectric sunt coeficienii de forfecare. Din cauza faptului c tensorii tensiunilor i a deformaiilor sunt tensori simetrici, tensorul coeficienilor piezoelectrici este simetric fa de indicii identici, dijk = dikj .

Piezoelectricitatea

Originea microscopic a efectului piezoelectric este deplasarea sarcinii ionice n interiorul structurii cristalului. n absena unei tensiuni externe distribuia de sarcini este simetric i momentul dipolar electric net este zero. Atunci cnd este aplicat o tensiune mecanic extern sarcinile se deplaseaz, distribuia de sarcini nu mai este simetric i apare o polarizare net.

Piezoelectricitatea

n unele cazuri un cristal posed o ax polar unic chiar i fr aplicarea unei tensiuni mecanice i acest fapt determin apariia sarcinii electrice sub influena schimbrii temperaturii. Acest efect se numete efect piroelectric. Efectul piezoelectric direct st la baza senzorilor pentru msurarea forei, a presiunii, vibraiei i a acceleraiei.

Efectul piezoelectric invers este utilizat pentru senzorii de deplasare, pentru nano si micropoziionare i pentru realizarea sondelor ultrasonore.

Piezoelectricitatea si subgrupele cristaline

Elementele care sunt utilizate pentru a defini simetria sunt

Un punct (centru) de simetrie, Axe de rotaie, Plane de simetrie Combinaii ale acestora.

Utiliznd aceste elemente de simetrie toate cristalele pot fi mprite n 32 grupe.

Piezoelectricitatea si subgrupele cristaline

Cele 32 de grupe sunt subdivizate n 7 sisteme cristaline:

triclinic, monoclinic, ortorombic, tetragonal, rombohedral (trigonal), hexagonal cubic.

Din cele 32 de grupe, 21 nu posed un centru de simetrie (o condiie necesar pentru ca s existe piezoelectricitate) i 20 dintre acestea sunt piezoelectrice. O clas, dei i lipsete un centru de simetrie, nu este piezoelectric (datorit unor combinaii de elemente de simetrie).

Piezoelectricitatea si subgrupele cristaline32 Grupe

21 G: Fr simetrie central20 G: Piezoelectrice (Polarizare sub tensiuni) 10 G: Piroelectrice (Polarizate spontan) Subgrupa ferroelectrice (Polarizare spontan. Polarizare reversibil)

11 G: Cu simetrie central

Piezoelectricitatea si subgrupele cristaline

Coeficienii piezoelectrici trebuie s fie egali cu zero i efectul piezoelectric este absent la toate cele 11 grupe cu simetrie central. Materiale cu o alt simetrie pot prezenta efect piezoelectric.

TRADUCTORI DE CUARTZ (SiO2)

Cristal de cuartz

Sectiune transversala in cristalul de cuartz

Schema simplificat a cristalului de cuartz

Schema de deformare pentru explicarea efectului piezoelectric

Taietura X

Taietura Y

Deformaia plcuelor de cuartz sub aciunea unui cmp electric alternativ

Structura ceramicilor piezoelectrice:

O ceramic piezoelectric const din ioni metalici tetravaleni (n mod uzual titan sau zirconiu) ntr-o celul mai mare format din ioni bivaleni (n mod uzual plumb sau bariu) i ioni O2-. Fiecare cristal are un moment dipolar dac are simetrie tetragonal sau romboedric.

Polarizarea ceramicilor piezoelectrice

Deasupra unei temperaturi critice numit temperatura Curie fiecare cristal prezint o simetrie cubic fr moment dipolar. Sub temperatura Curie fiecare cristal are simetrie tetragonal sau romboedric i prezint un moment dipolar. Dipolii alturai formeaz regiuni cu aliniere local numite domenii. Alinierea d un moment dipolar net domeniului i deci o polarizare net. Direcia de polarizare fa de domeniul nvecinat este ntmpltoare i, pe ansamblu, elementul ceramic nu prezint polarizare.

TRADUCTORI CU CERAMICI PIEZOELECTRICE TITANATUL DE BARIU (BaTiO3)

Structura titanatului de bariu

Structura titanatului de bariu sub temperatura Curie

- Ceramicile din titanat de bariu se obin dintr-un amestec brut mcinat de oxid de titan (TiO2) i carbonat de bariu (BaCO3).- Se folosete un liant organic i apoi se obin ceramici sub diferite forme prin presare i sinterizare la 1500 C. - Polarizarea se face n ulei dielectric, n cmp electric constant de 10kV/cm i care orienteaza cristalele.

