Download pdf - Piezoelektricitet by Kristian Majić

8/17/2019 Piezoelektricitet by Kristian Majić

1/22

ELEKTROTEHNIČKA ŠKOLA SPLIT

TESLINA 2, SPLIT

ZAVRŠNI RAD

PIEZOELEKTRICITET

. Učenik: Kristian Majić

Razred: 4.C

Zanimanje: Tehničar za

elektroniku

Split, svibanj 2!"#


2/22

!# $VOD

Svrha ovo zavr!no rada jest o"jasniti rad kristala kvar#a kao i sva njeova

svojstva. $osvetit ćemo se %ro"lemu o"rade kristala i kako ona utječe na njeova

svojstva. S%omenuti ćemo i %ar rje!enja koja su na!la svoj %ut od teorije do

%rimjene u dana!njim najmodernijim sustavima. &ajče!ći i najveći zahtjev s kojim se

suočavamo %ri oda"iru kvar#a je njeova sta"ilnost 'rekven#ije i njeova neovisnost

od tem%erature. Kako "i taj zahtjev !to "olje zadovoljili moramo znati sva njeova

svojstva i načine %ostavljanja u strujni kru.

Rad se sastoji od četiri tematske #jeline vezanih uz kristal kvar#a( njeova

svojstva i dana!nju %rimjenu.

Slika ).

Sim"ol kristala

kvar#a u elektroni#i.

Slika *.

Kristal kvar#a s%ada u kateoriju

silikatnih minerala +SiO2,. -ma o"lik

!esterostrane %rizme sa !esterostranom

%iramidom na krajevima.

2# OSNOVNE KARAKTERISTIKE KRISTALA KVARCA


3/22

2#!# STR$KT$RA KRISTALA KVARCA

Kristal kvar#a sastoji se od silikona i kisika +SiO2,. &jeov karakterističan o"likrezultat je jediničnih ćelija od kojih kristal raste. Sve te jedinične ćelije su identične i

sastoje se od atoma %oredanih u %onavljajući eometrijski uzorak te su z"o toa

kvar#ni kristali trodimenzionalna tijela +Slika ,. /ećina 'izikalnih svojstava kristala su

anizotro%ni +različita svojstva u različitim smjerovima, !to znači da će "ilo kakve

neativne %romjene tijekom rasta kristala rezultirati kao nesavr!enost na kristalu.

$romjena u %iezoelektričnom koe'i#ijentu će( na %rimjer( stvoriti rani#u nakon koje

će na"oj razlikovati od onoa is%od rani#e kada djelujemo silom na kristal kvar#a.

0ve dvije na"rojene 1rani#e2 s%rječavaju kristal kvar#a od rezonan#ije( čineći a

ne%rikladnim za os#ilator. S o"zirom da velika količina rada tre"a "iti ulo3ena u izradi

do"ro kristalno os#ilatora( na"rojene de'ekte "i tre"alo otkriti %rije samo %očetka

%roizvodnje i tu nastu%aju električni ureaji koji koriste %olariziranu svjetlost( 56zrake i

kemijsko jetkanje kako "i otkrili 'rakture i de'ekte u strukturi kristala kvar#a već u

ranoj 'azi %roizvodnje.

Slika . 0si orijenta#ije kristala kvar#a

2#2# PIEZOELEKTRICITET


4/22

$iezo je riječ izvedena iz rčko jezika !to znači 1urati2. $iezoelektri#itet je %ojava

stvaranja električno na"oja na %ovr!ini kristala kvar#a na koji smo %rethodno

djelovali silom savijanja( smi#anja( torzije itd. Kristal nakon toa %ostaje električno

%olariziran i jedna strana kristala će imati neativni( a drua %ozitivni na"oj.

7lektrična %olariza#ija %ru3a izvor elektromotorne sile( a osim toa o"rnuti %ostu%ak(

to jest kada kristal kvar#a s%ojimo na izvor na%ajanja on %roizvodi mehaničko

kretanje odnosno vi"rira %ri odreenoj sta"ilnoj 'rekven#iji z"o čea se i

u%otre"ljava kao rezonator +Slika 4,.

