Základy piezoelektrických jevů a jejich

Transkript

1 Piezoelektrické jevy Základy piezoelektrických jevů a jejich aplikace v moderních technologiích h

2 Piezoelektrické jevy - základ Bouřlivý vývoj techniky v posledních desetiletích tí přinesl nové požadavky mj. i na přesnost, rychlost a reprodukovatelnost mechanických pohybů. Tyto požadavky způsobily, že do hry vstoupily různé fyzikální 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. Nejznámější piezoelektrickou látkou je monokrystalický křemen jeho fáze. Piezoelektrické vlastnosti jeví řada dalších látek jak přírodních krystalů, tak keramických látek připravených p uměle.

3 Piezoelektrické jevy - základ Stručná historie : 1880 objev přímého piezoelektrického jevu (bratři Curieové Nobelova cena) 1881 objev nepřímého piezoelektrického jevu (LIPMANN) do 1910 jev brán jako kuriozita (matemat. výzk. VOIGT tenzory) do 1917 potřeby války - první aplikace (sonary) od 1940 do 1965 opět potřeby války - rozsáhlé aplikace (krystalové rezonátory, sonary), dále frekvenční filtry, mikrofony, akcelerometry, gramofonové přenosky. vývoj piezoelektrické keramiky Současnost - široké pole aplikací : lékařství, technická diagnostika, doprava, automobily, senzory, mikropohony, MEMS,..

4 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 :

5 Piezoelektrické jevy - základ Existují ale krystaly s takovými typy mřížek, že deformací se ionty opačných nábojů posunou v krystalové mřížce tak, že elektrická těžiště záporných a kladných iontů, která v nezdeformovaném krystalu souhlasí (obr. vlevo) se od sebe vzdálí (obr. vpravo). Na určitých plochách krystalu se tak objeví elektrický náboj a ten vyvolá vnitřní elektrické pole v krystalu :

6 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. Při vysokých teplotách dochází u jakéhokoliv materiálu ke ztrátě piezoelektrických vlastností, protože je narušeno uspořádání iontů. K této změně dochází skokově, podobně jako při změně skupenství jedná se o fázovou změnu provázenou dalšími jevy. Přechodová teplota je charakteristická pro daný materiál a nazývá se Curieova teplota T C.

7 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. Podle struktury rozlišujeme : - krystalické piezoelektrické látky (monokrystaly), - polykrystalické piezoelektrické látky (piezoelektrická keramika), - organické polymery y (piezoelektrické polymery). 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.

8 Piezoelektrické jevy - základ Příklady krystalických materiálů: oxid křemičitý SiO 2 (křemen, modifikace α) lithium niobát LiNbO 3 lithium tantalát LiTaO 3 (titaničitan lithia) germanium bizmut Bi 12 GeO 20 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

9 Piezoelektrické jevy - základ Piezoelektrická keramika : titaničitan barnatý BaTiO 3 zirkoničitan olovnatý PbZrO 3 titaničitan olovnatý PbTiO 3 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 tím se stávají piezoelektrickými. Tyto materiály jsou relativně levné. Používají se zejména ve spotřebních výrobcích, např. v piezoelektrických zapalovačích plynu.

10 Piezoelektrické jevy - základ Organické materiály: polyvinylchlorid PVC polyvinylfluorid PVF difluorpolyetylén y PVF Tyto organické polymery (piezoelektrické polymery nebo polární polymery) uvádíme jen pro celkový přehled. Užívají se méně často, především jako tenké vrstvy. Vyrábějí se složitými technologiemi.

11 Piezoelektrické jevy - základ Piezoelektrické materiály nejsou izotropní vykazují rozdílné vlastnosti v závislosti na způsobu deformace: Intenzita piezoelektrického jevu se popisuje součinitelem citlivosti k ij tj. poměrem plošné hustoty náboje [C.m -2 ] a velikosti mechanického napětí [N.m -2 ]. Indexy i,j mají význam podle obrázku.

