Characteristics of Ultrasonic Piezoelectric Ceramics

Ultrasonic piezoelectric ceramics are a class of electronic ceramic materials with piezoelectric properties. The main difference from typical piezoelectric quartz crystals that do not contain ferroelectric components is that the crystal phases that make up their main components are all ferroelectric grains Since ceramics are polycrystalline aggregates with randomly oriented grains, the spontaneous polarization vector of each ferroelectric grain is also chaotically oriented. In order for ceramics to exhibit macroscopic piezoelectric properties, it must be fired in piezoelectric ceramics. After being formed and combined with the composite electrode on the end face, it is placed under a strong DC electric field for polarization treatment, so that the respective polarization vectors of the original disorderly orientation are preferentially oriented along the direction of the electric field. The piezoelectric ceramics after polarization treatment, in After the electric field is cancelled, a certain macroscopic remanent polarization will be retained, so that the ceramic has certain piezoelectric properties.

Dielectric and elastic properties:

The dielectric property of piezoelectric ceramics reflects the degree of response of the ceramic material to an external electric field, which is usually represented by the dielectric constant ε0. When the external electric field is not too large, a linear relationship can be used for the response of the dielectric to the electric field:

For piezoelectric ceramics, P is the polarization strength, ε0 is the vacuum permittivity, E is the electric susceptibility, and E is the applied electric field. Different uses of piezoelectric ceramic components have different requirements for the dielectric constant of piezoelectric ceramics. For example, audio components such as piezoelectric ceramic speakers require a large dielectric constant of the ceramic, while high-frequency piezoelectric ceramic components require a small dielectric constant of the material.

The elastic coefficient of piezoelectric ceramics is a parameter that reflects the relationship between the deformation of the ceramics and the applied force. Like other elastomers, piezoelectric ceramic materials follow Hooke's law: Xmn=cmnpqxmnpq, where cmnpq is called the elastic hardness constant of the elastomer, X is the stress, and x is the strain. For piezoelectric bodies, due to the piezoelectricity, the value of the elastic coefficient is related to the electrical boundary conditions.

Piezoelectricity of Piezoelectric Ceramics:

The biggest characteristic of piezoelectric ceramics is piezoelectricity, including positive piezoelectricity and inverse piezoelectricity. Positive piezoelectricity refers to the relative displacement of the positive and negative charge centers in some dielectrics under the action of mechanical external force, which causes polarization, which leads to the appearance of bound charges with opposite signs on the surfaces of the dielectrics. In the case where the external force is not too large, its charge density is proportional to the external force, following the formula:

where δ is the surface charge density, d is the piezoelectric strain constant, and T is the tensile stress. Conversely, when an external electric field is applied to a piezoelectric dielectric, the positive and negative charge centers inside the dielectric undergo relative displacement and are polarized, and the displacement causes the dielectric to deform. This effect is called inverse piezoelectricity. When the electric field is not very strong, the deformation has a linear relationship with the external electric field, following the formula:

dt は逆圧電ひずみ定数、つまり d の転置行列、E は印加電界、x はひずみです。圧電効果の強さは、結晶の弾性特性と誘電特性の間の結合の程度を反映します。これは、次の式に従う電気機械結合係数 K で表されます。

ここで、u12 は圧電エネルギー、u1 は弾性エネルギー、u2 は誘電エネルギーです。

圧電特性の物理的メカニズム:

分極した圧電セラミックシートの両端は束縛された電荷を持つため、外界からの自由電荷の層が電極表面に吸着されます。セラミックシートに外圧Fを加えると、シートの両端で放電が発生します。逆に引っ張ると帯電現象が起きます。この機械的効果が電気的効果に変換される現象が正の圧電効果に属します。

さらに、圧電セラミックスには自発分極の特性があり、自発分極は外部電場の作用下で変換できます。そのため、圧電誘電体に外部電界が加わると、図のような変化が生じ、圧電セラミックスが変形します。しかし、圧電セラミックスが変形するのは、自発分極と同じ外部電界を加えると、分極強度が高まることに相当するからです。分極強度の増加により、圧電セラミックシートは分極方向に伸びます。逆に逆電界を印加すると、セラミックシートは分極方向に沿って短くなります。この現象、

その他の機能:

圧電セラミックは敏感な特性を持ち、非常に弱い機械的振動を電気信号に変換できます。電気信号は、ソナー システム、気象検出、テレメトリー環境保護、家庭用電化製品などで使用できます。圧電セラミックは外力に対する感度が高いため、飛んでいる昆虫が 10 メートル以上離れた場所で羽ばたくことによって引き起こされる空気の乱れ。それを使って圧電地震計を作ると、地震の震度を正確に測定し、地震の方位と距離を示すことができます。これは圧電セラミックスの偉業と言わざるを得ません。

電界の作用下での圧電セラミックスの変形は非常に小さく、せいぜいそれ自体のサイズの 1,000 万分の 1 以下です。この小さな変化を過小評価しないでください。精密機器や機械の制御、マイクロエレクトロニクス技術、バイオエンジニアリングなどの分野は大きな恩恵です。

共振器やフィルタなどの周波数制御デバイスは、通信機器の性能を決定する重要な部品です。圧電セラミックスには、この点で明らかな利点があります。周波数安定度が高く、精度が高く、適用周波数範囲が広く、サイズが小さく、吸湿性がなく、長寿命です。特にマルチチャネル通信機器では、干渉防止性能を向上させることができます。これにより、以前の電磁機器は振り返ることができなくなり、圧倒されるという問題に直面しました。別の運命。