Ferro-elektrica 52 _______________________________________________________________________________ Hoofdstuk 4 : Studie van actieve diëlektrica ______________________________________________ 1. Ferro-elektriciteit Ferro-elektrica zijn materialen die als gevolg van inwendige processen een spontane polarisatie Ps vertonen bij afwezigheid van een uitwendig elektrisch veld. Zij zijn opgebouwd uit zogenaamde "domeinen": dit zijn gebieden van homogene polarisatie in een bepaalde richting (≡ een ingebouwde elektrische dipool). De richting der spontane polarisatie verschilt van gebied tot gebied zodat zonder speciale maatregelen de totale, uitwendig waarneembare polarisatie van een specimen gelijk is aan nul. Het verschijnsel is vergelijkbaar met de magnetische materialen zoals bv. ijzer ( vandaar de benaming "ferro-elektrisch materiaal" alhoewel dergelijke materialen niet noodzakelijk ijzer bevatten). _ Door toepassing van een uitwendig veld E zullen de polarisatievectoren van de ferro-elektrische domeinen aangroeien als gevolg van vroeger besproken polarisatiemechanismen en zich bovendien zo goed mogelijk volgens het veld richten. Bij veldomkering zal vanaf een bepaalde waarde Ec (het coërictief veld) een omklapping van der polarisatievectoren optreden (figuur 1.1). Figuur 1.1 Vereenvoudigde voorstelling van de ferro-elektrische domeinoriëntatie in een uitwendig veld. Ferro-elektrica 53 _______________________________________________________________________________ Karakteristiek voor ferro-elektrische materialen is dus het vertonen van een hysteresislus: het zijn niet-lineaire diëlektrica (figuur 4.2 a). Afhankelijk van de waarde der coërcitiefkracht spreekt men van zachte ferro-elektrische (Ec < 0,1 MV/m of Ec < 0,1 V/µm) en harde ferro-elektrische (Ec > 1 MV/m of Ec > 1 V/µm) materialen. Karakteristiek voor ferro-elektrica is eveneens de ferro-elektrische Curietemperatuur (Tc). Het is de temperatuur beneden dewelke het materiaal ferro-elektrisch is, boven deze temperatuur ontstaat de para-elektrische fase gekenmerkt door een spontane polarisatie gelijk aan nul. De overgang van ferro-elektrische naar para-elektrische toestand noemt men een fasetransitie. Naargelang het materiaal wordt de fasetransitie gekenmerkt door een continu of discontinu gedrag van Ps in de omgeving van Tc en gaat fysisch gepaard met (symmetrie) wijzigingen in de kristalstructuur. Figuur 1.2 a) hysteresislus van een ferro-elektrisch materiaal b) mogelijke temperatuursverlopen van de spontane polarisatie Het aantal ferro-elektrische materialen is zeer uitgebreid. Het meest gebruikte ferro-elektricum is bariumtitanaat (BaTiO3 ; Tc = 120 °C) waarvan de polarisatie een gevolg is van ionische fenomenen (ionen-verschuiving). De eenheidscel heeft de kubusvorm met Ba2+ ionen op de 8 hoekpunten, O2ionen in de centra der zes zijvlakken en Ti4+ in het centrum van de kubus in de para-elektrische fase maar t.o.v. het centrum verschoven in de ferro-elektrische toestand. Alhoewel BaTiO3 ook onder de vorm van kristallen voorkomt wordt het praktisch altijd onder keramische vorm toegepast (vb. bij keramische condensatoren ). 54 Ferro-elektrica _______________________________________________________________________________ a b Figuur 1.3 .3 Eenheidscel van BaTiO3 (a: niet gepolariseerd, b: gepolariseerd) . elektrische materialen op basis van hun resistiviteit bij de diëlektrica beb Alhoewel bijna alle ferro-elektrische horen is het mogelijk door dopering (met REM) de resistiviteit te doen dalen tot in het halfgeleihalfgele dergebied : men spreekt dan van ferro-elektrische ferro elektrische halfgeleiders. Zij zijn meestal van het keramisch type, gebaseerd op BaTiO3. De fasetransitie doet zich uitwendig voor onder de vorm van een specspe taculaire toename der resistiviteit en wordt benut in de PTC-weerstand. PTC