圧電、圧電 - 現象、種類、特性、および応用の物理学

圧電素子 誘電体が強調表示されます 圧電効果.

圧電現象は、1880 年から 1881 年にかけて、フランスの有名な物理学者ピエール キュリーとポール ジャック キュリーによって発見され、研究されました。

40 年以上にわたり、圧電は実用化されず、物理研究所の所有物のままでした。フランスの科学者ポール・ランジュバンがこの現象を利用して、水中の位置を特定する（「測深器」）目的で石英板から水中に超音波振動を発生させたのは、第一次世界大戦中になってからでした。

その後、多くの物理学者が水晶やその他の結晶の圧電特性の研究とその実用化に興味を持つようになりました。彼らの多くの作品の中には、非常に重要な応用例がいくつかありました。

たとえば、1915 年の S.バターワースは、電場と電荷の間の相互作用によって励起される一次元機械システムとしての水晶板が、直列に接続された容量、インダクタンス、抵抗を備えた等価電気回路として表現できることを示しました。

バターワースは、水晶板を発振回路として導入し、水晶共振器の等価回路を最初に提案しました。これは、その後のすべての理論的研究の基礎となります。 水晶振動子から.

圧電効果は直接効果と逆効果です。直接圧電効果は、誘電体の電気分極によって特徴付けられます。これは、誘電体に対する外部の機械的応力の作用によって発生しますが、誘電体の表面に誘起される電荷​​は、加えられた機械的応力に比例します。

逆圧電効果では、この現象は逆に現れます。誘電体は、それに加えられる外部電場の作用によりその寸法を変化させますが、機械的変形 (相対的変形) の大きさは誘電体の強度に比例します。サンプルに印加される電場:

どちらの場合も比例係数は圧電係数 d です。同じ圧電体の場合、直接圧電効果 (dpr) と逆圧電効果 (drev) の圧電係数は互いに等しい。したがって、圧電素子は可逆的な電気機械変換器の一種です。

縦方向および横方向の圧電効果

圧電効果は、サンプルの種類に応じて、縦方向または横方向になります。縦圧電効果の場合、歪みまたは外部電界に応答した歪みに応答した電荷が、開始作用と同じ方向に生成されます。横圧電効果では、電荷の出現または変形の方向は、それらを引き起こす効果の方向に対して垂直になります。

交流電場が圧電体に作用し始めると、同じ周波数の交流変形が圧電体に現れます。圧電効果が縦方向の場合、変形は印加電場の方向に圧縮と張力の特性を持ち、横方向の場合は横波が観察されます。

印加される交流電場の周波数が圧電体の共振周波数と等しい場合、機械的変形の振幅は最大になります。サンプルの共振周波数は、次の式で求めることができます (V は機械波の伝播速度、h はサンプルの厚さ)。

圧電材料の最も重要な特性は電気機械結合係数です。これは、機械的振動の力 Pa と、サンプルへの衝撃による振動の励起に費やされる電力 Pe との比を示します。この係数は通常 0.01 ～ 0.3 の範囲の値をとります。

圧電体は、対称中心のない共有結合またはイオン結合を持つ材料の結晶構造によって特徴付けられます。自由電荷キャリアが無視できるほど少ない、導電率の低い材料は、高い圧電特性によって特徴付けられます。圧電体には、すべての強誘電体だけでなく、水晶の結晶変性物を含む豊富な既知の材料が含まれます。

単結晶圧電体

このクラスの圧電体には、イオン性強誘電体と結晶石英 (ベータ石英 SiO2) が含まれます。

ベータクォーツの単結晶は、側面に 2 つのピラミッドを備えた六角柱の形状をしています。ここでいくつかの結晶学的方向を強調しましょう。 Z 軸はピラミッドの頂点を通り、結晶の光軸です。このような結晶から所定の軸 (Z) に垂直な方向に板を切り出すと、圧電効果が得られません。

