PIEZOELEKTRICKÁ KERAMIKA

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

elektrické filtry Jiří Petržela filtry založené na jiných fyzikálních principech

Základy piezoelektřiny pro aplikace

Návrh a optimalizace piezoelektrického transformátoru

Technical University of Liberec International Center for Piezoelectric Research. Piezoelectricity Research Laboratory

Piezoaktuátory. J. Tůma VŠB Technická univerzita Ostrava. Workshop Perspektivní projekty vývoje řídicích a senzorických technologií 2012

ANALÝZA VLASTNOSTÍ KÓNICKÉHO PIEZOELEKTRICKÉHO SNÍMAČE AKUSTICKÉ EMISE

Postupné, rovinné, monochromatické vlny v lineárním izotropním nemagnetickém prostředí

Tenzorový popis fyzikálních vlastností

Elektromagnetické pole je generováno elektrickými náboji a jejich pohybem. Je-li zdroj charakterizován nábojovou hustotou ( r r

Navaříme si elektřinu aneb výlet do světa elektrických dipólů

Středoškolská technika Planární kmity piezoelektrických keramických rezonátorů

Tenkovrstvé piezoelektrické senzory

Frekvenční spektrum podélně polarizovaných rezonátorů z piezoelektrické keramiky

Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická

Příloha-výpočet motoru

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

Využití komplementarity (duality) štěrbiny a páskového dipólu M

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

1 Elektrotechnika 1. 14:00 hod. R 1 = R 2 = 5 Ω R 3 = 10 Ω U = 10 V I z = 1 A R R R U 1 = =

Teoretická elektrotechnika - vybrané statě

Kontaktní měření deformací

- Princip metody spočívá ve využití ultrazvukového vlnění, resp. jeho odrazu od plošných necelistvostí.

DISPERZNÍ KŘIVKY V DESCE S KUBICKOU ANIZOTROPIÍ

Měření a analýza mechanických vlastností materiálů a konstrukcí. 1. Určete moduly pružnosti E z ohybu tyče pro 4 různé materiály

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

VÝKONOVÉ TRANZISTORY MOS

Senzory tlaku. df ds. p = F.. síla [N] S.. plocha [m 3 ] 1 atm = 100 kpa. - definice tlaku: 2 způsoby měření tlaku: změna rozměrů.

MKP simulace integrovaného snímače

Anemometrie - žhavené senzory

Ultrazvuková defektoskopie. Vypracoval Jan Janský

Harmonický průběh napětí a proudu v obvodu

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI Fakulta elektrotechnická. Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky. Bakalářská práce

Řešení úloh 1. kola 47. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie B

Rovinná harmonická elektromagnetická vlna

Generátorové senzory. Termoelektrický článek Piezoelektrické senzory Indukční senzory

Úloha č.6 DIELEKTRIKA A PIEZOELEKTRIKA FREKVENČNÍ ZÁVISLOSTI

Plazma. magnetosféra komety. zbytky po výbuchu supernovy. formování hvězdy. slunce

ELEKTROTECHNIKA 2 TEMATICKÉ OKRUHY

Oscilátory. Oscilátory s pevným kmitočtem Oscilátory s proměnným kmitočtem (laditelné)

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

ELEKTRICKÉ POLE V BUŇKÁCH A V ORGANISMU. Helena Uhrová

Modulace vlnoplochy. SLM vytváří prostorově modulovaný koherentní optický signál

Rovinná monochromatická vlna v homogenním, neabsorbujícím, jednoosém anizotropním prostředí

(test version, not revised) 9. prosince 2009

1.8. Mechanické vlnění

Numerické modelování interakce proudění a pružného tělesa v lidském vokálním traktu

Senzory mechanického kmitavého pohybu (vibrací)

12. Struktura a vlastnosti pevných látek

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

ρ 490 [lb/ft^3] σ D 133 [ksi] τ D 95 [ksi] Výpočet pružin Informace o projektu ? 1.0 Kapitola vstupních parametrů

KMS cvičení 6. Ondřej Marek

Zakončení viskózním tlumičem. Charakteristická impedance.

