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