Piesoelektrilisus — definitsioon, omadused ja rakendused

Piesoelektrilisus on nähtus, kus materiaal tekitab elektrilaengu või elektripotentsiaali, kui sellele rakendatakse mehaanilist pinget (survet, venitust või painutust). Vastupidiselt muutub ka materjal füüsiliselt — selle kristallvõre deformeerub — ja see deformatsioon põhjustab laengu ümberjaotuse, mis avaldub elektrilise pinge või vooluna. Samuti töötab nähtus vastupidiselt: elektrivälja rakendamisel muutub piesoelektriline materjal mehaaniliselt (see on nn konversioonefekt või converse piezoelectric effect), mida kasutatakse täppisaktuaatorites.

Kuidas piesoelektrilisus töötab

Otsene piesoefekt: mehaaniline koormus tekitab materjalis laengu ja pinge, mida saab mõõta või kasutada signaalina.
Kaudne (konverse) efefkt: elektrivälja mõju all muutub materjal mõõdetavalt kuju (väike nihke või vibratsiooni), mida kasutatakse liikumise ja positsioonikontrolli jaoks.

Peamised omadused ja piirangud

Võimsus ja pinge: piesoelemendid võivad tekitada suhteliselt kõrgeid pingeid (vahel ka kilovoltide tasemel impulssidena väikestes elementides), kuid väljundvool ja seega ka pidev võimsus on tavaliselt väga väike. See tähendab, et piesoelektrilised lõigud sobivad hästi signaalide ning lühiajaliste impulsside allikaks, aga ei ole otse sobivad suure võimsuse pidevaks toiteks ilma energiakogumisseadmeta (kondensaator, aku jm).
Ei ole „aku“: ühikud nagu mAh ei kirjuta sisuliselt piesoelemendi omadust — mAh mõõdab energiasisaldust aku puhul. Piesoelemendid annavad impulsside või vahelduvsignaali ajal energiat vastavalt mehaanilisele tööle, mis neile peale rakendatakse.
Tundlikkus ja mõõtühikud: piesoelektriline tundlikkus kirjeldatakse sageli koefitsientidega d_ij (näiteks d33), mille ühik on pC/N (pikokulon jõu kohta). Näiteks kvartsil on d-koordinaadid tavaliselt väga väikesed (vahemikus ~2 pC/N), samas tehnoloogilised keraamilised materjalid nagu PZT võivad saavutada sadu pC/N.
Temperatuur ja Curie-punkt: paljud keramilised piesomaterjalid depoleeruvad kõrgel temperatuuril (Curie-temperatuur), mistõttu nende omadused võivad kuumutamisel muutuda või kaduda.
Mõõtmispraktika: piesoelemendi väljund on kõrge impedantsiga: signaali lugemiseks ja mõõtmiseks kasutatakse tavaliselt laengu-/pingemuundureid või võimendi (charge amplifier), et vältida signaali kadumist.

Materjalid ja töötlemine

Levinumad piesoelektrilised materjalid on:

kvarts (looduslik kristall) — stabiilne ja täpne, aga suhteliselt madala tundlikkusega;
PZT (plii-tsentraadne titaanat) — väga levinud tehniliste rakenduste jaoks tänu kõrgele tundlikkusele;
polümeerid nagu PVDF — painduvad ja kergemad, sobivad rõhuanduriteks ja energia kogumiseks painduvatel pindadel.

Polarisatsioon (poling): tehnoloogilistes piesomaterjalides tehakse sageli kuumutamise ning samaaegse tugeva elektrivälja abil protsess, mida nimetatakse polarisatsiooniks või „poomia“ (poling). See joondab ferroelectric-domääne ühes suunas, suurendades piesoefekti tundlikkust. Vastupidiselt võib liigne kuumutamine pärast polingut viia depoleerumiseni ja omaduste halvenemiseni; seetõttu tuleb temperatuuri- ja elektritöötlust hoolikalt kontrollida.

Rakendused

Andurid: surve-, jõu-, kiirendus- ja vibratsiooniandurid;
Aktuaatorid ja täppisliigutus: optilised reguleerimissüsteemid, mikro- ja nanoliigutused;
Ultramüra- ja meditsiiniline pildistamine: ultraheli transducer'id diagnostikas ja tööstuses;
Süte- ja süütusseadmed: pliitide süütajad kasutavad kõrgepingelist impulssi gaasi süütamiseks;
Energia kogumine (energy harvesting): väikeste vibratsioonide või löökide muundamine elektriks akude või kondensaatorite laadimiseks väikestes IoT-seadmetes;
Heli- ja mikrofonilahendused: mängivad rolli näiteks tõelise kõrgekvaliteedilistes mikrofonides ja kõlarisüsteemides.

Tähelepanekud ja praktilised näited

Kui kedagi huvitab piesoelemendi nähtav „pingete“ tekitamine, on kasulik mõista, et suured pinged ei tähenda suurt energiat. Näiteks piezokivist süütaja võib tekitada tuhandete volti impulsi, kuid selle energia on väga väike — piisav gaasi süütamiseks, kuid mitte seadme pidevaks toiteks. Piesoelektrilised lahendused on seega ideaalsed signaalide genereerimiseks ja väikese võimsuse rakendusteks, kus nõutakse kõrget tundlikkust ja kiiret reaktsiooni.

Kokkuvõttes: piesoelektrilisus on kasulik ja laialt kasutatav efekt, mille peamised eelised on kõrge tundlikkus, kiire dünaamika ja võimalus nii signaali genereerimiseks kui ka pingete muundamiseks mehaaniliseks liikumiseks. Samas tuleb arvestada piirangutega, nagu madal pidev võimsus, temperatuuri- ja vananemisilmingud ning vajadus õige voolu- ja pingemuunduse järele.