אפקט הפיאזו כובש את העולם

Steffan Arnold, PI

חומרים פייזואלקטריים יכולים ליצור מטען כאשר הם נחשפים לכוח, ומשנים את מידותיהם כאשר הם נחשפים לשדה חשמלי. האחים ז’אק ופייר קירי גילו את התופעות האלו הרבה לפני סוף המאה ה-19. הם כינו זאת ‘’אפקט פייזואלקטרי’’ או ‘’אפקט פייזואלקטרי הפוך’’. השם נובע ממילה יוונית עתיקה ‘’פיאזו’’ שמשמעותה ‘’לחץ’’ או ‘’לחיצה’’. הואיל וניתן להשתמש באפקט הפיאזו עבור יישומי חישה, האפקט ההפוך של הפיאזו מתאים עבור בניה של מפעילים (Actuators). לפיאזו מאפיינים ייחודיים אשר עושים אותם מעניינים בהרבה תחומי השמה.
היישומים המסחריים הראשוניים של האפקט ההפוך של הפיאזואלקטריק היו מערכות סונאר אשר השתמשו בהן בצוללות בזמן מלחמת העולם הראשונה. פריצת הדרך התרחשה בשנות ה-40 של המאה הקודמת, כאשר מדענים גילו שגבישים מסוימים מפתחים מאפיינים פייזואלקטריים מובהקים; כאשר הם נחשפים למתח חשמלי לדוגמא, הם מתארכים במידה רבה. חומרים פייזואלקטריים בשימוש היום כמעט בכל מקום, אפילו במקומות שלא ניתן לצפות להם ממבט ראשון. מאפיינים ייחודים של הפיאזו חשובים כאן, אין חשיבות אם הם פעילים כחיישנים, מפעילים (Actuators)  או מתנדים; לדוגמא, עבור ייצור אולטרא-סאונד (תדירות על קולית). מגוון טווחי היישומים הוא משימוש במציתי סיגריות, וביישומי המהום וזמזום במטבחים, דרך היישומים הנ’’ל של סונאר, ועד שימושים בהזרקה ישירה של שסתומים במנועים של רכבים מודרניים, יישומים בהנדסה רפואית ומיצובים מדויקים (Nanopositioning), לדוגמא בייצור של מוליכי למחצה ובאסטרונאוטיקה. (איור 1)
מהירות ורזולוציה גבוהה עם תצרוכת אנרגיה נמוכה
פיאזויים אשר נמצאים בשימוש ביישומי מפעילים (Actuators), מצטיינים בעיקר בהיענות הקצרה שלהם בזמנים של מספר מילישניות והרזולוציה הגבוהה שלהם. באותו הזמן, ניתן להשיג האצות גבוהות של יותר מאשר 10,000g ועד לעומסים של מספר טונות שאותם ניתן להזיז. מאחר ואפקט הפיאזו מבוסס על שדות חשמליים, מפעילי פיאזו אינם מייצרים שדות מגנטיים, וכמו כן אינם מושפעים מהם. שינויים בטמפרטורות הסביבה אינם משפיעים על אפקט הפייזואלקטרי. הפיאזויים פעילים גם בטמפרטורות הקרובות ל-0 מעלות קלווין וניתנים לשימוש בטמפרטורות קריאוגניות. המכניזם אינו נשחק כלל מאחר ואין גלגלי שיניים, מייסבים או חלקים מכנים אחרים הניתנים לשחיקה או הרס. התנועה מבוססת על אפקטים של גבישים במצב מוצק. מפעילי פיאזו של חברת PI (ראה הכתוב בתיבת טקסט 1), עברו מספר מיליארדים של מחזורים במבחני סיבולת ולא הראו שינויים הניתנים למדידה בהתנהגותם. (איור 2), כמו כן, הפיז’ויים צוברים נקודות זכות במונחים של תצרוכת אנרגיה: במצב סטטי (נייח) הם אינם צורכים כמעט כל אנרגיה, אפילו אם הם צריכים לשאת בקביעות עומסים כבדים. התנהגותם ניתנת להשוואה כמו של קבל חשמלי; אין היווצרות של חם במצב נייח.

