شستی پیزوالکتریک یا خازنی چیست؟

لغت پیزوالکتریک از واژه‌‌های یونانیِ پیزو (Piezo) به معنای فشار یا  فشردن و الکتریک (Electric) به معنی کهربا یا برق (منبعی از بار الکتریکی) گرفته شده است. واژه‌ی پیزوالکتریک به معنای الکتریسیته‌ای ناشی از فشار است. پیزوالکتریک یعنی حضور پتانسیل الکتریکی در دو سر یک کریستال، وقتی که با فشردن آن، یک فشار مکانیکی به آن وارد می‌شود.

در سیستم واقعی، کریستال مانند یک باتری کوچک عمل می‌کند و در یک سمت دارای بار مثبت و در سمت دیگر دارای بار منفی است. برای کامل شدن مدار، دو طرف به هم وصل شده و جریان از آن عبور می‌کند. در واقع پیزوالکتریک‌ها موادی است که در صورت به کار بردن فشار یا تنش به آنها، بار الکتریکی در سطوح خاصی از آنها ظاهر می‌شود.

این پدیده، اثر پیزوالکتریک مستقیم نام دارد که یک فرآیند قابل‌ برگشت است. یعنی به‌طور معکوس هرگاه ماده‌ای با این خاصیت، در یک میدان الکتریکی واقع شود، ابعاد آن تغییر می‌کند. در صورت وارون شدن جهت اعمال تنش یا فشار، جهت قطبش بارهای الکتریکی نیز معکوس می‌شود. با فشرده کردن یک ماده پیزوالکتریک، الکتریسیته (پیزوالکتریسیته) تولید می‌‌کند.

در پیزوالکتریک انرژی ها به یکدیگر تبدیل می شوند، به همین دلیل می توان از آن به عنوان سنسور (حسگر) بسیار حساس استفاده کرد. این ویژگی به آنها اجازه می دهد به عنوان حسگرهای مکانیکی عمل کنند. به خاطر این که آنها در پاسخ به فشار مکانیکی جریان الکتریکی تولید می کنند. در پیزوالکتریک ها، تغییرات فشار باعث تولید ولتاژ و تغییر آن می شود. به عبارت دیگر ضربات وارد شده ناشی از فشار باعث تولید ولتاژ می شوند.

* تاریخچه

در سال 1880 دو برادر و دانشمند فرانسوی، «ژاک کوری» (Jacques Curie) و «پیر کوری» (Pierre Curie) اثر پیزوالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) را کشف کردند. آنها با آزمایش های خود و شناخت ساختار کریستالی، رفتار کریستال های پیزو الکتریک را پیش بینی کردند. نتایج آزمایش های این دو نفر موجب شد تا اطلاعات زیادی در مورد کریستال هایی همچون: کانی شکر، کوارتز، تورمالین، نمک راچل و غیره به دست بیاید. برادران کوری برای اولین بار فهمیدند که فشار وارد شده به کوارتز یا حتی برخی از بلورهای خاص باعث ایجاد بار الکتریکی در آن ماده خاص می‌‌شود. این پدیده ی عجیب و علمی بعدها به عنوان «اثر پیزوالکتریک» شناخته شد.

 آنها بلافاصله اثر پیزوالکتریک معکوس را نیز کشف کردند. آنها دریافتند که به کار بردن میدان الکتریکی به سطوح بلور منجر به تغییر شکل و بی‌‌نظمی سطح آن می‌‌شود. این پدیده که برعکس اثر پیزوالکتریک مستقیم است، اثر پیزوالکتریک معکوس نامیده می‌‌شود. در طول دهه های بعدی نیز تحقیقات زیادی در این زمینه انجام گرفت. لانگوین ات آل” شخصی بود که در طول جنگ جهانی اول موفق به ساخت مبدل التراسونیک پیزوالکتریکی شد. این موفقیت او موجب شد تا از مواد پیزوالکتریکی در کاربردهای زیر آبی استفاده شود.

امروزه، پیزوالکتریسیته در بسیاری از وسایل الکترونیکی کاربرد دارد. مثلاً زمانی که از چند نوع نرم‌‌افزار تشخیص صدا یا حتی سیری (Siri) روی گوشی هوشمند استفاده می‌‌شود یا زمان استفاده از یک میکروفون، ممکن است از پیزوالکتریسیته استفاده ‌‌شود. در حقیقت، بلور پیزو، انرژی صوتی صدا را تغییر می‌‌دهد و آن را به سیگنال‌‌های الکتریکی تبدیل می‌‌کند تا برای کامپیوتر یا تلفن همراه قابل فهم باشد.

تمام این کارها با پیزوالکتریسیته امکان پذیر است. همچنین 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 ارز بوده و هر چقدر میزان فشار کشش باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده به صورت خطی  نیز بیشتر خواهد شد. اثر معکوس پیزوالکتریک نیز در این معنی، تغییر شکل بلور میزان الکتریکی بین دو وجه روبروی آنها است

مواد دارای پیزوالکتریک :

مواد پیزوالکتریک به موادی گفته می شود که به واسطه ی فشار مکانیکی، می‌‌توانند الکتریسیته تولید کنند. همچنین هنگامی که اختلاف پتانسیل الکتریکی (الکتریسیته) به آنها وارد می‌‌شود، شکل این مواد عوض می شود. مواد بسیاری وجود دارند که به صورت طبیعی و ذاتی و یا به دست بشر این خاصیت را دارند.

