Piezoelementi za elektrotehniko in elektroniko

Piezoelementi so električne komponente, ki temeljijo na načelu piezoelektričnosti. Sestavljeni so iz piezoelektričnega materiala, kot sta kremen ali keramika, ki lahko mehanske napetosti pretvarja v električne signale in obratno.

Delovanje piezoelementov temelji na piezo učinku. Ko na piezoelektrični material deluje mehanska sila, se ta rahlo deformira. Ta deformacija povzroči premik električnih nabojev v materialu, zaradi česar nastane električna napetost. Nasprotno pa lahko tudi uporabljena električna napetost povzroči deformacijo materiala.

Piezoelementi se običajno uporabljajo v senzorjih vibracij in tlaka, aktuatorjih in pretvornikih zvoka. V senzorjih vibracij in tlaka pretvarjajo mehanske vibracije ali pritisk v električne signale, ki jih je mogoče nadalje obdelati. Piezoelementi se uporabljajo v aktuatorjih za ustvarjanje gibov ali deformacij, na primer v tehnologiji mikropozicioniranja. Pri pretvornikih zvoka se piezoelementi uporabljajo za pretvorbo zvoka v električne signale in obratno.

Prednost piezoelementov je, da se hitro odzivajo, imajo visoko občutljivost in natančnost ter lahko delujejo v širokem frekvenčnem območju. Zato se uporabljajo v številnih različnih aplikacijah, kot so ultrazvočne naprave, mikrosistemska tehnologija, medicinska tehnologija in industrijska avtomatizacija.

Piezoelementi se uporabljajo na različnih področjih. Navajamo nekaj primerov:

1. ultrazvočna tehnologija: piezoelementi se pogosto uporabljajo v ultrazvočnih napravah, npr. v ultrazvočnih čistilih, ultrazvočnih razpršilnikih ali ultrazvočnih senzorjih.

2. medicinska tehnologija: v medicini se piezoelementi uporabljajo za različne aplikacije, npr. v ultrazvočnih slikovnih napravah, srčnih spodbujevalnikih, merilnikih krvnega tlaka ali medicinskih vsadkih.

3. industrijska merilna tehnologija: Piezoelementi se uporabljajo v merilni tehnologiji za izvajanje natančnih meritev sile, tlaka, pospeška ali deformacije.

4. avtomobilska industrija: Piezoelementi se uporabljajo v številnih aplikacijah v avtomobilski industriji, npr. v tehnologiji upravljanja motorja, zračnih blazinah, sistemih ABS ali v akustiki vozil za izolacijo hrupa.

5. mikroelektronika: V mikroelektroniki se piezoelementi uporabljajo za različne aplikacije, npr. v oscilacijskih kristalih za natančno merjenje časa ali v piezo transformatorjih za pretvorbo napetosti.

6. potrošniška elektronika: Piezoelementi se uporabljajo tudi v potrošniški elektroniki, npr. v zvočnikih, mikrofonih, vibracijskih motorjih ali v zaslonih na dotik za prepoznavanje vnosov.

7. visokozmogljivi aktuatorji: Piezoelementi se uporabljajo kot aktuatorji v robotiki in avtomatizacijski tehnologiji za izvajanje natančnih gibov ali pozicioniranje.

8. pridobivanje energije: Piezoelementi se uporabljajo tudi za pretvorbo mehanske energije v električno, npr. v generatorjih nihanja ali vibracij.

To je le izbor področij uporabe piezoelementov, saj jih je zaradi njihovih vsestranskih lastnosti in zmogljivosti mogoče uporabljati na številnih različnih področjih.

Piezoelementi imajo v primerjavi z drugimi tehnologijami senzorjev različne prednosti:

piezo elementi lahko zaznajo zelo majhne mehanske spremembe in jih pretvorijo v električne signale. Zaradi tega so zelo občutljivi in lahko prepoznajo najmanjše premike ali spremembe tlaka.

2. hiter odzivni čas: piezoelementi se lahko zelo hitro odzovejo na spremembe. Svojo električno izhodno napetost lahko spremenijo v mikrosekundah, zato so primerni za aplikacije s hitrimi gibi ali hitrimi reakcijami.

3. široko frekvenčno območje: Piezoelementi lahko delujejo v širokem frekvenčnem območju, od nekaj hercev do več megahercev. Zaradi tega so primerni za aplikacije na različnih področjih, kot so ultrazvok, merjenje vibracij ali akustika.

4. robustnost in dolga življenjska doba: Piezoelementi so na splošno robustni in lahko vzdržijo ekstremne pogoje, kot so visoke temperature, vibracije ali tlačne obremenitve. So tudi trpežni in imajo dolgo življenjsko dobo.

5. majhnost: Piezoelementi so običajno majhni in kompaktni, zato so primerni za aplikacije, kjer je prostor omejen. Zlahka jih je mogoče vgraditi v različne naprave ali sisteme.

6. majhna poraba energije: Piezoelementi porabijo malo energije v primerjavi z drugimi senzorskimi tehnologijami. Ne potrebujejo zunanjega napajanja in jih je mogoče upravljati neposredno prek njihovih električnih izhodnih signalov.

