Piezoměniče a piezostruktury jsou již dnes běžnou součástí mnoha senzorů, detektorů a zařízení. Tento článek stručně připomíná základní principy a struktury piezoměničů, včetně základních vzorců pro výpočet generované síly, ohybu nebo napětí.

V současném vyspělém světě plném analogové a digitální elektroniky, která umožňuje stále více automatizovat dříve lidmi ručně prováděné procesy, patří mezi nejvýznamnější prvky tzv. měniče. Měniče přeměňují jednu formu energie na jinou. Mezi často využívané prvky v současné době patří piezoelektrické elementy. Ty mohou přeměňovat mechanickou energii na elektrickou nebo obráceně. V prvém případě jde o piezoelektrické senzory, v druhém případě jde o piezoelektrické akční členy (lineární motory). Při určitém kompromisu lze stejný piezoelektrický prvek použít na obě funkce. Piezoměniče tvořené jen jednou vrstvou (plátkem) piezokeramiky mohou vytvořit pohyb vlivem změny rozměru ve směru své tloušťky, délky nebo šířky. Plátek může být stlačován nebo natahován buď mechanicky působící silou nebo přiložením elektrického napětí. Dvouvrstvé piezoelementy jsou pak nejvíce univerzální konfigurací ze všech. Mohou být použity podobně jako jednovrstvé elementy, ale obvykle se užívají pro ohyb. V tomto režimu dovolují mnohokrát větší vychýlení než jiné verze a provedení piezoměničů. Mnohovrstvé piezoměniče pak podporují a vydrží vznik i působení sil několika N s minimálním průhybem. Tím však dokáží generovat jen velmi malé pohyby.

Piezoelektrický element ve funkci motoru

Piezoelektrický akční člen přeměňuje přiložené napětí na změnu rozměrů nebo výchylky piezoelementu a tím i pohyb. Tyto změny přitom generují síly Fout o velikostech setin až desetin N. Toho se využívá nejen u generátorů ultrazvuku, vibrací apod., ale také v stále častějších MEMS součástkách a zařízeních. Zatímco v běžné praxi se změny rozměrů piezoelementu v řádu nano nebo mikrometrů zdají jako neuvěřitelně malé, v prostředí MEMS, kde jsou všechny prvky v nanometrových velikostech, jde o velké hodnoty. Pro pohybující se mechanické MEMS části je piezoměnič jeden z hlavních akčních členů. Obvykle pracuje jako "klasický" lineární motor nebo na "nožičkách" postavený mechanismus, kde se smršťováním a natahováním "nožiček" celá struktura může pohybovat mikrometrovými kroky vpřed. Obvykle se toho používá pro kruhový pohyb - otáčení kola.

Jednovrstvá struktura - jednovrstvý motor

Jednovrstvý motor je tvořen pouze jedním klasickým plátkem piezokeramiky o definované tloušťce T, délce L a šířce W.
Když přiložené elektrické pole/napětí Vin má stejnou polaritu a směr jako originální polarizační pole P napříč tloušťkou piezokeramiky, dojde k zvětšení tloušťky T o ΔT. Tím se generuje i "tlačná" síla o velikosti řádu desetin N. Změnu tloušťky ΔT lze určit následujícím vzorcem:

Stejně tak dochází i ke změně délky L a šířky W elementu (boční stěny hranolu) o ΔL, resp. o ΔW, a vzniká síla Fout v horizontálním směru. Změnu rozměru lze vypočítat dle vzorce:

Konstanty d33 a d31 jsou koeficienty relativního prodloužení, které určují velikost změny v určitém směru a jsou vlastností materiálu - piezokeramiky. Její strukturou tak lze určit, který rozměr přednostně chceme měnit.

Již z nákresů je jasné, že vždy změna jednoho rozměru je dominantní a ty ostatní lze zanedbat. Například v druhém obrázku bude změna ΔL díky většímu rozměru L a většímu koeficientu d31 mnohokrát větší, než změna ΔT. Zatímco ΔT se obvykle pohybuje v řádu jednotek až desetin nm, hodnota ΔL může být až v řádu mikrometrů. Proto lze v tomto případě hodnotu ΔT zanedbat. Také se častěji využívá právě změny ΔL a ΔW.

Dvouvrstvá struktura - dvouvrstvý motor

Zajímavější je provedení piezoměniče tvořeného spojením dvou plátků piezokeramiky. Celkové vlastnosti takového spojení pak závisí na směru polarizačních polí P obou spojených plátků. Pokud je jejich směr shodný, jak je uvedeno v následujícím obrázku, celá struktura se po přiložení napětí chová stejně jako jeden plátek. Pouze je případná změny tloušťky (rozměru T) n-krát větší, kde n je počet vrstev. Tedy z hlediska funkce nic moc zajímavého.