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

I. část - úvod. Iva Petríková

Piezoelektřina a feroelektřina Jevy a jejich vlastnosti. Prof.Mgr.JiříErhart, Ph.D. Katedra fyziky FP TUL

Úvod do laserové techniky

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

dipól: tlustý bočníkově napájený dipól s bočníkem skládaný

4 Vibrodiagnostika elektrických strojů

Základy piezoelektrických jevů a jejich

Úvod do laserové techniky

UČIVO. Termodynamická teplota. První termodynamický zákon Přenos vnitřní energie

Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy. Odporové senzory

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

Jedno z možných rozdělení

1. Co je to senzor. Snímá fyzikální, chemickou či biologickou veličinu Převádí ji na signál nebo na jinou veličinu

Příloha č. 1. amplitudová charakteristika filtru fázová charakteristika filtru / frekvence / Hz. 1. Určení proudové hustoty

TERMIKA II. Stacionární vedení s dokonalou i nedokonalou izolací; Obecná rovnice vedení tepla; Přestup a prostup tepla;

Rádiové funkční bloky X37RFB Krystalové filtry

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83


6. Měření veličin v mechanice tuhých a poddajných látek

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P05 MECHANICKÉ VLNĚNÍ

Fakulta biomedic ınsk eho inˇzen yrstv ı Elektronick e obvody 2016 prof. Ing. Jan Uhl ıˇr, CSc. 1

U1, U2 vnější napětí dvojbranu I1, I2 vnější proudy dvojbranu

Cvičení 11. B1B14ZEL1 / Základy elektrotechnického inženýrství

B A K A L ÁŘSKÁ PRÁCE

Ultrazvukový keramický vysílač

MECHANICKÉ KMITÁNÍ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 3.A

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Posuvný proud a Poyntingův vektor

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Fyzika laserů. 4. dubna Katedra fyzikální elektroniky.

Záření KZ. Význam. Typy netermálního záření. studium zdrojů a vlastností KZ. energetické ztráty KZ. synchrotronní. brzdné.

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

OTÁZKY VSTUPNÍHO TESTU PP I LS 2010/2011

Houževnatost. i. Základní pojmy (tranzitní lomové chování ocelí, teplotní závislost pevnostních vlastností, fraktografie)

Tepelná vodivost pevných látek

e, přičemž R Pro termistor, který máte k dispozici, platí rovnice

VLASTNOSTI KAPALIN. Část 2. Literatura : Otakar Maštovský; HYDROMECHANIKA Jaromír Noskijevič; MECHANIKA TEKUTIN František Šob; HYDROMECHANIKA

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

Plazmová depozice tenkých vrstev oxidu zinečnatého

Ochrany bloku. Funkce integrovaného systému ochran

Kapitola 3.6 Charakterizace keramiky a skla POVRCHOVÉ VLASTNOSTI. Jaroslav Krucký, PMB 22

a) [0,4 b] r < R, b) [0,4 b] r R c) [0,2 b] Zakreslete obě závislosti do jednoho grafu a vyznačte na osách důležité hodnoty.

Ionizační manometry. Při ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizovány všechny molekuly, ale jenom část z nich n i = γn ; γ < 1.

MKP MODEL PIEZOELEKTRICKÝCH MEMS FILTRŮ

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

Transkript:

PIZOLKTRICKÁ KRAMIKA 5

Osnova Struktura, fázový diagram Chemické složení Feroelektrické vlastnosti Materiálové vlastnosti Limity použitelnosti 6

Piezoelektrická keramika PZT keramika Pb(Zr x Ti -x )O 3 6 DS 8 DS 7

Tuhé roztoky Směs fází na úrovni základních buněk krystalové mřížky Koexistence dvou fází na morfotropní fázové hranici (MPB) Obě fáze mají feroelektrické vlastnosti Dopování isovalentní nebo heterovalentní ionty 8

Modifikace PZT keramiky A-pozice nebo B-pozice A + B 4+ O - isovalentní Ca +, Sr +, Ba + -5% Sn 4+ G.Helke, K.Lubitz: Piezoelectric PZT ceramics, in Piezoelectricity, Springer Verlag 8 9

Modifikace PZT keramiky Heterovalentní dopování generace kyslíkových nebo olovnatých vakancí G.Helke, K.Lubitz: Piezoelectric PZT ceramics, in Piezoelectricity, Springer Verlag 8

