سنسورهای پیزو الکتریک فرمول ها و کاربرد ها و مقایسه piezoelectric

مقاله سنسورهای پیزو الکتریک فرمول ها و کاربرد ها و مقایسه piezoelectric از این مطلب میتوانید در پایان نامه و مقاله سمینار و … خود استفاده بنمایید.

این مقاله به صورت اختصاصی  و نسخه کامل 41 صفحه ای برای این سایت طراحی شده است و دیگر سایت ها به صورت ناقص  انرا میدهند .

فهرست

• مقدمه و تاریخچه .

• اثر پیزوالکتریک

• اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس

• ارتباط اثر پیزو الکتریک با ساختار مولکولی مواد

• وابستگی مواد به دما

• روابط ریاضی

• انواع موادی که اثر پیزوالکتریک دارندپیزوالکتریک

• کاربرد های پیزوالکتریک

• کاربردهای سرامیک در مهندسی برق

• کاربرد سرامیک به عنوان عملگر و به عنوان سیستم های التراسونیک

• شتاب سنج پیزوالکتریک موتور پیزوالکتریک

• حسگر پیزو الکتریک

• سنسور فشار پیزو الکتریک

• سنسور فرا صوت پیزو الکتریک

• سنسور پیزوالکتریک MEMS

• مقایسه سنسورهای پیزوالکتریک با دیگر سنسورها

• مزایای سنسور های پیزو الکتریک

• شرایط بازار اقتصادی قطعات و تجهیزات پیزوالکتریک در ایران توضیحات

• کاربرد حسگر های پیزو الکتریک

• کابرد سرامیک های پیزو الکتریک

• جابجاگرهای خطی در سنسورهای پیزو الکتریک

• ژنراتور های پیزو الکتریک

• نتیجه گیری

 پیزو الکتریک فرمول های و کاربرد    (piezo electric)

• مقدمه و تاریخچه

تاریخچه کشف :

از اثر ایجاد قطب الکتریکی در بلور بوسیله تغییر حرارت که باعث ایجاد یک پتانسیل الکتریکی در مواد می شودکه توسط این مطالعه این نفر یعنی Carl Linnaeus وFranz Aepinusدر میانه های قرن هجدهم مشخص شد . جرقه این خاصیت فیزیکی شکل گرفت . طراحی این دانش و آگاهی باعث شد که Rene Just Hauyو AntioneCessarادعا کننده که وابستگی و ارتباطی بین فشار و تنش مواد و تغییرات بار ماده وجود دارد . اگر چه آزمایشات این دو به نتیجه نرسید .

اولین اثبات قضیه و اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط دو برادر با نام های Pierre Curie  و Jacques Curieبود. اطلاعات این دو دانشمند رفتار بسیاری از کریستال ها مانند تورمالین ، کوارتز ، کانی شکر ، Rochelle salt (نمک راچل) ( تتراهیدرات ، جوهر پتاسیم ، سدیم ) را آشکار کرد .در سه دهه بعد، همکاری فراوانی در انجمن های علمی اروپا در زمینه پیزو الکتریسیته انجام شد و واژهای میدان پیزوالکتریسیته بوسیله آنها استفاده شد . البته کارهای انجام شده برروی رابطه ی میان الکترومکانیکی مختلطبا کریستال های پیزو الکتریک در سال ۱۹۱۰ انجام شد و اطلاعات آن به صورت یک مرجع استاندارد است. به هر حال پیچیدگی علم مربوط به مواد پیزوالکتریک باعث شده که کاربردهای این عداد تا چند سال قبل رشد پیدا نکند .  لانگوین ات آل در طی جنگ جهانی اول مبدل آلتراسونیک پیزوالکتریکی ساخت . موفقیت او باعث ایجاد موقعیت های استفاده از مواد پیزو الکتریک در کاربرد های زیر آبی شد.

در سال ۱۹۲۵،Busch ، Schewer خاصیت پیزوالکتریک ، پتاسیم دی هیدروژن فسفات (KDP) را کشف کردند . خانواده پیزوالکتریک های دی هیدروژن فسفات اولین خانواده ی عمده از مواد پیزوالکتریک و فرو الکتریک بود که کشف شده بود. در طی جنگ جهانی دوم ، تحقیقات در زمینه ی مواد پیزوالکتریک بوسیله ی آمریکا شوروی سابق و ژاپن بسط داده شد . محدودیت های ساخت این مواد از تجاری شدن آنها جلوگیری می کرد امّا این مسئله نیز پس از کشف باریم تیتانات و سرب زیر کونات تیتانات (PZT) در دهه های ۱۹۴۰و۱۹۵۰ برطرف شد . این خانواده از مواد خاصیت دی الکتریک و پیزو الکتریک بسیار خوبی داشتند تا این تاریخ PZT یکی از مواد پیزوالکتریک پرکاربرد است . این نکته قابل توجه است که بیشترین سرامیک های پیزوالکتریک تجاری در دسترس ( مانند باریم تیتانات و PZT ) شبیه به ساختار پرسکیت (Perovskite) با فرمول Catio3دارند.

