View
486
Download
9
Category
Preview:
Citation preview
SVEUČILIŠTE U RIJECI
TEHNIČKI FAKULTET
ZAVOD ZA KONSTRUIRANJE U STROJARSTVU
ELEKTRONIČKE KOMPONENTE MEHATRONIČKIH SUSTAVA
Seminarski rad
PIEZOELEKTRIČNI SENZORI
Žana Fumić
Rijeka, siječanj 2013. 0069043679
1
SADRŽAJ
1. UVOD .............................................................................................................. 2
2. PRINCIP RADA ............................................................................................... 3
3. KARAKTERISTIKE, PREDNOSTI I NEDOSTACI .......................................... 5
4. MATERIJALI KOD PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA .................................... 6
5. PODRUČJA PRIMJENE ................................................................................. 7
5.1. PIEZOELEKTRIČNI SENZORI UBRZANJA ........................................................ 8
5.2. PIEZOELEKTRIČNI SENZOR PRITISKA ........................................................... 9
LITERATURA ...................................................................................................... 12
POPIS SLIKA ....................................................................................................... 13
2
1. UVOD
Piezoelektrični efekt (grč. piezo - gurati) je pojava stvaranja električnog naboja
na površini posebno odrezanog kristala (čvrsti dielektrik - izolator) koji je elastično
deformiran vanjskom silom. Jedna strana (površina) tog kristala nabit će se
negativno, a druga pozitivno. Dakle, kristal postaje električki polariziran. Polarizacija
kristala je najveća kada je naprezanje usmjereno u pravcu piezoelektrične osi
kristala. Promjenom smjera deformacije (tlak - vlak) dolazi do polarizacije obrnutog
smjera. Piezoelektrični efekt otkrili su 1890. godine Jacques i Pierre Curie. Koristi
se u senzorima tlaka. Najznačajniji piezoelektrični materijali su kvarc (SiO2),
Seignettova sol, turmalin, topaz, kost, svila, drvo te umjetni materijali poput raznih
vrsta keramike, plastike i kristala, a u novije vrijeme PZT keramike. Iako je dugo
nakon otkrića bio samo zanimljiv laboratorijski efekt, s vremenom je pronašao
primjenu u brojnim uređajima. Prisutan je i obrnuti efekt: mehanička deformacija
materijala kada je na njega primijenjen električni napon. Elektromehanički
pretvornici pretvaraju električnu energiju u mehaničku i obrnuto. Koriste se pasivno
i aktivno. Pasivno kao senzori, kad samo primaju signale. Tu se izravno
piezoelektrična svojstva koriste da bi se proizveo napon iz vanjskog naprezanja.
Ovaj način uključuje hidrofone, podvodne prislušne naprave, mikrofone, fonograme,
mjerne trake dinamičkog naprezanja, kvarcni oscilator, senzore vibracija i dr. U
aktivnom modu se koriste za slanje akustičkih signala u medij. To uključuje kontrolu
bez razaranja, pronalazače ribe/dubine, tintne pisače, mikropozicijske naprave,
mikropumpe, ultrazvuk u medicini. Prva praktična primjena piezoelektričnog efekta
bila je u sonarima tokom Prvog svjetskog rata. Vjerojatno najrasprostranjenija
primjena je u džepnim upaljačima. Kada se upaljač pritisne, okidač sa oprugom
udara u komad piezolektričnog kristala i uslijed njegove deformacije stvara se
električni potencijal koji izaziva iskru i pali plin. [1]
3
2. PRINCIP RADA
Za opažanje piezoelektričnog efekta nužno je da se piezoelektrični materijal
ponaša kao dielektrik, tj. izolator. Iako se u takvom dielektriku u odsustvu vanjskog
električnog polja ne opaža nikakav ukupan dipolni moment, tj. ne pojavljuje se
nikakvo vanjsko električno polje, u prisustvu električnog polja opaža se neki ukupan
dipolni moment. U prisustvu električnog polja u dielektriku se induciraju dipoli
(orijentirani suprotno smjeru silnica električnog polja). Svi pojedinačni inducirani
dipolni momenti u dielektriku su usmjereni u istom smjeru, pa se može promatrati
ukupan vektor polarizacije dielektrika, koji ima dimenziju (C/m2), tj. gustoće naboja.
