Piëzo-elektrische materialen, waarvan piëzokeramische materialen een subset zijn, zijn bijzonder nuttig omdat ze een elektrische lading kunnen genereren uit een fysieke kracht en / of mechanische vervorming. Eén gebied waarin dit mechanisme kan worden gebruikt, bevindt zich in een select aantal sensoren. In dit artikel bekijken we hoe piëzokeramische materialen kunnen worden gebruikt in sensortoepassingen en hoe deze sensoren werken.
Piëzo-elektrische materialen
Piëzo-elektrische materialen zijn een klasse materialen die het "piëzo-elektrisch effect" vertonen en kunnen in vele vormen voorkomen; mits ze een onderliggend regelmatig kristallijnen rooster hebben. Daarom vertonen anorganische materialen vaker piëzo-elektrische eigenschappen (hoewel er enkele uitzonderingen zijn).
Het piëzo-elektrische effect is het genereren van een elektrische lading wanneer een materiaal wordt onderworpen aan een fysieke kracht. In veel gevallen is deze kracht een vervorming of compressie, of een geïnduceerde spanning / rek. Er is ook een omgekeerd piëzo-elektrisch effect, dat in wezen het tegenovergestelde is van het piëzo-elektrische effect; een materiaal expandeert of contracteert onder een aangelegde spanning.
Voor een kristallijn materiaal om het piëzo-elektrische effect te kunnen vertonen, moet zijn kristallijne rooster nietcentrosymmetrisch zijn en ionen bezitten met een grote effectieve lading. Ionen met een kleinere effectieve lading kunnen een piëzo-elektrische stroom genereren, maar deze is vaak veel kleiner.
De aanwezigheid van een fysieke kracht zorgt ervoor dat de interne kristalstructuur van het materiaal verandert en dit mechanisme zorgt ervoor dat de elektrische lading wordt gegenereerd. In een normaal kristallijn rooster zijn ionen goed geordend (behalve atoomniveau-defecten, die altijd in een of andere vorm aanwezig zijn). Het is de vervorming van dit goed geordende rooster dat het piëzo-elektrische effect genereert terwijl het toch een algemene neutrale lading behoudt. Onder een fysieke kracht worden de ionen in het rooster dicht tegen elkaar gedrukt, waardoor een onbalans in de lading ontstaat die door het hele materiaal resoneert. Dit resulteert erin dat de twee uiteinden van het kristal tegengestelde ladingen hebben, waardoor een spanning wordt geproduceerd. Nadat de kracht is verwijderd, keert het materiaal terug naar zijn normale toestand.
Piezokeramische sensoren
Zoals de naam al doet vermoeden, zijn piëzokeramische sensoren sensoren waarbij het actieve detectiemateriaal zowel keramisch als piëzo-elektrisch is. Keramische materialen worden gedefinieerd als anorganische, niet-metalen materialen. Er zijn veel voorbeelden die in deze categorie vallen, waaronder anorganische oxiden, nitriden en carbiden. Een veelgebruikt voorbeeld van een piëzokeramische gebruikt in sensoren is loodzirkonaattitanaat - algemeen bekend als PZT.
Omdat het piëzo-elektrische effect in veel fysieke omgevingen wordt gegenereerd, kunnen piëzoceramische sensoren worden gebruikt om veranderingen in fysieke factoren, waaronder druk, versnelling, temperatuur, geïnduceerde schok, spanning of kracht te meten. Een verandering in de omgeving zal een soort van kracht op de piezokeramische veroorzaken, resulterend in een elektrische lading die kan worden gedetecteerd en gemeten door de sensor. Een voorbeeld zijn spanning / rekmeters die worden gebruikt in de weg- en waterbouw, waar de verplaatsing van een constructie (hoe klein ook) kan worden opgepakt omdat deze een kracht op de sensor uitoefent.
De meeste piëzokeramische sensoren zijn ontworpen om meer dan één eigenschap te meten, waarbij druk en versnelling de meest voorkomende zijn. In versnellingsmeters wordt een iets ander mechanisme gebruikt. Mechanismen die steunen op een directe kracht op de sensor staan bekend als actieve sensoren, terwijl een accelerometer een passieve sensor is. Dit betekent dat een kracht wordt uitgeoefend door een ander onderdeel in de sensor wanneer er een verandering is in de parameter die wordt gemeten. In versnellingsmeters wordt een seismische massa aan het piëzokeramische materiaal bevestigd en drukt deze met een relatieve kracht omlaag wanneer het waargenomen voorwerp versnelt.
Een belangrijk voordeel van het gebruik van piëzokeramische materialen in sensoren is dat ze zich aan vele verschillende geometrieën kunnen aanpassen zonder hun functionele eigenschappen te verliezen. Terwijl ze onder compressie een elektrische lading genereren, verandert de fysieke bulkstructuur niet zoveel, en dit voorkomt dat ze breken onder langdurige vervorming. Piezokeramische materialen zijn ook bestand tegen elektromagnetische straling, waardoor ze in een aantal omgevingen voor een reeks toepassingen kunnen worden gebruikt.
Geschreven door Liam Critchley
