مواد پیزوالکتریک



1- تعاریف، کاربردهای مواد پیزوالکتریک و تحقیقات انجام شده 1
1-1- تاریخچه کشف مواد پیزوالکتریک 2
1-2- اثر پیزوالکتریک 3
1-2-1- اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس 3
1-3- ارتباط اثر پیزوالکتریک با ساختار مولکولی مواد 4
1-4- وابستگی مواد پیزو الکتریک به دما 4
1-5- روابط ریاضی پیزو الکتریک 5
1-5-1- شتاب سنج های پیزو الکتریک: 9

1-تعاریف، کاربردهای مواد پیزوالکتریک و تحقیقات انجام شده

1-1- تاریخچه کشف مواد پیزوالکتریک
از اثر ایجاد قطب الکتریکی در بلور بوسیله تغییر حرارت که باعث ایجاد یک پتانسیل الکتریکی در مواد میشودکه با مطالعه کارل لیناس1 و فریز ایپنیوس2 در میانه های قرن هجدهم جرقه این خاصیت فیزیکی شکل گرفت. پی بردن به این دانش و آگاهی از آن باعث شد که رن جاست های3 و آنتیون سزار4 ادعا کنند 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 پیر کیوری5 و جا کویست کیوری6 بود. اطلاعات این دو دانشمند رفتار بسیاری از کریستال ها مانند تورمالین، کوارتز، کانی شکر، نمک راچل ( تتراهیدرات، جوهر پتاسیم، سدیم ) را آشکار کرد. در سه دهه بعد، همکاری فراوانی در انجمنهای علمی اروپا در زمینه پیزوالکتریسیته انجام شد و واژههای میدان پیزوالکتریسیته به وسیله آنها استفاده شد. البته کارهای انجام شده برروی رابطه ی میان الکترومکانیکی مختلف با 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 مواد تا چند سال قبل رشد پیدا نکند. لانگوین و همکارانش 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، اسچوور7 و باسچ8 خاصیت پیزوالکتریک، پتاسیم دی هیدروژن فسفات 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 به وسیله 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 پرسکیت9 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، نیازها و استفاده ها از این مواد در بسیاری از رشته ها از جمله کاربردهای پزشکی، ارتباطات، کاربردهای 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.

1-2- 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.

1-2-1- 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 می شود به این اثر پیزوالکتریک معکوس گویند. که هر دو اثر کاربردهای متفاوت و فراوان دارند. در شکل 1-1 این آثار را مشاهده می نمایید.

1-3- 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 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، 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.

1-4- 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 واکنش های 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.

1-5- روابط ریاضی پیزو الکتریک
پیزو الکتریک یک رفتار ادغام شده با رفتار الکتریکی ماده است :

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 [d^+ ] ماتریسی برای بیان تاثیر اثر پیزوالکتریک معکوس می باشد. اندیس E یا 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.

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.

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 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"

