Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu cấu trúc, vi cấu trúc, tính chất áp điện hệ vật liệu PZT – PMN – PSN và sử dụng hệ vật liệu này để chế tạo biến thế áp điện dạng đĩa. Sự phụ thuộc của các tính chất biến thế áp điện vào tỉ số diện tích của điện cực vào/ra đã được khảo sát.
UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.1, NO (.2011) NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA HỆ VẬT LIỆU PZT-PMN-PSN VÀ ỨNG DỤNG CHẾ TẠO BIẾN THẾ ÁP ĐIỆN DẠNG ĐĨA Nguyễn Đình Tùng Luận - Đồn Nam Hữu* TĨM TẮT Trong báo này, chúng tơi trình bày kết nghiên cứu cấu trúc, vi cấu trúc, tính chất áp điện hệ vật liệu PZT – PMN – PSN sử dụng hệ vật liệu để chế tạo biến áp điện dạng đĩa Sự phụ thuộc tính chất biến áp điện vào tỉ số diện tích điện cực vào/ra khảo sát Biến áp điện có bán kính 22mm chiều dày 1.9mm có tỉ số diện tích điện cực vào/ra 2.6 có cơng suất lớn nhất, 14W Khi có trở tải, hiệu suất cực đại biến xấp xỉ 95% khuếch đại điện áp cực đại 7.5 Biến ứng dụng cho thiết bị chấn lưu áp điện mạch cung cấp nguồn cho mạch điện tử khác Mở đầu Hệ vật liệu áp điện nhiều thành phần sở Pb (Zr,Ti)O3 hệ vật liệu áp điện ứng dụng rộng rãi Nhờ tính chất điện mơi, hỏa điện, áp điện, điện quang vượt trội mà chúng ứng dụng để chế tạo tụ lượng cao, nhớ không (FRAM), cảm biến siêu âm, đầu thu hồng ngoại, thiết bị điện quang biến áp điện hạ áp cho chuyển đổi AC – DC Biến áp điện (piezoelectric transformer (PT)) thiết bị sử dụng để biến đổi điện áp dịng xoay chiều thơng qua hiệu ứng dao động áp điện thuận - nghịch [1] So với biến điện từ, PT có nhiều đặc tính thuận lợi sau: (a) có cơng suất lớn thích hợp với khuynh hướng cực tiểu hóa thiết bị điện; (b) hoạt động dựa vào hiệu ứng dao động áp điện thay trường điện từ nên tránh tổn hao điện từ; (c) cháy không sử dụng dây điện; (d) làm việc tần số cao Mặc dù thay đổi nhiều cấu trúc, vật liệu biến áp điện gặp phải số trở ngại Thứ nhất, phần sơ cấp thứ cấp biến áp điện phân cực theo phương khác đòi hỏi trình phân cực đặc biệt để phân cực cách riêng lẻ phần [2], trình ứng suất nội hình thành tập trung phần ranh giới vùng phân cực theo chiều dọc chiều ngang làm phá vỡ nội biến làm hư hỏng biến trình hoạt động Thứ hai, biến thơng thường có cơng suất khơng đủ lớn đặc tính trở kháng cao nên khơng đạt yêu cầu việc ứng dụng cho chấn lưu đèn chiếu sáng Trong báo này, giới thiệu loại biến áp điện có cấu trúc đơn giản, chế tạo từ loại vật liệu bán cứng PZT – PMN - PSN với hệ số liên kết điện độ phẩm chất lớn, giải khó khăn mà loại biến áp điện trước gặp phải Loại biến bao gồm hai phần điện cực vào phân cực theo phương cải thiện đáng kể công suất khả hoạt động biến Chúng tập trung nghiên cứu phụ thuộc 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC, XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 1, SỐ 1, (2011) khuếch đại điện áp, công suất hiệu suất biến áp điện vào tỉ số diện tích điện cực vào/ra độ rộng vùng phân cách hai điện cực Thực nghiệm thảo luận 2.1 Cấu trúc nguyên tắc hoạt động biến dạng đĩa Hình minh họa mơ hình biến áp điện hoạt động theo kiểu dao động theo bán kính Các phần sơ cấp thứ cấp phân cực theo phương chiều dày Bản biến có dạng đĩa đường kính 22mm, dày 1.9mm Các điện cực vào thiết kế