تقریباً در سال ۱۹۶۵ بود که چندین شرکت ژاپنی بر روی تولید فرآیندها و کاربرد های جدید وسایل پیزوالکتریکی ، متمرکز شدند ، موفقیت تلاش محققین ژاپنی موجب شد تا محققین دیگر کشورها به سمت تحقیقات در ایران زمینه جذب شوند و امروزه ،نیاز ها و استفاده ها از این مواد در بسیاری از رشته ها از جمله  کاربردهای پزشکی ، ارتباطات ، کاربردای نظامی ، صنعت خودرو گسترش یافته است . بررسی تاریخچه ی پیزوالکتریسیته توسط W.G.cady انجام شده است و در سال ۱۹۷۱نیز کتابی با عنوان سرامیک های پیزوالکتریک منتشر شد که هنوز هم به عنوان یکی از منابع قوی در زمینه ی پیزوالکتریک ها مطرح است.

• اثر پیزوالکتریک :

اثر پیزو الکتریک به زبان ساده ، قابلیت برخی از مواد و کریستال هاست برای تبدبل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی است . تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل ( کوارتز ) تحت کشش یا فشار همان اثر پیزوالکتریک است .پلاریته پتانسیل دو وجه بلور در دو حالت تنش و کُرنش هم ارزند و هرچه میزان فشار کشش باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده به صورت خطی بیشتر خواهد شد . اثر معکوس پیزوالکتریک نیز در این معنی ، تغییر شکل  بلور میزان الکتریکی بین دو وجه روبروی آنها می باشد..

 

• اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس :

وقتی ماده پیزوالکتریکی تحت تأثیر مکانیکی ( به صورت انبساط یا انقباض ) قرار گیرد ،مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر می شود . این بار الکتریکی در اثر نامتقارن بودن سلول یکه واحد کریستال است که به تولید میدان الکتریکی و پتانسیل الکتریکی منجر می شود . به این اثر پیزوالکتریک مستقیم گویند . حال اگر در پی اعمال میدان الکتریکی با مقادیر گرانش مکانیکی و تغییرات مکانیکی در ساختار سرامیک مواجه شویم به این اثر پیزوالکتریک معکوس گویند . که هر دو اثر کاربردیهای متفاوت و فراوان دارند .

• ارتباط اثر پیزوالکتریک با ساختار مولکولی مواد:

اثر پیزوالکتریک با ساختار مولد ارتباط دارد . وقتی مرکز بارهای مثبت ماده اندک از مرکز بارها منفی فاصله بگیرد،یک دو قطبی حاصل می شود ، این پدیده در موادی رخ می دهد که ساختارهای بلوری آنها نامتقارن است . در برخی مواد با گشتاور  دو قطبی دائمیروبرو می شویم که نتیجه ای از عدم تقارن ذاتی در ساختار بلوری است. ولی در مواد دیگر برای ایجاد گشتاور دو قطبی باید کرنش مکانیکی پدید آورد . از سی و دو بلور ، چیست و یک عدد از آنها فاقد مرکز تقارن هستند . بیست عدد از آنها خاصیت پیزو الکتریک از خود بروز می دهند و ده تای دیگر برای نشان دادن گشتاور دو قطبی نیاز به کرنش مکانیکی دارند . وقتی فاصله بین بارهای مثبت و منفی بر اثر کرنش مکانیکی تغییر کند . میزان الکتریکی ناشی از دو قطبی تغییر می کند و بار روی الکترود  تغییر می کند . این فاصله را همچنین می توان یا اعمال میزان الکتریکی تغییر داده که به پیدایش کرنش مکانیکی منجر می شود . البته این اثر در بلور ها و سرامیک ها و ترکیب های دیگر متفاوت است و هر کدام دارای ویژگی های خاص خود می باشند که از این مختصر نمی گنجد .

 

• وابستگی مواد پیزو الکتریک به دما:

موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند اثرات پیزو الکتریک ( پیدایش بار الکتریکی به اثر گرمایش یکنواخت ) و فرو الکتریک (تغییر جهت دو قطبی بر اثر میزان الکتریکی ) نیز از خود بروز می دهند . چون گشتاور دو قطبی دائمی ممکن است حداقل دو جهت داشته باشد واکنشهای داخلی با ترکیب این جهت گیری متفاوت ممکن است به حداقل برسد . معمولاً حوزه های  ناحیه هایی که در آنها تمام دو قطبی ها در جهت خاصی سمت گیری می کنند یا جهت گیری های دو قطبی متفاوت تشکیل خواهد شد . موادی که گشتار دو قطبی دائمی دارند معمولاً در دماهایی با ساختار تقارنی بالاتر که فاقد گشتاور دو قطبی دائمی است گذر می کنند . این دما را نقطه کوری می نامند . وقتی دما به طرف نقطه کوری افزایش می یابد ، به شدت اثر پیزوالکتریک افزایش می یابد ، اثر پیزو الکتریک در انواع بسیاری از مواد ، از جمله تک بلورها سرامیک ها و بسپار ها و مواد مرکب دیده می شود . کوارتز یکی از متداول ترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی خوبی دارد . ثابت پیزو الکتریک آن d = 2.3X10^-12 و ثابت جفت شدگی آن K=0,1 است .

