לחץ על גביש פיאזואלקטרי (תחמוצת צורן), גורם ליצירת זרם חשמל בתדר של הגביש.
מתנד גבישי (באנגלית: Crystal oscillator) הוא מתנדחשמלי, המתבסס על גבישפיאזואלקטרי,[1]אותו גילו האחים פייר וז'אק קירי ב־1880. הם גילו את הבסיס הפיזיקלי של האפקט הפיאזואלקטרי בגביש הקוורץ שיוצר תנודות בתדר קבוע כאשר מעבירים דרכו זרם, או יוצר זרם כאשר מופעל עליו התדר.
אפקט ישר (Direct): כאשר מפעילים לחץ או מתח מכני על החומר, נוצר על פניו מטען חשמלי ומתח חשמלי אפקט הפוך (Inverse/Converse): כאשר מפעילים שדה חשמלי על החומר, הוא מתעוות מכנית – מתכווץ או מתרחב. התנודות החשמליות אופייניות רק לתדר המסוים ובגורם איכות (Q) גבוה מאוד. תדר זה משמש לקליטה או שידור בתדר הנמצא בתהודה עם התדר של המתנד. מערכות קליטה ושידור לדוגמה בתדרי רדיו, שעונים, מחשבים ומערכות משובצות מחשב, ועוד. הגביש הנפוץ ביותר הוא גביש קוורץ, או גרמניום.[2]
פיאזואלקטריות (באנגלית: Piezoelectricity; מיוונית: πιέζω, פיאזו – ללחוץ או למחוץ) היא תכונה של גבישיםקרמיים מסוימים, וכן חומרים ביולוגיים כמו עצם, דנ״אוחלבונים מסוימים, ליצור מתח חשמלי בתגובה ללחץמכני. התכונה נתגלתה על ידי פייר קירי, שגם נתן לה את שמה.
תכונות – המנגנון מבוסס על מבנה גבישי לא-סימטרי של החומר. המבנה הגבישי מורכב מ"תא יחידה", שהוא מקבץ בסיסי של אטומים בעל מבנה פנימי הנקבע על-ידי המבנה המולקולרי של התרכובת (או היסוד) המרכיבים את הגביש וחוזר באופן מחזורי בסידור תלת-ממדי המרכיב סריג. המרחקים שבין תאי היחידה בכיוונים השונים הם הפרמטרים של הסריג. תכונות הסימטריה של הגביש מתוארות על ידי חבורת ההזזות שלו, שהיא חבורה של סימטריות הזזה, המתאימות למבנה המחזורי בהנחה שהוא נמשך ללא הפרעה. לכן זיהום כימי של הגביש מפריע לתכונות הפיאזו אלקטריות.[3]
בגביש פיאזואלקטרי, האטומים מסודרים באופן שיוצר דיפולים חשמליים – הפרדה מרחבית בין מטענים חיוביים ושליליים, סדר זה נובע ממבנה האטומים בתוך הסריג של הגביש. במצב רגיעה, הדיפולים מאוזנים ואין מטען חיצוני נטו. בתדר התהודה, הרעידות המכניות מוגברות מאוד והגביש מתנהג כמו מסנן תדר חד־צר (high Q resonator): הוא מגביר את התדר המדויק שלו ודוחה תדרים אחרים.
באפקט הישיר: כאשר מפעילים לחץ מכני המבנה הגבישי מתעוות, מה שגורם לשינוי במרחק בין המטענים החיוביים והשליליים בתוך הגביש ונוצר קיטוב חשמלי – הפרדת מטענים שמתבטאת במתח חשמלי על פני החומר. עם זאת, מצב זה אינו יציב והגביש חוזר למצבו הראשוני, וכך נוצרת תנודה הרמונית בתדר התלוי במבנה הכימי של הגביש, בעוביו ובתכונותיו הפיזיקליות.
באפקט ההפוך: שדה חשמלי חיצוני מושך ודוחה את האטומים הטעונים במבנה הגבישי אבל המתנד יופעל רק אם התדר של השדה החשמלי (או המגנטי) יהיה בתהודה של התדר של הגביש.
התוצאה היא שינוי בממדי הגביש (התרחבות או התכווצות) או עיוות הצורה שלו. העיוות יכול לגרום גם לסגירת מעגל חשמלי נוסף או פתיחתו.
תגובת הגביש הפיאזואלקטרי ללחץ.
לדוגמה, כאשר לוחצים על גביש קוורץ (SiO₂), אטומי הסיליקון והחמצן נעים זה ביחס לזה, ויוצרים קיטוב חשמלי. במצב זה משתנה גם ההתנגדות של הגביש לזרם המופעל לאורך ציר הגביש.