Synthese ynthese van gedopeerde vaste oplossingen van BaTiO3 met andere keramische materialen (BaZrO3, BaSnO3, ...) laat toe de curietemperatuur (en dus het PTC temperatuursgebied) en de resistiviteit aan te passen p binnen zeer brede grenzen. Het bestaan van 2 uitgesproken esproken stabiele polarisatietoestanden bij ferro-elektrische ferro elektrische materialen met rechthoekige hysteresislus leende zich in principe tot gebruik als geheugenelement maar is omwilomwi le van te trage schakeltijden, te hoge omschakelspanningen ... absoluut niet concurreerbaar concur met andere geheugens. Toch wordt het remanent polarisatieprincipe, of meer algemeen een permanente ladingsladings opstapeling, benut in de zgn. elektreet : dit is een gepolariseerd of geëlektrificeerd vast diëlektridiëlektr cum dat een permanent elektrisch veld in in de omgeving opwekt bij afwezigheid van een uitwendig aangelegd veld. Een elektreet is m.a.w. het elektrisch analogon van een permanente magneet. Hoger werd het bestaan van de para-elektrische para elektrische fase vermeld bij materialen die zich boven de Curie-temperatuur ur bevinden. Er bestaan echter ook materialen die steeds de para-elektrische para fase vertonen : het zijn niet-lineaire lineaire diëlektrica die vrij zijn van domeinformatie en spontane polarisatie. Ferro-elektrica 55 _______________________________________________________________________________ Grosso modo kenmerkt de para-elektrische fase zich door: • een zeer hoge εr (1000-10000) zodat deze materialen reeds in zwakke velden tot saturatie gepolariseerd worden (figuur 4.4). Gewone diëlektrica (bv. εr < 10) zijn niet satureerbaar daar ze onder invloed van het toenemend elektrisch veld doorslaan. • een sterke temperatuursafhankelijkheid van εr • lagere diëlektrische verliezen dan de ferro-elektrische fase (wegens afwezigheid van domeinen). Toepassing der para-elektrische fase (meer bepaald de hoge εr) wordt bv. gevonden in het gebruik van BaTiO3-keramiek als keramisch condensatormateriaal. Door een geschikte keuze van de verhouding BaO - TiO2 en eventueel toevoeging van andere oxides zorgt men er voor dat de ferroelektrische Curie-temperatuur voldoende ver beneden kamertemperatuur ligt (waarden lager dan -200 °C zijn mogelijk). Figuur 1.4 Vergelijking para-elektrisch ( ) en gewoon diëlektricum ( - - - - - ) Piëzo-elektrica 56 _______________________________________________________________________________ 2. Piëzo-elektriciteit 2.1. Algemeenheden Piëzo-elektriciteit is het verschijnsel waarbij bepaalde diëlektrica tegengesteld elektrische ladingen vertonen op tegenover elkaar gelegen eindvlakken wanneer zij onderworpen worden aan een mechanische spanning (druk, trek). Dergelijke materialen polariseren dus onder invloed van een mechanische spanning : men spreekt van het direct piëzo-elektrisch effect. De geïnduceerde polarisatie is recht evenredig met de uitgeoefende mechanische spanning. Het verschijnsel is omkeerbaar : bepaalde kristallen vertonen een mechanische vervorming (rek) wanneer ze in een elektrisch veld geplaatst worden. Tussen veld en rek bestaat een evenredigheid: men spreekt van het invers piëzo-elektrische effect. Piëzo-elektriciteit is niet eigen aan elk materiaal : slechts materialen met een kristalstructuur zonder symmetriecentrum en sommige polykristallijne keramische materialen vertonen piëzoelektriciteit. De interactie tussen elektrisch veld en mechanische spanning in een piëzo-elektrische diëlektricum wordt voor een ééndimensionaal geval beschreven d.m.v. volgende lineaire betrekkingen : S = sE T + d E D = d T + εT ε0 E met S : de rek (Strain) T : de mechanische spanning (Tension) D : de diëlektrische verplaatsing E : het elektrisch veld sE : elastische compliantie bij constant elektrisch veld E = 0. 