Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
как пьезо- и пироэлектрики [33, 34], что может оказаться важным в
исследованиях, связанных с молекулярными биосенсорами.
442
Глава 28
28.2.1. Керамические материалы
Наличие направления поляризации у природных пьезоэлектрических кристаллов
приводит к возникновению естественной поляризации еще до приложения
какого-либо поля. На рис. 28.1,а схематически показана структура
высокополярных кристаллов кварца при различной механической нагрузке.
Искусственные пьезоэлектрические керамические материалы обладают
улучшенными пьезоэлектрическими свойствами и имеют поликристаллическую
структуру (например, титанат бария и различные цир-конат--титанаты
свинца). В таких материалах направления поляризации отдельных
кристаллических доменов ориентированы случайным образом, и в исходном
состоянии пьезоэлектрические свойства не проявляются. Поляризация
керамики в сильных электрических полях при повышенных температурах (выше
точки Кюри) приводит к одинаковой ориентации отдельных доменов (рис.
28.1, б). Керамические материалы
Поперечная нагрузка Вез нагрузки
Продольная нагрузка ф
(c)
(c)
а
Кристалли чес ка я структура диполя
Зоны поляризации диполей
О 8а
О о
S
Рис. 28.1. Кристаллическая структура и структура доменов
пьезоэлектрической керамики, а: кристаллическая структура кварца,
показывающая изменение дипольного момента при не слишком большой
нагрузке; б: структура барий-титанатной керамики.
Пьезоэлектрические преобразователи и акустические методы
443
обладают высокой химической устойчивостью и механической жесткостью.
Путем спекания им можно придавать самые разнообразные формы и размеры
[83].
28.2.2. Полимеры
Авторы [52] впервые установили, что высокая полярность элементарных
звеньев в пластифицированном политрифторэтилене и жестком
поливинилхлориде приводит к высокой пьезоэлектрической активности этих
полимеров. Позже было найдено, что поливинилиденфторид (ПВДФ) способен
поляризоваться в еще большей степени. ПВДФ представляет собой примерно
равную смесь аморфного и кристаллического полимера. Последний в принципе
может находиться в неполярной альфа- и высокополярной бета-форме, в
которой атомы водорода и фтора расположены так,
ос- форма
(неполярная, дипольные цепи анпгипараллельны)
JB-срорлга (полярная, дипольные цепи параллельны)
(c) Н
Ос
ро поляризации
После
поляризациц
Шк
/ Q)\Ey у' \ ((r)е)((r)0)((r)0)
(у 1 ((r)e)(^0)((c)e)
1 \\gj щу ((r)е) ((r)е)((r)е))
Ъъ (0)((c)e)((c)j^
Рис. 28.2. Молекулярная структура и структура доменов пьезоэлектрической
пленки из поли-винилиденфторида. а: молекулярная структура
поливинилиденфторида; б: ориентация диполей в поливинилиденфторидной
пленке.
444
Глава 28
чтобы дипольный момент элементарного звена был максимален (рис. 28.2, я).
До поляризации полимерные цепи ориентированы случайным образом (рис.
28.2,6). В промышленных процессах используют также растяжение пресованных
или литых полимеров в направлении одной или двух осей, с тем чтобы
заранее обеспечить преобладание бета-формы. В отличие от керамических
материалов пленки из ПВДФ весьма податливы. Они не только устойчивы
химически, но и являются более чувствительными преобразователями
механической энергии в электрическую, чем керамические материалы и
кристаллы кварца.
28.2.3. Режимы преобразования
В пьезоэлектрических материалах диполи в основном ориентированы по
нормали к базовой кристаллографической плоскости. Пьезоэлектрики
анизотропны, т. е. их электрические, механические и электромеханические
свойства по-разному проявляются при электрическом или механическом
преобразовании вдоль соответствующих осей. Для обозначения направлений
векторов и тензоров принято использовать численные
Полярность Ось поля Ось напряжения или Эе-(рорлтации
Свободная ось Пьез о электрические константы
Длина X dZ1
Ширина / 4-
Толщина \ ' ' \ d,3
г = 3
Рис. 28.3. Анизотропия механических, электрических и электромеханических
параметров в типичных пьезоэлектрических материалах. Показана связь
относительной деформации тела (st) в направлениях xt при некоторой
напряженности электрического поля Е с константами d3i, характеризующими
пьезоэлектрическую деформацию (см. таблицу).
Пьезоэлектрические преобразователи и акустические методы
445
нижние индексы (рис. 28.3). Первый нижний индекс обозначает поляризацию и
направление поля, а второй-механическое напряжение или ось деформации
[34]. В общем случае поляризация направлена вдоль оси у (индекс 3), тогда
как сила может прилагаться вдоль осей х (индекс 1), у или z (индекс 2).
На рис. 28.3 приведены эти обозначения для пьезоконстанты (d). Аналогично
описывают механическое напряжение или деформацию (g), относительную
податливость (.?), диэлектрическую постоянную (е) и т.д. [34]. Таким
образом, пластины преобразователя могут растягиваться в длину, ширину или
толщину (рис. 28.3). Аналогично диски могут растягиваться вдоль радиуса
(d31) или в толщину (d33), а кольца или трубки-в длину (d3l) или толщину
