سمینار بررسی ساختار و کاربردهای انواع پلیمر های پیزو فیلم Piezo Film

سمینار بررسی ساختار و کاربردهای انواع پلیمر های پیزو فیلم Piezo Film- از این مطلب میتوانید در پایان نامه و مقاله سمینار و … خود استفاده بنمایید.

 مقدمه

تعریف پیزوالکتریسیته  و تاریخچه آن :

اعمال فشار به برخی از کریستالها مانند کوارتز یا برخی سرامیکها، الکتریسیته تولید میکند. پیزوالکتریسیته یعنی الکتریسیته ناشی از فشار که از لغت یونانی Peizein به معنی فشار مشتق شده است وبیش از صد سال پیش توسط برادران Curie کشف شد.در واقع آنها یافتند زمانی که کوارتز در مقابل میدان الکتریکی قرار بگیرد ابعاد و اندازه اش تغییر می کند و نیز زمانی که از لحاظ مکانیکی تغییرشکل بدهد، بار الکتریکی (ولتاژ) تولید میکند.

مبدلها نوعی از انرژی را به نوع دیگری از انرژی تبدیل میکنند و به طور وسیعی به عنوان سنسورها به کار میروند. پیش از جنگ جهانی دوم محققان نوعی سرامیک را کشف کردند که زمانی که در برابر ولتاژ با پلاریته بالا قرار بگیرد، پیزوالکتریک تولید می کند و پس از آن با گذشت زمان خاصیت پیزوالکتریک در دیگر مواد و از جمله مواد ارگانیک یافت شد. مانند استخوان و تاندون وال، کوارتز ، تورمالین ، نمک راشل و پوست انسان.و همچنین خاصیت پیزویی زیادی در PVDF (نوعی پلیمر پلاستیکی) پلی وینی لیدن فلوئوراید با فرمول CF2CH2 یافت شد.دلیل وجود پیزوالکتریسیته ذاتی، عدم تقارن کریستال(بلور) میانی و یا طبیعت قطب الکتریکی کریستال است.

ولتاژ خروجی ناشی از پیزوالکتریسیته متناسب با استرس(فشار) ایجاد شده است و با تقارن کریستال رابطه ی عکس دارد. یعنی هرچه تقارن کریستال بیشتر باشد استرس بیشتری جهت تولید ولتاژ نیاز است. فشار یا تنش مکانیکی وارد شده به برخی کریستالها، باعث جابجایی دوقطبی های ایجاد شده و پدید آمدن میدان الکتریکی می شود. زمانی که یک ماده به عنوان مثال سرامیک در معرض میدان الکتریکی قرار میگیرد،تغییر شکل مکانیکی میدهد. جابجایی بارهای الکتریکی در شبکه اتمی یک کریستال پیزوالکتریک طبیعی در پاسخ گویی به فشار را می توان در شکل مشاهده کرد. 

Piezoelectric Film Sensors

   1.الکتریسیته ی تولید شده توسط مواد پیزوالکتریک یک شارژ گذرا است و زمانی که ماده در معرض استرس قرار می گیرد و یا از استرس رها می شود تولید می شود.

   2.ولتاژی که در اثر فشار به مواد پیزوالکتریک حاصل می شود متناسب است با تغییر فرم مکانیکی و یا خواص ذاتی آن مواد. اگر نیروی متغیر فرم مکانیکی ماده، از نوع معکوس باشد، پلاریته ولتاژ خروجی نیز معکوس خواهد بود.

   3.شکل زیر نشان می دهد که چگونه مولکولهای پیزوالکتریک دوقطبی ولتاژ تولید می کنند. علائم مثبت و منفی بارهای دوقطبی مولکول را نشان می دهد.

  4.در مواد پیزوالکتریک بیشتر مولکولهای دوقطبی در یک سمت جهت دهی می شوند. ولتاژ تولیدی توسط مواد پیزویی ثابت نیست، همانند ولتاژی که توسط باتری تولید می شود. در عوض ولتاژ مانند پالس به سرعت افزایش می یابد و تنزل می کند.

