Piezoelektrické jevy Základy piezoelektrických jevů a jejich aplikace lik v moderních d í h ttechnologiích h l ií h
Piezoelektrické jevy - základ Bouřlivý B řli ý vývoj ý j ttechniky h ik v posledních l d í hd desetiletích til tí h přinesl ři l nové é požadavky – mj. i na přesnost, rychlost a reprodukovatelnost mechanických pohybů. Tyto požadavky způsobily, že do hry vstoupily různé fyzikální principy principy, které byly až doposavad považovány za marginální a v technice se využívaly jen výjimečně. Mezi tyto principy patří piezoelektrické jevy. Piezoelektrický jev je schopnost krystalů generovat elektrické napětí při jejich deformaci, popřípadě jev opačný, kdy se krystal v elektrickém poli deformuje. Může se vyskytovat pouze u krystalů, které nemají střed symetrie. symetrie Nejznámější piezoelektrickou látkou je monokrystalický křemen – jeho fáze. Piezoelektrické vlastnosti jeví řada dalších látek – jak přírodních krystalů, tak keramických látek připravených p p ý uměle.
Piezoelektrické jevy - základ Stručná historie : 1880 1881 do 1910 do 1917 od 1940
do 1965
objev přímého piezoelektrického jevu (bratři Curieové – Nobelova cena) objev nepřímého piezoelektrického jevu (LIPMANN) jev brán jako kuriozita (matemat. výzk. VOIGT tenzory) potřeby války - první aplikace (sonary) opět potřeby války - rozsáhlé aplikace (krystalové rezonátory, sonary), dále frekvenční filtry, mikrofony, akcelerometry, gramofonové přenosky …. vývoj piezoelektrické keramiky
Současnost - široké pole aplikací : lékařství, lékařství technická diagnostika diagnostika,
doprava, automobily, senzory, mikropohony, MEMS, …..
Piezoelektrické jevy - základ Fyzikální podstata jevu : Uvažujme krystal např. s iontovou vazbou a centrovanou mřížkou. V nedeformovaném krystalu (vlevo) jsou náboje rozmístěny symetricky, celkový náboj na povrchu je nulový. Deformace vnější silou způsobí posuny nosičů náboje, ale symetrie není narušena (vpravo), náboj na povrchu je opět nulový :
Piezoelektrické jevy - základ Existují ale krystaly s takovými typy mřížek mřížek, že deformací se ionty opačných nábojů posunou v krystalové mřížce tak, že elektrická těžiště záporných a kladných iontů, která v nezdeformovaném krystalu ( vpravo). p ) Na určitých ý souhlasí ((obr. vlevo)) se od sebe vzdálí (obr. plochách krystalu se tak objeví elektrický náboj a ten vyvolá vnitřní elektrické pole v krystalu :
Piezoelektrické jevy - základ Při obráceném piezoelektrickém jevu, při tzv. elektrostrikci, působí vnější elektrické pole posunutí iontů, což vede k deformaci krystalu. Tato varianta piezoelektrického jevu se samozřejmě také často využívá v technické praxi. S deformací krystalické mřížky působením vnější síly souvisí i změna elektrické konduktivity. Tento je označován jako piezorezistivní jev jev. Při vysokých teplotách dochází u jakéhokoliv materiálu ke ztrátě piezoelektrických p ý vlastností,, protože p jje narušeno uspořádání p iontů. K této změně dochází skokově, podobně jako při změně skupenství – jedná se o fázovou změnu provázenou dalšími jevy. Přechodová p jje charakteristická p pro daný ý materiál a nazývá ý se Curieova teplota teplota TC.
Piezoelektrické jevy - základ Piezoelektrické materiály Existuje několik typů piezoelektrických materiálů podle struktury. Další hlediska pro dělení jsou hodnota Curieovy teploty, vhodnost pro objemové nebo tenkovrstvové prvky apod apod. Podle struktury rozlišujeme :
- krystalické piezoelektrické látky (monokrystaly), - polykrystalické piezoelektrické látky (piezoelektrická keramika), - organické g p polymery y y (p (piezoelektrické p polymery). y y) Krystalické látky byly zejména zpočátku omezené na látky přírodní a až zvýšená poptávka vyvolala potřebu průmyslové výroby krystalů. Používané technologie jsou v podstatě stejné jako při výrobě krystalů pro lasery.
