یکی از ویژگی‌های غیرمعمولی که برخی سرامیک‌ها از خود بروز می‌دهند، پدیدهٔ پیزوالکتریک یا اثر فشاربرقی است. با اعمال نیروی خارجی، دوقطبی‌های این سرامیک‌ها تحریک می‌شوند ومیدان الکتریکی ایجاد می‌شود. وارون کردن اثر نیرو (مثلاً از کششی به فشاری) جهت میدان را معکوس می‌کند.

از مواد پیزوالکتریک در مبدل‌ها و وسایلی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند یا برعکس استفاده می‌شود. کاربردهای نام‌آشنایی از جمله پیکاپ گرامافون، میکروفون‌ها، مولدهای ماوراء صوت و حسگرهای سونار از خاصیت پیزوالکتریک استفاده می‌کنند. در پیکاپ گرامافون همچنان که قلم شیارهای رکورد را می‌پیماید یک اختلاف فشار به مادهٔ پیزوالکتریک موجود در پیکاپ وارد می‌شود که نهایتاً به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. این سیگنال قبل از ورود به بلندگو تقویت می‌شود. خاصیت پیزوالکتریک یک ویژگی مواد کریستالی دارای ساختار پیچیدهٔ بدون تقارن است. رفتار پیزوالکتریک یک پلی‌کریستال بوسیلهٔ گرم کردن بالاتر از دمای کوری و سپس خنک کردن تا دمای اتاق در مجاورت میدان الکتریکی قوی بهبود می‌یابد.

اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد می‌باشد برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. این اثر را برادران کوری، پی‌یر و ژاک کوری، در دههٔ ۱۸۸۰ کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز می‌دهند مواد پیزوالکتریک نامیده می‌شوند. اثر پیزوالکتریک در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها، سرامیک‌ها، بسپارها و مواد مرکب دیده می‌شود. تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل کوارتز تحت کشش یا فشار معکوس هم‌اند و هر چه میزان فشار یا کشش بیش‌تر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیش‌تر است. اثر پیزوالکتریک معکوس به معنی تغییر شکل آن‌ها 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 می‌دهد و به ارتعاش در می‌آید.

مقدمه

پیزوالکتریک بار الکتریکی‌ای است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می‌شود (به ویژه در کریستال‌ها، بعضی سرامیک‌ها و مواد آلی مانند استخوان، DNA و پروتئین‌هایمختلف). 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 می‌شود.

اثر پیزوالکتریک یک فرایند برگشت‌پذیر است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک (تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می‌کنند اثر پیزوالکتریک معکوس (تولید داخلی نیروی مکانیکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می‌کنند.

به عنوان مثال سرامیک‌های ‎PZT (Pb[ZrxTi1-x]O۳ ۰≤x≤۱)‎ اگر به اندازه ۰٫۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه‌گیری تولید خواهند کرد. برعکس اگر میدان الکتریکی به آن‌ها اعمال شود به اندازه ۰٫۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد. پیزوالکتریک استفاده‌های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الکترونیکی، میکروبالانس‌ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن پرتوهای نور در مقیاس بسیار بزرگ. این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک‌های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM، AFM، MTA SNOM و... همچنین استفاده‌های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگار.

سازوکار و ساختمان

ذات اثر پیزوالکتریک به دوقطبی‌های الکتریکی لحظه‌ای در جامدات مربوط می‌شود. سطح خارجی ممکن است در شبکهٔ کریستالی با بار نامتقارن محیطی تحریک شده باشد (از جمله درBaTiO۳ و PZTها) یا ممکن است مستقیماً توسط گروه‌های مولکولی حمل شود (به عنوان مثال در نیشکر). چگالی دوقطبی یا پلاریزاسیون [Cm/m۳] به سادگی با نتیجه‌گیری از دوقطبی‌های لحظه‌ای در واحد حجم سلول واحد برای کریستال‌ها محاسبه می‌شود. همچنان‌که هر دوقطبی یک بردار است، چگالی دوقطبی نیز بردار است (یک کمیت برداری است). دوقطبی‌های نزدیک هم در مناطقی به نام قلمرو ویس جهت‌گیری می‌کنند. این قلمروها معمولاً تصادفی جهت‌دار می‌شوند اما می‌توانند توسط فرایند قطبی‌سازی (با قطبی‌سازی مغناطیسی متفاوت است) هم‌جهت شوند، فرایندی که یک میدان الکتریکی قوی (معمولاً در دماهای بالا) به جسم اعمال می‌شود. تمام مواد پیزوالکتریک قطبی نمی‌شوند.