روابط ریاضی و محاسبات اثر پیزوالکتریک:

در ابتدا، با آزمایش های انجام شده توسط برادران کوری نشان داده شده که تراکم سطح به بارها ارتباط دارد و متناسب با فشار اعمال شده بوده و با آنحذف آن نیز ناپدید می شوند. این ارتباط را می توان در یک روش ساده اثر مستقیم پیز. الکتریک به شکل زیر فرموله کرد.

Pp = d T

که در آن Pp بردار قطبش پیزوالکتریک است که مقدار برابر بارهای مرتبط با تراکم سطح اثر پیزو الکتریک میباشد d در آن ضریب فشار پیزو الکتریک وT استرس است که به مواد پیزوالکتریک وارد شد.اثر غیر مستقیم پیزو الکتریک به روش مشابه بالا به صورت زیر توصیف میگردد.

Sp = d E

که Sp مقدار فشار و E میدان اعمالی میباشد.در حالت کلی با توجه به خواص الاستیک مواد ،اثر مستقیم و معکوس پیزو الکتریک می تواند به شرح زیر فرموله کرد.

D = Pp = d T =d c S = e S

Tp = c S p = cd E = eE

که c مقدار ثابت الاستیک، که مربوط استرس تولید شده است (T = C S) و ضریب انطباق تغییر شکل تولید شده توسط استفاده از تنش (S = S T) تعریف میگردد.

رفتار مکانیکی پیزو الکتریک ها بر اساس بردار قطبش مورد بررسی قرار گرفته وتوصیف میگردد. برای یک فشار یکنواخت مکانیکی کوچک، بردار قطبش بر حسب کرنش به صورت زیر نشان داده میشود.

(P)i = (e)ijk (S)jk

که در عبارت بالا (e)i jk تنسور پیزو الکتریک میباشد. و I,J ,K قابل گردش میباشند . با توجه به نظریه های مرسوم از خاصیت پیزوالکتریکی و کشش به صورت زیر جمع بندی میگردد. پیزو الکتریک یک رفتار ادغام شده با رفتار الکتریکی ماده است :

که در این جا D چگالی پلاریزه الکتریکی تغییر مکان یافته و ضریب نفوذ پذیری و E میزان الکتریکی است و همچنین قانون هوک به ما می گوید :

که در فرمول بالا S معرف کرنش یا فشار و s ( کوچک ) معرف میزان تأثیر کرنش و T معرف بار است . از ادغام دو فرمول مطرح شده در بالا می توان چنین نتیجه گرفت :

بردار تنش و قطبش و ضریب پیزو الکتریک www.mktop.ir

از ادغام این دو فرمول معادله ی بوجود می آید که به آن معاله ادغام شده کرنش – بار گویند . که در اینجا [d] ماتریسی برای بیان تأثیر اثر پیزوالکتریک مستقیم و ماترسی [+d] ماتریسی برای بیان تأثیر اثر پیزوالکتریک معکوس می باشد. اندیس Eیا صفر خواهد بود یا یک عدد ثابت خواهد بود و اندیس T هم یا صفر یا یک ثابت خواهد بود و اندیس t برای جابجایی ماتریس [d] می باشد.واحد های این فرمول به صورت روبرو می باشد.

به خاطر اینکه هم اثر مستقیم و هم غیر مستقیم را مدوله میکنیم باید از 6 بردار استفاده کنیم. ولی برای حالت محاسبه Dاز 3 بردار استفاده میگردد.

از طرفی معادلات اساسی کرنش – بار برای یک ماده از انواع کریستالی پیزو به شکل زیر می باشد.

البته معادلات بالا بیشتر برای بیان رفتار پیزوالکتریک نوشته می شوند و در یک فرم از نوشتار رفتار هستند معمولاً D و E هر دو یکسان هستند . در کل چهار ضریب یا عامل مشترک در پیزوالکتریک وجود دارد که به صورت زیر تعریف می شوند :

در جدول زیر ضریب اثر پیزو الکتریسیته (d₃₃) چند ماده به صورت نمونه آورده شده است که در آن ضریب d₃₃ برحسب ^C/_N(کولن بر نیوتن) تعریف شده است و ارتباط بین مقدار بارالکتریکی و تأثیر آن میزان بار بر نیروی بوجود آمده برحسب نیوتن می باشد و برعکس .

در حالت کلی برای محاسبات عناصر پیزو (یه عنصر پرکاربرد) zno-pzt-quartz موارد تنسوری به صورت زیر خواهد بود.

 

• انواع موادی که اثرپیزوالکتریک دارند :

الف ) کریستال های طبیعی : پیزو الکتریک فرمول های و کاربرد    (piezo electric)

• (ALPO₄) Berlinite : یک ماده معدنی فسفات و کمیاب است که ساختاری همانند کوارتز دارد .