&aziv %iezoelektri#itet %redlo3en je )88). odine +9ankel,( a iste odine

%ostavljena je %ret%ostavka o %ostojanju su%rotno e'ekta( odnosno mehaničke

de'orma#ije kristala ako mu se na su%rotne krajeve dovedu raznoimeni električni

na"oji. Kasnije se %okazalo da je reverzi"ilnost ove %ojave %osljedi#a simetrija u

kristalima. Znanost i tehnoloija do"ili su jednostavan i izvanredno %re#izan način

%retvor"e mehaničke u električnu eneriju i o"ratno.

Slika 4. $iezoelektri#itet


5/22

$iezoelektrični e'ekt otkrili su )8;. "raća


6/22

Slika B. $rimjena %iezoelektrično svojstva kod d3e%nih u%aljača

2#%# $&RA'IVAN(E KRISTALA KVARCA $ K$)IŠTE

&osiva konstruk#ija i načini odr3avanja električno kontakta odreuju i sam način

os#iliranja kristala kvar#a. Kristal kvar#a mora "iti s velikom %a3njom %ostavljen

unutar kući!ta kako "i se iz"jeao ne%otre"an %ritisak na kristal. Takoer( sama

konstruk#ija kući!ta mora "iti do"ro izolirana od kristala kako i ona sama ne "i

%ostala dio rezonatora i time stvarala u"itke i ne3eljene e'ekte.

Ti%ičan ); M9z kristal kvar#a( z"o svoje male veličine( najče!će je odvojen od

konstruk#ije kući!ta %omoću dvije vrlo tanke na%ete 3i#e koje istovremeno %ru3aju

dovoljno do"ru izola#iju od konstruk#ije kući!ta( ali i omoućuju slo"odno os#iliranje

kristala kvar#a +Slika 8,.

Slika . Metode uraivanja kristala kvar#a u kući!te


7/22

Slika 8. Tlo#rt kući!ta kristala kvar#a

2#*# NAČINI REZAN(A I VI+RIRAN(A KRISTALA KVARCA

Rez kristala kvar#a je orijenta#ija %loči#e kristala s o"zirom na kristalora'ske osi

materijala.

&ačin vi"riranja %rije svea ovisi o načinu na koji je kristal kvar#a rezan( kao na%rimjer kristal koji je rezan 5 rezom vi"rirati će lonitudinalno( dok će kristal koji je

rezan %od kutom od >D od E osi( to jest AT rezom vi"rirati će smi#anjem %o de"ljini.

$oznato je sveuku%no dvanaest rezova koji vi"riraju na četiri načina: smi#anjem

%o de"ljini( savijanjem( istezanjem i smi#anjem %o dijaonali.

FT6rez je najstariji( ima najveću sta"ilnost 'rekven#ije( ali su %roizvodni tro!kovi

veliki. AT6rez je najras%rostranjeniji i ima do"ru tem%eraturnu karakteristiku( dok se

5E6rez najče!će koristi za elektroničke satove.

Koji od način rezanja kristala u%otrije"ili( kristal će %roizvoditi harmoničke i

neharmoničke sinale. 9armonički sinali su %o3eljni jer dozvoljavaju veće

'rekven#ije os#iliranja koristeći isti rez. Gok su neharmonički sinali ne%o3eljni jer

dovode do %ojave ne3eljenih sinala koji kada se %ojave mou %ot%uno %rekinuti

os#iliranje kristala. Kako "i se to iz"jelo koristi se različiti "roj dr3ača +na%etih 3i#a,

koji 1dr3e2 kristal u kući!tu.


8/22

Slika

);. &ačini vi"riranja kristala

Slika . &ačini rezanja kristala

2## NADO-(ESNA SHE-A

&adomjesna shema %rikazuje %ovezanost izmeu 'izikalnih svojstava kristala

kvar#a i njeove %rimjene kao os#ilatora. Shema se sastoji od četiri nadomjesna

elementa: L. +%redočuje masu kristala,( C. +%redočuje elastičnost kristala,( / .