5.ثابت زمانی پالس ولتاژ توسط خواص دی الکتریک مواد پیزویی و مقاومت داخلی، تعیین می شود و افت ولتاژ به سبب خاصیت خازن مقاومتی هر نوع دستگاه خارجی مثل اسیلوسکوپی که به مواد پیزوالکتریک متصل می شود می باشد.

Piezoelectric Bone :

بار الکتریکی پیزویی زمانی که استخوان از طریق فعالیت های معمولی و حرکت تحت فشار قرار می گیرد به وجود می آید. این بار الکتریکی استخوان را سلامت نگه می دارد و زمانی که استخوان می شکند ولتاژ پیزوالکتریک به التیام آن کمک می کند. فیزیکدانان از این خاصیت برای کمک به افراد سالمند و درمان استخوان های شکسته استفاده کردند و همچنین از دستگاههای اکسترنالی که پالسهای کوچک جریان الکتریکی تولید می کنند در محل استخوانهای شکسته استفاده کردند.

Piezoelectric Light :

زمانی که دو قطعه سنگ پیزوالکتریک را در یک اتاق تاریک به هم ضربه بزنید نور اندکی تولید می کنند.

یکی از تئوری های موجود برای دلیل این امر این است که ضربه زدن سبب می شود که الکترونها به تراز انرژی بالاتری بپرند و زمانی هم که میخواهند به مدار اصلی خود بازگردند، انرژی آزاد می کنند که تولید نور می کند.

انواع پلیمرهای پیزوالکتریک :

1-ورق های پیزو یا Piezo Sheet برای ضخامت های (200µm-2mm)

2-پیزوفیلم Piezo Film  برای ضخامت های کمتر از 200µm

تعریف پیزوفیلم :

پیزوفیلم ها غشاهای پیزوالکتریک نازکی هستند که هم می توانند به عنوان منبع و هم به عنوان ریسیور استفاده شوند. این تصویر نشاندهنده 3 مبدل پیزوفیلم ارزان است.

ساخت مواد پیزوالکتریک :

مواد سرامیکی در هنگام ساخته شدنشان زمانی که در معرض ولتاژ بالا قرار می گیرند، پیزوالکتریک تولید می کنند. این تکنیک در PVDF (پلاستیک پلیمری) یافت شد.PVDF یک ماده در پیزوفیلم است. ولتاژ بالا قطبهای مولکول را متقارن و تراز می کند.که سبب می شود ماده PVDF کشیده شود. ترازشدن مولکولها اثر پیزوالکتریک را به وجود می آورد.

تعریف PVDF :

PVDF نوع جدیدی از سنسور پیزوالکتریک است. PVDF یک پلیمر بسیار نازک است که در هر طرفش یک لایه هادی الکتریکی نازک از آلیاژ نیکل-مس نشانده شده است. این ماده پیزو فیلم نامیده می شود.PVDF یک واحد پلیمری نیمه بلور است با زنجیره ای بلند و وزن مولکولی آن 10⁵  است.گرچه کریستال قطبی است. ولی زنجیره طوری مرتب شده است که یک سلول واحد غیرمتمرکز مرکزی تشکیل میدهد.

ساخت PVDF :

PVDF به صورت ورقه های نازک یا فیلم با ضخامت 5 µm تا 2 mm ساخته می شود.پلیمر به صورت تک محوری یا دو محوری به دفعات مختلف و در دمای 60 تا 80 درجه سانتیگراد از لحاظ طولی بسط داده می شود. این فرایند بر روی تراز رنجیره کربن نیرو وارد می کند یعنی در فاز بلورینش تغییر ایجاد می کند.برای استفاده از پیزوفیلم، بر روی پوشش رسانای الکتریکی PVDF در هر طرفش کانکشن الکتریکی می سازند. اگر نیاز است به خود پیزوفیلم کانکشن الکتریکی بزنید، این کار با استفاده از نوارمسی و یا رسانای مسی و یا رسانای epoxy قابل انجام است. ولی لحیم مستقیم فیلم ممکن نیست زیرا گرما پلاستیک زیرین PVDF را نابود می کند.الکترودها را از طریق Evaporation در خلأ بر روی فیلم می نشانند.(از Al، Al-Ni، Ag، Au، Cr میتوان استفاده کرد) و به میدان الکتریکی 500 تا  800 kv/cm نیاز است تا دوقطبی ها را در دمای 100 درجه تراز کنند.سپس پلیمر سرد می شود و در حالی که میدان را ثابت نگه می دارند، تراز قطبی را منجمد می کنند.