Piezoelektrické jevy - základ Příkladyy krystalických y ý materiálů:
oxid křemičitý SiO2 (křemen, modifikace α) lithium niobát LiNbO3 lithium tantalát LiTaO3 ((titaničitan lithia)) germanium bizmut Bi12GeO20 triglycin sulfát TGS
Zejména pro tenkovrstvové formy se užívají polovodičové materiály: oxid berylnatý BeO sirník kademnatý CdS galium arsenid GaAs galium fosfid GaP oxid zinečnatý ZnO sirník zinečnatý ZnS
Piezoelektrické jevy - základ Piezoelektrická keramika : titaničitan barnatý BaTiO3 zirkoničitan olovnatý PbZrO3 titaničitan olovnatý PbTiO3 PZT – olovozirkonát titanát
Vzhledem ke způsobu výroby (spékání pod tlakem apod.) se jedná o tuhé roztoky, tj. surové výrobky nemají žádnou uspořádanou strukturu Tu získají až po polarizaci silným elektrickým polem a strukturu. tím se stávají piezoelektrickými. Tyto materiály jsou relativně levné. Používají se zejména ve spotřebních výrobcích, např. v piezoelektrických zapalovačích plynu plynu.
Piezoelektrické jevy - základ Organické materiály: polyvinylchlorid
PVC
polyvinylfluorid
PVF
difluorpolyetylén p y y
PVF
Tyto organické polymery (piezoelektrické polymery nebo polární polymery) uvádíme jen pro celkový přehled. Užívají se méně často, především jjako tenké vrstvy. p y Vyrábějí y j se složitými ý technologiemi. g
Piezoelektrické jevy - základ Piezoelektrické materiály nejsou izotropní – vykazují rozdílné vlastnosti v závislosti na způsobu deformace:
Intenzita piezoelektrického jevu se popisuje součinitelem citlivosti kij tj. poměrem plošné hustoty náboje [C.m-2 ] a velikosti mechanického p [[N.m-2 ]]. Indexyy i,j ,j mají j význam ý p podle obrázku. napětí
Piezoelektrické jevy - základ Příklady y hlavních parametrů piezoelektrických ý materiálů materiál
r
TC [°C]
citlivost
K33 4,5
křemen
x10-12
K13
2,3
[N.C-1 ]
K55
4,6
TGS
49
30
LiTaO3
618
45
5,7
-3
26
BaTiO3
120
1000
374
-150 150
550
PbZrO3
160
340
374
-171
584
PbTiO3
470
200
51
-6
45
PVDF
205
12
30
-20
Piezoelektrické jevy - aplikace Piezoelektrické materiály se používají v řadě technických aplikací: • elektrotechnika a strojírenství : oscilátory • strojírenství a další obory : senzory • optika: jemné posuvy • akční členy = aktuátory, měřicí a regulační technika), • řádkovací („skenovací“) mikroskopie, AFM • automobilní t bil í a spotřební tř b í elektrotechnika: l kt t h ik zapalování zážehových spalovacích motorů, parkovací a nárazová čidla - airbagy,
• dětské hračky, zapalovače, domácí spotřebiče
Piezoelektrické jevy - aplikace Krystalové oscilátory Piezoelektrický krystalový rezonátor QCM (Quartz Crystal Microbalance) je pasivní elektronická součástka používaná v elektronických obvodech jako rezonátor rezonátor. QCM jsou kmitočtově velmi stabilní oscilátory (rel. změna rezonanční frekvence až 10-10 Hz.den-1 a teplotní stabilita 10-8 Hz.°C-1).
Piezoelektrické jevy - aplikace Na elektrody se přivádí střídavé napětí (nepřímý piezoelektrický děj způsobí mechanické kmity). Destička se rozkmitá vlastním módem kmitu – dáno geometrií, krystalovou orientací a materiálem destičky, geometrií elektrod, frekvencí přiloženého napětí. Hlavní druhy (módy) kmitů jsou ohybové (pásmo kmitočtů 1 až 50 kHz), podélné (50 až 180 kHz), plošně střižné (180 až 600 kHz), tloušťkově střižné (0,8 až 160 MHz). Hlavní oblasti uplatnění QMC : - Počítače: taktování procesorů. - Radioelektronika televize a telekomunikační technika (mobilní, satelitní): frekvenční filtry, zpožďovací linky. - Zdravotnictví a ochrana zdraví: lékařské diagnostické přístroje (ultrazvukové sondy, sonograf, tomograf). - Zdroje Zd j ultrazvuku, lt k d domácí á í spotřebiče, tř bič hračky. h čk - Senzory: senzory deformace, senzory naplnění nádoby (stav toneru, náplně v nápojových automatech), detekce plynů
Piezoelektrické jevy - aplikace Piezoelektrické krystalové rezonátory jako senzory • Fyzikální podstatou rezonančních senzorů je závislost vlastního l t íh rezonančního č íh kmitočtu k it čt senzoru na různých ů ý h fyzikálních veličinách. • Posun rezonančního kmitočtu Δf je tedy funkcí např např. tlaku, deformace, síly, teploty, vlhkosti, koncentrace chemické látkyy ve vzduchu aj. j • Výhodou rezonančních senzorů je přímé zpracování signálu a snadná realizace Si technologií monolitických integrovaných součástek
Piezoelektrické jevy - aplikace Piezoelektrický senzor tlaku
Piezoelektrické jevy - aplikace Princip senzoru plynů QMC • Krystalové rezonátory registrují změnu hmotnosti pomocí piezoelektrického výbrusu. • Stanovuje St j se množství ž t í plynné l é látky látk zachycené h é na vhodném h d é adsorbentu či absorbentu. Jde v podstatě o gravimetrické stanovení. • Většinou se jedná o rezonátor z α modifikace křemene SiO2 (vysoká pevnost, chemická odolnost, malá teplotní roztažnost). • Na povrch krystalového výbrusu je nanesena vrstva sorbentu. • Odpovídající změny frekvence Δf bývají typicky v řádech 101 až 102 Hz. Významnou vlastností piezoelektrického senzoru je rychlost odezvy, odezvy časová konstanta odezvy bývá T90: ~101 s - ~100 min.
