PZT – het meest gebruikte piëzo-elektrische materiaal

Piezo-elektrische materialen zetten elektrische energie om in mechanische energie, en vice versa. Piezo komt van het oud-Griekse πιέζειν (piezein) wat ‘drukken’ of ‘persen’ betekent.

Piëzo-elektrische materialen zijn ‘onzichtbare’ materialen die zich overal om ons heen bevinden, maar die toch vrij onbekend zijn bij het algemene publiek. Smartphones, elektronica in de auto, medische technologie en industriële systemen zijn slechts een paar gebieden waarbinnen ‘piëzo’ onontbeerlijk is. Echo’s om de baby in je buik te zien maken gebruik van piëzo, evenals gasaanstekers waarbij een hoge spanning een vonk genereert. Zelfs in de parkeersensor aan de achterkant van je auto komt piëzo voor.

Signalen omzetten in actie – en vice versa
Waardoor is ‘piëzo’ een verschijnsel dat zo vaak voorkomt? Dat komt door de aard van het materiaal zelf: het kan van vorm veranderen – bijvoorbeeld korter of breder worden – door er een elektrische spanning over aan te leggen. Deze verandering van vorm is niet heel groot – doorgaans enkele micrometers – maar gebeurt wel erg snel, binnen milliseconden. Bovendien is de verandering zeer reproduceerbaar en nauwkeurig binnen het nanometer-bereik. Piëzo werkt ook de andere kant op: samendrukken of anderszins vervormen van het materiaal genereert een elektrische lading. Dus het piëzomateriaal is een slim systeem in zichzelf.

Piëzo-elektrische actuatoren – apparaatjes die een elektrisch signaal omzetten in een ‘actie’ zoals een fysieke verplaatsing – spelen een belangrijke rol binnen hightech systemen, en ook binnen de hoogwaardige productietechnologie. Net als piëzo-elektrische sensoren – apparaatjes die een mechanische actie omzetten in een elektrisch signaal. Omdat piëzo-elektrische materialen heel nauwkeurig van vorm kunnen veranderen, worden ze in talloze toepassingen aangetroffen. Niet alleen in inkjetprinters, maar ook bijvoorbeeld in luidsprekers. En omdat piëzo-elektrische materialen voorwerpen op een uitermate nauwkeurige manier kunnen positioneren worden ze toegepast in de scanning tunnelling microscoop (STM) om de naald dicht bij het monster te houden, of in wafersteppers om geïntegreerde circuits oftewel chips te maken.

Tetragonale eenheidscel van PZT

Piëzo-elektriciteit – de ingebouwde dipool is essentieel
Laten we eens dieper duiken in de wisselwerking tussen de elektrische en de mechanische toestand in piëzomaterialen, waarbij we het bekendste piëzo-elektrische materiaal PZT als voorbeeld nemen. PZT is een (Engelse) afkorting voor lood-zirkonaat-titanaat, een keramisch oxide waarbij het kristalrooster uit ionen van lood (Pb), zirkoon (Zr), titaan (Ti) en zuurstof (O) bestaat. Op microscopische schaal zijn de afzonderlijke atomen gerangschikt in een periodiek rooster oftewel een kristal.
Onder de zogenaamde Curie-temperatuur heeft PZT een tetragonale kristalstructuur. Positief geladen Pb-ionen zitten op de hoekpunten van de tetragonale eenheidscel – in feite een kubus die in één richting is uitgerekt – terwijl negatieve O-ionen zich midden op de zijvlakken van de eenheidscel bevinden. De positie van de positief geladen Zr en Ti-ionen – één Zr of Ti-ion voor elke eenheidscel – is enigszins in het midden van de eenheidscel.
Als het PZT-rooster helemaal kubisch zou zijn, dan zouden deze Zr/Ti-ionen zich precies in het midden van de cel bevinden. Maar omdat de eenheidscel in één richting is uitgerekt, wijkt de stabiele voorkeurspositie van het Zr/Ti-ion iets af van deze centrale positie. Vanwege deze verschuiving van de positie van het Zr/Ti-ion, die ongelijk is aan het ladingscentrum van de negatief geladen O-ionen, bezit PZT een natuurlijke permanente elektrische dipool. Hoewel de eenheidscel zelf elektrisch neutraal is, bevinden zich er twee geladen ‘polen’ binnenin – een positieve pool op de positie van het Zr/Ti-ion, en een negatieve pool op het ladingscentrum van de zuurstofionen – die samen een dipool vormen. Het vóórkomen van deze ingebouwde dipool is essentieel voor het piëzo-elektrische gedrag van het materiaal.

