Til hovedinnhold

Piezoelektriske materialer for sensorer, aktuatorer og ultralyd-teknologi

Piezoelektriske materialer for sensorer, aktuatorer og ultralyd-teknologi

Piezo-materialer gir mulighet for direkte overgang mellom elektriske signaler og mekaniske bevegelser. Teknologien benyttes i et bredt spekter av komponenter og produkter som brukes i ulike sektorer i samfunnet, med anvendelser som spenner fra medisinsk ultralyddiagnostikk og dieselinjektorer til doppler-strømningsmålere og ekkolodd.

Visse materialer blir elektrisk polariserte hvis de blir utsatt for mekanisk trykk. Dette kalles piezoelektrisitet, og den fysiske årsaken er knyttet til elektriske dipoler i materialet. Avhengig av anvendelsen kan piezoelektriske materialer benyttes på to forskjellige måter:

  • En elektrisk polarisasjon kan genereres ved å påføre en mekanisk belastning på materialet. Dette kalles den direkte effekten og brukes ofte i sensorer.
  • En bevegelse, belastning eller mekanisk kraft kan genereres ved å påføre et elektrisk felt. Dette kalles den omvendte effekten og kan brukes i aktuatorer.

En komponent som benytter både den direkte og den omvendte effekten kalles ofte en signalomformer eller transduktor. En signalomformer kan virke både som en sensor, dvs. motta et mekanisk signal, og som en aktuator, dvs. skape en mekanisk bevegelse eller sende ut en lydbølge.

SINTEF tilbyr kompetanse på piezo-materialer til bruk i et bredt spekter av anvendelser. Materialene kan formes til for eksempel tynne filmer, plater, skiver, arrayer eller flersjikts-strukturer. Ved fremstilling som tynne filmer blir materialene vanligvis deponert på silisiumskiver. De piezoelektriske tynne filmene kan mønstres og mikromaskineres ved hjelp av moderne metoder som litografi og etsning.

SINTEF har avansert utstyr for deponering av tynne piezoelektriske filmer i vakuum.

Dagens mest brukte piezoelektriske materiale er oksidet bly-zirkonium-titanat (PZT). På grunn av giftigheten til blyholdige forbindelser er det et generelt ønske om å erstatte PZT med miljøvennlige blyfri materialer. EU har vedtatt flere forskrifter for å beskytte mennesker og miljø mot farlige stoffer i elektrisk utstyr. De viktigste er begrensninger på bruken av slike stoffer (RoHS-direktivet, "Restriction of Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment") og på håndtering av avfall (WEEE3-direktivet, "Waste of electrical and electronic equipment"). På grunn av mangelen på erstatningsmaterialer og betydningen av piezoelektrisk teknologi for samfunnet, har PZT fått et tidsbegrenset unntak fra denne grensen.

Piezoelektrisitet. Til venstre: En mekanisk belastning skaper ladninger på overflaten til det piezoelektriske materialet (direkte effekt). Til høyre: Et elektrisk felt forårsaker en bevegelse i materialet (omvendt effekt).

I de siste årene har det blitt gjort betydelige fremskritt i utviklingen av nye piezoelektriske materialer uten bly, som kan erstatte PZT. SINTEF er engasjert i denne utviklingen med partnere i Norge og utlandet.

Prosjekter/lenker:

  • OXIPATH – Oksider for piezoelektriske komponenter, batterier og termoelektriske komponenter
  • PiezoMEMS - the enabling technology for your future smart device
  • PIEZOMED – Miljøvennlige piezoelektriske materialer for sensorer, aktuatorer og implantater i medisinsk teknologi
Senior forretningsutvikler