Piezoprvky pro elektrické a elektronické inženýrství

Piezoelektrické komponenty jsou elektronické součásti založené na piezoelektrických principech. Jsou složeny z piezoelektrických materiálů, jako je křemen nebo keramika, které převádějí mechanické napětí na elektrické signály a naopak.

Funkce piezoelektrického prvku je založena na piezoelektrickém efektu. Když je mechanická síla aplikována na piezoelektrický materiál, mírně se deformuje. Tato deformace vede k posunutí náboje v materiálu, což vede k napětí. Naopak, aplikované napětí může také způsobit deformaci materiálu.

Piezoelektrické komponenty se běžně používají pro vibrační a tlakové senzory, pohony a zvukové senzory. V vibračních a tlakových senzorech převádějí mechanické vibrace nebo tlak na elektrické signály, které pak mohou být dále zpracovány. Piezoelektrické prvky se používají v pohonu pro vytváření pohybu nebo deformace, například v mikropolohovacích technikách. Zvukový senzor používá piezoelektrický prvek pro konverzi zvuku na elektrický signál a naopak.

Výhodou piezoelektrických komponent je rychlá odezva, vysoká citlivost a přesnost a může pracovat v širokém frekvenčním rozsahu. Proto se používají v mnoha různých aplikacích, jako jsou ultrazvukové zařízení, mikrosystémová technologie, lékařská technologie a průmyslová automatizace.

Piezoelektrické komponenty se používají v různých aplikacích. Zde jsou některé příklady:

1.Ultrazvuková technologie: Piezoelektrické komponenty se často používají v ultrazvukových zařízeních, jako jsou ultrazvukové čističe, ultrazvukové atomizéry nebo ultrazvukové senzory.

2. Lékařská technika: V medicíně se používají piezoelektrické komponenty pro různé aplikace, jako jsou ultrazvukové zobrazovací zařízení, kardiostimulátory, monitory krevního tlaku nebo lékařské implantáty.

3.Průmyslová měřicí technika: Piezoelektrické komponenty se používají pro měření technik pro přesné měření síly, tlaku, zrychlení nebo deformace.

4. Automobilový průmysl: Piezoelektrické komponenty jsou široce používány v automobilovém průmyslu, jako jsou technologie řízení motoru, airbagy, systémy ABS nebo akustika vozidel pro snížení hluku.

5. Mikroelektronika: V mikroelektronice se používají piezoelektrické komponenty pro různé aplikace, jako jsou oscilační křemenné krystaly pro přesné měření času nebo piezoelektrické transformátory pro konverzi napětí.

6. Consumer Electronics: Piezoelectric elements are also used in consumer electronics, such as speakers, microfons, vibration motors or touchscreen screen screen

7. Vysoce výkonný pohon: Piezoelektrické prvky se používají jako pohony v robotech a automatizačních technikách pro přesné pohyby nebo polohování.

8. Výroba energie: Piezoelektrické prvky se také používají k přeměně mechanické energie na elektrickou energii, např. v oscilačních nebo vibračních generátorech.

Jedná se pouze o volbu v oblasti aplikací piezoelektrických komponent, protože mohou být použity v mnoha různých oblastech, protože mají mnoho vlastností a schopností.

Piezoelektrické komponenty poskytují řadu výhod oproti jiným senzorovým technologiím:

1. Vysoká citlivost: Piezoelektrické komponenty detekují velmi malé mechanické změny a převádějí je na elektrické signály. To je velmi citlivé a umožňuje detekovat nejmenší změny v pohybu nebo stresu.

2. Rychlá odezva: Piezoelektrické prvky reagují velmi rychle na změny. Mohou měnit své elektrické výstupní napětí za mikrosekundy, aby byly vhodné pro aplikace s rychlým pohybem nebo rychlou odezvou.

3.Široký frekvenční rozsah: Piezoelektrické prvky mohou pracovat v širokém kmitočtovém rozsahu od několika Hz do několika megahertzů. To umožňuje jejich použití v různých oblastech, jako jsou ultrazvuk, měření vibrací nebo akustika.

4. Pevnost a trvanlivost: Piezoelektrické prvky jsou obvykle robustní a mohou odolat extrémním podmínkám, jako jsou vysoké teploty, vibrace nebo tlakové zatížení. Jsou také velmi odolné a mají dlouhou životnost.

