Materiały piezoelektryczne w elektronice

Materiały piezoelektryczne posiadają zdolność generowania napięcia pod wpływem siły mechanicznej. Zjawisko to jest również odwracalne, co oznacza, że pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego, materiał piezoelektryczny może ulegać odkształceniom. Dzięki tym właściwościom znajdują one zastosowanie w produkcji różnego rodzaju urządzeń, takich jak buzzery, które wykorzystywane są w alarmach czy zabawkach, a także w czujnikach, które są niezbędne w wielu systemach pomiarowych.

Znaczenie elementów piezoelektrycznych w dzisiejszych technologiach jest nie do przecenienia. Ich wszechstronność sprawia, że są one obecne w wielu aspektach codziennego życia oraz przemysłu, co czyni je jednym z kluczowych materiałów wykorzystywanych w nowoczesnych urządzeniach.

Czym są piezoelektryki?

Mówiąc o piezoelektrykach, mamy na myśli materiały, które generują napięcie elektryczne pod wpływem odkształcenia mechanicznego. Ciekawostką jest to, że proces ten jest odwracalny – po podaniu napięcia, materiał ulega odkształceniu. Wśród różnorodnych materiałów piezoelektrycznych tylko niektóre znalazły szerokie zastosowanie praktyczne. Są one wykorzystywane zarówno do tworzenia czujników, jak i elementów wykonawczych.

Choć w definicjach akademickich często wskazuje się na kryształy jako piezoelektryki, to zjawisko to nie ogranicza się wyłącznie do nich. Odkrycia zjawiska piezoelektrycznego dokonali bracia Curie w 1880 roku, badając kryształy cukru. Obecnie jednak znamy także inne rodzaje materiałów piezoelektrycznych, takie jak ceramika polikrystaliczna czy nawet niektóre tworzywa sztuczne i tkanki biologiczne, w tym kości.

W praktyce najczęściej wykorzystuje się ceramikę piezoelektryczną, która jest spiekana w wysokich temperaturach. Zawiera ona związki chemiczne o specyficznej strukturze krystalicznej, które są zdolne do wykazywania efektu piezoelektrycznego.

Jak wygląda element piezoelektryczny?

Materiały piezoelektryczne, będące dielektrykami, nie przewodzą prądu elektrycznego. Gdy dochodzi do ich odkształcenia mechanicznego, na ich przeciwległych powierzchniach pojawiają się ładunki o przeciwnych znakach. Aby móc wykorzystać te ładunki, konieczne jest pokrycie powierzchni materiału warstwą przewodzącą. 

Zjawisko piezoelektryczne działa również w odwrotny sposób, kiedy to materiał reaguje na zewnętrzne pole elektryczne. Aby wytworzyć takie pole, izolujący materiał piezoelektryczny umieszcza się między metalowymi okładkami, które pełnią funkcję przewodników. Podanie napięcia między okładki generuje równomierne pole elektryczne, podobnie jak w kondensatorze płaskim. W zależności od biegunowości przyłożonego napięcia materiał piezoelektryczny odkształca się w określonym kierunku. 

Element piezoelektryczny można porównać do kondensatora, jednak jego główną funkcją jest przetwarzanie energii mechanicznej na elektryczną i odwrotnie, a nie magazynowanie energii. Proces ten jest dwukierunkowy: odkształcenie generuje napięcie, a zewnętrzne napięcie powoduje odkształcenie materiału. Podstawowe zasady działania materiałów piezoelektrycznych są więc proste i klarowne.

Zasada działania piezoelektryków

W skład większości elementów piezoelektrycznych wchodzi ceramika, która charakteryzuje się twardością oraz kruchością. Te właściwości sprawiają, że podczas użytkowania istnieje ryzyko uszkodzenia, zarówno mechanicznego, jak i spowodowanego przegrzaniem podczas lutowania. Ponadto, ze względu na swoją naturę, ceramika pozwala na bardzo ograniczone odkształcenia mechaniczne, które zazwyczaj nie przekraczają ±0,01% zmiany rozmiaru.

Elementy piezoelektryczne są znane z ich rezonansowych właściwości, które są ściśle związane z ich rozmiarami. Optymalnie działają one przy częstotliwościach zbliżonych do swojej mechanicznej częstotliwości rezonansowej, która może wahać się od kilkuset herców do kilku megaherców. Często wykorzystuje się je w zakresie ultradźwięków, czyli powyżej 20 kHz.

