Piezoelektrické prvky pre elektrotechniku a elektroniku

Piezoelektrické prvky sú elektrické súčiastky založené na princípe piezoelektricity. Pozostávajú z piezoelektrického materiálu, ako je kremeň alebo keramika, ktorý je schopný premieňať mechanické napätie na elektrické signály a naopak.

Fungovanie piezoelektrických prvkov je založené na piezoelektrickom efekte. Keď na piezoelektrický materiál pôsobí mechanická sila, mierne sa deformuje. Táto deformácia vedie k posunu elektrických nábojov v materiáli, čo má za následok vznik elektrického napätia. Naopak, aplikované elektrické napätie môže tiež viesť k deformácii materiálu.

Piezoelektrické prvky sa zvyčajne používajú v snímačoch vibrácií a tlaku, aktuátoroch a snímačoch zvuku. V snímačoch vibrácií a tlaku premieňajú mechanické vibrácie alebo tlak na elektrické signály, ktoré sa potom môžu ďalej spracovať. Piezoelektrické prvky sa používajú v aktuátoroch na generovanie pohybov alebo deformácií, napríklad v technológii mikropolohovania. V snímačoch zvuku sa piezoelektrické prvky používajú na premenu zvuku na elektrické signály a naopak.

Piezoelektrické prvky majú tú výhodu, že reagujú rýchlo, majú vysokú citlivosť a presnosť a môžu pracovať v širokom frekvenčnom rozsahu. Používajú sa preto v mnohých rôznych aplikáciách, ako sú ultrazvukové zariadenia, mikrosystémová technika, zdravotnícka technika a priemyselná automatizácia.

Piezoelektrické prvky sa používajú v rôznych oblastiach. Tu je niekoľko príkladov:

1. ultrazvuková technológia: piezoelektrické prvky sa často používajú v ultrazvukových zariadeniach, napr. v ultrazvukových čističoch, ultrazvukových rozprašovačoch alebo ultrazvukových senzoroch.

2. lekárska technika: V medicíne sa piezoelementy používajú na rôzne účely, napr. v ultrazvukových zobrazovacích zariadeniach, kardiostimulátoroch, tlakomeroch alebo lekárskych implantátoch.

3. priemyselná meracia technika: Piezoelementy sa používajú v meracej technike na vykonávanie presných meraní sily, tlaku, zrýchlenia alebo deformácie.

4. automobilový priemysel: Piezoelementy sa používajú v širokom spektre aplikácií v automobilovom priemysle, napr. v technológii riadenia motora, airbagoch, systémoch ABS alebo v akustike vozidiel na izoláciu hluku.

5. mikroelektronika: V mikroelektronike sa piezoelektrické prvky používajú na rôzne aplikácie, napr. v oscilačných kryštáloch na presné meranie času alebo v piezoelektrických transformátoroch na konverziu napätia.

6. spotrebná elektronika: Piezoelementy sa používajú aj v spotrebnej elektronike, napr. v reproduktoroch, mikrofónoch, vibračných motoroch alebo v dotykových obrazovkách na rozpoznávanie vstupov.

7. vysoko výkonné aktuátory: Piezoelementy sa používajú ako aktuátory v robotike a automatizačnej technike na vykonávanie presných pohybov alebo polohovanie.

8. výroba energie: Piezoelektrické prvky sa používajú aj na premenu mechanickej energie na elektrickú, napr. v generátoroch kmitov alebo vibrácií.

Toto je len výber oblastí použitia piezoelektrických prvkov, pretože vďaka ich všestranným vlastnostiam a schopnostiam ich možno použiť v mnohých rôznych oblastiach.

Piezoelektrické prvky majú v porovnaní s inými technológiami snímačov rôzne výhody:

Vysoká citlivosť: piezoelektrické prvky dokážu detekovať veľmi malé mechanické zmeny a premeniť ich na elektrické signály. Vďaka tomu sú veľmi citlivé a dokážu rozpoznať aj tie najmenšie pohyby alebo zmeny tlaku.

2. rýchla odozva: piezoelektrické prvky dokážu veľmi rýchlo reagovať na zmeny. Svoje elektrické výstupné napätie dokážu zmeniť v priebehu mikrosekúnd, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie s rýchlymi pohybmi alebo rýchlymi reakciami.

3. široký frekvenčný rozsah: Piezoelektrické prvky môžu pracovať v širokom frekvenčnom rozsahu od niekoľkých hertzov až po niekoľko megahertzov. Vďaka tomu sú vhodné na aplikácie v rôznych oblastiach, ako je ultrazvuk, meranie vibrácií alebo akustika.

4. robustnosť a dlhá životnosť: Piezoelektrické prvky sú vo všeobecnosti robustné a odolávajú extrémnym podmienkam, ako sú vysoké teploty, vibrácie alebo tlakové zaťaženie. Sú tiež odolné a majú dlhú životnosť.