Zaradi teh prednosti se piezoelementi pogosto uporabljajo v številnih aplikacijah, kot so medicinska tehnologija, avtomobilska in letalska industrija, meroslovje in številna druga področja, kjer je potrebno natančno in hitro zaznavanje mehanskih sprememb.

Piezoelementi so izdelani iz piezoelektričnih materialov. Ti materiali imajo lastnost, da se mehansko deformirajo, ko se uporabi električna napetost, in obratno, da ustvarjajo električno napetost, ko se uporabi mehanska deformacija. Najbolj znani piezoelektrični materiali so kremen, svinčev cirkonat titanat (PZT) in polimeri, kot je poliviniliden fluorid (PVDF).

Piezoelektrični elementi se izdelujejo v več korakih. Najprej se piezoelektrični materiali oblikujejo v določeno obliko, na primer v diske, plošče ali valje. To se lahko izvede z oblikovanjem, stiskanjem ali rezanjem.

Piezoelektrični materiali se nato polarizirajo s posebnimi postopki. Med polarizacijo se uporabi električna napetost, ki vpliva na poravnavo električnih dipolov v materialu. Tako se v materialu ustvari trajna električna polarizacija.

Piezoelektrični materiali so nato opremljeni z elektrodami. Elektrodi se uporabljata za dovajanje električne napetosti na piezoelement ali za odjemanje ustvarjene električne napetosti. Elektrode so običajno izdelane iz prevodnih materialov, kot so kovine ali prevodni premazi.

Na koncu se piezoelementi namestijo v ohišja in po potrebi povežejo z drugimi sestavnimi deli, da se lahko uporabljajo v elektronskih ali mehanskih sistemih.

Natančna tehnika izdelave in uporabljeni materiali se lahko razlikujejo glede na uporabo in želene lastnosti piezoelementov.

Razvoj piezoelementov je v zadnjih letih močno napredoval in ponuja številne možnosti za prihodnost.

1. miniaturizacija: piezoelementi postajajo vse manjši in kompaktnejši, kar olajšuje njihovo vključevanje v številne aplikacije. Miniaturizirani piezoelementi omogočajo na primer razvoj vedno manjših in natančnejših medicinskih instrumentov ali elektronskih naprav.

2. Izboljšana zmogljivost: Z izboljšanjem materialov in proizvodnih tehnik sta se povečali zmogljivost in učinkovitost piezoelementov. Zdaj lahko ustvarjajo višje frekvence, večje sile in večje premike, kar širi področja njihove uporabe.

3. pridobivanje energije: Piezoelementi lahko pretvorijo gibanje v električno energijo. Ta lastnost se vse pogosteje uporablja za pridobivanje energije iz okoljskih gibanj, kot so vibracije ali oscilacije. V prihodnosti bi lahko piezoelementi igrali pomembno vlogo pri razvoju samonapajalnih, energetsko nevtralnih sistemov.

4. Pametni materiali: Vključitev piezoelektričnih materialov v pametne materiale odpira nove možnosti. Piezoelektrične senzorje je na primer mogoče vgraditi v materiale in tako spremljati njihovo mehansko obremenitev ali deformacijo. To omogoča razvoj inteligentnih struktur, ki se lahko prilagodijo ali odzovejo na zunanje vplive.

5. nanotehnologija: Napredek na področju nanotehnologije omogoča izdelavo piezoelementov na nanoskali. Nanopiezoelementi omogočajo izboljšano delovanje, visoko občutljivost in natančnejši nadzor. V prihodnosti bi se lahko uporabljali na področjih, kot so nanorobotika, biomedicina ali optične aplikacije.

Na splošno obstajajo številne vznemirljive možnosti za nadaljnji razvoj piezoelementov v prihodnosti. Zaradi njihovih vsestranskih lastnosti in področij uporabe so obetavna tehnologija, ki se lahko uporablja v številnih panogah.

Kapacitivnost pri delovanju piezoelementa se izračuna na podlagi C = ε₀ × εᵣ × A / d, pri čemer je εᵣ relativna permisivnost (PZT: 1700-3800), A je površina elektrode in d je debelina. Običajne vrednosti so med 100 pF in 10 nF, odvisno od geometrije in materiala.

Impedanca se s povečevanjem frekvence zmanjšuje na Z = 1/(2πfC), kar vpliva na vezje ojačevalnika naboja. Pri nizkih frekvencah 100 MΩ, zaradi česar so izgube naboja prek izolacijskih uporov kritične. Za statične meritve so zato potrebni ojačevalniki naboja z vhodno upornostjo ＞10¹³ Ω.

Histereza v napetosti piezoelementa je pri standardni keramiki PZT običajno 10-15 % največjega hoda in je posledica nelinearne reorientacije domen. Pri cikličnem krmiljenju od 0 do 1000 V odstopa odklon za 10-15 % od hoda navzgor med hodom navzdol, kar poslabša natančnost pozicioniranja.