1/sE is de elasticiteitsmodulus εT : relatieve permittiviteit bij constante mechanische spanning T = 0 ; het is in feite de "gewone" relatieve permittiviteit. d : piëzo-elektrische (ladings)constante (soms ook piëzo-elektrische modulus genoemd) C / m2 C m/m m = ofwel = dimensie : 2 N/m N V /m V 57 Piëzo-elektrica _______________________________________________________________________________ Voor een elektromechanische omzetting moet d zo groot mogelijk zijn. Men stelt vast dat : • een diëlektrische inductievector niet alleen afkomstig kan zijn van een elektrisch veld (εTε0 E) maar ook van een mechanische spanning (d T) (direct piëzo-elektrisch effect) • een rek niet alleen afkomstig kan zijn van een mechanische spanning (sE T) maar ook van een elektrisch veld (d E) (invers piëzo-elektrisch effect). Men kan aantonen dat de grootheid ‘d’ voor beide gevallen dezelfde numerieke waarde heeft. a Figuur 2.1.1 a)Direct piëzo-elektrisch effect b b)Invers piëzo-elektrisch effect In realiteit zijn piëzo-elektrische materialen anisotroop zodat de constanten d, εT, sE, ... afhankelijk zijn van de richting van het elektrisch veld of de mechanische spanning. Dit is ondermeer geïllustreerd in figuur 2.2.1a waar een mechanische spanning in een verticale richting een vervorming in de horizontale richting veroorzaakt. Daarenboven zijn nog andere mechanische vervormingen mogelijk: dikte-glijding, oppervlakte-glijding, buiging,… Figuur 2.1.2 geeft enkele voorbeelden. De toepassingen van piëzo-elektrische materialen zijn vrij omvangrijk, tabel 2.1.1 geeft een overzicht. Piëzo-elektrische materialen kunnen in twee hoofdgroepen onderverdeelt worden : kristallen en keramieken. Piëzo-elektrica 58 _______________________________________________________________________________ Figuur 2.1.2 Mechanische vervormingen ten gevolge van piëzo-elektriciteit Tabel 2.1.1 Overzicht van de toepassingen van piëzo-elektrische materialen. Kwartskristallen 59 _______________________________________________________________________________ 2.2 Kwartskristallen Ongetwijfeld is kwarts het voornaamste piëzo-elektrische éénkristal. Kwarts wordt in de natuur gevonden maar zelden onder de vorm van voldoende grote en zuivere éénkristallen. Het industrieel gebruikte kwarts wordt daarom synthetisch vervaardigd uit verzadigde oplossingen van SiO2 in stalen autoclaven. De toepassingen van het kwartskristal als frequentiebepalend element in oscillatorkringen zijn legio. Hiertoe wordt uit het kristal een plaatje gesneden volgens goed gedefinieerde richtingen t.o.v. de kristallografische assen en voorzien van 2 opgedampte metalen elektroden. Fysisch kan het gebruik van kwarts als trillingselement verklaart worden aan de hand van de eendimensionale voorstelling in figuur 2.2.1. Stel dat er een x-veld met corresponderende yvervorming aanwezig is. Indien het veld plotseling weggenomen wordt dan stelt men vast dat de terugkeer naar de mechanische rusttoestand gebeurt via een gedempte mechanische trilling. Wegens beschouwde koppeling ontstaan er tegelijkertijd geïnduceerde polarisatieladingen op de elektroden waarvan het teken afhangt van de momentele vervormingstoestand (rek of samentrekking). De frequentie der mechanische trilling (eigenfrequentie) en dus ook de frequentie der elektrische ladingsveranderingen hangen af van de manier waarop het plaatje uit het kristal gesneden is, alsook van de afmetingen ervan. Door over de elektroden een elektrische wisselspanning V aan te leggen met dezelfde frequentie als de eigentrillingsfrequentie kunnen de periodieke ladingsveranderingen versterkt worden en dus de mechanische trilling onderhouden worden. Het kristal gedraagt zich dan in principe als een LC-kring gevoed door een AC-spanning. Waar men echter met een zeer goede conventionele LCkring kwaliteitsfactoren in de buurt van 350 kan behalen zijn met kwartskristallen Q-factoren van 30.000 tot 100.000 gemakkelijk realiseerbaar; mits speciale voorzorgen (o.a. goed geslepen en gepolijste vlakken, trillen in het luchtledige) zijn zelfs Q-factoren van 3.000.000 en meer mogelijk. Als gevolg van de hoge Q-factor is de benodigde energie om de trilling te onderhouden zeer klein, wat uiteraard gewenst is in oscillatorkringen. 