5. Malé rozměry: Piezoelektrické prvky jsou obvykle malé a kompaktní, což je činí vhodnými pro aplikace s omezeným prostorem. Mohou být snadno integrovány do různých zařízení nebo systémů.

6.Nízká spotřeba energie: Piezoelektrické komponenty spotřebovávají méně energie než jiné senzorové technologie. Nevyžadují externí napájení a mohou pracovat přímo prostřednictvím svých elektrických výstupních signálů.

Díky těmto výhodám jsou piezoelektrické komponenty široce využívány v mnoha oblastech, jako je lékařství, automobilový průmysl, letectví, metrologie a mnoho dalších oblastí, které vyžadují přesnou a rychlou detekci mechanických změn.

Piezoelektrické prvky jsou vyrobeny z piezoelektrických materiálů. Při použití napětí mají tyto materiály charakteristiky, které procházejí mechanickou deformací, a naopak při aplikaci mechanické deformace vzniká napětí. Nejznámějšími piezoelektrickými materiály jsou křemen, titanát zirkoničitý (PZT) a polymery, jako je polyvinylidenfluorid (PVDF).

Piezoelektrické součásti jsou vyráběny v několika krocích. Nejprve se piezoelektrický materiál vytváří ve specifickém tvaru, jako je disk, deska nebo válec. Toho lze dosáhnout odléváním, lisováním nebo řezáním.

Piezoelektrické materiály jsou pak polarizovány pomocí speciálních procesů. Během polarizace se aplikuje napětí, které ovlivňuje uspořádání elektrických dipólů v materiálu. Tím dochází k trvalé elektrodizaci materiálu.

Piezoelektrický materiál pak spolupracuje s elektrodou. Elektroda se používá k aplikaci napětí nebo napětí generovaného kohoutkem na piezoelektrický prvek. Elektroda je obvykle vyrobena z vodivého materiálu, jako je kov nebo vodivý povlak.

Konečně jsou piezoelektrické prvky namontovány v pouzdře a v případě potřeby připojeny k jiným komponentům, aby mohly být použity v elektronických nebo mechanických systémech.

Přesné výrobní techniky a použité materiály se mohou lišit v závislosti na použití a požadovaných charakteristikách piezoelektrických komponent.

V posledních letech se vývoj piezoelektrických komponent značně rozvinul a nabízí širokou škálu možností pro budoucnost.

1. Miniaturizace: Piezoelektrické komponenty se stávají menší a kompaktnější, což jim usnadňuje integraci do široké škály aplikací. Například miniaturizované piezoelektrické komponenty umožňují vývoj menších a přesnějších lékařských přístrojů nebo elektronických zařízení.

2.Zlepšení výkonu: Zlepšení v materiálech a výrobních technologiích zlepšuje výkon a účinnost piezoelektrických komponent. Nyní mohou vytvářet vyšší frekvence, větší síly a větší posunutí, což rozšiřuje jejich rozsah použití.

3. Výroba energie: Piezoelektrické prvky mohou přeměnit pohyb na elektrickou energii. Tato vlastnost se stále častěji používá k vytváření energie z pohybu životního prostředí, jako jsou vibrace nebo oscilace. V budoucnu mohou piezoelektrické komponenty hrát důležitou roli při vývoji samonapájených energeticky neutrálních systémů.

4. Inteligentní materiál: Integrace piezoelektrických materiálů s inteligentními materiály otevírá nové možnosti. Například piezoelektrický senzor může být vložen do materiálu pro sledování jeho mechanického namáhání nebo deformace. To umožňuje vývoj inteligentních struktur, které se mohou přizpůsobit vnějším vlivům nebo reagovat na vnější vlivy.

5.Nanotechnologie: Pokrok v nanotechnologiích umožňuje vyrábět piezoelektrické komponenty v nanometrických měřítcích. Komponenty Nanopiezo poskytují lepší výkon, vysokou citlivost a přesnější kontrolu. V budoucnu je lze použít v oblastech, jako jsou nanoboty, biomedicínské nebo optické aplikace.

Obecně platí, že existuje mnoho vzrušujících možností dalšího vývoje piezoelektrických komponent v budoucnu. Jejich všestrannost a aplikační pole z nich činí slibnou technologii, která může být použita v mnoha průmyslových odvětvích.