Piezo kristály

A piezoelektromosság olyan fizikai jelenség, melynek során bizonyos anyagokon nyomás hatására elektromos töltésszétválasztás történik. A mechanikai nyomás elektromos feszültséget eredményez. Visszafelé is működik, tehát elektromos feszültség hatására megváltozhat az alakja a kristálynak, amit  inverz piezoelektromosságnak nevezzük. A jelenség tehát megfordítható, ugyanabban az anyagban oda-vissza működik. A szimmetriaközépponttal nem rendelkező szerkezetű kristályos anyagokban a deformáció (rugalmas alakváltozás) hatására elektromos dipólusok keletkeznek, mert a pozitív és negatív töltésközéppontok különválnak, vagy a már meglévő dipólusok hossza megváltozik. A kristály szemben álló lapjain – a mechanikai feszültség keltette dipólusok rendeződése miatt – ellentétes előjelű elektromos töltések halmozódnak fel, ami elektromos feszültséget hoz létre. A deformáló erő irányváltozásakor az előjel felcserélődik, az elektromos tér és a feszültség is előjelet vált. A fordított piezoelektromos jelenség akkor lép fel, ha a piezoelektromos kristály valamelyik kristálytengelyével egybeeső irányú elektromos térbe kerül. A térerősség irányától függően az elektromos tér hatására, annak irányától függően összehúzódik vagy megnyúlik. A méretváltozás az elektromos tér erősségének nagyságával arányos és irányfüggő. (A középpontos szimmetriával rendelkező szerkezetű anyagokban létrejövő elektrostrikció jelensége ettől különbözik, ott a méret megváltozása a térerősség négyzetével arányos, és független az elektromos tér irányától. Bizonyos piezoelektromos anyagok (pl. turmalin) hőmérséklet-változás hatására deformálódnak, ami ellentétes előjelű elektromos töltéseket hoz létre a megfelelő határfelületeken, ez a jelenség a piroelektromosság. A piroelektromosság egy olyan fizikai jelenség, melynek során bizonyos kristályok határfelületein a hőmérséklet megváltozásakor ellentétes előjelű, un. polarizációs töltések jelennek meg. A hőmérséklet-változás a töltésszétválasztás révén elektromos feszültséget hoz létre.Az alkalmazásokban leggyakrabban előforduló piezojelenséget mutató kristály a hatszöges rendszerben kristályosodó kvarc (SiO2), amelynek rácspontjaiban felváltva helyezkednek el a pozitív és negatív ionok. Piezoelektromos tulajdonságot mutat valamennyi ferroelektromos anyag és bizonyos kerámiák is. Például az ólom-cirkonát-titanát (PZT) már a méretének 0,1%-os megváltozása révén mérhető piezoelektromosságot produkál.Egy piezoelektromos anyagot két fémlap között összenyomva a fémlemezek feltöltődnek, és ezzel elektromos szikrát lehet gerjeszteni (öngyújtó, gázgyújtó). Ezt a tulajdonságot kihasználva készítenek apró generátorokat is. Az inverz piezoelektromos jelenség alapján állítanak elő nagyon stabil frekvenciájú órajeleket. A rákapcsolt váltakozó feszültségnek köszönhetően a kristály rezgőmozgást végez. Rezonancia révén a saját frekvenciájával megegyező frekvenciájú elektromos jellel stabil mechanikai rezgés állítható elő. Ezt használják ki a kvarcóráknál. Órajel-generátorként kerámiarezonátorokat is használnak. Bár a kvarckristály frekvenciastabilitása nagyságrenddel nagyobb a kerámiáéhoz képest, de az utóbbi sokkal olcsóbb elérhetősége több alkalmazásnál is előny lehet. Alkalmas frekvenciájú elektromos jelekkel ultrahangtartományba eső mechanikai rezgések is előállíthatók. Fordítva is, piezoelektromos tulajdonságú anyagokkal UH-frekvenciájú hangok detektálhatók. A jelenség tehát mind az UH előállítására, mind az érzékelésére alkalmas eszközök működésében jelentős szerepet játszik. Jelentős a piezojelenség alkalmazása minden olyan tudományos berendezésben, ahol nagyon kicsiny elmozdulásokat kell mérni, vagy elektromos jelekkel kontrolláltan előidézni. Piezoelektromos transzlátorokat alkalmaznak, amikor a mintát vagy bármilyen optikai elemet nanométeres nagyságrendű elmozdulásokkal kell mozgatni, például nagy felbontású pásztázó mikroszkópokban (atomerő-mikroszkóp, konfokális pásztázó mikroszkóp, elektronmikroszkóp, közeli mező optikai mikroszkóp) vagy lézercsipeszben. Jelentős a jelenség katonai hasznosítása. Már az első világháború utáni években használták a szonár megalkotásához. Ugyancsak alkalmazzák lövedékek gyújtóiban. Ezt az elvet alkalmazzák a ma használatos dízelinjektorok. A piezojelenség gyorsaságának köszönhetően az ilyen injektorok mozgása nagyon gyorsan, pontosan vezérelhető. Nagyrészt ennek köszönhető, hogy a modern dízelmotorok mind tisztaságban, mind teljesítményben felvehetik a versenyt benzines társaikkal, miközben fogyasztásuk kisebb. nanométerben lehet kalibrálni vele, például az injektorok esetén preciziós szonár vagy Mechanikai deformáció, például nyomás vagy ütés hatására bizonyos kristályokban a különböző előjelű töltéscentrumok szétválnak, és a kristály meghatározott lapjai között elektromos feszültség alakul ki. Egyes kristályok, pl.: kvarc (SiO2), Seignette-só, turmalin (boroszilikátok) megfelelő irányú