Hard a soft PZT Dopování heterovalentními ionty mění materiálové vlastnosti G.Helke, K.Lubitz: Piezoelectric PZT ceramics, in Piezoelectricity, Springer Verlag 8

Komplexní tuhé roztoky Tří a vícesložkové systémy

Další keramické systémy BaTiO 3 (BT) Lead metaniobate - PbNb O 6 Bi 4 Ti 3 O Aurivilliovské struktury (Na / Bi / )TiO 3 NBT (K / Bi / )TiO 3 KBT NBT-BT, KBT-BT Tuhé roztoky s MPB patří k nejúspěšnějším složením keramik 3

Polarizace PZT keramiky Intenzita elektrického pole -4kV/mm, při teplotách -4 o C 4

Průměrování směru polarizace Spontánní polarizace v zrnech libovolná orientace, která se přeorientovává v poli Průměrný dipólový moment 5

Symetrie pro materiál keramiky Obecně to může být libovolný feroelektrický materiál Nejúspěšnější je perovskitová struktura Minerál perovskit CaTiO 3, druh m3m 4mm Perovskitová keramika tuhé roztoky -Morfotropní fázová hranice (MPB) m3m 4mm m3m 3m m3m mm 6

Piezoelektrická keramika lektromechanické tenzory třída symetrie mm, směr polarizace 3 7 ) ( 66 66 44 44 33 3 3 3 3 s s s s s s s s s s s s s s s 33 3 3 5 5 d d d d d ε ε ε 33 ( ) 3 p

Materiálové vlastnosti PZT Nejlepší na materiálové vlastnosti je složení v blízkosti MPB, nejlepší polarizovatelnost 8

Vlastnosti soft a hard PZT J.Tichý, J.rhart,.Kittinger, J.Přívratská: Fundamentals of Piezoelectric Sensorics, Springer Verlag 9

Vlastnosti jiných piezoelektrických keramik J.Tichý, J.rhart,.Kittinger, J.Přívratská: Fundamentals of Piezoelectric Sensorics, Springer Verlag

Teplotní závislosti vlastností Morgan lectroceramics, UK

Limity aplikovatelnosti Teplota (T<T C ) depolarizace pyroelektrickými náboji Mechanický tlak lektrické pole (< C ) - Paralelní - Antiparalelní - Kolmé na směr polarizace

PIZOLKTRICKÉ KRAMICKÉ RZONÁTORY A AKTUÁTORY 3

Osnova Vibrační mód rezonátoru Náhradní obvod a impedance rezonátoru - Statická a dynamická Rezonátory pro měření materiálových vlastností - tyčinka, deska, disk - vibrační módy Jiné speciální rezonátory Aktuátory - Bimorf a unimorf - jiné ohybové aktuátory - mnohovrstvé struktury 4

Vibrační mód rezonátoru Tvar rezonátoru Krystalografická symetrie materiálu (keramika ) Vzor elektrod Směr polarizace keramiky L d 3 d 3 d 33 d 5 d 5 T LS TS S s T + d ij ijkl kl mm kij k 5

Piezoelektrická keramika lektromechanické tenzory třída symetrie mm, směr polarizace 3 6 ) ( 66 66 44 44 33 3 3 3 3 s s s s s s s s s s s s s s s 33 3 3 5 5 d d d d d ε ε ε 33 ( ) 3 p

Volba stavových veličin Příklad: piezoelektrický jev 7 k T ik i i k k T d D d T s S + ε + ν ν µ ν µν µ k T ik i i k k D D T g D g T s S + β + ν ν µ ν µν µ k S ik i i k k S e D e S c T + ε ν ν µ ν µν µ k S ik i i k k D D S h D h S c T + β ν ν µ ν µν µ

Tenzorová a maticová notace lastické vlastnosti c αβ cijkl α, β,,...,6 s αβ s s 4s ijkl ijkl ijkl α, β,,3 α,,3; β 4,5,6 α, β 4,5,6 Piezoelektrické vlastnosti e i e α ijk α,,...,6 d α i d d ijk ijk α,,3 α 4,5,6 tensor 33 3,3 3,3, matrix 3 4 5 6 8

