پیزو فیلم ها

مقاله پیزو فیلم ها

 

مقدمه

تاریخچه کشف پیزوالکتریک ها به سال 1880میلادی بر می گردد. اصطلاح پیزوالکتریک به دسته ای از مواد اطلاق می شود که اعمال فشار به آن ها سبب به وجود آمدن اختلاف ولتاژ در این مواد می شود. مواد پیزو الکتریک همچنین این قابلیت را دارند که هنگام قرار گرفتن در معرض میدان الکتریی شکل خود را تغییر دهند و می توان از آن ها پاسخ مکانیکی دریافت کرد.

رفتار پیزوالکتریک یا پیزوالکتریسیته چیست؟

رفتار پیزوالکتریک یا پیزوالکتریسیته عبارتست از تولید الکتریسیته ایجاد شده توسط پلاریزاسیون توسط یک کریستال در اثر اعمال تنش. زمانی که یک میدان الکتریکی به یک کریستال پیزوالکتریک اعمال شود، تحت کرنش قرار می‌گیرد که اصطلاحا آن را رفتار پیزوالکتریک معکوس می‌نامند. شرط ضروری برای پیزوالکتریک بودن یک کریستال، عدم وجود تقارن مرکزی در ساختار کریستالی است. ترکیبات سرب-زیرکنات-تیتانات PZT با ساختار پروسکایت، ZnO و کوارتز مثالهایی از مواد پیزوالکتریک هستند.

پیزوالکتریک خاصیتی است که برخی کریستالها و از جمله کوارتز به هنگام اعمال ولتاژ به آنها تحت فشار قرار می گیرند یا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکی، یک ولتاژ تولید می کنند از این خاصیت بلور کوارتز در ساعت استفاده می کنند که با اعمال ولتاژ از طریق باطری ساعت و در نظر تعداد خاصی نوسان بلور در یک ثانیه، ثانیه شمار ساعت به اندازه یک ثانیه پیش می رود یکی دیگر از کاربردهای کوارتز به دلیل داشتن خاصیت پیزوالکتریک، فرستنده های رادیویی، گیرنده های رادیویی و کامپیوترهاست به نوعی می توان گفت که تمام وسائل منقول و غیرمنقول، دقت و ظرافت خاص خود را مدیون این خاصیت کوارتز هستند.

 

بلورها

در بلورها پراکندگی و فاصله اجزا دارای نظم هندسی ویژه ای است که معمولاً در تمام جهت ها یکسان نیست برخلاف بلورها در جامدهای بی شکل یا غیر بلورین پراکندگی و فاصله اجزای سازنده آنها در همه جهت ها یکسان است از این رو بعضی از خواص فیزیکی جامدهای غیر بلورین مانند رسانایی گرمایی  انتشار نور و رسانایی الکتریکی نیز در همه جهت ها یکسان است به این جامدهای غیر بلورین همسانگرد ایزوتروپ می گویند چون خواص فیزیکی بیشتر جامدهای بلورین در جهتهای مختلف متفاوت است به آنها ناهمسانگرد آن ایزوتروپ می گویند تنها بلورهایی که در دستگاه مکعبی متبلور می شوند مانند اجسام غیر بلورین عمل می کنند چون در سه جهت فضایی دارای ابعاد مساوی هستند.

 

پدیه ناهمسانگردی چه تاثیری در بلورها دارد؟

پدیده ناهمسانگردی سبب پیدایش خواصی در بلورها می شود  که کاربردهای مختلف و مهمی در صنعت دارند مثلا اگر بلورهایی مانند کوارتز و یا تورمالین را از دو طرف بکشیم و یا فشار دهیم در جهت عمود بر فشار یا کشش دارای بار الکتریکی مخالف یکدیگر می شوند اگر جهت این فشار یا کشش را عوض کنیم نوع بار الکتریکی تغییر می کند به این پدیده پیزوالکتریک می گویند گرما در بعضی از بلورها الکتریسته ایجاد می کند و سبب می شود یک سوی آنها بار مثبت و سوی مقابل بار منفی بیابد در نتیجه میان این دو سو اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود می آید همچنین اگر به این بلور جریان الکتریکی متناوب وصل کنیم بلورها به تناوب منبسط و منقبض می شوند و بر اثر ارتعاش  صوت تولید می کنند.

از این خاصیت برای تولید صوت،  ماورای صوت، نوسانهای الکتریکی،  ساختن میکروفون های بلوری و سوزن گرامافون استفاده می شود بعضی از بلورها مانند بلور عنصرهای ژرمانیم، سیلیسیم و کربن خاصیت نیمه رسانایی دارند و تا اندازه ای جریان الکتریکی را از خود عبور می دهند اگر بلورهای نیمه رسانا را گرما دهیم و یا در مسیر تابش نور قرار دهیم، مقاومت الکتریکی آنها کم می شود و الکتریسیته را بهتر عبور می دهد نیمه رساناها در صنایع الکترونیک و مخابرات به صورت دیود و ترانزیستور و قطعه های دیگر الکترو نیکی به کار می روند دیود یا یکسو کننده از دو قطعه بلور نیمه رسانا ساخته می شود و برای یکسو کردن جریانهای متناوب به کار می رود ترانزیستور از سه قطعه بلور نیمه رسانا تشکیل می شود و برای تقویت جریانهای ضعیف و یکسو کردن جریان متناوب به کار می رود.

