Материал: Сегнетоэлектрики – структура свойства и применение

.2 Линейные свойства

В сегнетоэлектрических преобразователях используются большие значения пьезоэлектрических коэффициентов вблизи температуры перехода. По сравнению с несегнетоэлектрическими пьезоэлектрическими веществами сегнетоэлектрики обладают более высокими коэффициентами электромеханической связи, но вместе с тем имеют сравнительно высокие диэлектрические потери. В одних устройствах, например в ультразвуковых генераторах, громкоговорителях или импульсных генераторах со звуковыми линиями задержки, преобразователи предназначаются для преобразования переменных или импульсных электрических сигналов в соответствующие механические смещения. В других устройствах, например в ультразвуковых детекторах, тензометрах, микрофонах, звукоснимателях и устройствах для измерения вибраций, преобразователи предназначаются для преобразования малых механических смещений в электрические сигналы.

Рисунок 17 - Формы изделий из керамики титаната бария.

Преобразователи могут быть весьма малых размеров - порядка 1 мм и менее. Описан вибрационный тензометр, который дает электрическое напряжение 100 мВ при механическом смещении L/10⁶, где L - его размер в сантиметрах. Этот сигнал в 100 раз выше, чем в случае резистивного тензометра. Высокая диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков здесь также является преимуществом, так как позволяет даже при низких частотах получить низкий электрический импеданс прибора (низкий импеданс часто упрощает измерения электрических сигналов). Отметим также, что из сегнетоэлектрической керамики можно изготавливать элементы самых разнообразных форм (рис. 17), например, нетрудно изготовить устройство, фокусирующее излучаемые акустические волны в любом нужном месте. Для того чтобы использовать самые высокие значения пьезоэлектрических коэффициентов, необходимо температуру поддерживать постоянной с высокой точностью. Но это не всегда легко, особенно в тех случаях, когда к сегнетоэлектрику прикладываются сравнительно большие электрические сигналы; в этих случаях становится существенным тепло, выделяемое в результате потерь на гистерезис (оно пропорционально площади петли гистерезиса). Однако во многих случаях пик нужного параметра удается сгладить, что позволяет отказаться от необходимости прецизионного термостатирования. Нередко аномально высокие значения коэффициентов можно использовать не только ниже температуры перехода, но и выше нее.

Пьезоэлектрики обычно применяются для стабилизации частоты генераторов или же используются в качестве элементов узкополосных фильтров. В основе этих применений лежит тот факт, что пьезоэлектрический образец имеет собственную резонансную частоту, определяемую его геометрией. Образец с электродами эквивалентен вблизи резонанса контуру, состоящему из цепочки последовательно соединенных элементов L, С и R, параллельно которой включен конденсатор С₀. Такой образец при достаточно тщательном изготовлении может обладать очень высокой добротностью Q. Если требуется высокая стабильность частоты, то не следует использовать в качестве резонаторов сегнетоэлектрики, так как их свойства сильно меняются с температурой. В таких случаях наиболее подходящим материалом обычно по-прежнему остается кварц. Геометрия резонаторов зависит от требуемой частоты. Для работы в области частот порядка нескольких мегагерц применяют монокристаллические пластинки, толщина которых соответствует половине длины акустической волны. Для работы на невысоких частотах применяют бруски определенной ориентации. Для титаната бария размер в несколько миллиметров отвечает механическому резонансу на частоте порядка 1 МГц. Если преобразователь поместить в жидкость или присоединить его к твердому телу, то величина преобразуемой электрической энергии на выбранной частоте возрастет.

Сегнетоэлектрики обладают большой нелинейностью, и это важнейшее их свойство обеспечивает им множество других применений. Однако в описанных выше устройствах это свойство не играет существенной роли; более того, в большинстве случаев его влияния следует избегать. В частности, приложенное к сегнетоэлектрику переменное электрическое поле должно быть недостаточным для его переполяризации. Тем не менее типичное значение преобразуемой мощности составляет 100 Bт/см² в 10%-ной области частот в мегагерцевом диапазоне.

В микрофонах и звукоснимателях резонансные явления нежелательны. Для работы в воздухе используют образцы, испытывающие деформации изгиба или кручения; они имеют более низкий механический импеданс и испытывают большие механические смещения. Такие преобразователи обычно состоят из двух или более соединенных вместе образцов, ориентация которых такова, что получается большой сигнал, когда один образец удлиняется, а другой укорачивается, В итоге заданному электрическому сигналу соответствует большее поперечное механическое смещение. Частота составного преобразователя низка (она лежит в области звуковых частот), а температурная зависимость его чувствительности ниже, чем у подобных преобразователей других форм.