 پیزوفیلم ماده ای شبیه فویل آلومینیومی است با این تفاوت که فیلم فنری تر است.بیشتر سنسورهای پیزوفیلم اتصال سیمی ((Wire Connection دارند.می توان گفت PVDF یک Pyroelectric نیز هست یعنی در پاسخ به دما بار الکتریکی ایجاد می کند ، همچنین به انرژی اینفرارد در محدوده ی 7-20 µm حساس است. پاسخ به دما آنرا یک سنسور بسیار عالی برای آشکارسازی اینفرارد برای بدن انسان می سازد.سنسورهای فیلم به طور عادی به عنوان سنسورهای حرکتی مورد استفاده قرار می گیرند که با استفاده از لنزهای Fresnel  می توانند بدن انسان را آشکارسازی نمایند.

 برخی مشخصات فیزیکی پیزوفیلم :

پیزوفیلم ها از نظر مکانیکی پایدار هستند، منعطف و سبک وزن می باشند و پلاستیک های سخت مهندسی اند که در ضخامت های مختلف نیز موجودند، در مقابل خستگی استرس مقاوم هستند.از لحاظ شیمیایی بی اثرند و امپدانس صوتی نزدیک به آب دارند.PVDF امواج الکترومغناطیسی نزدیک به اینفرارد (5-15 µm) را جذب می کند که آنرا یک آشکارساز بسیار خوب برای پرتو Infrared می سازد .تحت تأثیر امواج UV قرار نمی گیرد.PVDF در دمای ˚170 ذوب می شود.در دمای نزدیک ˚40 از شیشه عبور می کند.دمای عملیاتش بین 40 تا ˚80  است و در دماهای بالاتر غیرفعال می شود.رنج الاستیکی بالایی دارد بین 1500 تا 2500 مگاپاسکال. سرعت انتشار موج در آن بین 1000 تا 2000 m/s است. ولتاژ خروجی بالایی دارد، تقریباً 10 برابر بیشتر و بزرگتر از پیزوسرامیکها در مقابل نیروی وارده یکسان. مقاوم نسبت به رطوبت. یکی از مزیت های پیزوفیلم نسبت به پیزوسرامیک امپدانس صوتی کم است که نزدیک به آب، بافت انسانی و برخی مواد ارگانیک دیگر است. به عنوان مثال امپدانس صوتی پیزوفیلم 2.6 برابر امپدانس صوتی آب است حال آنکه امپدانس صوتی پیزوسرامیک 11 برابر آب است.

پیزوفیلم ها برای برخی کاربردها محدودیتهایی نیز دارند که آنها را نسبت به سرامیک ها ترنسمیترهای ضعیف تری از لحاظ الکترومکانیکی می سازد، به خصوص در تشدید و کابردهای فرکانس پائین. همچنین فشار بر روی پیزوفیلمی که بر روی سطح سخت قرار گرفته است ولتاژ کمی تولید می کند.

اگر پیزوفیلم را برروی سطح منعطف قرار دهیم و با انگشت فشار بزرگتری وارد آوریم ولتاژ بزرگتری تولید می شود، فشار آوردن با انگشت سبب می شود فیلم امتداد یابد(کشیده شود). (پیزوفیلم چگالی کم و حساسیت عالی دارد.) همپنین قابلیت جذب و قبول پیزوفیلم 10 برابر قبول سرامیک است. پیزوفیلم ها زمانی که به صورت یک فیلم نازک در آمدند، پلیمرهای پیزوالکتریک می توانند به صورت مستقیم به ساختاری بپیوندند، بدون آنکه حرکت مکانیکی آنرا مختل کنند.پیزوفیلم ها برای کابردهای سنس کشش که نیازمند به پهنای باند وسیع و حساسیت زیاد هستند، بسیار مناسب اند.پیزوفیلم ها اصولاً در برابر نیروی اعمال شده به آنها تغییرات جابجایی زیادی ندارند. مثلاً در طراحی اسپیکرها ی فرکانس پائین تر 500 Hz پیزوفیلم محدودیت دارد ولی در محفظه های بسته هوا مثلاً در هدست و سمعک های شنوایی پاسخ فرکانس پائین خوبی دارند.