 

پیزوالکتریسیته در مواد بلوری

پیزوالكتریسیته خاصیتی است در مواد بلوری كه در اثر فشار وارد شده بر بلور ایجاد الكتریسته می كند و به عكس اعمال الكتریسیته باعث ایجاد فشار می شود دلیل این امر در بلور كوارتز با فرمول SIO₂ ان است كه در حالت معمولی ودر حالتی معین از بلور كوارتز شش گوشی تشكیل می شود كه گوشه های ان به صورت یك در میان با یون اكسیژن و سیلیس اشغال شده است این شش گوش بدون اعمال فشار در حالت ایستایی الكتریكی است ولی فشار باعث می شود كه این حالت بهم بخورد وبلور از حالت پایداری الكتریكی خارج شود و الكترون اضافی را به صورت الكیریسیته آزاد كند و به عكس اعمال الكتریسیته باعث به هم خوردن سطح شش گوش می شود و بنابر این فشاری در بلور ایجاد می شود از این ویژگی استفاده های بینهایت زیاد در تكنولوزی شده است.

 

برخی از کاربرد پیزوالکتریک‌ها عبارت است:

1- به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهییج، شتاب‌سنج …)
2- به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی (در دیسک‌های صوتی، میکروفون، بلندگو و زنگ اخبار و …)

3- در دریافت و انتقال امواج التراسونیک (پروب امواج التراسونیک، سنسورهای AE و کنترل امواج التراسونیک)

4- در تولید ولتاژ و جرقه با ولتاژ بالا (جرقه‌زن) و کاربردهای دیگر (ماشین آلات برقی، وسایل پزشکی و خانگی، بیوسنسورها و….)

کاربرد مواد پیزوالکتریک بسیار وسیع است. محدوده کرنش در مواد پیزو الکتریک کم می باشد (حدود 0.1%) در حالی که نیروی حاصل از کرنش می تواند زیاد باشد به عبارت دیگر چگالی انرژی این مواد زیاد می باشد. پاسخ زمانی این مواد بسیار کم می باشد که این ویژگی به ما اجازه می دهد که بتوانیم از این مواد در فرکانس های بالا استفاده کنیم. حساسیت زیاد این مواد در برابر تغییر شکل این امکان را فراهم می آورد که بتوان از این مواد به عنوان سنسور استفاده کنیم.

 

جدول1: خواص تعدادی از پیزوالکتریک های متداول

ترکیبات سرب-زیرکنات-تیتانات یکی از متداول ترین انواع پیزوالکتریک های مصنوعی می باشد.

 

3 نوع از عملگر های پیزو الکتریک

3 نوع از عملگر های پیزو الکتریک که در سطح صنعتی برای سازه های هوشمند استفاده می شوند عبارت اند از:

1- رشته های مربعی یا دایره ای پیزو الکتریک که به صورت هم محور در داخل زمیمه ای از پلیمر در راستای ضخامت قرار می گیرند. از این نمونه برای کاربرد های صوتی استفاده می شود.

2-عملگرهای AFC که به صورت کامپوزیت هایی با الیاف پیزو الکتریک هم محور در داخل زمینه ای از مواد پلیمری قرار دارد. این نوع در آزمایشگاه مواد و سازه دانشگاه MIT اولین بار ارائه شد. در این نمونه می توان از الیاف شیشه برای بهبود خواص استفاده کرد. در شکل 1 طرح شماتیک عملگر AFC نشان داده شده است.

 

شکل 1: طرح شماتیک عملگر AFC

 

3- نوع دیگری از این عملگر ها تحت عنوان MFC (Macro Fiber Composite) شناخته می شوند که توسط مرکز تحقیقاتی NASA ارائه شده است.  MFC مشابه AFC می باشند با این تفاوت که در MFC مقاطع رشته های پیزوالکتریک به صورت مستطیلی می باشد. در این حالت سطح بیشتری از پیزو ها با الکترود در تماس است و بنابراین در این حالت کارایی افزایش می یابد. همچنین روش تولید مقاطع مستطیلی نسبت به مقاطع دایروی راحت تر می باشد.  شکل 2 یک نمونه از عملگرهای MFC را نشان می دهد.

 

شکل 2: یک نمونه از عملگر MFC

 

اجزاء وقسمت های مختلف MFC در شکل 3 نشان داده شده است.

 

شکل3:  اجزاء مختلف عملگر MFC

مشخصات مکانیکی و عملکردی نمونه ای از MFC در جدول 2 آورده شده است.

 

جدول 2: خواص یک نمونه از MFC

به این مقاله امتیاز بده 

[ratings]

---

مقاله قبلی سایت تخصصم اینه را می توانید اینجا بخوانید

همچنین شما دوست عزیز و متخصص نیز می توانید مقالات خود را با اسم خودتون (شرکت، اشخاص و مخترعان) به همراه تبلیغ محصولات و خدمات خود در آخر آن در سایت تخصصم اینه به رایگان منتشر نمایید. اینجا کلیک کنید تا شرایط نوشتن و فرستادن مقاله را مشاهده نمایید.

در فرم زیر نیز می توانید ایمیل خود را برای دریافت آخرین مقاله های سایت وارد نمایید.