Высокие значения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков вблизи температуры перехода позволяют использовать их в миниатюрных конденсаторах. Миниатюрные детали необходимы, например, в случаях, когда нужно сохранить низкие значения индуктивности цепи. Имеющиеся недостатки аналогичны описанным выше. Для поддержания постоянной емкости необходима стабилизация температуры, поэтому такие конденсаторы непригодны для использования в тех случаях, когда требуется очень стабильное значение емкости (например, в цепях настройки). Приложенный электрический сигнал должен быть малым, так как вследствие нелинейности диэлектрическая проницаемость изменяется с изменением амплитуды сигнала. По той же причине приложенное постоянное поле смещения изменяет емкость конденсатора. В обычных цепях это обстоятельство нежелательно, но в других применениях оно, как мы увидим ниже, является преимуществом. «Сглаживание» температурной зависимости е, применяемое для повышения температурной стабильности, приводит одновременно к уменьшению максимальной величины диэлектрической проницаемости, но даже это уменьшенное значение может оставаться еще очень высоким. Тангенс угла потерь в таких сегнетоэлектриках обычно порядка 0,01.

В случаях, когда очень большая нелинейность нежелательна, можно использовать материалы с высоким значением Т₀ (напомним, что нелинейность максимальна вблизи Т₀). При высоких температурах керамику часто нельзя использовать из-за уменьшения ее сопротивления. Для конденсаторов емкостью 0,1 мкФ, изготовленных на основе керамических пленок, выше 100° С было достигнуто сопротивление до 200 МОм. При емкости до 0,01 мкФ можно изготовить такие пленки с напряжением пробоя порядка 1 кВ.

Изменение с температурой и нелинейность свойств лежат в основе других практических применений сегнетоэлектриков. Изменение диэлектрической проницаемости и, следовательно, емкости сегнетоэлектриков с температурой используется для дистанционного измерения температуры и для измерения излучаемых тепловых потоков. Предложено также использовать сегнетоэлектрики в качестве детекторов инфракрасного излучения, так как они реагируют на излучение в широкой спектральной области. Как известно, в резистивных болометрах джонсоновский шум всегда является проблемой; диэлектрические же болометры нерезистивны. Благодаря резкому изменению диэлектрической проницаемости с температурой сегнетоэлектрики, по-видимому, весьма пригодны для использования в качестве болометров.

.3 Нелинейные свойства

Рассмотренные выше практические применения сегнетоэлектриков основаны на наличии у этих материалов высоких значений пьезоэлектрических коэффициентов и диэлектрической проницаемости. Другие применения связаны с нелинейностью этих характеристик. Например, благодаря изменению диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков в постоянном электрическом поле можно электрическим способом управлять емкостью сегнетоэлектрических конденсаторов («вариконды»). Сегнетоэлектрические конденсаторы используются для настройки супергетеродинов и для частотной модуляции. Наиболее ярко диэлектрическая нелинейность проявляется на низких частотах и вблизи температуры перехода. Сегнетоэлектрики могут заменять дорогостоящие варакторные диоды, потери же в них часто оказываются меньше, чем в варакторных диодах. Джонсон указал, что титанаты бария - стронция можно использовать для генерации гармоник с третьей гармоникой в миллиметровом диапазоне. Ди-Доменико и др. изготовили СВЧ-генератор гармоник на (3 -9) 10⁹ Гц.

Чехословацкие исследователи сообщили о применении три-глицннсульфата в качестве «температурно-автостабилизированного нелинейного диэлектрического элемента» (ТАНДЭЛа). В таком устройстве амплитуда приложенного к сегнетоэлектрику переменного электрического напряжения увеличена настолько, что его температура повышается почти до Т₀. Величина нагрева зависит от диэлектрических потерь. Вблизи Т₀ потери начинают падать, в результате чего образец стабилизирует свою температуру. Температура кристалла стабилизируется вблизи Т₀, где нелинейность высока; это позволяет уменьшить величину сигнала почти вдвое по сравнению с критической без потери стабильности. Это устройство может заменить варакторы в качестве элементов цепей модуляторов, умножителей частоты и диэлектрических усилителей вплоть до частоты 1000 МГц. Его можно использовать и непосредственно как термостат.

Рисунок 18 -  Иллюстрация принципа работы диэлектрического усилителя

Описываемый ниже диэлектрический усилитель представляет собой прочный, дешевый, не нуждающийся в подогреве усилитель мощности низкой частоты. Усилитель такого типа можно применять для дистанционного управления, в сервосистемах, для стабилизации напряжения, для усиления звуковых частот, а также в качестве усилителя постоянного тока. Расчеты показали, что в полых резонаторах, заполненных сегнетоэлектриком, можно усиливать частоты СВЧ-диапазона, например порядка 10 ГГц.

Принцип работы диэлектрического усилителя мощности иллюстрируется на рисунке 18 напряжение смещения V изменяет емкость сегнетоэлектрического конденсатора, управляя, таким образом, величиной сигнала высокой частоты. При изменении V сигнал высокой частоты соответственно модулируется, как схематически показано в правой части фигуры. Рабочие элементы диэлектрических усилителей можно изготавливать как из керамики, так и из монокристаллов, причем обычно используются цирконат - титанат свинца или титанат бария - стронция. Иногда выбирают такой материал, чтобы температура перехода была несколько ниже рабочей температуры, с целью избежать трудностей, вызванных большим пьезоэффектом, и потерь на гистерезис. Иногда же, наоборот, выбирают температуру перехода несколько выше рабочей температуры, так как это обеспечивает лучшую температурную стабильность усилителя. Предел чувствительности ниже Т₀ определяется шумом, обусловленным движением доменных стенок.