+%redočuje trenje u kristalu, i C +%redočuje ka%a#itete %loči#a( dovoda i kući!ta, koji

su neovisni o am%litudi i 'rekven#iji titraja.

Kada sklo% radi na 'rekven#ijama koje nisu %ri"li3ne rezonantnoj( sklo% o%ona!a

najjednostavniji kondenzator( ali na točno rezonantnoj 'rekven#iji sklo% o%ona!a

kristal kvar#a( to jest os#ilira i u tom %odručju se i koristi.


9/22

Slika )). &adomjesna shema kristala

kvar#a

0/1v1n3ija %2 H4 2 H4 2 -H4 % -H4 ! -H4

/ 5 *;; kH * kH );; H *; H > H

L. ;;; 9 * 9 >* m9 )) m9 * m9

C. ;.;;; %I ;.;*4 %I ;.;)* %I ;.;;*B %I ;.;;;) %I

C ). %I %I 4 %I B %I * %I

Ta"li#a ). Ti%ične vrijednosti elemenata nadomjesne sheme

%# PRI-(ENA PIEZOELEKTRIKA

$iezoelektri#i imaju !iroku %rimjenu u dana!njoj tehnoloiji. &ajva3nija dva

svojstva %iezoelektrika su moućnost vrlo učinkovite %retvor"e mehaničkih

de'orma#ija u električne im%ulse i o"ratno +tu %iezoelektrik slu3i kao JmostJ

transdu#erL,( te svojstvo da %iezoelektrični kristali imaju vrlo sta"ilnu i usko odreenu

rezonantnu 'rekven#iju +u slučaju kada se na krajeve kristala dovodi izmjenični

na%on,. /a3na je i niska %roizvodna #ijena i jednostavnost %rimjene u odnosu na

alternativna rje!enja.


10/22

Za %otre"e %retvor"e električnih im%ulsa u mehaničke %omake i o"ratno

naj%rikladniji materijali su %iezoelektrične keramike i %olimerni %iezoelektri#i.

$iezoelektrična svojstva se često kom"iniraju sa nekim druim 'izikalnim svojstvima

materijala kako "i se do"ili materijali novih svojstava. Tako se n%r. dodatkom lantana

u %iezoelektrik do"iva o%tički %roziran materijal koji ima va3na elektro6o%tička

svojstva. Takav materijal se naziva $ZT( i koristi se kao osnova %ri izradi o%tičkih

memorija. -nače( većina čvrstih tvari su %iezoelektrične( sa vi!e ili manje izra3enim

e'ektima. Tako je %iezoelektrični e'ekt o%a3en n%r. u drvu( kristalima !ećera( ledu i

kostima( a mouće je da %iezoelektrični e'ekt u kostima ima i 'iziolo!ku ulou.


11/22

Slika )*. $rikaz kvar#a u sklo%u ručno sata i njeov uvećan %rikaz

Zatim( tu su JtankiJ zvučni#i +Slika ),( koji koriste %iezoelektričnu %olimernumem"ranu. $oznata je jo! jedna vrsta zvučnika koja se često koristi u je'tinim

ureajima kao zvučni alarm +dječje iračke,( takvi zvučni#i raeni su od komada

%iezoelektrične keramike %rilije%ljene e%oksi smolom za komad metala. &adalje(

%re#izne diitalne vae koriste %iezoelektrike za vrlo točno odreivanje mase.

&ajrazličitiji mikro'oni( detektori %ritiska( sonarni ureaji itd. 'unk#ioniraju na %rin#i%u

%iezoelektrično e'ekta. Kom"ina#ija %iezoelektrika se mo3e koristiti i za elimina#iju

ne3eljenih vi"ra#ija kod %re#iznih ureaja( tako da jedan %iezoelektrik detektira

vi"ra#ije( a drui emitira vi"ra#ije koje ih točno %oni!tavaju.

Slika

).