60 Kwartskristallen _______________________________________________________________________________ z l1 A3 A2 l3 A1 -l2/2 _ I +l2 /2 x y _ V Figuur 2.2.1 Eendimensionale voorstelling van een kwartskristal Bij resonantie ontstaat in het kristal een mechanische staande golf waarbij de mechanische rek S in het midden (y=0) nul is en maximaal aan de uiteinden (trillende halve golf, golf zie figuur 2.2.2). Dit is te vergelijken met een staande elektromagnetische golf in een λ/2 /2 transmissielijn. Er is echter een groot verschil tussen beide: de voortplantingsnelheid van de mechanische golf (grootteorde (groo 103 m/s) in piëzo-elektrisch elektrisch materiaal is veel kleiner dan de voortplantingsnelheid van een elektroelektr magnetische golf (grootteorde teorde 2.108 m/s) in een transmissielijn. Aangezien de golflengte λ = v/f zal een halve golf in het kwartskristal veel kleinere afmetingen hebben dan bij een transmissielijn. Figuur 2.2.2 Staande golf bij resonantie in een kwartskristal 61 Kwartskristallen _______________________________________________________________________________ Het ideale kwartskristal is in een voldoende smalle frequentieband rond de fundamentele resonantiefrequentie voor te stellen door een elektrisch vervangingsschema bestaande uit een serieparallelresonantiekring (figuur 2.2.3) C0 L1 C1 Figuur 2.2.3 Equivalent schema van een kwartskristal in de buurt van de fundamentele resonantiefrequentie Met : C0 : de statische capaciteit tussen de elektrodes (voor een reëel kristal bevat C0 eventueel ook de capaciteit van de montageveren). Typische waarden : 1 à 10 pF C1 : bewegingscapaciteit (national capacitance) : men kan aantonen dat C1 in verband staat met de elasticiteit van het trillend kwartsblokje. Typische waarden : 1 à 20 fF (1 fF = 10-15 F = femtofarad). L1 : bewegingsinductantie (motional inductance) : men kan aantonen dat L1 in verband staat met de massa van het trillend kwartsblokje. Typische waarden : 20 à 50 H in de 100 kHz-range. Voor lage frequenties (bv. de range 8 - 85 kHz) en bepaalde trillingsmodes zijn zelfs waarden tot 10 kH mogelijk. Een spoel met zelfinductiewaarden van deze grootteorde zou, indien de constructie mogelijk is enorme afmetingen hebben vergeleken met deze van het kwartsplaatje en zou bovendien veel grotere verliezen vertonen. Voor hogere frequenties daalt L1 in de mH-range. In de buurt van de fundamentele resonantiefrequentie wordt het verloop van de impedantie Z volgens het netwerk van figuur 2.2.3 gegeven door: −j 1 . j ωL1 − ωC 0 ωC 1 Z = −j 1 + j ωL1 − ωC 0 ωC 1 1 1 ωL1 − ωC 0 ωC 1 = 1 C1 j ωL1 − 1 + ωC 1 C 0 Kwartskristallen 62 _______________________________________________________________________________ De frequentie waarvoor ωL1 = 1 (of waarvoor Z = 0) noemt men de serieresonantieωC 1 frequentie fs: fs = 1 2π L1C1 De frequentie waarvoor ωL1 = 1 C1 1 + (of waarvoor Z → ∞ ) noemt men de parallelωC1 C 0 resonantiefrequentie fp of anti-resonantiefrequentie fa: fp = 1 C C . 1 + 1 = fs . 