Pohybová a Maxwellova rovnice Pohybová rovnice bez objemových sil T x ij j + f i ρ ui t f i Maxwellova rovnice bez volných nábojů (izolátor) D x i i ρ free ρ free +okrajové podmínky a systém deformace a napětí 9

Náhradní obvod v rezonanci Staticky kapacitance Dynamicky kapacitance měnící se na induktanci, rezonance C R h C h L h paralelní větve obvodu pro každou rezonanci rezonance Y, Z antirezonance Y, Z 3

Standardní rezonátory ( l / t) >, ( l / w) w / t > > ( l / t) >, ( l / w) > ANSI/I Std 76-987 I Standard on Piezoelectricity a / t > d / t > d / t > 4, pro harmonické IR Std.96 Measurements of Piezoelectric ceramics l / t > 3

Příčné vibrace tenké tyčinky Napěťový systém Y ω j C Rezonance η ) tan( r k3 + k 3 Koeficient elektromechanické vazby T, T µ x 3 tan( η) η k 3 x η ωl C ε x l délka, w šířka, t tloušťka T 33 ρs lw t piezoelektricky volné overtones are harmonics s d3 T ε33 3

Podélné vibrace tenké tyčinky Napěťový systém Z ω j C Rezonance tan( ) η r k33 Faktor elektromechanické vazby T3, Tµ x tan( η) ( ) k 33 η k η 33 r k 33 x η ωl T x 3 C ε33 l délka, w šířka, t tloušťka ρs D 33 wt l piezoelektricky vázané overtones are not harmonics s d33 T 33ε33 33

Tloušťkově rozpínavé vibrace tenké desky Napěťový systém Z ω j C Rezonance tan( k t ) η r kt η tan( η) η Faktor elektromechanické vazby r T, T, T3, T ; S3, x 3 µ Sµ x ρ η ωt D c33 x S C ε33 l délka, w šířka, wl t t tloušťka piezoelektricky vázané overtones are not harmonics k t c e33 D S 33ε33 34

Tloušťkově střižné vibrace tenké desky Napěťový systém Z ω j C Rezonance tan( k 5 ) η r k5 η Faktor elektromechanické vazby r T5, Tµ x tan( η) η x x 3 l délka, w šířka, t tloušťka piezoelektricky vázané overtones are not harmonics k 5 s η ωt C d5 T 55ε ε S ρs D 55 wl t 35

Radiální vibrace tenkého disku Napěťový systém Rezonance η r J J ( η ( η r r ) ) σ piezoelektricky volné, overtones are not harmonics P ρ πr ε33 η πfr, C c P t p x 3 T r x, T µ průměr r, tloušťka t x P J ( η) Y ω j C ( k ) P ( σ ) J ( η) ηj ( η) c ε P P 33 c ε T 33 ( c ) 3 33 c ( ) ( ) ( P ) P e3 k, k p, e P 3 s d c 3 + s P ε P 33, 36

Disc, PZT APC84, D4mm, t,mm Z[Ohm] impedance phase.5.5 -.5 - -.5 phase[rad]. - f[khz] 37

Jiné speciální rezonátory Např. tloušťkově střižné vibrace tenkostěnné trubky (akcelerometry) rezonance naprázdno rezonance nakrátko N.T.Adelman, Y.Stavsky: J.Acoust.Soc.Amer. 57, (975) 356-36 38

Vyšší harmonické (overtone) Možnost jejich použití pro měření vlastností Příklad: Tloušťkově střižné vibrace tenké desky Rezonance Vyšší harmonické (overtone) tan( η r ) η r k5 η r D fr t s55 π ρ η η r 3 r f f r 3 r tan( η tan( η fr 3 fr 3 tan( ηr) tan( ηr) f f r r r 3 r ) ) k k 5 5 η η r 3 r 39

Nestandardní geometrie rezonátorů Tenká deska-tyčinka Tloušťkově střižný mód kmitů Čtvercová deska Obrysově rozpínavý IR Standards on Piezoelectric Crystals: Determination of the lastic, Piezoelectric, and Dielectric Constants The lectromechanical Coupling Factor, Proceedings IR (958) 764 778 4