$iezoelektrični zvučnik

%#!# EPSON -IKRO PIEZO TEHNOLO&I(A

7%son je jedina tvrtka u svijetu koja koristi %iezoelektrično svojstvo u svim svojim

1inkjet2 %rinterima. Mikro %iezo tehnoloija temelji se na svojstvu %iezoelektričnosti

materijala %o%ut kristala i keramike koji 'izički reairaju kada je električni na"oj

doveden na njih.


12/22


13/22

Uz sve na"rojene %rednosti javlja se i %ar mana koje većinom nastaju ne%ravilnim

kori!tenjem. U slučaju o!tećenja is%isne lave( korisnik nije u moućnosti %o%raviti

već samo zamijeniti is%isnu lavu s novom !to je vrlo sku%o.

Slika )B. $rikaz is%isne lave s mikro %iezo tehnoloijom

%#2# +OSCH PIEZO IN(EKTOR

Tvrtka ?os#h iskoristila je svojstvo 'izičke de'orma#ije kristala to jest

%iezoelektričnost( umjesto uo"ičajenih elektromaneta( kako "i osiurali %re#iznije

otvaranje mlazni#e injektora kod "enzinskih i dizelskih motora. Meutim( sama izradatakvih injektora nije jednostavna i zahtjeva veliku %re#iznost.


14/22


15/22

Ultrazvuk se %roizvodi i %rima %loči#om koja titra na danoj 'rekven#iji. ?rzina

!irenja ultrazvuka različita je za različite tvari ovisno o ustoći te tvari. Ta %loči#a se

sastoji od komada %iezoelektrično materijala s vodljivim elektrodama na

odovarajućim im %ovr!inama. $od utje#ajem mehaničke sile %retvarač će se

električki %olarizirati i tada slu3i kao %rijemnik dok će %od utje#ajem neko

na%onsko im%ulsa zatitrati i tada slu3i kao izvor ultrazvuka. $iezoelektrična %loči#a

emitira ultrazvuk s o"je strane( ali %riu!ni "lok a%sor"ira većinu zvučne enerije s

one strane dje nam nije %otre"na +Slika ),.

Ultrazvučne sonde najče!će sadr3e jedan veći ili vi!e malih kristala kvar#a. Sonde

se razlikuju %o načinu u%ravljanja sno%om i 'okusiranjem +Slika *;,.

$rvi %ut koristili su se za vrijeme $rvo svjetsko rata( kada su %roizvedeni %rvi

sonarni ureaji za otkrivanje %odmorni#a. Ganas se koriste za razne ultrazvučne

čistače i senzore za detektiranje udaljenosti.


16/22

Slika ). $rikaz ultrazvučno %retvarača Slika *;. $rikaz 'okusiranja

sno%a

%#*# PIEZOELEKTRIČNI TAHO&ENERATOR

Tahoeneratori su analoni mjerni članovi i %retvarači koji "rzinu vrtnje %retvaraju

u odovarajući električni sinal. To su elektromehanički ureaji( jer mehaničku

eneriju %retvaraju u električnu.

0snova za radnju %iezoelektrično tahoeneratora je "imor'ni %iezoelement u

o"liku trake.


17/22

*# PREDNOSTI I NEDOSTATCI PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA

Flavna karakteristika %iezoelektričnih senzora je da njihova osjetljivost ne ovisi o

mjernom ras%onu. 0va činjeni#a osiurava osnovu za %re#izna i %ouzdana mjerenja

u !irokom mjernom ras%onu. $iezoelektrični senzori %okazuju svojstva koja

o%ravdavaju njihovu !iroku u%otre"u( vrlo su sta"ilni( ro"usni i kom%aktni.

