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 پیزو الکتریک 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.
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 توسط برادران آنها دانششان را از پیزوالکتریک 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 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
حسگرها ی پیزوالکتریک:
بعضی مواد طبیعی یا مصنوعی مانند کوارتز ، تورمالین ، لیتیم سولفات و ... هنگامی که تحت تغییر شکل یا بار مکانیکی قرار می گیرند ، بار الکتریکی تولید می کنند به این مواد ، مواد پیزو الکتریک گویند(اثر پیزو الکتریک). همچنین به عکس می توان با اعمال ولتاژ به این مواد تغییر شکل مکانیکی در آن ها ایجاد کرد(اثر پیزوالکتریک معکوس). کاربردهای آن: انواع سنسورهای پیزو الکتریک (شتاب) سنج(Accelerometer)، کرنش سنج(Strain gage) (سنسورهای نیرو وفشار ) ، شتاب دهنده های پیزوالکتریک(Actuators) نوسانگر پیزو الکتریک ، چشمه موج یا سنسور آلتراسونیک ، منبع با ولتاژ بالا و بسیاری دیگر... 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 می‌کند.
بسته به طراحی یک حسگر، گونه‌های مختلفی می‌تواند برای بارگذاری پیزوالکتریک مورد استفاده قرار گیرد. تشخیص انواع فشار به شکل صدا معمول‌ترین نوع عمل حسگر است، به عنوان مثال میکروفن‌های پیزوالکتریک (امواج صوتی ماده پیزوالکتریک را مرتعش ساخته و باعث تغییر ولتاژ می‌شوند) و یا گیرنده‌های پیزوالکتریک در گیتارهای الکتریکی. حسگر پیزوالکتریک که به بدنه‌ی یک آلت (موسیقی) متصل شده باشد را میکروفن اتصال می‌خوانند. حسگرهای پیزوالکتریک به طور ویژه توأم با صداهای با فرکانس بالا در مبدل‌های مافوق صوت جهت عکسبرداری‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تحقیقی در اندازه گیری الکترونیکی حسگرهای پیزوالکتریک :
حسگرهای پیزوالکتریک بر پایه اصل پیزوالکتریسیته استوار هستند. به این معنا که اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید میشود یا وقتی در میدان الکتریکی قرار میگیرد تغییر شکل مکانیکی می یابد. میزان بار الکتریکی یا تغییر شکل مکانیکی به ترکیب ماده بستگی دارد.
در ساختمان این سرامیک ها موادی نظیر: اکسید سرب، تیتانیا، زیرکونیا و غیره وجود دارند که بسته به نوع کاربرد این مواد با نسبت های مختلف با هم مخلوط می شوند. با تغییر ترکیب و ابعاد قطعات می توان پیزوسرامیک ها را برای کاربردهای مختلف طراحی کرد، از جمله شتاب سنج ها، مبدل های کوچک، حس گرهای خودرو، سنسورهای جریان سیالات و در بخش پزشکی در مبدل تصویرگرهای تشخیصی و مانیتورهای قلب جنین ، تفنگ های لیزری، چاقوهای کوچک جراحی و کالبدشکافی، پاک کننده‌های دندانی، پمپ های IV ،پمپ های قلب و مبدل های کوچک در مجاری خون در جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب امروزه تحقیقات بزرگ و پیشرفت های عظیم بر پایه محاسبات جزیی و دقیق مهندسی بنا شده است. پایه این محاسبات ، اندازه گیری های دقیقی است که می بایست انجام شود.
در دنـیـــای امـــروز ایـــن انــدزه گـیــری هــا بــه روش‌هــای مــدرن و بــا دستگـاه هـای پیشـرفتـه مهندسی انجام می گیرد.
