Физические основы пьезоэлектроники

10.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРОНИКИ Работа различных приборов пьезоэлектроники основана на пьезоэлектрическом эффекте, который был открыт в 1880 г. французскими учеными братьями П. Кюри и Ж. Кюри. Слово «пьезоэлектричество» означает «электричество от давления». Прямой пьезоэлектрический эффект (короче пьезоэффект) состоит в том, что при давлении на некоторые кристаллические тела, называемые пьезоэлектриками, на противоположных гранях этих тел возникают равные, но разные по знаку электрические заряды. Если изменить направление деформации, т. е. не сжимать, а растягивать пьезоэлектрик, то заряды на гранях изменят знак на обратный. К пьезоэлектрикам относятся некоторые естественные или искусственные кристаллы, например кварц или сегнетова соль, а также специальные пьезокерамические материалы, например титанат бария. Кроме прямого пьезоэффекта применяется также обратный пьезоэффект, который состоит в том, что под действием электрического поля пьезоэлектрик сжимается или расширяется в зависимости от направления вектора напряженности поля. У кристаллических пьезоэлектриков интенсивность прямого и обратного пьезоэффекта зависит от того, как направлена относительно осей кристалла механическая сила или напряженность электрического поля. Для практических целей применяют пьезоэлектрики различной формы: прямоугольные или круглые пластинки, цилиндры, кольца. Из кристаллов такиепьезоэлементы вырезают определенным образом, соблюдая при этом ориентировку относительно осей кристалла. Пьезоэлемент помещают между металлическими обкладками или наносят металлические пленки на противоположные грани пьезоэлемента. Таким образом получается конденсатор с диэлектриком из пьезоэлектрика. Если к такому пьезоэлементу подвести переменное напряжение, то пьезоэлемент за счет обратного пьезоэффекта будет сжиматься и расширяться, т. е. совершать механические колебания. В этом случае энергия электрических колебаний превращается в энергию механических колебаний с частотой, равной частоте приложенного переменного напряжения. Так как пьезоэлемент обладает определенной частотой собственных механических колебаний, то может наблюдаться явление резонанса. Наибольшая амплитуда колебаний пластинки пьезоэлемента получается при совпадении частоты внешней ЭДС с собственной частотой колебаний пластинки. Следует отметить, что имеется несколько резонансных частот, которые соответствуют различным типам колебаний пластинки. Под воздействием внешней переменной механической силы на пьезоэлементе возникает переменное напряжение той же частоты. В этом случае механическая энергия преобразуется в электрическую и пьезоэлемент становится генератором переменной ЭДС. Можно сказать, что пьезоэлемент является колебательной системой, в которой могут происходить электромеханические колебания. Каждый пьезоэлемент эквивалентен колебательному контуру. В обычном колебательном контуре, составленном из катушки и конденсатора, периодически осуществляется переход энергии электрического поля, сосредоточенной в конденсаторе, в энергию магнитного поля катушки и наоборот. В пьезоэлементе механическая энергия периодически переходит в электрическую. В эквивалентной схеме пьезоэлемента на рис. 10,1 индуктивность L отражает инерционные свойство пьезоэлектрической пластинки, емкость С характеризует упругие свойства пластинки и активное сопротивление r — потери энергии при колебаниях. Рис. 10.1. Эквивалентная схема пьезоэлемента Емкость С0, называемая статической, представляет собой обычную емкость между обкладками пьезоэлемента и не связана с его колебательными свойствами. 10.2. ПРИБОРЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРОНИКИ Одним из первых пьезоэлектрических приборов был кварцевый резонатор, имеющий очень высокую стабильность частоты колебаний. В течение многих лет кварцевый резонатор успешно применяется для стабилизации частоты генераторов и радиопередатчиков. Особенно высокая стабильность достигается, если кварцевый резонатор поместить в термостат. Существует также особый срез кварцевой пластинки (относительно осей кристалла), при котором и без термостата стабильность частоты весьма высока. Собственная резонансная частота кварцевого резонатора зависит от его геометрических размеров. Так, например, при колебаниях пластинки кварца по толщине резонансная частота определяется именно толщиной пластинки. Изменение толщины под действием температуры приводит к нестабильности частоты. Пример схемы транзисторного генератора с кварцевой стабилизацией дан на рис. 10.2. Кварцевый резонатор задает на вход транзистора (участок база — эмиттер) колебания со своей стабильной частотой, а усиленные колебания получаются в колебательном контуре, включенном в выходную, коллекторную цепь. Обратная связь, необходимая для самовозбуждения генератора, осуществляется через емкость коллектор — база. Если эта