• Cane Sugar (نیشکر) : کانی شکر می تواند از خود خاصیت پیزو الکتریک بروز دهد . البته این کانی انواع مختلفی دارد.

• Quartez (کوارتز) : شرح آن در صفحات بعدی آمده است .

• نمک راچل (Rachelle Salt) :

• Topaz (یاقوت زرد ، زبرجد هندی)

• کهربا از گروه کانی ها

معرفی نمک راچل Rachelle Salt: پتاسیم سدیم تارترات (Potassium sodium tartrate tetrahydrate) با نام های Potassium sodium tartrate; Rochelle salt; Seignette salt و فرمول شیمیایی KNaC4H4O6.4H2O دارای جرم مولی 282.22 g/mol و PH بین 6.5 تا 8.8 می باشد.

 

نمک راشل همانند نمک خوراکی به صورت سفیدرنگ می باشد.در میکروفون های کریستالی(میکروفون کریستالی از یک نوار نازک از مواد پیزوالکتریک متصل به دیافراگم استفاده می کند) از پتاسیم سدیم تارتات به علت ایجاد خروجی بالا استفاده می شودنمک راشل همانند نمک خوراکی به صورت سفیدرنگ می باشد.در میکروفون های کریستالی(میکروفون کریستالی از یک نوار نازک از مواد پیزوالکتریک متصل به دیافراگم استفاده می کند) از پتاسیم سدیم تارتات به علت ایجاد خروجی بالا استفاده می شود

ب ) مواد طبیعی دیگر :

• Tendon (تاندون هایبدن) : تاندون گروه خشن از بافت لیفی همبند است که معمولاًٌ عضلات را به استخوان مرتبط می کند و قادر به تحمل تنش هستند .

• Silk (ابریشم) الیاف ابریشم یک نوع پروتیین است که ساختار میکروسکوپی مثلثی شکل دارد .

• برخی از چوب ها

• Enamel (مینای دندان) : سخت ترین قسمت دندان مینای دندان است .

• Dentine (عاج دندان) : در زیر مینای دندان عاج دندان قرار دارد که هفتاد درصد از دندان متشکل شده از Hydroxylapatite معدنی و بیست درصد مواد آلی و ده درصد هم آب است .

• توضیحات ساختار پرسکیت (ABD₃) : ساده ترین آرایش اتمی است که در آن اتم ها اکسیژن در حالت اکتاهدرال قرار دارند و اتم های کوچکتر (…., Nb ,Sn , Zr , ti) به صورت مربعی با اتم های اکسیژن پیوند خورده اند . این کاتیون های کوچکتر فضای اکتاهدرال مرکزی را اشغال کرده اند (موقعیت های B) و کاتیون های بزرگتر (…, Na , C , Sr , Ba Pb)در گزینه های سلول واحد جای می گیرند . (موقعیت های A) ترکیباتی مانند : KNbo₃ , NaNbo₃ , PbZrO₃ , PbTio₃ , Batio₃ مورد مطالعه قرار گرفته اند و طول دمای فرو الکتریکی آنها و فازهای غیر غیر فرو الکتریکشان به صورت وسیع استخراج شده اند . این ساختارها همچنین بوسیله اتم های مختلف جانشین شده تغییر می کند که موجب ترکیب های پیچیده تری مانند : (Ba , sr) Tio3 , (K1b1) Tio3 , Pb(Fe , Ta) o3  و (۲ro ti) o3 و ……. می شود .

ج ) کریستال های مصنوعی :

• گالیوم اُرتوفسفات (GaPO₄) : که به کریستال کوارتز آنالوگ نیز معرف است .

• لانگاسیت (La₃Ga₅SiO₁₄) : به کریستال کوارتز آنالوگ نیز معروف است .

د) سرامیک های مصنوعی :

این خانواده از سرامیک ها دارای ساختار pervoskite یا tungsten – bronze  هستند .

• باریوم تیتانیوم (BaTiO₃) : که اولین سرامیک کشف شده با اثر پیزو الکتریک بود .

• تیتانات سرب (PbTiO₃) :

• تیتانات زیرکونات سرب (Pb[Zr_xTi_1−x]O₃ 0≤x≤۱) : که بیشتر به PZT معروف است

و یکی از سرامیک های پرکاربرد امروزی محسوب می شود .

• نیوبیت پتاسیم (KNbO₃)

• نیوبیت لیتیوم (LiNbO₃)

• سدیم تنگستات (Na₂WO₃)

• Ba₂NaNb₅O₅

• Pb₂KNb₅O₁₅

• سدیم پتاسیم نیوبیت (NaKNb) : بررسی دقیق تر نسبت به پیزو سرامیک های سرب در سال ۲۰۰۴ منجر به کشف خواص NaKNb شد که بسیار شبیه به PZT عمل می کند .

• بیسموت فریت (BiFeO₃) : این نوع سرامیک بهترین گزینه برای جایگزینی به جای سرامیک های سرب می باشد .