Нелинейность диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков на оптических частотах приводит к большому электрооптическому эффекту, что делает эти кристаллы перспективными для управления пучком когерентного излучения лазеров. В качестве примера можно сослаться на предложенное недавно одно из таких устройств, работающее по принципу интерферометра Фабри - Перо. Через прозрачный монокристаллический брусок с полупрозрачными серебряными электродами на передней и задней гранях пропускается свет. В результате многолучевой интерференции проходят только те лучи света, длина волны которых в точности кратна толщине бруска. Если теперь к электродам приложить электрическое напряжение, то благодаря электрооптическому эффекту показатель преломления кристалла изменится, что в свою очередь приведет к изменению длины волны пропускаемого света. При использовании монохроматического падающего света такое устройство может применяться в качестве светового затвора. Для этой цели подходят вещества с большим электрооптическим эффектом, например дигидрофосфат калия.

Световой затвор такого типа предложили Волерс и Лейб; время срабатывания этого затвора, по-видимому, может составлять менее 10 ⁹ сек. С другой стороны, если падающий свет не монохроматичен, а модулирован по частоте, разновидность этого светового затвора можно использовать для демодуляции сигнала и извлечения заложенной в нем информации.

При падении красного лазерного луча на монокристалл дигидрофосфата калия получена генерация оптических гармоник, причем вдоль определенных направлений интенсивность может достигать значительной величины.

.4 Применение в вычислительной технике

В адресных регистрах вычислительных машин многократно используются переключатели, с помощью которых производится выбор требуемой ячейки памяти. При разработке вычислительных машин предпринимаются меры для уменьшения времени срабатывания этих переключателей. Желательно также уменьшить число необходимых селекторов.

В 1952 г. Андерсон высказал предположение, что сегнетоэлектрики с хорошей «прямоугольной» петлей гистерезиса можно использовать в качестве элементов запоминающих устройств вычислительных машин, причем, как и в запоминающих устройствах на ферритах, возможна матричная селекция. При использовании матричной селекции существенная часть процесса выбора происходит в самих ячейках, причем при таком способе выбора на 10000 ячеек необходимо лишь 200 селекторов.

Рисунок 19 - Расположение электродов для сегнетоэлектрического матричного элемента.

Рисунок 20 - Кристалл титаната бария с нанесенной матрицей электродов (около трех электродов на 1 мм).

Принцип матричной селекции можно уяснить на рисунке 19 Поляризация Р_S направлена по толщине кристалла. Электроды «строк» и «столбцов» нанесены на противоположные поверхности кристалла. Таким образом, ряд квадратных участков кристалла оказывается покрытым электродами с обеих сторон; каждый такой участок представляет собой одну ячейку памяти. Поле в каждой ячейке зависит от разности потенциалов сигналов, приложенных к электродам строки и столбца. Для «считывания» состояния поляризации ячейки служит импульс напряжения. Иными словами, считывающий импульс необходим для определения, находится ли ячейка в состоянии с поляризацией +Р_S или с поляризацией -Р_S. Прикладываемые к электродам строки и столбца ячейки импульсы имеют половинную амплитуду, но разные знаки; таким образом, только к этой ячейке приложен импульс полной амплитуды. В зависимости от состояния поляризации ячейки в данный момент появляется или не появляется сигнал переключения. Если ячейка переполяризовалась, то изменение ее заряда проявляется в виде импульса тока или в виде импульса напряжения на выходном конденсаторе.

Как было показано в лаборатории автора, нанесение электродов для создания плотности ячеек порядка 800 ячеек на 1 см² не представляет трудностей (рисунок 20). При переполяризации 0,1 мм² площади пластинки титаната бария за время, например, 10 мксек средний ток равен около 5 мA. Амплитуда считывающего импульса составляет от 10 до 20 B при использовании пластинки из титаната бария толщиной 0,1 мм. Если требуется неразрушающее считывание, то необходимо устройство для восстановления первоначального состояния поляризации ячейки после считывания. Добавочная регенерация необходима также потому, что воздействием на ячейку импульсов половинной амплитуды нельзя полностью пренебречь. С точки зрения стандартов вычислительной техники ни одно из этих усложнений не является очень большим.

Запоминающие устройства на сегнетоэлектриках сравнимы с запоминающими устройствами на ферритах; однако последние имеют преимущество, обусловленное тем, что техника ферритов развивалась уже в течение ряда лет. Следует отметить, что время переключения сегнетоэлектриков с точки зрения требований современной техники велико, если пользоваться матричной селекцией. Время переключения определяется амплитудой импульса, а амплитуда импульса в свою очередь - коэрцитивным полем материала. В случае титаната бария этот предел составляет около 10 мксек.