Диссертация (1091101), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Схемные решения термокомпенсации пьезокорректоров оптического резонатора лазерного гироскопа, обеспечившие расширенный температурный диапазон стабильной работы от минус 60°С до +90°С.Апробация результатов.Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждалисьна следующих конференциях и семинарах: Научно-технических конференцияхстудентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, проходивших вфеврале–марте 2007, 2008, 2009, 2010 и 2011 гг.; 2-й Всероссийской научнойшколе для молодежи «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем», Москва, 2009; 1-й и 2-й Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональныенаноматериалы для космической техники, Москва, 2010–2011 г.; XIII Всероссийской научно–технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов истудентов «Авиакосмические технологии (АКТ-2012)» – Воронеж, 2012 г.12Публикации.
По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.Личный вклад автора. Все основные результаты диссертации полученылично автором. Автор непосредственно участвовал в планировании и проведенииэкспериментов, в разработке математических моделей и расчете методом конечных элементов и аналитическим методом.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырех глав, заключения и библиографического списка, включающего 127наименований. Диссертация содержит 181 страницу машинописного текста,включая 108 рисунков, 13 таблиц и три приложения.13Глава 1.
Аналитический обзор литературных данных по исследованию пьезопреобразователей в оборудовании и приборах электронной техники1.1. Физические основы пьезоэффектаПьезоэффект является обратимым физическим явлением, связывающимэлектрические и механические свойства образцов из диэлектрических материалов,в частности, неполярных диэлектриков. С одной стороны, при деформации образцов из подобных материалов на их противоположных гранях возникают электрические заряды (явление прямого пьезоэффекта), с другой – при воздействии на этиобразцы электрического поля (приложением электрического напряжения) они деформируются в определенных направлениях (обратный пьезоэффект) [2, 3, 4, 5].Пьезоэффект был обнаружен в 1880 г.
французскими физиками Пьером иЖаком Кюри. Они установили, что если кристаллы некоторых диэлектриков(кварца, турмалина, сегнетовой соли) подвергнуть механической деформации(сжатию), то на их противоположных поверхностях появятся разноименные электрические заряды. Данное явление вскоре получило название прямого пьезоэффекта, поскольку через год, в 1881 году братья Кюри обнаружили обратный пьезоэффект, предсказанный Г. Липпманом [2, 3, 4, 5].В первой половине ХХ века основные применения пьезоэлектричества былисвязаны с использованием прямого пьезоэффекта [2, 6].В 1910-х годах П. Ланжевен предложил использовать кварцевые пластиныдля получения ультразвука для измерения глубин и подводной сигнализации [7,2].В 1918 г.
У. Кэди предложил использовать кристаллы кварца для стабилизации и фильтрации частот электрических колебаний [3, 6].С начала 1920-х годов после работ И. Валашека в качестве пьезоэлементовстала использоваться сегнетова соль (KNaC4H4O6·4H2O). Кристаллы сегнетовойсоли использовались в звукоснимателях и устройствах звукозаписи, гидрофонах,14эхолотах и других нерезонансных приборах.
Основным недостатком сегнетовойсоли, ограничившим ее применение, стала высокая гигроскопичность.После открытия Б. М. Вулом (1944 г.) сегнетоэлектрических свойств в титанате бария А. В. Ржанов и Р. Робертс обнаружили пьезоэффект и у поляризованной сегнетокерамики, применение которой существенно расширило возможностипьезоэлектрических устройств. Появилась возможность создавать пьезоэлектрические элементы практически любой формы, используя стандартные технологииизготовления керамических изделий.В начале 1950-х двумя группами исследователей из Японии (Ширани, Хошито, Сузуки и Савагучи) и США (Яффе, Кук) [8] разработана пьезокерамика наоснове цирконат-титаната свинца (ЦТС).Во второй половине ХХ – начале XXI века возникает и развивается новоенаправление применения пьезоустройств, связанное с их использованием в качестве механизмов (пьезоактюаторов) для создания микроперемещений на величинуменее 1 нм и создания механических усилий от 10-3 Н до сотен Н.
В этом случаеиспользуется явление обратного пьезоэффекта. Развитие технологий микроэлектроники и микросистемной техники позволило миниатюризировать подобныепьезоустройства.Основным элементом всех пьезоэлектрических устройств, рассматриваемыхв настоящей работе, являются элементы из пьезоэлектрических материалов (пьезоэлектриков).В большинстве случаев пьезоэлектрики входят в группу активных диэлектриков, т.е. не проводящих электрический ток материалов, свойствами которыхможно управлять с помощью внешних энергетических воздействий.
