تحقیق سنسورهای پیزوالکتریک و کاربردهای آن
دسته بندي :
کالاهای دیجیتال »
رشته مکانیک (آموزش_و_پژوهش)
فهرست
مقدمه. 3
تاریخچه اثر پیزوالکتریک.... 5
اثر پیزوالکتریک (Piezoelectric Effect) 13
کاربرد امواج فراصوتی در مواد پیزو الکتریک.... 15
ارتباط اثر پیزو الکتریک با ساختار مولکولی مواد. 16
وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما 16
وجود اثر پیزو الکتریک در تک بلور 16
کاربرد مواد پیزوالکتریک.... 17
مبدل های پیزوالکتریک (Piezoelectric Transducer) 17
محرک های پیزوالکتریک (Piezoelectric Actuator) 17
اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس.... 20
اساس اثر پیزوالکتریک : 21
کاربردهای اثر پیزوالکتریک.... 23
اثر فشاربرقی.. 25
تاریخچه. 26
اکتشاف و پژوهش‌های اولیه. 26
سازوکار و ساختمان.. 28
فشار مکانیکی اعمالی.. 29
طبقه‌بندی کریستال‌ها 29
مواد. 29
کریستال‌های ذاتی.. 29
سایر مواد طبیعی.. 30
کریستال‌های دست‌ساز 30
سرامیک‌های دست‌ساز 31
پیزوسرامیک‌های بدون سرب... 31
پلیمرها 32
کاربردها 32
منابع با ولتاژ و توان بالا. 32
حسگرها 32
پیزوالکتریک در نانو. 33
مقدمه
واژه‌ی پیزوالکتریک به معنای الکتریسیته‌ای است که ناشی از فشار می‌باشد، این کلمه از دو واژه‌ی یونانی پیزو به معنای فشار‌دادن و الکترون گرفته شده‌است. پیزوالکتریک باری است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می‌شود (مخصوصاً در کریستال‌ها، بعضی سرامیک‌ها و اجسام زیستی مانند استخوان، DNA و پروتئین‌های مختلف) . لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته‌ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده و الکتریک نماد عنبر است .( یک منبع قدیمی جریان الکتریکی) اثر پیزوالکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می‌شود. اثر پیزوالکتریک یک فرآیند قابل برگشت است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک(تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می‌کنند اثر پیزوالکتریک معکوس(تولید داخلی نیروی الکتریکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می‌کنند. تاریخچه اثر پیزوالکتریک
به سبب تلاشهای Jacques Curie و Pierre Curie در 1880 مفهوم پیزوالکتریک بوجود آمد. این فیزیکدانان کشف کردند که کریستال های مشخصی وجود دارند که وقتی که استرس یا کشش مکانیکی بر آنها اعمال می گردد بصورت الکتریکی قطبیده (پولاریزه) می شوند.
بنابر این تمام المان های مکانیکی نظیر استرس، کشش، تراکم (فشردگی) و کشیدگی می توانند ولتاژهایی را در کریستالهایی مشخص تولید کنند. این مقوله بوسیله Jacques و Pierre بنا نهاده شده که وقتی نیروی مکانیکی بر کریستالهایی نظیر tourmaline، topaz، quartz، Rochelle salt و Cane sugar اعمال می شود این نیرو منتهی به تولید بارهای الکتریکی متناوب بر وجه های مخالف آن می شود ومتعاقباً آن می تواند برای تولید ولتاژ الکتریکی استفاده شود.
به عنوان مثال سرامیک‌های PZT 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 الترونیکی، میکروبالانس‌ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن اشعه‌های 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 انجام شد. SNOM همچنین استفاده‌های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگار
اثر پیروالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط Carl مطالعه شد و با الهام از این موضوع ادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه‌ای وجود دارد گرچه آزمایش های آنها نتیجه‌ی قاطعی نداد.
اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران آنها دانششان را از پیروالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش‌بینی رفتار کریستال‌ها شد و اثبات کردند کریستال‌های خاصیت پیزوالکتریک دارند و Rochelle salt بیش‌ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می‌کنند. اگرچه Curies اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش‌بینی نکرد، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط Gabriel Lippmann در سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. بلافاصله وجود اثر معکوس را تأیید کرد و به تحقیقات خود ادامه داد تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی- الاستیکی -مکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک را بدست آورد.
خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده‌ی رفتار الکتریکی ماده است.
برای آشنایی بیشتر در این زمینه (حسگر های پیزوالکتریک ) میتوانید دو مقاله ای که به صورت فایل زیپ قرار داده شده است را دانلود کنید
رفتار پيزوالکتريک يا پيزوالکتريسيته عبارتست از توليد الکتريسيته ايجاد شده توسط پلاريزاسيون توسط يک کريستال در اثر اعمال تنش.
زماني که يک ميدان الکتريکي به يک کريستال پيزوالکتريک اعمال شود، تحت کرنش قرار مي‌گيرد که اصطلاحا آن را رفتار پيزوالکتريک معکوس مي‌نامند.
شرط ضروري براي پيزوالکتريک بودن يک کريستال، عدم وجود تقارن مرکزي در ساختار کريستالي است.
ترکيبات سرب-زيرکنات-تيتانات PZT با ساختار پروسکايت، ZnO و کوارتز مثالهايي از مواد پيزوالکتريک هستند.
پيزوالکتريک Piezoelectric خاصيتي است که برخي کريستالها و از جمله کوارتز به هنگام اعمال ولتاژ به آنها تحت فشار قرار مي گيرند يا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانيکي، يک ولتاژ توليد مي کنند از اين خاصيت بلور کوارتز در ساعت استفاده مي کنند که با اعمال ولتاژ از طريق باطري ساعت و در نظر تعداد خاصي نوسان بلور در يک ثانيه، ثانيه شمار ساعت به اندازه يک ثانيه پيش مي رود يکي ديگر از کاربردهاي کوارتز به دليل داشتن خاصيت پيزوالکتريک، فرستنده هاي راديويي، گيرنده هاي راديويي و کامپيوترهاست به نوعي مي توان گفت که تمام وسائل منقول و غيرمنقول، دقت و ظرافت خاص خود را مديون اين خاصيت کوارتز هستند تحقيقات نشان مي دهند که اگر پان