1-5-1- شتاب سنج های پیزو الکتریک:
وقتی یک نیروی فیزیکی به شتاب سنج اعمال می شود، در واقع جرم درحال نوسان طبق قانون دوم نیوتون(F = ma) نیرویی به جسم پیزوالکترونیک وارد می کند. این نیروی واردشده به جسم پیزوالکترونیک خود را به صورت تغییر ولتاژ یا تغییر میدان الکترواستاتیکی حاصل از جسم پیزوالکترونیک نشان می دهد. باید توجه کرد که این ها ناشی از اثر مقاومتی اجسام پیزوالکترونیکنیست،. در اثر مقاومتی، اجسام پیزوالکترونیک مقاومت خود را بر اثر واکنش های خارجی تغییر می دهند و نه ولتاژ یا میدان را. نیروی وارد شده به جسم پیزوالکترونیک می تواند به یک یاز دوصورت خمشی (bending) یا فشاری (compression) باشد. فشار وارد بر جسم پیزوالکترونیک در نوع فشاری (compression) در واقع نیرویی است که از یک طرف به جسم وارد شده در حالی که طرف دیگر جسم ثابت گردیده است. ولی در نوع خمشی (bending) نیروی از هر دو طرف به جسم وارد می گردد. اجسام پیزوالکترونیک که در شتاب سنج ها مورد استفاده قرار می گیرند به دو دسته تقسیم می شوند. دسته اول که بیشتر نیز مورد استفاده قرار می گیرد اجسام تک بلوره هستند (Single-Crystal) مانندکوارتز (Quartz). علیرغم اینکه این مواد دارای طول عمر زیادی هستند یعنی مدت زمان زیادی حساس باقی می مانند و خاصیت پیزویی خود را حفظ می کنند اما حساسیت کمی نسبت به نوع دوم (سرامیکها) دارند. سرامیک ها علاوه بر اینکه حساسیت بیشتری دارند ار پزان تر نیز هستند. برای تولید مواد پیزوالکترونیکی سرامیکی از موادی از قبیل: باریم تیتانیوم (barium titanate)، سرب زیرکونیم و سرب تیتانیوم (lead-zirconate-lead-titanate) وسرب متانیوتیت (lead metaniobate) و سایر موادی که ساختار بسیاری از آن ها در حال حاضر فقط به طور اختصاصی در اختیار شرکت تولید کننده آن ها می باشد، استفاده می شود. ایراد مواد سرامیکی این است که از آنجایی که حساسیت آن ها در گذر زمان کاهش می یابد طول عمر سنسورهایی مجهز به مواد سرامیکی کوتاهتر از سنسورهای دارای مواد تک بلوره می باشد. درعمل وقتی از مواد پیزوالکتریکی با حساسیت پایین استفاده می گردد می تواند و یا سه بلور از این مواد را به هم وصل کرد تا سیگنال الکتریکی خروجی قویتر گردد. ماده یپیزوالکترونیک مناسب برای کاربردی خاص را باید براساس حساسیت مورد نیاز، پاسخ فرکانسی، مقاومت ویژه مورد نیاز و پاسخ گرمایی (دمای مطلوب برای کارکرد) انتخاب کرد. از آنجا که در سنسورهای پیزوالکترونیک سیگنال الکتریکی تولید شده داراری ولتاژ بسیار پایین می باشد و مقاومت خروجی نیز بسیار زیاد است باید سیگنال تولید شده را تقویت و همچنین مقاومت خروجی را کاهش داد (با مبدل امپدانس). درگذشته این مشکل را با استفاده از یک تقویت کننده و مبدل امپدانسی جداگانه حل می کردند. این روش تقریبا در عمل قابل پیاده سازی نیست زیرا نویز بسیار زیادی در سیستم به وجود می آید و همچنین پیاده سازی این روش محدودیت های محیطی وفیزیکی بسیاری را نیز به وجود می آورد. امروزه آیسی های برای تقویت وتبدیل امپدانس وجود دارند که به صورت تجاری تولید شده و داخل خود سنسور نصب می گردند.
از دو روش رایج برای ساخت شتاب سنج ها استفاده می شود. یکی بر مبنای مبانی مقاومت مواد پیزو (piezoresistance) است و دیگری بر مبنای خاصیت الکتریکی آنها (piezoelectricity) است. هر دو روش اطمینان می دهند که بردارهای شتاب قائم تاثیری در ردیابی نمی گذارند و آشکار نمی شوند. در روش اول ساخت، ابتدا یک لایه نیمه رسانا توسط یک لایهی ضخیم اکسید به ویفر نگهدارنده وصل می شود. لایه ی نیمه رسانا سپس به شکل هندسه ی شتاب سنج در می آید. این لایه ی نیمه رسانا یک یا تعداد بیشتری روزنه دارد و همین طور جرم زیر آن نیز روزنه های متناظری دارد. سپس لایه این نیمه رسانا به عنوان پوشش برای ایجاد حفره در لایه این اکسید زیرین استفاده می شود. جرم واقع در حفره توسط بازوهای لایه نیمه رسانا که خاصیت مقاومتی پیزو دارند نگهداشته می شوند. درست پایین شتاب سنج یک فضای خالی انعطاف پذیری است که اجازه می دهد جرم واقع در محفظه انعطاف داشته باشد و یا در جهت عمود بر سطح شتاب سنج حرکت کند. شتاب سنج های یکه بر مبنای خاصیت الکتریکی مواد پیزو کار می کنند (روش دوم) توسط مبدل های پیزوالکتریک ساخته می شوند. واحد متشکل از یک لوله ی توخالی است که دو سر آن توسط مبدل پیزوالکتریک بسته شده است. مبدل ها به صورت مخالف پلاریزه می شوند و به گونه ای انتخاب می شوند که دارای خازن سری خاصی باشند. سپس لوله به صورت جزئی توسط مایع سنگینی پر می شود و شتاب سنج فعال می شود. در این حالت ولتاژ خروجی به صورت پبوسته اندازه گیری می شود و حجم مایع سنگین به گونه ای تنظیم می شود تا ولتاژ خروجی دلخواه به دست آید. در نهایت خروجی هر کدام از مبدل ها اندازه گرفته می شود و ولتاژ تفاضلی آن دو جدول بندی می شود و مبدل غالب شناسایی می شود.

در زیر راهکار استفاده از این اثر در شتاب سنج به تصویر کشیده شده است :

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 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.

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 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.

معمولاً پدیده ها
و درباره حقیقت نفس و معرفت آن و مقولات عرفانی و فلسفی سخن رانده است[1].
کاربرد پیزوالکتریک در Energy Harvesting
به طور کلی به تامین انرژی یک سیستم از محیط پیرامون آن، برداشت انرژی (Energy Harvesting) می گویند. تحقیقات در این زمینه با پیشرفت مخابرات بی سیم و ظهور ادوات الکترونیکی کم مصرف مورد توجه بسیاری از مهندسین و محققان قرار گرفته است. به عنوان مثال در شبکه های حسگری بی سیم (Wireless Sensor Networks) توان مصرفی حسگرها به حد کافی پایین می باشد. بنابراین با دریافت انرژی مورد نیاز از محیط نه تنها دیگر نیازی به باتری و منبع انرژی خارجی نیست بلکه به دلیل عدم نیاز به شارژ و تعویض باتری نیاز به مراقبت های ویژه از سیستم از بین می رود که این خود در کاهش هزینه ها بسیار موثر است.

روش های برداشت انرژی
همان طور که می دانیم در محیط منابع انرژی متفاوتی وجود دارد. بسته به اینکه کدام منبع به انرژی الکتریکی تبدیل شود، سیستم های متفاوتی برای برداشت انرژی وجود دارد. البته در هر سیستم مبدل انرژی (Transducer) نقش کلیدی دارد. برخی از این منابع عبارتند از:
انرژی جنبشی مانند انرژی حاصل از ارتعاشات
انرژی حرارتی
انرژی نوری و استفاده از اثر فتوولتاییک
انرژی میدان های الکترومغناطیس
انرژی های موجود در طبیعت مانند باد و آب
برای هر یک از منابع انرژی ذکر شده سیستم های برداشت انرژی متنوعی در مراجع پیشنهاد شده است. در این نوشتار به تبدیل ارتعاشات به الکتریسیته به کمک مبدل پیزوالکتریک می پردازیم.

اثر پیزوالکتریک
پیزوالکتریک در لغت به معنی تجمع بارالکتریکی ناشی از فشار است. این خاصیت در بعضی از مواد به ویژه کریستال ها وجود دارد. اثر پیزوالکتریک مستقیم برای اولین بار در سال 1880 توسط برادران کوری مشاهده شد. این در حالی بود که آن ها نتوانستند اثر پیزوالکتریک غیرمستقیم (ایجاد تنش مکانیکی ناشی از اعمال ولتاژ الکتریکی به پیزوالکتریک) را پیش بینی کنند. Lipmann در 1881 وجود پدیده اثر غیرمستقیم را به صورت تئوری نشان داد و پس از آن برادران کوری این نتیجه را در آزمایشگاه تایید کردند. بنابراین نکته بسیار حائز اهمیت در مدلسازی رفتار مواد پیزوالکتریک این است که در تمامی آن ها دو اثر مستقیم و غیرمستقیم به صورت توام وجود دارد.
با توجه به اینکه در حوزه برداشت انرژی مبدل مورد استفاده باید ضریب پیزوالکتریک قابل توجهی داشته باشد، از سرامیک های مصنوعی به ویژه سرامیک PZT استفاده می شود. این نوع سرامیک ها که اولین بار در توکیو ساخته شدند، خاصیت فروالکتریک دارند و دارای ضریب دی الکتریک نسبتا بالایی می باشند. بیشترین پیزوالکتریک های مورد استفاده در بحث برداشت انرژی PZT-5A و PZT-5H هستند.

مدلسازی سیستم برداشت انرژی مبتنی بر پیزوالکتریک
به طور کلی مطالعه و تحلیل سیستم های برداشت انرژی مبتنی بر پیزوالکتریک شامل آنالیز ساختارهای مولد ارتعاش، مدل سازی رفتار ماده پیزوالکتریک و به دست آوردن توان الکتریکی خروجی با توجه به نحوه کوپلینگ انرژی مکانیکی به انرزی الکتریکی است. اگر چه ماده پیزوالکتریک و خواص آن تاثیر زیادی در بازده نهایی سیستم دارد ولی طراحی بهینه مدارهای الکتریکی مانند مدار تطبیق امپدانس، یکسوسازها و مبدل های DC به DC نیز با اهمیت است. همچنین برای افزایش توان خروجی می توان از آرایه ای از پیزوالکتریک ها استفاده نمود. طراحی این سیستم ها یکی از موضوعات مورد توجه این حوزه در چند سال اخیر بوده است.
1 – Carl Linnaeus
2 – Franz Aepinus
3 – Rene Just Hauy
4 – Antione Cessar
5 – Pierre Curie
6 – Jacques Curie
7 – Schewer
8 – Busch
9 – Perovskite
—————

————————————————————

—————

————————————————————

15