Piezoelektričnost: definicija, delovanje in uporaba piezoelektričnih materialov

Piezoelektrični material ustvarja električni naboj oziroma napetost, ko se njegova oblika spremeni pod mehansko obremenitvijo — temu pravimo direktni piezoelektrični efekt. Obratno, ko materialu nanesemo električno polje, se deformira (conversni oziroma inverzni piezoefekt). Deformacije pri piezoelektričnih materialih so navadno zelo majhne (tipično v razponu od približno 10^−6 do 10^−3 glede na material in vrsto obremenitve), vendar so zaradi visoke odzivnosti koristne v številnih natančnih merilnih in aktuatorskih napravah. V nasprotju s trditvami, ki mešajo enote, piezoelementi proizvajajo napetost in kratek impulz toka; kapaciteta v mAh ni ustrezna merska enota za takojšnje izpuste napetosti piezoelementa. Dejanski električni izkoristek in moč, ki jo je mogoče iztisniti iz piezoelementa, sta odvisna od geometrije, vrste materiala in hitrosti/mehanike obremenitve — običajno gre za mikro- do miliwatte pri tipičnih aplikacijah za pridobivanje energije.

Kako deluje piezoelektričnost

Piezoelektričnost izhaja iz asimetrične porazdelitve električnih dipolov v kristalni rešetki. Ko je material mehansko deformiran (stiskanje, raztezanje ali upogib), se porazdelitev naboja spremeni in na površinah nastane električni potencial. Obratno, z zunanjim električnim poljem se spreminja porazdelitev dipolov in material se mehansko premakne. V praksi ločimo:

direktni efekt — pretvorba mehanske energije v električno (uporaba v senzorjih, mikrofonih, merilnikih tlaka);
inverzni efekt — pretvorba električne energije v mehansko premikanje (uporaba v aktuatorjih, ultrazvočnih pretvornikih).

Materiali in njihove lastnosti

Najpogostejši piezoelektrični materiali so:

kremen (SiO2) — stabilen in natančen, pogosto uporabljen v frekvenčnih resonatorjih in merilnikih; ima relativno majhen piezo koeficient;
keramični materiali (npr. PZT — svinčev cirkonat-titanat) — zelo močni piezoelektrični odzivi (d33 pogosto v razponu nekaj 100 pC/N), primerni za aktuatorje in senzorje;
polimeri (npr. PVDF) — fleksibilni, lahko se prilagajajo površinam in so uporabni za nosljive senzorje ter energijsko pobiranje ob nizki frekvenci;
oksidi (npr. ZnO, BaTiO3) — uporabljeni v posebnih aplikacijah in mikroelektromehanskih sistemih (MEMS).

Obdelava in poliranje (poling)

Za optimalne piezoelektrične lastnosti pogosto opravijo postopek, imenovan poling. Pri keramičnih piezo materialih ta postopek običajno vključuje segrevanje blizu Curiejeve temperature in hkratno izpostavitev močnemu električnemu polju med hlajenjem. Zunanji električni pol usmeri električne domene in zagotovi, da material pokaže makroskopski piezoelektrični odziv. Pomembno je poudariti:

kremen v naravni obliki praviloma ne zahteva polinga, saj ima stalno urejene domene;
poling je ključnega pomena pri keramikah (npr. PZT) in ga izvajajo pod nadzorovanimi pogoji — kombinacija temperature in visoke napetosti med hlajenjem utrdi usmeritev domen;
materiali lahko izgubljajo poliranje (depoling) pri visokih temperaturah ali dolgoročni mehanski utrujenosti, zato je treba upoštevati delovne pogoje.

Uporaba piezoelektričnih materialov

Piezoelektrični materiali se uporabljajo v zelo širokem naboru naprav zaradi njihove sposobnosti hitre pretvorbe med mehansko in električno obliko energije:

tipala tlaka in pospeška (v avtomobilski industriji, elektroniki in industrijskih senzorjih);
mikrofoni in zvočniki (na primer piezozvočniki za klikajoče zvoke in alarmne sisteme);
aktuatorji (piezo stack aktuatorji za natančne premike v mikrometrskem območju, uporabni v optičnih nastavitvah in ultrazvočni izhod);
ultrazvočni pretvorniki za medicinsko diagnostiko, sodobne čistilne naprave in merjenje razdalj;
tiskalniške šobe (inkjet), kjer piezoelektrični aktuatorji natančno brizgajo kapljice črnila;
frekvenčni kristali in resonatorji (kremen) za stabilno časovno bazo v urah, telefonih in radijskih oddajnikih;
pridobivanje energije (energy harvesting) — piezo plošče v tleh ali ob prometnih poteh lahko pretvorijo vibracije v majhne količine uporabne energije za napajanje senzorjev).

Zmogljivosti, meritev in omejitve

Za oceno piezoelektričnih lastnosti se pogosto uporabljajo naslednje velikosti:

dij (piezoelektrični koeficient, enota pC/N) — pove, koliko naboja nastane na enoto sile ali kako močno se material deformira na enoto električnega polja;
konstanta dielektrične prehodnosti in električna upornost — vplivata na sposobnost zadrževanja naboja in izgube energije;
mehanična trdnost in utrujenost — piezoelementi so lahko lomljivi in občutljivi na prekomerne natezne obremenitve ali udarce;
temperaturni razpon — pri visokih temperaturah lahko pride do depoling-a; pri temperaturah nad Curiejevo vrednostjo piezo lastnosti izginejo.

Praktični nasveti

Pri načrtovanju senzorjev ali aktuatorjev upoštevajte, da piezoelementi proizvedejo visoke napetosti pri majhnih pomikih in majhne tokove — pogosto je potreben prilagoditveni elektronika (npr. impedančni pretvorniki ali ojačevalci).
Za energijsko pobiranje so najbolj smiselne aplikacije z velikimi frekvencami in ponavljajočimi vibracijami; učinkovitost pri nizkih frekvencah je omejena.
Pri izdelavi in rokovanju bodite pozorni na zaščito elektrod, izogibajte se udarcem in previsokim temperaturam, ki lahko zmanjšajo zmogljivost oziroma trajnost.

Piezoelektričnost je vsestranska lastnost, ki omogoča natančno pretvorbo med mehansko in električno energijo v številnih industrijah — od potrošniške elektronike do medicinske diagnostike in industrijske avtomatizacije.