• سدیم نیوبیت (NaNbO₃)

• توضیحات ساختار بلوریPervoskit  : این ساختار شبیه کریستال هایی است که دارای اتم مرکزی اکسیژن هستند مانند اکسید تیتانیوم کلسیم که ساختار آنها به شکل ^XIIA^2+VIB⁴⁺X²⁻_۳ می باشد.

• 

هـ ) پلیمرها :

• پلی واینی لیدین فلوراید PVDF)) مستندات خاصیت پیزو الکتریسیته در این نوع پلی مر چندین با بیشتر از کواتز است . در پلی مرها مولکول های در هم تنیده شده هنگامی که در اثر میدان الکتریکی قرار می گیرند همدیگر را جذب یا دفع می کنند. در یک بررسی به این نتیجه رسیدند که طول عمر مواد سرامیکی کمتر از مدار کریستالی تک بلوری است در نتیجه سنسورهایی که با سرامیک ساخته می شود از عمر کمتری برخوردارند و بعد از مدتی از دقت آنها کاسته می شود .

• 

• کاربرد های پیزو الکتریک :

با کشف مواد جدید که خاصیت پیزو الکتریک در شرایط متفاوت تولید می کنند عرصه ی کاربرد های پیزو الکتریک روز به روز دچار تغییر می شود و رو به پیشرفت است . برخی از کاربرد های این اثر در زیر آمده است :

• به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهیج یا فرکانس ، شتاب سنج ها و …)

• به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی و برعکس (در دیسک های صوتی ، گرامافون های قدیمی ، میکروفن ،بلندگو ، زنگ اخبار و …)

• کنترل امواج الکتراسونیک AE در دریافت و انتقال امواج الکتراسونیک

• در تولید ولتاژ و جرقه با ولتاژ بالا (جرقه)

• در تولید بیوسنسورهای پزشکی

• در تولید میکروبات های ریز و موتور های در مقیاس کوچک

• استفاده از نانوذرات پیزو الکتریک ( نانوذرات سرامیک های خاص ) در ایجاد خواص الکتریکی یک سطح . در ادامه به توضیح چگونگی به کار بردن اثر پیزو الکتریک در برخی از کاربرد های مهم صنعتی و پزشکی به صورت اجمال می پردازیم .این کاربرد ها هر روز در حال گسترش بوده و روش ها ی جدید و بدیع هر روزه ایجاد میگردد.

سرامیک های پیزوالکتریک به عنوان حسگر

در سرامیک های پیزو که بعنوان حسگر (سنسور) یا مولد ولتاژ بکار برده می شود عموما از اثر مستقیم پیزوالکتریک (تبدیل مستقیم فشار به ولتاژ) استفاده می شود.

 برای افزایش بازدهی این سرامیک ها معمولا آن هارا بصورت دیسک یا صفحات نازک با قطر کم (معمولا 0.15 تا 30 میلی متر)  می سازند تا اثر فشار بر آن ها بیشترین بازدهی در تولید ولتاژ را داشته باشد. البته از این سرامیک ها بدلیل داشتن فرکانس تشدید بالا که تا رنج مگاهرتز هستند برای تولید نوسانات مکانیکی با فرکانس بالا نیز استفاده می شوند. تولید بخار آب سرد از نمونه ساده کاربرد این پیزوها می باشد

 سرامیک های پیزوالکتریک به عنوان مولد امواج التراسونیک

یکی از کاربرد های وسیع پیزوالکتریک در تولید امواج فراصوت (التراسونیک)می باشد که کرابرد های وسیع آن به می توان به :سونار، شوینده های فراصوت، ترنسدیوسرهای پیزو و موتورهای التراسونیک پیزو اشاره کرد.با اعمال پالس های الکتریکی به سرامیک های پیزو این سرامیک ها شروع به نوسان می کنند و قادر به تولید امواج فراصوت می باشند.

 هرچه فرکانس پالس اعمال شده به فرکانس سرامیک بیشتر باشد دامنه نوسان بیشتر خواهد بود. در صورتی که فرکانس طبیعی در محدوده فراصوت یا بیشتر باشد می توان از آن جهت کاربرد های التراسونیک استفاده کرد. استفاده از پیزوهای رینگی و صفحه ای در کاربردهای فراصوت رایج است.

سرامیک های پیزو به عنوان عملگر

تنوع سرامیک های پیزوالکتریک از لحاظ کاربرد، تکنولوژی ساخت و شکل ظاهری در سرامیک های پیزو که به عنوان عملگر استفاده می شود بیشتر است. از اثر معکوس پیزوالکتریک (تبدیل ولتاژالکتریکی به جابجایی مکانیکی) در عملگرهای پیزو بهره گرفته می شود.برای افزایش بازده عملگرهای پیزو تغییراتی در شیوه ساخت آن ها اعمال شده است. از انواع عملگرهای پیزو می توان به:عملگرهای خمشی، عملگرهای چندلایه یا استک و عملگرهای سیلندری یا پیزوتوب اشاره کرد.