5. malé rozmery: Piezoelektrické prvky sú zvyčajne malé a kompaktné, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie, kde je obmedzený priestor. Možno ich ľahko integrovať do rôznych zariadení alebo systémov.

6. nízka spotreba energie: Piezoelektrické prvky spotrebúvajú málo energie v porovnaní s inými technológiami snímačov. Nevyžadujú externé napájanie a môžu byť ovládané priamo prostredníctvom svojich elektrických výstupných signálov.

Vďaka týmto výhodám sa piezoelektrické prvky široko využívajú v mnohých aplikáciách, napríklad v medicínskej technike, automobilovom a leteckom priemysle, metrológii a mnohých ďalších oblastiach, kde sa vyžaduje presná a rýchla detekcia mechanických zmien.

Piezoelektrické prvky sú vyrobené z piezoelektrických materiálov. Tieto materiály majú vlastnosť podliehať mechanickej deformácii, keď sa na ne aplikuje elektrické napätie, a naopak, generovať elektrické napätie, keď sa na ne aplikuje mechanická deformácia. Najznámejšie piezoelektrické materiály sú kremeň, titaničitan zirkónnatý olova (PZT) a polyméry, ako napríklad polyvinylidénfluorid (PVDF).

Piezoelektrické prvky sa vyrábajú v niekoľkých krokoch. Najprv sa piezoelektrické materiály formujú do špecifického tvaru, napríklad do diskov, dosiek alebo valcov. Môže sa to vykonať lisovaním, lisovaním alebo rezaním.

Piezoelektrické materiály sa potom polarizujú pomocou špeciálnych procesov. Počas polarizácie sa aplikuje elektrické napätie, ktoré ovplyvňuje usporiadanie elektrických dipólov v materiáli. Tým sa v materiáli vytvorí trvalá elektrická polarizácia.

Piezoelektrické materiály sa potom vybavia elektródami. Elektródy sa používajú na privedenie elektrického napätia na piezoelektrický prvok alebo na odbočenie vytvoreného elektrického napätia. Elektródy sú zvyčajne vyrobené z vodivých materiálov, ako sú kovy alebo vodivé povlaky.

Nakoniec sa piezoelektrické prvky inštalujú do puzdier a v prípade potreby sa pripájajú k iným komponentom, aby sa mohli používať v elektronických alebo mechanických systémoch.

Presná výrobná technika a použité materiály sa môžu líšiť v závislosti od aplikácie a požadovaných vlastností piezoelektrických prvkov.

Vývoj piezoelektrických prvkov v posledných rokoch výrazne pokročil a ponúka široké možnosti do budúcnosti.

1. Miniaturizácia: Piezoelektrické prvky sú čoraz menšie a kompaktnejšie, čo uľahčuje ich integráciu do širokého spektra aplikácií. Miniaturizované piezoelektrické prvky umožňujú napríklad vývoj stále menších a presnejších lekárskych prístrojov alebo elektronických zariadení.

2. Zlepšený výkon: Výkon a účinnosť piezoelektrických prvkov sa zvýšili zlepšením materiálov a výrobných techník. Teraz môžu generovať vyššie frekvencie, väčšie sily a väčšie posuny, čo rozširuje oblasti ich použitia.

3. výroba energie: Piezoelektrické prvky môžu premieňať pohyby na elektrickú energiu. Táto vlastnosť sa čoraz viac využíva na generovanie energie z pohybov prostredia, ako sú vibrácie alebo oscilácie. V budúcnosti by piezoelektrické prvky mohli zohrávať dôležitú úlohu pri vývoji energeticky neutrálnych systémov s vlastným pohonom.

4. Inteligentné materiály: Integrácia piezoelektrických materiálov do inteligentných materiálov otvára nové možnosti. Napríklad piezoelektrické senzory môžu byť zabudované do materiálov na monitorovanie ich mechanického napätia alebo deformácie. To umožňuje vývoj inteligentných štruktúr, ktoré sa dokážu prispôsobiť alebo reagovať na vonkajšie vplyvy.

5. Nanotechnológie: Pokrok v nanotechnológiách umožňuje výrobu piezoelektrických prvkov v nanorozmeroch. Nanopiezoelementy ponúkajú lepší výkon, vysokú citlivosť a presnejšie ovládanie. V budúcnosti by sa mohli využívať v oblastiach, ako je nanorobotika, biomedicína alebo optické aplikácie.

Celkovo existuje mnoho zaujímavých možností ďalšieho vývoja piezoelektrických prvkov v budúcnosti. Ich všestranné vlastnosti a oblasti použitia z nich robia sľubnú technológiu, ktorá sa dá využiť v mnohých priemyselných odvetviach.