بسم الله الرحمن الرحیم
موضوع تحقیق:
مروری بر سرامیکها و پیزوالکتریک و کاربرد آنها در صنعت
پاییز 96
دانشکده برق و الکترونیک بروجرد
فهرست
مقدمه 3
اثر پیزوالکتریک 4
اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس : 5
ارتباط اثر پیزوالکتریک با ساختار مولکولی مواد: 5
وابستگی مواد پیزو الکتریک به دما: 5
انواع موادی که اثرپیزوالکتریک دارند : 6
کاربرد های پیزو الکتریک : 8
کاربرد های سرامیک مهندسی برق : 8
موتور پیزو الکتریک : 9
شرایط بازار اقتصادی قطعات و تجهیزات پیزو الکتریک : 10
پیزو الکتریک فرمول های و کابرد (piezo electric) 11
اثر فشاربرقی 11
تاریخچه 12
اکتشاف و پژوهش های اولیه 12
جنگ جهانی اول و پس از آن 13
جنگ جهانی دوم و پس از آن 14
سازوکار و ساختمان 15
طبقه بندی کریستال ها 16
مواد 16
کریستال های ذاتی 16
حسگرها 19
پیزوالکتریک در نانو 20
مواد پیزوالکتریک 21
فرآیند تولید سرامیک های پیزوالکتریک 23
روش های دیگر برای تولید سرامیک های پیزوالکتریک به شرح زیراند: 26
روابط ساختاری و خواص مواد 26
روابط ساختاری 27
کاربرد مواد پیزوالکتریک 28
ارتباط اثر پیزوالکتریک با ساختار مولکولی مواد: 29
وابستگی مواد پیزو الکتریک به دما: 30
روابط ریاضی : 30
کاربرد های سرامیک مهندسی برق : 34
سنسور پیزوالکتریک 36
اصول عملکرد مواد پیزوالکتریک 38
ساختار های perovskite 38
پلاریزاسیون 40
معادلات ساختاری 42
کاربردها 44
کاربری های پزشکی 45
منابع: 46
مقدمه
از اثر ایجاد قطب الکتریکی در بلور بوسیله تغییر حرارت که باعث ایجاد یک پتانسیل الکتریکی در مواد می شودکه توسط این مطالعه این نفر یعنی Carl Linnaeus وFranz Aepinusدر میانه های قرن هجدهم مشخص شد . جرقه این خاصیت فیزیکی شکل گرفت . طراحی این دانش و آگاهی باعث شد که Rene Just Hauyو AntioneCessarادعا کننده که وابستگی و ارتباطی بین فشار و تنشش مواد و تغییرات بار ماده وجود دارد . اگر چه آزمایشات این دو به نتیجه نرسید .
اولین اثبات قضیه و اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط دو برادر با نام های Pierre Curie و Jacques Curieبود. اطلاعات این دو دانشمند رفتار بسیاری از کریستال ها مانند تورمالین ، کوارتز ، کانی شکر ، Rochelle salt (نمک راچل) ( تتراهیدرات ، جوهر پتاسیم ، سدیم ) را آشکار کرد .در سه دهه بعد، همکاری فراوانی در انجمن های علمی اروپا در زمینه پیزو الکتریسیته انجام شد و واژهای میدان پیزوالکتریسیته بوسیله آنها استفاده شد . البته کارهای انجام شده برروی رابطه ی میان الکترومکانیکی مختلطبا کریستال های پیزو الکتریک در سال ۱۹۱۰ انجام شد و اطلاعات آن به صورت یک مرجع استاندارد است. به هر حال پیچیدگی علم مربوط به مواد پیزوالکتریک باعث شده که کاربردهای این عداد تا چند سال قبل رشد پیدا نکند . لانگوین ات آل در طی جنگ جهانی اول مبدل آلتراسونیک پیزوالکتریکی ساخت . موفقیت او باعث ایجاد موقعیت های استفاده از مواد پیزو الکتریک در کاربرد های زیر آبی شد.
در سال ۱۹۲۵،Busch ، Schewer خاصیت پیزوالکتریک ، پتاسیم دی هیدروژن فسفات (KDP) را کشف کردند . خانواده پیزوالکتریک های دی هیدروژن فسفات اولین خانواده ی عمده از مواد پیزوالکتریک و فرو الکتریک بود که کشف شده بود. در طی جنگ جهانی دوم ، تحقیقات در زمینه ی مواد پیزوالکتریک بوسیله ی آمریکا شوروی سابق و ژاپن بسط داده شد . محدودیت های ساخت این مواد از تجاری شدن آنها جلوگیری می کرد امّا این مسئله نیز پس از کشف باریم تیتانات و سرب زیر کونات تیتانات (PZT) در دهه های ۱۹۴۰و۱۹۵۰ برطرف شد . این خانواده از مواد خاصیت دی الکتریک و پیزو الکتریک بسیار خوبی داشتند تا این تاریخ PZT یکی از مواد پیزوالکتریک پرکاربرد است . این نکته قابل توجه است که بیشترین سرامیک های پیزوالکتریک تجاری در دسترس ( مانند باریم تیتانات و PZT ) شبیه به ساختار پرسکیت (Perovskite) با فرمول Catio3دارند.
تقریباً در سال ۱۹۶۵ بود که چندین شرکت ژاپنی بر روی تولید فرآیندها و کاربرد های جدید وسایل پیزوالکتریکی ، متمرکز شدند ، موفقیت تلاش محققین ژاپنی موجب شد تا محققین دیگر کشورها به سمت تحقیقات در ایران زمینه جذب شوند و امروزه ،نیاز ها و استفاده ها از این مواد در بسیاری از رشته ها از جمله کاربردهای پزشکی ، ارتباطات ، کاربردای نظامی ، صنعت خودرو گسترش یافته است . بررسی تاریخچه ی پیزوالکتریسیته توسط W.G.cady انجام شده است و در سال ۱۹۷۱نیز کتابی با عنوان سرامیک های پیزوالکتریک منتشر شد که هنوز هم به عنوان یکی از منابع قوی در زمینه ی پیزوالکتریک ها مطرح است.
اثر پیزوالکتریک :
اثر پیزو الکتریک به زبان ساده ، قابلیت برخی از مواد و کریستال هاست برای تبدبل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی است . 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.
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 . که هر دو اثر کاربردیهای 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 بارها 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 دائمیروبرو 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 ، چیست 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 از این مختصر نمی گنجد .
وابستگی مواد پیزو الکتریک به دما:
موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند اثرات پیزو الکتریک ( پیدایش بار الکتریکی به اثر گرمایش یکنواخت ) و فرو الکتریک (تغییر جهت دو قطبی بر اثر میزان 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 . معمولاً حوزه های ناحیه هایی که در آنها تمام دو قطبی ها در جهت خاصی سمت گیری می کنند یا جهت گیری های دو قطبی متفاوت تشکیل خواهد شد . موادی که گشتار دو قطبی دائمی دارند معمولاً در دماهایی با 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 پیزوالکتریک افزایش می یابد ، اثر پیزو الکتریک در انواع بسیاری از مواد ، از جمله تک بلورها سرامیک ها و بسپار ها و مواد مرکب دیده می شود . کوارتز یکی از متداول ترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی خوبی دارد . ثابت پیزو الکتریک آن و ثابت جفت شدگی آن K=0,1 است .
انواع موادی که اثرپیزوالکتریک دارند :
الف ) کریستال های طبیعی : پیزو الکتریک فرمول های و کاربرد (piezo electric)
(ALPO4) Berlinite یک ماده معدنی فسفات و کمیاب است که ساختاری همانند کوارتز دارد .
Cane Sugar نیشکر: کانی شکر می تواند از خود خاصیت پیزو الکتریک بروز دهد . البته این کانی انواع مختلفی دارد.
Quartez کوارتز : شرح آن در صفحات بعدی آمده است .
نمک راچل (Rachelle Salt) :
Topaz یاقوت زرد ، زبرجد هندی
کهربا از گروه کانی ها
ب ) مواد طبیعی دیگر :
Tendon (تاندون هایبدن) : تاندون گروه خشن از بافت لیفی همبند است که معمولاًٌ عضلات را به استخوان مرتبط می کند و قادر به تحمل تنش هستند .
Silk (ابریشم) الیاف ابریشم یک نوع پروتیین است که ساختار میکروسکوپی مثلثی شکل دارد .
برخی از چوب ها
Enamel (مینای دندان) : سخت ترین قسمت دندان مینای دندان است .
Dentine (عاج دندان) : در زیر مینای دندان عاج دندان قرار دارد که هفتاد درصد از دندان متشکل شده از Hydroxylapatite معدنی و بیست درصد مواد آلی و ده درصد هم آب است .
ج ) کریستال های مصنوعی :
گالیوم اُرتوفسفات (GaPO4) : که به کریستال کوارتز آنالوگ نیز معرف است .
لانگاسیت (La3Ga5SiO14) : به کریستال کوارتز آنالوگ نیز معروف است .
د) سرامیک های مصنوعی :
این خانواده از سرامیک ها دارای ساختار pervoskite یا tungsten – bronze هستند .
باریوم تیتانیوم (BaTiO3) : که اولین سرامیک کشف شده با اثر پیزو الکتریک بود .
تیتانات سرب (PbTiO3) :
تیتانات زیرکونات سرب (Pb[ZrxTi1−x]O3 0≤x≤۱) : که بیشتر به PZT معروف است
و یکی از سرامیک های پرکاربرد امروزی محسوب می شود .
نیوبیت پتاسیم (KNbO3)
نیوبیت لیتیوم (LiNbO3)
سدیم تنگستات (Na2WO3)
Ba2NaNb5O5
Pb2KNb5O15
سدیم پتاسیم نیوبیت (NaKNb) : بررسی دقیق تر نسبت به پیزو سرامیک های سرب در سال ۲۰۰۴ منجر به کشف خواص NaKNb شد که بسیار شبیه به PZT عمل می کند .
بیسموت فریت (BiFeO3) : این نوع سرامیک بهترین گزینه برای جایگزینی به جای سرامیک های سرب می باشد .
سدیم نیوبیت (NaNbO3)
هـ ) پلیمرها :
پلی واینی لیدین فلوراید PVDF)) مستندات خاصیت پیزو الکتریسیته در این نوع پلی مر چندین با بیشتر از کواتز است . در پلی مرها مولکول های در هم تنیده شده هنگامی که در اثر میدان الکتریکی قرار می گیرند همدیگر را جذب یا دفع می کنند. در یک بررسی به این نتیجه رسیدند که طول عمر مواد سرامیکی کمتر از مدار کریستالی تک بلوری است در نتیجه سنسورهایی که با سرامیک ساخته می شود از عمر کمتری برخوردارند و بعد از مدتی از دقت آنها کاسته می شود .
کاربرد های پیزو الکتریک :
با کشف مواد جدید که خاصیت پیزو الکتریک در شرایط متفاوت تولید می کنند عرصه ی کاربرد های پیزو الکتریک روز به روز دچار تغییر می شود و رو به پیشرفت است . برخی از کاربرد های این اثر در زیر آمده است :
به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهیج یا فرکانس ، شتاب سنج ها و …
به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی و برعکس (در دیسک های صوتی ، گرامافون های قدیمی ، میکروفن ،بلندگو ، زنگ اخبار …
کنترل امواج الکتراسونیک AE در دریافت و انتقال امواج الکتراسونیک
در تولید ولتاژ و جرقه با ولتاژ بالا
در تولید بیوسنسورهای پزشکی
در تولید میکروبات های ریز و موتور های در مقیاس کوچک
استفاده از نانوذرات پیزو الکتریک ( نانوذرات سرامیک های خاص ) در ایجاد خواص الکتریکی یک سطح . در ادامه به توضیح چگونگی به کار بردن اثر پیزو الکتریک در برخی از کاربرد های مهم صنعتی و پزشکی به صورت اجمال می پردازیم .
کاربرد های سرامیک مهندسی برق :
بسیاری از دستگاه های الکترونیکی مهمی که امروزه توسط مردم مورد استفاده قرار می گیرند ، بدون وجود سرامیک ممکن نخواهد بود . تحقیق جدیدی که در مجله انجمن سرامیک آمریکا چاپ شده است ، کاربرد مواد سرامیکی در توسعه ی دستگاه های تکنولوژیکی مانند ارتباط سیار تصویر برداری فراصوت نشان می دهد .پیزو الکتریک فرمول های و کابرد (piezo electric)
به گزارش خبرگذاری برق الکترونیک و کامپیوتر ایران (الکترونیوز) و به نقل از ساینس دیلی و محققین به رهبری پالت مورالت از موسسه ی تکنولوژی فدرال سوئیس ، محدوده مواد سرامیکی را مرور کرده و نقش حیاتی را که مواد پیزو الکتریک در پیشرفت تکنولوژی باز می کنند ، مورد بررسی قرار دارند .
مواد پیزو سرامیک نقش ویژه ای را در ارتباطات سیار و راه دور و تصویر برداری فراصوت بازی می کنند چرا که این قابلیت را دارند که به شکل کارآمدی نوسانات مکانیکی در هر بُعد را به سیگنال های الکتریکی تبدیل نمایند .
این تکنولوژی و اثر در ترکیب با صفحات پیزو الکتریک ( پیزو – MEMS) منجر به کسب مزایای مهمی می شود خاصیت پیزو -MEMS مبتنی بر صفحات AIN که از تحویل ایجاد شده در تکنولوژی تلفن همراه ناشی می شود . امکان ایجاد تلفن های همراه کوچک تر و کاهش شدت تشعشع مایکرو ویو را فراهم می سازد که در این بین PZT نوید بخش استفاده انبوه از این خاصیت در حجم انبوه را خواهد داشت . انتظار می رود کههدهای جوهر افشان پرینتر که دارای کیفیت بسیار بالا می باشند ، گام بزرگ بعدی در پیزو- MEMS باشند .
استفاده از PZT MEMSدر سنسورهای حرکتی ، سنسورهای لرزشی ، و آینه های نوری ، درایوهای گرداننده ی ساعت مچی و … را امکان پذیر می سازد . نویسندگان اصلی مقاله می گویند : "کاربردهای بسیار دیگری طی تحقیقات بوجود خواهد آمد ، مانند مهار انرژی ، سیستم های نوسانی برای ساعت ها ، آرایه های آینه ای ، و اسکنرها" پیزو الکتریک فرمول های و کابرد (piezo electric)
موتور پیزو الکتریک :
موتور پیزو الکتریک یا پیزو موتور یک نوع از مورهای الکتریکی است که بر پایه ی تغییر شکل ماده ی پیزو الکتریک هنگامی که در میدان الکتریکی قرار می گیرد کار می کند . در پیزو موتور از اثر پیزو الکتریک معکوس به منظور تبدیل انرژی الکتریکی به ارتعاشات آلوستیک یل تولید حرکت خطی یا دورانی که به ساختار موتور مربوط است ، استفاده می شود . در این مکانیزم حرکتی بر اثر کشیدگی های پی در پی و انتقال این کشیدگی به قسمت دیگر حرکت بوجود می آید ، به این شکل که در این تکنیک حرکتی سرامیک پیزو الکتریک را استاتور قرار می دهند این تکنیک حرکتی شبیه به حرکت کرم ابریشم است .
این نوع موتور را در دو نوع خطی و دورانی وجود دارند . معمولاً تحت نام های تجاری "Enehworm" یا "Pizo walk" موتور شهرت دارند . این موتور ها پیزو الکتریک شامل سه بخش اساسی در ایجاد حرکت کرمی شکل هستند . دو تکه کریستال که نقش قفل کننده بر روی قسمت متحرک را دارند و یک تکه کریستال دیگر که نقش حرکت دهند را ایفا می کند . در واقع ابتدا یک کریستال بر روی قسمت متحرک (که قرار است حرکت داده شود) قفل می شود و در مرحله دوم انقباض کریستال دوم صورت می گیرد که باعث حرکت در راستای اصلی می شود و در مرحله سوم قفل باز می گردد . این حرکت توسط سه کریستال به طور مداوم در حال تکرار است در اصل این یک حرکت خطی محسوب می شود اما می توان با طراحی موتور در شکل های خاص این حرکت خطی را دورانی مبدل کرد . در شکل زیر نمونه ای از این نوع از حرکت آمده است :
رشد و تکامل کریستال های پیزو الکتریک در صنعت به خوبی در حال توسعه می باشد . بازده اعوجاج بسیاریکنواخت و مدوام با توجه به اختلاف پتانسیل های دقیق را می توان ایجاد کرد . تولید کنندگان ادعا می کنند که در گام های بعدی در پی تولید موتور های پیزو الکتریک در مقیاس نانو متر هستند . میزان پاسخ بالا و اعوجاج سریع کریستال ها اجازه می دهد تا مراحل پیشرفت را تا فرکانس های بالا تنیده ساخته شود ، در حدود بیش از ۵ مگاهرتز به این ترتیب سرعت خطی حرکت حدود ۵۰۰ میلی متر در هر ثانیه یا نزدیک به ۹/۲ کیلومتر بر ساعت خواهد بود .
شرایط بازار اقتصادی قطعات و تجهیزات پیزو الکتریک :
در بازار اقتصادی سرامیک های نوین ، سرامیک های الکتریکی یکی از جا افتاده ترین بازارهای موجود است . علاوه بر گسترش زمینه های مصارف قبلی ، مصارف جدید مربوط به کاربردهایی است که پیزو الکتریک ها و خصوصاً پیزو سرامیک ها اخیراً وارد آن حیطه های 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 الکترو سرامیک و از جمله پیزو الکتریک در کشور ما 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 پیزو الکتریک و مشخص نمودن زمینه های تکنولوژی و تولید صنعتی آن در ایران ، زمینه های تحقیقاتی در ایران ، بر آورد و شناخت متخصصان ایرانی در داخل و خارج از کشور و در ادامه آمار واردات و صادرات (تولید و مصرف) در ایران تحلیل شد تخمین نیازهای داخلی (نیازهای فعلی تا سال ۱۴۰۰ هجری شمسی) نشان داد که نیاز داخلی تا سال ۱۴۰۰ حدود ۴۰ میلیون قطعه پیزو و پیرو الکتریک است و باید اقدام لازم در این خصوص صورت گیرد .
در ابتدا ، مواد جدید به عنوان اساس تکنولوژی های نوین در جهان نقش آن در توسعه ی تمدن بشری اشاره ای شد . آنگاه جایگاه پیزو الکتریک ها همراه تاریخچه ، انواع ، تئوری ، خواص و کلیات کاربردی بررسی گردید . در مرحله 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 سوم ، بررسی وضعیت داخلی با جزئیات بیش تر ارزیابی گردید .
پیزو الکتریک فرمول های و کابرد (piezo electric)
توضیحات :
ساختار پرسکیت (ABD3) : ساده ترین آرایش اتمی است که در آن اتم ها اکسیژن در حالت اکتاهدرال قرار دارند و اتم های کوچکتر (…., Nb ,Sn , Zr , ti) به صورت مربعی با اتم های اکسیژن پیوند خورده اند . این کاتیون های کوچکتر فضای اکتاهدرال مرکزی را اشغال کرده اند (موقعیت های B) و کاتیون های بزرگتر (…, Na , C , Sr , Ba Pb)در گزینه های سلول واحد جای می گیرند . (موقعیت های A) ترکیباتی مانند : KNbo3 , NaNbo3 , PbZrO3 , PbTio3 , Batio3 مورد مطالعه قرار گرفته اند و طول دمای فرو الکتریکی آنها و فازهای غیر غیر فرو الکتریکشان به صورت وسیع استخراج شده اند . این ساختارها همچنین بوسیله اتم های مختلف جانشین شده تغییر می کند که موجب ترکیب های پیچیده تری مانند : (Ba , sr) Tio3 , (K1b1) Tio3 , Pb(Fe , Ta) o3 و (۲ro ti) o3 و ……. می شود .
ساختار بلوری Pervoskit : این ساختار شبیه کریستال هایی است که دارای اتم مرکزی اکسیژن هستند مانند اکسید تیتانیوم کلسیم که ساختار آنها به شکل XIIA2+VIB4+X2−۳ می باشد .