Tloušťkově střižné vibrace tenké desky/tyčinky x 3 x x Počátek souřadnic ve středu rezonátoru S D S u µ 5, T, µ,,3,4,6 D 3 3 µ,, T5, D u, u ( x 3 ) 3, S T 5 5 D,3 U e l c S u 55 e 5 S 5 jωt 5 e 5 + ε S 4

Pohybová a Maxwellova rovnice Pohybová rovnice ρ u u x t [ A kx B kx ] ( 3, ) cos( 3) + sin( 3),33 u c55 Maxwellova rovnice k ω ρ c 55 e jωt D, D Integrační konstanty A, B, C Ce jωt 4

Okrajové podmínky Mechanicky volné hlavní povrchy destičky/tyčinky x ± b T 3 5 lektrické pole konstantní uvnitř rezonátoru x ± l Napětí na rezonátoru + l jωt Ue dx l U e l jωt 43

Integrační konstanty Určíme z okrajových podmínek A B C U l U l k ε 5 S k5 c D 55 k e5 cos( kb) 44

Posuvný proud a admitance rezonátoru Posuvný proud I P t + b+ w b w jωt S Ddxdx3 jωue ε wb k5 + l k 5 tan( kb) kb Admitance Y I Ue k5 + k tan( kb kb P ) jωc jωt 5 45

Tloušťkově střižné vibrace tenké desky/tyčinky Napěťový systém Y jωc Rezonance tan( η r ) k5 + k 5 Faktor elektromechanické vazby tan( η) η T5, Tµ x 3 k 5 x x η ωb C l délka, w šířka, b tloušťka S ρ c wb l piezoelektricky volné overtones are harmonics d s 5 T 55ε ε 55 46

Rezonance a antirezonance Rezonance Y η r ρ π 3π 5π π rb,,,... f r c b c ρ 55 f 55 4 Antirezonance Y k tan( η ) a 5 η a ηa k5 πf a b ρ c 55 47

Bar APC85, l.mm/w6mm/bmm, C.87nF impedance phase.5 impedance[ohm].5 -.5 - -.5 phase[rad] - frequency[khz] 48

Vibrační módy čtvercové desky Podélný mód H.kstein: Free vibrations of anisotropic bodies, Phys.Rev. 66, 5 (944) 8-8 49

Vibrační módy čtvercové desky Obrysový střižný 5

Obrysově rozpínavé vibrace čtvercové desky Dvourozměrný systém, plošná rezonance v obou směrech při stejné frekvenci x3 x x Souřadný systém ve středu rezonátoru Příčný rozměr a Tloušťka b T 3 D D u 3 T ( x 4 D ), u T, 3 5 ( x, ), u 3 ( x 3 ) 3 3 U e b ϕ,3 jωt 5

Stavové rovnice T 3 uvnitř rezonátoru 5,3 33, 3, 3 3 3,3 3,,,3 3,, ϕ ε ϕ ϕ P P P P P P P P P u e u e D T e u c u c T e u c u c T + + + + +,3 33 3,3 33, 3, 3 3,3 33 3,3 33, 3, 3 3,3 3 3,3 3,,,3 3 3,3 3,, ϕ ε ϕ ϕ ϕ S u e u e u e D e u c u c u c T e u c u c u c T e u c u c u c T + + + + + + + + + + + ( ) ( ) P P P P P s s c c c c c c c c c c 33 3 33 3,, σ S P P c e c c e e e 33 33 33 33 33 3 33 3 3, + ε ε

Pohybové rovnice a Maxwellova rovnice Pohybové rovnice ρu ρu c c P P u u,, Maxwellova rovnice u u ( x ( x k ω, t), t) ρ c P Asin( kx Bsin( kx ) e ) e jωt jωt D 3,3 53

Okrajové podmínky Mechanicky volné okraje desky x ± a, x ± a T, T lektrické pole konstantní uvnitř rezonátoru U jωt x3 ± b 3 e b Integrační konstanty A B U e P 3 P P b c + c k cos( ka) 54

Posuvný proud a admitance rezonátoru Posuvný proud I P t + a+ a a a D dx 3 dx jωue jωt ε P 33 a b + ε P 33 ( P ) e ka ( ) 3 tan( ) P P c + c ka Admitance Y C I Ue ε P jωt P 33 a b jωc + ε P 33 ( P ) e3 ( P P c + c ) tan( ka) ka 55

