Piesoelemendid elektrotehnika ja elektroonika jaoks

Piesoelemendid on elektrikomponendid, mis põhinevad piesoelektrilisuse põhimõttel. Need koosnevad piesoelektrilisest materjalist, näiteks kvartsist või keraamikast, mis on võimeline muundama mehaanilisi pingeid elektrilisteks signaalideks ja vastupidi.

Piesoelementide toimimine põhineb piesoefektil. Kui piesoelektrilisele materjalile avaldatakse mehaanilist jõudu, siis see deformeerub veidi. See deformatsioon põhjustab materjalis olevate elektrilaengute nihkumise, mille tulemuseks on elektriline pinge. Teisalt võib ka rakendatud elektriline pinge põhjustada materjali deformatsiooni.

Piesoelemente kasutatakse tavaliselt vibratsiooni- ja rõhuandurites, aktuaatorites ja heliandurites. Vibratsiooni- ja rõhuandurites muundavad nad mehaanilised vibratsioonid või rõhu elektrilisteks signaalideks, mida saab seejärel edasi töödelda. Piesoelemente kasutatakse aktuaatorites liikumiste või deformatsioonide tekitamiseks, näiteks mikropositsioneerimistehnoloogias. Heliandurid kasutavad piesoelemente heli muundamiseks elektrilisteks signaalideks ja vastupidi.

Piesoelementide eeliseks on nende kiire reageerimine, suur tundlikkus ja täpsus ning võimalus töötada laias sagedusvahemikus. Seetõttu kasutatakse neid paljudes erinevates rakendustes, näiteks ultraheli seadmetes, mikrosüsteemide tehnoloogias, meditsiinitehnoloogias ja tööstusautomaatikas.

Piesoelemente kasutatakse erinevates rakendusvaldkondades. Siin on mõned näited:

1. ultrahelitehnoloogia: piesoelemente kasutatakse sageli ultraheli seadmetes, nt ultrahelipuhastites, ultraheli pihustites või ultraheliandurites.

2. meditsiinitehnika: meditsiinis kasutatakse piesoelemente erinevates rakendustes, nt ultraheli pildistamisseadmetes, südamestimulaatorites, vererõhu monitorides või meditsiinilistes implantaatides.

3. tööstuslik mõõtmistehnoloogia: piesoelemente kasutatakse mõõtmistehnoloogias jõu, rõhu, kiirenduse või tüve täpsete mõõtmiste teostamiseks.

4. autotööstus: piesoelemente kasutatakse autotööstuses mitmesugustes rakendustes, nt mootori juhtimise tehnoloogias, turvapatjades, ABS-süsteemides või sõiduki akustikas müraisolatsiooniks.

5. mikroelektroonika: Mikroelektroonikas kasutatakse piesoelemente mitmesugustes rakendustes, nt võnkekristallides täpseks ajamõõtmiseks või piesotrafodes pinge muundamiseks.

6. tarbeelektroonika: Piesoelemente kasutatakse ka tarbeelektroonikas, nt kõlarites, mikrofonides, vibratsioonimootorites või puuteekraanides sisendi tuvastamiseks.

7. suure jõudlusega aktuaatorid: piesoelemente kasutatakse aktuaatoritena robootikas ja automatiseerimistehnoloogias täpsete liigutuste või positsioneerimise teostamiseks.

8. energiatootmine: Piesoelemente kasutatakse ka mehaanilise energia muundamiseks elektrienergiaks, nt võnke- või vibratsioonigeneraatorites.

See on vaid valik piesoelementide rakendusvaldkondadest, sest tänu oma mitmekülgsetele omadustele ja võimalustele saab neid kasutada paljudes erinevates valdkondades.

Piesoelementidel on teiste anduritehnoloogiate ees mitmeid eeliseid:

1. suur tundlikkus: piesoelemendid suudavad tuvastada väga väikeseid mehaanilisi muutusi ja teisendada need elektrilisteks signaalideks. See muudab need väga tundlikuks ja võimaldab tuvastada väikseimaidki liigutusi või rõhumuutusi.

2. kiire reageerimisaeg: piesoelemendid suudavad muutustele väga kiiresti reageerida. Nad suudavad muuta oma elektrilist väljundpinget mikrosekundite jooksul, mistõttu sobivad nad kiirete liigutuste või kiirete reaktsioonidega rakenduste jaoks.

3. lai sagedusvahemik: piesoelemendid võivad töötada laias sagedusvahemikus, alates mõnest hertsist kuni mitme megahertsini. See muudab need sobivaks rakendusteks erinevates valdkondades, näiteks ultraheli, vibratsiooni mõõtmine või akustika.

4. vastupidavus ja pikaealisus: piesoelemendid on üldiselt vastupidavad ja taluvad äärmuslikke tingimusi, näiteks kõrgeid temperatuure, vibratsiooni või rõhukoormust. Samuti on nad vastupidavad ja pika elueaga.