• • کاربرد های سرامیک مهندسی برق :

  بسیاری از دستگاه های الکترونیکی مهمی که امروزه توسط مردم مورد استفاده قرار می گیرند ، بدون وجود سرامیک ممکن نخواهد بود . تحقیق جدیدی که در مجله انجمن سرامیک آمریکا چاپ شده است ، کاربرد مواد سرامیکی در توسعه ی دستگاه های تکنولوژیکی مانند ارتباط سیار تصویر برداری فراصوت نشان می دهد.

   با توجه به پژوهش های مرکز برق الکترونیک و کامپیوتر ایران (الکترونیوز) و به نقل از ساینس دیلی و محققین به رهبری پالت مورالت از موسسه ی تکنولوژی فدرال سوئیس ، محدوده مواد سرامیکی را مرور کرده و نقش حیاتی را که مواد پیزو الکتریک در پیشرفت تکنولوژی باز می کنند ، مورد بررسی قرار دارند. مواد پیزو سرامیک نقش ویژه ای را در ارتباطات سیار و راه دور و تصویر برداری فراصوت بازی می کنند چرا که این قابلیت را دارند که به شکل کارآمدی نوسانات مکانیکی در هر بُعد را به سیگنال های الکتریکی تبدیل نمایند .

  این تکنولوژی و اثر در ترکیب با صفحات پیزو الکتریک ( پیزو – MEMS) منجر به کسب مزایای مهمی می شود خاصیت پیزو –MEMS مبتنی بر صفحات AIN که از تحویل ایجاد شده در تکنولوژی تلفن همراه ناشی می شود . امکان ایجاد تلفن های همراه کوچک تر و کاهش شدت تشعشع مایکرو ویو را فراهم می سازد که در این بین PZT نوید بخش استفاده انبوه از این خاصیت در حجم انبوه را خواهد داشت . انتظار می رود کههدهای جوهر افشان پرینتر که دارای کیفیت بسیار بالا می باشند ، گام بزرگ بعدی در پیزو- MEMS باشند .

  استفاده از  PZT MEMSدر سنسورهای حرکتی ، سنسورهای لرزشی ، و آینه های نوری ، درایوهای گرداننده ی ساعت مچی و … را امکان پذیر می سازد .کاربردهای بسیار دیگری ، مانند مهار انرژی ، سیستم های نوسانی برای ساعت ها ، آرایه های آینه ای ، و اسکنرها” را میتوان برشمرد.

  موتور پیزو الکتریکpiezo  :

  موتور پیزو الکتریک یا پیزو موتور یک نوع از مورهای الکتریکی است که بر پایه ی تغییر شکل ماده ی پیزو الکتریک هنگامی که در میدان الکتریکی قرار می گیرد کار می کند . در پیزو موتور از اثر پیزو الکتریک معکوس به منظور تبدیل انرژی الکتریکی به ارتعاشات آلوستیک یل تولید حرکت خطی یا دورانی که به ساختار موتور مربوط است ، استفاده می شود . در این مکانیزم حرکتی بر اثر کشیدگی های پی در پی و انتقال این کشیدگی به قسمت دیگر حرکت بوجود می آید ، به این شکل که در این تکنیک حرکتی سرامیک پیزو الکتریک را استاتور قرار می دهند این تکنیک حرکتی شبیه به حرکت کرم ابریشم است .به طور کلی موتور پیزوالکتریکی (piezoelectric motor) یا پیزو موتور (piezo motor) نوعی موتور الکتریکی (electric motor) است که بر اساس تغییر شکل ماده پیزو‌الکتریک در اثر اعمال میدان مغناطیسی عمل می‌کند. موتور‌های پیزوالکتریک از اثر پیزوالکتریک معکوس استفاده می‌کنند که به موجب آن برای تولید یک حرکت خطی یا دوار، ماده ارتعاشات صوتی و یا مافوق صوت تولید می‌کند.

• 

• طرح‌های فعلی موتور‌های پیزوالکتریکی : موتور‌ها در دو نوع خطی و دوار ساخته می‌شوند. یکی از روش‌های راندن، هل دادن یک استاتور با استفاده از سرامیک‌های پیزوالکتریک است. این موتور‌های پیزوالکتریک از سه گروه کریستال استفاده می‌کنند که دو تا از آن‌ها قفل‌شونده (Locking) و یکی محرک (Motive) است و برای ایجاد حرکت به صورت دایمی به محفظه موتور و یا استاتور (نه هر دو) متصل و بین این دو ساندویچ شده‌اند. این موتور‌های پیزوالکتریک اساسا موتور‌های پله‌ای (stepping motors) هستند که بر حسب نوع قفل هر پله شامل دو یا سه کنش می‌شود. مکانیزم دیگر برای تولید حرکت خطی یا دورانی از امواج صوتی سطحی (surface acoustic waves) یا SAW استفاده می‌کند.