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 دهه ۱۸۸۰ 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 الکتریسیتهٔ 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 های PZT (Pb[ZrxTi1-x]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 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 لینائوسو فرنز آپینوس مطالعه شد و با الهام از این موضوع رنه جاست هاووی و آنتونی سزار بکورل ادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه ای وجود دارد گرچه آزمایش های آن ها نتیجهٔ 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 لیپمان در 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 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.
جنگ جهانی اول و پس از آن
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 صفحهٔ 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.
استفادهٔ 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.
جنگ جهانی دوم و پس از آن
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 دانشکدهٔ مهندسی مشغول به کار بود که باعث توسعه کریستال "AT cut" شد. کریستالی که در محدودهٔ 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 استفادهٔ 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 فاصلهٔ 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.
نکتهٔ 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 ساخته 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
خانوادهٔ 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 توسعهٔ 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 تهیه 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.
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، پیزوالکتریسیته 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 وسیله 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 محدودهٔ 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 شاخه نانوپیزوالکتریک دنبال می شود. هم اکنون محققان اولین مولدها را که بر پایهٔ 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 ذخیرهٔ 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.
از سرامیک های پیزوالکتریک چه می دانید؟ برای فهمیدن کامل رفتار سرامیک های پلی کریستال پیزوالکتریک، مطالعه ی اطلاعات پایه در زمینه ی سرامیک ها ضروری می باشد.
برای همین مساله ما مقدمه ای کوتاه در مورد تاریخچه ی پیزوالکتریسیته و مباحث مربوط به کارهای انجام شده بر روی سرامیک ها و پیشرفت های مربوط به رابطه ی ساختار و رفتار مواد پیزوالکتریک به شما ارائه می دهیم. ما کوشش می کنیم ما متداول ترین روش های اندازه گیری را به خوبی توضیح دهیم و پارامترهای موثر به خواص پیزوالکتریک ها را توضیح می دهیم. برای بدست آوردن اطلاعات بیشتر به منابع موجود در پایان مقاله مراجعه کنید. برای توضیح بهتر، ما از مثال (PZT) lead zirconate titanate استفاده می کنیم. زیرا این سرامیک بیشترین استفاده را داشته و مطالعات زیادی بر روی آن صورت گرفته است.
مواد پیزوالکتریک
مواد هوشمند، موادی هستند که متحمل فعل و انفعالات فیزیکی می شوند. یک تعریف معادل دیگر از مواد هوشمند این است که این مواد،موادی هستند که تغییرات محیطی را دریافت کرده و با استفاده از بازخوردهای سیستم، این تغییرات را حذف یا تصحیح می کنند. مواد پیزوالکتریک، آلیاژهای حافظه دار (shape-memory alloys)، مواد الکتروستریک (materials electrostrictive)، مواد تغییر شکل دهنده در اثر مغناطیس (magnetrostrictivematerials)، مایع های با خواص الکترورئولوژی (electrorheological fluids)، نمونه هایی از مواد هوشمند متداول هستند.
پیزوالکتریسیته یک متغیر خطی است که به ساختار میکروسکوپی جامدات مربوط می شود. برخی از سرامیک ها هنگامی که تحت تاثیر فشار قرار گیرند پلاریزه می شوند. این پدیده ی خطی و آشکار به عنوان اثر پیزوالکتریک مستقیم (The direct Piezoelectric effect) نسبت داده می شود. اثر پیزوالکتریک مستقیم همیشه با اثر پیزوالکتریک معکوس، همراه است. که این اثر پیزوالکتریک معکوس زمانی اتفاق می افتد که یک قطعه ی پیزوالکتریک در یک میدان الکتریکی قرار گیرد.
نواحی میکروسکوپ بوجود آمده در اثر پیزوالکتریسیته باعث جابجا شدن بارهای یونی در داخل ساختار کریستالی می شود. در غیاب نیروهای فشاری خارجی، این بارها در داخل کریستال توزیع شده و ممنتم دی پل ها همدیگر را خنثی می کنند. به هرحال، هنگامی که یک تنش خارجی بر قطعه ی پیزوالکتریک وارد شود، بارها به گونه ای جابجا گشته که تقارن دی پل ها از میان می رود. بر این اساس یک شبکه ی پلاریزه ایجاد شده و نتیجه ی آن ایجاد یک میدان الکتریکی است.
ماده ای می تواند از خود خواص پیزوالکتریک ارائه دهد که سلول واحد آن هیچگونه مرکز تعادلی نداشته باشد. خاصیت پیزوالکتریسیته به گروهی از مواد تعلق دارد که در سال 1880 به وسیله پیروژاکوپ کوری در طی مطالعات آنها بر روی آثار فشار بر روی تولید بار الکتریکی در کریستال های کوارتز، کهربا و نمک راچل (Rochelle salt)، کشف شد. در سال 1881 واژه ی Piezoelectricity توسط w.Hankel برای اولین بار برای نامگذاری این اثرات پیشنهاد شد. البته اثر معکوس این خاصیت توسط Lipmann از قوانین ترمودینامیک استنباط شد. در سه دهه ی بعد، همکاری های فراوانی در انجمن های علمی اروپا در زمینه ی پیزو الکتریسیته انجام شد واژه ی میدان پیزو الکتریسیته بوسیله آنها استفاده شد. البته کارهای انجام شده بر روی رابطه ی میان الکترومکانیکی مختلط با کریستال های پیزوالکتریک در سال 1910 انجام شد و اطلاعات آن به صورت یک مرجع استاندارد است.
به هرحال پیچیدگی علم مربوط به مواد پیزوالکتریک باعث شد که کاربردهای این مواد تا چند سال قبل رشد پیدا نکند. لانگوین ات آل در طی جنگ جهانی اول مبدل التراسونیک پیزو الکتریکی ساخت. موفقیت او باعث ایجاد موقعیت های استفاده از مواد پیزوالکتریک در کاربردهای زیر آبی شد. در سال 1935، Scherrer , Busch خاصیت پیزوالکتریک پتاسیم دی هیدروژن فسفات (KDP) را کشف کردند. خانواده ی پیزوالکتریک های پتاسیم دی هیدروژن فسفات اولین خانواده ی عمده از مواد پیزوالکتریک و فرو الکتریک بود که کشف شده بود.
در طی جنگ جهانی دوم، تحقیقات در زمینه ی مواد پیزوالکتریک بوسیله ی آمریکا، شوروی سابق و ژاپن بسط داده شد. محدودیت های ساخت این مواد از تجاری شدن آنها جلوگیری می کرد اما این مساله نیز پس از کشف باریم تیتانات و سرب زیرکونا تیتانات (PZT) در دهه های 1940، 1950 برطرف شد. این خانواده از مواد خاصیت دی الکتریک و پیزوالکتریک بسیار خوبی داشتند علاوه بر این خانواده قابلیت مناسب شدن و استفاده در کاربردهای خاص را بواسطه ی دپ کردن آنها با عناصر دیگر، دارند. تا این تاریخ، PZT یکی از مواد پیزوالکتریک پر کاربرد است. این نکته قابل توجه است که بیشترین سرامیک های پیزوالکتریک تجاری در دسترس (مانند باریم تیتانات و PZT) ساختاری شبیه به ساختار پرسکیت (Perovskite) با فرمول CaTiO3 دارند.
ساختار پرسکیت (ABD3) ساده ترین آرایش اتمی است که در آن اتم های اکسیژن در حالت اکتاهدرال قرار دارند و اتم های کوچکتر (Nb, Sn, Zr, Ti و … ) به صورت آرایش مربعی با اتم های اکسیژن پیوند خورده اند این کاتیون های کوچکتر فضاهای اکتاهدرال مرکزی را اشغال کرده اند (موقعیت های B) و کاتیون های بزرگتر (Na, Ca, Sr, Ba, Pb و…) در گوشه های سلول واحد جای می گیرد (موقعیت های A )، ترکیباتی مانند
KNbO3, NaNbO3, PbZro3, PbTiO3, BaTiO3 مورد مطالعه قرار گرفته و طول و دمای فروالکتریکی آنها و فازهای غیر فروالکتریک شان به صورت وسیع استخراج شده است. این ساختارها همچنین بوسیله ی اتم های مختلف جانشین شده تغییر می کند. این جانشینی های اتمی اتفاق افتاده موجب تولید ترکیبات پیچیده تری مانند
(Pb, Sr) (Zr, Ti) O3 , (Ba, Sr) TiO3 ، (k, Bi) TiO3, Pb(fe, Ta) O3 و … می شود.
تقریباًٌ در سال 1965 بود که چندین شرکت ژاپنی بر روی تولید فرآیندها و کاربردهای جدید وسایل پیزوالکتریکی، متمرکز شوند. موفقیت تلاش محققین ژاپنی موجب شد تا محققین دیگر کشورها نیز به سمت تحقیقات در این زمینه جذب شوند و امروزه، نیازها و استفاده ها از این مواد در بسیاری از رشته ها از جمله کاربردهای پزشکی، ارتباطات، کاربردهای نظامی و صنعت خودرو گسترش یافته است. بررسی تاریخچه ی پیزوالکتریسیته توسط W.G.Cady انجام شده است و در سال 1971 نیز کتابی با عنوان سرامیک های پیزوالکتریک منتشر شد. که این کتاب هنوز هم به عنوان یکی از منابع قوی در زمینه ی پیزوالکتریک ها مطرح است.
فرآیند تولید سرامیک های پیزوالکتریک
تولید اغلب سرامیک های پیزوالکتریک توده ای با تهیه ی پودر آنها شروع می شود. پودر تولیدی سپس در اندازه و شکل مورد دلخواه پرس می شود. شکل خام تولیدی خشک و فرآوری گشته و از لحاظ مکانیکی سخت تر و پر دانسیته تر می شود. مهمترین فرآیندهایی که بر روی خواص و ویژگی های محصول تولیدی اثر می گذارند شامل: فرایند تولید پودر، فرآیند خشک کردن پودر و زینترینگ می شوند. مراحل بعدی انجام شده شامل: ماشین کاری، الکترونیک و قطب دار کردن (Poling) می شوند (قطب دار کردن یعنی: استفاده از یک میدان DC جریان برای جهت دهی به دی پل ها و القای خاصیت پیزوالکتریکی است) معمولی ترین روش برای تهیه ی پودر، مخلوط کردن اکسیدهای مورد نیازاست. در این فرآیند، پودر از مخلوط کردن نسبت های استوکیومتری مناسب از اکسیدهای تشکیل دهنده ی پیزوالکتریک بدست می آید.
برای نمونه برای تولید (Lead Zirconiate titanate) PZT ، اکسید سرب، اکسید تیتانیم و اکسید زیرکونیم، ترکیبات اصلی هستند. براساس کاربرد و استفاده ای که از پیزو الکتریک تولیدی می شود، انواع متنوعی از عناصر دوپ شونده نیز به مخلوط افزوده می شود. که این عناصر دوپ شده موجب ایجاد خواص مورد نظر ما می شوند. سرامیک های PZT به ندرت بدون استفاده از افزودنی های دوپ شونده تولید می شوند. استفاده از عناصر دوپ شونده موجب اصلاح برخی از خواص این نوع سرامیک ها می شوند. افزودنی های دوپ شونده ای که در موقعیت های A قرار می گیرند باعث کاهش ضریب اتلاف (dissipation factor) شده که این مساله بر روی تولید گرما تاثیر می گذارد، اما باعث کاهش ضرایب پیزوالکتریسیته (Piezoelectric coefficients) می شود. به همین دلیل پیزوالکتریک های تولیدی با این افزودنی ها بیشتر در کاربردهای التراسونیک و با فرکانس بالا استفاده می شوند. افزودنی های دوپ شونده ای که در موقعیت های B قرار می گیرند، باعث افزایش ضرایب پیزوالکتریسیته می شوند اما همچنین موجب افزایش ثابت دی الکتریک شده که این مساله زیان آور است. پیزوالکتریک های تولیدی با این افزودنی ها دوپ شونده، به عنوان فعال کننده در کنترل کننده صدا- لرزش (control vibration and noise) ، عضله های خم کننده (benders)، کاربردهای موقعیت یابی نوری (optical positioning application) و … استفاده می شوند.
فلوچارتی از مراحل تهیه ی سرامیک های PZT آورده شده است. مخلوط نمودن پودر اکسیدهای مورد استفاده در تولید سرامیک های پیزوالکتریک یک به دو روش انجام می شود که در زیر بیان شده اند.
1-روش سایش خشک با بال میل
2-روش سایش تر با بال میل
هر دو روش تر و خشک دارای مزایا و معایبی هستند. روش سایش تر با بال میل سریع تر از روش خشک است. به هر حال عیب روش تر اضافه شدن مرحله ای برای جداسازی مایع از پودر تولیدی است. متداول ترین روش تولید PZT ها از سایش تر با بال میل بهره می گیرد. در روش سایش تر پودر پودر این سرامیک ها با بال میل، از اتانول به عنوان مایع و از زیرکونیای تکلیس شده به عنوان محیط سایش استفاده می شود. البته ممکن است به جای یک آسیاب معمولی از یک آسیاب ارتعاشی (Vibratory mill) استفاده شود. این فرآیند که توسط Herner ابداع شده خطر آلودگی پودر با اجزای جدا شده از گلوله ها و محیط سایش را کاهش می دهد همچنین محیط زیرکونیا به خاطر کاهش ریسک آلودگی استفاده می شود.
البته مرحله ی تکلیس نیز یکی از مراحل تعیین کننده در تولید سرامیک های PZT است. این مرحله موجب کامل شدن فرآیند تبلور کشته که فاز پرسکیت در این مرحله تشکیل می شود. اهداف این مرحله خارج شدن مواد آلی و فرار از مخلوط است و واکنش اکسیدهای موجود در مخلوط برای ایجاد ترکیبات فازی مناسب قبل از فرآیند تولید قطعه است. همچنین از اهداف دیگر این مرحله کاهش حجم شرپنکیج و یکنواختی بهتر در طی زینترینگ و پس از آن است. پس از تکلیس، یک ماده ی چسبنده به پودر افزوده می شود و مخلوط شکل دهی می شود. شکل دهی قطعات ساده با روش پرس خشک در قالب و برای بدنه های پیچیده تر، روش های اکستروژن و ریخته گری دوغابی استفاده می شود. پس از آن اشکال تولیدی زینترینگ می شود ( در واقع بوسیله یک آون مواد چسبنده ی آن خارج شده و دنس می شود.)
مشکل عمده در زینترینگ سرامیک های PZT، فراریت Pbo در دمای 800 درجه سانتی گراد است برای به حداقل رساندن این مشکل، نمونه های PZT در حضور یک منبع سرب مانند PbZro3 زینتر می شوند و در داخل یک بوته ی ذوب بسته حرارت دهی می شوند. اشباع شدن اتمسفر محل زینتر کردن با PbO باعث به حداقل رسیدن اتلاف سرب از بدنه های PZT می شود. در این شرایط زینترینگ می تواند در دمای متنوعی بین 1200-1300 درجه سانتیگراد انجام شود. با وجود این تدابیر پیش بینی شده معمولاً اتلاف 2-3% در مقدار سرب اولیه صورت می گیرد.
پس از برش و ماشین کاری قطعه به شکل مناسب، الکترودها تعبیه می شود و یک میدان DC برای جهت دهی به قلمرو دی پل های داخل سرامیک پلی کریستال اعمال می شود. قطب دار کردن بوسیله ی جریان DC می تواند در دمای اتاق و یا در دماهای بالاتر انجام شود. البته این مساله به ماده و ترکیب سرامیک بستگی دارد.
فرایند پلاریزاسیون تنها اندکی دی پل های موجود در سرامیک پلی کریستال را هم جهت می کند و نتیجه ی پلاریزاسیون پلی کریستال کمتر از حالتی است که سرامیک تک کریستال باشد. این تکنیک تولید دارای ابهامات زیادی است البته تعداد زیادی از روش های تولید دیگر وجود دارد که سرامیک های PZT با خواص و ریزساختار عالی تولید می کنند. یک مشکل بوجود آمده در این روش انحراف از حالت استوکیومتری است. این مشکل اغلب به خاطر وجود ناخالصی در مواد اولیه و اتلاف سرب از بدنه در طی فرآیند زینترینگ بوجود می آید. که باعث تغییر خواص PZT در اثر جانشینی های ناخواسته، می شود. به عنوان یک نتیجه، خواص الاستیک در اثر این مشکل می تواند 5% ، خواص پیزوالکتریک 10% و خواص دیک الکتریک 20 درصد ( با یک بچ ثابت) تغییر کنند.
همچنین، خواص دی الکتریک و پیزوالکتریک عمدتاً به علت عدم وجود یکنواختی کاهش پیدا می کنند (این عدم یکنواختی به خاطر هم زدن کم اتفاق می افتد). این مساله هنگامی که اکسیدهای اصلی هم گون باشد مهم می باشد. در روش های توضیح داده شده در بالا، به هرحال، اجزای اصلی به صورت محلول جامد در آمده و این نشان داده شده است که مخلوط شدن هم گون محلول جامد هنگامی که این مساله امکان نداشته باشد، مشکل است.
روش های دیگر برای تولید سرامیک های پیزوالکتریک به شرح زیراند:
1) فرآیند هیدروترمال (Hydrothermal Processing)
2) روش های هم رسوبی (coprecipitation methods)
همچنین این نکته قابل توجه است که توسعه ی وسیعی در زمینه ی فرآیندهای تولید پودر (Powder Processing)، شکل دهی و زینترینگ بوجود آمده است که نتیجه ی این توسعه ها، افزایش کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک است.
روابط ساختاری و خواص مواد
دانستن اطلاعات مربوط به پیزوالکتریسیته از ساختار مواد شروع می شود. برای توضیح بهتر، اجازه دهید بر روی یک کریستال از ( این تک کریستال های کوچک با قطر میانگین کمتر از Mm100) یک سرامیک پلی کریستال متمرکز شویم. این کریستال از اتم های مثبت و منفی تشکیل شده است که فضای خاصی را در سلولهای تکراری (سلول واحد) اشغال کرده اند. تقارن خاص سلول واحد تعیین کننده ی این مساله است که آیا کریستال ما خاصیت پیزوالکتریسیته دارد یا نه؟ همه ی کریستال ها از 32 کلاس ( از 7 سیستم: تریکلینیک، مونوکلینیک، ارتورومبیک، تتراگونال، رمبوهدرال، هگزاگونال و کیوبیک) مشتق شده اند. از 32 کلاس، 21 عدد از آنها دارای تقارن مرکزی نیستند و 20 کلاس دارای خواص پیزوالکتریک هستند.
( یک کلاس از 21 کلاس فاقد تقارن مرکزی، پیزوالکتریک نیست زیرا این کلاس دارای دیگر عناصر تقارن است). نبودن مرکز تقارن بدین معناست که یک حرکت شبکه ی یون های مثبت و منفی نسبت به همدیگر که در نتیجه ی اعمال تنش بوجود می آید،تولید یک دو قطبی الکتریکی می کند. یک سرامیک از قرارگیری تصادفی این کریستال های پیزوالکتریک تشکیل شده است و به همین دلیل غیرفعال است. اثرات کریستال ها همدیگر را خنثی نموده و خاصیت پیزوالکتریک قابل اندازه گیری در سرامیک بوجود نمی آید. نواحی با بردار قطبی یکسان،قلمرو (domain) نامیده می شوند.
قطب دار کردن یکی از روش های معمولی مورد استفاده برای جهت دهی به قلمرو هاست که این عمل بوسیله ی پلاریزاسیون سرامیک ها با استفاده از یک میدان الکتریکی ساکن انجام می شود. الکترودها بر روی سرامیک اعمال می شود تا قلمروهای پیزوالکتریکی چرخیده و در جهت میدان،جهت گیری کنند. نتیجه ی بدست آمده این گونه نیست که تمام قلمروها هم جهت شوند و با جهت گیری یکسان بخشی از قلمروها سرامیک پلی کریستال دارای یک اثر پیزوالکتریکی بزرگ می شود. در طی این فرایند ماده ی پیزوالکتریک در جهت محور قطبی شدن انبساط و در جهت عمود بر آن انقباض دارد.
روابط ساختاری
هنگامی که در مورد معادله ی ساختاری مواد پیزوالکتریک می نویسیم باید تغیرات تنش و جابجایی الکتریکی در سه جهت عمود بر هم محاسبه گردد. این جابجایی الکتریکی بوسیله ی اثرات کوپل های عمود بر هم بوجود آمده است. همچنین این اثرات نیز بخاطر تنش های مکانیکی و الکتریکی حاصل می شود. علامت تانسور ابتدا معین می گردد که در شکل 4 جهات مرجع نشان داده شده است.
حالت کرنش با تانسور مرتبه دوم Sij معین می شود و حالت تنش نیز بوسیله ی تانسور مرتبه دو Tkl تعیین می شود. روابطی وجود دارد که تانسور تنش را به تانسور کرنش، تسلیم Sijkl و سختی Cijkl مرتبط می سازد. رابطه میان میدان Ej (تانسور مرتبه اول) و جابجایی الکتریکی Di (تانسور مرتبه اول)، ثابت دی الکتریک Eij است. که این ثابت یک تانسور درجه 2 است. بنابراین معادلات مربوط به مواد پیزوالکتریک به صورت زیر نوشته می شوند:
Di=ETij.Ej+dijk Tjk
Sij=dijk Ek+E Sijkl Tkl
که در این روابط dijk و dijk ثوابت پیزوالکتریک هستند و تانسوری درجه 3 هستند. با لانویس E, T نشان می دهند که ثابت دی الکتریک Eij و ثابت الاستیک Sijkl تحت شرایط تنش ثابت و میدان الکتریکی ثابت، اندازه گیری شده است. عموماً تانسور مرتبه اول، 3 جزء دارد، تانسور مرتبه 2، 9 جزء و مرتبه 3، 27 جزء دارد. همچنین تانسور مرتبه 4، 81 جزء دارد. درصد خیلی کمی از این اجزاء تانسوری، مستقل هستند. هر دوتای این روابط وابسته به جهت هستند. آنها یک بسته از معادلات هستند که این خواص را در جهات مختلف ماده شرح می دهند. تقارن فضایی و انتخاب بردارهای مرجع، تعداد اجزای مستقل را کاهش می دهد. یک راه مناسب برای توصیف آنها استفاده از جهات برداری مناسب مانند آنهایی که در شکل 4 نشان داده شده است. بر اساس عرف، جهت قطبی شدن را با محور 3 نمایش می دهیم. همچنین صفحات برشی با زیرنویس 4، 5و 6 نشان داده شده است که این صفحات بر جهات 1،2،3 عمود می باشد.
کاربرد مواد پیزوالکتریک
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. 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. البته به خاطر وسعت این کاربردها از بیان آنها چشم پوشی می کنیم.
از اثر ایجاد قطب الکتریکی در بلور بوسیله تغییر حرارت که باعث ایجاد یک پتانسیل الکتریکی در مواد می شودکه توسط این مطالعهاین نفر یعنیCarl Linnaeus وFranz Aepinusدر میانه های قرن هجدهم مشخص شد . جرقه این خاصیت فیزیکی شکل گرفت . طراحی این دانش و آگاهی باعث شد که Rene Just Hauyو AntioneCessarادعا کننده که وابستگی و ارتباطی بین فشار و تنش مواد و تغییرات بار ماده وجود دارد . اگر چه آزمایشات این دو به نتیجه نرسید .
اولین اثبات قضیه و اثر پیزوالکتریک در سال 1880 توسط دو برادر با نام های Pierre Curie و Jacques Curieبود. اطلاعات این دو دانشمند رفتار بسیاری از کریستال ها مانند تورمالین ، کوارتز ، کانی شکر ، Rochelle salt (نمک راچل) ( تتراهیدرات ، جوهر پتاسیم ، سدیم ) را آشکار کرد .در سه دهه بعد، همکاری فراوانی در انجمن های علمی اروپا در زمینه پیزو الکتریسیته انجام شد و واژهای میدان پیزوالکتریسیته بوسیله آنها استفاده شد . البته کارهای انجام شده برروی رابطه ی میان الکترومکانیکی مختلطبا کریستال های پیزو الکتریک در سال 1910 انجام شد و اطلاعات آن به صورت یک مرجع استاندارد است. به هر حال پیچیدگی علم مربوط به مواد پیزوالکتریک باعث شده که کاربردهای این عداد تا چند سال قبل رشد پیدا نکند . لانگوین ات آل در طی جنگ جهانی اول مبدل آلتراسونیک پیزوالکتریکی ساخت . موفقیت او باعث ایجاد موقعیت های استفاده از مواد پیزو الکتریک در کاربرد های زیر آبی شد.
در سال 1925،Busch ، Schewer خاصیت پیزوالکتریک ، پتاسیم دی هیدروژن فسفات (KDP) را کشف کردند . خانواده پیزوالکتریک های دی هیدروژن فسفات اولین خانواده ی عمده از مواد پیزوالکتریک و فرو الکتریک بود که کشف شده بود. در طی جنگ جهانی دوم ، تحقیقات در زمینه ی مواد پیزوالکتریک بوسیله ی آمریکا شوروی سابق و ژاپن بسط داده شد . محدودیت های ساخت این مواد از تجاری شدن آنها جلوگیری می کرد امّا این مسئله نیز پس از کشف باریم تیتانات و سرب زیر کونات تیتانات (PZT) در دهه های 1940و1950 برطرف شد . این خانواده از مواد خاصیت دی الکتریک و پیزو الکتریک بسیار خوبی داشتند تا این تاریخ PZT یکی از مواد پیزوالکتریک پرکاربرد است . این نکته قابل توجه است که بیشترین سرامیک های پیزوالکتریک تجاری در دسترس ( مانند باریم تیتانات و PZT ) شبیه به ساختار پرسکیت (Perovskite) با فرمول Catio3دارند.
تقریباً در سال 1965 بود که چندین شرکت ژاپنی بر روی تولید فرآیندها و کاربرد های جدید وسایل پیزوالکتریکی ، متمرکز شدند ، موفقیت تلاش محققین ژاپنی موجب شد تا محققین دیگر کشورها به سمت تحقیقات در ایران زمینه جذب شوند و امروزه ،نیاز ها و استفاده ها از این مواد در بسیاری از رشته ها از جمله کاربردهای پزشکی ، ارتباطات ، کاربردای نظامی ، صنعت خودرو گسترش یافته است . بررسی تاریخچه ی پیزوالکتریسیته توسط W.G.cady انجام شده است و در سال 1971نیز کتابی با عنوان سرامیک های پیزوالکتریک منتشر شد که هنوز هم به عنوان یکی از منابع قوی در زمینه ی پیزوالکتریک ها مطرح است.
اثر پیزو الکتریک به زبان ساده ، قابلیت برخی از مواد و کریستال هاست برای تبدبل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی است . 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.
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 . که هر دو اثر کاربردیهای 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 بارها 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 دائمیروبرو 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 ، چیست 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 از این مختصر نمی گنجد .
وابستگی مواد پیزو الکتریک به دما:
موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند اثرات پیزو الکتریک ( پیدایش بار الکتریکی به اثر گرمایش یکنواخت ) و فرو الکتریک (تغییر جهت دو قطبی بر اثر میزان 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 . معمولاً حوزه های ناحیه هایی که در آنها تمام دو قطبی ها در جهت خاصی سمت گیری می کنند یا جهت گیری های دو قطبی متفاوت تشکیل خواهد شد . موادی که گشتار دو قطبی دائمی دارند معمولاً در دماهایی با 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 پیزوالکتریک افزایش می یابد ، اثر پیزو الکتریک در انواع بسیاری از مواد ، از جمله تک بلورها سرامیک ها و بسپار ها و مواد مرکب دیده می شود . کوارتز یکی از متداول ترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی خوبی دارد . ثابت پیزو الکتریک آن d_33=2/3×〖10〗^(-12) 〖c/〗_n و ثابت جفت شدگی آن K=0,1 است
روابط ریاضی :
پیزو الکتریک یک رفتار ادغام شده با رفتار الکتریکی ماده است :
که در این جا D چگالی بار الکتریکی تغییر مکان یافته و εضریب نفوذ پذیری و E میزان الکتریکی است و همچنین قانون هوک به ما می گوید :
که در فرمول بالا S معرف کرنش یا فشار و s ( کوچک ) معرف میزان تاثیر کرنش و T معرفبار است . از ادغام دو فرمول مطرح شده در بالا می توان چنین نتیجه گرفت :
از ادغام این دو فرمول معادله ی بوجود می آید که به آن معاله ادغام شده کرنش – بار گویند . که در اینجا [d ] ماتریسی برای بیان تاثیر اثر پیزوالکتریک مستقیم و ماترسی [d^+ ] ماتریسی برای بیان تاثیر اثر پیزوالکتریک معکوس می باشد. اندیس Eیا صفر خواهد بود یا یک عدد ثابت خواهد بود و اندیس T هم یا صفر یا یک ثابت خواهد بود و اندیس t برای جابجایی ماتریس [d] می باشد. به عنوان مثال معادلات کرنش – بار برای یک ماده از انواع کریستالی در حدود mm4 است .
البته معادلات بالا بیشتر برای بیان رفتار پیزوالکتریک نوشته می شوند و در یک فرم از نوشتار رفتار هستند معمولاً D و E هر دو برادر هستند . در کل چهار ضریب یا عامل مشترک در پیزوالکتریک وجود دارد که به صورت زیر تعریف می شوند :
در معادلات بالا 4 معادله بالا مربوط به اثر پیزوالکتریک مستقیم و چهار معادله بعدی به اثر پیزو الکتریک معکوس مرتبط است . این فرم از معادلات بیشتر برای بیان اثر پیزوالکتریک کریستال استفاده می شده است.
در جدول زیر ضریب اثر پیزو الکتریسیته (d33) چند ماده به صورت نمونه آورده شده است که در آن ضریب d33 برحسب C/N(کولن بر نیوتن) تعریف شده است و ارتباط بین مقدار بارالکتریکیو تاثیر آن میزان بار بر نیروی بوجود آمده برحسب نیوتن می باشد و برعکس .
Material d33(10-12 C/N)
Quartz 2.3
BaTiO3 90
PbTiO3 120
PZT 560
PZN-9PT 2500
انواع موادی که اثرپیزوالکتریک دارند :
الف ) کریستال های طبیعی :
(ALPO4) Berlinite : یک ماده معدنی فسفات و کمیاب است که ساختاری همانند کوارتز دارد .
Cane Sugar (نیشکر) : کانی شکر می تواند از خود خاصیت پیزو الکتریک بروز دهد . البته این کانی انواع مختلفی دارد.
Quartez (کوارتز) : شرح آن در صفحات بعدی آمده است .
نمک راچل (Rachelle Salt) :
Topaz (یاقوت زرد ، زبرجد هندی)
کهربا از گروه کانی ها
ب ) مواد طبیعی دیگر :
Tendon (تاندون هایبدن) : تاندون گروه خشن از بافت لیفی همبند است که معمولاًٌ عضلات را به استخوان مرتبط می کند و قادر به تحمل تنش هستند .
Silk (ابریشم) الیاف ابریشم یک نوع پروتیین است که ساختار میکروسکوپی مثلثی شکل دارد .
برخی از چوب ها
Enamel (مینای دندان) : سخت ترین قسمت دندان مینای دندان است .
Dentine (عاج دندان) : در زیر مینای دندان عاج دندان قرار دارد که هفتاد درصد از دندان متشکل شده از Hydroxylapatite معدنی و بیست درصد مواد آلی و ده درصد هم آب است .
ج ) کریستال های مصنوعی :
گالیوم اُرتوفسفات (GaPO4) : که به کریستال کوارتز آنالوگ نیز معرف است .
لانگاسیت (La3Ga5SiO14) : به کریستال کوارتز آنالوگ نیز معروف است .
د) سرامیک های مصنوعی :
این خانواده از سرامیک ها دارای ساختار pervoskite یا tungsten – bronze هستند .
باریوم تیتانیوم (BaTiO3) : که اولین سرامیک کشف شده با اثر پیزو الکتریک بود .
تیتانات سرب (PbTiO3) :
تیتانات زیرکونات سرب (Pb[ZrxTi1−x]O3 0≤x≤1) : که بیشتر به PZT معروف است
و یکی از سرامیک های پرکاربرد امروزی محسوب می شود .
نیوبیت پتاسیم (KNbO3)
نیوبیت لیتیوم (LiNbO3)
سدیم تنگستات (Na2WO3)
Ba2NaNb5O5
Pb2KNb5O15
سدیم پتاسیم نیوبیت (NaKNb) : بررسی دقیق تر نسبت به پیزو سرامیک های سرب در سال 2004 منجر به کشف خواص NaKNb شد که بسیار شبیه به PZT عمل می کند .
بیسموت فریت (BiFeO3) : این نوع سرامیک بهترین گزینه برای جایگزینی به جای سرامیک های سرب می باشد .
سدیم نیوبیت (NaNbO3)
هـ ) پلیمرها :
پلی واینی لیدین فلوراید PVDF)) مستندات خاصیت پیزو الکتریسیته در این نوع پلی مر چندین با بیشتر از کواتز است . در پلی مرها مولکول های در هم تنیده شده هنگامی که در اثر میدان الکتریکی قرار می گیرند همدیگر را جذب یا دفع می کنند. در یک بررسی به این نتیجه رسیدند که طول عمر مواد سرامیکی کمتر از مدار کریستالی تک بلوری است در نتیجه سنسورهایی که با سرامیک ساخته می شود از عمر کمتری برخوردارند و بعد از مدتی از دقت آنها کاسته می شود .
با کشف مواد جدید که خاصیت پیزو الکتریک در شرایط متفاوت تولید می کنند عرصه ی کاربرد های پیزو الکتریک روز به روز دچار تغییر می شود و رو به پیشرفت است . برخی از کاربرد های این اثر در زیر آمده است :
به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهیج یا فرکانس ، شتاب سنج ها و …)
به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی و برعکس (در دیسک های صوتی ، گرامافون های قدیمی ، میکروفن ،بلندگو ، زنگ اخبار و …)
کنترل امواج الکتراسونیک AE در دریافت و انتقال امواج الکتراسونیک
در تولید ولتاژ و جرقه با ولتاژ بالا (جرقه)
در تولید بیوسنسورهای پزشکی
در تولید میکروبات های ریز و موتور های در مقیاس کوچک
استفاده از نانوذرات پیزو الکتریک ( نانوذرات سرامیک های خاص ) در ایجاد خواص الکتریکی یک سطح .
در ادامه به توضیح چگونگی به کار بردن اثر پیزو الکتریک در برخی از کاربرد های مهم صنعتی و پزشکی به صورت اجمال می پردازیم .
کاربرد های سرامیک مهندسی برق :
بسیاری از دستگاه های الکترونیکی مهمی که امروزه توسط مردم مورد استفاده قرار می گیرند ، بدون وجود سرامیک ممکن نخواهد بود . تحقیق جدیدی که در مجله انجمن سرامیک آمریکا چاپ شده است ، کاربرد مواد سرامیکی در توسعه ی دستگاه های تکنولوژیکی مانند ارتباط سیار تصویر برداری فراصوت نشان می دهد .
به گزارش خبرگذاری برق الکترونیک و کامپیوتر ایران (الکترونیوز) و به نقل از ساینس دیلی و محققین به رهبری پالت مورالت از موسسه ی تکنولوژی فدرال سوئیس ، محدوده مواد سرامیکی را مرور کرده و نقش حیاتی را که مواد پیزو الکتریک در پیشرفت تکنولوژی باز می کنند ، مورد بررسی قرار دارند .
مواد پیزو سرامیک نقش ویژه ای را در ارتباطات سیار و راه دور و تصویر برداری فراصوت بازی می کنند چرا که این قابلیت را دارند که به شکل کارآمدی نوسانات مکانیکی در هر بُعد را به سیگنال های الکتریکی تبدیل نمایند .
این تکنولوژی و اثر در ترکیب با صفحات پیزو الکتریک ( پیزو – MEMS) منجر به کسب مزایای مهمی می شود خاصیت پیزو -MEMS مبتنی بر صفحات AIN که از تحویل ایجاد شده در تکنولوژی تلفن همراه ناشی می شود . امکان ایجاد تلفن های همراه کوچک تر و کاهش شدت تشعشع مایکرو ویو را فراهم می سازد که در این بین PZT نوید بخش استفاده انبوه از این خاصیت در حجم انبوه را خواهد داشت . انتظار می رود کههدهای جوهر افشان پرینتر که دارای کیفیت بسیار بالا می باشند ، گام بزرگ بعدی در پیزو- MEMS باشند .
استفاده از PZT MEMSدر سنسورهای حرکتی ، سنسورهای لرزشی ، و آینه های نوری ، درایوهای گرداننده ی ساعت مچی و … را امکان پذیر می سازد . نویسندگان اصلی مقاله می گویند : "کاربردهای بسیار دیگری طی تحقیقات بوجود خواهد آمد ، مانند مهار انرژی ، سیستم های نوسانی برای ساعت ها ، آرایه های آینه ای ، و اسکنرها"
در زیر راهکار استفاده از این اثر در شتاب سنج به تصویر کشیده شده است :
موتور پیزو الکتریک یا پیزو موتور یک نوع از مورهای الکتریکی است که بر پایه ی تغییر شکل ماده ی پیزو الکتریک هنگامی که در میدان الکتریکی قرار می گیرد کار می کند . در پیزو موتور از اثر پیزو الکتریک معکوس به منظور تبدیل انرژی الکتریکی به ارتعاشات آلوستیک یل تولید حرکت خطی یا دورانی که به ساختار موتور مربوط است ، استفاده می شود . در این مکانیزم حرکتی بر اثر کشیدگی های پی در پی و انتقال این کشیدگی به قسمت دیگر حرکت بوجود می آید ، به این شکل که در این تکنیک حرکتی سرامیک پیزو الکتریک را استاتور قرار می دهند این تکنیک حرکتی شبیه به حرکت کرم ابریشم است .
این نوع موتور را در دو نوع خطی و دورانی وجود دارند . معمولاً تحت نام های تجاری "Enehworm" یا "Pizo walk" موتور شهرت دارند . این موتور ها پیزو الکتریک شامل سه بخش اساسی در ایجاد حرکت کرمی شکل هستند . دو تکه کریستال که نقش قفل کننده بر روی قسمت متحرک را دارند و یک تکه کریستال دیگر که نقش حرکت دهند را ایفا می کند . در واقع ابتدا یک کریستال بر روی قسمت متحرک (که قرار است حرکت داده شود) قفل می شود و در مرحله دوم انقباض کریستال دوم صورت می گیرد که باعث حرکت در راستای اصلی می شود و در مرحله سوم قفل باز می گردد . این حرکت توسط سه کریستال به طور مداوم در حال تکرار است در اصل این یک حرکت خطی محسوب می شود اما می توان با طراحی موتور در شکل های خاص این حرکت خطی را دورانی مبدل کرد . در شکل زیر نمونه ای از این نوع از حرکت آمده است : رشد و تکامل کریستال های پیزو الکتریک در صنعت به خوبی در حال توسعه می باشد . بازده اعوجاج بسیاریکنواخت و مدوام با توجه به اختلاف پتانسیل های دقیق را می توان ایجاد کرد . تولید کنندگان ادعا می کنند که در گام های بعدی در پی تولید موتور های پیزو الکتریک در مقیاس نانو متر هستند . میزان پاسخ بالا و اعوجاج سریع کریستال ها اجازه می دهد تا مراحل پیشرفت را تا فرکانس های بالا تنیده ساخته شود ، در حدود بیش از 5 مگاهرتز به این ترتیب سرعت خطی حرکت حدود 500 میلی متر در هر ثانیه یا نزدیک به 9/2 کیلومتر بر ساعت خواهد بود .