deformációja elektromos potenciálkülönbséget eredményez, azaz a kristály polarizálódikA kristályok deformációja során a kationok és anionok vagy a dipólusok egy kicsit aszimmetrikusan eltolódnak és dipólusok keletkeznek. Ez eredményezi a felületen már kimutatható polarizációs töltést. (A kristály ionjai ugyan nem mozdulhatnak el, de a fémfóliában a megosztás révén létrejött töltések már szabadon mozoghatnak.) A jelenség számos szervetlen kristályos anyagban megfigyelhető. Sok fontos alkalmazási területe ismert a piezoelektromos jelenségnek. HAsználható feszültség és nyomásmérésre, mechanikai rezgések érzékelése, ultrahangforrások és bakelit hanglemezek hangszedőjeként, de kristály-mikrofonokban, tintasugaras nyomtatási technológiában, piezoelektromos szikragyújtók (öngyújtó, gázgyújtó) piezo hangszórókat használnak ébresztőórákban, egyéb elektronikus eszközökben és házimozi rendszerek magassugárzójaként. ellenállnak a túlterhelésnek, nagyfrekvenciás teljesítményük növelhető így speciális körülmények között is alkalmazható. Tengerben sonárként, a szilárd kialakítás miatt ellenáll a tengervíznek. Hidrofonokban is használják. Új hidrofon technológia a búvárok által használt ultrahangos képalkotás. Piezo fémezett film fólia koaxkábelben. akusztikus gitárok hangjának erősítésére, kutyariasztóban csipogók riasztórendszerekben, ahol a fényjelzés mellett hangjelzéssel is jelzik az eseményeket.Gépjárműben alkalmazható piezo sziréna ultrahangos rendszerekben, de autómosóban is használják.Impulzus és dopler efektusként alkalmazzák.nyomásmérés távolságmeghatározása piezo kristály és a piezoelektromosság fontos szerepet játszik az elektrotechnikában, ám felhasználási területe túlmutat ezen. Mind a közlekedésbiztonság, mind a biztonságtechnika fontos alapeleme a piezo kristály és nem csak az ébresztő óránk csipogója, vagy egy dallamot játszó képeslap. A bemutatott felhasználási módokon túlmutatva elképzelhető, hogy a jövő nyitásérzékelőiben, vagy zárjaiban is találkozhatunk ezen alkatrésszel. A közlekedésbiztonsági alkalmazáshoz hasonlóan parkolóhelyek, mélygarázsok biztonságának növeléséhez is felhasználható az eszköz, de lövedék begyújtására is használják. A kristályoszcillátor egy elektronikus oszcillátor, melynek működési alapja a piezoelektromos jelenség (piezoelektromosság). A mechanikus rezgések frekvenciává alakulnak át a kristályban. A kristályoszcillátort pontos és stabil frekvencia előállítására használják (digitális órák, számítógépek órajele, rádióadók/vevők, stb.). A legáltalánosabban használt piezoelektromos rezonátor a kvarckristály, de más piezoelektromos anyagok is alkalmazhatók, mint például a polikristályos kerámiák. Kvarckristályokat néhány kilohertztől több megahertzes frekvenciára készítenek. Több mint 2 milliárd kristályt készítenek évente karórákba, órákba, mobiltelefonokba, számítógépekbe, rádiókba. Kvarckristályok részei a műszereknek, mint például, oszcilloszkópok, számolók, jelgenerátorok, mérőkészülékek. A kristályok olyan szilárd anyagok, amelyekben az atomok, molekulák szabályos rendben, a tér mindhárom irányában ismétlődő minta szerint helyezkednek el, a térrácsot háromdimenziós elemi cellák hozzák létre. Elvileg majdnem minden elasztikus anyag használható lenne rezonáns frekvencia előállítására. A rezonáns frekvencia az anyag alakjától, méretétől és elaszticitásától függ. Nagyfrekvenciás kristályokat derékszögletes lapkákra vágják, a kisfrekvenciás kristályok alakja inkább a hangvillára hasonlít. Gyakran helyettesítik a kristályokat olcsó kerámiarezonátorokkal. A kvarckristályokkal elő lehet állítani a piezoelektromosság jelenségét. Ilyenkor a kristály úgy viselkedik, mint egy RLC áramkör (ellenállás, induktivitás és kapacitásból álló áramkör). A kvarckristályok további pozitív tulajdonsága, hogy megfelelő előállítás esetén igen alacsony a hőmérsékletfüggésük. Kritikus alkalmazásoknál, a kristályt tartalmazó eszközt hőmérséklet stabilizátor eszközzel tartják állandó hőmérsékleten, ilyen például a kristálykályha. Ha egy kapacitást párhuzamosan kapcsolunk a kristállyal, akkor a párhuzamos rezonancia lefele változik.Ez lehetővé teszi, a frekvencia szabályozását. A kristálygyártók úgy gyártják a kristályokat, hogy azok egy adott frekvencián működjenek. A kristályvezérelt oszcillátor áramkör fenntartja az oszcillációt, ha feszültséget kap a rezonátortól, majd ezt erősíti, és visszacsatolja a rezonátorba. A frekvenciát alapjában a kristály szerkezete határozza meg. A kristályvezérelt áramkör visszacsatolás révén állítja be stabilan a frekvenciát, és a keskeny sávszélesség miatt kiszűri a nemkívánt felharmonikusokat. A kimenő frekvencia az alapvető rezonáns érték vagy annak többszöröse. Számítógépes video képernyőknél NTSC rendszerű színes TV vevőkermészetesen frekvencia osztókkal, sokszorozókkal, fáziszárt hurkokkal, elő lehet állítani tetszőleges frekvenciákat is, ahol a stabilitást a kvarckristály oszcillátor adja.