מהם חיישנים פיזואלקטריים?
חיישנים פיזואלקטריים הם רכיבים אלקטרוניים המתבססים על התכונה הפיזואלקטרית שהיא היכולת של חומרים
מסוימים לייצר מתח חשמלי בתגובה ללחץ מכני, ולהפך.
תכונה זו הופכת אותם לאמצעים חיוניים למדידת תנועה, לחץ, תאוצה, קול ורעידות במערכות מדעיות,
רפואיות, תעשייתיות וביטחוניות.
מהי תופעת הפיזואלקטריות?
הפיזואלקטריות (Piezoelectricity) היא תופעה פיזיקלית שבה חומרים מסוימים מפתחים מתח חשמלי כאשר
מופעל עליהם כוח מכני (דחיסה, מתיחה או כיפוף).
תופעה הפוכה קיימת גם כן כאשר מוחל מתח חשמלי על חומר כזה הוא משנה את צורתו הפיזית (אפקט פיזואלקטרי הפוך).
חומרים פיזואלקטריים נפוצים
גבישי קוורץ (Quartz)
חומרים קרמיים מסוג PZT (lead zirconate titanate)
פולימרים כמו PVDF (polyvinylidene fluoride)
גבישים אורגניים מסוימים
עקרון פעולה של חיישן פיזואלקטרי
חיישן פיזואלקטרי מורכב בדרך כלל מאלקטרודות הצמודות לחומר פיזואלקטרי. כאשר מופעל כוח על המבנה,
נוצר מתח על פני החומר, והוא נאסף על ידי האלקטרודות.
הזרם שנוצר תלוי בקצב השינוי בכוח, מה שהופך את החיישן לרגיש במיוחד לשינויים מהירים,
אך פחות יעיל למדידה סטטית.
סוגים של חיישנים פיזואלקטריים
חיישני תאוצה פיזואלקטריים מודדים תאוצה ורעידות. שימושים: בתחום הרכב, בתעשיית החלל,
במכונות כביש ובגלאי רעידות.
חיישני לחץ פיזואלקטריים מודדים שינויים בלחץ גזים או נוזלים. נפוצים בתחום הרפואי
(מדידת לחץ תוך גולגולתי למשל).
חיישני קול ותדר – מיקרופונים, חיישני אולטרסוניקה ורמקולים מבוססים לעיתים על אפקט פיזואלקטרי.
חיישני כוח ודינמיקה מיועדים למדידת עומסים דינמיים (למשל בניסויי זעזועים).
יתרונות חיישנים פיזואלקטריים
רגישות גבוהה מאוד לתנודות
ממדים קטנים – ניתן לשלבם במיקרו-מערכות (MEMS)
אמינות גבוהה – אין חלקים נעים
עמידות בטמפרטורות גבוהות ולחות
הפקת אנרגיה עצמית (self-powered) – אינם דורשים מקור כוח חיצוני במדידות מסוימות
חסרונות חיישנים פיזואלקטריים
לא מתאימים למדידה סטטית – מאחר והם מודדים שינוי בכוח ולא כוח קבוע
רגישות לרעשי רקע – במיוחד בתדרים גבוהים
דורשים מערכות כיול מדויקות – לעיתים יחד עם הגברה ומעגלים אלקטרוניים נלווים
יישומים טכנולוגיים של חיישנים פיזואלקטריים
רפואה: אולטרסונוגרפיה, ניטור לחץ, רגישות לפעימות לב
תחבורה: חיישני כריות אוויר, ניטור רעידות בגלגלים, מערכות בלימה חכמות
ביטחון וחלל: גלאי פיצוצים, תאוצה בטילים, ניטור מבנים (structural health monitoring)
אינטרנט של הדברים (IoT): איסוף אנרגיה ממקורות מכניים, חיישנים אלחוטיים מבוססי רעידות
תעשייה וייצור: ניטור תקלות במכונות, בקרת איכות בקווי ייצור
חדשנות ומחקר עתידי בנושא חיישנים פיזואלקטריים
חומרים פיזואלקטריים חדשים: פיתוח חומרים אורגניים וגמישים לחיישנים לבישים
מערכות MEMS/NEMS: אינטגרציה של חיישנים פיזואלקטריים במערכות מיקרו-אלקטרומכניות
איסוף אנרגיה (Energy Harvesting): שימוש ברעידות לטעינת רכיבים קטנים כגון חיישני IoT
ביואלקטרוניקה: שילוב חיישנים פיזואלקטריים ברקמות חיות לזיהוי תנועה או פעילות ביולוגית
שאלות ותשובות למתקדמים בנושא חיישנים פיזואלקטריים
מהם ההבדלים בין חיישן פיזואלקטרי קרמי לבין פולימרי, ומתי נעדיף כל אחד מהם?
חיישן קרמי (למשל PZT) מצטיין בקבוע פיזואלקטרי גבוה ורגישות רבה, אך הוא פריך ונשבר בקלות.
חיישן פולימרי (למשל PVDF) גמיש יותר, עמיד בפני סביבה לחה, אך פחות רגיש.
שימושים: קרמי – מערכות תעשייתיות או רגישות גבוהה.
פולימרי – חיישנים לבישים, סביבה ביולוגית, או כאשר נדרשת גמישות מכנית.
כיצד ניתן למדוד כוח סטטי בעזרת חיישן פיזואלקטרי אם הוא מגיב רק לשינויים?
באופן עקרוני, חיישן פיזואלקטרי אינו מתאים למדידה של כוח סטטי כיוון שהמטען החשמלי מתפוגג עם הזמן.
עם זאת, ניתן להשתמש בשיטות עקיפות:
שימוש במערכת אלקטרונית עם קבלים בעלי דלף נמוך לשימור המטען.
מדידת שינויים זעירים בכוח סביב ערך ממוצע, או המרה של הכוח הסטטי לתנועה תנודתית (למשל על ידי רעידות יזומות).
מהו הקשר בין מקדם הפיזואלקטריות (d) לבין ביצועי החיישן, וכיצד נבחר חומר בהתאם ליישום?
מקדם הפיזואלקטריות dijd_{ij}dij מציין את כמות המטען החשמלי המיוצרת ליחידת כוח.
ככל ש־ddd גבוה יותר, הרגישות של החיישן גבוהה יותר.
ליישומים שדורשים דיוק ורגישות גבוהה נבחר חומר עם מקדם גבוה (כגון PZT).
ליישומים שבהם יש תנועה מהירה או סביבה קיצונית נבחר חומר עם יציבות תרמית ומכאנית גבוהה.