Može se pokazati da su električno polje i potencijal unutar i izvan takvog dielektrika
jednaki onima koji bi bili izazvani postojanjem samo površinskog naboja na
dielektriku. Takav površinski naboj naziva se "vezani naboj". Inducirani dipoli u
dielektriku manifestiraju se kao površinski naboj. [1]
Budući da je kristal nepolaran, dipolni momenti su orijentirani simetrično na takav
način da ukupan dipolni moment svake grupe iona iščezava. No, ako taj kristal
stlačimo, očito je da će u ukupnom zbroju dipolnih momenata preostati jedan dio
vertikalne komponente. Dakle, svaka grupa od tri iona posjeduje neki dipolni
moment, kao u slučaju kada je električno polje djelovalo na nepolarni dielektrik.
Stoga analogno sa primjerom dielektrika u električnom polju očekujemo pojavu
površinskog naboja na kristalu. Ako se na gornju i donju stranu takvog kristala spoje
elektrode i u njihov krug uključi osjetljivi ampermetar, moći ćemo detektirati protok
naboja kroz krug. Iako grub i pojednostavljen, ovakav model dobro opisuje događaje
u piezoelektriku, u slučaju kada se na njega djeluje mehaničkom silom. Važno je
primijetiti da, kada se jednom naboj odvede sa površine dielektrika, unutar kristala
nastaje nova ravnoteža, tj. ukupni dipolni momenti grupe iona ponovno iščeznu.
Dakle, stalan tlak na piezoelektrik neće proizvoditi stalnu struju. [1]
Obrnuti efekt, mehanička deformacija kristala ako se na njegove površine
dovede naboj, objašnjava se na isti način. Tada električno polje inducira dodatni
dipolni moment suprotno smjeru silnica električnog polja. Budući da sustav iona teži
ravnoteži, tj. poništavanju ukupnog dipolnog momenta (ako je kristal dovoljno
elastičan), dolazi do širenja ili stezanja elementarnih ćelija kristala, što konačno
rezultira mehaničkom deformacijom, čiji rad je obavljen na račun energije
4
električnog polja koje potječe od dovedenih naboja. Strukturu kristala održavaju
elastične ionske i međumolekularne sile, a to su Coulombove sile koje opadaju sa
kvadratom udaljenosti. Stoga se može pretpostaviti da kod piezoelektričnog efekta
ne vrijedi Hookeov zakon, tj. da su jednadžbe koje opisuju deformaciju
piezoelektrika primjenom sile nelinearne. Ipak, mjerenja su pokazala da su za malu
promjenu u volumenu jednadžbe linearne, što je posljedica superpozicije
Coulombovih međudjelovanja u kristalnoj rešetci. [1]
Za komercijalno dostupne kristale se uz silu od 10 N može dobiti maksimalno 7
nC naboja. Poznajući električni kapacitet piezo uređaja, koji se mijenja unutar
velikog raspona redova veličine (od mikro do nano farada), može se izračunati
napon stvoren na kontaktima. Okvirno govoreći, komercijalni piezoaktuatori uz
dovedeni napon od nekoliko stotina volti mogu se deformirati maksimalno za
stotinjak mikrometara. Naravno, moguće je proizvesti i mnogo preciznije aktuatore,
koji se deformiraju za svega nekoliko nanometara - takvi aktuatori se koriste pri
elektronskoj mikroskopiji. Uz poseban dizajn, mogući su i aktuatori sa mnogo većom
deformacijom za posebne potrebe. Na slici 1. je prikazan primjer piezoelektričnog
efekta. [1]
Slika 1. Primjer piezoelektričnog efekta [2]
5
3. KARAKTERISTIKE, PREDNOSTI I NEDOSTACI
Glavna karakteristika piezoelektričnih senzora je da njihova osjetljivost ne ovisi
o mjernom rasponu. Ova činjenica osigurava osnovu za precizna i pouzdana
mjerenja u širokom mjernom rasponu. Izuzetno velika mogućnost zaštite od
preopterećenja je sigurnost bez gubitka točnosti što je važno kada se mjere male