mặt gốm áp điện, điện cực vào phần vành trịn bên ngồi điện cực phần vịng trịn bên phân chia vành tròn cách điện (khơng có điện cực dẫn) Mặt gốm áp điện phủ điện cực toàn điện cực chung phần sơ cấp thứ cấp Khi cung cấp nguồn điện AC hai điện cực vào cho phần sơ cấp (vành tròn ngồi), áp điện hình thành dao động theo bán kính chuyển tải cách đồng thời sang phần thứ cấp (vòng tròn trong) biến đổi thành điện áp hai cực Nếu tần số điện áp điều khiển điều chỉnh với tần số dao động cộng hưởng gốm áp điện làm hình thành điện áp lớn vận tốc dao động tăng cường hệ số phẩm chất Qm lớn tần số cộng hưởng Một vấn đề quan trọng cần quan tâm trình thiết kế biến là: hệ số khuếch đại điện áp thu phải phù hợp trạng thái kích thích trạng thái tĩnh đèn huỳnh quang Trong đó, tỉ số lại điều khiển cách thay đổi tỉ số diện tích điện cực vào/ra Để phân tích biến áp điện, cần phải sử dụng mạch tương đương Mason [3] Hình biểu diễn đại lượng đặc trưng mạch tương đương với trở tải RL Cd1 Cd2 tụ cản phần tử sơ cấp thứ cấp C, L R độ mềm tương đương, khối lượng tương đương trở kháng học tương đương phần sơ cấp N hệ số khuếch đại biến áp điện Hình Sơ đồ cấu trúc biến áp điện dạng đĩa phân cực dọc theo chiều dày Mạch tương đương Mason biến áp điện 16 UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.1, NO (.2011) 2.2 Chế tạo nghiên cứu tính chất vật lý vật liệu PZT – PMN – PSN 2.2.1 Chế tạo mẫu vật liệu Hệ vật liệu PZT - PMN - PSN tổng hợp phương pháp Columbite [1] Các bột oxit phối liệu gồm PbO, ZrO 2, TiO2, MnCO3, Sb2O3 Nb2O5 có độ tinh khiết đến 99% sử dụng để chế tạo mẫu Bột PZT – PMN – PSN tổng hợp xong ép thành mẫu dạng đĩa áp lực 150MPa Các mẫu nung thiêu kết nhiệt độ 1200 0C với có mặt bột phủ PbZrO để tạo mơi trường bão hịa PbO nhằm tránh bay PbO từ mẫu Bản gốm áp điện có đường kính 22mm chiều dày phủ điện cực Ag ủ nhiệt độ 550 0C 15 phút sau phân cực điện trường DC 40kV/cm 20 phút dầu silicon nhiệt độ 140 0C Các mẫu thiêu kết phân tích nhiễu xạ tia X (XRD, D8 ADVANCEBruker)) sử dụng xạ CuKα với bước đo 0.01 Các thông số áp điện gồm hệ số liên kết điện (kp), hệ số phẩm chất (Q m) hệ số áp điện (d 31) xác định từ phổ cộng hưởng đo máy phân tích trở kháng tự động (Agilent 4396B) Đường đặc trưng chuyển pha mô tả thay đổi số điện môi theo nhiệt độ đo thiết bị RLC Hioki 3532B kết nối máy tính tần số 1kHz 2.2.2 Cấu trúc vi cấu trúc vật liệu Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - M5 1500 1400 d=2.875 1300 1200 1100 1000 Lin (Cps) 900 800 700 600 500 d=1.664 d=1.653 d=1.831 d=2.058 d=2.020 200 d=3.152 d=4.028 300 d=2.340 d=4.116 400 100 15 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Luan M5.raw - Type: Locked Coupled - Start: 15.000 ° - End: 60.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 15.000 ° - Theta: 7.500 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 01-070-4264 (C) - Lead Zirconium Titanium Oxide - Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 - Y: 59.09 % - d x by: - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.03500 - b 4.03500 - c 4.13100 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Hình (a) Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) (b) giản đồ nhiễu xạ tia X hệ vật liệu PZT – PMN - PSN Ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy vật liệu có độ đồng độ sít chặt cao, biên hạt (hình 2a), cỡ hạt vào khoảng 2,67m Tỉ trọng mẫu đo theo phương pháp Ac-si-mét có giá trị 7,73g/cm3 đạt 98,7% tỉ trọng lý thuyết Giản đồ nhiễu xạ tia X chứng tỏ vật liệu chế tạo có cấu trúc perovskit, khơng có mặt pha lạ (hình 2b) 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC, XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 1, SỐ 1, (2011) 2.2.3 Tính chất áp điện vật liệu 10 Phỉcéng h- ởng dao động theo bá n kính + hµi 100 80 10 60 MZ07 40 20 10 10 Góc pha, (độ) Trở ng, Z() 10 -20 -40 10 -60 10 -80 -100 10 100 200 300 400 500 600 700 TÇn sè, f (kHz) Hình Phổ cộng hưởng áp điện theo bán kính hệ vật liệu PZT-PMN-PSN Từ phổ cộng hưởng áp điện trên, tính tốn thơng số vật liệu kết cho bảng Kết thông số vật liệu thu cho thấy hệ vật liệu phù hợp với việc chế tạo biến tử áp điện, ứng dụng chấn lưu điện tử đèn huỳnh quang Bảng Các thông số vật liệu chế tạo biến áp điện (g/cm ) Qm 7.73 2860 33T / tan 1kHz 1kHz 1320 0.002 kp k31 0.59 0.41 d31 (x10-12m/V) - 192 0.32 s11E (x10-12 m2/N) 13.22 2.3 Chế tạo biến áp điện 2.3.1 Cấu trúc biến áp điện Hình Mẫu biến áp điện Bảng trình bày thơng số kích thước năm mẫu biến áp điện nghiên cứu báo 18 UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.1, NO (.2011) Bảng Kích thước biến áp điện ký hiệu Tỉ số diện tích t(mm) vào/ra Mẫu x(mm) y(mm) SM1 11 5.67 1.9 SM2 13 3.89 1.9 SM3 15 10 2.60 1.9 SM4 17 11 1.61 1.9 SM5 17 12 1.35 1.9 2.3.2 Xác định điện áp, công suất hiệu suất biến áp điện Các bước thực nghiệm xác định điện áp đầu vào/ra, công suất đầu hiệu suất biến áp điện minh họa hình Hệ thống gồm nguồn phát tín hiệu AC khuếch đại cao tần để điều khiển công suất cung cấp cho biến Điện áp đầu vào/ra công suất đầu đo cách sử dụng hai dao động ký số Hình 5a biểu diễn phụ thuộc hiệu suất chuyển đổi áp điện mẫu biến áp điện vào trở tải Hiệu suất cực đại biến áp điện xấp xỉ 95% trở tải nằm khoảng từ 2.7k đến 6.3k Hiệu suất cực đại thu trở kháng biến áp điện với trở tải Nguồn phát dao động Đầu dị dịng Bộ khuếch đại cơng suất Dao động ký số 1000:1 Hình Sơ đồ hệ thống đo thông số mạch tương đương biến áp điện Hình 5b mơ tả thay đổi hệ số khuếch đại điện áp theo trở tải Từ hình vẽ nhận thấy rằng, hệ số khuếch đại điện áp mẫu biến áp điện SM3 ứng với trở tải khác lớn Giá trị hệ số đạt đến gần lần khoảng giá trị trở tải từ 100 đến 4k Hình 5c cho thấy cơng suất đầu biến áp điện hàm điện áp vào giá trị trở tải tối ưu Công suất đầu thông số quan trọng biến áp điện Theo định luật Ohm, trở tải không đổi, công suất đầu tỉ lệ với bình phương điện áp vào Từ hình vẽ, cơng suất đầu mẫu SM3, có tỉ số diện tích điện cực vào/ra 2.6, gia tăng nhanh theo điện áp vào so với mẫu biến áp điện cịn lại Cơng suất đầu thu biến áp điện 14W điện áp đầu vào đạt 35V 19 TẠP CHÍ KHOA HỌC, XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC 1.0 0.9 TẬP 1, SỐ 1, (2011) 16 Hiệu suất Tỉsố chuyển đổi điện p SM1 SM2 SM3 SM4 SM5 SM1 14 SM2 0.8 SM3 12 SM4 0.7 10 SM5 0.6 SM1 SM3 0.4 0.3 0.2 100 C«ng suÊt (W) SM2 0.5 4 SM4 SM5 a) 1000 10000 Trë t¶i (Ohm) 100000 b) 100 c) 1000 10000 Trë t¶i (Ohm) 100000 10 15 20 25 30 35 40 Đ iện p vào (V) Hỡnh Sự phụ thuộc hiệu suất (a), hệ số khuếch đại điện áp (b) vào trở tải thay đổi công suất (c) theo điện áp vào mẫu biến áp điện Trong ứng dụng chiếu sáng, thành công việc thử nghiệm chế tạo biến áp điện để điều khiển đèn huỳnh quang 14W Hình sơ đồ biểu diễn thí nghiệm chiếu sáng cho đèn huỳnh quang Với cấu trúc đơn giản, loại biến áp điện dễ dàng sản xuất với số lượng lớn mà tốn Hình Hệ thống thiết bị thực nghiệm kích hoạt biến áp điện để điều khiển đèn huỳnh quang 14W Kết luận Chúng nghiên cứu chế tạo thành công biến áp điện dạng đĩa từ hệ vật liệu áp điện PZT – PMN – PSN Biến áp điện phân cực theo phương, có đường kính 22mm, chiều dày 1.9mm có tỉ số diện tích 2.6 cho ứng dụng điều khiển đèn huỳnh quang thông thường Các thông số quan trọng hệ số khuếch đại điện áp, hiệu suất mẫu biến áp điện khảo sát kỹ lưỡng theo trở tải Hệ số khuếch đại điện áp lớn ứng với mẫu có tỉ số diện tích điện cực vào/ra 2.6, xấp xỉ 7.5, hiệu suất cực đại mẫu trở tải trở kháng biến khoảng 89% đến 95% Bên cạnh đó, phụ thuộc công suất đầu vào điện áp vào nghiên cứu Kết mẫu SM3, công suất gia tăng nhanh theo điện áp vào đạt công suất 14.3W điện áp vào 35V Loại biến áp điện với đặc tính hồn tồn phù hợp với ứng dụng chấn lưu đèn huỳnh quang 20 UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.1, NO (.2011) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K.Kanayama, N.Maruko, H.Saigoh Jpn J Appl Phys 37 (1998), pp 2891-2893 [2] H W Katz, “Solid State Magnetic and Dielectric Devices,” New York, NY: Willey, 1959, pp 35-197 [3] J L Du, J H Hu, K J Tseng, C S Kai, and G C Siong, IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 53 (2006), pp 572 - 579 STUDY OF THE PHYSICAL PROPERTIES OF THE PZT – PMN – PSN MATERIAL AND APPLICATION TO FABRICATE THE DISK-SHAPED PIEZOELECTRIC TRANSFORMER Nguyen Dinh Tung Luan, Doan Nam Huu Hue Industrial College ABSTRACT In this paper, we show the results of study of structure, microstructure, piezoelectric properties of the PZT – PMN – PSN ceramic and fabricate a disk-shaped piezoelectric transformer based on PZT – PMN - PSN ceramic The dependence of piezoelectric properties on the ratio of input and output area electrodes were investigated The transformer with diameter of 22 mm and thickness of 1.9 mm having the ratio of input and output area electrodes was 2.6 had maximum output power of 14W With the matching load, its maximum efficiency was 95%, and maximum voltage gains was 7.5 It has potential to be used in piezoelectric ballast and power supply units in other electronic circuits * TS.Nguyễn Đình Tùng Luận, ThS.Đồn Nam Hữu - Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế 21 ... (.2011) 2.2 Chế tạo nghiên cứu tính chất vật lý vật liệu PZT – PMN – PSN 2.2.1 Chế tạo mẫu vật liệu Hệ vật liệu PZT - PMN - PSN tổng hợp phương pháp Columbite [1] Các bột oxit phối liệu gồm PbO,... áp điện theo bán kính hệ vật liệu PZT-PMN-PSN Từ phổ cộng hưởng áp điện trên, tính tốn thơng số vật liệu kết cho bảng Kết thông số vật liệu thu cho thấy hệ vật liệu phù hợp với việc chế tạo biến. .. hiệu suất (a), hệ số khuếch đại điện áp (b) vào trở tải thay đổi công suất (c) theo điện áp vào mẫu biến áp điện Trong ứng dụng chiếu sáng, thành công việc thử nghiệm chế tạo biến áp điện để điều