Piezoelektrické motory Piezoelektrické motory Podstatou funkce piezoelektrických motorů je vyvolání deformace povrchové vrstvy statoru statoru, která se v rozmanitém konstrukčním provedení motoru převádí na rotační pohyb rotoru. Příkladem piezoelektrického motoru používaného v praxi je motorek určený pro fotoaparáty Canon, který má tyto parametry: n = 40 min-1 , M = 0,16 N·m, N m, P = 1 W, h = 30 %.
Piezoelektrické motory Existuje několik způsobů, způsobů jak vyvolat postupnou elastickou vlnu. Předpokládejme piezoelektrickou vrstvu, v které se střídají opačně polarizované úseky – obrázek. Přiložením napětí stejnosměrného j p mezi elektrodyy nastane objemová j deformace piezoelektrického elementu. Předpokládejme, že úseky, které jsou polarizovány v jednom smyslu, zvětší svoji tloušťku, zatímco úseky polarizované opačně se zeslabí. Spojíme-li pevně s piezoelektrickým prvkem elastickou vrstvu, nastane při přiložení stejnosměrného napětí ětí sinusové i é prohnutí h tí elastické l ti ké vrstvy. t Při přiložení střídavého napětí vznikne stojatá vlna. Spojením dvou takových vrstev dostaneme piezoelektrický měnič, měnič který je schopen generovat postupnou povrchovou elastickou vlnu.
Piezoelektrické motory
Piezoelektrické motory Příklad aplikace piezoelektrického motoru ve fotoaparátu OLYMPUS Digitální zrcadlovky Olympus vybavené vestavěným systémem stabilizace obrazu pracují na principu pohybu obrazového snímače. Gyroskopický senzor nejprve detekuje nechtěné pohyby fotoaparátu a SWD aktuátor (surface wave device) pohybuje obrazovým snímačem tak, aby tyto nechtěné pohyby vykompenzoval. SWD umožňuje dosahovat nejvyšší rychlosti a současně i nejpřesnějšího řízení polohy snímače.
Piezoelektrické motory 3. generace Common Rail od firmy Bosch používá vstřikovací trysky, jejichž ovladač se skládá z několika set tenkých piezoelektrických krystalů. Piezoelektrický ovladač spíná rychlostí větší než desetitisícina vteřiny. Pohyb soustavy piezoelektrických krystalů je přenášen ř áš u IInline-vstřikovací li třik í trysky t k bez b mechanických h i ký h prvků ků a bez b tření na rychle spínající vstřikovací jehlu. Výhodou je v porovnání s piezoelektrickými ovladači s magnetem a dosavadními konvenčními piezoelektrickými ovladači přesné dávkování vstřikovaného paliva a lepší rozprašování paliva ve spalovacím prostoru. Vstřikovací tryska dávkuje palivo velmi přesně - s nízkými tolerancemi vstřikovaného množství paliva na začátku vstřikování. vstřikování To vede k menšímu množství škodlivin při spalování. Jeden nebo dva předvstřiky například zabrání krátce po studeném startu vzniku p spalováním. p bílého a modrého kouře a také hluku způsobeném Dostřik bezprostředně po hlavním vstřiku, snižuje emise sazí.
Piezoelektrické motory Tento systém může snížit
emise uvnitř motoru oproti dosavadním systémům s magnetem až o 20 procent.
Piezoelektrické motory Mikroskop atomových sil Zcela nové možnosti přinesl do materiálových věd mikroskop, který mapuje povrch látky na základě meziatomových sil mezi atomy povrchu a hrotem mikroskopu mikroskopu. Hrot skenuje povrch vzorku a měří sílu na něj působící. Jak skenovací pohyb, tak přiblížení hrotu na potřebnou vzdálenost zajišťuje trubka z piezoelektrického materiálu. Na jjejím j vnitřním i vnějším j p povrchu jsou naneseny elektrody přivádějící napětí. Elektrické pole způsobuje požadované deformace krystalu řídící pohyb hrotu. Velikost síly se určuje z průhybu nosníku nesoucího hrot. Elektronickou cestou se vytváří 3D mapa povrchu. h JJe možné ž é zachytit h tit i jednotlivé atomy.
