圧電材料の探索：タイプ、特性、技術的影響

長年にわたり、材料科学の進歩は、単結晶、セラミック、薄膜などの異なる圧電材料を生成してきました。この記事では、その特性、種類、どのように機能するか、使用を含む圧電材料をよく見ていきます。機械工学と電気工学をリンクし、多くの分野で革新を促進することにおける彼らの重要性を強調しています。

カタログ

図1：圧電材料

ピエゾとは何ですか？

「ピエゾ」という言葉は、ギリシャ語「ピエゼイン」から来ています。「プレス」または「圧力」を意味します。これは、圧電性のための科学での使用によく適合しています。1880年、フランスの物理学者ジャックとピエールキュリーは圧電性を発見しました。彼らは、トルマリン、クォーツ、トパーズ、ロシェルの塩などの特定の結晶が押されたとき、電荷を生成することを発見しました。彼らはまた、これらの結晶が電流が適用されたときに形状が変化し、プロセスが両方の方法で機能する可能性があることを見ました。

この発見により、さまざまな圧電デバイスが作成されました。第一次世界大戦中、圧電性は主に超音波潜水艦検出器で使用されていました。今日、圧電材料は多くのことで使用されています。それらは、電動タバコライターやインクジェットプリンターなどの日常的なアイテムや、医療超音波イメージングやロボット工学の精密モーションコントロールなどの高度な技術にあります。

圧電材料の種類

図2：圧電材料の例

単結晶圧電材料

単結晶圧電材料は、穀物の境界がない連続的で均一な結晶格子によって特徴付けられます。この均一な構造は、しばしば他の圧電材料と比較して、より良い電気機械結合効率につながります。そのような材料の例には、石英とランガサイトが含まれます。これらの単結晶は、Czochralskiプロセスや熱水合成などの正確な成長方法を使用して生成されます。彼らの並外れたパフォーマンスにより、高度な医療イメージングシステム、通信共振器やフィルター、航空宇宙の振動監視などの正確なアプリケーションに最適です。

図3：ピエゾクリスタルクォーツ素材

セラミック圧電材料

圧電セラミックは、ジルコン酸チタン酸鉛（PZT）などのペロブスカイト構造材料から作られています。これらの材料は多結晶であり、焼結粉末物質によって作成されます。それらの圧電特性は、ポーリングプロセスを通じて開発され、外部電界を適用することにより電気双極子を整列させます。これらのセラミックは、さまざまな形やサイズに簡単に形作ることができます。それらの耐久性と費用対効果は、アクチュエーター、センサー、超音波トランスデューサー、および家電ブザーで使用するために人気を博しています。

図4：PZTタイプの圧電セラミックの構造

薄膜圧電材料

薄膜圧電は、スパッタリング、化学蒸気堆積、またはパルスレーザー堆積などの高度な製造技術を使用して、数ナノメートルから数マイクロメートルまで厚さの数マイクロメートルまでの堆積層によって作られています。薄膜で使用される一般的な材料には、PZT、酸化亜鉛（ZNO）、および窒化アルミニウム（ALN）が含まれます。これらのフィルムの薄さにより、それらをマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）およびナノエレクトロメカニカルシステム（NEM）に統合することができ、マイク、マイクロスイッチ、高度なセンサーアレイなどのコンパクトなデバイスで機能を強化します。標準の半導体プロセスとスケーラビリティとの互換性により、統合回路や柔軟な電子機器に適しています。

図5：ALN圧電薄膜

図6：バルクピエゾ要素

薄膜とバルクの圧電材料を選択することは、精度、パワー、耐久性に対するアプリケーションの特定のニーズに依存します。薄型ピエゾ材料は、小規模な技術に適しています。対照的に、より厳しい大規模なアプリケーションでは、バルクピエゾ材料が好まれています。以下の表は、厚さ、製造技術、主要な機能、アプリケーションに基づいて、薄型ピルゾ材料とバルクピエゾ材料を比較しています。

カテゴリ	薄型ピルゾ材料	バルクピエゾ材料
厚さ	数ナノメートルから数マイクロメートル	数ミリメートルからセンチメートル
製造技術	スパッタリング、パルスレーザー堆積、 化学蒸気堆積	押し、押し出し、機械加工
特徴	高周波応答：クイック応答 時代	高発電：電力を生成します 機械的ストレスの下
	柔軟性：柔軟性に適用できます 表面	耐久性：強くて耐久性があり、適切です 重い負荷と過酷な条件の場合
	精度：aの正確な制御 顕微鏡レベル	汎用性：簡単に形作られてサイズがあります 特定のニーズ
アプリケーション	マイクロエレクトロニクスとMEMS： 加速度計、ジャイロスコープ、インクジェットプリンターヘッド	エネルギー収穫：機械を変換します 振動から電気エネルギーへのストレス
	医療機器：超音波トランスデューサー イメージングと治療用	アクチュエーターとセンサー：大きなアクチュエーター 自動車および航空宇宙産業、高負荷センサー
	電気通信：フィルターと 携帯電話と通信デバイスの共振器	ソナーと超音波デバイス：ソナー 海軍使用のためのシステム、産業用超音波クリーナー

薄膜PZTおよび堆積方法

薄膜鉛ジルコン酸チタン酸（PZT）材料は、優れた圧電特性のため、センサー、アクチュエータ、およびマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）で使用されます。PZT薄膜の構成と有効性は、構造、向き、圧電性能に影響を与える可能性のある堆積方法に大きく依存しています。3つの主要な堆積技術：ゾルゲル、スパッタリング、および金属有機化学蒸気堆積（MOCVD）。

図7：柔軟な薄膜PZT

ソルゲルプロセス

ゾルゲルプロセスは、PZT薄膜を堆積させ、分子レベルでのフィルム構成を制御できる費用対効果の高い方法です。この手法は、ゲルに変わるコロイド溶液（SOL）の準備から始まります。重要なステップには、加水分解と重合金属アルコキシドが含まれます。得られたゲルは、スピンコーティングまたはディップコーティングを使用して基板に適用され、その後に有機成分を除去し、PZT相を結晶化する熱処理を行います。

図8：PZT薄膜のゾルゲルプロセス

利点

•化学量論を細かく制御し、圧電特性を改善する

•他の方法と比較して低温を使用します

課題

•広い領域で一貫した厚さと組成を得るのは難しい

•乾燥と発火中の高い収縮はしばしば亀裂を引き起こします

スパッタリング

スパッタリングは、高エネルギー粒子がターゲットから材料をノックし、その後基板に堆積する物理的な蒸気堆積（PVD）技術です。PZTフィルムの場合、RFマグネトロンスパッタリングは、PZTターゲットにヒットするアルゴンイオンのプラズマを含む使用されます。

図9：薄膜堆積のスパッタ堆積方法

利点

•良好な接着と密度のあるフィルムを生産します

•大きな基板を均一にコーティングするのに適しています

課題

•ストレスは、映画に影響を与える可能性があります。

•スパッタリングの収量により、スパッタリング中にターゲットの組成が変化する可能性があります

金属有機化学蒸気堆積（MOCVD）

MOCVDには、蒸気相で金属有機前駆体の分解が含まれ、加熱された基質を反応または分解して薄膜を形成します。この方法は、電子アプリケーションに適した高度で適切に結晶化されたフィルムを生産するために推奨されます。

利点

•複雑な形の基質でも優れたフィルムの均一性と適合性を提供します

•大量生産に適しています

課題

•他の方法よりも高い温度が必要です

•金属製の前駆体の取り扱いと保管は危険な場合があります

図10：金属有機化学蒸気堆積

材料がストレスの下でどのように作用するか

圧縮下の動作

石英やチタン酸バリウムなどの材料が絞られた場合、それらはさまざまなデバイスでの使用に影響を与える方法で変化します。これらの材料には、押されたときに電荷を作成する特別な構造があります。圧縮されると、縮小し、内部構造が変わります。

この圧迫により、結晶内の電荷が不均一に分布します。圧力は結晶の構造内でイオンを動かし、電界を作り出します。これは、材料シフトの正と負の電荷が中心になるために起こります。電気的応答の量は、結晶の種類、力を加えた力、および力に対する結晶の方向に依存します。

たとえば、センサーでは、結晶によって生成される電圧が加えられた力を測定し、圧力と監視負荷の検出に最適です。アクチュエーターでは、電界を適用すると、クリスタルの変化の形状になり、超音波デバイスや自動車燃料噴射装置などの動きを正確に制御できます。