Pokud však spojíme dva plátky, které mají opačnou polarizaci v celé ploše nebo alespoň v určité oblasti (viz obrázek níže), dojde pro přiložení napětí k prohnutí - ohybu celého měniče o hodnotu ΔXout. Hodnoty ohybu jsou v řádu desetin mikrometrů.

Pokud je tato struktura na jedné straně pevně upevněná k podložce, tak piezoměnič se vychyluje o hodnotu ΔX. Celý systém tak pracuje podobně jako náš jazyk v ústech. Při připojení střídavého napětí s měnící se polaritou může měnič pravidelně kmitat na obě strany.

Výchylka závisí na velikosti přiloženého napětí, celkové délce a tloušťce měniče, koeficientu d31 a lze ji vypočítat dle následujícího vzorce:

Podobné funkce lze dosáhnout i spojením dvou plátků se stejnou vnitřní polarizací, pokud se přivedené el. napětí jedním pólem připojí na obě vnější plochy piezoměniče a druhým pólem na společný vnitřní spoj obou plátků piezokeramiky.

Výše uvedený vztah pro vychýlení měniče se liší pouze v chybějící 2 ve jmenovateli:

Takto provedené dvouvrstvé měniče jsou vhodné a používají se pro "chodící" nebo kmitající struktury, například u pohyblivých MEMS mechanismů, piezopřepínačů nebo zvukových měničů.

Piezoelektrický element ve funkci generátoru napětí

Piezoelektrický generátor přeměňuje změnu působící síly nebo prohnutí struktury, tedy pohyb, na změnu náboje či napětí. Vznik napětí je reakce piezostruktury na provedenou deformaci, která se snaží vrátit strukturu do původních rozměrů (proporcí) před deformací. Při působení proměnlivé síly tak vzniká analogový napěťový signál. Amplituda napětí je úměrná právě velikosti působící síly. Toho se převážně využívá v senzorech pro měření fyzikálních veličin založených na působící síle. Tedy v senzorech pro měření změny libovolného tlaku (tlaku zvuku, tlaku vzduchu, tlaku vody), zatížení, ohybu, pohybu, detektory rozbití skla, detektory otřesů a klepání apod.

Jednovrstvá struktura

Jednovrstvá struktura se chová principielně podobně, tj.generuje napětí či náboje, při stlačení (působení síly) ve vertikálním i horizontálním směru. Rozdíl je ve velikosti, která je dána koeficientem změny struktury d33 pro vertikální působení a d31 pro horizontální působení.

Náboj, resp. napětí na struktuře, při působení vertikální síly lze vypočítat vztahy:

Náboj, resp. napětí na struktuře, při působení horizontální (transverzální) síly lze vypočítat vztahy:

Konstanty d33 a d31 jsou koeficienty měrného prodloužení piezostruktury pro vertikální, resp. horizontální působení síly, pro výpočet množství vzniklého náboje Q, zatímco konstanty g33 a g31 mají stejný význam pro výpočet na struktuře vygenerovaného napětí.

Na strukturu však může působit i deformace smykem. Tu lze měřit piezoelementem s polarizací ve horizontálním směru - viz obrázek níže.

Na struktuře se pak objevuje náboj, resp. napětí dle následujících vzorců:

Pro působení síly ve vertikálním směru:

Pro působení síly v horizontálním (transverzálním) směru:

Konstanty d15 a g15 jsou opět koeficienty měrného prodloužení piezostruktury pro deformaci ve smyku.

Dvouvrstvá struktura - dvouvrstvý generátor

Stejně jako v případě "motorů" i zde se využívá dvou nebo vícevrstvé struktury. Takovýto piezoelement reaguje na síly působící vertikálně, tj. na plochu elementu, jejichž velikost se pohybuje v řádu setin až desetin gramu. V případě spojení dvou plátků piezokeramiky s protichůdnou polarizací (Series Connection) lze velikost indukovaného náboje, resp. napětí, vypočítat vztahy:

V případě spojení dvou plátků piezokeramiky se shodnou polarizací, přičemž napětí či náboj se snímá na prostřední elektrodě uprostřed spojení obou plátků vůči krajním "polepům" struktury (Parallel Connection). Velikost indukovaného náboje, resp. napětí, lze vypočítat dle následujících vztahů:

Závěr

Piezoměniče dnes nalezneme v mnoha zařízeních. Mezi neznámější patří detektory rozbití skla v zabezpečovacích systémech, generátory ultrazvuku nebo snímačích tlaku nebo naplnění nádob. V tomto článku jsem chtěl připomenout funkci a vlastnosti piezoelektrických měničů a jejich základní strukturu, protože s piezosnímači a senzory se setkáme v dalších plánovaných článcích na serveru automatizace.HW.cz.

DOWNLOAD & Odkazy

• Zajímavé stránky zabývající se piezostrukturou, piezosnímači a zařízeními - www.piezo.com

•  
• Články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz