تحقیق سنسورهای پیزوالکتریک و کاربردهای آن



بسم الله الرحمن الرحیم

موضوع

سنسورهای پیزوالکتریک و کاربردهای آن

پاییز 96

فهرست
مقدمه 3
تاریخچه اثر پیزوالکتریک 5
اثر پیزوالکتریک (Piezoelectric Effect) 13
کاربرد امواج فراصوتی در مواد پیزو الکتریک 15
ارتباط اثر پیزو الکتریک با ساختار مولکولی مواد 16
وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما 16
وجود اثر پیزو الکتریک در تک بلور 16
کاربرد مواد پیزوالکتریک 17
مبدل های پیزوالکتریک (Piezoelectric Transducer) 17
محرک های پیزوالکتریک (Piezoelectric Actuator) 17
اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس 20
اساس اثر پیزوالکتریک : 21
کاربردهای اثر پیزوالکتریک 23
اثر فشاربرقی 25
تاریخچه 26
اکتشاف و پژوهش های اولیه 26
سازوکار و ساختمان 28
فشار مکانیکی اعمالی 29
طبقه بندی کریستال ها 29
مواد 29
کریستال های ذاتی 29
سایر مواد طبیعی 30
کریستال های دست ساز 30
سرامیک های دست ساز 31
پیزوسرامیک های بدون سرب 31
پلیمرها 32
کاربردها 32
منابع با ولتاژ و توان بالا 32
حسگرها 32
پیزوالکتریک در نانو 33

مقدمه
واژه ی پیزوالکتریک به معنای الکتریسیته ای است که ناشی از فشار می باشد، این کلمه از دو واژه ی یونانی پیزو به معنای فشار دادن و الکترون گرفته شده است. پیزوالکتریک باری است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می شود (مخصوصاً در کریستال ها، بعضی سرامیک ها و اجسام زیستی مانند استخوان، DNA و پروتئین های مختلف) . لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده و الکتریک نماد عنبر است .( یک منبع قدیمی جریان الکتریکی) اثر پیزوالکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می شود. اثر پیزوالکتریک یک فرآیند قابل برگشت است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک(تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می کنند اثر پیزوالکتریک معکوس(تولید داخلی نیروی الکتریکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می کنند.
به عنوان مثال سرامیک های PZT O۳ ۰≤x≤۱) اگر به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه گیری تولید خواهند کرد. برعکس اگر میدان الکتریکی به آن ها اعمال شود به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد. پیزوالکتریک استفاده های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الترونیکی، میکروبالانس ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن اشعه های نور در مقیاس بسیار بزرگ. این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM، AFM، MTA انجام شد. SNOM همچنین استفاده های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگار
اثر پیروالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط Carl مطالعه شد و با الهام از این موضوع ادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه ای وجود دارد گرچه آزمایش های آن ها نتیجه ی قاطعی نداد.
اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران آن ها دانششان را از پیروالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش بینی رفتار کریستال ها شد و اثبات کردند کریستال های خاصیت پیزوالکتریک دارند و Rochelle salt بیش ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می کنند. اگرچه Curies اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش بینی نکرد، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط Gabriel Lippmann در سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. بلافاصله وجود اثر معکوس را تایید کرد و به تحقیقات خود ادامه داد تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی- الاستیکی -مکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک را بدست آورد.
خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده ی رفتار الکتریکی ماده است.
برای آشنایی بیشتر در این زمینه (حسگر های پیزوالکتریک ) میتوانید دو مقاله ای که به صورت فایل زیپ قرار داده شده است را دانلود کنید
رفتار پیزوالکتریک یا پیزوالکتریسیته عبارتست از تولید الکتریسیته ایجاد شده توسط پلاریزاسیون توسط یک کریستال در اثر اعمال تنش.
زمانی که یک میدان الکتریکی به یک کریستال پیزوالکتریک اعمال شود، تحت کرنش قرار می گیرد که اصطلاحا آن را رفتار پیزوالکتریک معکوس می نامند.
شرط ضروری برای پیزوالکتریک بودن یک کریستال، عدم وجود تقارن مرکزی در ساختار کریستالی است.
ترکیبات سرب-زیرکنات-تیتانات PZT با ساختار پروسکایت، ZnO و کوارتز مثالهایی از مواد پیزوالکتریک هستند.
پیزوالکتریک Piezoelectric خاصیتی است که برخی کریستالها و از جمله کوارتز به هنگام اعمال ولتاژ به آنها تحت فشار قرار می گیرند یا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکی، یک ولتاژ تولید می کنند از این خاصیت بلور کوارتز در ساعت استفاده می کنند که با اعمال ولتاژ از طریق باطری ساعت و در نظر تعداد خاصی نوسان بلور در یک ثانیه، ثانیه شمار ساعت به اندازه یک ثانیه پیش می رود یکی دیگر از کاربردهای کوارتز به دلیل داشتن خاصیت پیزوالکتریک، فرستنده های رادیویی، گیرنده های رادیویی و کامپیوترهاست به نوعی می توان گفت که تمام وسائل منقول و غیرمنقول، دقت و ظرافت خاص خود را مدیون این خاصیت کوارتز هستند تحقیقات نشان می دهند که اگر پاندول درون یک زنگوله به شکل یک بلور کوارتز ساخته شود و به حرکت درآید و به اصطلاح زنگوله به صدا در بیاید، برای یک دقیقه زنگ خواهد زد حقیقت این امر در اینست که تقریبا هیچ انرژی در این ماده تلف نخواهد شد در صورتیکه محورهای یک زنگ کوارتز دقیقا منطبق با محورهای تک بلور کوارتز باشد، دارای ولتاژ نوسانی در سطح خود خواهد بود جالبتر اینکه میزان این ولتاژ و نوسان آن هیچ ربطی به دما نخواهد داشت
تاریخچه اثر پیزوالکتریک
به سبب تلاشهای Jacques Curie و Pierre Curie در 1880 مفهوم پیزوالکتریک بوجود آمد. این فیزیکدانان کشف کردند که کریستال های مشخصی وجود دارند که وقتی که استرس یا کشش مکانیکی بر آنها اعمال می گردد بصورت الکتریکی قطبیده (پولاریزه) می شوند.
بنابر این تمام المان های مکانیکی نظیر استرس، کشش، تراکم (فشردگی) و کشیدگی می توانند ولتاژهایی را در کریستالهایی مشخص تولید کنند. این مقوله بوسیله Jacques و Pierre بنا نهاده شده که وقتی نیروی مکانیکی بر کریستالهایی نظیر tourmaline، topaz، quartz، Rochelle salt و Cane sugar اعمال می شود این نیرو منتهی به تولید بارهای الکتریکی متناوب بر وجه های مخالف آن می شود ومتعاقباً آن می تواند برای تولید ولتاژ الکتریکی استفاده شود.
کریستال هایی که وقوع این اثر در آنها مترتب است را کریستالها یا مواد پیزوالکتریک نامند. بنابراین وقتی که استرس بر یک کریستال پیزوالکتریکی اعمال می شود، آن استرس منتهی می شود به تولید ولتاژ در سراسر سطح آن. این کریستال ها می توانند به عنوان خازن هایی که ولتاژی کم بر آنها اعمال شده شناخته شوند. ولتاژ ایجاد شده مشخصاً زیاد نیست، اما می تواند به میزان زیادی با استفاده از تقویت کننده ها تقویت شود.
پس از کشف معمای پیزوالکتریک، اثر معکوس پیزوالکتریک در سال های اخیر در طی تحقیقاتی صحتش اثبات شد. در هر اثر وارون پیزوالکتریک، وقتی ولتاژ خارجی بر کریستالهای پیزوالکتریکی اعمال می شوند، آنها ناهمگونی ریز مقیاسی در شکل و سایز از خود نشان می دهند. الکتریسیته تولید شده در طی فرآیند اثر پیزوالکتریک بعنوان پیزوالکتریک شناخته می شود.