פיאזו רב שכבתי: רב שימושי ועמיד
מאחר ואפקט הפיאזו המוצג בחומרי גבישים בדידים טבעיים כגון קוורץ, מלח טורמאלין ורושל הוא קטן, פותחו חמרים פרו-אלקטריים רב-גבישי עם תכונות משופרות מוכחות. ה Lead-Zirconate-Titanate  (PZT) זמין בהרבה צורות, והוא הנפוץ ביותר כחומר קרמי עבור מפעילים, או ביישומי חיישנים. ה PZT הוא מאד ‘’קל לקיטוב’’ והוא מאמץ תכונות פייזואלקטריים טובות במיוחד (איור 3). PI מפתחת ומייצרת חומרים פייזוקרמיים אשר מותאמים במיוחד בתחום הרלוונטי של היישומים, בחברת הבת שלה PI Ceramic (ראה הכתוב בתיבת הטקסט 2). העיצוב הבסיסי ניתן למימוש במספר דרכים שונות, אשר מאפשר להם להיות מותאם ליישום בהתאמה: לדוגמא, צינורות פיאזו, מכופפים (benders) ,מפעילי גזירה (shear actuators) או ממירים (transducers). מפעילי ממירים גמישים בשימוש שלהם. טווחי תזוזה גדולים יכולים להיות מושגים (איור 4) על ידי הערמת דיסקים פייזוקרמיים בודדים מופרדים באמצעות אלקטרודות מתכת אחת על גבי השנייה. ככל שהשכבות הבודדות דקות יותר, מתח ההפעלה נמוך יותר. מפעילים רב שכבתיים, שבהם עובי השכבה הבודדת הוא רק כ 20μm, קוסמים עבור יישומים תעשייתיים.
הייצור הרב שכבתי היא פעולה מאוד מורכבת (איור 5): תחילה החומר הקרמי נטחן ונוצרת שכבה שממנה ניתן לצקת שכבה קרמית דקה. לאחר מכן האלקטרודות מודפסות ע”י מסך והדפים, רבדים רבדים. הקרמיקה נדחסת על מנת להוציא את האוויר הכלוא בין שהכבות הבודדות ולאחר מכן מחוממות קצת מתחת לנקודת ההתכה על מנת לייצור גוש מוצק ואחיד (טכנולוגית אש חד תחמוצת הפחמן). בנוסף לכך יש סגירה קרמית מלאה על מנת להגן בפני לחות וכשל הנגרם מעלייה בזרם הזליגה. המפעילים הנקראים בשם Actuators PICMA (איור 6) הינם טובים בהרבה ממפעילי פיאזו המבודדים על ידי פולימר במונחים של אמינות ועמידות, כיוון שכך נמנעת היווצרות קצר בין האלקטרודות, אשר יכול לגרום לנזק בלתי הפיך למפעיל (איור 7). השימוש בקרמיקה בלבד (ללא שימוש בחומרים אורגנים) גורם גם לתדירות תהודה עצמית גבוהה, אשר מתאימה באופן מושלם מפעילים אלה עבור יישומים בעלי דינאמיקה גבוהה.
טכנולוגית ה- PICMA מציעה אפילו יתרונות נוספים. הגבול השימושי העליון בתחום הטמפרטורה הוא 150ºC – רחוק מ 80ºC אשר מיושם בפיאזו רב שכבתיים רגילים ;תכונה זו מהווה יתרון משמעותי בפעולות דינמיות מהירות, היכן שהמפעיל מתחמם, וגם עבור אפיה (baking out) ליישומים של וואקום. בניגוד לרוב הפיאזו הרב שכבתיים המסחריים הניתנים להשגה, ה- PICMA כבר משיגים את התזוזה הנומינלית במתח פעולה משמעותי מתחת ל 150 וולט.