در بازار اقتصادی سرامیک های نوین ، سرامیک های الکتریکی یکی از جا افتاده ترین بازارهای موجود است . علاوه بر گسترش زمینه های مصارف قبلی ، مصارف جدید مربوط به کاربردهایی است که پیزو الکتریک ها و خصوصاً پیزو سرامیک ها اخیراً وارد آن حیطه های 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 الکترو سرامیک و از جمله پیزو الکتریک در کشور ما 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 پیزو الکتریک و مشخص نمودن زمینه های تکنولوژی و تولید صنعتی آن در ایران ، زمینه های تحقیقاتی در ایران ، بر آورد و شناخت متخصصان ایرانی در داخل و خارج از کشور و در ادامه آمار واردات و صادرات (تولید و مصرف) در ایران تحلیل شد تخمین نیازهای داخلی (نیازهای فعلی تا سال 1400 هجری شمسی) نشان داد که نیاز داخلی تا سال 1400 حدود 40 میلیون قطعه پیزو و پیرو الکتریک است و باید اقدام لازم در این خصوص صورت گیرد .
در ابتدا ، مواد جدید به عنوان اساس تکنولوژی های نوین در جهان نقش آن در توسعه ی تمدن بشری اشاره ای شد . آنگاه جایگاه پیزو الکتریک ها همراه تاریخچه ، انواع ، تئوری ، خواص و کلیات کاربردی بررسی گردید . در مرحله 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 سوم ، بررسی وضعیت داخلی با جزئیات بیش تر ارزیابی گردید .
توضیحات :
ساختار پرسکیت (ABD3) : ساده ترین آرایش اتمی است که در آن اتم ها اکسیژن در حالت اکتاهدرال قرار دارند و اتم های کوچکتر (…., Nb ,Sn , Zr , ti) به صورت مربعی با اتم های اکسیژن پیوند خورده اند . این کاتیون های کوچکتر فضای اکتاهدرال مرکزی را اشغال کرده اند (موقعیت های B) و کاتیون های بزرگتر (…, Na , C , Sr , Ba Pb)در گزینه های سلول واحد جای می گیرند . (موقعیت های A) ترکیباتی مانند : KNbo3 , NaNbo3 , PbZrO3 , PbTio3 , Batio3 مورد مطالعه قرار گرفته اند و طول دمای فرو الکتریکی آنها و فازهای غیر غیر فرو الکتریکشان به صورت وسیع استخراج شده اند . این ساختارها همچنین بوسیله اتم های مختلف جانشین شده تغییر می کند که موجب ترکیب های پیچیده تری مانند : (Ba , sr) Tio3 , (K1b1) Tio3 , Pb(Fe , Ta) o3 و (2ro ti) o3 و ……. می شود .
ساختار بلوری Pervoskit : این ساختار شبیه کریستال هایی است که دارای اتم مرکزی اکسیژن هستند مانند اکسید تیتانیوم کلسیم که ساختار آنها به شکل XIIA2+VIB4+X2−3 می باشد .
سنسور پیزوالکتریک
برچسب هاpiezoelectric, پیزوسرامیک, سنسور پیزوالکتریکدسته ها:سنسور
پیزوسرامیک ها
پیزوسرامیک ها موادی هستند که به دلیل داشتن کوپلینگ الکترومکانیکی در خواص آنها، قابلیت تبدیل کمیت های مکانیکی نظیر فشار و کرنش به کمیت های الکتریکی نظیر اختلاف پتانسیل و همچنین کمیت های الکتریکی به مکانیکی را دارند. به عنوان مثال زمانیکه پیزوسرامیک ها تحت فشار یا کرنش قرار گیرند بر روی آن اختلاف پتانسیل بوجود می آید و بالعکس زمانیکه یک اختلاف پتانسیل بر روی آن بوجود آید، به دلیل کوپلینگ الکترومکانیکی ماده پیزوسرامیک دچار کرنش می شود.
استفاده از پیزوسرامیک ها گستره ی وسیعی از کاربردها را شامل می شود. انواع مختلف ترانسدیوسرها (مبدل)، سنسورها و اکچوئیتورها (محرک) از این مواد استفاده می کنند. در سنسورها این مواد قادر هستند که نیرو، فشار، شتاب و کرنش را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کنند. در منابع تولیدکننده صوتی (sound generators) و ترانسدیوسرهای آلتراسونیک، پیزوسرامیک ها ولتاژ الکتریکی را به جابه جایی و ارتعاش تبدیل می کنند. در مهندسی خودرو که سیستم های سنسورینگ امنیت سرنشینان را تضمین و امکان کنترل هوشمند خودرو را فراهم می سازد سنسورهای پیزوالکتریک کاربرد دارند..
پیزوسرامیک ها همچنین در فندکها و تجهیزات جرقه زننده نیز کاربرد دارد. در کاربردهای آلتراسونیک پیزوسرامیک ها برای تولید امواج مافوق صوت استفاده می شوند. این مواد جایگاه ویژه ای در دستگاه های ارزیابی غیرمخرب، موقعیت یابی سونار و تجهیزات تشخیص در پزشکی دارند. علاوه بر سنسورها استفاده مواد پیزوالکتریک در محرک ها، کاربرد عمده این مواد به حساب می آید. عملکرد محرک های پیزو الکتریک بستگی به توانایی المان پیزوالکتریک در تولید جابه جایی های کنترل شده و در ابعاد میکرو دارد.
سنسور دنده عقب اتومبیل
اصول عملکرد مواد پیزوالکتریک
پیزوالکتریسیته اثری مبتنی بر توانایی یک سری کریستال های خاص در انتشار بار الکتریکی در هنگام اعمال بار مکانیکی فشاری و یا کششی است (اثر مستقیم). برعکس این حالت هم زمانیکه این کریستال ها تحت یک میدان الکتریکی قرار گیرند، یک جابه جایی کنترل شده در آنها بوجود می آید (اثر معکوس). پلاریته ی بار ایجاد شده وابسته به جهت گیری کریستال نسبت به جهت اعمال نیرو است.
ساختار های perovskite
سرامیک هایی که از توانمدی ایجاد اثر پیزوالکتریسیته را دارند متعلق به مواد ferroelectric هستند. سیستم های موجود عمدتا مبتنی بر PZT ها (lead zirconate titanate) هستند. این مواد از ترکیبی از کریستال های سرب زیرکونات (PbZr03) و سرب تیتانات (PbTi03). هستند.
مواد پیزوالکتریک یک ساختار چندکریستاله شامل چندین کریستال (دامنه) که هرکدام از یک مجموع سلول های اولیه (elementary cells) تشکیل شدهاند. سلول اولیه ی این مواد ferroelectric ساختار کریستالی perovskite دارند که می توان آنها را عموما با فرمول ساختاری A2+ B4+ O3 2-. نشان داد.
برای وضوح بیش تر شکل زیر یک نما از یک سلول اولیه برای ساختار شبکه ای شکل فوق را نشان می دهد. این ساختار نمایش داده شده نسبت به موقعیت نمای تصویر قبل چرخش داده شده. آنیون ها در مرکز وجوه مکعب و کاتیون چهار ظرفیتی در مرکز مکعب قرار گرفته است، درحالیکه کاتیون های دوظرفیتی در گوشه های مکعب قرار دارند. در دماهای بالای نقطه ی کوری (دماى بحرانى منحصر به فرد براى هر ماده که بالاتر از ان مواد فرومغناطیس خاصیت مغناطیسى دائم یاموقت خود را ازدست میدهند) این شبکه از نوع body-centered cubic است. در دماهای پایین تر از نقطه ی کوری شبکه دچار اعوجاج شده و مرکز ثقل بار به نحوی که به منجر به ایجاد یک گشتاور دوقطبی دائمی شود بالا می رود.
اثر پیزوالکتریک با سلول اولیه ارتباط دارد . وقتی مرکز بارهای مثبت ماده اندک از مرکز بارها 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.
شکل نشان داده شده برای یک ساختار perovskite ایده آل است که انحرفات ناشی از پلاریزاسیون خود به خودی در زیر دمای کوری صرف نظر شده است. کاتیون های دوظرفیتی در مرکز مکعب قرار دارند درحالیکه کاتیون های چهارظرفیتی در گوشه های مکعب قرار دارند. در این مود آنیون های دوظرفیتی در مرکز هر ضلع مکعب قرار گرفته اند. برای کریستال های PZT فرمول ساختاری به صورت Pbl-, B: Ti4+/Zr°+ است.
Body-centered cubic state (بالای دمای کوری)
Tetragonally distorted (پایین دمای کوری)
پلاریزاسیون
بلافاصبه پس از زینترینگ، جهت گیری دوقطبیهای کریستال ها متفاوت است و ماده در نگاه ماکروسگوپیک خاصیت پیزوالکتریک ندارد. خواص پیزوالکتریک با انجام پلاریزاسیون بوجود می آید. در این فرایند سرامیک تولید شده تحت یک میدان الکتریکی DC قوی قرار می گیرد که این باعث جهت گیری دوقطبی ها در راستای میدان می شود. این جهت گیری حتی پس از قطع میدان اعمال شده هم در ماده حفظ می شود که این به دلیل ماهیت ferroelectric این سرامیک ها است.
قبل از پلاریزاسیون
در حین پلاریزاسیون
پس از پلاریزاسیون
ماندگاری پلاریزاسیون تولید شده از این فرایند را می توان از شکل زیر استنباط کرد. در این شکل چگالی جابه جایی الکتریکی (D) بر حسب شدت میدان الکتریکی (E) رسم شده است. زمانیکه میدان الکتریکی اعمال می شود، D با افزایش E بزگتر می شود تا به حد اشباع برسد. زمانیکه E کاهش یابد، D نیز به مقدار ناچیزی کاهش می یابد که این کاهش در مسیر قبل نیست، به طوریکه با برداشتن میدان یک مقدار D مخالف صفر در ماده باقی می ماند (Pr). برای صفر کردن D باید یک میدان مخالف حالت قبل اعمال شود تا جابه جایی الکتریکی از بین برود. با اعمال پی در پی میدان های مثبت و منفی، منحنی به یک سیکل هیسترزیس تبدیل می شود.
منحنی D – E
مطابق مشی بالا درصورتی که نمودار کرنش (S) بر حسب شدت میدان الکتریکی رسم شود، یک منحنی پروانه ای مطابق شکل زیر تشکیل می شود. در ابتدا با افزایش شدت میدان، کرنش هم افزایش پیدا می کند تا به نقطه ی اشباع برسد. با برداشته شدن میدان، یک کرنش پسماند در ماده باقی می ماند که برای حذف این کرنش باید یک میدان الکتریکی در جهت مخالف اعمال شود. مانند جابه جایی الکتریکی، رفتار کرنش – شدت میدان برای سرامیک پیزوالکتریک هم یک سیکل هیسترزیس را تشکیل می دهد.