1 + 1 C0 C0 2π L1C1 Aangezien C1 << C0 liggen de serie en parallel-resonantiefrequentie zeer dicht bij elkaar. Hierdoor zal een zeer steile wijziging van de reactieve componenten van de kristalimpedantie in functie van de frequentie optreden. Het is juist deze eigenschap die benut wordt voor frequentiestabilistatie van oscillatoren. Een kristal zal dus werkzaam zijn op een frequentie gelegen tussen fs en fp waar het zich inductief gedraagt. Figuur 2.2.4 geeft het verloop weer van de impedantie van een kwartskristal in functie van de frequentie. Figuur 2.2.4 Verloop van de impedantie van een kristal in functie van de frequentie. Kwartskristallen 63 _______________________________________________________________________________ Pierce oscillator Figuur 2.2.5 Pierce oscillator schakeling Pierce oscillatoren worden vrij vaak gebruikt voor het genereren van kloksignalen voor microcontroller schakelingen omwille van hun lage stroomverbruik. Het actieve element van de oscillator is een invertor die voorzien is van een feedbackweerstand Rf. Zodoende werkt de invertor als een inverterende versterker die een faseverschuiving van 180° realiseert. Het kristal vormt tussen serie en parallel resonantie een inductantie. Deze inductantie vormt samen met twee belastingscondensatoren CL1 en CL2 een pi-filter welke eveneens een faseverschuiving van 180° realiseert. Zodoende bekomt men een lus met 360° faseveschuiving. Aangezien het inductief gebied zich slechts Kwartskristallen 64 _______________________________________________________________________________ uitstrekt over een vrij smal frequentie-interval zal de zal de oscillatiefrequentie zich eveneens in een vrij smal frequentie-interval situeren. Indien een heel nauwkeurig oscillatiefrequentie gewenst is zal een gepaste keuze van de kristal serie- en parallelresonantiefrequentie in combinatie met de belastingscapaciteiten moeten gemaakt worden. Datasheets van kristalfabrikanten geven daarom de exacte waarde van de belastingscapaciteiten op om het kristal op nominale frequentie te laten oscilleren. Kwartskristallen voor industriële toepassingen Voor gebruik in de elektronica wordt een kwartskristal gemonteerd zoals aangegeven in figuur 2.2.6. Figuur 2.2.6 Praktische constructie van een kwartskristal. In tegenstelling tot de voorgaande theoretische analyse moet hierbij ook rekening gehouden worden met verliezen; deze zijn afkomstig van : • diëlektrische verliezen (als gevolg van moleculaire wrijving) (praktisch verwaarloosbaar). • akoestische stralingsverliezen • verliezen opgenomen door montagesteunen Zij worden in rekening gebracht d.m.v. een weerstand R1 in de serieketen (motional resistance, Zie figuur 4.2.7). Typische waarden variëren van enkele kΩ tot enkele Ω. Kwartskristallen 65 _______________________________________________________________________________ Figuur 2.2.7 Reëel vervangingsschema van een kwartskristal In deze omstandigheden is de kristalimpedantie niet meer zuiver reactief maar bevat ook een reël gedeelte. Men kan aantonen dat de frequenties waarvoor de kristalimpedantie zuiver resistief is (dit zijn de resonantiefrequenties) met zeer goede benadering nog steeds door de hierboven afgeleide formules gegeven worden. Spurious responses Spurious responses zijn ongewenste niet-harmonische resonanties die kunnen optreden in een piëzo-elektrisch kristal als gevolg van interferentie tussen verschillende trillingsmodes. Amplitude, frequentie en aantal van deze ongewenste resonanties hangen nauw samen met afmetingen, vorm en constructie van het kristal. Ongewenste resonanties kunnen er de oorzaak van zijn dat een oscillator zich op een ongewenste frequentie instelt, vooral wanneer overtoon-modes beoogd worden. In dergelijke gevallen is het voordelig een kristal te kiezen waarvan, in de omgeving van de gewenste resonantiefrequentie, de ongewenste resonanties voldoende gedempt zijn t.o.v. de gewenste resonantiepiek. Figuur 2.2.8 Overtonen en ongewenste responsies in een kristal. Kwartskristallen 66 _______________________________________________________________________________ Figuur 2.2.9 Diverse uitvoeringen van kwartskristallen SAW-technologie 67 _______________________________________________________________________________ 2.3 SAW-technologie. De Surface