Piezoelektrische Materialien, von denen piezokeramische Materialien eine Teilmenge sind, sind besonders nützlich, weil sie aus einer physikalischen Kraft und / oder mechanischen Verformung eine elektrische Ladung erzeugen können. Ein Bereich, in dem dieser Mechanismus eingesetzt werden kann, ist eine ausgewählte Anzahl von Sensoren. In diesem Artikel untersuchen wir, wie piezokeramische Materialien in Sensoranwendungen eingesetzt werden können und wie diese Sensoren funktionieren.
Piezoelektrische Materialien
Piezoelektrische Materialien sind eine Klasse von Materialien, die den "piezoelektrischen Effekt" aufweisen und in vielen Formen vorliegen können. vorausgesetzt, sie haben ein zugrunde liegendes regelmäßiges Kristallgitter. Daher weisen anorganische Materialien häufiger piezoelektrische Eigenschaften auf (obwohl es einige Ausnahmen gibt).
Der piezoelektrische Effekt ist die Erzeugung einer elektrischen Ladung, wenn ein Material einer physikalischen Kraft ausgesetzt wird. In vielen Fällen ist diese Kraft eine Verformung oder Kompression oder eine induzierte Spannung / Dehnung. Es gibt auch einen inversen piezoelektrischen Effekt, der im wesentlichen dem piezoelektrischen Effekt entgegengesetzt ist; Ein Material dehnt sich unter angelegter Spannung aus oder zieht sich zusammen.
Damit ein kristallines Material den piezoelektrischen Effekt zeigen kann, muss sein Kristallgitter nicht zentrosymmetrisch sein und Ionen mit einer großen effektiven Ladung besitzen. Ionen mit einer geringeren effektiven Ladung können einen piezoelektrischen Strom erzeugen, der jedoch häufig viel kleiner ist.
Das Vorhandensein einer physikalischen Kraft bewirkt, dass sich die interne Kristallgitterstruktur des Materials ändert, und es ist dieser Mechanismus, der zur Erzeugung der elektrischen Ladung führt. In einem normalen Kristallgitter sind Ionen gut geordnet (abgesehen von Defekten auf atomarer Ebene, die immer in der einen oder anderen Form vorliegen). Es ist die Verzerrung dieses gut geordneten Gitters, die den piezoelektrischen Effekt erzeugt, während die gesamte neutrale Ladung erhalten bleibt. Unter einer physikalischen Kraft werden die Ionen im Gitter eng zusammengedrückt, wodurch ein Ladungsungleichgewicht entsteht, das im gesamten Material mitschwingt. Dies führt dazu, dass die beiden Enden des Kristalls entgegengesetzte Ladungen aufweisen und eine Spannung erzeugen. Sobald die Kraft entfernt wurde, kehrt das Material in seinen normalen Zustand zurück.
Piezokeramische Sensoren
Wie der Name schon sagt, sind piezokeramische Sensoren Sensoren, bei denen das aktive Erfassungsmaterial sowohl aus Keramik als auch aus Piezo besteht. Keramische Werkstoffe sind anorganische, nichtmetallische Werkstoffe. Es gibt viele Beispiele, die in diese Kategorie fallen, einschließlich anorganischer Oxide, Nitride und Carbide. Ein verbreitetes Beispiel für eine Piezokeramik, die in Sensoren verwendet wird, ist Blei-Zirkonat-Titanat, das allgemein als PZT bekannt ist.
Da der piezoelektrische Effekt in vielen physikalischen Umgebungen erzeugt wird, können piezokeramische Sensoren verwendet werden, um Änderungen physikalischer Faktoren zu messen, einschließlich Druck, Beschleunigung, Temperatur, induziertem Schock, Dehnung oder Kraft. Eine Änderung der Umgebung führt zu einer Krafteinwirkung auf die Piezokeramik, die zu einer elektrischen Ladung führt, die vom Sensor erfasst und gemessen werden kann. Ein Beispiel sind Spannungs- / Dehnungsmessstreifen, die im Tiefbau verwendet werden und bei denen die Verschiebung einer Struktur (egal wie klein sie ist) erfasst werden kann, während sie eine Kraft auf den Sensor ausübt.
Die meisten piezokeramischen Sensoren messen mehr als eine Eigenschaft, wobei Druck und Beschleunigung am häufigsten sind. Bei Beschleunigungsmessern wird ein etwas anderer Mechanismus verwendet. Mechanismen, die auf eine direkte Kraft auf den Sensor angewiesen sind, werden als aktive Sensoren bezeichnet, wohingegen ein Beschleunigungsmesser ein passiver Sensor ist. Dies bedeutet, dass eine Kraft von einer anderen Komponente im Sensor ausgeübt wird, wenn sich der gemessene Parameter ändert. Bei Beschleunigungsmessern wird eine seismische Masse an dem piezokeramischen Material angebracht und drückt mit einer relativen Kraft nach unten, wenn sich das erfasste Objekt beschleunigt.
Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung von piezokeramischen Werkstoffen in Sensoren besteht darin, dass sie sich an viele verschiedene Geometrien anpassen können, ohne ihre funktionalen Eigenschaften zu verlieren. Während sie unter Kompression eine elektrische Ladung erzeugen, ändert sich die physikalische Volumenstruktur nicht so sehr, und dies verhindert, dass sie bei längerer Verformung brechen. Piezokeramische Werkstoffe sind auch gegen elektromagnetische Strahlung beständig, wodurch sie in einer Reihe von Umgebungen für eine Reihe von Anwendungen eingesetzt werden können.
Geschrieben von Liam Critchley