Piëzo-elektrisch effect
Een extern elektrisch veld dat wordt aangelegd over deze cel duwt de positieve ionen (zoals de Zr/Ti-ionen) in de richting van dat veld, en trekt de negatieve ionen in de tegenovergestelde richting. Omdat de afstand tussen de tegengesteld geladen ionen is veranderd, wijzigt ook de vorm van de eenheidscel en daardoor van het hele materiaal. Het materiaal vervormt dus doordat er een elektrisch veld over is aangelegd. Dit staat bekend als het omgekeerde piëzo-elektrische effect.
De reactie van het piëzo-elektrische materiaal op (een verandering van) het elektrische veld gebeurt vrijwel direct. Dit is vooral van belang wanneer zo’n materiaal onder wisselstroom of -spanning komt te staan. Een reactie op een megahertz-veld (106 s-1) gebeurt in microseconden (10-6 s).
Om enig gevoel te krijgen van de vervorming van piëzomaterialen: je kunt het niet met het blote oog zien, omdat PZT slechts met 0,1% van z’n oorspronkelijke afmeting toe- of afneemt wanneer er een extern elektrisch veld over aangelegd wordt. Dit is een gering maar lineair effect, en dat is ideaal voor het positioneren van een naald met submicron- of nanometerprecisie zoals in een scanning tunnelling microscoop.
Het directe piëzo-elektrische effect werkt precies omgekeerd. Door het PZT in te drukken bewegen de ionen ten opzichte van elkaar. Met als gevolg dat de grootte van de dipool verandert, en daarmee de lading op het oppervlak van het materiaal. Directe en omgekeerde piëzo-elektriciteit is reversibel (dus omkeerbaar), met slechts minimale energieverliezen.

Het omgekeerde piëzo-elektrische effect (elektrisch naar mechanisch, links) en het directe effect (mechanisch naar elektrisch, rechts)

Veel piëzomaterialen
Er bestaat niet ‘één PZT-materiaal’, aangezien de verhouding van titaan (Ti) ten opzichte van zirkoon (Zr) ionen de samenstelling bepaalt van PbZrxTi1-xO3, waarbij x een waarde tussen 0 en 1 is. En op zijn beurt bepaalt de samenstelling de elektromechanische eigenschappen en het temperatuurbereik waarover het piëzo-elektrische gedrag kan worden waargenomen. Een ander praktisch keramisch piëzomateriaal is lithiumniobaat (LiNbO3), terwijl polyvinylideendifluoride (PVDF) een bekende piëzopolymeer is.

Echoscopie – zien door (niet) te horen
Echoscopie is een typisch voorbeeld van het gebruik van piëzo-elektrische materialen. Echoscopie heeft een belangrijke plaats verworven binnen de medische diagnostiek. Ultrasoon geluid – geluid waarvan de frequentie te hoog is om door het menselijke oor gehoord te worden – wordt gebruikt om te zien wat er zich in het menselijk lichaam bevindt. Een gynaecoloog gebruikt echoscopie om te zien hoe een ongeboren baby zich ontwikkelt in de baarmoeder, en een cardioloog gebruikt deze techniek om een lekkende hartklep te detecteren of om de stroomsnelheid in bloedvaten te bepalen. Echoscopie maakt doorgaans gebruik van een klein, handzaam apparaatje dat over de menselijke huid wordt bewogen om te bekijken wat zich onderhuids bevindt. Deze niet-invasieve techniek is dus pijnloos en eenvoudig te gebruiken.
De echoscoop stuurt geluidsgolven met een frequentie in het megahertz-bereik naar dat deel van het lichaam dat onderzocht moet worden. Dit ultrasone geluid kan door vloeistoffen en zacht lichaamsweefsel heen dringen. Op het grensvlak tussen zacht en hard weefsel, bijvoorbeeld aan de rand van een orgaan, worden deze ultrasone golven tot op zekere hoogte weerkaatst, en dat geeft ruimtelijke informatie over de inwendige lichaamsdelen. Deze weerkaatsing of ‘echo’ vang je daarna op met de echoscoop, en het beeld geef je weer op een monitor met beeldverwerkingssoftware. De tijdsduur tussen het verzenden en het ontvangen van de geluidsgolven is kenmerkend voor de afstand tot het weerkaatsende lichaamsweefsel, aangezien de geluidssnelheid in het menselijke lichaam bekend is. Omdat het verschil tussen de eigenschappen van lichaamsweefsel vaak gering is, moet de ontvanger van het apparaatje heel gevoelig zijn.
Binnen de echoscoop produceren piëzo-elektrische actuatoren de ultrasone golven door met hoogfrequente wisselspanning PZT in trilling te brengen en zo (ultrasoon) geluid te genereren. Sensoren ontvangen de terugkomende geluidsgolven en zetten deze om in een elektrisch signaal voor verdere verwerking tot een afbeelding. In de praktijk is de echoscoop een compact apparaatje waarbij het zenden en ontvangen met hetzelfde (piëzo-elektrische) onderdeel gebeurt. De terugkerende geluidsgolven ontvang je dan in de tussenpozen tussen de uitgezonden geluidsgolven.