емкость недостаточна, то между коллектором и базой включают дополнительный конденсатор. Резисторы R1 и R2 включены для того, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение. Рис. 10.2. Схема простейшего генератора с кварцевой стабилизацией частоты Добротность кварцевых резонаторов, т. е. отношение запасаемой реактивной энергии к энергии потерь, очень велика и составляет 104 —106. В соответствии с эквивалентной схемой на рис. 10.1 кварцевый резонатор имеет две основные резонансные частоты. Для последовательного резонанса (резонанса напряжений) в цепи L—C—r частота резонанса f1 = (2Π√LC)-1, а для контура, в котором получается параллельный резонанс (резонанс токов), частота резонанса будет выше: f2 =(2Π√LCэ)-1, где эквивалентная емкость Cэ = СС0/(С+С0). Пьезорезонаторы могут быть сделаны не только из кварца, но и из пьезокерамики. Однако добротность при этом снижается и составляет 102 — 104. Кварцевые резонаторы широко используются в качестве эталонов частоты, в приборах для измерения частоты, в электронных часах для обеспечения высокой точности хода. Из кварцевых резонаторов составлены полосовые электрические фильтры, пропускающие весьма узкую полосу частот. Обширную группу пьезоэлектрических приборов представляют различные пьезодатчики, реагирующие на температуру, давление, перемещение, ускорение. В большинстве случаев работа таких датчиков основана на том, что даже небольшие изменения геометрических размеров пьезоэлемента дают заметное изменение его резонансной частоты. Во многих пьезоэлектрических приборах применяют пьезокерамику, у которой пьезоэлектрический эффект выражен гораздо сильнее, чем у кварца (например, у титана бария в 100 раз сильнее). На использовании прямого пьезоэффекта работают пьезоэлектрические микрофоны и звукосниматели. В них применяется сегнетова соль или пьезокерамика. Эти же материалы используются в пьезоэлектрических телефонах и громкоговорителях, работающих на основе обратного пьезоэффекта. Значительный интерес представляют пьезоэлектрические трансформаторы (ПЭТ), в которых пьезоэлемент имеет три или большее число электродов, подключенных к источнику переменного напряжения и нагрузке либо к нескольким источникам и нескольким нагрузкам. Так же, как и обычные трансформаторы с обмотками, ПЭТ могут усиливать сигнал по напряжению или по току, преобразовывать нагрузочное сопротивление, осуществлять фазовый сдвиг на 1800 . Бывают ПЭТ узкополосные, работающие на частотах, близких к одной из резонансных частот пьезоэлемента, или широкополосные. В большинстве случаев ПЭТ являются трансформаторами напряжения, но если они рассчитаны на большие токи — в несколько ампер, то их называют трансформаторами тока. Часть ПЭТ, подключенная к источнику переменного напряжения, называется возбудителем, а часть, подключенная к нагрузке, — генератором. В возбудителе за счет обратного пьезоэффекта энергия электрических колебаний переходит в энергию акустических волн, которые распространяются по направлению к генератору. В нем за счет прямого пьезоэффекта энергия механических колебаний преобразуется в электрическую. Так как амплитуда механических колебаний при резонансе, то именно на резонансных частотах коэффициент трансформации, равный отношению вторичного напряжения к первичному, будет максимальным. В простейшем виде ПЭТ делается из двух пьезокерамических брусков, склеенных друг с другом (рис. 10.3). Один брусок служит возбудителем, другой — генератором. Оба бруска сделаны из пьезокерамики различного состава, так как к материалам возбудителя и генератора предъявляются разные требования. В зависимости от расположения электродов на возбудителе и генераторе возможны трансформаторы различных типов. Наибольшее применение получили трансформаторы поперечно-продольного типа. Именно такой ПЭТ показан на рис. 10.3 , у него в возбудителе электрическое поле направлено поперек, а в генераторе вдоль. В зависимости от соотношения размеров коэффициент трансформации напряжения в режиме холостого хода может достигать нескольких тысяч. Рис. 10.3. Пьезоэлектрический трансформатор поперечно-продольного типа Кроме «брусковых» применяются и другие ПЭТ: дисковые, цилиндрические, кольцевые. Пьезотрансформаторы могут использоваться в различных схемах при мощности до нескольких ватт и даже десятков ватт, в частности в маломощных выпрямителях на высокие напряжения или в маломощных низковольтных выпрямителях для питания транзисторных схем. У таких трансформаторов КПД составляет 80— 95 %. Следует отметить ряд важных особенностей ПЭТ: отсутствие обмоток, простоту устройства, низкую стоимость, малую массу, возможность микроминиатюры [щИИ для применения в микросхемах, возможность работы как на низких, так и на высоких частотах, большое многообразие конструкций и режимов работы. Недостаток ПЭТ — отсутствие проводимости для постоянной составляющей тока, что не позволяет применять их в некоторых практических схемах.