  

• piezoelectric motor موتور پیزو الکتریک www.mktop.ir

  برای توضیح بیشتر اینکه معمولاً تحت نام های تجاری “Enehworm” یا “Pizo walk” موتور شهرت دارند . این موتور ها پیزو الکتریک شامل سه بخش اساسی در ایجاد حرکت کرمی شکل هستند . دو تکه کریستال که نقش قفل کننده بر روی قسمت متحرک را دارند و یک تکه کریستال دیگر که نقش حرکت دهند را ایفا می کند . در واقع ابتدا یک کریستال بر روی قسمت متحرک (که قرار است حرکت داده شود) قفل می شود و در مرحله دوم انقباض کریستال دوم صورت می گیرد که باعث حرکت در راستای اصلی می شود و در مرحله سوم قفل باز می گردد . این حرکت توسط سه کریستال به طور مداوم در حال تکرار است در اصل این یک حرکت خطی محسوب می شود اما می توان با طراحی موتور در شکل های خاص این حرکت خطی را دورانی مبدل کرد .  روش راندن دوم توسط موتور اسکویگل (Squiggle motor) انجام می‌شود که در آن عناصر پیزوالکتریک به صورت قطری به یک مهره پیوند می‌خورند و ارتعاشات اولتراسونیک آن‌ها به چرخش یک پیچ رانش مرکزی ترجمه می‌شوند. این یک مکانیزم درایو مستقیم است.مکانیزم قفل کردن :در موتور پیزوالکتریک نوع اول، رفتار بدون برق به یکی از این دو صورت انجام می‌شود:

  -نرمال قفل (Normally Locked)

  -نرمال آزاد (Normally Free).

  زمانی که هیچ برقی به یک موتور نرمال قفل اعمال نمی‌شود، اسپیندل (spindle) در انواع دوار یا حامل (carriage) در انواع خطی تحت نیروی خارجی حرکت نمی‌کند. برای یک موتور به طور نرمال آزاد، اسپیندل یا حامل به صورت آزاد تحت نیروی خارجی حرکت خواهد کرد.ترکیبی از چفت‌های مکانیکی و کریستال‌ها می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد، اما باعث محدود شدن بیشینه نرخ پله موتور می‌شود. در موتور نوع دوم زمانی که پیچ راننده توسط رزوه‌های مهره قفل شود، رفتار بی برق آن به صورت قفل می‌شود و بنابراین موقعیت خود را با قدرت خاموش حفظ می‌کند.رشد و تکامل کریستال های پیزو الکتریک در صنعت به خوبی در حال توسعه می باشد . بازده اعوجاج بسیاریکنواخت و مدوام با توجه به اختلاف پتانسیل های دقیق را می توان ایجاد کرد . تولید کنندگان ادعا می کنند که در گام های بعدی در پی تولید موتور های پیزو الکتریک در مقیاس نانو متر هستند . میزان پاسخ بالا و اعوجاج سریع کریستال ها اجازه می دهد تا مراحل پیشرفت را تا فرکانس های بالا تنیده ساخته شود ، در حدود بیش از ۵ مگاهرتز به این ترتیب سرعت خطی حرکت حدود ۵۰۰ میلی متر در هر ثانیه یا نزدیک به ۹/۲ کیلومتر بر ساعت خواهد بود .

حسگر پیزوالکتریک :

 (به انگلیسی: piezoelectric sensor) حسگری است که براساس اثر پیزوالکتریک عمل می‌کند. پیزوالکتریک پدیده ای است که در صورت اعمال تنش مکانیکی روی ماده ، برق تولید می شود. سنسوری که از اثر پیزوالکتریک استفاده می کند، برای اندازه گیری تغییرات فشار، شتاب، دما، کشش و نیرو با تبدیل آنها به بار الکتریکی ، سنسور پیزوالکتریک نامیده می شود. پیشوند پیزو در زبان یونانی به معنای «پرس» یا «فشار» است.

حسگرهای پیزوالکتریک ابزاری متنوع برای اندازه‌گیری فرایندهای مختلف هستند. آنها برای تضمین کیفیت، کنترل فرایند و تحقیقات و توسعه در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. پیر کوری اثر پیزوالکتریک را در سال ۱۸۸۰ کشف کرد، امّا تنها در دهه ۱۹۵۰ تولیدکنندگان شروع به استفاده از اثر پیزوالکتریک در کاربردهای سنجش صنعتی کردند. از آن زمان، این اصل اندازه‌گیری به‌طور فزاینده‌ای مورد استفاده قرار گرفته و به یک فناوری تکامل یافته و با قابلیت اطمینان ذاتی عالی تبدیل شده‌است. آنها با موفقیت در کاربردهای مختلفی از جمله در پزشکی، هوافضا، ابزار هسته‌ای و به عنوان یک حسگر شیب در لوازم الکترونیکی مصرفی یا یک حسگر فشار در لنت‌های لمسی تلفن‌های همراه استفاده شده‌اند. در صنعت خودرو از عناصر پیزوالکتریک برای نظارت بر احتراق هنگام توسعه موتورهای احتراق داخلی استفاده می‌شود. این حسگرها مستقیماً در سوراخ‌های اضافی در داخل سیلندر سوار می‌شوند یا شمع جرقه/ شمع گرم‌کن به یک حسگر پیزوالکتریک مینیاتوری داخلی مجهز شده‌است.

