Piezo- és piroelektromos átalakítók – 9.

Érzékelők kialakításának gyakorlati szempontjai

A piezoelektromos átalakítókat működési frekvenciatartományuk szerint kvázistatikus-, dinamikus- és ultrahang-átalakítók csoportjaiba sorolhatjuk. Ehhez jönnek még a statikusan mérő erő- és nyomásmérők, amelyek a felületi hullámterjedés elvén működnek, valamint a piezoelektromos kristályok rezonanciafrekvenciájának hőmérséklet-függésén alapuló hőmérők. Ez utóbbiaknál a mérendő paraméterek lehetnek ugyan statikusak, de a piezoelektromos átalakító működése már a dinamikus tartományba esik.

A zavaró hatások – mint például a termikus hőtágulás, a piroelektromos hatás, az inhomogén mechanikai feszültségeloszlás stb. – kiküszöbölése alkalmanként különleges konstrukciós megoldásokat követel. Az átalakítók és a kapcsolódó erősítőfokozatok szigetelési ellenállásával szemben igen magas követelmények vannak. Ennek ellenére – mint azt a korábbiakban többször említettük – statikus mérésre nincs mód, mivel a keletkezett töltések ezeken az ellenállásokon – ha viszonylag igen nagy időállandóval is – de kisülnek. A dinamikus csoportba tartozó érzékelők az időben változó bemeneti jeleket alakítják át villamos mennyiséggé.

A piezoelektromos átalakítóknak viszonylag egyszerű a mechanikai konstrukciója. Magasabb frekvenciájú – főleg ultrahangtartományba eső – alkalmazások esetén különös gonddal kell eljárni az impedanciaillesztéssel. Ez szilárd testek (átalakítók) és folyadékok esetén általában nem okoz nagy nehézséget, levegőben azonban speciális illesztési transzformációra van szükség.

A piroelektromos érzékelők általában a λ=10 μm hullámhosszúságú, ún. távoli infravörös tartományú termikus sugárzások detektálására alkalmasak. Szemben az ebben a tartományban működő félvezető, sugárzásérzékeny detektorokkal (HgCdTe, PbSnTe), ezek az érzékelők nem igényelnek hűtést. A piezoérzékelőkhöz hasonlóan a piroérzékelők is csak dinamikus mérésekre alkalmasak. Statikus hőmérsékletméréshez a termikus sugárzást az érzékelő bemenetén szaggatni kell.

A piroelektromos érzékelők többfajta kialakításban készülhetnek. Lehetnek egyszerű, differenciál vagy kvadratikus elrendezésűek, de a piroelektromos vidikonokban kétdimenziós mátrixstruktúrájuk van. Az egyszerű kialakítású sugárzásmérők detektorai vagy személyek felügyeleti berendezéseinél alkalmazott passzív infravörös érzékelők a differenciál és kvadratikus elemek hőforrások lokalizálását teszik lehetővé, a vidikonok pedig a hőkép-kamerákban használhatók.

Az 1. táblázat a piezo- és piroelektromos átalakítók anyagainak előállítási lépéseit foglalja össze: 

1. táblázat Piezo- és piroelektromos átalakítók anyagainak előállítási lépései

Egykristályok esetében általában műszaki problémákat okoz a természetben előforduló ásványok felhasználása. Emiatt a mesterséges előállítás lép előtérbe. Összehasonlítva más anyagok előállításával, ezeknek a kristályoknak a mesterséges előállítása igényli a legnagyobb nehézséget. A kerámiák a legkülönbözőbb formában gazdaságosan előállíthatók, a polarizáció utólag (erős villamos térben) hozható létre.

1. ábra Piezoelektromos átalakítók csoportosítása a működési frekvenciatartományuk alapján

A2 1. ábra alapján megállapítható, hogy a piezoelektromos átalakítók felhasználása igen széles körű és szerteágazó, az energiaáramlás irányától függően egyaránt alkalmazzák a direkt és indirekt piezoelektromos hatásokat. Mint látható, a kizárólag méréstechnikai célú felhasználáson kívül nagy számban vannak főleg ultrahangtartományba eső alkalmazások, amelyek egy része szintén méréstechnikai vonatkozású (például távolság-, szint- vagy áramlásmérés), de igen elterjedtek az anyagvizsgálati és orvosdiagnosztikai felhasználások is. Az ábra tartalmazza a hallható hangtartományba eső két tipikus felhasználást, a mikrofonokat és a telefonok membránjait, valamint az analóg hanglemezek lejátszásánál alkalmazott pick-up-okat, de itt kell megemlíteni a számítógépek tasztatúragombjainak az érzékelőit is, amely feladatra a technológiai fejlődés már több – más fizikai jelenségen alapuló – megoldást is létrehozott.

