2. Природа пьезоэффекта

Р абота пьезоэлектрического датчика основана на физи­ческом явлении, которое называется пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект проявляется в некоторых кристаллах в виде по­явления на их гранях электрических зарядов разных знаков при сжатии кристалла в определенном направлении. Слово «пьезо» по-гречески означает «давлю». В зависимости от значения силы сжатия (или растяжения) меняется ко­личество зарядов, а следовательно, и разность потенциалов, замеренная меж­ду гранями. Пьезоэлектрические датчи­ки относятся к генераторному типу. Ши­роко известны пьезоэлектрические звуко­сниматели: игла звукоснимателя воспри­нимает все изменения глубины звуковой дорожки и передает их на пьезокристалл. Выходное напряжение с пьезокристалла усиливается, и через динамик мы слышим записанные звуки. Появление зарядов на гранях в зависимости от сжа­тия называется прямым пьезоэффектом. Существует и обратный пьезоэффект: при подаче напряжения на грани крис­талла изменяются его размеры (он сжи­мается или разжимается). Обратный пьезоэлемент нашел применение в ультразвуковых генераторах. А основанные на прямом пьезоэффекте пьезоэлектрические датчики используются в автоматике для измерения давлений, вибраций, ускорений, других параметров быстропротекающих процессов.

Рассмотрим появление зарядов на гранях кристалла кварца, у которого пьезоэлектрический эффект достаточно сильно выражен. На рис. 1 изображен кристалл кварца, который имеет вид шестигранной призмы. В кристалле можно выделить три оси симметрии: Z—продольная ось, называемая оптической осью; X — поперечная ось, проходящая через ребра призмы перпендикулярно продольной оси; Y — поперечная ось, проходящая через грани призмы пер­пендикулярно им и осям Z, X. Ось X называется электрической осью, ось Y — механической или нейтральной.

Рис. 1 Кристалл кварца

Вырежем из кристалла кварца параллелепипед таким образом, чтобы его грани были перпендикулярны осям X, Y, Z, и рассмотрим появление зарядов на его гранях под действием сил, ориентирован­ных по осям X, Y, Z, т. е. нормально к плоскостям граней. Под дей­ствием силы F_x вдоль электрической оси X на каждой из граней параллелепипеда, перпендикулярной оси X, появляются электриче­ские заряды. Величина зарядов не зависит от геометрических раз­меров кристалла, а определяется силой Fx:

q_x = K₀F_x (1)

где Ко — пьезоэлектрическая постоянная материала, или пьезоэлек­трический модуль. Знак зарядов (полярность) зависит от направ­ления силы по оси X (сила сжатия или сила растяжения).

Под действием силы растяжения F_Y вдоль механической оси Y возникают заряды на тех же гранях, что и при действии силы F_x (т. е. на гранях, перпендикулярных оси X), но знак заряда будет тот же, что при действии силы сжатия F_X. Соответственно сила сжатия F_y приводит к появлению зарядов на тех же гранях и то­го же знака, что сила растяжения Fx-Величина зарядов под дей­ствием сил Fy зависит от геометрических размеров кристалла b и с (рис. 1) и пропорциональна силе:

q_Y=-K₀F_y(b/c). (2)

Коэффициент К₀ в формулах (1) и (2) один и тот же. Знак минус означает, что полярность заряда от сил сжатия по осям X и У противоположна. Появление зарядов под влиянием силы F_x называется продольным пьезоэффектом, а под влиянием силы F_Y—поперечным пьезоэффектом. Сжатие или растяжение по оси Z не вызывает появления зарядов на гранях. Появляющиеся на гранях пьезоэлемента под действием сил F_x и F_Y электрические заряды исчезают, как только прекращается действие силы. Кроме того, да­же если сила приложена постоянно, заряды стекают через воздух или изоляцию. Поэтому пьезоэлектрические датчики используют лишь для измерения динамических процессов, когда под действием переменных сил заряды на гранях все время восполняются. В пье­зоэлектрических датчиках получили применение кроме кварца сегнетова соль и титанат бария. Свойства кристаллов этих материалов, имеющие значение для изготовления пьезодатчиков, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Пьезоэлектрический модуль кварца сравнительно невысок. Но его главное достоинство — низкая стоимость. Ведь кварц — это один из самых распространенных породообразующих минералов, его состав (SiO₂) тот же, что и у обычного песка. Кварц также имеет большую механическую прочность, хорошие изоляционные свойства, незначительную зависимость параметров от температуры.

Наиболее ярко пьезоэлектрический эффект выражен в кристал­лах сегнетовой соли: при одной и той же силе появляется в тысячу раз большее количество электричества, чем у кварца. Однако эти заряды довольно быстро стекают из-за малого удельного сопротив­ления. Свойства сегнетовой соли изменяются в зависимости от тем­пературы и влажности. Поэтому пьезоэлементы из сегнетовой со­ли применяются для измерения быстропеременных сил и давлений при малой влажности и нешироком диапазоне изменения темпера­туры окружающей среды.

Титанат бария имеет и большое значение пьезоэлектрического модуля (на два порядка выше, чем у кварца), и высокую механиче­скую прочность, и независимость параметров от изменения влаж­ности. Его недостаток — старение, со временем он теряет свои свой­ства (примерно на 10% за год).