روش کات کردن پیزوفیلم :

بریدن نادرست پیزوفیلم، ممکن است سبب اتصال کوتاه موقت مدار می شود. بر اساس پیشنهاد سازنده بهتر است پیزوفیلم را بر روی سطح شیشه ای قرار داده و آنرا توسط یک تیغه ی تیز برید.پیزوفیلم می تواند توسط نوارهای آلومینیومی یا مسی که در یک طرفشان چسبندگی رسانا دارند و یا توسط یک رسانای نقره ای و یا چسب Epoxy اتصال یابد.برای بیشتر کاربردها می توان صدها مبدل را در یک فوت مربع از پیزوفیلم تولید کرد.همانطور که گفته شد PVDF به علت انعطاف، استحکام، امپدانس صوتی پائین، جرم کم و وسیع بودن پهنای باند فرکانسی موارد استفاده فراوانی دارد.

منابع در رنج های شنیداری، به عنوان مثال هدفونها اغلب بر اساس تأثیرات پیزوالکتریکی عرضی کار می کنند.در واقع در این شکل تغییر مکان سطح فیلم تبدیل به حرکت پالس دار می شود. بدین صورت که فیلم را به صورت منحنی گنبدی شکل در می آوریم و انتهای آن را ثابت می کنیم.

و اکثر منابع در رنج های بالای آلتراسونیک بر اساس اثرات طولی هستند(بالای 500Mhz در دمای اتاق)

پائین بودن امپدانس صوتی PVDF باعث شد که بتوان از پیزوفیلم در Hydrophone (میکروفن های زیرآبی) استفاده کرد.

زمانی که دو لایه از پیزوفیلم به صورت معکوس به هم کانکت می شوند، کشش نسبی کوچک در هر جزء شان به یک حرکت موجی بزرگی تبدیل می شود.این پیکره بندی که به آن Bimorph گفته می شود، زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که تغییر شکل بزرگی نیاز باشد. این حالت همانند فنی ضعیف باد خفیفی تولید می کند و یا به عنوان منحرف کننده نوری نیز می تواند استفاده شود.

و حالت دیگر این است که یک فیلم را به عنوان منبع(یا محرک) و فیلم دیگر را به عنوان ریسیور قرار می دهند. این روش کاربرد فراوانی دارد این سیستم ها توسط رنج دینامیکی بسیار وسیعی توصیف می شوند.

استفاده از 2 فیلم جهت نمایان کردن رزونانس سیستم مکانیکی، امکان مانیتورینگ با دقت زیاد، در شرایطی که تغییرات ریز و کوچک مهم هستند را فراهم می سازد.ساده ترین استفاده پیزوفیلم به عنوان ریسیور، گیجهای کشش هستند. پیزوفیلم به عنوان ریسیور نیاز به پاور خارجی ندارد و پاسخ فرکانسی بسیار وسیعی دارد و به عنوان مثال می تواند به عنوان سنسوری برای انتشار صوت به کار رود

شکل F یک نوار نازکی از پیزوفیلم به شکل سیلندر را نشان می دهد که نسبت به فشار(نیرو) بر روی سطح بسیار حساس است. همچنین منحنی کردن فیلم، حساسیت فیلم را نسبت به موج استرس سطح که مخالف صفحه فیلم اثر می کند را افزایش می دهد. مطابق افزایش خمیدگی، پاسخ فرکانسی کاهش می یابد و حساسیت افزایش می یابد.