sile za vrijeme kontrole proizvodnje kontrolnih elemenata. [2]
Prednosti piezoelektričnih senzora su:
a) pomak (linearni) ∝ naponu
b) visoke razlučivosti (sub nm, izmjereno čak 0,01 nm) →granica: buka u izvoru
napajanja
c) ponovljivosti od oko 1 nm
d) visoka opteretivost (tone)
e) veliki dinamički raspon primjene
f) bez mehaničke zračnosti i habanja
g) mogu se koristiti u vakuumu
Nedostaci piezoelektričnih senzora su:
a) raspon pomaka je ograničen (μm);
b) keramički materijal → krhak (lomovi; izbjegavati opterećenje na vlak, na
savijanje, torziju ili tangencijalno)
c) 1 ... 12% snage kod dinamičkih aplikacija se gubi u toplini
d) svojstva degradiraju vremenom
e) visoka osjetljivost na promjene temperature (kod Curieve temperature su
permanentno depolarizirani → neupotrebljivi)
f) cijena
6
4. MATERIJALI KOD PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA
Pojedinačni kristali
Pojedinačni kristali kao piezoelektrični materijali prevladavaju u određenim
primjenama, kao u npr. oscilatorima stabiliziranom frekvencijom kod radara i satova,
akustičnim filterima u televizorima, korelatorima analognih signala i dr. Ova skupina
uključuje: kvarc, litijski niobat, litijski tantalid, amonijev-dihidrogen-sulfat, litijski
sulfat-monohidrat i Rochellovu sol. Nedavno je otkriveno da superiorne
piezoelektrične karakteristike posjeduju: Pb-Zn-Ni, Pb-Mg-Ni i njihove kombinacije
s Pb-Ti. Kod kvarca Curieva temperatura je relativno visoka (573 °C), pa je kvarc
stabilan pri visokotemperaturnim promjenama. Jeftin je i ima bitno mjesto među
visoko temperaturnim primjenama. Litij niobat i tantalat se koriste u infracrvenim
detektorima. Rochellijeva sol je pogodna za primjene u vodi kao elektroakustički
pretvornik. [1]
Piezoelektrične keramike
Drugi tip piezoelektičnih materijala dominira tržištem pretvornika:
piezoelektrične keramike, piezoelektrični polimeri i kompoziti piezoelektričnih
keramika s neaktivnim polimerima. Ima više vrsta PZT keramika. One su dvojne
kombinacije PbZrO3 (antiferoelektrični materijal) i PbTiO3 (feroelektrik). [1]
Piezoelektrični polimeri
Piezoelektrično ponašanje polimera je zamijećeno prvi put 1969. To ponašanje
potječe iz kristalnih područja oformljenih u polimerima za vrijeme ukrućivanja.
Najpoznatiji piezoelektrični polimeri su: polivinidilenski florid (PVDF), polivinidilenski
florid - trifluoroetilenski kopolimer (P(VDF-TrFE)) i neparni niloni, kao nilon-11.
Elektromehanička svojstva piezoelektričnih polimera su značajno niža od keramika.
Relativna dielektrična konstanta se kreće između 6 i 12, faktor sprege oko 0.2, a
Curieva točka oko 100 °C. [1]
7
5. PODRUČJA PRIMJENE
Piezoelektrici imaju široku primjenu u današnjoj tehnologiji. Njihova dva
najvažnija svojstva su: mogućnost vrlo učinkovite pretvorbe mehaničkih deformacija
u električne impulse i obratno (tu piezoelektrik služi kao „most“) te svojstvo da
piezoelektrični kristali imaju vrlo stabilnu i usko određenu rezonantnu frekvenciju (u
slučaju da se na krajeve kristala dovodi izmjenični napon). Važna je i niska
proizvodna cijena i jednostavnost primjene u odnosu na alternativna rješenja. [3]
Za potrebe pretvorbe električnih impulsa u mehaničke pomake i obratno,
najprikladniji materijali su: piezoelektrične keramike i polimerni piezoelektrici.
Piezoelektrična svojstva su često kombinirana s nekim drugim fizikalnim svojstvima
kako bi se dobili materijali novih svojstava. Tako se na primjer dodatkom lantana u
piezoelektrik dobiva optički proziran produkt koji ima važna elektro-optička svojstva.
Takav materijal se naziva PLZT i koristi se kao osnova pri izradi optičkih memorija.
Inače, većina čvrstih stvari su piezoelektrične, sa više ili manje izraženim efektima.
Tako je piezoelektrični efekt opažen u drvetu, kristalima šećera, ledu i kostima, a
moguće je da piezoelektrični efekt u kostima ima i fiziološku ulogu. Jedan od
najpoznatijih, najšire korištenih i prvih otkrivenih piezoelektrika je kristal kvarca
(SiO2). Piezoelektrični efekt općenito ovisi o temperaturi. Obični materijali pri
temperaturama ispod -233 °C gube veliki dio svoje piezoelektričnosti. No otkriveni
su i materijali koji imaju obrnuto svojstvo – pri niskim temperaturama imaju izražen
efekt. Dakle, piezoelektrični efekt se može koristiti i pri niskim temperaturama. [3]
Najpoznatiji primjeri uporabe piezoelektrika u svakodnevnom životu su „kvarcni“
ručni satovi koji koriste precizno oblikovani kristal kvarca kao izvor oscilacija
precizno određene i konstantne frekvencije koje ovise o obliku i veličini kristala kao
i o materijalu od kojega je kristal izrađen. Zatim postoje „tanki“ zvučnici koji koriste
piezoelektričnu polimernu membranu. Poznata je još jedna vrsta zvučnika koja se
često koristi u jeftinim uređajima kao zvučni alarm (video igre, budilice…). Takvi
zvučnici su građeni od piezoelektrične keramike prilijepljene epoksi smolom za
komad metala. Također i precizne digitalne vage koriste piezoelektrike za vrlo točno
određivanje mase te najrazličitiji mikrofoni, detektori pritiska, akcelerometri sonarni
uređaji koji se koriste za istraživanje podmorja, otkrivanje podmornica i jata riba. [3]
8
Piezoelektrični aktuatori koriste se i za preciznu manipulaciju (na nanometarskoj
skali) pri elektronskom i skenirajućem tunelirajućem mikroskopiranju, kao i nužni
dijelovi u adaptivnoj optici. Većina ink-jet pisača koristi piezo tehnologiju ispisa: za
stvaranje točkice tinte na papiru koristi se piezoelektrik kroz kojega je probušena
kapilara u kojoj se nalazi tinta. Kada se dovede napon na piezoelektrik, kristal se
sažme, pa se automatski smanjuje volumen kapilare, raste tlak tinte unutar nje i iz
glave pisača izlijeće sićušna kapljica boje, koja završava na papiru. [3]
5.1. PIEZOELEKTRIČNI SENZORI UBRZANJA
Piezoelektrični senzori ubrzanja služe za mjerenje ubrzanja na osnovu mjerenja
sila, bez pomicanja seizmičkih masa. U kućištu senzora ugrađene su
piezoelektrične pločice koje su elastično učvršćene pomoću mehaničke membrane,
a prislonjene na seizmičku masu što je prikazano na slici 2. [4]
Slika 2. Piezoelektrični senzor ubrzanja [4]
Kada se kućište, koje je vezano za objekt koji vibrira, pomakne u smjeru osi x,
okomitom na površinu pločica, uslijed inercije seizmičke mase, javlja se sila F koja
izaziva na pločicama piezoelektrični naboj. Sila F je proporcionalna ubrzanju.
Osjetljivost senzora se povećava s više slojeva pločica. Odabir korištenja senzora
ovisi o njegovim frekventnim karakteristikama. Konkretno piezoelektrični senzori
ubrzanja se koriste za objekte koji vibriraju u području od 5 do 100 kHz. Svi senzori
su osjetljivi na promjene temperature pa treba uračunati u rezultat i grešku uslijed
temperature.