Za aplikacije natančnega krmiljenja so potrebni nizkohisterezni materiali s histerezo 100 Hz se zmanjša na 5-8 %, pri

Piezoelement za ultrazvok se krmili z izmenično napetostjo pri njegovi resonančni frekvenci (20 kHz - 10 MHz). Tipične pogonske napetosti: 50-400 Vpp. Največjo zvočno moč pri mehanski resonanci ustvarijo impedančno usklajena gonilna vezja.

Materiali: PZT (svinčev cirkonat titanat) s faktorjem sklopitve k33 = 0,7-0,75, alternativno brez svinca PMN-PT. Način pretvornika debeline za višje frekvence (＞ 1 MHz), radialni pretvornik za nižje frekvence. Uporaba: čiščenje, varjenje, merjenje razdalj, medicinska diagnostika.

ROTIMA ni proizvajalec piezo elementov, temveč deluje kot tehnični distributer za elektrotehnične komponente. Pri specializiranih proizvajalcih lahko pridobi piezoelemente, preveri tehnične specifikacije in jih zagotovi za industrijske aplikacije. Inženirjem

koristijo nasveti o izbiri, integraciji in nadzoru piezo elementov v merilnih, krmilnih ali pogonskih sistemih. ROTIMA tako združuje strokovno znanje o proizvodnji s praktičnimi rešitvami, ne da bi sama proizvajala piezoelemente.

Feroelektriki v piezoelektričnih elementih imajo po proizvodnji naključno usmerjene dipolne domene, zaradi česar se piezoelektrični učinki medsebojno izničijo. Šele z električno polarizacijo pri visoki poljski jakosti (2-4 kV/mm) in povišani temperaturi se domene enakomerno poravnajo.

Po uspešni polarizaciji piezoelektrični element kaže definirane koeficiente d₃₃ (vzdolžni učinek) in koeficiente d₃₁ (prečni učinek). Smer polarizacije določa prednostno os za pretvorbo sile v napetost. Nad Curiejevo temperaturo (npr. 350 °C za PZT) se polarizacija izgubi - element postane neuporaben. Do depolarizacije pride tudi v primeru mehanske preobremenitve, udarnih obremenitev nad 100 MPa ali obračanja polja, zato se je treba strogo držati omejitev obratovanja.

Pri ustvarjanju toka v piezoelementih se uporablja piezoelektrični učinek: mehanska deformacija ustvarja napetost s premikom naboja v kristalni mreži PZT. Tipični pretvorniki zagotavljajo 10-100 µW iz vibracij(10-1000 Hz). Uporaba: Uporaba: zbiranje energije, generatorji vibracij, senzorji tlaka.

Za pridobivanje energije iz piezoelementov se uporabljajo aktuatorji v obliki kupa ali upogibni pretvorniki. ROTIMA distribuira komponente podjetij APC International in Audiowell. Uporaba v samozadostnih senzorskih sistemih, talnih elektrarnah. Učinkovitost: 20-40 % pri resonanci, izhodna napetost 5-50 V.

Pri nakupu piezoelementov so odločilni koeficient piezoelektričnega naboja d₃₃ (100-600 pC/N), resonančna frekvenca (1 kHz-10 MHz), kapacitivnost (100 pF-100 nF) in mehanska kakovost Q_m. Izbira je odvisna od uporabe: Pogoni zahtevajo visok koeficient d₃₃, senzorji visoko napetostno konstanto g₃₃₃₃, ultrazvočni pretvorniki pa določene resonančne frekvence.

Pri nakupu piezoelementov je treba navesti tip piezo keramike (PZT-4, PZT-5A, PZT-8), geometrijo (disk, obroč, sklad), delovno temperaturo (največ 0,5× Curiejeva temperatura) in napetost pristranskosti. Pomembni parametri: dielektrične izgube tan δ, faktor sklopitve k₃₃ (0,6-0,75) in največja poljska jakost (2-4 kV/mm). Stopnja staranja (manj kot 2 %/dekado) določa dolgoročno stabilnost v natančnih aplikacijah.

Napetost v piezoelektričnem kristalu nastane zaradi piezoelektričnega učinka, ki se pojavi, ko kristal doživi mehansko obremenitev ali pritisk. Ta deformacija povzroči premik nosilcev naboja v kristalu, kar ustvari napetost na površinah kristala. Ta napetost je neposredno sorazmerna z uporabljeno silo ali pritiskom. Piezo kristali se pogosto uporabljajo v aplikacijah, kot so senzorji, aktuatorji in naprave za merjenje tlaka. Zaradi sposobnosti pretvarjanja mehanske energije v električno napetost so zelo pomembni v medicinski tehnologiji, avtomatizacijski tehnologiji in merilni tehnologiji, saj omogočajo natančne meritve in nadzor.

Piezo tehnologija deluje s stabilno frekvenco, če so krmiljenje, geometrija keramike in mehanska obremenitev prilagojeni resonančnim pogojem. Pomembni so lastna frekvenca, faktor kakovosti, temperaturni odklon in električna impedanca.

Pri aktuatorjih ali ultrazvočnih pretvornikih na stabilnost vplivajo prednapetost, dušenje in signal gonilnika. Pravilna zasnova zmanjša izgube moči, segrevanje in frekvenčna odstopanja.