Obsah přednášky. Piezoelektřina starobylý jev, nová očekávání. Co je to za jev? Předchůdci piezoelektřiny. Pyroelektřina. Objev piezoelektřiny

Transkript

1 Obsah přednášky Piezoelektřina starobylý jev, nová očekávání Doc.Mgr.Jiří rhart, Ph.D. katedra fyziky Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická Technická univerzita v Liberci istorie piezoelektřiny Piezoelektrické materiály Aplikace piezoelektrického jevu Nováočekávání Vlastní práce v oboru Koncepce výuky v oboru Závěr.. profesorská přednáška FP TUL o je to za jev? Předchůdci piezoelektřiny Kovová membrána s něčím divným na povrchu Rozsvěcení LD? Pyroelektřina turmalín = lapis electricus (Na,a)(Mg,Fe) 3 B 3 Al 6 Si 6 (O,O,F) 3 Franz Ulrich Theodor Aepinus (74 8) polární jev Tourmaline crystal. arl Linnaeus (77 778) David Brewster název pyroelektřina 84 pyros=oheň J.rhart: Demonstrujeme piezoelektrický jev, Matematika, fyzika, informatika () profesorská přednáška FP TUL 3.. profesorská přednáška FP TUL David Brewster 4 (78 868) Pyroelektřina Objev piezoelektřiny A..Becquerel William Thomson (Lord Kelvin) první měření pyroelektřiny teorie pyroelektřiny , 893 Krystal turmalínu, Société minéralogique de France Académie des Sciences P S = p θ Pierre urie (859 96) Paul-Jacques urie (856 94) P = d T Antoine ésar Becquerel ( ) William Thomson, Lord Kelvin (84 97) urie J, urie P (88) Développement, par pression, de l électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées. omptes rendus de l Académie des Sciences 9: 94; 383. urie J, urie P (88) ontractions et dilatations produites par des tensions électriques dans les cristaux hémièdres à faces inclinées. omptes rendus de l Académie des Sciences 93: profesorská přednáška FP TUL 5.. profesorská přednáška FP TUL 6

2 První teorie a aplikace piezoelektřiny Tenzory pro popis anisotropie krystalu 89 Woldemar Voigt: Lehrbuch der Kristallographie, Teubner Verlag 9 eckmannův diagram Jevy ve vázaných polích První aplikace elektrometr, radioaktivita (Maria Skłodowska-urie) Piezoelektřina S = s T + d λ i λµ µ iµ µ iλ D = d T + ε T ij j i Jonas Ferdinand Gabriel Lippmann (845 9) Woldemar Voigt (85 99) urie s electrometer Maria Skłodowska- urie ( ).. profesorská přednáška FP TUL 7 S = s T + d D λ i D λµ iµ µ iλ = d T + β D µ T ij i j.. profesorská přednáška FP TUL 8 Feroelektřina Joseph Valasek, 9, Seignetteova sůl NaK 4 4 O 6.4 O SiO přírodní a syntetický quartz clock Křemen Joseph Valasek ( ) ysteresis loop in Rochelle salt dried crystal at o Warren Perry Mason (9-986) Quartz crystal Valasek J (9) Piezoelectricity and allied phenomena in Rochelle salt. Phys. Rev. 7: W.P.Mason: US patent No.,8,45 (937) první patent na rezonátor pro hodinky.. profesorská přednáška FP TUL 9.. profesorská přednáška FP TUL Křemenný rezonátor W.G.ady - první standard frekvence v US National Bureau of Standards, 9 96 stabilizace frekvence radiového vysílače Piezoelektrická keramika PZT keramika Pb(Zr x Ti -x )O 3 6 DS stavů 8 DS stavů Walter Guyton ady ( ).. profesorská přednáška FP TUL.. profesorská přednáška FP TUL