図11：圧電材料が機能します

圧力に対する圧電反応

圧電材料が機械的圧力に直面すると、その分子は再調整し、電気特性に影響を与えます。力は分子構造を変化させ、領域を均一な電気方向に合わせて、電気偏光を増加させます。

このアラインメントは、材料の電荷分離を高め、その電気偏光を強化します。簡単に言えば、圧力により、双極子（2つの反対の電荷を持つ分子）がより均一になり、特定の力の強力な電界が作成されます。

さまざまな圧力の下でこの応答を正確に制御する能力により、圧電材料は多くの技術で非常に役立ちます。機械的圧力を電気信号に変換する能力とその逆を使用すると、正確な電子周波数を生成し、産業環境での振動を監視するなどのタスクで効果的に使用できます。

圧電効果

図12：圧電効果

機械的エネルギーを圧電効果で電気エネルギーに変える

圧電効果は、特定の結晶材料を変形させることにより、機械的エネルギーを電気エネルギーに変化させます。圧電として知られるこれらの材料には、石英のような天然物質と高度なセラミックのような合成物質が含まれます。

圧電材料が絞られたり、ねじれたり、曲がったりするなどの機械的ストレスに直面している場合、その結晶構造は中心的な対称性を持たず、乱れます。この妨害は、結晶内の電荷センターをシフトし、偏光を引き起こし、材料の特定のポイントで電位を生み出します。

このプロセスの重要なポイント：

生成された電荷は、適用される機械的応力の量と一致します。これは、既知の力に基づいて電気出力を正確に制御できることを意味します。

部隊が除去されると、材料は元の状態に戻り、電荷が消えます。これにより、材料の耐久性と信頼性が、繰り返しうまく機能する必要があるデバイスに適しています。

電気エネルギーを逆圧電効果で機械エネルギーに変える

逆の圧電効果は、電気エネルギーを機械的エネルギーに戻します。圧電材料に電圧を適用すると、結晶格子構造を変化させる電界が作成され、材料の寸法が変更されます。

この効果は、光学機器とマイクロポジションシステムの精密アクチュエーターで使用されます。逆の圧電効果により、小さな電気入力が正確で制御された機械的調整をもたらし、ロボット工学、自動車技術、医療機器、および通信の進歩を支援することを保証します。

機械的から電気的および電気的トランスデューサーの両方として作用する圧電効果の二重の能力は、技術の進歩をサポートします。機械的および電気的ドメインをつなぎ、最新のエンジニアリングと革新を拡大します。

図13：直接および逆の圧電効果

非ピエゾ電気材料と圧電材料の比較

非圧電および圧電材料は、機械的および電気エネルギーの処理方法が異なります。鋼やアルミニウムのような非ピエゾ電気材料は電気を導入できますが、ストレスを受けたときに電荷を作成しないでください。石英や特定のセラミックなどの圧電材料は、特別な結晶構造のために機械的エネルギーを電気エネルギーに変えることができます。

非噴石電気材料には対称的な結晶格子があるため、ストレスを受けたときに電気双極子を生成しません。圧電材料には非対称の結晶格子があり、ストレス下にあるときに電荷を生成できるようにします。この変形は、内部偏光を引き起こし、電位を生み出します。

非噴石電気材料は、電子の移動度とバンド構造に基づいて、通常の導体や絶縁体のように振る舞い、変形時に電荷を作成しません。圧電材料は、2つの効果を示します。これは、機械的応力が電荷を生成する直接的な圧電効果と、電界が機械的変形を引き起こす逆圧電効果です。これらの特性により、圧電材料はセンサーとアクチュエーターでの使用に適しています。

異なる特性により、異なる用途では、非ピエゾ電気材料と圧電材料が使用されています。非ピエゾ電気材料は、強度と導電率が重要な構造コンポーネント、電気配線、および標準的な電子部品で使用されます。圧電材料は、超音波機器、精密位置決め装置、高度な技術に適したさまざまなセンサーとアクチュエーターなど、正確な制御および機械的電気エネルギー変換を必要とするフィールドで利用されます。

圧電性の応用

家電：スマートフォンやその他のデバイスでは、スピーカーやマイクで圧電部品が使用されています。それらは、電気信号を音の振動または音の振動に、オーディオ入力のために電気信号に変えます。

自動車産業：現代の自動車は、エンジンの燃料噴射を制御し、タイヤ圧力を監視するなど、多くの目的で圧電センサーを使用しています。

環境監視：圧電センサーは、圧力の変化、振動、音を検出します。それらは、環境条件をチェックし、建物や橋の安全を確保するために使用されます。

エネルギー収穫：圧電材料は、機械的ストレスからエネルギーを獲得できます。たとえば、足音を電気エネルギーに変換する床は、忙しいエリアでライトや電子機器をパワーし、持続可能な環境を作り出すのに役立ちます。

