Пьезоэлектрики. 
Активные диэлектрики

К пьезоэлектрикам относятся диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Прямым пьезоэффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. Электрический заряд Q, возникающий на поверхности, изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий.

Q = dF; Q/S = qs = = d,.

где d — пьезомодуль; S — площадь; qs — заряд на единицу площади, Р — поляризованость, — механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Пьезомодуль d численно равен заряду, на единице площади поверхности при приложении к нему единицы давления. Величина пьезомодуля составляет около 10−10 Кл/Н.

При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика l/l пропорционально напряженности электрического поля Е.

l/l = = dE,.

где — относительная деформация.

Пьезомодули d прямого и обратного пьезоэффекта для одного и того же материала равны между собой.

Пьезоэффект наблюдается лишь в ионных и сильнополярных диэлектриках, в структуре которых отсутствует центр симметрии и которые обладают высоким удельным сопротивлением.

Для характеристики конкретных пьезоэлектриков используют также величину называемую коэффициентом электромеханической связи k. Это связано с тем, что реальная работа внешней силы затрачивается не только на деформацию, но и на поляризацию.

k2 = Wэ /W,.

где Wэ — электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектриком; W — вся энергия затрачиваемая на деформацию.

При обратном пьезоэффекте энергия внешнего источника затрачивается не только на зарядку емкости пьезоэлектрика, но и на его деформацию. активный диэлектрик поляризация электроника.

k2 = Wм /W,.

где Wм — плотность энергии механической деформации, Wм = CX2/2, здесь С — модуль упругости; Х — смещение.

Численное значения k для прямого и обратного пьезоэффектов совпадают.

В качестве пьезоматериалов широко применяют сегнетоэлектрики. Обычная сегнетокерамика как изотропная среда не обладает пьезоэффектом. Для придания пьезоэлектрических свойств ее подвергают поляризации: выдерживают в сильном электрическом поле при температуре 100−150С в течение длительного времени. Поляризованность доменов получает преимущественную ориентацию в направлении поля. После снятия внешнего поля в керамике сохраняется устойчивая остаточная поляризация; из изотропного тела керамика превращается в анизатропное — текстуру. По своим свойствам поляризованный сегнетокерамический образец близок к однодоменному кристаллу. Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для использования ее пьезоэффекта, называют пьезокерамикой. Из пьезокерамики можно изготовить активный элемент практически любого размера и любой формы. Пьезокерамика используется для создания ультразвуковых излучателей, элементов преобразования электрических сигналов в звуковые и обратно, датчиков давления, деформаций, ускорений и вибраций, пьезорезонансных фильтров электрических сигналов, линий задержки, пьезотрансформаторов и пьезодвигателей. Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZrO3 — PbTiО3 (цирконат — титанат свинца или сокращенно ЦТС).

Ввиду высоких значений tg и механических потерь пьезокерамику трудно использовать на частотах свыше 20Мгц. На более высоких частотах применяются монокристаллические пьезоэлектрики.

Из пьезоэлектрических кристаллов наиболее часто применяют кварц — двуокись кремния SiО2. В кристаллах кварца различают три главные оси, образующих прямоугольную систему координат (рис.37):X — электрическую ось, проходящую через вершины шестиугольника поперечного сечения (три оси); Y — механическую ось, перпендикулярную сторонам шестиугольника поперечного сечения (три оси); Z — оптическую ось, переходящую через вершины кристалла. Пластинки, вырезанные перпендикулярно оси Z не обладают пьезоэффектом.

Пластинки Х-среза обладают максимальным коэффициентом электромеханической связи (около 10%). Однако наибольшее применение находят пластины косых срезов кристалла, грани которых наклонены по отношению к его осям.

Плоскопараллельная полированная кварцевая пластинка с электродом и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, т. е. является колебательным контуром с определенной частотой колебаний. Частота определяется толщиной пластины и направлением кристаллографического среза. Преимуществом кварцевых резонаторов являются малый tg, высокая механическая добротность (Qм=5104 — 107) и температурная стабильность параметров. Благодаря высокой добротности кварцевые резонаторы используются в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов. Одно из главных требований к таким пьезоэлектрикам является нулевой или минимальный уход частоты механических колебаний в возможно более широком интервале температур. Этому требованию в значительной мере удовлетворяют АТи ВТсрезы в диапозоне частот 0.6 — 100 и 5 — 20МГц соответственно, а также СТ-, DTи GTсрезы — в диапозоне 100 — 550 кГц.

Ниобат и танталат лития, обладающие более высокими чем кварц пьезомодулями и коэффициентами электромеханической связи, во многих случаях вытесняют кварц. Фильтры на их основе обладают большей широкополосностью при меньших габаритах, более низким сопротивлением в полосе прозрачности, большей изоляцией от паразитных колебаний. Механическая добротность ниобата и танталата лития сохраняет высокое значение (105 — 106) до СВЧ-диапозона, тогда как у кварца она максимальна при частоте 1МГц, а выше 100МГц снижается до значений меньших 105. Эти материалы применяют в линиях задержки и фильтрах как объемных, так и поверхностных волн и других устройствах, использующих поверхностные акустические волны.

Пьезополупроводники СdS, ZnS, ZnO используют в основном для пленочных преобразователей электромагнитных колебаний в акустические на высоких и сверхвысоких частотах (до 40Ггц), акустических усилителях и других устройств.