P/16n7sti pi1471l1t/i8ni9 s1n47/a s::

a, %omak +linearni, je %ro%or#ionalan na%onu

", visoke razlučivosti +izmjereno čak ;(;) nm,

#, kom%aktan dizajn omoućava uradnju na nedostu%nim mjestima

d, visoka o%teretivost +do dvije tone,

e, veliki dinamički ras%on %rimjene

', "ez mehaničke zračnosti i tro!enja

, mou se koristiti u vakuumu

N167sta3i pi1471l1t/i8ni9 s1n47/a s::

a, ras%on %omaka je oraničen +Pm,Q

", keramički materijal krhak +lomoviQ iz"jeavati o%terećenje na vlak( na

savijanje( torziju ili tanen#ijalno,

#, )6)*O snae kod dinamičkih a%lika#ija se u"i u to%lini

d, svojstva deradiraju s vremenom

e, visoka osjetljivost na %romjene tem%erature

', #ijena


18/22

# POD(ELA PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA

#!# SENZOR ZA -(EREN(E $+RZAN(A

$iezoelektrični senzori u"rzanja slu3e za mjerenje u"rzanja na osnovu mjerenja

sila( "ez %omi#anja seizmičkih masa. U kući!tu senzora uraene su %iezoelektrične

%loči#e koje su elastično učvr!ćene %omoću mehaničke mem"rane( a %rislonjene na

seizmičku masu +Slika *,.

Slika *. $ojednostavljena shema %iezoelektrično senzora u"rzanja

Kada se kući!te( koje je vezano za o"jekt koji vi"rira( %omakne u smjeru osi 5(

okomitom na %ovr!inu %loči#a( uslijed iner#ije seizmičke mase( javlja se sila I koja

izaziva na %loči#ama %iezoelektrični na"oj. Sila I je %ro%or#ionalna u"rzanju.

0sjetljivost senzora se %ovećava s vi!e slojeva %loči#a. 0da"ir kori!tenja senzora

ovisi o njeovim 'rekventnim karakteristikama. Konkretno %iezoelektrični senzori

u"rzanja se koriste za o"jekte koji vi"riraju u %odručju od > do );; k9z. Svi senzori

su osjetljivi na %romjene tem%erature %a tre"a uračunati u rezultat i re!ku uslijed

tem%erature.


19/22

Slika *4.

$rikaz dijelova

senzora

#2# SENZOR-(EREN(E PRITISKA

0va vrsta senzora !iroko je %rimijenjena kod industrijskih mjerača z"o svoje

ro"usnosti( visoke klase točnosti( "rze dinamike i odlične sta"ilnosti. Sr#e sistema je

sili#ijska %loči#a ili či% dimenzija: 4 4 ) mm( kroz čiju su s%e#ijalno %ri%remljenu

ornju %ovr!inu ras%oreena četiri električna ot%ora u vrijednosti nekoliko k(

'ormiranih u heatstoneov mjerni most +heatstoneov most je ureaj koji slu3i za

vrlo točno mjerenje ot%ora ili za mjerenje malih %romjena ot%ora,. Gjelovanjem

%ritiska na sili#ijsku %loči#u dolazi do %iezoelektrično e'ekta.

Slika *>. $rikaz senzora za mjerenje %ritiska

&a sli#i *>. je %rikazan kom%letan senzor %ritiska( sa detaljnim o%isom

%odsklo%ova senzora. 0snovni %odsklo% je sistemska %odlo!ka +Va'er,. 0na se

do"iva tako !to se sili#ijev monokristal re3e na kri!ke( %azeći stroo %ri tome na

strukturu i orijenta#iju kristala( a zatim %olira. Ključna 'aza je 'ormiranje


20/22

mem"ransko sili#ijsko e%itaksijalno sloja( koji se do"iva narizanjem ili "u!enjem

%olirane %ovr!ine sistemske %odlo!ke. 7lektrični ot%ori se ras%oreuju u ru"nu zonu

mem"ransko sloja( jer su tu najveća 'izička o%terećenja i izlazni električni sinal.

Sistem mora imati "azu. Sistemska %odlo!ka %ravi se od isto materijala i istih je

dimenzija kao i "azna( a njih dvije se s%ajaju %omoću s%e#ijalne metalne leure.

0vim je zavr!en %ostu%ak do"ivanja elementarno senzora ili či%a.

$iezoelektrični senzori %ritiska se mou izvesti u minijaturnom mjerilu( imaju

izvrsne dinamičke oso"ine i zahvaljujući linearnoj statičkoj karakteristi#i omoućuju

%re#izno umjeravanje i veliku točnost mjerenja.