 

 

احتیاطات طراحی :

حساسیت بالای پیزوفیلم ها ممکن است بر روی اجرای دستگاههای مبتنی بر اثر پیزوالکتریک تأثیر بگذارد. در پیکره بندی تشدید 2 فیلم، پوشش مناسب و قرار دادن زمین جهت جلوگیری از تداخل الکترومغناطیسی و القای بین فیلم منبع و ریسیور نیاز است.

سرانجام، اگر مشلاتی از قبیل تغییرات دما و ارتعاشات خارجی وجود داشته باشد، فیلم دوم می تواند نزدیک فیلمی که به عنوان ریسیور در نظر گرفته شده است قرار بگیرد. در واقع فقط یک فیلم در معرض ورودی قرار می گیرد ولی هر دو فیلم در معرض نویز محیطی قرار می گیرند.

چند نمونه از کاربردها :

میکروفن ها ی ساده پیزویی :

می توان یک میکروفن ساده پیزویی را در حالی یک سنسور PZ-01 و یا PZ-02 را در انتهای یک Styrofoam قرار می دهیم بسازیم. انتهای مبدل را هم باید یه ورودی میکروفن در Recorder متصل کنیم. بنابراین زمانی که درون Cup صحبت می کنیم، فرایند ضبط کردن هم صورت می گیرد.

 

لامپ چشمک زن نئون :

مطابق شکل یک لامپ نئون به یک مبدل PZ-02 متصل شده است. لامپ به انتهای مبدل لحیم شده است. زمانی که مبدل را بین 2 انگشت بگیریم، مبدل پیزویی ولتاژ کافی برای چشمک زدن لامپ را به دفعات زیاد تولید می کند. ولی این کار را باید در اتاق تاریک انجام داد چرا که لامپ نئون نور ضعیفی تولید می کند.

سوئیچ های CMOS :

ولتاژی که توسط یک مبدل پیزویی تولید می شود می تواند یک مدار دیجیتال را به کار اندازد.یکی از مداراتی که می توان ساخت یک سوئیچ نمایشگر ساده ایست که از یک مبدل پیزویی و فیلیپ فلاپ 4013D تشکیل شده است. هر زمان که پیزوفیلم به هدف اصابت کند، Flip Flop را تریگر(راه اندازی) می کند و فیلیپ فلاپ با تریگر متناوب LED را روشن و خاموش می کند.

سوئیچ هایی با پالس های آنی و گذرا نیز وجود دارد.این سوئیچ ها پالس های تمیزی ایجاد می کنند که با فشردن پایه سنسور، یک پالس دیجیتال تولید می شود. این سوئیچ ها می توانند به هم بپیوندند و در یک سنسور فشرده قرار بگیرند و به عنوان مدارات شمارنده و یا کاربردهای رمزگذاری استفاده شوند.سوئیچ های پیزوالکتریک کاربرد فراوانی دارند از جمله در Slot machines و شمارشگر سکه، بازی ها و….

Piezo Speaker :

زمانی که پیزوفیلم در معرض میدان الکتریکی قرار می گیرد دیفرم می شود. از این خاصیت جهت ساخت یک اسپیکر پیزوفیلم flat استفاده شده است. برای کارایی بهتر، یک قطعه بزرگی از پیزوفیلم را استفاده کردند. پیزوفیلم 3 اینچی تبدیل به پیزوفیلم 6 اینچی تبدیل می شود.با نگه داشتن انتهای پیزوفیلم می توان صدا تولید کرد. از این ماده به عنوان اسپیکر استفاده می کنند، بنابراین برای تولید سیگنال صوتی نیاز به ولتاژ بالا داریم. این کار را با تغذیه کردن سیگنال صوتی از طریق ترنسفورمر Step-up انجام می دهند.خروجی آمپلی فایر (صدا) LM386 به یک ترانسفورمر Step-up  کوچک متصل شده است. خروجی ترنسفورمر، اسپیکر پیزوفیلم …………………. .

 

امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت ادامه مطلب  به صورت کامل  WORD + PDF  به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید.

برای دریافت pdf + word بر روی کلیدزیر ،کلیک نمایید . 

قیمت: 10000 تومان