Obrysově rozpínavé vibrace tenké čtvercové desky Admitance x 3 x x k πf c P s ρ c P σ Y C I Ue ε P jωt P 33 a b jωc, k p k p + k ε T 33 d ( s + s ) 3 p tan( ka) ka, ε P 33 ε T 33 ( k ) p 56

Rezonance a antirezonance Resonance Y η r ρ π 3π 5π π ra,,,... f P r c a P c ρ f Antiresonance Y k p tan( η a ) ηa ηa k p πf a a ρ c P 57

APC85, square plate xmm/.35mm, C6.4nF impedance phase.5 Z[Ohm].5 -.5 - -.5 phase[rad] - f[khz] 58

Teplotní koeficient rezonanční frekvence Teplotní koeficient veličiny x TK( x) x x Θ Θ Příklad: rezonanční frekvence tloušťkově rozpínavých vibrací tenké desky D TK( fr ) TK( ηr ) α33 + α TK( c33) η r πf r t c ρ D 33 TK( η r ) TK( k ) t t k t t k ( k ) η r 59

Doménové inženýrství pro tyčinkový rezonátor N,,3,4,5 segmentů x 3 x Y N jω T ε 33 lw k b 3 + Nk 3 tan N kl kl x Rezonance N r k r l η k l πf l r π r ρs b l/ l/ polarization direction w electrode J.rhart, M.Franclíková, L.Rusin: Piezoelectric resonators with engineered domain structures, Ferroelectrics 376, (8) 99-5 6

Homogenně polarizovaná tyčinka hard PZT, bar 7.4mm/.8mm/mm homogeneous poling - domain impedance phase Impedance[Ohm] - Phase[rad] - Frequency[kHz] 6

Nehomogenně polarizované tyčinky hard PZT, bar 7.4mm/.8mm/mm nonhomogeneous poling - domain hard PZT, bar 7.4mm/.8mm/mm nonhomogeneous poling - 4 domain impedance phase impedance phase Impedance[Ohm] - Phase[rad] Impedance [Ohm] - Phase [rad] - Frequency[kHz] - Frequency [khz] hard PZT, bar 7.4mm/.8mm/mm nonhomogeneous poling - 3 domain hard PZT, bar 7.4mm/.8mm/mm nonhomogeneous poling - 5 domain impedance phase impedance phase Impedance [Ohm] - Phase [rad] Impedance [Ohm] - Phase [rad] - Frequency [khz] - Frequency [khz] 6

Piezoelektrický transformátor Rosenova typu US patent No.,83,74 (958), C.A.Rosen et al. Piezoelektrický transformátor Rosenova typu 63

Piezoelektrické transformátory komerční produkty Integrované s elektronikou CCFL electronics Rosen-type (e.g. Fuji & Co., Japan) Transoner (Face lectronics, USA) Multilayer structures (e.g. Noliac A/S, Denmark) 64

PT Rosenova typu IN OUT ceramics electrode polarization Radiální polarizace - nehomogenní ( r) U ln( r r ) r IN OUT ceramics electrode polarization 65

PT Rosenova typu Rectangular Rosen PT No. APC84 4mm/7mm/th.mm Gain fficiency 8 8 6 7 Gain [-] 4 8 6 4 6 5 4 3 fficiency [%] Disc Rosen PT No. APC84 diam. mm/th..8mm Gain fficiency 8 6 Load [Ω] Gain [-] 7 6 5 4 3 4 8 6 fficiency [%] 4 Load [Ω] 66

PT Rosenova typu Rectangular Rosen PT APC 84, l 4mm, w 7mm, b mm, V 98mm 3 No-load parameters Z L, η U U f r 3.85 khz ( ) Optimum load parameter Z L kω U U f r 3.5 khz ( ) 3 OPT η 77% f r 3.5 khz OPT Peak power P IN 56.5mW f r 3. khz P OUT 43.6mW f r 3.8 khz Peak power density P IN /V.58Wcm -3 P OUT /V.44Wcm -3 Input and Output impedance Z IN 67Ω f r.9 khz Z IN 9.kΩ f a 5.4 khz Z OUT.68kΩ f r 3. khz Z OUT 4.5MΩ f a 3.4 khz Disc Rosen PT APC 84, r mm, b.8mm, V 5mm 3 No-load parameters Z L, η U U f r.5 khz ( ) 9 Optimum load parameter Z L kω U U f r 9.6 khz ( ) 5 OPT η 5% f r 9.6 khz OPT Peak power P IN 5.9mW f r 9.63 khz P OUT 37.6mW f r 9.6 khz Peak power density P IN /V.Wcm -3 P OUT /V.5Wcm -3 Input and Output impedance Z IN.5Ω f r.5 khz Z IN 34kΩ f a 8.94 khz Z OUT 7.kΩ f r. khz Z OUT 54.kΩ f a.48 khz 67