5. väike suurus: Piesoelemendid on tavaliselt väikesed ja kompaktsed, mistõttu sobivad nad rakendustesse, kus ruumi on vähe. Neid saab hõlpsasti integreerida erinevatesse seadmetesse või süsteemidesse.

6. väike energiatarbimine: Piesoelemendid tarbivad võrreldes teiste anduritehnoloogiatega vähe energiat. Nad ei vaja välist toiteallikat ja neid saab juhtida otse nende elektriliste väljundsignaalide kaudu.

Nende eeliste tõttu kasutatakse piesoelemente laialdaselt paljudes rakendustes, näiteks meditsiinitehnoloogias, autotööstuses, lennunduses, metroloogias ja paljudes muudes valdkondades, kus on vaja mehaaniliste muutuste täpset ja kiiret tuvastamist.

Piesoelemendid on valmistatud piesoelektrilistest materjalidest. Nendel materjalidel on omadus tekitada mehaanilist deformatsiooni, kui neile rakendatakse elektrilist pinget, ja vastupidi, tekitada elektrilist pinget, kui neile rakendatakse mehaanilist deformatsiooni. Tuntuimad piesoelektrilised materjalid on kvarts, plii tsirkonaattitanaat (PZT) ja polümeerid, näiteks polüvinülideenfluoriid (PVDF).

Piesoelektrilisi elemente valmistatakse mitmes etapis. Kõigepealt vormitakse piesoelektrilised materjalid konkreetsesse vormi, näiteks kettadeks, plaatideks või silindriteks. Seda võib teha vormimise, pressimise või lõikamise teel.

Seejärel polariseeritakse piesoelektrilised materjalid spetsiaalsete protsesside abil. Polarisatsiooni ajal rakendatakse elektrilist pinget, et mõjutada materjali elektriliste dipoolide joondumist. See tekitab materjalis püsiva elektrilise polarisatsiooni.

Seejärel paigaldatakse piesoelektrilistele materjalidele elektroodid. Elektroode kasutatakse piesoelemendile elektripinge rakendamiseks või tekitatud elektripinge äravõtmiseks. Elektroodid on tavaliselt valmistatud elektrit juhtivast materjalist, näiteks metallist või juhtivast kattekihist.

Lõpuks paigaldatakse piesoelemendid korpusesse ja ühendatakse vajaduse korral teiste komponentidega, et neid saaks kasutada elektroonilistes või mehaanilistes süsteemides.

Täpne valmistustehnika ja kasutatavad materjalid võivad erineda sõltuvalt rakendusest ja piesoelementide soovitud omadustest.

Piesoelementide areng on viimastel aastatel märkimisväärselt edenenud ja pakub tulevikuks palju erinevaid võimalusi.

1. miniatuursus: piesoelemendid on muutunud üha väiksemaks ja kompaktsemaks, mis hõlbustab nende integreerimist mitmesugustesse rakendustesse. Miniatuursed piesoelemendid võimaldavad näiteks üha väiksemate ja täpsemate meditsiiniliste instrumentide või elektroonikaseadmete väljatöötamist.

2. Parem jõudlus: Piesoelementide jõudlus ja tõhusus on paranenud tänu materjalide ja valmistamismeetodite täiustamisele. Nad suudavad nüüd genereerida suuremaid sagedusi, suuremaid jõude ja suuremaid nihkeid, mis laiendab nende kasutusalasid.

3. energiatootmine: Piesoelemendid suudavad liikumist muundada elektrienergiaks. Seda omadust kasutatakse üha enam selleks, et toota energiat keskkonna liikumistest, näiteks vibratsioonidest või võnkumistest. Tulevikus võivad piesoelemendid mängida olulist rolli isevoolavate, energiaga neutraalsete süsteemide arendamisel.

4. nutikad materjalid: piesoelektriliste materjalide integreerimine nutikatesse materjalidesse avab uusi võimalusi. Näiteks saab materjalidesse integreerida piesoelektrilisi andureid, et jälgida nende mehaanilist pinget või deformatsiooni. See võimaldab arendada arukaid struktuure, mis suudavad kohaneda või reageerida välistele mõjudele.

5. Nanotehnoloogia: nanotehnoloogia edusammud võimaldavad toota piesoelektrilisi elemente nanoskaalal. Nanopiezoelemendid pakuvad paremat jõudlust, suurt tundlikkust ja täpsemat kontrolli. Tulevikus võiks neid kasutada sellistes valdkondades nagu nanorobootika, biomeditsiin või optilised rakendused.

Üldiselt on piesoelementide edasiseks arenguks tulevikus palju põnevaid võimalusi. Nende mitmekülgsed omadused ja rakendusvaldkonnad muudavad need paljulubavaks tehnoloogiaks, mida saab kasutada paljudes tööstusharudes.