در بلورها پراکندگی و فاصله اجزا ? دارای نظم هندسی ویژه ای است که معمولا" در تمام جهتها یکسان نیست برخلاف بلورها در جامدهای بی شکل یا غیر بلورین پراکندگی و فاصله اجزای سازنده آنها در همه جهتها یکسان است از این رو بعضی از خواص فیزیکی جامدهای غیر بلورین ? مانند رسانایی گرمایی ? انتشار نور و رسانایی الکتریکی نیز در همه جهتها یکسان است به این جامدهای غیر بلورین همسانگرد ایزوتروپ می گویند چون خواص فیزیکی بیشتر جامدهای بلورین در جهتهای مختلف متفاوت است به آنها ناهمسانگرد آن ایزوتروپ می گویند تنها بلورهایی که در دستگاه مکعبی متبلور می شوند مانند اجسام غیر بلورین عمل می کنند چون در سه جهت فضایی دارای ابعاد مساوی هستند پدیده ناهمسانگردی سبب پیدایش خواصی در بلورها می شود ? که کاربردهای مختلف و مهمی در صنعت دارند مثلا" اگر بلورهایی مانند کوارتز و یا تورمالین را از دو طرف بکشیم و یا فشار دهیم در جهت عمود بر فشار یا کشش دارای بار الکتریکی مخالف یکدیگر می شوند اگر جهت این فشار یا کشش را عوض کنیم نوع بار الکتریکی تغییر می کند به این پدیده پیزوالکتریک می گویند گرما در بعضی از بلورها الکتریسته ایجاد می کند و سبب می شود یک سوی آنها بار مثبت و سوی مقابل بار منفی بیابد در نتیجه میان این دو سو اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود می آید همچنین اگر به این بلور جریان الکتریکی متناوب وصل کنیم بلورها به تناوب منبسط و منقبض می شوند و بر اثر ارتعاش ? صوت تولید می کنند از این خاصیت برای تولید صوت ? ماورای صوت ? نوسانهای الکتریکی ? ساختن میکروفونهای بلوری و سوزن گرامافون استفاده می شود بعضی از بلورها مانند بلور عنصرهای ژرمانیم ? سیلیسیم و کربن خاصیت نیمه رسانایی دارند و تا اندازه ای جریان الکتریکی را از خود عبور می دهند اگر بلورهای نیمه رسانا را گرما دهیم و یا در مسیر تابش نور قرار دهیم ? مقاومت الکتریکی آنها کم می شود و الکتریسیته را بهتر عبور می دهد نیمه رساناها در صنایع الکترونیک و مخابرات به صورت دیود و ترانزیستور و قطعه های دیگر الکترو نیکی به کار می روند دیود یا یکسو کننده از دو قطعه بلور نیمه رسانا ساخته می شود و برای یکسو کردن جریانهای متناوب به کار می رود ترانزیستور از سه قطعه بلور نیمه رسانا تشکیل می شود و برای تقویت جریانهای ضعیف و یکسو کردن جریان متناوب به کار می رود.
پیزوالکتریسیته خاصیتی است در مواد بلوری که در روند ان فشار وارد شده بر بلور ایجاد الکتریسته می کند و به عکس اعمال الکتریسیته باعث ایجاد فشار می شود دلیل این امر در بلور کوارتز با فرمول SIO2 ان است که در حالت معمولی ودر حالتی معین از بلور کوارتز شش گوشی تشکیل می شود که گوشه های ان به صورت یک در میان با یون اکسیزن و سیلیس اشغال شده است این شش گوش بدون اعمال فشار در حالت ایستایی الکتریکی است ولی فشار باعث می شود که این حالت بهم بخورد وبلور از حالت پایداری الکتریکی خارج شود و الکترون اضافی را به صورت الکیریسیته ازاد کند و به عکس اعمال الکتریسیته باعث به هم خوردن سطح شش گوش می شود وبنابر این فشاری در بلور ایجاد میشود از این ویزگی استفاده های بهنهایت زیاد در تکنولوزی شده است که ساده ترین ان ساعت دست شما ترازوی مغازه ها و و از همه واضح تر احساس فشاری است که شما از وارد امدن یک جسم بر بدن خود دارید که الکتریسیته حاصل از فشار را به مغز شما می رساند به مارماهی توجه کنید که ایجاد فشار بر بدن خویش باعث تولید الکتریسیته ای می شود که می تواند حتی انسان را بکشد درباره خاصیت پیزوالکتریسیته کوارتز در کتب کانی شناسی و کریستالوگرافی مطالب کافی نوشته شده است انچه امروز تکنولوزی به دنبال ان است پیدا کردن مواد ارزان سنتتیک با همان ویزگیهای پیزو الکتریسیته برای مطالعه بیشتر سری انتشارات دانشنامه مواد زیر چاپ
بسیاری از پلیمرها و سرامیکها و ملکولها مانند آب بطور دائمی قطبی می باشند و بخشی از این ملکولها دارای قطب مثبت و سمت دیگر آنها قطب منفی می باشد هنگامیکه به این مواد قطبی تحت تاثیر یک منبع الکتریکی واقع می شوند عناصر قطبی انها خود را با جهت الکتریکی منبع مزبور هماهنگ می کنند و با قطع ولتاژ تحریک کننده این خاصیت را از دست می دهند در این میان مواد پیزو الکتریک مانند بلور کوارتز و یا تیتانیت باریم در پی تحریکی که باعث تغییر در مختصات ذرات قطبی شده شروع به ایجاد یک ولتاژ الکتریکی می کنند در نتیجه : خاصیت پیزو الکتریسیته هنگامی به ظهور می رسد که بلور تحت تاثیر یک فشار مکانیکی قرار بگیرد و در این زمان قطب مثبت در یک وجه بلورهای نارسانا مانند کوارتز و قطب منفی نیز در وجه مخالف آن ایجاد میگردد از این خاصیت در ساخت وسائلی مانند میکروفونها و فونوگرافها و در فیلتر سازی امواج در تلفن ها و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.
در بازار اقتصادی سرامیک های نوین، سرامیک های الکتریکی یکی از جاافتاده ترین بازارهای موجود است. علاوه بر گسترش زمینه های مصارف قبلی، مصارف جدید مربوط به کاربردهایی است که پیزوالکتریک ها و خصوصاً پیزوسرامیک ها اخیراً وارد آن حیطه ها شده اند. با توجه به مطالب ارائه شده و نقش تعیین کننده ی این نوع قطعات در صنایع مختلف و در راستای گام نهادن در مسیر خودباوری و خوداتکایی و دستیابی به دانش روز، چنین به نظر می رسد که اهمیت و ضرورت پایه گذاری صنایع الکتروسرامیک ها و از جمله پیزوالکتریک در کشور، امری روشن، واضح و قابل درک است
جهت دستیابی به اطلاعات اولیه و کسب آمارهای موجود به مراکز متعددی مراجعه شد. نوع، کمیت و ارزش اقتصادی نیازهای داخلی در زمینه ی پیزوالکتریک و پیروالکتریک و مشخص نمودن زمینه های تکنولوژی و تولید صنعتی آن در ایران، زمینه های تحقیقاتی در ایران، شناخت متخصصان ایرانی در داخل و خارج از کشور و در ادامه آمار واردات و صادرات (تولید و مصرف) در ایران تحلیل شد. برآورد و تخمین نیازهای داخلی (نیازهای فعلی تا سال 1400 هجری شمسی) نشان داد که نیاز داخلی تا سال 1400 حدود 40 میلیون قطعه پیزو و پیروالکتریک است و باید اقدام لازم در این خصوص صورت گیرد
در ابتدا، به مواد جدید به عنوان اساس تکنولوژی های نوین در جهان و نقش آن در توسعه ی تمدن بشری اشاره ای شد. آن گاه جایگاه پیزوالکتریک ها و پیروالکتریک ها همراه تاریخچه، انواع، تئوری، خواص و کلیات کاربردی بررسی گردید. در مرحله ی دوم، به جمع آوری اطلاعات و آمار در داخل و خارج از کشور پرداخته و ارائه و تجزیه و تحلیل آن ها صورت گرفت. و در ادامه، شناسایی مراکز مهم علمی – اقتصادی در جهان صورت گرفت. در مرحله ی سوم، بررسی وضعیت داخلی با جزئیات بیش تر ارزیابی گردید
کاربرد پیزوالکتریک ها رده های محتلف است:
1- به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهییج، شتاب سنج …)
2- به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی (در دیسک های صوتی، میکروفون، بلندگو و زنگ اخبار و …)

3- در دریافت و انتقال امواج التراسونیک (پروب امواج التراسونیک، سنسورهای AE و کنترل امواج التراسونیک
4- در تولید ولتاژ و جرقه با ولتاژ بالا (جرقه زن) و کاربردهای دیگر (ماشین آلات برقی، وسایل پزشکی و خانگی،
بیوسنسورها و…
بررسی های به عمل آمده نشان داده است که از بازار 200 میلیارد دلاری سرامیک ها در جهان، حدود یک سوم آن یعنی حدود 63 میلیارد دلار، مربوط به سرامیک های پیش رفته است. در بازار اقتصادی سرامیک های نوین، سرامیک های الکتریکی (که شامل پیزو و پیروالکتریک ها هم می شود) یکی از جاافتاده ترین بازارهای موجود است. آمارهای موجود نشان می دهد که بازار مواد پیزو و پیروالکتریکی در جهان، تقریباً 11 میلیارد دلار (در سال های 2001-2000) بوده است رفتار پیزوالکتریک یا پیزوالکتریسیته عبارتست از تولید الکتریسیته ایجاد شده توسط پلاریزاسیون توسط یک کریستال در اثر اعمال تنش.
زمانی که یک میدان الکتریکی به یک کریستال پیزوالکتریک اعمال شود، تحت کرنش قرار میگیرد که اصطلاحا آن را رفتار پیزوالکتریک معکوس مینامند.
شرط ضروری برای پیزوالکتریک بودن یک کریستال، عدم وجود تقارن مرکزی در ساختار کریستالی است.
ترکیبات سرب-زیرکنات-تیتانات PZT با ساختار پروسکایت، ZnO و کوارتز مثالهایی از مواد پیزوالکتریک هستند.
پیزوالکتریک Piezoelectric خاصیتی است که برخی کریستالها و از جمله کوارتز به هنگام اعمال ولتاژ به آنها تحت فشار قرار می گیرند یا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکی، یک ولتاژ تولید می کنند از این خاصیت بلور کوارتز در ساعت استفاده می کنند که با اعمال ولتاژ از طریق باطری ساعت و در نظر تعداد خاصی نوسان بلور در یک ثانیه، ثانیه شمار ساعت به اندازه یک ثانیه پیش می رود یکی دیگر از کاربردهای کوارتز به دلیل داشتن خاصیت پیزوالکتریک، فرستنده های رادیویی، گیرنده های رادیویی و کامپیوترهاست به نوعی می توان گفت که تمام وسائل منقول و غیرمنقول، دقت و ظرافت خاص خود را مدیون این خاصیت کوارتز هستند تحقیقات نشان می دهند که اگر پاندول درون یک زنگوله به شکل یک بلور کوارتز ساخته شود و به حرکت درآید و به اصطلاح زنگوله به صدا در بیاید، برای یک دقیقه زنگ خواهد زد حقیقت این امر در اینست که تقریبا هیچ انرژی در این ماده تلف نخواهد شد در صورتیکه محورهای یک زنگ کوارتز دقیقا منطبق با محورهای تک بلور کوارتز باشد، دارای ولتاژ نوسانی در سطح خود خواهد بود جالبتر اینکه میزان این ولتاژ و نوسان آن هیچ ربطی به دما نخواهد داشت.
در بلورها پراکندگی و فاصله اجزا ? دارای نظم هندسی ویژه ای است که معمولا" در تمام جهتها یکسان نیست برخلاف بلورها در جامدهای بی شکل یا غیر بلورین پراکندگی و فاصله اجزای سازنده آنها در همه جهتها یکسان است از این رو بعضی از خواص فیزیکی جامدهای غیر بلورین ? مانند رسانایی گرمایی ? انتشار نور و رسانایی الکتریکی نیز در همه جهتها یکسان است به این جامدهای غیر بلورین همسانگرد ایزوتروپ می گویند چون خواص فیزیکی بیشتر جامدهای بلورین در جهتهای مختلف متفاوت است به آنها ناهمسانگرد آن ایزوتروپ می گویند تنها بلورهایی که در دستگاه مکعبی متبلور می شوند مانند اجسام غیر بلورین عمل می کنند چون در سه جهت فضایی دارای ابعاد مساوی هستند پدیده ناهمسانگردی سبب پیدایش خواصی در بلورها می شود ? که کاربردهای مختلف و مهمی در صنعت دارند مثلا" اگر بلورهایی مانند کوارتز و یا تورمالین را از دو طرف بکشیم و یا فشار دهیم در جهت عمود بر فشار یا کشش دارای بار الکتریکی مخالف یکدیگر می شوند اگر جهت این فشار یا کشش را عوض کنیم نوع بار الکتریکی تغییر می کند به این پدیده پیزوالکتریک می گویند گرما در بعضی از بلورها الکتریسته ایجاد می کند و سبب می شود یک سوی آنها بار مثبت و سوی مقابل بار منفی بیابد در نتیجه میان این دو سو اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود می آید همچنین اگر به این بلور جریان الکتریکی متناوب وصل کنیم بلورها به تناوب منبسط و منقبض می شوند و بر اثر ارتعاش ? صوت تولید می کنند از این خاصیت برای تولید صوت ? ماورای صوت ? نوسانهای الکتریکی ? ساختن میکروفونهای بلوری و سوزن گرامافون استفاده می شود بعضی از بلورها مانند بلور عنصرهای ژرمانیم ? سیلیسیم و کربن خاصیت نیمه رسانایی دارند و تا اندازه ای جریان الکتریکی را از خود عبور می دهند اگر بلورهای نیمه رسانا را گرما دهیم و یا در مسیر تابش نور قرار دهیم ? مقاومت الکتریکی آنها کم می شود و الکتریسیته را بهتر عبور می دهد نیمه رساناها در صنایع الکترونیک و مخابرات به صورت دیود و ترانزیستور و قطعه های دیگر الکترو نیکی به کار می روند دیود یا یکسو کننده از دو قطعه بلور نیمه رسانا ساخته می شود و برای یکسو کردن جریانهای متناوب به کار می رود ترانزیستور از سه قطعه بلور نیمه رسانا تشکیل می شود و برای تقویت جریانهای ضعیف و یکسو کردن جریان متناوب به کار می رود.
پیزوالکتریسیته خاصیتی است در مواد بلوری که در روند ان فشار وارد شده بر بلور ایجاد الکتریسته می کند و به عکس اعمال الکتریسیته باعث ایجاد فشار می شود دلیل این امر در بلور کوارتز با فرمول SIO2 ان است که در حالت معمولی ودر حالتی معین از بلور کوارتز شش گوشی تشکیل می شود که گوشه های ان به صورت یک در میان با یون اکسیزن و سیلیس اشغال شده است این شش گوش بدون اعمال فشار در حالت ایستایی الکتریکی است ولی فشار باعث می شود که این حالت بهم بخورد وبلور از حالت پایداری الکتریکی خارج شود و الکترون اضافی را به صورت الکیریسیته ازاد کند و به عکس اعمال الکتریسیته باعث به هم خوردن سطح شش گوش می شود وبنابر این فشاری در بلور ایجاد میشود از این ویزگی استفاده های بهنهایت زیاد در تکنولوزی شده است که ساده ترین ان ساعت دست شما ترازوی مغازه ها و و از همه واضح تر احساس فشاری است که شما از وارد امدن یک جسم بر بدن خود دارید که الکتریسیته حاصل از فشار را به مغز شما می رساند به مارماهی توجه کنید که ایجاد فشار بر بدن خویش باعث تولید الکتریسیته ای می شود که می تواند حتی انسان را بکشد درباره خاصیت پیزوالکتریسیته کوارتز در کتب کانی شناسی و کریستالوگرافی مطالب کافی نوشته شده است انچه امروز تکنولوزی به دنبال ان است پیدا کردن مواد ارزان سنتتیک با همان ویزگیهای پیزو الکتریسیته برای مطالعه بیشتر سری انتشارات دانشنامه مواد زیر چاپ بخش مربوط به سیلیس می تواند راهنمای شما باشد
بسیاری از پلیمرها و سرامیکها و ملکولها مانند آب بطور دائمی قطبی می باشند و بخشی از این ملکولها دارای قطب مثبت و سمت دیگر آنها قطب منفی می باشد هنگامیکه به این مواد قطبی تحت تاثیر یک منبع الکتریکی واقع می شوند عناصر قطبی انها خود را با جهت الکتریکی منبع مزبور هماهنگ می کنند و با قطع ولتاژ تحریک کننده این خاصیت را از دست می دهند در این میان مواد پیزو الکتریک مانند بلور کوارتز و یا تیتانیت باریم در پی تحریکی که باعث تغییر در مختصات ذرات قطبی شده شروع به ایجاد یک ولتاژ الکتریکی می کنند در نتیجه : خاصیت پیزو الکتریسیته هنگامی به ظهور می رسد که بلور تحت تاثیر یک فشار مکانیکی قرار بگیرد و در این زمان قطب مثبت در یک وجه بلورهای نارسانا مانند کوارتز و قطب منفی نیز در وجه مخالف آن ایجاد میگردد از این خاصیت در ساخت وسائلی مانند میکروفونها و فونوگرافها و در فیلتر سازی امواج در تلفن ها و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.
در بازار اقتصادی سرامیکهای نوین، سرامیکهای الکتریکی یکی از جاافتادهترین بازارهای موجود است. علاوه بر گسترش زمینههای مصارف قبلی، مصارف جدید مربوط به کاربردهایی است که پیزوالکتریکها و خصوصاً پیزوسرامیکها اخیراً وارد آن حیطهها شدهاند. با توجه به مطالب ارائه شده و نقش تعیینکنندهی این نوع قطعات در صنایع مختلف و در راستای گام نهادن در مسیر خودباوری و خوداتکایی و دستیابی به دانش روز، چنین به نظر میرسد که اهمیت و ضرورت پایهگذاری صنایع الکتروسرامیکها و از جمله پیزوالکتریک در کشور، امری روشن، واضح و قابل درک است
جهت دستیابی به اطلاعات اولیه و کسب آمارهای موجود به مراکز متعددی مراجعه شد. نوع، کمیت و ارزش اقتصادی نیازهای داخلی در زمینهی پیزوالکتریک و پیروالکتریک و مشخص نمودن زمینههای تکنولوژی و تولید صنعتی آن در ایران، زمینههای تحقیقاتی در ایران، شناخت متخصصان ایرانی در داخل و خارج از کشور و در ادامه آمار واردات و صادرات (تولید و مصرف) در ایران تحلیل شد. برآورد و تخمین نیازهای داخلی (نیازهای فعلی تا سال 1400 هجری شمسی) نشان داد که نیاز داخلی تا سال 1400 حدود 40 میلیون قطعه پیزو و پیروالکتریک است و باید اقدام لازم در این خصوص صورت گیرد
در ابتدا، به مواد جدید به عنوان اساس تکنولوژیهای نوین در جهان و نقش آن در توسعهی تمدن بشری اشارهای شد. آن گاه جایگاه پیزوالکتریکها و پیروالکتریکها همراه تاریخچه، انواع، تئوری، خواص و کلیات کاربردی بررسی گردید. در مرحلهی دوم، به جمع آوری اطلاعات و آمار در داخل و خارج از کشور پرداخته و ارائه و تجزیه و تحلیل آنها صورت گرفت. و در ادامه، شناسایی مراکز مهم علمی – اقتصادی در جهان صورت گرفت. در مرحلهی سوم، بررسی وضعیت داخلی با جزئیات بیشتر ارزیابی گردید

کاربرد پیزوالکتریکها ردههای محتلف است:
1- به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهییج، شتابسنج ..
2- به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی (در دیسکهای صوتی، میکروفون، بلندگو و زنگ اخبار و ..
3- در دریافت و انتقال امواج التراسونیک (پروب امواج التراسونیک، سنسورهای AE و کنترل امواج التراسونیک
4- در تولید ولتاژ و جرقه با ولتاژ بالا (جرقهزن) و کاربردهای دیگر (ماشین آلات برقی، وسایل پزشکی و خانگی، بیوسنسورها و….
بررسیهای به عمل آمده نشان داده است که از بازار 200 میلیارد دلاری سرامیکها در جهان، حدود یک سوم آن یعنی حدود 63 میلیارد دلار، مربوط به سرامیکهای پیشرفته است. در بازار اقتصادی سرامیکهای نوین، سرامیکهای الکتریکی (که شامل پیزو و پیروالکتریکها هم میشود) یکی از جاافتادهترین بازارهای موجود است. آمارهای موجود نشان میدهد که بازار مواد پیزو و پیروالکتریکی در جهان، تقریباً 11 میلیارد دلار (در سالهای 2001-2000) بوده است
اثر پیزو الکتریک ، قابلیت بعضی مواد است برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل کوارتز تحت کشش یا فشار. علامت پتانسیلهای دو وجه بلور در دو حالت فشردگی یا کشیدگی معکوس هم ارزند و هر چه میزان فشار کشش بیشتر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیشتر است. اثر معکوس پیزو الکتریک نیز در این معنی تغییر شکل آنها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو وجه روبروی آنهاست. اگر دو وجه روبرویی در یک هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکترکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ میدهد و به ارتعاش در میآید.
سیر تحولی و رشد
اثر پیزوالکترکی چنانچه گفته شد توانایی برخی مواد میباشد که برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی مکانیکی است، این اثر را برادران کوری ، پییر و ژاک کوری ، در دهه 1880 کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز میدهند مواد پیزو الکترکی نامیده میشوند. اثر پیزوالکترکی در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها ، سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده میشوند. فعالیت پیزوالکتریکی در اکسیدهای نسوز بس بلور در تیتانیوم باریوم (BT) کشف شد و در دهه 1950 اثرهای پیزوالکتریکی درمحلول جامد تیتانات زیرکونات سرب (PbT) کشف شد.
اثر مستقیم و معکوس پیزو الکتریک
وقتی مادهای پیزو الکترکی تحت تاثیر مکانیکی (به صورت انبساط یا انقباض) قرار میگیرد، مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر میشود. این بار به تولید میدان الکتریکی و پتانسیل متناظر با آن میانجامد. برعکس ، در پی اعمال میدانی الکتریکی ، با مقادیر گرانش مکانیکی روبرو میشویم. اثر اول به اثر سیستم و اثر دوم به اثر معکوس موسوم است. جهت گیری (قطعیت) و مقادیر بار و پتانسیل ایجاد شده اثر مستقیم ، به جهت و بزرگی نیروی اعمال شده نیست به بعضی جهتهای بلور شناختی ماده بستگی دارد.
وقتی نیروی مکانیکی ناپدید میشود، بار تولید شده نیز از بین میرود و وقتی جهت کرنش وارونه شود قطبیت نیز وارونه میشود. بدین ترتیب در پاسخ به کرنش نوسان کننده با ولتاژی نوسانی روبرو میشویم که جهت و اندازه کرنشی ایجاد شده از طریق اثر معکوس نیز بستگی به جهت و اندازه میدان الکترکی اعمال شده دارد. شدت اثرهای مستقیم و معکوس در هر مادهای با ثابت پیزوالکتریکی آن d مشخص میشود. نسخه دیگر شدت این اثر برای هر ماده ، ثابت جفت شدگی الکترومکانیکی k است. مربع این ثابت برابر است با کسری از انرژی مکانیکی که میتواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود، یا نسبت انرژِی الکتریکی به انرژی مکانیکی.
کاربرد اثر مستقیم پیزو الکتریک
اثر مستقیم در وسایل راه اندازی و اثر غیر مستقیم در دریاچهها مورد بهره برداری قرار میگیرد. به عنوان مثال ، از مواد پیزو الکتریک برای تولید و آشکارسازی امواج صوتی در هوا (در بلندگوها ، میکروفونها) یا در آب استفاده میشود. در سونارها ، ماهی یابها و عمق یابها از تاخیر زمانی بین تولید تپ صوتی در دریافت علامت باز تابیده آنرا برای اندازه گیری فاصله تا جسم ورود استفاده میکنند. این روش همچنین با استفاده از امواج فراصوتی با بسامدهای زیاد (بیشتر از 20KHz) در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیر تخریبی مواد در تشخیص شکستگیهای و نقصهای داخلی نیز بکار میرود.
کاربرد امواج فراصوتی در مواد پیزو الکتریک
به علت تضعیف اندک امواج فراصوتی در بیشتر مواد جامدات و مایعات ، میتوان از این امواج برای کاوش در اعماق بسیاری از مواد استفاده کرد. از امواج فراصوتی برابر تمییز کردن و صیقل دادن نیز بهره گیری میشود. از تشدید بلورهای پیزو الکتریک در حال ارتعاش ، برای کنترل دقیق بسامد در رادیوها و ساعتها هم استفاده میشود. امواج فراصوتی سطحی در مواد پیزوالکتریک را در پردازندههای سیگنال قیاسی ، مانند صافیهای نوار گذار و صافیهای تراکم تپ ، بکار میگیرند. مواد پیزو الکتریک ، همچنین در شتاب سنجها و وسایل استقرار دقیق مولدهای شب در فندکهای اجاق گاز مورد استفاده قرار میگیرند.
ارتباط اثر پیزو الکتریک با ساختار مولکولی مواد
اثر پیزو الکتریک با ساختار مواد ارتباط دارد. وقتی مرکز بارهای مثبت ماده اندکی از مرکز بارهای منفی فاصله بگیرد، یک دو قطبی حاصل میشود، این پدیده در موادی رخ میدهد که ساختار بلوری آنها نامتقارن است. در بعضی مواد با گشتاور دو قطبی دائمی روبرو میشویم که نتیجهای از عدم تقارن ذاتی در ساختار بلوری است. ولی در مواد دیگر برای ایجاد گشتاور دو قطبی باید کرنشی مکانیکی پدید آورد. از سی و دو بلور ، بیست و یک عدد از آنها فاقد مرکز تقارنند. بیست عدد از آنها خاصیت پیزو الکتریسیته از خود بروز میدهند. ده تای دیگر برای نشان دادن گشتاور دو قطبی نیاز به کرنش مکانیکی دارند. وقتی فاصله بین بارهای مثبت و منفی بر اثر کرنش مکانیکی نغییر کند میدان الکتریکی ناشی از دو قطبی تغییر میکند و بار روی الکترود تغییر میکند. این فاصله را همچنین میتوان با اعمال میدان الکتریکی تغییر داد که به پیدایش کرنشی مکانیکی منجر میشود.
وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما
موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند اثرات پیزو الکتریک (پیدایش بارا لکتریکی بر اثر گرمایش یکنواخت) و فرو الکتریک (تغییر جهت دو قطبی بر اثر میدان الکتریکی) نیز از خود بروز میدهند. چون گشتاور دو قطبی دائمی ممکن است حداقل دو جهت داشته باشد واکنشهای داخلی با ترکیب این جهت گیری متفاوت ممکن است به حداقل برسد. معمولا حوزههایی (ناحیههایی که در آنها تمام دو قطبیها در جهت خاصی سمتگیری میکنند) با جهت گیریهای دو قطبی متفاوت تشکیل خواهند شد. موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند معمولا در دماهایی به ساختار تقارنی بالاتر که فاقد گشتاور دو قطبی دائمی است گذر میکنند. این دما را نقطه کوری مینامند، وقتی دما به طرف نقطه کوری افزایش مییابد، به شدت اثر پیزو الکتریک مییابد.
وجود اثر پیزو الکتریک در تک بلور
اثر پیزو الکتریک در انواع بسیاری از مواد ، از جمله تک بلورها ، سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده میشود. کوارتز یکی از متداولترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی بسیار خوبی دارد. ثابت پیزو الکتریک آن d = 2.3X10-12 و ثابت جفت شدگی آن k = 0 , 1 است. سال 1958 ، شاهد ظهور فرآیندی صنعتی برای ساختن بلورهای کوارتز بود. در موادی که تک بلور هستند، گشتاورهای دو قطبی که به جهتهای بلوری وابستهاند جهات مشخصی دارند.
در مواد بس دانهای (یا بیس بلور) ، محورهای بلور شناختی دانههای متفاوت بطور گستردهای جهت دیگری شده است و دو قطبیها اثر یکدیگر را خنثی میکنند، مگر اینکه با اعمال میدانی الکتریکی برای همسو کردن دو قطبیها قطبیتی در ماده ایجاد شده باشد. عمل ایجاد قطبیت را همچنین میتوان با اعمال میدان الکتریکی در دمایی بالاتر از نقطه کوری و سرد کردن مجدد و رساندن آن به نقطه کوری تا در جهت خاصی همسو شوند.
اثر پیزوالکتریک (Piezoelectric Effect)
اثر پیزوالکتریک به عنوان یک واکنش خطی-الکترومکانیکی بین دو حالت الکتریکی و مکانیکی در مواد عایق و بلورهایی که تقارن مرکزی ندارند، تعریف می شود. در واقع پیزوالکتریک ها موادی هستند که در صورت اعمال فشار یا تنش به آن ها، بار الکتریکی در سطوح خاصی از آن ها ظاهر می شود. این پدیده، اثر پیزوالکتریک مستقیم (Direct piezoelectric Effect) نام دارد که یک فرآیند قابل برگشت است، یعنی به طور معکوس هرگاه ماده ای با این خاصیت، در یک میدان الکتریکی واقع شود، ابعاد آن تغییر می کند (Reverse Piezoelectric Effect). در صورت وارون شدن جهت اعمال تنش یا فشار، جهت قطبش بارهای الکتریکی نیز معکوس می شود و با تغییر در جهت میدان الکتریکی اعمال شده جهت تغییر ابعاد ماده نیز، تغییر می یابد.

سه نوع ماده پیزوالکتریک که به طور عمده در عمل استفاده می شوند شامل سرامیک های پیزوالکتریک، پلیمرهای پیزوالکتریک و کامپوزیت های پیزوالکتریک می باشند که از این میان کامپوزیت ها به دلیل ویژگی های تطبیق پذیری و تنظیم شوندگی بسیار بالا توجه بیشتری را به خود جلب کرده اند.
این مواد پس از طی پروسه هایی جهت استفاده آسان، در کاربردهای گسترده ای خود را نشان دادند.
اثر پیزو الکتریک ، قابلیت بعضی مواد است برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. تولید اختلاف پتانسیل الکتریکیدر برخی بلورهای نارسانا مثل کوارتز تحت کشش یا فشار. علامت پتانسیلهای دو وجه بلور در دو حالت فشردگی یا کشیدگی معکوس هم ارزند و هر چه میزان فشار کشش بیشتر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیشتر است. اثر معکوس پیزو الکتریک نیز در این معنی تغییر شکل آنها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو وجه روبروی آنهاست. اگر دو وجه روبرویی در یک هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکترکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ می دهد و به ارتعاش در می آید.

سیر تحولی و رشد
اثر پیزوالکترکی چنانچه گفته شد توانایی برخی مواد می باشد که برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی مکانیکی است، این اثر را برادران کوری ، پی یر و ژاک کوری ، در دهه 1880 کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز می دهند مواد پیزو الکترکی نامیده می شوند. اثر پیزوالکترکی در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها ، سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده می شوند. فعالیت پیزوالکتریکی در اکسیدهای نسوز بس بلور در تیتانیوم باریوم (BT) کشف شد و در دهه 1950 اثرهای پیزوالکتریکی درمحلول جامد تیتانات زیرکونات سرب (PbT) کشف شد.
اثر مستقیم و معکوس پیزو الکتریک
وقتی ماده ای پیزو الکترکی تحت تاثیر مکانیکی (به صورت انبساط یا انقباض) قرار می گیرد، مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر می شود. این بار به تولید میدان الکتریکی و پتانسیل متناظر با آن می انجامد. برعکس ، در پی اعمال میدانی الکتریکی ، با مقادیر گرانش مکانیکی روبرو می شویم. اثر اول به اثر سیستم و اثر دوم به اثر معکوس موسوم است. جهت گیری (قطعیت) و مقادیر بار و پتانسیل ایجاد شده اثر مستقیم ، به جهت و بزرگی نیروی اعمال شده نیست به بعضی جهتهای بلور شناختی ماده بستگی دارد.
وقتی نیروی مکانیکی ناپدید می شود، بار تولید شده نیز از بین می رود و وقتی جهت کرنش وارونه شود قطبیت نیز وارونه می شود. بدین ترتیب در پاسخ به کرنش نوسان کننده با ولتاژی نوسانی روبرو می شویم که جهت و اندازه کرنشی ایجاد شده از طریق اثر معکوس نیز بستگی به جهت و اندازه میدان الکترکی اعمال شده دارد. شدت اثرهای مستقیم و معکوس در هر ماده ای با ثابت پیزوالکتریکی آن d مشخص می شود. نسخه دیگر شدت این اثر برای هر ماده ، ثابت جفت شدگی الکترومکانیکی k است. مربع این ثابت برابر است با کسری از انرژی مکانیکی که می تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود، یا نسبت انرژِی الکتریکی به انرژی مکانیکی.
کاربرد اثر مستقیم پیزو الکتریک
اثر مستقیم در وسایل راه اندازی و اثر غیر مستقیم در دریاچه ها مورد بهره برداری قرار می گیرد. به عنوان مثال ، از مواد پیزو الکتریک برای تولید و آشکارسازی امواج صوتی در هوا (در بلندگوها ، میکروفونها) یا در آب استفاده می شود. در سونارها ، ماهی یابها و عمق یابها از تاخیر زمانی بین تولید تپ صوتی در دریافت علامت باز تابیده آنرا برای اندازه گیری فاصله تا جسم ورود استفاده می کنند. این روش همچنین با استفاده از امواج فراصوتی با بسامدهای زیاد (بیشتر از 20KHz) در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیر تخریبی مواد در تشخیص شکستگیهای و نقصهای داخلی نیز بکار می رود.
کاربرد امواج فراصوتی در مواد پیزو الکتریک
به علت تضعیف اندک امواج فراصوتی در بیشتر مواد جامدات و مایعات ، می توان از این امواج برای کاوش در اعماق بسیاری از مواد استفاده کرد. از امواج فراصوتی برابر تمییز کردن و صیقل دادن نیز بهره گیری می شود. از تشدید بلورهای پیزو الکتریک در حال ارتعاش ، برای کنترل دقیق بسامد در رادیوها و ساعتها هم استفاده می شود. امواج فراصوتی سطحی در مواد پیزوالکتریک را در پردازنده های سیگنال قیاسی ، مانند صافیهای نوار گذار و صافیهای تراکم تپ ، بکار می گیرند. مواد پیزو الکتریک ، همچنین در شتاب سنجها و وسایل استقرار دقیق مولدهای شب در فندکهای اجاق گاز مورد استفاده قرار می گیرند.
ارتباط اثر پیزو الکتریک با ساختار مولکولی مواد
اثر پیزو الکتریک با ساختار مواد ارتباط دارد. وقتی مرکز بارهای مثبت ماده اندکی از مرکز بارهای منفی فاصله بگیرد، یک دو قطبی حاصل می شود، این پدیده در موادی رخ می دهد که ساختار بلوری آنها نامتقارن است. در بعضی مواد با گشتاور دو قطبی دائمی روبرو می شویم که نتیجه ای از عدم تقارن ذاتی در ساختار بلوری است. ولی در مواد دیگر برای ایجاد گشتاور دو قطبی باید کرنشی مکانیکی پدید آورد. از سی و دو بلور ، بیست و یک عدد از آنها فاقد مرکز تقارنند. بیست عدد از آنها خاصیت پیزو الکتریسیته از خود بروز می دهند. ده تای دیگر برای نشان دادن گشتاور دو قطبی نیاز به کرنش مکانیکی دارند. وقتی فاصله بین بارهای مثبت و منفی بر اثر کرنش مکانیکی نغییر کند میدان الکتریکی ناشی از دو قطبی تغییر می کند و بار روی الکترود تغییر می کند. این فاصله را همچنین می توان با اعمال میدان الکتریکی تغییر داد که به پیدایش کرنشی مکانیکی منجر می شود.
وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما
موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند اثرات پیزو الکتریک (پیدایش بارا لکتریکی بر اثر گرمایش یکنواخت) و فرو الکتریک (تغییر جهت دو قطبی بر اثر میدان الکتریکی) نیز از خود بروز می دهند. چون گشتاور دو قطبی دائمی ممکن است حداقل دو جهت داشته باشد واکنشهای داخلی با ترکیب این جهت گیری متفاوت ممکن است به حداقل برسد. معمولا حوزه هایی (ناحیه هایی که در آنها تمام دو قطبیها در جهت خاصی سمتگیری می کنند) با جهت گیریهای دو قطبی متفاوت تشکیل خواهند شد. موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند معمولا در دماهایی به ساختار تقارنی بالاتر که فاقد گشتاور دو قطبی دائمی است گذر می کنند. این دما را نقطه کوری می نامند، وقتی دما به طرف نقطه کوری افزایش می یابد، به شدت اثر پیزو الکتریک می یابد.
وجود اثر پیزو الکتریک در تک بلور
اثر پیزو الکتریک در انواع بسیاری از مواد ، از جمله تک بلورها ، سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده می شود. کوارتز یکی از متداولترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی بسیار خوبی دارد. ثابت پیزو الکتریک آن d = 2.3X10-12 و ثابت جفت شدگی آن k = 0 , 1 است. سال 1958 ، شاهد ظهور فرآیندی صنعتی برای ساختن بلورهای کوارتز بود. در موادی که تک بلور هستند، گشتاورهای دو قطبی که به جهتهای بلوری وابسته اند جهات مشخصی دارند.

در مواد بس دانه ای (یا بیس بلور) ، محورهای بلور شناختی دانه های متفاوت بطور گسترده ای جهت دیگری شده است و دو قطبیها اثر یکدیگر را خنثی می کنند، مگر اینکه با اعمال میدانی الکتریکی برای همسو کردن دو قطبیها قطبیتی در ماده ایجاد شده باشد. عمل ایجاد قطبیت را همچنین می توان با اعمال میدان الکتریکی در دمایی بالاتر از نقطه کوری و سرد کردن مجدد و رساندن آن به نقطه کوری تا در جهت خاصی همسو شوند.
کاربرد مواد پیزوالکتریک
در سال های اخیرکاربرد مواد پیزوالکتریک بیشتر تحت سه عنوان سنسور، مبدل و محرک شناخته شده است.
یک سنسور پیزوالکتریک می تواند با استفاده از اثر پیزوالکتریک مستقیم، اطلاعات را از محدوده ی مکانیکی به یک سیگنال الکتریکی قابل پردازش تبدیل کند. سیگنال الکتریکی تولیدشده پس از اعمال اولیه ی نیرو، به سرعت کاهش می یابد. بنابراین این سنسورها برای اندازه گیری نیروهایی که در مدت زمان کوتاهی اعمال می شوند، بسیار مناسب هستند اما برای اندازه گیری نیروهای استاتیکی مناسب نیستند.
مبدل های پیزوالکتریک (Piezoelectric Transducer)
مبدل پیزوالکتریک وسیله ای است که یک نوع انرژی را به نوع دیگر تبدیل می کند. مبدل های پیزوالکتریک در تست های غیر مخرب و در بسیاری از کاربرد ها که نیاز به اندازه گیری دقیق در حرکت یا نیرو دارند، استفاده می شود. در این کاربرد ها اثر پیزوالکتریک به صورت معکوس عمل می کند. در این حالت ولتاژی به ماده ی پیزوالکتریک اعمال می شود که باعث تغییر شکل در ماده ی پیزوالکتریک می گردد. این تغییر شکل که می تواند به صورت کشش یا فشار باشد، متناسب با ولتاژ اعمال شده است.
محرک های پیزوالکتریک (Piezoelectric Actuator)
اعمال ولتاژ الکتریکی به جسم پیزوالکتریک که سبب تغییر شکل در این جسم می شود و میزان این تغییر شکل به ولتاژ اعمالی و جهت آن بستگی دارد، به کاربرد پیزوالکتریک ها به عنوان محرک شناخته می شود. در واقع محرک های پیزوالکتریک شکلی از یک سیستم الکترومکانیک میکروکنترلی هستند که میدان الکتریکی اعمال شده به آن ها می تواند به حرکت هایی در ابعاد میکرومتر یا نانومتر تبدیل
موادی مانند ترکیبات سرب، زیرکنات، تیتانات و کوارتز که در ساختار کریستال آنها تقارن مرکزی وجود ندارد؛ قادرند کوپلی قوی میان میدان مکانیکی و الکتریکی ایجاد نمایند. بدین نحو که در اثر اعمال تنش بر آنها، قادرند جریان الکتریسیته تولید نموده و در اثر اعمال میدان الکتریکی تحت کرنش قرار خواهند گرفت. هنگامی که بلور تحت تاثیر فشار مکانیکی قرار گیرد، قطب مثبت در یک وجه بلورهای نارسانا و قطب منفی نیز در وجه مخالف آن ایجاد میگردد.
یک ماده پیزوالکتریک دارای یک دمای کوری ویژه (Curie temperature) است. در اثر گرم شدن ماده تا بالای این دما، دو قطبی ها می توانند جهت خود را در ماده ی فاز جامد تغییر دهند. سپس با ایجاد یک میدان الکتریکی قوی می توان جهت دو قطبی ها را با میدان اعمالی هم جهت نمود. حال اگر سرامیک در حالتی که میدان قطبی کننده ثابت نگه داشته شده باشد، تا پایین دمای کوری سرد شود. نتیجه آن، ثابت ماندن دائم مسیر دو قطبی ها است و بعد از آن گفته می شود که ماده قطبی شده است. وقتی سرامیک های قطبی شده تا زیر دمای کوری خود سرد شدند و تحت یک میدان الکتریکی ضعیف قرار گرفتند(در مقایسه با میدانی که برای قطبی شدن استفاده شد)، پاسخ مجموعه دو قطبی ها یک انبساط ماکروسکوپی در طول محور قطبی و یک انقباض عمود بر آن می باشد(و یامعکوس آن با تغییر علامت میدان اعمال شده اتفاق می افتد).
دمای کاری پیزوالکتریک ها اغلب زیر دمای کوری است. اگر ماده تا بالای دمای کوری گرم شود، وقتی که میدان الکتریکی اعمال نشده باشد، دو قطبی ها به جهات تصادفی خود بر می گردند. در دماهای پایین نیز، اعمال یک میدان بسیار قوی می تواند باعث شود، دو قطبی ها از مسیری که طی قطبی شدن به عنوان مسیر پایدار ترجیح داده بودند، خارج شوند. مواد پیزوالکتریک بعد از خارج شدن از حالت قطبی، خواص پاسخ ابعادی را به میدان الکتریکی از دست می دهند. دمای کوری بسته به نوع پیزوالکتریک، در حدود 200 الی 300 درجه می باشد.
مواد پیزوالکتریک تحت شرایط خاص همانند، اعمال میدان الکتریکی بسیار قوی در جهت مخالف با دو قطبیشان، اعمال تنش مکانیکی شدید در اثر انحراف از محور دو قطبیشان و یا حرارت دادن بیش از دمای کوری، ممکن است اثر خود را از دست بدهند. در اغلب شرایط کاری، سعی می شود که دمای محیط کاری پیزوسرامیکها کمتر از نصف دمای کوری باشد تا از آسیب کلی به آنها جلوگیری شود.
خاصیت پیزوالکتریک، پدیدهای کریستالی است و مرتبط با چیدمان پیچیده ای است؛ به نحوی که در مواد با چیدمان معمولی یا تصادفی وجود ندارد. این خاصیت وابسته به ساختار کریستال می باشد. خاصیت پیزوالکتریسیتی یک پدیده متقابل تبدیل انرژی از یک نوع(الاستیک) خود به دیگری(الکتریکی) است. این در حالیست که مواد غیر متبلور(آمورف Amorphous)، برخلاف انتظار هیچ اثر الکتریکی بر اثر فشار از خود نشان نمی دهند. مواد پیزوالکتریک کاربرد وسیعی در علوم مختلف دارند. این مواد در بسیاری از وسایل که نیازمند تغییر انرژی مکانیکی به الکتریکی و یا بالعکس است، استفاده می شوند.
اثر پیزوالکتریک به زبان ساده، قابلیت برخی از مواد و کریستال هاست برای تبدبل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی.
تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل (کوارتز) تحت کشش یا فشار همان اثر پیزوالکتریک است. پلاریته پتانسیل دو وجه بلور در دو حالت تنش و کُرنش هم ارزند و هرچه میزان فشار کشش باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده به صورت خطی بیشتر خواهد شد. اثر معکوس پیزوالکتریک نیز در این معنی، تغییر شکل بلور میزان الکتریکی بین دو وجه روبروی آنها می باشد.
لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده است. اثر پیزوالکتریک در کریستالها (بلورها)، برخی از سرامیک ها و اجسام زیستی مانند استخوان DNA و پروتئین ها روی می دهد. شرط ضروری برای پیزوالکتریک بودن یک کریستال، عدم وجود تقارن مرکزی در ساختار کریستالی است. ترکیبات سرب-زیرکنات-تیتانات PZT با ساختار پروسکایت، ZnO و کوارتز مثال هایی از مواد پیزوالکتریک هستند.
هنگامی که به بدن شما فشاری وارد می شود این فشار باعث تولید پالس الکتریکی و انتقال آن به مغز می شود. بنابراین شما آن را احساس می کنید. در استخوانها نیز این پدیده مشاهده می شود. مار ماهی نیز می تواند با ایجاد فشار بربدن خویش باعث تولید الکتریسیته ای شود که ولتاژ بالای آن بسیار خطرناک است.
در پیزو الکتریک انرژی ها به هم تبدیل می شوند، به همین خاطر می توانیم از آن به عنوان سنسور (حسگر) بسیار حساس استفاده کنیم. این ویژگی به آن ها اجازه می دهد به عنوان حسگرهای مکانیکی عمل کنند. به این علت که آن ها در پاسخ به فشار مکانیکی جریان الکتریکی تولید می کنند.
بنابراین انواع مختلفی از سنسورها به کمک این ویژگی ساخته شده اند که به عنوان نمونه به برخی از آنها اشاره می کنم:
1. حسگر ژیروسکوپ پیزوالکتریک: از این حسگر در تشخیص حرکات دست هنگام فیلمبرداری و عکس برداری توسط دوربین و سنجش سرعت زاویه ای و حرکات دورانی در هواپیماها و انواع سیستم های متحرک استفاده می شود.
2. حسگر شتاب سنج پیزوالکتریک: این حسگر می تواند پارامترهای مکانیکی مانند شتاب، نوسان و لرزش را ثبت کند. حتما شتاب سنج به کار رفته در موبایل را که باعث چرخش صفحه هنگام چرخش موبایل می شود دیده اید.
3. حسگر های صوتی پیزوالکتریک: از مواد پیزوالکتریک برای تولید و آشکارسازی امواج صوتی در هوا (در بلندگوها، میکروفون ها) یا در آب استفاده می شود. در سونارها، ماهی یابها و عمق یابها از تاخیر زمانی بین تولید تپ صوتی در دریافت علامت باز تابیده برای اندازه گیری فاصله تا جسم استفاده می کنند. این روش همچنین با استفاده از امواج فراصوتی با بسامدهای زیاد بیشتر از 20KHz در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیر تخریبی مواد در تشخیص شکستگی ها و نقصهای داخلی نیز بکار می رود (در این سنسورها تراکم و انبساطهای موج صوتی تبدیل به کمیت الکتریکی می شود).
اثر پیزوالکتریک به زبان ساده، قابلیت برخی از مواد و کریستال هاست برای تبدبل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی
اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس
وقتی ماده پیزوالکتریکی تحت تاثیر مکانیکی (به صورت انبساط یا انقباض) قرار گیرد، مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر می شود. این بار الکتریکی در اثر نامتقارن بودن سلول یکه واحد کریستال است که به تولید میدان الکتریکی و پتانسیل الکتریکی منجر می شود. به این اثر پیزوالکتریک مستقیم گویند. حال اگر در پی اعمال میدان الکتریکی با مقادیر گرانش مکانیکی و تغییرات مکانیکی در ساختار سرامیک مواجه شویم به این اثر پیزوالکتریک معکوس گویند. هر دو اثر کاربردهای متفاوت و فراوان دارند.
ارتباط اثر پیزوالکتریک با ساختار مولکولی مواد
اثر پیزوالکتریک با ساختار مولد ارتباط دارد. وقتی مرکز بارهای مثبت ماده اندک از مرکز بارهای منفی فاصله بگیرد، یک دو قطبی حاصل می شود. این پدیده در موادی رخ می دهد که ساختارهای بلوری آنها نامتقارن است. در برخی مواد با گشتاور دو قطبی دائمی روبرو می شویم که نتیجه ای از عدم تقارن ذاتی در ساختار بلوری است.ولی در مواد دیگر برای ایجاد گشتاور دو قطبی باید کرنش مکانیکی پدید آورد. از سی و دو بلور، بیست و یک عدد از آنها فاقد مرکز تقارن هستند، بیست عدد از آنها خاصیت پیزو الکتریک از خود بروز می دهند و ده تای دیگر برای نشان دادن گشتاور دو قطبی نیاز به کرنش مکانیکی دارند. وقتی فاصله بین بارهای مثبت و منفی بر اثر کرنش مکانیکی تغییر کند، میزان الکتریکی ناشی از دو قطبی تغییر می کند و بار روی الکترود تغییر می کند. این فاصله را همچنین می توان یا اعمال میزان الکتریکی تغییر داده که به پیدایش کرنش مکانیکی منجر می شود. البته این اثر در بلور ها و سرامیک ها و ترکیب های دیگر متفاوت است و هر کدام دارای ویژگی های خاص خود می باشند که در این مختصر نمی گنجد .
زمینه ی وسیعی از کاربردهای مواد پیزوالکتریک وجود دارد و با وجود این مساله که این مواد نزدیک به یک قرن است که مورد مطالعه قرار گرفته اند، ولی هنوز هم پتانسیل استفاده شدن در کاربردها و ابداعات دیگر را دارند.

اساس اثر پیزوالکتریک :
هنگامی که بر مواد پیزوالکتریک، تنش مکانیکی اعمال شود، (ماده تحت کشش یا تنش) این امر موجب ایجاد میدان الکتریکی در این مواد می شود. بطورعکس نیز اعمال یک میدان الکتریکی موجب ایجاد فشار مکانیکی (فشردگی یا کشیدگی) در اینگونه مواد می شود.
این پدیده در بلورهایی شکل می گیرد، که تقارن مرکزی ندارند. اینگونه بلورها دارای مولکول هایی با دو قطب مثبت و منفی بوده بوده و در اصطلاح به اینگونه مولکول ها، مولکول های دوقطبی گفته می شوند. این نتیجه (قطبیت مولکول ها) حاصل از نوع اتم های تشکیل دهنده ی مولکول های سازنده اینگونه مواد است. روی این مولکول ها محورهایی را فرض می کنیم؛ محورهای فرضی که، محور دوقطبی نامیده می شوند و مرکز بارها را کنترل می کنند.
در استخوان ها نیز این پدیده مشاهده می شود. چون استخوان ها، DNA و دیگر مواد بیولوژیکالی ذاتاً توانایی اندوختن بارهای الکتریکی را دارند
در یک بلور یگانه محورهای قطبی، تمام دوقطبی ها در یک راستا قرار می گیرند. اینگونه بلورها متقارن اند، زیرا اگر شما از هرنقطه ای آنها را قطع کنید، محورهای قطبی منقطع شده نتیجتاً در یک راستا قرار می گیرند.
در بلورهای چندتایی که دارای نواحی متفاوتی هستند، محورهای قطبی تقارن ندارند. زیرا در هیچ نقطه ای در اینگونه بلور ها در صورت انقطاع، محورهای قطبی هم راستا نیستند.
در شکل زیر جهت گیری دو قطبی ها در بلور چندگانه سمت راست و بلور یگانه در سمت چپ را می بینید:

پیزوالکتریک تولیده شده و بلور چندگانه بترتیب اثرگذاری، تحت تاثیر دمای ایجاد شده توسط یک میدان الکتریکی قوی هستند. گرمای مجاز برای مولکول ها موجب جه به جا شدن آزادانه الکترون ها و نیروی میدان الکتریکی دوقطبی های در این بلور و بلورهایی در همان نزدیکی بصورت هم راستا می شود.
در شکل زیر اعمال میدان الکتریکی در سه حالت مختلف بترتیب از سمت راست: در غیاب میدان – هنگام اعمال میدان و دوقطبی های کاتوره ای در بلور چندگانه را می بینید.

شکل زیر اثر پیزوالکتریک را در یک بلور نشان می دهد:

شکل a : بلور بدون کشش و یا اعمال میدان الکتریکی.
شکل b: بلور فشرده شده و سپس ولتاژی بعنوان ولتاژ قطبش بین دو الکترود آن اعمال می شود.
شکل c : بلور مورد کشش قرار می گیرد و قطبشی مخالف در آن ظاهر می شود.
شکل d : ولتاژی عکس ولتاژ قبل اعمال می شود، ماده تغییر شکل می دهد. این ولتاژ بعنوان ولتاژ قطبیشی، مخالف با ولتاژ قبل است و سبب فشردگی بلور می شود.
شکل e : ولتاژی با همان میزان قطبش سبب فشردگی ماده می شود.
شکل f : اگر ولتاژ متناوب (AC) بر بلور اعمال شود، بلور همان فرکانس آغاز به لرزش می کند.
کاربردهای اثر پیزوالکتریک
حوزه های زیادی وجود دارد که پدیده ی پیزوالکتریک در آنها بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. اثر پیزوالکتریک تنها در مواد غیرهادی رخ می دهد و بطور گسترده اینگونه بیان می گردد که مواد پیزوالکتریک به دو گروه کریستال ها و سرامیک ها تقسیم می شوند.
** فندک های الکتریکی از پدیده پیزوالکتریک برای روشن شدن بهره می گیرند. وقتی که دکمه فندک الکتریکی را فشار می دهید، چکش فنری ضربه ای ناگهانی به ماده ای پیزوالکتریکی تعبیه شده در فندک زده و یک ولتاژ بالایی تولید می کند. در نتیجه گاز را مشتعل می نماید.
** هم چنین بسیاری از اجاق ها و گریل ها با کریستال های پیزوالکتریکی درون ساخت عرضه می شوند.
** سنسورهای پیزوالکتریکی در گیتارهای آکوستیک و دیگر تجهیزات محبوب شده اند. گوناگونی های موجود در فشار، در فرم صدا به آسانی با استفاده از سنسورهای پیزوالکتریک قابل آشکارسازی است.

** در ترانس دوسرهای اولتراسونیک (مورد استفاده برای عکس برداری پزشکی) از ایده ی پیزوالکتریکی استفاده می شود.
** کریستال های پیزوالکتریک در آشکارسازی و ایجاد امواج صوتی نیز استفاده می شوند.
** سونوشیمی، پردازش های صنعتی و چندین شاخه از مهندسی فیزیک از کریستال های پیزوالکتریک استفاده می کنند.
** در محرک ها (actuators)، سرامیک های پیزوالکتریک استفاده می شود چون پهنا و الکتریسیته تولید شده توسط این کریستال ها را می توان با دقت درستی بسیار بالایی اندازه گرفت.
** بلندگوها، موتورهای پیزوالکتریکی، پرینترهای جوهرافشان تعدادی دیگر از وسایلی هستند که در آنها اثر پیزوالکتریک مورد استفاده است.
** در میکروسکوپ ها، بخصوص میکروسکوپ های اتمی (که با نیروی اتمی کار می کنند) و میکروسکوپ های اسکنینگ تونلینگ پدیده ی اثر پیزوالکتریک استفاده می شود.

خب فهمیدید اثر پیزوالکتریک چیست؟ کاربردهای بالا نگاهی گذرا به اثر پیزوالکتریک بود. در استخوان ها نیز این پدیده مشاهده می شود. چون استخوان ها، DNA و دیگر مواد بیولوژیکالی ذاتاً توانایی اندوختن بارهای الکتریکی را دارند. همچنان که مطالعات در الکترومغناطیس و مکانیک در حال پیشرفت است، چند فیلد دیگر نیز که اثر پیزوالکتریک را به خدمت می گیرند به سرعت در حال توسعه اند.