نکتهٔ قطعی در مورد اثر پیزوالکتریک تغییر قطبش هنگام اعمال فشار مکانیکی است که ممکن است به علت ایجاد آرایش فضایی جدید دوقطبی‌ها یا به علت جهت‌گیری مولکول‌های قطبی لحظه‌ای تحت اثر نیروی خارجی باشد سپس خاصیت پیزوالکتریک در اثر تنوع در قدرت دوقطبی‌ها یا جهت آن‌ها یا هر دو به وجود آید. این اثر بستگی دارد به:

1. جهت گیری دوقطبی‌ها درون کریستال
2. تقارن کریستال
3. فشار مکانیکی اعمالی

تغییر در قطبش در تغییر چگالی سطحی بار در سطوح کریستالی ظاهر می‌شود یعنی تنوع میدان الکتریکی در سطوح، چون که واحد چگالی بار سطحی و قطبش یکسان است ‎[C/m۲] = [Cm/m۳]‎. اگرچه خاصیت پیزوالکتریک بر اثر تغییر در چگالی بار سطحی سبب نمی‌شود، اما به علت چگالی دو قطبی در سطح سبب می‌شود. به عنوان مثال اگر به یک سانتی‌متر مکعب کواتز ۲ کیلونیوتن نیرووارد شود ۱۲۵۰۰ ولت اختلاف پتانسیل ایجاد می‌کند.

خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شدهٔ رفتار الکتریکی ماده است.

طبقه‌بندی کریستال‌ها

از ۳۲ گروه کریستال، ۲۱ گروه تقارن مرکزی ندارند و از این‌ها ۲۰ گروه خاصیت پیزوالکتریک دارند (گروه ۲۱ام کلاس مکعب ۴۳۲ است) که ۱۰ تا از آن‌ها کلاس کریستال قطبی را نشان می‌دهند که قطبش خودبه‌خودی بدون فشار مکانیکی را دارا هستند و خاصیت پیروالکتریک را ذخیره می‌کنند. اگر دوقطبی لحظه‌ای توسط میدان الکتریکی معکوس شود به آن ماده فروالکتریک گویند.

کلاس‌های کریستالی قطبی: ۱، ۲، m، mm۲، ۴، ۴ mm، ۳، ۳m، ۶، ۶ mm.

کلاس‌های کریستالی پیزوالکتریک: ۱، ۲، m، ۲۲۲، mm۲، ۴، ۴، ۴۲۲، ۴ mm، ۴۲m، ۳، ۳۲، ۳m، ۶، ۶، ۶۲۲، ۶ mm، ۶۲m، ۲۳، ۴۳m.

کریستال‌های قطبی بدون اعمال فشار مکانیکی نیز قطبی هستند. اثر پیزوالکتریک خود به خود بر اثر قدرت یا جهت قطبش یا هر دو آشکار می‌شود. از طرف دیگر کریستال‌های پیزوالکتریک غیرقطبی در اثر ایجاد دو قطبی فقط بر اثر اعمال فشار مکانیکی به وجود می‌آید. در این کریستال‌ها، تنش کریستال را از گروه غیرقطبی به گروه قطبی تبدیل می‌کند.

مواد

بسیاری مواد چه طبیعی چه ساختهٔ دست بشر پیزوالکتریک را ذخیره می‌کنند.

