4. Пьезоэлектрические датчики температуры

Пьезоэлектрический эффект состоит в том, что под действием механического напряжения или деформации в кристалле возникает электрическая поляризация, величина и знак которой зависят от приложенного напряжения. Обратный пьезоэлектрический эффект – это механическая деформация кристалла, вызванная приложенными электрическими силами, причем величина и тип деформации зависят от величины и направления приложенного поля. При этом электрическое поле может характеризоваться вектором электрической поляризации Р, электрической индукции D или напряженностью электрического поля Е, а действующее на кристалл механическое усилие – тензором механического напряжения Т_ij или тензором деформации δ_ij. В общем случае связь между ними описывается уравнением

P_i = d_ijk T_jk ,

где d_ijk – тензор пьезоэлектрических модулей, характеризующий анизотропные пьезоэлектрические свойства кристалла.

Очевидно, что свойства пластин пьезоэлектрического материала, вырезанных из кристалла с различной ориентацией относительно его кристаллографических осей (так называемых “срезов”) могут сильно отличаться. На рис. 11 представлены некоторые из практически используемых срезов кварца, предназначенных для разного целевого использования [4].

Рис. 11. Кристаллографические срезы в кристалле кварца и их технические обозначения

Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Кюри в 1880г. в кварце. Позднее было установлено, что он характерен только для кристаллов с определенными типами симметрии (в кристаллах 11 классов симметрии из 32 известных он не наблюдается). В частности, самые популярные полупроводники (германий, кремний, алмаз) не обладают пьезоэффектом. В то же время он есть у арсенида галлия, окиси цинка и некоторых других полупроводниковых и полимерных материалов.

Первым применением пьезоэлектрического эффекта считается использование его с целью возбуждения механических колебаний в воде и приема таких колебаний для гидролокации (Ланжевен, 1917г.). Но наибольшее распространение в радио- и измерительной технике получило использование пьезоэффекта для стабилизации частоты электрических колебаний (кварцевые стабилизаторы частоты). Суть в том, что механические колебания кварцевой пластины могут иметь значительно более высокую стабильность (малый температурный коэффициент частоты колебаний) по сравнению со стабильностью колебаний частотозадающих устройств, выполненных на традиционных компонентах (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности или другие активные элементы). Эта стабильность кварцевых резонаторов может быть многократно повышена правильным выбором срезов кварца (традиционно это АТ- и ВТ-срезы). Поэтому, в качестве частотозадающего элемента в автогенераторах радиоустройств или часах используют «кварц» - в простейшем случае это прямоугольная пластина, вырезанная из кристалла кварца с двумя нанесенными на противоположные грани электродами. Обычно используется режим резонанса механических и электрических колебаний, причем частота и стабильность их обеспечивается кварцем. Такие системы обладают также высокой добротностью (порядка 10⁶).

Исследования показали, что можно получить срезы кварца, в которых частота колебаний зависит от температуры, причем эта зависимость близка к линейной и, что самое главное, характеризуется высокой воспроизводимостью параметров. Такие кварцы естественно использовать в качестве сенсоров температуры, выходным параметром которых является частота электрических колебаний.

Первый пьезоэлектрический кварцевый датчик температуры был реализован на основе кристалла с Y срезом с чувствительностью 35 ·10^-6 [Δf/f· ⁰C] в диапазоне температур - 80⁰ +230 ⁰С при точности калибровки 0.02 ⁰С. Возможна также реализация датчиков с большей чувствительностью (но худшей линейностью) на других срезах (например, LC) или использующих более сложные колебания пластин (изгибные или торсионные). Недостатком пьезоэлектрических датчиков является достаточно большая тепловая инерция.

Контрольные вопросы.

1. Пьезоэлектрический эффект, его физические основы и возможности использования.

2. Кристаллографические срезы кварца различной ориентации и возможности их использования, в частности, для стабилизации частоты.

3. На чём основано использование кристаллов кварца для создания датчиков температуры?