Acoustic Wave-technologie, die als een tak van de micro-elektronische technologie mag beschouwd worden, vindt eveneens zijn oorsprong in de piëzo-elekticiteit. Deze technologie wordt vooral gebruikt bij frequenties van ongeveer 50MHz tot 3 GHz (GPS, GSM, WLAN,…). Wanneer men zich indenkt dat er op het oppervlak van een kwartskristal metalen strippen aangebracht zijn met opeenvolgende tegengestelde elektrische ladingen dan zijn in opeenvolgende tussenruimten tegengestelde elektrische velden werkzaam. Gezien de piëzo-elektrische eigenschap zullen opeenvolgende tussenruimten inkrimpen en uitrekken of omgekeerd. Indien de metalen strippen georganisseerd worden zoals in figuur 2.4.1 (men spreekt van “vingers”) dan zal bij het aanleggen van een elektrische wisselspanning alles zich voordoen alsof een akoestische golf (die praktisch als transversaal te beschouwen is) zich naar links en naar rechts voortplant met een snelheid c bepaald door kwarts (het verschijnsel is vergelijkbaar met golven op een wateroppervlak); de golflengte λ wordt bepaald door : λ = c.T = c. 1 f T en f zijn periode en frequentie der aangelegde wisselspanning. Het blijkt verder dat deze golf slechts over een kleine afstand in het kristal dringt zodat men spreekt van akoestische oppervlaktegolf (SAW = Surface Acoustic Wave). Figuur 2.3.1 Principe van de SAW- technologie SAW-technologie 68 _______________________________________________________________________________ Opdat de golf zich slechts in één zin zou bewegen worden metalen absorptiestrips aangebracht op plaatsen waar golfdoorgang ongewenst is. Om mechanische interferentie te vermijden dient men het oppervlak waarop de vingers aangebracht zijn zeer glad te polijsten. Het aanbrengen van de vingers zelf gebeurt d.m.v. fotolithografische technieken die gelijkaardig zijn met deze toegepast in de siliciumhalfgeleidertechnologie. Het gebruik van SAW- componenten situeert zich in HF- en telecommunicatieapparatuur waar ze onder meer gebruikt worden als : Vertragingslijnen Een hoogfrequent ingangssignaal wordt door een eerste transducer omgezet in een akoestische oppervlaktegolf die zich gedurende een zekere tijd voortplant en door een tweede transducer terug in een hoogfrequent uitgangssignaal wordt omgezet dat in ideale omstandigheden identiek is met het ingangssignaal. De snelheid van een akoestische oppervlaktegolf in kwarts blijkt ongeveer gelijk te zijn aan 3000 m/s zodat voor een gegeven vertraging de afmetingen van het kwartsplaatje bepaald zijn. Wanneer men aanneemt dat de afstand tussen 2 opeenvolgende vingers gelijk is aan een halve golflengte dan zal deze afstand dalen met toenemende frequentie. De minimum afstand die op fotolithografische wijze haalbaar is bepaalt bijgevolg de maximum toepasbare frequentie. In de literatuur worden waarden vermeld van 50 Mhz tot 3 Ghz (een 500 Mhz signaal bvb. komt overeen met een afstand tussen 2 vingers = λ/2 = 1 3000 . = 3µm). 2 500 .10 6 Figuur 2.3.2 Principe van de SAW- vertragingslijn Filters De frequentieresponsie van een SAW- transducer hangt af van een aantal parameters : de afstand tussen de vingers, het aantal vingers, de lengte van de vingers, de afstand waarover de vingers SAW-technologie 69 _______________________________________________________________________________ elkaar overlappen. Optimalisatie van deze parameters laat toe filters met steile frequentiekarakteristiek te construeren. Figuur 2.3.3 a Frequentieresponsie van een gewone en een gewogen SAW-transducer Figuur 2.3.3 b Voorbeeld van SAW-filter voor GSM (Murata). Oscillatoren. In figuur 2.3.4 is ook nog het principe van een SAW- oscillator opgenomen. Men maakt hierbij gebruik van een SAW- vertragingslijn waarbij de uitgang via een versterker naar de ingang teruggekoppeld wordt. De versterker compenseert de resonantieverliezen. SAW-technologie 70 _______________________________________________________________________________ Figuur 2.4.4 Het principe van een SAW- oscillator Figuur 2.3.5 Enkele uitvoeringen van SAW-filters. 