9
5.2. PIEZOELEKTRIČNI SENZOR PRITISKA
Ova vrsta senzora široko je primijenjena kod industrijskih mjerača zbog svoje
robusnosti, visoke klase točnosti, brze dinamike i odlične stabilnosti. Srce sistema
je silicijska pločica-čip dimenzija, 4 x 4 x 1 mm, kroz čiju su specijalno pripremljenu
gornju površinu difundirana četiri električna otpora u vrijednosti kΩ, formiranih u
Wheatstoneov mjerni most (Wheatstoneov most je uređaj koji služi za vrlo točno
mjerenje otpora ili za mjerenje malih promjena otpora). Djelovanjem pritiska na
silicijsku pločicu dolazi do piezoelektričnog efekta. Na sljedećoj slici 3. prikazan je
osnovni crtež senzora pritiska. [4]
Slika 3. Osnovni crtež senzora pritiska [4]
Na slici 3. je prikazan kompletan senzor pritiska, sa detaljnim opisom podsklopova
senzora. Osnovni podsklop je sistemska podloška (wafer). Ona se dobiva tako što
se silicijev monokristal isiječe na kriške, pazeći strogo pri tome na strukturu i
orijentaciju kristala, a zatim polira. Slijedeće je implantacija i onečišćenje u cilju
formiranja otpornog elektronskog Wheatstoneovog mosta. Ključna faza je
formiranje membranskog silicijskog epitaksijalnog sloja, koji se dobiva nagrizanjem
ili bušenjem polirane površine sistemske podloške. Električni otpori se difundiraju u
10
rubnu zonu membranskog sloja, jer su tu najveća fizička opterećenja i izlazni
električni signal. Sistem mora imati bazu. Sistemska podloška pravi se od istog
materijala i istih je dimenzija kao i bazna, a njih dvije se spajaju pomoću specijalne
metalne legure. U slučaju da se pravi senzor za relativni pritisak, bazna podloška
se izbuši skroz, a u sistemskoj se napravi obla rupa. Ovim je završen postupak
dobivanja elementarnog senzora ili čipa. [4]
Piezoelektrični senzori pritiska se mogu izvesti u minijaturnom mjerilu, imaju
izvrsne dinamičke osobine i zahvaljujući linearnoj statičkoj karakteristici omogućuju
precizno umjeravanje i veliku točnost mjerenja. Jedan prikaz piezoelektričnog
senzora pritiska se može vidjeti na slici 4. [4]
Slika 4. Piezoelektrični senzor pritiska [4]
Na sljedećoj slici 5. prikazana je jedan primjer senzora pritiska tvrtke DYTRAN
INSTRUMENTS, INC. dok su u prilogu 1 dane neke njegove karakteristike.
11
Slika 5. Piezoelektrični senzor 2006V2 [5]
12
LITERATURA
[1] Autor nepoznat, (14.09.2012.) Piezoelektrični efekt,
<http://hr.wikipedia.org/wiki/Piezoelektri%C4%8Dni_efekt>,
Pristupljeno 17. siječnja 2013.
[2] Ličen H., (Datum nepoznat) Piezo efekat i njegova primena,
<http://www.trcpro.rs/dokumentacija/PDF/clanci/PiezoTehnologija.pdf>,
Pristupljeno 17. siječnja 2013.
[3] Antić G., (2009) Piezoelektrični pretvarači i senzori,
<http://sr.scribd.com/doc/119068796/Piezoelektri%C4%8Dni-pretvara%C4%8Di-i-
senzori>, Pristupljeno 17. siječnja 2013.
[4] Zaimović-Uzunović N., (2006) Mjerna tehnika,
<http://www.unze.ba/download/SkriptaMetrologija.pdf>, Pristupljeno 29. siječnja
2013.
[5] Dytran Instruments, Inc., (2013) < http://www.directindustry.com/prod/dytran-
instruments/piezoelectric-pressure-sensors-37504-965877.html>,
Pristupljeno 29.siječnja 2013.
13
POPIS SLIKA
SLIKA 1. PRIMJER PIEZOELEKTRIČNOG EFEKTA [2] ................................................................ 4
SLIKA 2. PIEZOELEKTRIČNI SENZOR UBRZANJA [4] ................................................................ 8
SLIKA 3. OSNOVNI CRTEŽ SENZORA PRITISKA [4] .................................................................. 9
SLIKA 4. PIEZOELEKTRIČNI SENZOR PRITISKA [4]..................................................................10
SLIKA 5. PIEZOELEKTRIČNI SENZOR 2006V2 [5]...................................................................11
Recommended