Výkonová hustota pro PT - srovnání Hustota výkonu se značně zvětšila od první aplikace PT K.Uchino: Piezoelectric motors and transformer, in Piezoelectricity, Springer Verlag 8 68

Piezoelektrická aktuace Přímý piezoelektrický jev senzory Obrácený piezoelektrický jev aktuátory, generace ultrazvuku Shear d - mode 5 S 5 69

Piezoelektrické koeficienty Mechanická deformace je přímo úměrná napětí x 3 x x S 3 T S T S T 3 piezoelektrické koeficienty d 3, d 33 3 S S S 3 3 d d d 3 3 33 U / t 3 3 3 Typické hodnoty d 3-3pC/N ( - C/N - m/v), d 33-6pC/N pro PZT keramiku 7

Piezokeramický bimorf Ohybová deformace, provoz staticky, kvazistaticky nebo dynamicky pro aktuátor Antiparalelní (sériový) + Paralelní (Zapojení jednoho nebo obou PZT elementů!) + PZT plate Metalic shim 7

Parametry bimorfu (Volná) Výchylka (free stroke) Blokovací síla Rezonanční frekvence Výchylka při rezonanci síla napětí výchylka 7

Výchylka (stroke) (Volná) výchylka (paralelní bimorf) δ s bez kovové desky m 6s m d 3 ( h + t ) L ( 3 4h + 6h t + 3ht ) m m m + s 3 tm V δ 3d 3 4h L V 73

Blokovací síla Blokovací síla (paralelní bimorf) Bez kovové desky F bl 3 d s 3 ( h + t ) L m w V F bl 3 d s 3 hw V L 74

Rezonance bimorfu Rezonanční frekvence (s kovovou deskou) λi ( h + tm ) + 3( + B) fri 4πL 3ρ s 4( + B) ( s A, B m s λ.875, λ tm, h 7.875 Výchylka při rezonanci (bez kovové desky) δ Ω 3d 4h Ω 3 πf, a P ρ C ρ 4.694, λ m V sin( ΩL)sinh( ΩL) ( + cos( ΩL)cosh( ΩL) ) a 3 I, ρa P I 3 wh + 4AB + BC) 3 75

Piezokeramické unimorfy Kovová membrána Ag electroda PZT keramika Podobně jako bimorf ale v kruhovém uspořádání Komplikované matematické řešení 76

Parametry unimorfu (statická) výchylka - homogenní unimorf - heterogenní unimorf 77 ) ( 8 3 ) ( 3 a r h h h Vd r δ ) ( 4 3 ) ( 3 a r h Vd r δ

Piezoelektrické keramické aktuátory Ohybové elementy (bimorf, unimorf, moonie, cymbal, THUNDR, Helimorph, RAINBOW) Výchylky až -3mm a síly až.n! Unimorf (membrána) PZT Bimorf Kovová deska lektroda 78

Provozní omezení pro PZT keramiku Depolarizace nežádoucí změny v uspořádání dipólových momentů, možná ztráta piezoelektrických vlastností Depolarizační vlivy: Teplota (</T C ) Mechanický tlak (zvláště pak tah!) lektrické pole opačné polarity než polarizační pole 79

Provozní podmínky pro keramiku lektrické pole - Unipolární lectric field time - Bipolární lectric field time 8

Provozní podmínky pro keramiku Mechanický tlak předpětí - Bez předpětí Mechanical Stress stress amplitude{ time - S předpětím (pouze tlaky) Mechanical Stress pre-stress{ time 8