منحنی پروانه ای
قطبش زدایی (depolarization)
فرایند قطبش زدایی فرایندی عکس پلاریزاسیون است که طی آن جهت گیری یکسان دوقطبی ها از بین می رود و خواص پیزوالکتریک ماده کاهش می یابد. این فرایند می تواند نتیجه ی سه عامل مختلف باشد.
قطبش زدایی حرارتی: در این حالت قطبش زدایی در صورتی که دمای محیط عملکردی سرامیک از نصف دمای کوری (مطابق با دیتاشیت) بالاتر رود اتفاق می افتد.
قطبش زدایی الکتریکی: این مورد در صورت اعمال که یک میدان الکتریکی در خلاف راستای پلاریزاسیون ایجاد می شود.
قطبش زدایی مکانیکی: در صورت اعمال بار خیلی بزرگ با الکترود های مدارکوتاه اتفاق می افتد. ماکزیمم فشارمجاز اعمالی با توجه به نوع ماده مورد استفاده می تواند متفاوت باشد.
در شرایط واقعی عوامل فوق می توانند با یکدیگر ترکیب شوند. در این حالت رفتار قطبش زدایی ماده قابل پیش بینی نیست و پیشنهاد می شود که عمر عملکردی این مواد در شرایطی نزدیک شرایط واقعی مورد تست قرار گیرد.
معادلات ساختاری
پیزو الکتریک یک رفتار مکانیکی ادغام شده با رفتار الکتریکی از خود نشان می دهد :
که در این جا D چگالی بار الکتریکی تغییر مکان یافته و ε ضریب نفوذ پذیری و E میزان الکتریکی است و همچنین قانون هوک به ما می گوید :
که در فرمول بالا S معرف کرنش یا فشار و s ( کوچک ) معرف میزان تاثیر کرنش و T معرف بار است . از ادغام دو فرمول مطرح شده در بالا می توان چنین نتیجه گرفت :
از ادغام این دو فرمول معادله ی بوجود می آید که به آن معاله ادغام شده کرنش – بار گویند . که در اینجا [d] ماتریسی برای بیان تاثیر اثر پیزوالکتریک مستقیم و ماترسی [dt] ماتریسی برای بیان تاثیر اثر پیزوالکتریک معکوس می باشد. اندیس Eیا صفر خواهد بود یا یک عدد ثابت خواهد بود و اندیس T هم یا صفر یا یک ثابت خواهد بود و اندیس t برای جابجایی ماتریس [d] می باشد. فرم ماتریسی معادلات فوق به صورت زیر قابل بازنویسی است.
در کل چهار پارامتر اساسی در پیزوالکتریک وجود دارد که به صورت زیر تعریف می شوند :
در معادلات بالا 4 معادله اول مربوط به اثر پیزوالکتریک مستقیم و چهار معادله بعدی به اثر پیزو الکتریک معکوس مرتبط است . این فرم از معادلات بیشتر برای بیان اثر پیزوالکتریک کریستال استفاده می شده است.
در جدول زیر ضریب اثر پیزو الکتریسیته (d33) چند ماده به صورت نمونه آورده شده است که در آن ضریب d33 برحسب C/N(کولن بر نیوتن) تعریف شده است و ارتباط بین مقدار بارالکتریکی و تاثیر آن میزان بار بر نیروی بوجود آمده برحسب نیوتن می باشد و برعکس .
Material
d33(10-12 C/N)
Quartz
2.3
BaTiO3
90
PbTiO3
120
PZT
560
PZN-9PT
2500
کاربردها
اتومبیل:
سنسور ضربه
سنسور دنده عقب
سنسور شتاب سنج
سنسور ژیرو
تراندسدیوسر های سونار برای تشخیص مانع
تراندسدیوسر های سونار برای ناوبری و تعیین موقعیت
سنسور ضربه
مهندسی مکانیک
سنسور تشخیص فاصله التراسونیک
سنسور سطح
دبی سنج (محیط گازی یا مایع)
پاک سازی آلتراسونیک
جوش آلتراسونیک (پلاستیک و فلزات)
ماشین کاری آلتراسونیک
تست غیر مخرب
کنترل فعال ارتعاش
سنسور سطح (نوع بازتابی)
کاربری های پزشکی
دستگاه سنگ شکن (Lithotripters)
جرم گیر دندان (dental plaque removers)
, چاقو های جراحی آلتراسونیک (ultrasonic scalpels)
مهپاش آلتراسونیک (ultrasonic nebulizers)
تشخیص آلتراسونیک
محرک ها
Optical fiber alignment
تجهیزات تعیین موقعیت
شیر های پنوماتیک و هیدرولیک
محرک های چند لایه یک پارچه
سایر کابرد ها
فندک خانگی
فندکی سیگار
سنسور های هشدار سرقت
اتصال ترمینال ها ی سنسور
برای لحیم کاری ترمینال های سنسور باید به ملاحظاتی توجه کرد. از دستگاه های لحیم با خروجی حدود 30 w باید استفاده شود. دمای بهینه ی نوک دستگاه 320 درجه سیلیسوس است. فرایند لحیم کاری عموما در دو مرحله ی زیر انجام می شود.
قلع کاری نقطه ی مورد نظر بر روی سنسور
لحیم کاری اتصالات در موقعیت مورد نظر
در هر دو مرحله باید به سرعت انجام شود و نباید بیشتر از یک ثانیه طول بکشد. برای این منظور استفاده از سرب های پیش قلع زده شده توصیه می شود. اغلب توصیه می شود که برای سهولت در فرایند لحیم کاری، پیزوسرامیک پیش گرم شود. دمای پیش نهادی برای این کار 60 درجه سیلیسیوس است.
منابع:
•^ Holler, F. James; Skoog, Douglas A; Crouch, Stanley R (2007). "Chapter 1".Principles of Instrumental Analysis (6th ed.). Cengage Learning. p. 9.ISBN 9780495012016.
•^ Harper, Douglas. "piezoelectric". Online Etymology Dictionary.
•^Gautschi, G (2002). Piezoelectric Sensorics: Force, Strain, Pressure, Acceleration and Acoustic Emission Sensors, Materials and Amplifiers..Springer.
•^Lippman, G. (1881). "Principe de la conservation de l'électricité" (in French).Annales de chimieet de physique24: 145.
• ^abc M. Birkholz (1995). "Crystal-field induced dipoles in heteropolar crystals – II. physical significance". Z. Phys. B96: 333-340. doi:10.1007/BF01313055.
•^ S. Trolier-McKinstry (2008). "Chapter3: Crystal Chemistry of Piezoelectric Materials". In A. Safari, E.K. Akdo˘gan.Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications. New York: Springer. ISBN 9780387765389.
•^Sensor Sense: Piezoelectric Force Sensors
•^Damjanovic, Dragan (1998). "Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics".Reports on Progress in Physics61: 1267-1324. doi:10.1088/0034-4885/61/9/002.
•^Kochervinskii, V (July 2003). "Piezoelectricity in Crystallizing Ferroelectric Polymers".Crystallography Reports48 (4): 649-675. doi:10.1134/1.1595194.
•^ M. Minary-Jolandan, and Min-Feng Yu, Nanotechnology 20 (2009) 085706 (6pp)
•^ Lakes, Roderic. "Electrical Properties of Bone: A Review". University of Wisconsin-Madison.
•^ Becker, Robert O; Marino, Andrew A (1982). "Chapter 4: Electrical Properties of Biological Tissue (Piezoelectricity)". Electromagnetism & Life.Albany, New York: State University of New York Press. ISBN 0-87395-560-9.
•^ Pollack, S.R; Korostoff, E., Starkebaum, W. y Lannicone, W (1979). ed. Brighton, C.T., Black, J. and Pollack, S.R.. ed. "Micro-electrical studies of stress-generated potentials in bone.".Electrical Properties of Bone and Cartilage (New York City: Grune& Stratton, Inc).
•^ Fotiadis, D.I; Foutsitzi, G., and Massalas, C.V (1999). "Wave propagation modeling in human long bones".ActaMechanica137: 65-81. doi:10.1007/BF01313145.
•^ Saito, Yasuyoshi; Takao, Hisaaki; Tanil, Toshihiko; Nonoyama, Tatsuhiko; TakatorilKazumasa; Homma, Takahiko; Nagaya, Toshiatsu; Nakamura, Masaya (2004-11-04). "Lead-free piezoceramics".Nature (Nature Publishing Group) 432 (7013): 81-87. doi:10.1038/nature03028. PMID 15516921.
•^ Richard, Michael Graham (2006-08-04). "Japan: Producing Electricity from Train Station Ticket Gates". TreeHugger. Discovery Communications, LLC.
•^ Wright, Sarah H (2007-07-25). "MIT duo sees people-powered "Crowd Farm"". MIT news.Massachusetts Institute of Technology.
•^Kannampilly, Ammu (2008-07-11). "How to Save the World One Dance at a Time".ABC.ABC.
•^True Grid Independence: Robust Energy Harvesting System for Wireless Sensors Uses Piezoelectric Energy Harvesting Power Supply and Li-Poly Batteries with Shunt Charger
•^ Phillips, James R (2000-08-10). "Piezoelectric Technology: A Primer". eeProductCenter. TechInsights.
•^How Rocket-Propelled Grenades Work by Shane Speck
•^The scanning mechanism for ROSETTA/MIDAS from an engineering model to the flight model
•^Simonsen, Torben R. Piezo in spaceElectronics Business (in Danish), 27 September 2010. Retrieved: 28 September 2010.
•^"Isn't it amazing how one smart idea, one chip and an intelligent material has changed the world of tennis?". HEAD.Retrieved 2008-02-27.
•^Baltaci V, Ayvaz OU, Unsal E, et al. (May 2009). "The effectiveness of intracytoplasmic sperm injection combined with piezoelectric stimulation in infertile couples with total fertilization failure"
مروری بر سرامیکها و پیزوالکتریک و کاربرد آنها در صنعت
2017
45 | Page