כאשר נגרם רטט מכנִי, הנמצא בתהודה עם הגביש הוא מייצר בחזרה מתח חשמלי בתדר זהה. המתח הזה מוזן חזרה למעגל החשמלי מתקבלת לולאת משוב חיובי – האות החשמלי גורם לרטט מכני, הרטט המכני מחזיר אות חשמלי באותו תדר והמעגל מחזק שוב את אותו אות. כך נוצרות תנודות יציבות.
היינריך גיאורג ברקהאוזן (Heinrich Georg Barkhausen, 1881–1956) היה פיזיקאי ופרופסור גרמני, אחד מאבות האלקטרוניקה המודרנית ותורת התקשורת.
אפקט ברקהאוזן (אנ') הוא תופעה מגנטית מיקרוסקופית. כאשר משנים בהדרגה את השדה המגנטי על חומר פרומגנטי, המגנטיזציה לא משתנה בצורה חלקה אלא בקפיצות קטנות. האפקט נובע מתזוזת מבנה יסודי מגנטי הנקרא דומיין בתוך החומר. אפקט זה משמש להבנת מבנה גבישים מגנטיים ומשמש גם לבדיקות לא הרסניות של מתכות. כמו כל מתנד אלקטרוני, גם מתנד פיאזואלקטרי חייב לקיים שני תנאים בסיסיים:[4]
תנאי המופע (הפאזה) – האות המוחזר במשוב חייב להיות באותו מופע כמו האות המקורי. כלומר בתהודה (בדיוק אותו התדר).[5]
תנאי ההגבר – ההגבר הכולל בלולאת המשוב חייב להיות שווה או גדול מ־1 (הגבר יחידה).שאלמלא כך התגובה תחלש ותעלם
בגביש קוורץ התנאים הללו מתקיימים באופן טבעי סביב תדר התהודה ולכן מתקבל מתנד ( אוסצילטור) יציב.
דוגמה נפוצה היא משוב חיובי בין רמקול, מגבר ומיקרופון, שגורם לצפצוף חד בתדר זה.
עד שנות הארבעים של המאה ה־20, השתמשו, בעיקר בשידור וקליטה של גלי רדיו, במעגלים אלקטרוניים הבנויים משילוב של קבל וסליל. כאשר התכונות החשמליות של הסליל (יצירת שדה חשמלי) בתהודה עם הקיבול החשמלי של הקבל. שינוי הקיבול החשמלי של הקבל משנה את התדר, והחלפת הסליל משנה את הערוץ (כמו מעבר מ־AM ל־FM). מנגנון זה עדיין בשימוש במקלטי רדיו. מאידך, בתקשורת טלפונית או צבאית ובהפעלת מערכות מרחוק משתמשים במתנדים פיאזואלקטריים לדיוק בקליטה ושידור ומניעת האזנה לא רצויה.[6]
מצתי גז – לחיצה על הכפתור משחררת מתח שנצבר בקבל, המתח הגבוהה יוצר ניצוץ בין שני מוליכים בקצה המצת. תדר המתנד קובע את קצב הניצוצות.
חיישני לחץ – במכוניות, מכשירים רפואיים, ובתעשייה. רגישות גבוהה של הגבישים הפיאזואלקטריים מאפשרת תגובה מהירה ומדויקת למגוון רחב של שינויי לחץ או טמפרטורה.
הכוונה הייתה להפיק חשמל כתוצאה מלחץ חוזר של נסיעת רכב או תנועת אנשים.
Club Watt, רוטרדם (2008) – מועדון לילה שהתקין רצפה פיאזואלקטרית ברחבת הריקודים שמייצרת חשמל להפעלת התאורה (מאפשרת התאמת סוגי תאורה לפי קצב הריקודים)
תחנת רכבת טוקיו (2008) – יפן התקינה אריחים פיאזואלקטריים בכניסה לתחנת הרכבת בטוקיו. מיליוני הולכי רגל ביום ייצרו חשמל לתאורה ושלטים.
Sustainable Dance Club ( הולנד) – אחד החלוצים בשימוש מסחרי ברצפות אנרגיה, בעיקר במועדונים ורחבות ריקודים.
כבישים בישראל – היו דיונים וניסויים לשילוב הטכנולוגיה. לא הגיעו לשלב הטמעה.
אתגרים – למרות הפוטנציאל, השימוש המסחרי עדיין לא כלכלי בגלל עלות גבוה. תקנה יקרה מאוד ביחס לתפוקת האנרגיה ביעילות נמוכה (ההכנסה מכמות החשמל המופקת קטנה יחסית להשקעה)[9]
תפוגה: שחיקה מהירה בתנועה כבדה מחייבת תחזוקה – קשיים בתיקון והחלפת רכיבים. הטכנולוגיה כיום מתאימה להדגמה חינוכית ופיילוט טכנולוגי מאשר לפתרון אנרגיה כלכלי בקנה מידה גדול.