Az ultrahangtechnikában azonban – ahol egy alacsonyabb frekvenciatartományban a piezomágneses ultrahangforrások is előfordulnak – a piezoelektromos átalakítók alkalmazása szinte egyedülálló, a dinamikus méréstechnikában pedig előnyös tulajdonságaik miatt fontos szerepük van a többi – hasonló célú – mérési módszer között.

Egy folyóiratban megjelenő cikksorozat keretei között nem lehet célkitűzés a nagyszámú érzékelőtípus felépítésének, alkalmazástechnikai körülményeinek részletes ismertetése, helyette inkább azt a módszert választjuk, hogy az eddig összeállított elméleti ismeretanyag alapján mutatunk be egy-egy jellegzetes típust, továbbá egy-egy – speciálisan a piezoelektromos technikára jellemző – módszert (például többkomponenses erő- és nyomatékmérés, gyorsuláskompenzált nyomásmérő stb.).

Lesz tehát szó erő-, nyomás- és gyorsulásmérőkről, ultrahangforrásokról, elektromechanikai szűrőkről és a mikrorobotikában használható transzlátorokról. Mindez olyan mélységig, hogy az anyagi tulajdonságok és a hálózatelméleti módszerek gyakorlati alkalmazása érzékelhető legyen. Nem célunk az elektronikában, számítástechnikai eszközökben nélkülözhetetlen elektromechanikai oszcillátorok tárgyalása, az ebben a témakörben érdeklődőknek az idevonatkozó szakirodalom tanulmányozását javasoljuk.

2. ábra Piezoelektromos átalakítóelem-típusok

              a) Lemezformájú elemek longitudinális hatásra

              b) Lemezformájú elemek nyíró igénybevételre

              c) Rúd alakú elemek tranzverzális hatásra

              d) Hengeres vagy csonkakúp alakú forgástestek piezokerámiából

                  (longitudinális, radiális vagy tengelyirányban nyíró

                  igénybevételre)

              e) Bimorf elemek hajlítással tranzverzális hatásra

              f) Csavarásra érzékeny elemek (nyíró mechanikai igénybevétel)

A 2. ábrasorozatban [1] a piezoelektromos átalakítóelemek leggyakrabban előforduló típusai láthatók. Bár az előző fejezetben önkényesen – és hálózatelméleti szempontból viszonylag egyszerűen kezelhető módon – csak néhány átalakító átviteltechnikai tulajdonságát vizsgáltuk, elmondható, hogy a gyakorlatban előforduló típusok viszonylag jelentős hányadát lefedtük ezekkel. A továbbiakban, amikor is konkrétabban rátérünk egy-egy átalakító jellegzetes felépítésére, alkalmazásának lehetőségeire, a 2. ábra a…e fajtáinak elemválasztékából indulunk ki (az f pont elemeinek nehézkes befogása miatt alkalmazásuk gyakorisága elenyésző). A megismert módszer értelemszerű alkalmazásával a tárgyalásra nem kerülő elemkialakítások működése is leírható, csak matematikai kezelhetőségük lényegesen bonyolultabb. Mint említettük, elemzésünknek nem a teljességre való törekvés a közvetlen célja, hanem a megismert módszerek alkalmazásának az ismertetése.

Az alkalmazástechnikai gyakorlatban a jelátalakítást végző piezoelektromos átalakító-elemeken kívül (amelyekkel ez idáig igen részletesen foglalkoztunk) rendkívül fontos az elektródák kivitelezése és a különféle szigetelőanyagok kiválasztása, gyártása és beépítése, szükség esetén a mechanikai előfeszítést végző alkatrészek kialakítása, továbbá az érzékelők tokozásának és villamos csatlakozásának a kivitelezése is. Itt a belső felépítés finommechanikai konstrukciós és anyagtechnológiai kérdéseit kell megoldani, figyelembe kell venni a környezeti hatásokat (hőmérséklet, nedvességtartalom, légszennyeződés stb.), továbbá az esetenként igen szigorú elektrotechnikai előírásokat. Minderről monográfiák, összefoglaló könyvek készültek, amelyekre az érdeklődő olvasóknak a korábbi fejezetekben már többször is felhívtuk a figyelmét.

Folytatjuk!

Szerző: Dr. Fock Károly

Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.