اندازه گیری در حقیقت بـه مـعـنـای پروسه مشخص کردن یا پیدا کردن انــدازه، زاویـه یـا در کـل کـمـیـت اسـت. وسـایـل انــدازه‌گـیـری وسـایلـی هستنـد کـه کمیـت هـای اندازه‌گیری را به اطلاعات آنالوگ یا دیجیتال تبدیل می کنند. یکی از این وسایل اندازه گیری سنسورهای پیزوالکتریک هستند که برای سنس کـردن تـغـیـیـرات بـسـیـار جـزئـی به کار می‌آیند. پیزوالکتریسیته توسط پیروژاک کوری در سال 1892 کشف شد و از واژه یونانی Piezin به معنی "فشار" مشتق می شود.
اعمال فشار به برخی کریستال ها مانند کوارتز یا برخی سرامیک ها ، الکتریسیته تولید می کند. فشار یا تنش مکانیکی وارد شده به برخی کریستال ها باعث جابه جایی دو قطبی های ایجاد شده و پدید آمدن میدان الکتریکی می شود. آرایش یون های مثبت و منفی، تعیین کننده ایجاد یا عدم ایجاد اثر پیزوالکتریسیته است. این سنسورها کاربردهای گسترده ای از صنعت خودرو سازی تا اندازه گیری فشار خون در رگ ها در جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب دارند
ساختار:
همانطور که گفته شد سنسورهای پیزوالکتریک بر پایه اصل پیزوالکتریسیته استوار هستند. به این معنا که اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید می شود؛ یا وقتی در میدان الکتریکی قرار میگیرد تغییر شکل مکانیکی می یابد.
کوارتز کریستالی ، هم نـوع کریستال طبیعی یا کیفیت بالا و هم نوع تغییر یافته آن، از جمله مهمترین مواد پیزوالکتریک مورد دسترس، حساس و پایدار هستند.
عـلاوه بـر کـریستـال های کوارتز می توان، PCB های طراحی شده با به کارگیری تکنولوژی انسانی، پلی کریستال ها و پیزو سرامیک ها را نام برد. این مواد با کاربرد میدان الکتریکی گسترده ای، تحت فشار قرار گرفته اند، تا تبدیل به مواد پیزوالکتریک شوند، یــک خــروجــی high-voltage قــوی را تــولیـد مـی کنـد. ایـن ویـژگـی بـرای استفـاده در سیستم‌های اندازه گیری کم نویز، یک ویژگی بسیار ایده آل است.
با ارزش سختی یکسان نسبت به Psi 6E15 که مشابه بسیاری از فلزات است، مواد پیزوالکتریک خروجی های بالا را به وسیله کرنش های کوچک کاهش می دهند. به عبارت دیگر، مواد پیزوالکتریک موادی را سنجش می کنند که ضرورتا شکست و انکسار نداشته باشند و اغلب به حالت جامد باشند. این به این دلیل است که سنسورهای پیزوالکتریک بسیار قوی هستند و این ویژگی عالی، یک رابطه خطی با میدان گسترده نوسان دارد. در حقیقت، وقتی سیگنال مناسب طراحی شده به طور صحیح به هم بپیـونـدنـد، سنسـورهـای پیـزوالکتـریـک دارای یـک محـدوده نـوسـان پـویـا (برای مثال، محدوده اندازه گیری نسبت به نویز) دارند. نکته مهم نهایی درباره مواد پیزوالکتریک این است که آن ها تنها می توانند اتفاقات پویا و در حال تغییر را اندازه بگیرند. سنسورهای پیزوالکتریک قادر به اندازه گیری حوادث استاتیک پیوسته مانند: سیستم داخلی هدایت موشک، فشار هوا و اندازه گیری وزن نیستند، در حالی‌که حوادث استاتیک دلیل اولیه خروجی هستند؛ این سیگنال به آهستگی ضعیف شده، بر اساس مواد پیزوالکتریک یا متعلق به الکترونیک زمان ثابت است. این بار ثابت مطابق با مرتبه اول فیلتر بالاگذر است و براساس خازن و مقاومت دستگاه است. این فیلتر بالا گذر در نهایت تعیین کننده فرکانس قطع پائین یا اندازه گیری سطح دستگاه می شود