מיצוב במרווחי ננו   (Nanopositioning)
הענות מהירה היא אחת התכונות האופייניות של מפעיל פיאזו. שינוי מהיר במתח ההפעלה, מביא לשנוי מהיר של המיצוב. מפעיל פיאזו יכול להגיע לשנוי מיצוב נומינלי שלו בכמה מיקרו שניות כאשר מתח ההפעלה מועלה באופן פתאומי, וכאשר הבקר יכול לספק את הזרם הנחוץ. המיצוב אינו משתנה באופן לינארי (קווי) עם העלאת המתח. תכונה זו אינה מפריעה ליישומים רבים; יישומי מיתוג לדוגמא ,עבור שסתומי הזרקה, מבוצעים די טוב ללא פעולת מעגל סגור ואלקטרוניקה נוספת. המצב הוא שונה עבור משימות מיצוב מדויקות. במקרים אלה, פעולת מעגל סגור (משוב), מחסלת או מפצה על מאפיינים לא לינאריים כמו היסטרזיס, רעידות (וויברציות), עומס והשפעות זחילה, וכך בחוג סגור נוצרת האפשרות לתנועות ננו מטריות מדויקות. מערכות הנעה מבוססות פיאזו בחוג סגור של חברת PI מאפשרות הדירות (Repeatability) של חלקי ננומטרים, אי לינאריות של  0.01% ,ורוחב סרט עד ל 10kHz. לדוגמא: בקר מיצוב דיגיטלי או אנלוגי ( איור 8) מגדיר מתח של הפיאזו על ידי השוואה של אות התייחסות (target position) עם המצב הנמדד על ידי החיישן ( ערך נוכחי).
על מנת להשיג דיוק מרבי משתמשים במדידה ישירה של החלקים הנעים (Direct Metrology) ע”י מדידים קיבוליים (Capacitive Sensors). אלו המדידים המדויקים ביותר שקיימים כיום בשוק.
מערכות פשוטות ופחות מדויקות, מודדות את התפשטות המניע (actuator). באופן עקרוני ,מערכות פיאזו במעגל סגור, משיגות לינאריות והדירות (היכולת לחזור לנקודה מוגדרת) טובות פי כמה מאשר מערכות במעגל פתוח. מאחר והרזולוציה של מפעילי פיאזו אינם מושפעים מחיכוך, אלא על ידי רעש חשמלי, הרזולוציה של פעולה במעגל פתוח גבוהה מאשר פעולה במעגל סגור; זאת מכיוון שהחיישן ואלקטרוניקת הבקר אשר מייצרים רעש נוסף, לא קיימים במערכת בחוג פתוח.
למרות זאת, החיישן ומעגל הבקרה של בקר הפיאזו חשובים מאד. במערכות באיכות גבוהה, ניתן לקבל רזולוציות של חלקי ננומטר (איור 9) גם בחוג סגור.

מה מציע העתיד?
כיום, קיימים כבר מספר רב של יישומים עבור פיאזו. המגוון נע מהנדסה רפואית וייצור מוליכים למחצה, צילום ברזולוציה גבוהה (pixel interpolation), אסטרונומיה ואסטרונאוטיקה ועד לעיבוד שבבי מדויק, ומדעי המידות והמשקלים (מטרולוגיה). עתיד הפיאזו צופה הרבה מעבר ליישומי מפעילים (actuators). נושאים חשובים בעניין זה הם איסוף אנרגיה וחומרים מרוכבים עם גילוי נזק משולב באסטרונאוטיקה; לדוגמא מתמר טלאי DuraAct (איור 10) מציב גישה מבטיחה למציאת פתרון עבור יישום זה. רכיב הפייזואלקטרי הרב תכליתי יפתח שטח נרחב של יישומים גם במגזר התעשייתי וכמו כן במחקר ופיתוח. הרכיב הקומפקטי והרב כישורים, ניתן לשימוש כחיישן וכמו כן כמפעיל. הוא ניתן לשימוש ביצירת אנרגיה או כמערכת מותאמת. ההתקדמות הטכנולוגית לא תתבסס רק עבור קרמיקת פיאזו. המטרה, היא לפתח חומרים חלופיים אשר תכונותיהם יתקרבו לאלה של PZT אבל כאלה שלא ידרשו את תחמוצת העופרת.
*PI Ceramic היא חברת בת של PI אשר ממוקמת ב- Lederhose גרמניה היא אחת מהשחקניות המובילות העולמיות בתחום מוצרי המפעילים (actuators) וחיישני הפיאזו
*הכתבה נמסרה באדיבות חברת
GOA-TECH