12 Piezoelektrické jevy - základ Příklady hlavních parametrů piezoelektrických materiálů materiál T C [ C] r citlivost x10-12 [N.C -1 ] K 33 K 13 K 55 křemen 4,5 2,3 4,6 TGS LiTaO , BaTiO PbZrO PbTiO PVDF

13 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 a spotřební elektrotechnika: t zapalování zážehových spalovacích motorů, parkovací a nárazová čidla - airbagy, dětské hračky, zapalovače, domácí spotřebiče

14 Piezoelektrické jevy - aplikace Krystalové oscilátory Piezoelektrický krystalový rezonátor QCM (Quartz Crystal Microbalance) je pasivní elektronická součástka používaná v elektronických obvodech jako rezonátor. QCM jsou kmitočtově velmi stabilní oscilátory (rel. změna rezonanční frekvence až Hz.den -1 a teplotní stabilita 10-8 Hz. C -1 ).

15 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 ultrazvuku, domácí spotřebiče, hračky. - Senzory: senzory deformace, senzory naplnění nádoby (stav toneru, náplně v nápojových automatech), detekce plynů

16 Piezoelektrické jevy - aplikace Piezoelektrické krystalové rezonátory jako senzory Fyzikální podstatou rezonančních senzorů je závislost vlastního rezonančního č kmitočtu senzoru na různýchů ýh fyzikálních veličinách. Posun rezonančního kmitočtu Δf je tedy funkcí např. tlaku, deformace, síly, teploty, vlhkosti, koncentrace chemické látky ve vzduchu aj. Výhodou rezonančních senzorů je přímé zpracování signálu a snadná realizace Si technologií monolitických integrovaných součástek

17 Piezoelektrické jevy - aplikace Piezoelektrický senzor tlaku

18 Piezoelektrické jevy - aplikace Princip senzoru plynů QMC Krystalové rezonátory registrují změnu hmotnosti pomocí piezoelektrického výbrusu. Stanovuje se množství plynné látky zachycené na vhodném adsorbentu či absorbentu. Jde v podstatě o gravimetrické stanovení. Většinou se jedná o rezonátor z α modifikace křemene SiO 2 (vysoká pevnost, chemická odolnost, malá teplotní roztažnost). Na povrch krystalového výbrusu je nanesena vrstva sorbentu. Odpovídající změny frekvence Δf bývají typicky v řádech 10 1 až 10 2 Hz. Významnou vlastností piezoelektrického senzoru je rychlost odezvy, časová konstanta odezvy bývá T90: ~10 1 s - ~10 0 min.

19 Piezoelektrické motory Piezoelektrické motory Podstatou funkce piezoelektrických motorů je vyvolání deformace povrchové vrstvy 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, P = 1W,h= 30 %.

20 Piezoelektrické motory Existuje několik způsobů, jak vyvolat postupnou elastickou vlnu. Předpokládejme piezoelektrickou vrstvu, v které se střídají opačně polarizované úseky obrázek. Přiložením stejnosměrného napětí mezi elektrody nastane objemová 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 sinusové prohnutí elastické vrstvy. Při přiložení střídavého napětí vznikne stojatá vlna. Spojením dvou takových vrstev dosta- neme piezoelektrický měnič, který je schopen generovat postupnou povrchovou elastickou vlnu.

21 Piezoelektrické motory

22 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.

23 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 u Inline-vstřikovací trysky bez mechanických h prvků a bez 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. To vede k menšímu množství škodlivin při spalování. Jeden nebo dva předvstřiky například zabrání krátce po studeném startu vzniku bílého a modrého kouře a také hluku způsobeném spalováním. Dostřik bezprostředně po hlavním vstřiku, snižuje emise sazí.

24 Piezoelektrické motory Tento systém může snížit Tento systém může snížit emise uvnitř motoru oproti dosavadním systémům s magnetem až o 20 procent.

25 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. 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 jejím j vnitřním i vnějším 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. Je možné zachytit i jednotlivé atomy.