- n cmp electric exterior toate momentele electrice se orienteaz similar i se obine un efect global mare.

Polarizarea ceramicilor piezoelectrice

Domeniile dintr-un element ceramic sunt aliniate prin expunerea la un cmp electric puternic la o temperatur puin mai mare dect temperatura Curie. Prin acest tratament de polarizare domeniile se aliniaz la liniile de cmp electric, se alungesc i ceramica se dilat n lungul cmpului. La nlturarea cmpului de polarizare nsoit de micorarea temperaturii sub temperatura Curie cea mai mare parte a dipolilor rmn blocai ntr-o configuraie aliniat. Elementul ceramic rmne cu o polarizare permanent, polarizarea remanent i este alungit fa de starea iniial.

Dipoli electrici n domeniile Weiss (1) ceramica feroelectric nepolarizat, (2) n timpul i (3) dup polarizare (ceramica piezoelectric)

Piezoelectricitatea

Deplasarea peretilor domeniilor

Materiale piezoelectrice

Cteva exemple de materiale piezoelectrice: titanatul de bariu, niobatul de litiu, diflorura de polyvinyledenid (PVDF) i titanozirconatul de plumb (PZT). Exist diferite compoziii de materiale piezoelectrice de tip PZT i fiecare are proprieti electromecanice diferite.

Funcia de generator i de motor electric a unui element piezoelectric

Aplicarea unei tensiuni mecanice asupra unui element piezoelectric polarizat schimb momentul dipolar i se genereaz o tensiune electric. Comprimarea de-a lungul direciei de polarizare sau aplicarea unei tensiuni perpendiculare pe direcia de polarizare genereaz tensiuni de aceeai polaritate ca tensiunea aplicat la polarizare

Ceramici piezoelectrice - aplicaii

Generarea de tensiuni electrice este utilizat la dispozitivele de aprindere a combustibililor, baterii i alte produse;Deformarea ceramicilor sub influiena unor tensiuni electrice aplicate este folosit la motoarele

piezoelectrice, la generarea de sunete sau ultrasunete i multe alte produse.

Definirea coeficienilor piezoelectrici i al direciilor

Pentru descrierea proprietilor unei ceramici piezoelectrice polarizate este folosit sistemul ortogonal . Din cauza naturii anizotrope a ceramicilor piezoelectrice efectul este dependent de direcie. Axa 3 este direcia de polarizare.

Definirea coeficienilor piezoelectrici i al direciilor

Pentru a identifica direciile axelor se introduc indicii 1, 2 si 3 (n mod analog notrilor x, y, z folosite pentru sistemul ortogonal de coordonate). Axele 4, 5 si 6 identifica rotaiile i forfecrile.

Direcia de polarizare (axa 3) este stabilit n timpul procesului de polarizare prin aplicarea unui cmp electric puternic ntre electrozii ceramicii piezoelectrice. Pentru aplicaii care folosesc deformarea ceramicii proprietile de-a lungul axei de polarizare sunt eseniale (deformare maxim). Coeficienii piezoelectrici nu sunt constante independente. Coeficienii variaz cu temperatura, presiunea, cmpul electric, factorul de form, condiiile mecanice i electrice de margine, etc. Coeficienii descriu proprietile materialului n condiiile de semnal mic.

Materialele piezoelectrice sunt caracterizate de diferiti coeficieni: Example: dij: Coeficienii de deformare [m/V]: deformaia dezvoltat (m/m) subinfluiena cmpului electric aplicat (V/m)

sau (datorit proprietilor de sensor / sau element de execuie a materialelor piezoelectrice) Coeficienii de sarcin electric [C/N]: densitatea de sarcin electric dezvoltat (C/m) la aplicarea unui efort unitar (N/m). gij: Coeficienii de tensiune sau coeficienii de cmp electric generat [Vm/N]: cmpul electric generat n circuit deschis (V/m) raportat la efortul unitar aplicat (N/m) sau (datorit proprietilor de sensor / sau element de execuie a materialelor piezoelectrice) deformaia dezvoltat (m/m) raportat la densitatea de sarcin aplicat (C/m). kij: C