מדפסות הזרקת דיו – מתח חשמלי גורם ללוחית הנמצאת במחסנית לדחוף טיפות דיו זעירות בהתאם לאותות החשמליים ממחשב המדפסת.
מנועים פיאזואלקטריים – תנועה מדויקת במיקרוסקופים אלקטרוניים, טלסקופים ומכשירים עדינים. כמו בשעונים, תנודת הגביש מתורגמת למתח המוגבר ומניע את המכשיר.
מיקוד אוטומטי במצלמות – מיקודעדשת המצלמה תלוי במרחק העצם המצולם, במהירות הצילום הרצויה (חשיפה) ומצב הצמצם של המצלמה. במצלמות הממוזערות הקיימות כיום נעשה השכלול וההתאמה אוטומטי והתאמת עדשות בדיוק ננומטרי. כאשר המרחק נקבע על-ידי קרן לייזר, והאור על-ידי גשש פיאזואלקטרי הרגיש לאור. הנעת העדשה קדימה ואחורה לפי אורך המוקד הרצוי נעשית על-ידי מנוע פיאזואלקטרי.[10]
חימום במיקרוגל – גביש יוצר תנודות בתדר גבוהה שיוצר גלים קצרים ובאנרגיה גבוהה. האנרגיה מוגברת במשוב חיובי. ככל שהגלים המופקים קצרים יותר, התדר והאנרגיה שלהם גבוהים יותר. הגלים המופקים מניעים מולקולות מים וחומר אורגני הנמצאים במוקד ונוצר חימום.
רמקולים וזמזמים (buzzers) – המרת אותות חשמליים לרעש או צליל באורכי גל הנקבעים על-ידי תכונות הגביש.
אולטרה סאונד רפואי – גבישים פיאזואלקטריים מפיקים תדרים התואמים לתגובת רקמות שונות, למשל לפי תכולת המים שברקמה. תנועת המולקולות האלה בעומק הרקמות יוצרת הד אקוסטי שנקלט בחזרה במכשיר ומתורגם לתמונה. בעוצמה גבוהה משתמשים בשיטה זו גם לריסוק כמו אבנים בכליות ובמרה או גידולי עצם שפירים.[11]
חיישנים לזיהוי נוגדנים ואנטיגנים המבוססים על גבישים פיאזואלקטרים. a – חיישן לזיהוי אנטיגנים. נוגדן ספציפי קשור ללוח פיאזואלקטרי. נוכחות האנטיגן גורמת לתגובה חשמלית. b – אותה שיטה לזיהוי נוגדנים. האנטיגן קשור ללוח. c – מערכת בדיקה רציפה, המאפשרת בדיקה תוך זרימה של דגימות.
חיישנים ברפואה – בנוסף לאפקט האולטרה-סאונד משתמשים בגבישים אלה גם לגילוי נוגדנים, זיהוי וירוסים (אנטיגנים) ובדיקות דם:[12]
סונארים – מכשיר גילוי עצמים במים, למשל בצוללות. שידור קול בתדר גבוהה מוחזר מעצמים מתכתיים הנמצאים במרחק, המכשיר מודד את המרחק ומאפשר איתור מיקום מדויק גם במרחק של קילומטרים.
שעוני קוורץ – גביש הקוורץ מתנדנד בתדר קבוע ויציב מאוד (בדרך כלל 32,768 הרץ) כאשר עובר דרכו זרם חשמלי, ומשמש כ"פעימת לב" מדויקת למדידת הזמן. ב־1927 בנו אותו לראשונה ורן מריסון (Warren Marrison) וג'וזף וו. הורטון (Joseph W. Horton) מחברת Bell Telephone Laboratories בארצות הברית שנחשב לשעון הקוורץ הראשון. הוא היה שעון מעבדתי גדול ומדויק מאוד, ששימש כתקן זמן.
ב־1969 השיקה סייקו היפנית את Seiko Quartz Astron 35SQ, שעון היד הקוורץ המסחרי הראשון בעולם. זו הייתה מהפכה בתעשיית השעונים. וכך בדומה לתגלית הטרנזיסטור, הפכו היפנים המצאה אמריקאית לנכס כלכלי.
מנועים פיאזואלקטריים ( אקטואטורים) – מנועים זעירים ומדויקים במיוחד לשינוי כיוון לוויינים
הדגמת הפעולה של אקטואטור: שני צמדים של מתכת פיאזואלקרית מתפשטים ודוחפים את גלגל המנוע בתדר הקבוע שלהם כאשר מעבירים זרם חשמלי. השיטה מאפשרת יצירת מנועים זעירים ומדויקיםיתרון: אין צורך בדלק, פועלים על חשמל, דיוק ננומטרי. שילוב חיישנים עם בינה מלאכותית ומחשבי-על מאפשרים התאמת התנועה בחלל, שימוש במראות טלסקופים חלליים להתאמה אופטית דינמית
מבנים מסתגלים (אדפטיביים) – מבנים המתאימים עצמם אוטומטית לתנאי הטיסה או הטמפרטורה בתעופה ובחלל. לדוגמה: כנפי לווין שמשנות צורה בעזרת אקטואטורים פיאזואלקטריים, בקרת רעידות בגוף החללית.