高電圧圧電ライター：ガスストーブとバーベキューを照らし、小さな機械的なクリックから高電圧を作成するために使用されるこれらのライターは、バーナーを照らすための火花を生み出します。これは、圧電材料の実際の使用を示しています。

医療イメージング：圧電結晶は超音波マシンで役立ちます。それらは、組織や臓器を跳ね返す音波を生成し、診断のための画像を作成します。

科学機器の精密アクチュエーター：精密アクチュエータの圧電材料は、光学とナノテクノロジーのための小さな動きを作り出します。これらのアクチュエーターは、科学的研究と半導体製造のための顕微鏡精度を持つミラー、レンズ、およびその他の部品を調整します。

結論

圧電材料を研究することは、物理学と工学の間の強いつながりを示しており、多くの技術的な目的に自然な特性をどのように使用できるかを示しています。強力なバルク材料と柔軟な薄膜の両方として利用可能な圧電材料の汎用性により、エネルギー収穫、環境監視、持続可能な技術の開発など、さまざまな用途に適しています。イノベーションが継続するにつれて、圧電材料の研究開発はより重要であり、将来の技術の効率、精度、および機能の改善を約束します。

よくある質問[FAQ]

1.圧電効果から電気が生成される原因は何ですか？

圧電効果は、特定の材料が機械的応力に応じて電荷を生成すると発生します。これらの材料は、石英のような結晶、チタン酸バリウムのようなセラミック、一部のポリマーは、非中心的な格子構造を持っているため、対称性の中心がないことを意味します。圧力や振動などの機械的な力が適用されると、この構造が歪んでしまいます。この歪みは、格子内のイオンを変位させ、正と負の電荷を持つ領域を作成します。これらの電荷の空間的分離は、電位を発生させる電位をもたらします。この効果は可逆的であり、これらの材料に電界を適用すると、機械的応力も誘導されます。

2.圧電効果を使用するデバイスは何ですか？

圧電効果を利用するデバイスはさまざまであり、日常的な機器と特殊な機器の両方が含まれています。一般的なアプリケーションは次のとおりです。

Quartz Watches：電界の下で石英の通常の振動を使用して、時間を正確に維持します。

医療超音波デバイス：体内に反響する音波を生成して診断画像を作成します。

車の燃料噴射器：圧電アクチュエーターを使用して、エンジンシリンダーに注入された燃料のタイミングと量を制御します。

圧電センサーと加速度計：電気信号に変換することにより、圧力、加速、ひずみ、または力の変化を測定します。

3.ピエゾは何ボルトですか？

圧電要素の電圧出力は、そのサイズ、材料、および適用される機械的応力の量によって大きく異なる場合があります。ライターや電子機器に見られるような小さなピエゾ要素は、数ボルトから数百ボルトまでの範囲の電圧スパイクを生成できます。ただし、これらの出力は一般に非常に低い電流で、最後のマイクロ秒のみです。

4.ピエゾには抵抗器が必要ですか？

多くのアプリケーションでは、抵抗器が圧電要素で使用され、電流を制限し、ピエゾが活性化されたときに生成される高電圧スパイクから回路内の他の成分を保護します。抵抗器の値は、目的の応答時間と感度を含む回路の特定の要件に依存します。抵抗器がなければ、ピエゾは、初期電圧スパイクが高いため、接続された電子コンポーネントを損傷する可能性があります。

5.圧電は人間の力とどのように関連していますか？

圧電効果は、革新的な方法で人間の力を活用することに直接適用できます。機械的エネルギーを歩行や押しボタンなどの人間の活動から電気エネルギーに変換できます。このテクノロジーは、さまざまなアプリケーションで検討されています。

エネルギーハーベストフロアタイル：これらのタイルは、地下鉄の駅やモールなどの忙しいエリアで足場の圧力から電力を生成します。

ウェアラブルテクノロジー：通常の体の動きを通じて小さなデバイスの電力を生成するために、靴または衣類に圧電材料を埋め込みます。

医療インプラント：ペースメーカーなどのデバイスに動力を供給するために身体の動きを使用し、外部バッテリーの必要性を削減または排除します。