اثر فشاربرقی
یکی از ویژگی های غیرمعمولی که برخی سرامیک ها از خود بروز می دهند، پدیده پیزوالکتریک یا اثر فشاربرقی است. با اعمال نیروی خارجی، دوقطبی های این سرامیک ها تحریک می شوند ومیدان الکتریکی ایجاد می شود. وارونه کردن اثر نیرو (مثلاً از کششی به فشاری) جهت میدان را معکوس می کند.
از مواد پیزوالکتریک در مبدل ها و وسایلی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند یا برعکس استفاده می شود. کاربردهای نام آشنایی از جمله پیکاپ گرامافون، میکروفون ها، مولدهای ماوراء صوت و حسگرهای سونار از خاصیت پیزوالکتریک استفاده می کنند. در پیکاپ گرامافون همچنان که قلم شیارهای رکورد را می پیماید یک اختلاف فشار به ماده پیزوالکتریک موجود در پیکاپ وارد می شود که نهایتاً به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. این سیگنال قبل از ورود به بلندگو تقویت می شود. خاصیت پیزوالکتریک یک ویژگی مواد کریستالی دارای ساختار پیچیده بدون تقارن است. رفتار پیزوالکتریک یک پلی کریستال بوسیله گرم کردن بالاتر از دمای کوری و سپس خنک کردن تا دمای اتاق در مجاورت میدان الکتریکی قوی بهبود می یابد.
اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد می باشد برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. این اثر را برادران کوری، پی یر و ژاک کوری، در دهه۱۸۸۰ کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز می دهند مواد پیزوالکتریک نامیده می شوند. اثر پیزوالکتریک در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها، سرامیک ها، بسپارها و مواد مرکب دیده می شود. تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل کوارتز تحت کشش یا فشار معکوس هم اند و هر چه میزان فشار یا کشش بیش تر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیش تر است. اثر پیزوالکتریک معکوس به معنی تغییر شکل آن ها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی است. اگر دو وجه روبرویی در هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکتریکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ می دهد و به ارتعاش در می آید.
پیزوالکتریک بار الکتریکی ای است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می شود (به ویژه در کریستال ها، بعضی سرامیک ها و مواد آلی مانند استخوان، DNA و پروتئین هایمختلف). واژه پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته ناشی از فشار که از لغت یونانی پیزو به معنای فشردن و الکترون به معنی کهرباگرفته شده است.
اثر پیزوالکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می شود.
اثر پیزوالکتریک یک فرایند برگشت پذیر است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک (تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می کنند اثر پیزوالکتریک معکوس (تولید داخلی نیروی مکانیکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می کنند.
به عنوان مثال سرامیک ها اگر به اندازه ۰٫۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه گیری تولید خواهند کرد. برعکس اگر میدان الکتریکی به آن ها اعمال شود به اندازه ۰٫۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد. پیزوالکتریک استفاده های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الکترونیکی، میکروبالانس ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن پرتوهای نور در مقیاس بسیار بزرگ. این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM, AFM, MTA SNOM و… همچنین استفاده های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگار.
تاریخچه
اکتشاف و پژوهش های اولیه
اثر پیزوالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط کارل لینائوس و فرنز آپینوسمطالعه شد و با الهام از این موضوع رنه جاست هاووی و آنتونی سزار بکورلادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه ای وجود دارد گرچه آزمایش های آن ها نتیجه قاطعی نداد.
اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران پیری کیوری و جکوئیز کیوری انجام شد. آن ها دانششان را از پیزوالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش بینی رفتار کریستال ها شد و اثبات کردند کریستال های ترمالین، کوارتز، زبرجد هندی، نیشکر و پتاسیم سدیم تارترات (نمک راشل) خاصیت پیزوالکتریک دارند. کوارتز و نمک راشل بیش ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می کنند. کیوری ها اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش بینی نکردند، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط گابریل لیپماندر سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. کیوری ها بلافاصله وجود اثر معکوس را تایید کردند و به تحقیقات خود ادامه دادند تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی-الاستیکی-مکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک را بدست آورد.
در چند ده بعد، پیزوالکتریک یک پدیده کمیاب آزمایشگاهی باقی ماند. کارهای بیش تری برای تعریف ساختار کریستال هایی که پیزوالکتریک را در خود ذخیره می کنند انجام شد که در سال ۱۹۱۰ با انتشار کتابی با موضوع فیزیک کریستال ها[و ۸] به اوج خود رسید که ۲۰ دسته کریستال طبیعی را که قابلیت ذخیرهٔ پیزوالکتریک داشتند، شرح داد و ثابت های پیزوالکتریک را با دقت زیاد توسط تحلیل ها و آمارهای کششی بدست آورد.
اولین استفاده عملی از دستگاه های پیزوالکتریک، سونار (دستگاه کاشف زیردریایی بوسیله امواج صوتی) بود که در جنگ جهانی اول توسعه پیدا کرد. در سال ۱۹۱۷ در فرانسه پائول لانگ وین و همکارانش روی یک آشکارگر ماوراء صوت کار کردند. دستگاه از یک مبدل ساخته شده بود که از کریستال های نازک کوارتز که با دقت بین دو صفحه نازک فولاد متصل شده بودند و یک هیدروفن(دستگاهی که اصوات زیر آب را ثبت می کند) برای شناسایی و بازگرداندن انعکاس صوت، تشکیل شده بود. با فرستادن صوت فرکانس بالا از مبدل و اندازه گیری مدت زمان رفت و برگشت صدا می توان فاصله تا شیء مورد نظر را اندازه گیری کرد.
استفاده موفقیت آمیز پیزوالکتریک در سونار موجب شد علاقه فزاینده ای در توسعه دستگاه های پیزوالکتریک ایجاد شود. در چند دهه بعد، مواد و کاربردهایی جدیدی از پیزوالکتریک کشف شد.
دستگاه های پیزوالکتریک در بسیاری از زمینه ها جا باز کردند. دستگاه ضبط صدای سرامیکی هم ارزان و هم دقیق بود و آسان تر ساخته می شد. پیشرفت مبدل های ماوراء صوت موجب شد سنجشگران روی (ویسکوزیته) و کشسانی در مایعات و جامدات آسان تر شود که نتیجه آن پیشرفتی عظیم در مطالعه بر روی مواد بود. بازتاب سنج های ماوراء صوت می توانستند ترک های فلزات را درریخته گری بیابند که موجب افزایش ایمنی ساختار شد.
در جریان جنگ جهانی دوم گروه های غیر مستقل پژوهش در ایالات متحده آمریکا، روسیه و ژاپن دستهٔ جدیدی از مواد ساخت بشر را کشف کردند که فروالکتریک نام گذاری شد و خیلی بیش تر از مواد طبیعی پیزوالکتریک را ذخیره می کردند و موجب علاقه ای وافر در توسعه تیتانات باریم و بعدها ZrTiO3 با ویژگی هایی منحصربفرد شد.
یک نمونه مهم کاربرد پیزوالکتریک توسط آزمایشگاه های تلفن بل توسعه یافت. به دنبال جنگ جهانی اول فردریک بر روی تلفن بیسیم در دانشکده مهندسی مشغول به کار بود که باعث توسعه کریستال "AT cut" شد. کریستالی که در محدوده دمایی وسیعی مورد استفاده قرار می گرفت. این به لوازم فرعی سنگینی که کریستال قبلی نیاز داشت، نیاز نداشت. نتیجهٔ آن تسهیل استفاده درصنایع هوایی بود. با استفاده از رادیو در صنعت، هواپیماها می توانستند حملات دسته جمعی هماهنگ انجام دهند.
پیشرفت دستگاه های پیزوالکتریک و علم مواد منحصراً در داخل کمپانی های توسعه دهنده نگهداری شد که بیش از همه به علت شروع جنگ همچنین برای محفوظ داشتن حق امتیاز بود. کریستال های کوارتز اولین موادی بودند که از آن ها بهره برداری شد، اما دانشمندان به دنبال موادی با کارایی عالی بودند. با وجود پیشرفت در علم مواد و کامل شدن فرایند تولید، بازار ایالات متحده به آن سرعت رشد نکرد. بدون بازار مصرف جدید، پیشرفت صنعت پیزوالکتریک ایالات متحده با مشکل جدی مواجه بود.
در مقابل تولیدکننده های ژاپنی اطلاعاتشان را به اشتراک گذاشتند و به سرعت، هم از نظر فنی و هم از نظر تولیدی در مسابقه پیروز شدند و بازارهای جدیدی برای محصولات خود به وجود آوردند. تلاش های ژاپنی ها در علم مواد موجب ساخت مواد پیزوالکتریک جدیدی شد که با ایالات متحده رقابت می کرد، اما بدون محدودیت گران حق امتیاز. بیش تر پیشرفت های ژاپنی ها در علم پیزوالکتریک شامل طراحی های جدید در صافی های پیزوسرامیک برای رادیوها، تلویزیون ها، پیزوبوزر ها (تولید صدای تیز و تند)، مبدل های صدا که می توانند مستقیماً به مدارهای الکتریکی متصل شوند و چاشنی های پیزوالکتریک که برای سیستم موتورهای کوچک (و بریان کن ها) جرقه تولید می کنند، بود. مبدل های ماوراء صوت که امواج را به هوا می فرستند مدت زیادی وجود داشتند اما اولین استفاده تجاری در کنترل های تلویزیون بود. امروزه این مبدل ها بر روی انواع مختلف ماشین ها به عنوان ردیاب کاربرد دارند و به راننده کمک می کنند فاصله عقب ماشین تا اجسامی که در سر راه آن قرار دارد را بفهمد.
سازوکار و ساختمان
ذات اثر پیزوالکتریک به دوقطبی های الکتریکی لحظه ای در جامدات مربوط می شود. سطح خارجی ممکن است در شبکه کریستالی با بار نامتقارن محیطی تحریک شده باشد (از جمله درBaTiO۳ و PZTها) یا ممکن است مستقیماً توسط گروه های مولکولی حمل شود (به عنوان مثال در نیشکر). چگالی دوقطبی یا پلاریزاسیون [Cm/m۳] به سادگی با نتیجه گیری از دوقطبی های لحظه ای در واحد حجم سلول واحد برای کریستال ها محاسبه می شود. همچنان که هر دوقطبی یک بردار است، چگالی دوقطبی نیز بردار است (یک کمیت برداری است). دوقطبی های نزدیک هم در مناطقی به نام قلمرو ویس جهت گیری می کنند. این قلمروها معمولاً تصادفی جهت دار می شوند اما می توانند توسط فرایند قطبی سازی (با قطبی سازی مغناطیسی متفاوت است) هم جهت شوند، فرایندی که یک میدان الکتریکی قوی (معمولاً در دماهای بالا) به جسم اعمال می شود. تمام مواد پیزوالکتریک قطبی نمی شوند.
نکته قطعی در مورد اثر پیزوالکتریک تغییر قطبش هنگام اعمال فشار مکانیکی است که ممکن است به علت ایجاد آرایش فضایی جدید دوقطبی ها یا به علت جهت گیری مولکول های قطبی لحظه ای تحت اثر نیروی خارجی باشد سپس خاصیت پیزوالکتریک در اثر تنوع در قدرت دوقطبی ها یا جهت آن ها یا هر دو به وجود آید. این اثر بستگی دارد به:
جهت گیری دوقطبی ها درون کریستال
تقارن کریستال
فشار مکانیکی اعمالی
تغییر در قطبش در تغییر چگالی سطحی بار در سطوح کریستالی ظاهر می شود یعنی تنوع میدان الکتریکی در سطوح، چون که واحد چگالی بار سطحی و قطبش یکسان است اگرچه خاصیت پیزوالکتریک بر اثر تغییر در چگالی بار سطحی سبب نمی شود، اما به علت چگالی دو قطبی در سطح سبب می شود. به عنوان مثال اگر به یک سانتی متر مکعب کواتز ۲ کیلونیوتن نیرووارد شود ۱۲۵۰۰ ولت اختلاف پتانسیل ایجاد می کند.
خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده رفتار الکتریکی ماده است.
طبقه بندی کریستال ها
از ۳۲ گروه کریستال، ۲۱ گروه تقارن مرکزی ندارند و از این ها ۲۰ گروه خاصیت پیزوالکتریک دارند (گروه ۲۱ام کلاس مکعب ۴۳۲ است) که ۱۰ تا از آن ها کلاس کریستال قطبی را نشان می دهند که قطبش خودبه خودی بدون فشار مکانیکی را دارا هستند و خاصیت پیزوالکتریک را ذخیره می کنند. اگر دوقطبی لحظه ای توسط میدان الکتریکی معکوس شود به آن ماده فروالکتریک گویند.
کلاس های کریستالی قطبی: ۱، ۲، m, mm2, 4, 4 mm, 3, 3m, 6, 6 mm.
کلاس های کریستالی پیزوالکتریک: ۱، ۲، m, 222, mm2, 4, 4, 422, 4 mm, 42m, 3, 32, 3m, 6, 6, 622, 6 mm, 62m, 23, 43m.
کریستال های قطبی بدون اعمال فشار مکانیکی نیز قطبی هستند. اثر پیزوالکتریک خود به خود بر اثر قدرت یا جهت قطبش یا هر دو آشکار می شود. از طرف دیگر کریستال های پیزوالکتریک غیرقطبی در اثر ایجاد دو قطبی فقط بر اثر اعمال فشار مکانیکی به وجود می آید. در این کریستال ها، تنش کریستال را از گروه غیرقطبی به گروه قطبی تبدیل می کند.
مواد
بسیاری مواد چه طبیعی چه ساختهٔ دست بشر پیزوالکتریک را ذخیره می کنند.
کریستال های ذاتی
برلینیت (AlPO۴) یک فسفات معدنی کمیاب که از نظر ساختمانی مشابه کوارتز است
نیشکر
کوارتز
نمک راشل
زبرجد هندی
مواد معدنی گروه تورمالین
سایر مواد طبیعی
استخوان: استخوان بی آب بعضی خواص پیزوالکتریک را ذخیره می کند. مطالعات فوکادا و بقیه نشان داد این ها به خاطر کریستال های آپاتایت که متقارن مرکزی هستند نیست بلکه به خاطر کلاژناست. کلاژن در ساختارش جهت گیری محوری قطبی مولکول های دوقطبی را ذخیره می کند و می توان آن ها را بیوالکترت محسوب کرد، یک نوع ماده دی الکتریک که فضای بار شبه ثابت و بار دوقطبی را ذخیره می کند. وقتی تعدادی از مولکول های کلاژن در یک جهت تحت فشار قرار می گیرند مقدار بار زیادی از داخل به سطح نمونه حمل می شود که انتظار می رود دلیل به وجود آمدن پتانسیل باشد.
اثر پیزوالکتریک عموماً به عنوان یک حسگر نیروی بیولوژیکی عمل می کند. این اثر در تحقیقات انجام شده در دانشگاه پنسیلوانیا در اواخر دهه ۱۹۷۰ و اوایل ۱۹۸۰ به کار گرفته شد که در نتیجه مشخص گردید استفاده پیوسته از پتانسیل الکتریکی می تواند هم تخریب استخوان ها و هم رشد استخوانها را (بسته به پلاریته یا قطبیت آنها) باعث شود. مطالعات بیش تر انجام گرفته در دهه ۱۹۹۰ معادله ریاضی را فراهم نمود که شباهت انتشار موج استخوان های بلند را همانند کریستال های شش گوشه (کلاس ۶) تایید می کرد.
تاندون
ابریشم
چوب (به علت تار و پود پیزوالکتریک آن)
مینای دندان
عاج دندان
کریستال های دست ساز
گالیم ارتوفسفاته (GaPO۴) کریستالی مشابه کوارتز
لانگاسیت (La3Ga5SiO۱۴)، کریستالی مشابه کوارتز
سرامیک های دست ساز
خانواده سرامیک های دارای ساختارهای پروسکایت یا تنگستن- برنز، خواص پیزوالکتریک از خود نشان می دهند:
تیتانات باریم (BaTiO۳)-(اولین سرامیک پیزوالکتریک کشف شده)
سرب تیتانات (PbTiO۳)
تیتانات زیرکونات سرب (Pb[ZrxTi۱−x]O۳ ۰≤x≤۱
نیوبات پتاسیوم (KNbO۳)
نیوبات لیتیم (LiNbO۳)
لیتیم تانتالات (LiTaO۳)
سدیم تنگستات (Na2WO۳)
Ba2NaNb5O۵
Pb2KNb5O۱۵
پیزوسرامیک های بدون سرب
اخیراً نگرانی ها در خصوص سمی بودن دستگاه ها و اجزای حاوی سرب افزایش یافته و در این خصوص استفاده از قوانین و مقررات محدودکننده مواد خطرناک را مطرح ساخته است. افزایش این نگرانی ها تاکید بر توسعه کامپوزیتی مواد پیزوالکتریک بدون سرب می باشد.
نیوبات پتاسیوم سدیم (NaKNb)
بیسموت فریت (BiFeO۳)
نیوبات سدیم NaNbO۳
تاکنون، نه اثر محیطی این مواد تایید شده و نه پایداری این مواد به هنگام تهیهٔ آن ها.
پلیمرها
PVDF خاصیت پیزوالکتریک را چندین بار بیش تر از کوارتز نشان می دهد. بر خلاف سرامیک ها، که در آن ساختار کریستالی ماده به وجود آورنده اثر پیزوالکتریک است، در پلیمرها مولکول های زنجیره بلند مزدوج هنگامی که در محدوده یک میدان مغناطیسی قرار می گیرند یکدیگر را جذب و دفع می کنند.
کاربردها
امروزه کریستال های پیزوالکتریک کاربردهای متعدد و بسیاری دارند از جمله:
منابع با ولتاژ و توان بالا
همان گونه که پیش از این اشاره گردید، پیزوالکتریسیتهٔ مستقیم برخی مواد مانند کوارتزها می توان تفاوت های فراوانی را در میزان ولتاژ ایجاد نماید.
شناخته شده ترین کاربرد موجود فندک الکتریکی می باشد: فشار شستی باعث می گردد چکش فنری به کریستال پیزوالکتریک ضربه وارد کند و جریان الکتریکی با ولتاژ کافی ایجاد گردد و جرقه جاری می گردد، و در نتیجه گاز را گرم و مشتعل می نماید. در حال حاضر بسیاری از جرقه زن های قابل حمل مبتنی بر این فناوری ساخته می شوند.
تحقیقات مشابهی نیز توسط دارپا در ایالات متحده صورت گرفته که پروژه آن زراعت انرژی نام گرفته است. این پروژه شامل بر فعالیت هایی بود که تجهیزات زمین جنگ از طریق ژنراتور های پیزوالکتریک جای گرفته در چکمه سربازان باردار شود. با این حال، این منابع زراعت انرژی در مجموع آثاری بر روی بدن سربازان دارند. تلاش های دارپا در جهت به دست آوردن ۱ تا ۲ وات از اثر برخورد مستمر پوتین سربازان با زمین به هنگام راه رفتن، به واسطه عدم کاربردی بودن و به خاطر ناراحتی های ناشی از انرژی ایجاد شده توسط فردی که پوتین ها را به پا کرده است، متوقف گشت.
مبدل پیزوالکتریک نوعی چندراهه با ولتاژ متناوب می باشد. برخلاف یک مبدل معمولی که از جفت شدن مغناطیسی بین ورودی و خروجی بهره می گیرد، مبدل پیزوالکتریک از جفت شدن صوتی استفاده می کند. این ابزارها می توانند در تبدیل های ای سی-دی سی برای به کار انداختن لامپ های فلورسنت با کاتد سرد به کار گرفته شوند.
حسگرها
اصل مورد بحث در به کارگیری حسگرهای پیزوالکتریک این است که یک بعد فیزیکی که به یک نیرو تبدیل شده در دو جنبه متضاد از عنصر حسگر بودن عمل می کند. بسته به طراحی یک حسگر، گونه های مختلفی می تواند برای بارگذاری پیزوالکتریک مورد استفاده قرار گیرد.
تشخیص انواع فشار به شکل صدا معمول ترین نوع عمل حسگر است، به عنوان مثال میکروفن های پیزوالکتریک امواج صوتی ماده پیزوالکتریک را مرتعش ساخته و باعث تغییر ولتاژ می شوند، یا گیرنده های پیزوالکتریک در گیتارهای الکتریکی. حسگر پیزوالکتریک که به بدنهٔ یک آلت (موسیقی) متصل شده باشد را میکروفن اتصال می خوانند.
حسگرهای پیزوالکتریک به طور ویژه توام با صداهای با فرکانس بالا در مبدل های مافوق صوت جهت عکسبرداری های پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.
پیزوالکتریک در نانو
بنا به تحقیقی منتشرشده در آوریل و مارس سال ۲۰۰۹ میلادی در دانشگاه ام آی تی، ژونگ لینگ ونگ فکر می کند که سیم های پیزوالکتریک نانو می توانند به وسایل پزشکی گذاشته شده در بدن نیرو برساند و به عنوان حسگرهای کوچک عمل کنند.
نانو حسگرها به شدت حساس، کم مصرف و البته بسیار کوچکند. آن ها می توانند در شناسایی علائم مولکولی بیماری در خون، مقادیر جزیی گازهای سمی در جو و آلودگی ها در غذا مورد استفاده قرار گیرند. اما منابع انرژی و مدارهای لازم برای فعال سازی این وسایل کوچک ساخته شدن آن ها را دشوار می کند. هدف ونگ، نیرو بخشیدن به دنیای نانو توسط مولدهای کوچکی که از پیزوالکتریک بهره می برند است. اگر او موفق شود، نانو حسگرهای زیستی و شیمیایی قادر خواهند بود به خودشان نیرو ببخشند.
ونگ برای اولین بار در سال ۲۰۰۵ این پدیده را در مقیاس نانو با خم کردن اکسید روی توسط پایه میکروسکوپ اتمی نشان داد. هنگامی که سیم خم می شود و به حالت اولیه برمی گردد پتانسیل تولید شده توسط یون های اکسیژن و روی جریان الکتریکی به وجود می آورند. جریانی که او از نخستین آزمایش بدست آورد اندک بود. پتانسیل الکتریکی حداکثر به چند میلی ولت می رسید. اما ونگ مطمئن بود که با علم مهندسی و با مهار کردن لرزه های کوچک اطرافمان یک نانو منبع انرژی طراحی کند از جمله امواج صدا، باد و تلاطم گردش خون بر روی وسیلهٔ کار گذاشته شده در بدن. این حرکات کوچک موجب خم شدن نانو سیم ها می شود که به تولید جریان الکتریکی می انجامد.
ونگ نانو سیم اکسید روی را در یک لایه پلیمر جاسازی کرد. هنگامی که ورقه خم شد mv۵۰ اختلاف پتانسیل تولید شد. این گامی بزرگ در راستای نیرو بخشیدن به نانو حسگرهاست. او امیدوار است نهایتاً این مولدها در تار و پود لباس بافته شود. در این صورت یک پیراهن می تواند انرژی لازم را برای شارژ شدن باتری وسایلی مثل آی پاد تامین کند.
برخلاف اجزای الکترونیکی قدیمی، نانوپیزوترونیک ها به منبع جریان خارجی نیاز ندارند و وقتی در معرض نیروی مکانیکی قرار می گیرند به خودشان نیرو وارد می کنند.
یک سمعک نانو پیزوالکترونیک ترکیب شده با نانو مولد از رشته ای از نانو سیم ها استفاده می کند که هر کدام تنظیم شده است در محدوده عظیمی از صداها با فرکانس متفاوت به ارتعاش درآید. نانو سیم ها صداها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل و آن ها را پردازش می کنند به همین جهت آن ها مستقیماً می توانند به نرون های مغز فرستاده شوند. سمعک ها نه فقط متراکم تر و حساس تر می شوند بلکه باتری های آن ها قابل تعویض خواهد بود. حسگرهای نانوپیزوالکترونیک همچنین برای تشخیص فشار مکانیکی در موتور هواپیما استفاده می شوند؛ فقط چند ترکیب کوچک نانو سیم فشار را برصفحه نمایش می آورد؛ اطلاعات را پردازش می کند و به کابین خلبان منتقل می کند.
ونگ pH و حسگرهای اشعه UV را با این وسایل ملحق کرد و نشان داد که وقتی تحت فشار قرار بگیرند می توانند به حسگر نیرو بدهند.
وسایلی که انرژی هدر رفته را ذخیره می کنند و امکانات جدیدی را به ارمغان می آورند مثل لباس هایی که با حرکات بدن وسایل الکترونیکی را شارژ می کنند از مواردی است که در شاخهٔ نانوپیزوالکتریک دنبال می شود. هم اکنون محققان اولین مولدها را که بر پایه نانو سیم ها کار می کنند تولید کرده اند که انرژی مکانیکی لازم را برای نیرو رساندن به وسایل الکترونیکی کوچک مثل دیودها و صفحهٔ نمایش کریستال مایع ذخیره می کنند.
پیزوالکتریک ها قبلاً در میکروفن ها، حسگرها، ساعت ها و… استفاده شده اند اما تلاش برای ذخیره انرژی بیومکانیکی توسط آن ها بی نتیجه مانده است زیرا آن ها بیش از اندازه سفت اند. پلیمرهای پیزوالکتریک موجودند اما استفاده از آن ها به صرفه نیست.

