piezoelektrisiä

Piezoelektrisyys on ominaisuus, jossa tietyt kiteet ja polymeerit tuottavat sähkövarausta mekaanisesta rasituksesta ja vastaavasti muuttavat sähköiseen kenttään perustuvan voiman aiheuttaman rakenteen muodon. Käytännössä mekaaninen paine tai jännitys voi synnyttää varauksen, ja sähköinen kenttä voi puolestaan aiheuttaa materiaalin pienen tai suuremman liikkeen. Ilmiö tunnettiin jo 1880-luvulla Curieiden tutkimuksissa ja siitä kehittyi laaja sovellusten kenttä.

Piezoelektriset vaikutukset syntyvät vain ei-centrosymmetrisissä rakenteissa, joissa sähköinen dipolimomenta ja kiteen rakenteen symmetria mahdollistavat varauksen syntymisen. Direct-piezoelektrinen efekti kuvaa mekaanisen rasituksen aiheuttamaa varausta, kun taas converse-piezoelektrinen efekti kuvaa sähköisen kentän aiheuttamaa deformaatioa. Nämä kaksisuuntaiset ilmiöt mahdollistavat sekä havaitsemisen että toiminnan pienin, tarkoin kontrolloitavin liikkein.

Materiaalit ja tekniikat jakaantuvat luonnonkiteitä sisältäviin sekä keinotekoisesti valmistettuihin. Esimerkiksi kvarts ja turmaliini ovat luonnonpiezoelektrisiä, kun taas keramikkamateriaalit kuten PZT (lead zirconate titanate) sekä muovit kuten PVDF ovat yleisiä synteettisiä vaihtoehtoja. Nykyisin tutkitaan myös lead-vapaita vaihtoehtoja, kuten kykyjä muodostaa piezoelektrisiä rakenteita KNN- tai BZT-BCT-tyyppisillä seoksilla.

Sovellukset kattavat sensorit (kiihtyvyys-, mikrofonia- ja paineanturit), toimilaitteet (pienet aktuaattorit ja nanopositionoinnit), ultraääni- ja lääketieteelliset transduktorit sekä energian keräämisen miltei ympäristön värähtelyistä. Piezoelektrisyys yhdistää mekaanisen ja sähköisen energian tehokkaasti pienissä tiloissa, ja sen kehitys jatkuu sekä suorituskyvyn että ympäristöystävällisyyden parantamiseksi.