В некоторыхслучаях пьезоэлектрики являются полупроводниками (CdS, ZnО, GaAs, InSb, Те идр.), однако данная группа выходит за рамки настоящего исследования.Общая классификация активных диэлектриков представлена на рисунке 1.1[3].15Рисунок 1.1 – Семейство активных диэлектриковВидно, что пьезоэлектрики образуют самую многочисленную подгруппу активных диэлектриков – сюда входят монокристаллы (кварц), поликристаллы (пьезокерамики) и полимеры (ПВДФ и др.) – все соединения, не имеющие центрасимметрии зарядов в рамках элементарной ячейки и способные создавать зарядпри сдавливании и деформироваться в электрическом поле.
Среди пьезоэлектриков можно выделить группу пироэлектриков – это особые виды кристаллов илиполикристаллов (из 10 кристаллографических классов), поляризующиеся под действием изменения температуры (например, турмалин).Частным случаем пироэлектриков являются сегнетоэлектрики – кристаллические и поликристаллические вещества, обладающие спонтанной поляризацией,направление которой можно изменить с помощью внешнего электрического поля,и рядом других свойств.Сегнетоэлектрические материалы являются наиболее распространеннымматериалом для практического изготовления пьезоэлементов.В основе пьезоэффекта лежит явление поляризации диэлектриков, связанное с обратимым смещением центров зарядов (ионов) в кристаллической структуре диэлектрика при приложении к нему электрического поля.
При этом электронысмещаются в направлении, противоположном полю. В результате упругого смещения зарядов индуцируются элементарные дипольные моменты или происходитвыстраивание дипольных моментов вдоль силовых линий поля. В результате поляризации на противоположных гранях образца возникают связанные заряды.16Качественной характеристикой пьезоэффекта является линейная взаимосвязь между механическими (деформация, напряжение) и электрическими величинами (поляризация P, электрическая индукция D, напряженность электрического поля Е).
[5, с. 190].Напряженность электрического поля E (В/м) – векторная физическая величина, характеризующая силовое действие электрического поля на электрическизаряженные частицы и тела. При рассмотрении электрического поля в диэлектрике оперируют двумя величинами напряженности: внешнего электрического поляE0 и внутреннего поля в диэлектрике, образованного связанными зарядами: Е’.Напряженность результирующего поля внутри диэлектрика: Е = E0 – Е’.При наложении электрического поля (с помощью электродов) в диэлектрикевозникают элементарные электрические дипольные моменты pj.Вектор поляризации P представляет собой объемную плотность электрического дипольного момента диэлектрика: P = (Σpj)/V.
Величина P (Кл/м2) являетсяосновным параметром, описывающим поляризацию диэлектрика и определяетдипольный момент единицы объема [3, 9]. Также вектор поляризации определяетстепень влияния диэлектрика на результирующее поле.В слабых электрических полях поляризация диэлектрика пропорциональнанапряженности результирующего поля:P = ε0χ E ,где ε0 = 8,85∙10-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная; χ – диэлектрическая восприимчивость, т.е. мера способности вещества поляризоваться под действиемэлектрического поля, в СИ χ = ε – 1. Здесь ε – относительная диэлектрическаяпроницаемость среды, величина, характеризующая ослабление средой электрического поля (безразмерная величина).
Для воздуха и эфира ε примерно равна 1; длядерева – от 2 до 7,3; для воды ε = 81 при t = +20°С, для сегнетоэлектриков: сегнетовой соли – 500; для титаната бария – до 7000. Для металлов ε, строго говоря, неопределена, поскольку они ослабляют электрическое поле практически до нуля.17Другой важной характеристикой является электрическая индукция (смещение) D (Кл/м2) – векторная величина, характеризующая электрическое поле и равная сумме двух векторов: напряженности электрического поля Е и поляризациисреды P . Данная величина вводится для удобства расчетов параметров поля награнице раздела двух сред с разными ε: вектор D остается неизменным при переходе из одной среды в другую. Когда вектора Р и Е коллинеарны (поле действуетвдоль направления поляризации диэлектрика), χ является скалярной величиной,тогда вектор электрического смещения D определяется выражением [9]:D = ε0ε E = (1 + χ) ε0 E = ε0 E + ε0χ E = ε0 E + P .В изотропном веществе, не обладающим сегнетоэлектрическими свойствами, при слабых полях вектор поляризации прямо пропорционален напряженностиполя.Существуют различные виды пьезоматериалов – монокристаллы (кварц,турмалин), поликристаллы (керамики) и полимерные пьезоматериалы (поливинилиденфторид – ПВДФ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