71 Keramische piëzo-elektrica _______________________________________________________________________________ 2.4 Keramische piëzo-elektrica De toepassing van keramische piëzo-elektrische materialen als alternatief voor monokristallijne piëzo-elektrica is verantwoord, daar waar geen zeer hoge eisen aan frequentiestabiliteit, verliesfactor,... gesteld worden; bovendien zijn keramische producten goedkoper dan een kristallen. Keramische piëzo-elektrica zijn harde, chemisch inerte materialen die ongevoelig zijn voor vocht of atmosferische omstandigheden. Gedurende het vervaardigingproces is het mogelijk een willekeurige vorm of afmeting te realiseren (o.a. interessant voor transducers) hetgeen ongetwijfeld een grotere ontwerpvrijheid inhoudt in vergelijking met monokristallijne componenten. Keramische piëzo-elektrica behoren tot de ferro-elektrische keramieken. Zonder speciale voorzorgen is de netto polarisatie en ook het netto piëzo-elektrisch effect van een specimen gelijk aan nul: het gedraagt zich macroscopisch isotroop. Om deze reden wordt een keramisch piëzo-elektrisch materiaal na het firing process onderworpen aan een “poling threatment” : het materiaal wordt opgewarmd tot juist onder de Curietemperatuur en is in een sterk elektrisch veld geplaatst zodanig dat de spontane domeinpolarisatievectoren zich volgens het veld richten. Na verwijdering van het veld en afkoeling kunnen de dipolen niet meer terugkeren naar hun vroegere positie : er ontstaat een anisotroop specimen dat een remante polarisatie vertoont die verantwoordelijk is voor de piëzo-elektrische eigenschap. De richting volgens dewelke de remanente polarisatie werkzaam is noemt men de voorkeursrichting. Figuur 2.4.1 “Poling threatment” van een keramisch piëzo-elektricum. De eerste commerciële piëzo-elektrica waren gebaseerd op BaTiO3, gemengd met additieven; zij vertoonden echter een inferieure parameterstabiliteit. Keramische piëzo-elektrica 72 _______________________________________________________________________________ Tegenwoordig gebruikte piëzokeramieken zijn in veel gevallen gebaseerd op vaste oplossingen van PbTiO3 (loodtitanaat) en PbZrO3 (loodzirkonaat). Het zijn beiden ferro-elektrica met een perovskiet kristalstructuur (zie figuur 1.3). Ze hebben de algemene formule ABO3 , waarin A staat voor een zwaar divalent metaalion zoals lood (Pb) en B voor een licht tetravalent metaalion zoals zirkonium (Zn) of titanium (Ti). Door een geschikte samenstelling kunnen elektrische en mechanische parameters geoptimaliseerd worden voor een gegeven toepassing. Men spreekt van “graden” : in onderstaande tabel zijn een aantal graden van courant beschikbare PXE - materialen opgenomen (PXE = handelsnaam voor piëzo-elektrische keramieken volgens Philips). (geen leerstof) PXE-5 combineert een hoge koppelingscoëfficiënt met een hoge piëzo-elektrische ladingsconstante d13 . Dit materiaal is vooral geschikt voor laagvermogen toepassingen zoals pick-up elementen, controle van kleine bewegingen, microfoons, druk- en versnellingsmeters en hydrofoons. PXE-21 is een graad die ontworpen is voor ontstekingsdoeleinden. Het heeft een grote inverse piëzo-elektrische modulus zodat een grote spanning ontstaat bij mechanische stress. Het materiaal is geschikt voor impactmechamismen die gebruikt worden bij de ontsteking van gassen en explosieven. PXE-41 is een materiaal met lage verliezen dat vooral geschikt is voor mediumvermogen ultrasound toepassingen. PXE-42 en -43 zijn materialen met lage diëlektrische verliezen en hoge mechanische kwaliteitsfactor geschikt voor hoogvermogen toepassingen. PXE-42 is omwille van