六角形の頂点を通る X 軸を描きます。そのような X 軸は 3 つあります。X 軸に垂直にプレートを切断すると、最高の圧電効果を持つサンプルが得られます。これが、X 軸がクォーツの電気軸と呼ばれる理由です。水晶の側面に垂直に描かれた 3 つの Y 軸はすべて機械軸です。

このタイプの水晶は弱い圧電体に属し、その電気機械結合係数は 0.05 ～ 0.1 の範囲にあります。

結晶水晶は、最大 573 °C の温度でも圧電特性を維持できるため、最も応用性が高く、水晶圧電共振子は、電極が取り付けられた平行平面板にすぎません。このような要素は、顕著な固有共振周波数によって区別されます。

ニオブ酸リチウム (LiNbO3) は、(タンタル酸リチウム LiTaO3 やゲルマニウム酸ビスマス Bi12GeO20 とともに) イオン強誘電体に関連して広く使用されている圧電材料です。イオン性強誘電体は、強電場中でキュリー点以下の温度で事前にアニールされ、単磁区状態になります。このような材料は、電気機械結合係数が高くなります (最大 0.3)。

硫化カドミウムCdS、酸化亜鉛ZnO、硫化亜鉛ZnS、セレン化カドミウムCdSe、ガリウムヒ素GaAsなどこれらは、イオン共有結合を持つ半導体型化合物の例です。これらはいわゆるピエゾ半導体です。

これらの双極子強誘電体に基づいて、酒石酸エチレンジアミン C6H14N8O8、トルマリン、ロッシェル塩の単結晶、硫酸リチウム Li2SO4H2O などの圧電体も得られます。

多結晶圧電体

強誘電体セラミックは多結晶圧電体に属します。強誘電体セラミックスに圧電特性を付与するには、温度 100 ～ 150 °C の強電界 (強度 2 ～ 4 MV/m) で 1 時間分極処理する必要があります。分極が残っているため、圧電効果が得られます。これにより、圧電結合係数が０．２〜０．４の強固な圧電セラミックスが得られる。

必要な形状の圧電素子は、必要な性質 (縦方向、横方向、曲げ) の機械的振動を得るために圧電セラミックで作られます。工業用圧電セラミックの主な代表例は、チタン酸バリウム、カルシウム、鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸バリウム鉛をベースに作られています。

ポリマー圧電体

ポリマーフィルム (例: ポリフッ化ビニリデン) は 100 ～ 400% 延伸され、電場で分極され、メタライゼーションによって電極が適用されます。このようにして、０．１６程度の電気機械結合係数を有する薄膜圧電素子が得られる。

圧電素子の応用

個別に相互接続された圧電素子は、既製の無線工学デバイス、つまり電極が取り付けられた圧電トランスデューサーの形で見られます。

このようなデバイスは、水晶、圧電セラミック、またはイオン圧電体でできており、電気信号の生成、変換、およびフィルタリングに使用されます。水晶から平行平面板を切り出し、電極を取り付けて共振器を作ります。

共振器の周波数と Q 値は、プレートが切断される結晶軸に対する角度に依存します。通常、最大 50 MHz の無線周波数範囲では、このような共振器の Q 値は 100,000 に達します。また、圧電トランスデューサは、一般に広い周波数範囲で高い入力インピーダンスを備えた圧電トランスとして広く使用されています。

品質係数と周波数の点で、水晶はイオン圧電体よりも優れており、最大 1 GHz の周波数で動作できます。最薄のタンタル酸リチウム プレートは、表面弾性波の共振器、フィルタ、遅延線において、周波数 0.02 ～ 1 GHz の超音波振動のエミッタおよびレシーバとして使用されます。

誘電体基板上に堆積された圧電半導体の薄膜は、すだれ状トランスデューサに使用されます (ここでは、弾性表面波を励起するために可変電極が使用されています)。

低周波圧電トランスデューサは、双極子強誘電体に基づいて作られています。小型マイク、スピーカー、ピックアップ、圧力、変形、振動、加速度のセンサー、超音波エミッターなどです。