3 Polarizace keramiky Polarizace PZT keramiky Před polarizací po polarizaci lektrickým polem -4kV/mm, za zvýšené teploty (-4 o ) P S hystereze D P MAX B A S ij P R D A B D.. profesorská přednáška FP TUL 3.. profesorská přednáška FP TUL 4 LiNbO 3 a LiTaO 3 Objeveny v 6. letech, syntetické krystaly Vysoká urieova teplota 95 o a 6 o Použití pro optiku a rezonátory Piezoelektrické polymery PVDF (- F -, β-fáze), F F F F F F dipole moment LiNbO 3 LiTaO 3.Kawai: The Piezoelectricity of Poly(Vinylidene Fluoride), Jpn.J.Appl.Phys. 8 (969) Kopolymer P(VDF-TrF) Kost, kolagen, DNA, eiji Kawai (9-?) iichi Fukada (9).. profesorská přednáška FP TUL 5.. profesorská přednáška FP TUL 6 Tuhé roztoky (-x)pb(mg /3 Nb /3 )O 3 xpbtio 3 (PMN-PT) (-x)pb(zn /3 Nb /3 )O 3 xpbtio 3 (PZN-PT) Doménové inženýrství Řádové zvětšení piezoelektrického koeficientu vhodnou polarizací krystalu Transition Temperature (º) ubic Tetragonal Rhombohedral -.. PZN x PT urie Temperature (º) 3 PMN-PT Poled Unpoled ubic Tetragonal Tm Region III Relaxor Normal Td Pseudo-cubic Piezo. Piezo. Region I lectrostrictive MOL (x) PT rystal cut d 33 [p/n] k 33 [%] PZN () ()eng 85 PZN-8%PT () ()eng 5 94 PMN-33%PT ()eng 8 94 J.Kuwata, K.Uchino, S.Nomura: Dielectric and Piezoelectric Properties of.9pb(zn/3nb/3)o3-.9pbtio3 Single rystals, Jpn.J.Appl.Phys.,9 (98), profesorská přednáška FP TUL 7.. profesorská přednáška FP TUL 8

4 Piezoelektrický jev Piezokeramický bimorf Přímý jev Obrácený jev PZT deska deska kov Senzory statické Generátory náboje Rezonátory Aktuátory Síla Zrychlení Tlak Ultrazvuk RF technika Rezonanční senzory Nerezonanční Rezonanční UZ sondy Sonochemie Quartz hodinky Křemenné rezonátory Detektory plynů a chem. látek Ohybové struktury UZ motorky.. profesorská přednáška FP TUL 9.. profesorská přednáška FP TUL Speciální ohybové struktury LIMORP ( Ltd.) - Bimorf smotaný do spirály - Velké posunutí (několik mm) a relativně velká síla (N).. profesorská přednáška FP TUL.. profesorská přednáška FP TUL Aktuátor TUNDR Tin layer UNimorph DrivR and sensor Speciální technologie lepení s mechanickým předpětím Výchylky až 8mm a síly N! Mnohovrstvé aktuátory Mnoho tenkých vrstev PZT keramiky Mnohovrstvé sektory naskládány na sebe s mechanickými zesilovacími rameny.. profesorská přednáška FP TUL 3 Vysoká blokovací síla (kn), malá výchylka ( -µm) bez mechanického zesílení.. profesorská přednáška FP TUL 4

5 Možnosti piezoelektrických aktuátorů Menší výchylka vyšší blokovací síla raig D. Near, Piezoelectric Actuator Technology, Presented at SPI Smart Structures and Materials onference, February 7, profesorská přednáška FP TUL 5.. profesorská přednáška FP TUL 6 Generace a aplikace ultrazvuku Lékařský diagnostický, léčebný Technické použití pro svařování, NDT, sonochemii, Ultrazvukový motor Tření mezi rotorem a statorem Povrch statoru se pohybuje díky běžící ultrazvukové vlně Langevinův měnič sonar rotor stator Paul Langevin (87-946) PZT keramika.. profesorská přednáška FP TUL 7.. profesorská přednáška FP TUL 8 Atomizace kapalin Ultrazvukové zvlhčovače Inhalátory léků lektronická cigareta Atomizér uvnitř cigarety.. profesorská přednáška FP TUL 9.. profesorská přednáška FP TUL 3