منابع
Saito, Yasuyoshi; Takao, Hisaaki; Tanil, Toshihiko; Nonoyama, Tatsuhiko; Takatoril
Kazumasa; Homma, Takahiko; Nagaya, Toshiatsu; Nakamura, Masaya (2004-11-04). "Lead-free piezoceramics"
Harper, Douglas. "piezoelectric"
M. Minary-Jolandan, and Min-Feng Yu, Nanotechnology ۲۰ (۲۰۰۹) ۰۸۵۷۰۶ (۶pp)
Willam D. Callister, JR Fundamental of Materials Science and Engineering, Sixth edition

http://piezomaterial.blogsky.com
Mide Technology
http://pinion.ir
https://article.tebyan.net/
http://www.daneshju.ir/forum/showthread.php
https://article.tebyan.net/
http://www.howstuffworks.com/quartz-watch2.htm
http://www.krystallos.net/technique.html
http://www.rockhoundingar.com/quartz/experiments.html
http://www.globalspec.com/kistler/re…heory_text.htm
http://members.tripod.com/~albert51/maz.html
http://www.ieee-uffc.org/freqcontrol…ig/vigqrtz.htm
http://www.physikinstrumente.com/tutorial/index.htm
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php

سنسورهای پیزوالکتریک و کاربردهای آن

4