wersja mobilna
Online: 419 Czwartek, 2016.12.08

Technika

Elementy piezoelektryczne a piezorezystywne

środa, 12 grudnia 2012 14:24

Efekt piezoelektryczny wykazują niektóre substancje, zwłaszcza kryształy, zmieniające swój stan pod wpływem ciśnienia, drgań czy naprężeń mechanicznych. Element piezoelektryczny pod naciskiem generuje ładunek, objawiający się powstawaniem lub zmianą napięcia elektrycznego. Efekt piezoelektryczny jest liniowy, czyli wielkość powstającego ładunku jest proporcjonalna do wielkości wywieranej na materiał siły.

Rys. 1. Piezoelektryczne głośniki wysokotonowe są tańszą alternatywą zwykłego głośnika magnetoelektrycznego

Jest to efekt odwracalny (rys. 1), gdyż przyłożone napięcie wywołuje w materiale reakcję mechaniczną. Dzięki swoim własnościom elementy piezoelektryczne są wykorzystywane do generacji dźwięków, napięcia, częstotliwości, jako czujniki i w wielu innych jeszcze zastosowaniach.

Efekt piezorezystywny i piezoelektryczny

Za przykład wykorzystania efektu piezoelektrycznego mogą posłużyć wysokotonowe głośniki piezoelektryczne, tańsze od tradycyjnych magnetoelektrycznych. Ich membrana jest wprawiana w drgania napięciem zmiennym, przyłożonym do pełniącego funkcję przetwornika kryształu piezoelektrycznego.

Głośniki tego rodzaju (rys. 2) są używane do emitowania wysokich tonów, o częstotliwościach 4 kHz i wyższych. Dzięki temu tanie systemy głośnikowe nie wymagają stosowania wieloelementowych zwrotnic, rozdzielających pasma akustyczne. Z kolei zjawisko piezorezystywności jest również związane z wywieraniem siły mechanicznej, która w tym przypadku wywołuje zmiany rezystancji elektrycznej piezoelektrycznego półprzewodnika.

Rys. 2. Kryształ piezoelektryczny generuje napięcie pod wpływem nacisku lub drgań. Przyłożenie napięcia do elementu piezoceramicznego wywołuje różne dźwięki lub impulsy, dzięki odwrotnemu efektowi piezoelektrycznemu

Rys. 3. Rezystancja różnego rodzaju piezorezystorów wzrasta pod wpływem nacisku

Piezorezystory (rys. 3) są zwykle wykorzystywane w formie scalonych układów rezystorowych, potencjometrów i akcelerometrów. Najczęściej są używane do pomiarów ciśnienia. Efekty piezoelektryczny i piezorezystywny przeważnie znajdują zastosowanie do detekcji oraz pomiarów naprężeń i sił.

Przetworniki piezo

Przetworniki są urządzeniami konwertującymi energię jednej postaci w drugą. Jak już wspomniano, przetworniki piezoelektryczne działają w dwie strony. Przetwarzają ciśnienie i drgania w sygnały elektryczne, ale także odwrotnie, sygnały elektryczne w nacisk, dźwięk lub drgania. Przetworniki piezorezystywne przetwarzają siłę mechaniczną w proporcjonalne zmiany rezystancji, ale nie są zdolne do konwersji odwrotnej.

Oba rodzaje przetworników są produkowane w szerokim wyborze kształtów i umieszczane w rozmaitych obudowach. Najczęściej chyba spotykane są przetworniki tarczowe (rys. 4). Są to ultracienkie metalowe krążki o podobnej konstrukcji, ale o rozmaitych średnicach. Kryształ piezoelektryczny jest umieszczany na pośrodku dysku, który wraz z zewnętrznym metalowym pierścieniem stanowi podstawę przetwornika.

Rys. 4. Większość przetworników piezoelektrycznych ma kształt cienkiego krążka metalowego. Materiał lub kryształ piezoelektryczny mieści się na środku metalowej podstawy

Rys. 5. Z powodu użycia materiału półprzewodnikowego jako piezorezystora przetwornik piezorezystorowy jest nieco większy od piezoelektrycznego

Przyłącze składa się z dwóch przewodów, z których jeden jest połączony z masą. Takie rozwiązanie jest stosowane chętnie, ponieważ cienki krążek zajmuje mało miejsca, może być umieszczany pomiędzy dwoma płaskimi powierzchniami czy przyklejany do jednej z nich.

Przetworniki piezorezystywne są zwykle nieco większe ze względu na ich półprzewodnikowy materiał (rys. 5). Ale w zależności od aplikacji są umieszczane w obudowach różnych rozmiarów. Są stosowane głównie w urządzeniach do pomiaru ciśnienia.

Czujniki piezo

Czujniki wykorzystujące efekt piezoelektryczny są używane do detekcji lub pomiarów, a często równocześnie i do detekcji, i do pomiarów wielkości fizycznych - odległości, ciśnienia, ruchu, temperatury. Funkcje te działają na zasadzie konwersji, jak na przykład w termoparze, temperatury na napięcie. W elementach piezoelektrycznych, które zresztą w ogromnej większości są używane jako czujniki, dokonuje się konwersji nacisku mechanicznego na napięcie.

Pasmo częstotliwości działania tych czujników jest szerokie, a liniowość konwersji jest zachowana w obszernym zakresie. Czujniki są wykonywane w bardzo różnych wymiarach (rys. 6). Czujniki piezorezystywne są nieco bardziej złożone w budowie i wykonywane z różnych materiałów, w postaci metalowych rezystorów cienkowarstwowych, monokryształów krzemu i innych, zależnie od zastosowania i ram cenowych.

Rys. 6. Dzięki bardzo małej giętkości cienkie czujniki piezoelektryczne, o różnych rozmiarach i kształtach, są wytrzymałe i odporne na duże częstotliwości

Rys. 7. Czujniki piezorezystancyjne, oferowane w szerokim wyborze obudów, wykazują czułość wyższą niż 10mV/V

Technika pomiarów ciśnienia opiera się obecnie głównie na czujnikach piezorezystancyjnych. Zastosowanie w nich monokryształów krzemu rozpowszechniło się dopiero niedawno (rys. 7). Ich czułość uległa znacznemu wzrostowi i przekracza 10 mV/V, liniowość przy stałej temperaturze jest stabilna, a zależność sygnału wyjściowego od ciśnienia nie wykazuje histerezy.

Głównymi wadami tych czujników jest znaczna nieliniowość zależności sygnału od temperatury, do 1%/K, początkowy offset do 100% lub więcej pełnej skali i dryf offsetu z temperaturą.

Podsumowanie

Komponenty piezoelektryczne doskonale nadają się do wielu aplikacji pomiarowych, zabezpieczających czy testujących, w wielu bardzo różnych dziedzinach, w medycynie, muzyce (głowice gitar akustycznych, sensybilizatory klawiatur gitar elektrycznych), wojsku czy w motoryzacji.

Komponenty piezoelektryczne przetwarzają energię mechaniczną na elektryczną i odwrotnie, a piezorezystywne energię mechaniczną na rezystancję, ale nie na odwrót. Komponenty piezorezystywne są nieco bardziej skomplikowane, a zatem droższe. Oba rodzaje mają nieskończenie wiele zastosowań.

KKP