ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ

ТУЛЕМИСОВА В.Ж., ИСАБАЕВ К.Ж.,

У некоторых материалов наблюдается эффект электрической поляризации, изменяющейся при любой механической деформации материла. Когда к небольшому образцу такого материала приложена сила (или на него оказывается давление), между противоположными гранями образца возникает разность электрических зарядов. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом.

Этот эффект наблюдается у материалов, в кристаллической решетке которых отсутствует центр симметрии, например у кварца. Любая внешняя механическая деформация вызывает изменение дипольного момента кристалла, что является причиной макроскопической электрической поляризации, приводящей в результате к возникновению разности зарядов на гранях кристалла. Этот эффект может также наблюдаться в материалах, обладающих центром симметрии, если только симметрия нарушена сильным электрическим полем из-за спонтанной поляризации материла.

Примером такого класса материалов (ферроэлектриков) является титанат бария. Может также наблюдаться и обратный эффект: образец пьезоэлектрического материла деформируется, когда к нему приложено электрическое напряжение.

История развития пьезоэлектричества насчитывает более 120 лет. В 1880 г. Пьер и Жак Кюри обнаружили, что под воздействием силы на поверхности некоторых материалов возникают электрические заряды. Этот эффект был назван прямым пьезоэффектом, электричество, вызванное механическим давлением, - пьезоэлектричеством, а материалы, в которых происходит это явление, - пьезоэлектрическими (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) Г. Липман в 1881 г. предсказал, что электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому материалу, должно вызывать в нем механическое напряжения и упругие деформации. Это явление было названо обратным пьезоэффектом: слово «пьезо» (piezo) заимствовано из греческого и означает «давлю».

Практическое применение пьезоэлектрического эффекта началось с 1917 г., когда французский физик Поль Ланжевен предложил использовать ультразвуковой эхолокационный прибор для обнаружения подводных объектов. В этом приборе в качестве излучателя и приемника ультразвуковых сигналов использовались кварцевые пластинки, вмонтированные между стальными накладками, понижающими резонансную частоту преобразователя. Вначале ультразвуковой локатор Ланжевена использовался в качестве Эхолота; его усовершенствование привело к созданию современных ультразвуковых эхолокаторов, широко применяемых для обнаружения различных подводных препятствий и подводных лодок. После изобретения Ланжевена появились первые разработки пьезоэлектрических микрофонов, телефонов, звукоснимателей, приборов для звукозаписи, устройств для измерений вибраций, сил и ускорений и т.д. Следующим этапом в истории применения пьезоэлектричества было использование пьезоэлектрических пластинок и стержней в качестве элементов, стабилизирующих частоту электронных высокочастотных генераторов. Это применение основано на сильной зависимости электрического импеданса пьезоэлемента от частоты вблизи механического резонанса. В 1925 г. пьезоэлектрическая пластинка была впервые применена для измерения акустических свойств вещества: Г. Пирс использовал ее в акустическом интерферометре для измерения скорости ультразвука в газах. Важным этапом применения пьезоэлектричества для практических целей было открытие возможности обнаружения внутренних дефектов в твердых телах при помощи ультразвуковых волн: в 1928 г. С.Я. Соколов получил авторское свидетельство СССР на изобретение первого ультразвукового дефектоскопа.

Следующим шагом в использовании пьезоэлектрических преобразователей в ультраакустических исследованиях веществ было развитие методов измерения скорости и поглощения ультразвука, основанных на эффекте дифракции света на ультразвуковых волнах.

Этот эффект открыли в 1932 г. Р. Дебай и Ф. Сире и независимо от них Р. Люка и П. Бикар. Работы, в которых этот метод использовался для измерения скорости и поглощения ультразвука в жидкостях и твердых телах, начали появляться начиная с 1936 г. В 1944 г. в физическом институте им. Лебедева АН СССР Б.М. Вул и И.П. Гольдман впервые в мире методом синтеза получили пьезокерамический титанат бария (ВаТЮз). На основе титаната бария, поляризованного в сильном электрическом поле, были разработаны первые пьезокерамические электроакустические преобразователи, которые привлекли к себе внимание сильно выраженными пьезоэлектрическими свойствами, простотой технологии изготовления преобразователей различных конфигураций и сравнительной дешевизной исходных материалов.

Быстрыми темпами расширялись области применения пьезоэлектрических преобразователей в послевоенные годы. Появился целый ряд новых областей, ультразвуковые линии задержки, ультразвуковая медицинская терапия и диагностика, уровнемеры, приборы для непрерывного промышленного контроля физико-химических свойств веществ и другие приборы. Вместе с тем актуальной стала разработка более эффективных электроакустических преобразователей. Поэтому во многих странах большое внимание уделялось разработке новых пьезоэлектрических материалов. Развитие теории и практики пьезоэлектрических устройств связано также с именами У. Мэзона, Л. Бергмана, У. Кэди, Р. Тэрстона, Г.В. Катца, М. Оное, Г. Тирстена [и др., а также отечественных ученых Н.Н. Андреева, A. А. Харкевича, В. Домаркаса и Р. Кажиса, В.В. Малова, А.Н. Куценко и др.

Используемые источники

1. К.Б. Классен. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. Москва: Постмаркет, 2000. - 352 с.

2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М. Шарапова. - Москва: Техносфера, 2006. - 632 с.

3. http://www.nppnts.ru (сайт фирмы НПП «НТС»)

4. http://www.gorelki.com (сайт ЗАО «Фаза»)