 سنسورهای فشار پیزو الکتریک :

برای اندازه‌گیریِ فشار دینامیک استفاده می‌شوند. اندازه‌گیری فشار دینامیک شامل توربولانس، احتراق موتور و غیره می‌شود. تغییرات فشار در مایع‌ها و گازها در اندازه‌گیریِ فشار سیلندر و فرآیند هیدرولیک را می‌توان با استفاده از اعمال نیرو به دیافراگم پیزوالکتریک اندازه‌گیری کرد؛ با اعمال نیرو، در دو سر کریستال بار الکتریکی تولید می‌شود. خروجی به صورت ولتاژ اندازه‌گیری می‌شود که با فشار اعمالی تناسب دارد.

سنسورهای فراصوت، :

موج‌های فراصوت تولید می‌کنند. وقتی فرستنده و گیرنده در یک دست قرار گرفته است، جایگاه آن تغییر کرده و موج فراصوت از بخش‌های بدنی که باید تحلیل و تجسم شوند عبور می‌کند. موج‌های صوتی از بافت بدن ارسال می‌شوند. موج‌ها منعکس شده و تصویری از بافت ایجاد می‌شود. این اصول کار یک سیستم تصویر‌برداری فراصوت است. در اینجا، کریستال‌های پیزوالکتریک به قسمت جلویی فرستنده/گیرنده متصل است که کمک می‌کند موج‌های فراصوت تولید شوند. الکترودهایی نیز به عنوان گره اتصال بین کریستال‌ها و ماشین وجود دارد. وقتی سیگنال الکتریکی به کریستال اعمال می‌شود، به دلیل ویبراسیون، موج فراصوتی با فرکانس‌های بین ۱٫۵ و ۸ مگاهرتز تولید می‌کند

خاصیت پیزوالکتریک یک خاصیت دو طرفه می‌باشد به این معنا که با اعمال میدان الکتریکی به ماده‌ی پیزوالکتریک، باعث تغییر شکل ساختار ماده و در نتیجه تولید حرکت می‌گردد، همچنین بالعکس با اعمال نیرو روی آن، باعث ایجاد ولتاژ می‌گردد. لذا از این خاصیت مواد پیزوالکتریک در ساخت عملگرها و سنسورها استفاده می‌شود.

سنسورهای پیزوالکتریک MEMS

، سیستم‌های الکترومکانیکی هستند که به تنش واکنش نشان می‌دهند. اینگونه سنسورها نیروهای اعمالی و کرنش‌های مکانیکی را به سیگنال‌های الhttp://mktop.ir/%d8%b3%d9%86%d8%b3%d9%88%d8%b1%d9%87%d8%a7%db%8c-%d9%be%db%8c%d8%b2%d9%88-%d8%a7%d9%84%da%a9%d8%aa%d8%b1%db%8c%da%a9-%d9%81%d8%b1%d9%85%d9%88%d9%84-%d9%87%d8%a7-%d9%88-%da%a9%d8%a7%d8%b1%d8%a8%d8%b1/کتریکی تبدیل می‌کنند. سپس این سیگنال بوسیله‌ی یک مدار الکترونیکی تقویت شده و آماده‌ی نمایش می‌گردد.سنسورهای پیزوالکتریک برای محاسبه‌ی فشار دینامیکی، نیرو، کرنش، شتاب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از سنسورهای پیزوالکتریک در کاربردهای متنوعی مانند پزشکی، هوافضا، تجهیزات هسته‌ای، تیلت سنسورها در الکترونیک، سنسورهای فشاری در صفحات لمسی موبایل، صنایع اتومبیل، همچنین از المان‌های پیزوالکتریک در احتراق (موتورهای احتراق داخلی) استفاده می‌شود. این سنسورها به طور مستقیم به سوراخ‌های اضافی به سرسیلندر متصل می‌شوند و یا پلاگین جرقه که با سنسور پیزوالکتریک مینیاتور ساخته شده است.

مقایسه سنسور پیزو الکتریک و دیگر سنسور ها 

سنسورهای پیزوالکتریک دارای فرکانس طبیعی بسیار بالایی می‌باشند و در بازه‌ی دامنه‌ی وسیعی خطی است. همچنین تکنولوژی پیزوالکتریک به میدان الکترومغناطیسی و تابش حساس نیستند و در شرایط سخت قادر به اندازه‌گیری می‌باشند. موادی که در ساخت اینگونه سنسورها استفاده می‌شود، در دماهای بالا بسیار پایدار هستند بنابراین قادرند در دماهای بالا تا 1000 درجه سانتیگراد…………..

امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت ادامه مطلب ،روشها و فرمولهای مربوطه و… به صورت کامل  WORD + PDF  به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید. این مقاله 41 صفحه بوده و براساس سیستم پایان نامه نویسی تنظیم شده است.

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

قیمت: 25000 تومان