21/22

Slika *. $rikaz kući!ta senzora

"# ZAKL($ČAK

U ovom zavr!nom radu smo o"radili svojstvo %iezoelektričnosti( o"jasnili njeovu

ulou i !iroku %rimjenu.

-staknuo sam najosnovnije oso"ine kristala kvar#a( a nakon toa naveo %ar

%rimjera %rimjene %iezoelektrika u najmodernijim senzorima( motorima( %rinterima itd.

Kristal kvar#a je "ez sumnje znatno u"rzao razvoj tehnoloije te "i dana!nju

modernu tehnoloiju "ilo %uno te3e ostvariti "ez njea. &aime njeova uloa je vrlo

va3na za dana!nju vojsku( industriju i autoindustriju u%ravo z"o svojih jedinstvenih

karakteristika koje nismo us%jeli %ronaći kod niti jedno druo materijala.

Karakteriziraju a vrlo sta"ilni %arametri( relativno mala veličina i niska #ijena dok mu

je najveća mana sama %roizvodnja jer se zahtjeva vrlo velika %re#iznost z"o

minijaturnih veličina.


22/22

;# LITERAT$RA<

). htt%:@@lea%se#ond.#om@h%an@an*;;6*.%d'

*. htt%s:@@hr.Viki%edia.or@Viki@$iezoelektriOC4O8GniWe'ekt

. htt%:@@VVV.#aranddriver.#om@'eatures@te#h6de%artment6%iezo6'uel6inje#tors6

e%lained

4. htt%:@@VVV.tr#%ro.rs@dokumenta#ija@$GI@#lan#i@$iezoTehnoloija.%d'

>. htt%s:@@sr.s#ri"d.#om@do#@));B8B@$iezoelektriOC4O8Gni6%retvaraOC4O8Gi6

i6senzori

B. htt%:@@unze."a@doVnload@Skri%taMetroloija.%d'

. htt%:@@VVV.dire#tindustrX.#om@%rod@dXtran6instruments@%rodu#t6>;46

B>8.html
http://leapsecond.com/hpan/an200-2.pdfhttps://hr.wikipedia.org/wiki/Piezoelektri%C4%8Dni_efekthttp://www.caranddriver.com/features/tech-department-piezo-fuel-injectors-explainedhttp://www.caranddriver.com/features/tech-department-piezo-fuel-injectors-explainedhttp://www.trcpro.rs/dokumentacija/PDF/clanci/PiezoTehnologija.pdfhttps://sr.scribd.com/doc/119068796/Piezoelektri%C4%8Dni-pretvara%C4%8Di-i-senzorihttps://sr.scribd.com/doc/119068796/Piezoelektri%C4%8Dni-pretvara%C4%8Di-i-senzorihttp://unze.ba/download/SkriptaMetrologija.pdfhttp://www.directindustry.com/prod/dytran-instruments/product-37504-965877.htmlhttp://www.directindustry.com/prod/dytran-instruments/product-37504-965877.htmlhttps://hr.wikipedia.org/wiki/Piezoelektri%C4%8Dni_efekthttp://www.caranddriver.com/features/tech-department-piezo-fuel-injectors-explainedhttp://www.caranddriver.com/features/tech-department-piezo-fuel-injectors-explainedhttp://www.trcpro.rs/dokumentacija/PDF/clanci/PiezoTehnologija.pdfhttps://sr.scribd.com/doc/119068796/Piezoelektri%C4%8Dni-pretvara%C4%8Di-i-senzorihttps://sr.scribd.com/doc/119068796/Piezoelektri%C4%8Dni-pretvara%C4%8Di-i-senzorihttp://unze.ba/download/SkriptaMetrologija.pdfhttp://www.directindustry.com/prod/dytran-instruments/product-37504-965877.htmlhttp://www.directindustry.com/prod/dytran-instruments/product-37504-965877.htmlhttp://leapsecond.com/hpan/an200-2.pdf