کریستال‌های 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 بی‌آب بعضی خواص پیزوالکتریک را ذخیره می‌کند. مطالعات فوکادا و بقیه نشان داد این‌ها به خاطر کریستال‌های آپاتایت که متقارن مرکزی هستند نیست بلکه به خاطر کلاژناست. کلاژن در ساختارش جهت‌گیری محوری قطبی مولکول‌های دوقطبی را ذخیره می‌کند و می‌توان آن‌ها را بیوالکترت محسوب کرد، یک نوع مادهٔ دی‌الکتریک که فضای بار شبه ثابت و بار دوقطبی را ذخیره می‌کند. وقتی تعدادی از مولکول‌های کلاژن در یک جهت تحت فشار قرار می‌گیرند مقدار بار زیادی از داخل به سطح نمونه حمل می‌شود که انتظار می‌رود دلیل به وجود آمدن پتانسیل باشد.

اثر پیزوالکتریک عموماً به عنوان یک حسگر نیروی بیولوژیکی عمل می‌کند. 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 استفادهٔ پیوسته از پتانسیل الکتریکی می‌تواند هم تخریب استخوان‌ها و هم رشد استخوانها را (بسته به پلاریته یا قطبیت آنها) باعث شود. مطالعات بیش‌تر انجام گرفته در دههٔ ۱۹۹۰ معادلهٔ ریاضی را فراهم نمود که شباهت انتشار موج استخوان‌های بلند را همانند کریستال‌های شش گوشه (کلاس ۶) تأیید می‌کرد.

• تاندون
• ابریشم
• چوب (به علت تار و پود پیزوالکتریک آن)
• مینای دندان
• عاج دندان

کریستال‌های دست‌ساز

• گالیم ارتوفسفاته (GaPO۴) کرستالی مشابه کوارتز
• لانگاسیت (La3Ga5SiO۱۴)، کرستالی مشابه کوارتز

سرامیک‌های دست‌ساز

خانوادهٔ سرامیک‌های دارای ساختارهای پروسکایت و یا تنگستن- برنز، خواص پیزوالکتریک از خود نشان می‌دهند:

• 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

پیزوسرامیک‌های بدون سرب

اخیراً نگرانی‌ها در خصوص سمی بودن دستگاه‌ها و اجزای حاوی سرب افزایش یافته و در این خصوص استفاده از قوانین و مقررات محدودکننده مواد خطرناک را مطرح ساخته است. افزایش این نگرانی‌ها تأکید بر توسعهٔ کامپوزیتی مواد پیزوالکتریک بدون سرب می‌باشد.

• نیوبات پتاسیوم سدیم (NaKNb)
• بیسموت فریت (BiFeO۳)
• نیوبات سدیم NaNbO۳

تاکنون، نه اثر محیطی این مواد تأیید شده و نه پایداری این مواد به هنگام تهیهٔ آن‌ها.

پلیمرها

PVDF خاصیت پیزوالکتریک را چندین بار بیش‌تر از کوارتز نشان می‌دهد. بر خلاف سرامیک‌ها، که در آن ساختار کریستالی ماده به وجود آورندهٔ اثر پیزوالکتریک است، در پلیمرها مولکول‌های زنجیرهٔ بلند مزدوج هنگامی که در محدودهٔ یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند یکدیگر را جذب و دفع می‌کنند.

 

فهرست مطالب:

تاریخچه و اساس اثر پیزوالکتریک

اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس

فرآیند تولید

انواع مواد پیزوالکتریک

کریستال های طبیعی

کریستال های مصنوعی

سرامیک های مصنوعی

پلیمرها

مقایسه سرامیک ها و تک بلوره ها

روابط ریاضی مواد پیزوالکتریک

ترانسدیوسرهای پیروالکتریک

کاربرد مواد پیزوالکتریک

شتاب سنج پیزوالکتریک

نوع برشی

نوع خمشی

نوع فشاری

Upright

Inverted Compression

Isolated Compression

فشارسنج پیزوالکتریک

موارد تشخیص سنسور فشار پیزوالکترریک

مزایای سنجش فشار با این نوع سنسور

بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک

مدار معادل

اندازه گیری با Charge Amplifier

مثال

مزایا و معایب

مناسب سازی سیگنال

منابع