دو نمونه از مواد پیزوالکتریک:
پیزوالکتریک: (PZT)
حساسیت شارژ بالا
کوارتز:
پایدار، پیزوالکتریک نشده
حساسیت شارژ پائین، اما حساسیت ولتاژ بالا
تئوری و مدل سازی:
تئوری پایه ای که پشت پیزوالکتریسیته وجود دارد براساس دوقطبی الکتریکی است. در سطح ملکولی، ساختار مواد پیزوالکتریک به طور معمول، پیوند یونی کریستال است. در نتیجه دو قطبی ها به وسیله ی یون های مثبت و منفی که همدیگر را خنثی می‌کنند و به علت تقارن، ساختار کریستال تشکیل می شود و میدان الکتریکی مشاهده نمی شود. وقتی تنش وارد می شود، کریستال تغییر شکل می دهد، تقارن از دست رفته و شبکه دو قطبی در یک لحظه تشکیل می شود. این دو قطبی لحظه ای یک میدان الکتریکی در راستای کریستال تشکیل می دهد
در این روش، تولید شارژ الکتریکی توسط مواد متناسب با فشار اعمال شده اگر نیروی رفت و برگشتی اعمال شود، ولتاژ AC در ترمینال دستگاه مشاهده می شود. سنسورهای نیروی الکتریک برای کاربردهای DC و استاتیک مناسب نیستند زیرا شارژ الکتریکی تولید شده، بـه علـت امپـدانـس داخلـی سنسـور و امپـدانـس ورودی تـوسـط مـدار سـیـگـنـال مناسب، بازمان تـنــزل پـیــدا مــی کـنــد.بــا ایــن حـال، آن هـا بـرای کاربردهای دینامیک و AC مناسب هستند
یک سنسور پیزوالکتریک به عنوان یک منبع شارژ با یک خازن موازی و مقاومت، و یا به عنوان منبـع با یک خازن سری و مقاومت، مدل شده اســــت. ایــــن مــــدل هـــا در شـکـــل زیر هـمـــراه بـــا عــلامـت‌هـای شـمـاتـیـک رایـج نـشـان داده شـده اســـت.
شـــارژ تــولـیــد شــده بـسـتـگــی بــه ثــابــت پیـزوالکتـریـک دستگـاه دارد. ظـرفیـت خازن به وســیــلــــه مــســــاحــــت هـمـــان عـــرض و ثـــابـــت دی‌الکتریک مواد تعیین میشود. همانطور که قبلا ذکر شد محاسبه مقاومت برای اتلاف شارژ استاتیک است.
الکترود سـیـاه جایی است که شارژ بلورها در آن مکان انـبـاشـتـه مـی شـود مـدار مـیکرو و شتاب سنج، همچنین دارای جرم است توجه داشته باشید که آن ها تفاوت خیلی کوچکی در تنظیمات داخلی دارنـــد. در شــتـــاب ســنـــج هـــا کــه حــرکــت را انـدازه‌گـیـری مـی کـنند، جرم ثابت،M ""، توسط کریستال‌ها، به سادگی و با استفاده از قانون دوم نـیـوتـون قـابـل مـحـاسـبـه اسـت: F=MA.
فـشـار و نیروی سنسورها تقریبا ً یکسان است و متکی بر تغییر شکل نیروی خارجی کریستال ها است. تفاوت بزرگ این است سنسورهای فشار برای جمع کردن فشار یک دیافراگم به کار می برند، که بـه سـادگی توسط نیروی خارج از محیط وارد میشود.
فهرست مطالب:
تاریخچه و مقدمات
فرآیند تولید
انواع مواد پیزوالکتریک
روابط ریاضی مواد پیزوالکتریک
کاربرد مواد و سنسورهای پیزوالکتریک
شتاب سنج پیزوالکتریک
فشارسنج پیزوالکتریک
بررسی مدار سنسورهای پیزوالکتریک
مزایا و معایب
منابع
پاورپوینت کامل و جامع با عنوان سنسورهای پیزوالکتریک در 80 اسلاید