ניטור – המרת רעידות ותנודות בחללית, או שינויים בשדות מגנטיים בחלל, זיהוי קרבה מסכנת של עצמים הנעים בחלל.[13]
מעבדים וזיכרונות מתקדמים – FeRAM) Ferroelectric RAM) – זיכרון מבוסס חומרים פיאזואלקטריים או פרו אלקטריים. צריכת אנרגיה נמוכה, מהירות גבוהה, עמידות לקרינה (חשוב לחלל).
שידור וקליטה בתדרים גבוהים – מאפשרים שידורים במהירות גבוהה כבר היום (5G ו־6G). מסננים פיאזואלקטריים לתדרים גבוהים יוצרים מתנדים מדויקים למערכות תקשורת קווית ואלחוטית. כך נתין גם להעביר במוליך אחד תדרים רבים, כמו בסיבים אופטיים.
אקוסטיקה ואלקטרוניקה – SAW (Surface Acoustic Wave) devices – גלים אקוסטיים על פני שטח. שימוש בסמארטפונים, כמו Wi-Fi,או Bluetooth, בתדר קבוע. כך ניתן לתאם בין מכשירי BT, קיים כבר היום.[14]
בקרה מדויקת של מכונות ורובוטים, תקשורת בין מכונות בקווי הייצור, מנועים מדויקים וחוסכי אנרגיה, מזעור של רכיבים והקטנת הבלאי (אמורטיזציה). כל זה תומך בהקטנת עלויות הייצור, מוצרים אחדים ומדויקים למרט הנדרש בכל סוגי התעשייה.[10]
רובוטיקה רפואית ננומטרית – רובוטיקה המבוססת על רכיבים מיקרוסקופיים מדויקים וחסכונים. לדוגמה: מניפולטורים כירורגיים ברמת דיוק של מיקרונים, רובוטים זעירים להזרקת תרופות ממוקדת, על-ידי שימוש במנועים פיאזואלקטריים (אקטואטורים).[15]
שתלים חכמים – קוצב לב ללא סוללה, המופעל מתנועת השרירים בלבד. שריר הלב הפועל שמושתל בו מתנד יכול להפיק די אנרגיה שתפעיל את הקוצב. חיישנים (סנסורים) ביו-פיאזואלקטריים למעקב רפואי מתמיד – בדומה לחיישנים לגילוי נוגדנים, ניתן להשתיל "מעבדה מיקרוסקופית" המכילה חיישנים לנתונים הנדרשים, למשל ריכוז סוכר בדם, אנליטים (תרכובות מוגדרות) שונים וכדומה. השתלת חיישנים פיאזואלקטריים המדווחים על הלחץ על העצמות ועל עמידותן ללחץ. נושא חשוב ברפואת החלל.
אולטרסאונד מתקדם – תחום זה מתקדם כבר היום. הדמיה תלת-ממדית בזמן אמת, טיפול ממוקד בגידולים (HIFU - High Intensity Focused Ultrasound), מאפשר טיפול ממוקד בעומק הרקמות ללא צורך בניתוח.[16]
נושא שבו ההתקדמות עוברת את גבולות הדמיון, ורובה עדיין לא מפורסמת לדוגמה: סונאר מתקדם – זיהוי צוללות ומוקשים תת-ימיים, תקשורת תת-ימית, שלא ניתנת להאזנת האויב, שימוש בגלים קצרים (כמו מכ"ם) גם לאיתור גופים בחלל. חליפות "שלד חיצוני" – הגברת כוח לחיילים בעזרת אקטואטורים פיאזואלקטריים. תנועת האיברים מתורגמת לאותות חשמליים המפעילים מנועים בעוצמה הגדולה מכח השריר. הפעלת רכב אוטונומי ונשק אוטונומי.[17][18][19]
שעונים אטומיים קומפקטיים – שילוב טכנולוגיה פיאזואלקטרית לייצוב תדרים במערכות ניווט מדויקות ביותר
חומרים חכמים (Smart Materials) – מבנים שמגיבים לסביבה ומשנים תכונות פיזיקליות לבוש המכיל חיישנים לרובוטים כמו חוש מישוש, ראיה מלאכותית תלת־ממדית ועוד.[20]
↑K H Stewart, [DOI 10.1088/0370-1298/63/7/308 Domain Wall Movement in a Single Crystal], Published under licence by IOP Publishing Ltd
Proceedings of the Physical Society. Section A Volume 63, Number 7, 1950
ערך מורחב – מתנד אלקטרוני