THUNDR THin layer UNimorph DrivR and sensor Speciální lepení při vyšší teplotě mechanické předpětí Posunutí až 8mm a síla N! 8

HLIMORPH Dvojitá spirální keramická struktura Velké posunutí 5mm a síla N! 83

RAINBOW Reduced And INternally Biased Oxide Wafer Monolitická keramická struktura Je vytvořen vnitřní gradient chemického složení ve směru tloušťky destičky gradient piezoelektrického koeficientu pak vede na velmi vysokou přípustnou deformaci až 5%! 84

Moonie a cymbal Moonie Cymbal Kompozitní struktury kovové čepičky a PZT disk slepeny pevně dohromady; radiální pohyb keramiky se transformuje na osový pohyb středů čepiček Výchylka až 5μm, malá síla; velmi vysoká citlivost 85

Provozní parametry ohybových aktuátorů 86

Mnohovrstvé aktuátory Mnoho tenkých vrstev PZT keramiky Mnohovrstvé segmenty se skládají na sebe s mechanickými zesilujícími rameny (Cedrat Technologies, Francie) Vysoká blokovací síla (kn), velmi nízké posuvy ( -μm) bez mechanického zesílení 87

Piezo-lectric Diesel Injector 88

Vstřikovač paliva do motoru Cedrat Technologies, Francie 89

Srovnání parametrů aktuátorů Nízká výchylka vysoká blokovací síla Craig D. Near, Piezoelectric Actuator Technology, Presented at SPI Smart Structures and Materials Conference, February 7, 996 9

Zesílení výchylky piezoelektrických aktuátorů Výchylka většinou není pro přímé použití dost velká Zesilování výchylky pákové mechanismy nebo hydraulika Lever Piston Piezostack Piezostack Hydraulic chamber 9

Piezoelektrické ventily Kuličkový ventil piezo-stack Kuželkový ventil x THUNDR 9

Mikropumpy Dávkování malých objemů tekutin ohybové elementy mají vhodné parametry Bimorf jako aktivní prvek ventilu 93

Provozní mód piezoelektrického elementu (a) příčný nebo (b) podélný mód piezoelementu -membrány 94

Ovládání škrtící klapky Škrtící klapka plynu ovládaná ultrazvukovým piezoelektrickým motorkem - US patent No. 4,95,74 UZ motor 95

Ultrazvukový motorek Ultrazvukové piezoelektrické motorky běžící vlna Shinsei motor Obr. z www.krazytech.com 96

Ultrazvukový motorek Ultrazvukový piezoelektrický motorek eliptický pohyb povrchu statoru tření o rotor Příklad: průměr 3mm www.pcbmotor.com 97

Ultrazvukový motorek Langevinův měnič rotor stator Paul Langevin (87-946) PZT keramika 98

Ultrazvukový motorek - PILine liptický pohyb hrotu upevněného na PZT keramice www.pi.ws 99

Rozprašování kapalin ultrazvukem Aplikace léků na sliznice v malinkých kapkách Zvlhčování vzduchu Nanášení kapek na povrchy vláken atd. Velikost kapek se dá definovaně řídit μm Pro frekvence - MHz

Ultrazvukové rozprašování Povrch kapaliny se pohybuje díky ultrazvukové vlně Střední velikost částic r.365 3 ρ σ f r Úzké rozdělení velikosti částic Dá se snadno kontrolovat atomizované množství tekutiny a velikost částic a m FP F S F T

Atomizace kapalin Ultrazvukové zvlhčovače Inhalátory léků

lektronická cigareta Atomizér uvnitř cigarety 3

Generace a aplikace ultrazvuku Lékařský diagnostický, léčebný Technické použití pro svařování, NDT, sonochemii, 4

Piezoelektrické zapalovače Výboj mezi elektrodami, náboj vzniká piezoelektricky úderem kladívka mechanickým tlakem Piezo keramika (uvnitř) lektrody Kladívko 5

Aplikace křemene Senzory síly, tlaku, zrychlení (např. Kistler, Švýcarsko) 6

Akcelerometry Deformace piezoelektrického prvku se seismickou hmotou 7

Aplikace pyroelektřiny IČ senzory pro dálková ovládání Proximity sensor ovládání dveří, střežení prostor Noční vidění kamery Měření rozdělení teploty - termokamery 8