6 Nová očekávání Nové lepší materiály (bezolovnaté, vyšší výkony, nelinearity) Vyšší piezoelektrické vlastnosti (citlivější senzory, ) Aktuátory s větším rozsahem posunutí vs. síla Miniaturizace piezoelektrických struktur a jejich integrace s polovodičovou technologií (MMS) tenké vrstvy Pokles ceny u mnohovrstvých piezoelektrických struktur materiál elektrod.. profesorská přednáška FP TUL 3 Vlastní dílo Feroelektrické domény symetrie, doménové inženýrství Materiálové vlastnosti mnohadoménového krystalu Piezoelektrické transformátory a rezonátory (teplotní závislost) Aktuátory (bimorfy,unimorfy) Aplikace piezoelektrických prvků Vibrace a tlumení piezoelektrického prvku Didaktické aktivity v propagaci piezoelektřiny.. profesorská přednáška FP TUL 3 Tabulky doménových stěn Tabulky doménových stěn J.rhart: Domain wall orientations in ferroelastics and ferroelectrics, Phase Transitions 77 (4) J.rhart: Domain wall orientations in ferroelastics and ferroelectrics, Phase Transitions 77 (4) profesorská přednáška FP TUL 33.. profesorská přednáška FP TUL 34 Symetrie mnohadoménových krystalů Doménové struktury mm [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] mm ( ) mm ( ) ( ) mm ( ) ( ) m ( ) Piezoelectric mode SFM scan on PZN-8%PT () crystal. Added white diagonal lines correspond to the preferred orientation of the ferroelastic () domain walls. Topography (left) and normal piezoelectric response (right) is displayed. a) b) c) d) [ ] ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) 3m [ ] [ ] [] [ ] [ ] 3m ( ) a) ( ) ( ) 3m b) ( ) [ ] [ ] [ ] [ ] [] ( ) m c) ( ) ( ) m d) () J.rhart, W.ao: Permissible symmetries of multi-domain configurations in perovskite ferroelectric crystals, J.Appl.Phys. 94(3) profesorská přednáška FP TUL 35 M.Abplanalp, D.Barošová, P.Bridenbaugh, J.rhart, J.Fousek, P.Günter, J.Nosek, M.Šulc: Ferroelectric Domain Structures in PZN-8%PT Single rystals Studied by Scanning Force Microscopy, Solid State ommunications 9 () 7-.. profesorská přednáška FP TUL 36

7 Doménové inženýrství pro tyčinkový rezonátor N=,,3,4,5 segmentů YN = jω T ε 33 tan kl lw N + k3 Nk3 b kl Rezonance π krl = N η = k l = πf l ρs r r r J.rhart, M.Franclíková, L.Rusin: Piezoelectric resonators with engineered domain structures, Ferroelectrics 376, (8) 99-5 b.. profesorská přednáška FP TUL 37 x3 x x l/ polarization direction l/ w electrode omogenně polarizovaná tyčinka Impedance[Ohm] hard PZT, bar 7.4mm/.8mm/mm homogeneous poling - domain impedance phase Frequency[kz].. profesorská přednáška FP TUL Phase[rad] Nehomogenně polarizované tyčinky ysterezní smyčky Impedance[Ohm] hard PZT, bar 7.4mm/.8mm/mm nonhomogeneous poling - domain impedance phase - - Frequency[kz] Phase[rad] Impedance [Ohm] hard PZT, bar 7.4mm/.8mm/mm nonhomogeneous poling - 4 domain impedance phase - - Frequency [kz] Phase [rad] D [/m] AP84 AP84 AP85 AP856 AP88 hard PZT, bar 7.4mm/.8mm/mm nonhomogeneous poling - 3 domain hard PZT, bar 7.4mm/.8mm/mm nonhomogeneous poling - 5 domain -.3 Impedance [Ohm] impedance phase - - Frequency [kz] Phase [rad] Impedance [Ohm] impedance phase - - Frequency [kz] Phase [rad] [kv/mm] P.Půlpán, L.Rusin, J.rhart: Influence of poling conditions on material properties of lead zirconatelead titanate ceramics, Japanese Journal of Applied Physics 47, (8) profesorská přednáška FP TUL 39.. profesorská přednáška FP TUL 4 Vizualizace ohybu bimorfů Piezoelektrický transformátor typu Ring-dot P.Půlpán, J.rhart: Parametry piezoelektrických bimorfů, lektro 3 () 4-7 u << x, x >> x, ls >> L u,δ [mm] Tenký keramický disk light beam screen V [V] bimorph L u x ( x + x ) ( L + ) l s ls x ( L + ) + x( x + x ) u [mm] f [z] P.Půlpán, J.rhart: Transformation ratio of ring-dot planar piezoelectric transformer, Sensors and Actuators A4 (7) profesorská přednáška FP TUL 4.. profesorská přednáška FP TUL 4

8 Frekvenční závislost zesílení Ring-dot disk PT, r = 3.4 mm, r =.5mm, t=mm Studované typy transformátorů Planární módy kmitů Ω kω kω Gain [-] 5 kω no-load IN OUT 5 IN OUT IN OUT f [kz].. profesorská přednáška FP TUL 43.. profesorská přednáška FP TUL 44 Koncepce výuky v oboru Odborné znalosti (krystalografie, tenzory, mechanika kontinua anizotropních látek, termodynamika, elektrotechnika, experimentální techniky) Aplikace piezoelektřiny (testování vlastností materiálů, prvky) Interdisciplinární aplikace Poctivost a náročnost Dosahovat znalosti na úrovni umět aplikovat.. profesorská přednáška FP TUL 45 Závěr Piezoelektřina je interdisciplinární obor, vhodný pro celoživotní výzkumy!.. profesorská přednáška FP TUL 46