zijn hoge weerstand tegen temperaruur en mechanische stress in het bijzonder geschikt voor het opwekken van ultrasoon vermogen bij ultrasoon reinigen. PXE-43 is omwille van zijn goed gedrag bij hoge elektrische velden en temperaturen geschikt voor ultrasoon lassen. PXE-52 is een materiaal met een hogere permitiviteit en ladingsconstante dan PXE-5, maar het heeft een lagere Curietemperatuur en is geschikt voor het construeren van zeer gevoelige detectoren. PXE-7 en 71 zijn vooral geschikt voor ultrasone vertraginglijnen voor kleurentelevisietoestellen. De lage veroudering (ageing) van de permitiviteit zorgt voor zeer stabiele fasekarakteristieken wat zeer belangrijk is voor videotoepassingen. Keramische piëzo-elektrica 73 _______________________________________________________________________________ Vele toepassingen van piëzo-elektriciteit zoals vermeld in tabel 2.1.1 kunnen uitgevoerd worden met keramische piëzo-elektrische materialen. We geven nog enkele specifieke voorbeelden. Piëzo-elektrische microfoon Figuur 2.4.2 Principe piëzo-elektrische microfoon. De geluidsdruk veroorzaakt een afbuiging van het plaatje waarop het piëzo-elektricum is bevestigd. Ten gevolge van de mechanische spanning treedt er een vervorming op van het gepolariseerde kristalrooster. De verplaatsing van moleculaire ladingen induceert een elektrische spanning in de elektroden welke verder versterkt wordt. Ultrasone transducers voor zenders en ontvangers van akoestische golven. Akoestische millimetergolven kunnen eveneens eenvoudig en goedkoop gegenereerd worden met piëzo-elektrische keramische transducers. Hun constructie bestaat analoog als bij de piëzo-elektrische microfoon uit een piëzo-elektrische schijf die een dun metalen plaatje aandrijft. Aangezien de afmetingen van dergelijke transducers heel wat groter zijn dan de geproduceerde golflengte zal het stralingsdiagram een uitgesproken directiviteit vertonen. Bovendien produceren zij geen EM- straling en dus ook geen storing voor radioapparatuur. Belangrijke toepassingen zijn afstandsbedieningen, alarm- en beveiligings- systemen tegen inbraak, niveaumetingen in bunkers en silo’s, detectie van lekken in onder druk staande vaten (ontsnappende gassen zijn een bron van ultrasone trilling), snelheidsmetingen van wind, gassen of vloeistoffen (gesteund op doppler-effect en fase metingen). Keramische piëzo-elektrica 74 _______________________________________________________________________________ Banddoorlaat filters Het gedrag van piëzokeramische banddoorlaatfilters hangt af van het aantal resonatoren en de onderlinge koppeling (figuur 2.3.3). Figuur 2.4.3. Piëzokeramische banddoorlaatfilters Het gebruik van keramische resonatoren in elektrische filters is interessant omwille van diverse redenen : • t.o.v. de klassieke LC- kring hebben ze hogere kwaliteitsfactoren (bvb. 1000 t.o.v. 300). • ze vormen een goedkoop alternatief voor de duurdere kwartsresonatoren. • kleine afmetingen, doordat de resonatoren afmetingen hebben van grootteorde λ/2 en de voortplantingssnelheid van mechanische golven relatief klein is (3000 m/s). Bijvoorbeeld bij 10 MHz is een halve golflengte gelijk aan λ/2 = v/2f = 3000/2.107 m = 50 um. • na assemblage is geen trimming vereist. • immuun t.o.v. magnetische strooivelden en produceren zelf geen magnetisch veld. Deze technologie is uitmate geschikt voor massaproductie van standaard middenfrequent filters in superheterodyne ontvangers. Figuur 2.3.4 geeft een voorbeeld van een miniatuur piëzokeramisch middenfrequent filter voor FM-band. Keramische piëzo-elektrica 75 _______________________________________________________________________________ Figuur 2.4.4 Miniatuur piëzokeramisch middenfrequent filter voor FM-band. Figuur 2.4.5 Diverse uitvoeringen van miniatuur piëzokeramisch filters.
© Copyright 2024 ExpyDoc