W praktyce, elementy te można traktować jako kondensatory, które w niektórych aplikacjach są połączone z cewką w taki sposób, aby stworzyć elektryczny obwód rezonansowy LC. Taki obwód może być kluczem do generowania wysokich napięć, niezbędnych dla większych przetworników, które mogą wymagać nawet kilkuset woltów. Choć koncepcja wykorzystania rezonansu mechanicznego i elektrycznego jest stosunkowo prosta, to praktyczne zastosowanie rezonansu elektrycznego może już nie być takie oczywiste.

Interesującym aspektem zjawiska piezoelektrycznego jest jego odwracalność, co pozwala na wykorzystanie elementów piezoelektrycznych zarówno jako czujników, jak i elementów wykonawczych. W niektórych przypadkach, aby osiągnąć optymalne działanie, elementy te są dedykowane do pracy w jednym kierunku. Przykładem mogą być czujniki ultradźwiękowe, które często posiadają dwa przetworniki piezoelektryczne, zazwyczaj o częstotliwości rezonansowej 40 kHz. Zastosowanie takich czujników jest szeroko omówione w kursach poświęconych platformom Arduino i STM32L4.

Warto również pamiętać, że piezoelektryki znajdują zastosowanie w rezonatorach i filtrach kwarcowych, a także w filtrach ceramicznych, w tym tych wykorzystujących falę powierzchniową SAW. W przeszłości, w analogowych telewizorach stosowano piezoelektryczne linie opóźniające, a do niedawna w telewizorach i monitorach z podświetleniem CCFL wykorzystywano transformatory piezoelektryczne. Również niektóre akcelerometry, czyli mierniki przyspieszenia, bazują na elementach piezoelektrycznych.

Praktyczne zastosowania materiałów piezoelektrycznych

Wśród miłośników elektroniki często spotyka się membrany piezoelektryczne, które funkcjonują jako brzęczyki. Aby działały, wymagają zasilania sygnałem zmiennym. Mimo że istnieją piezoelektryczne głośniki wysokotonowe, to ze względu na ich rezonansowe właściwości i inne niedoskonałości, nie cieszą się one dużą popularnością. Z kolei buzzer, czyli prosty brzęczyk piezo, współpracuje z generatorem na jednym tranzystorze i jest zasilany napięciem stałym. Na obudowie takiego buzzera często znajduje się oznaczenie plusa, wskazujące miejsce podłączenia dodatniego bieguna zasilania.

Elementy piezoelektryczne znajdują zastosowanie również jako składniki wykonawcze w różnych urządzeniach. Przykładem mogą być wtryskiwacze w silnikach samochodowych, mikropompy stosowane w drukarkach atramentowych, mikrozawory czy mikrosiłowniki, które pozwalają na precyzyjne pozycjonowanie z bardzo małym skokiem. W zapalniczkach piezoelektrycznych elementy te generują wysokie napięcie, które umożliwia przeskoczenie iskry. Warto też wspomnieć o silnikach piezoelektrycznych, które znajdują zastosowanie w obiektywach aparatów fotograficznych, a także o wentylatorach bez mechanicznych części, działających dzięki piezoelektrykom.

W przeszłości piezoelektryki wykorzystywano we wkładkach gramofonowych oraz mikrofonach, jednak z uwagi na ich rezonansowe charakterystyki, obecnie są one rzadko spotykane. Współczesne mikrofony elektretowe, choć mają pewne podobieństwo do piezoelektryków, to jednak są to urządzenia pojemnościowe, a nie piezoelektryczne. Membrany piezo mogą służyć jako mikrofony, generując znaczne napięcie przy bardzo małym prądzie, a także jako czujniki wibracji. Specjalizowane piezoelektryczne czujniki wibracji są dostępne na rynku.

Elementy piezoelektryczne odgrywają również istotną rolę w urządzeniach medycznych, takich jak aparaty USG. Są one wykorzystywane do pomiaru sił i naprężeń, na przykład w nowoczesnych wagach elektronicznych. Ponadto, jako dwukierunkowe nadajniki i odbiorniki, znajdują zastosowanie w hydrofonach oraz czujnikach ultrasonograficznych. Zastosowania piezoelektryków są więc bardzo szerokie i obejmują wiele różnorodnych dziedzin.