Piezoelektrična keramikaso funkcionalni materiali, ki lahko pretvarjajo mehansko energijo v električno energijo in obratno. Zaradi te edinstvene lastnosti se pogosto uporabljajo v senzorjih, aktuatorjih in sistemih za natančno krmiljenje.
O piezoelektričnem učinku
Osnovno načelo piezoelektrične keramike je piezoelektrični učinek, ki deluje na dva načina:
1. Neposredni piezoelektrični učinek(Mehanski → Električni)
Ob pritisku, sili ali vibracijah se notranja kristalna struktura deformira in ustvari električni naboj (napetost).
Tipične aplikacije:
Senzorji
Mikrofoni
Vžigalne naprave za plinske vžigalnike
2. Inverzni piezoelektrični učinek(Elektrika → Mehanika)
Ob uporabi napetosti se material nekoliko razširi ali skrči, kar povzroči natančno mehansko gibanje.
Tipične aplikacije:
Natančni aktuatorji
Ultrazvočni pretvorniki
Inkjet tiskalne glave
Pogost material: PZT (svinčev cirkonat titanat)
Najbolj razširjena piezoelektrična keramika je PZT (svinčev cirkonat titanat).
Ostaja industrijski standard zaradi:
Visok piezoelektrični koeficient
Dobra toplotna stabilnost (visoka Curiejeva temperatura)
Zanesljivo in dosledno delovanje
Prilagodljivo oblikovanje in obdelava
Stroškovna-učinkovitost
Ključne uporabe piezoelektrične keramike
Piezoelektrična keramika se uporablja v številnih panogah, zlasti tam, kjer so kritične natančnost, hitrost in kompaktna velikost:
Sistemi vžiga
V plinskih vžigalnikih mehanski udarci takoj ustvarijo visoko napetost, ki ustvari iskro za vžig goriva.
Brenčala in zvočniki
Piezoelektrične plošče vibrirajo pod izmenično napetostjo, da proizvajajo zvok. Pogost v alarmih, časovnikih in avtomobilskih sistemih.
Ultrazvočne naprave
Uporablja se v:
Medicinsko ultrazvočno slikanje
Ultrazvočni čistilci
Vlažilci zraka
Ustvarjajo in sprejemajo visoko{0}}zvočne valove z visoko učinkovitostjo.
Natančno gibanje in pozicioniranje
Pogosto se uporablja v:
Sistemi samodejnega ostrenja kamere pametnega telefona
Mikro/nano stopnje pozicioniranja
Glave za brizgalne tiskalnike
Prednosti in omejitve
Prednosti
>Izjemno hiter odziv (mikrosekunde)
>Visoka natančnost pozicioniranja (nanometrska-raven)
>Kompaktna velikost
>Odporen na elektromagnetne motnje
Omejitve
>Krhka in nagnjena k pokanju
>Učinkovitost se lahko poslabša-pod dolgotrajno visoko enosmerno napetostjo
>Omejen premik (običajno mikrometrska-raven, ki pogosto zahteva mehanizme za ojačanje)
Zaključek
Piezoelektrična keramika deluje kot neposredna povezava med mehanskim gibanjem in električnimi signali.
Zaradi svoje hitrosti, natančnosti in zanesljivosti so postali bistveni sestavni deli sodobne elektronike, sistemov zaznavanja in ultrazvočnih tehnologij ter še naprej igrajo ključno vlogo v napredni proizvodnji in visoko-tehnoloških aplikacijah.