تمام مواد پیزوالکتریک نارساناست و می‌‌توان آنها را به در دو گروه بلورها و سرامیک‌‌ها جدا کرد. سرامیک های پیزوالکتریک، پلیمرهای پیزوالکتریک و کامپوزیت های پیزوالکتریک سه نوع ماده پیزوالکتریک است که به طور عمده در عمل استفاده می شوند.

نمک راشل با نام علمی پتاسیم سدیم تارترات که در میکروفن های قدیمی استفاده می شد خاصیت پیزوالکتریک دارد. کوارتز و یا كوارتز كريستالی، در انواع كريستال طبيعی با كيفيت بالا و حتی تغيير يافته آن، از جمله مهمترين مواد پيزو‌الكتريک مورد دسترس، حساس و پايدار است.

از دیگر مواد طبیعی دارای اثر پیزوالکتریک می توان به: پروتیین های حیاتی، برلینیت، نیشکر، زبرجد هندی، مواد معدنی گروه تورمالین، مواد طبیعی (استخوان، تاندون، ابریشم، چوب، مینای دندان، عاح دندان). کریستال های دست ساز ( گالیم ارتوفسفاته، لانگاسیت )، سرامیک های دست ساز(تیتانات باریم، سرب تیتانات، تیتانات زیرکونات سرب، نیوبات پتاسیم، نیوبات لیتیم ، لیتیم تانتالات، سدیم تنگستات، این مواد مصنوعی، اثر قابل توجهی نسبت به کوارتز و سایر مواد پیزوالکتریک طبیعی دارند. 

این ماده از دو عنصر شیمیایی سرب و زیرکونیوم و یک ترکیب شیمیایی به نام تیتانات در دماهای بالا ساخته و تولید می‌‌شود. معمولاً برای ساخت مبدل‌‌های فراصوت، خازن های سرامیکی و سایر سنسورها و محرک‌‌ها از PZT استفاده می شود.) پیزوسرامیک‌های بدون سرب (نیوبات پتاسیم سدیم ، بیسموت فریت، نیوبات سدیم) و پلیمرها اشاره کرد.

اثر پیزوالکتریک (Piezoelectric Effect) :

اثر پیزوالکتریک یک فرآیند قابل‌ برگشت است، قابلیت برخی از مواد و کریستال هاست برای تبدبل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی. مثلاً، وقتی که در ساختار استاتیک کریستال های تیتانات حدود 0.1 درصد تغییر شکل ایجاد شود، اثر پیزوالکتریک قابل توجهی تولید می کنند. در مقابل، همین کریستال های مشابه، هنگامی که در معرض یک میدان الکتریکی قرار گیرند، ساختار آنها حدود 0.1 درصد تغییر می کند.

 اثر پیزوالکتریک معکوس در تولید امواج فراصوت، در بسیاری از برنامه های کاربردی که شامل تولید و تشخیص صدا، تولید ولتاژ بالا، تولید فرکانس الکترونیکی، عدم تعادل میکرو، تکنیک های علمی ابزار با وضوح اتمی، مانند میکروسکوپ پروب اسکن، در برنامه های روان شناختی، در منبع اشتعال برای فندک های سیگار، استفاده می شود.

اثر پیزوالکتریک به دلیل تولید الکتریسیته، همانند یک باتری کوچک عمل می‌‌کند (اثر پیزوالکتریک مستقیم). در میکروفون ها، حسگرهای فشار، هیدروفون‌‌ها و بسیاری از دیگر انواع وسایل حسگر، از اثر پیزوالکتریک مستقیم استفاده می‌‌شود.

- در زیر به توضیح چند نمونه می پردازیم

- تحلیل‌گر فشار مکانیکی:

زمان ساخت سازه ها، تحلیلگر فشار برای ستون‌ها به کار می رود و در آن ولتاژ تولیدی توسط فشار اندازه‌گیری شده و فشار مربوطه محاسبه می‌شود.

- فندک:

در فندک های با سوخت گاز و فندک‌های سیگار از اثر پیزوالکتریک استفاده می‌شود. نیرویی توسط ماشه بر روی ماده‌ی داخلی به کار گرفته شده و یک پالس الکتریکی تولید می‌شود.

* اثر پیزوالکتریک معکوس

اثر پیزوالکتریک می‌‌تواند به صورت برعکس نیز رخ دهد. زمانی که یک میدان الکتریکی بر روی ترمینال‌های کریستال اعمال می‌شود، فشار مکانیکی احساس شده و شکل آن تغییر می‌کند. در واقع، می‌‌توان با اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی به بلور پیزوالکتریک، آن را منقبض یا منبسط کرد، در این صورت، انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می‌‌شود. مثلاً در بسیاری از کاربردها، مانند نشانگر دنده‌ی عقب خودرو، کامپیوترها و غیره، از زنگ استفاده می‌شود.

مقدار مشخصی ولتاژ با دامنه و فرکانس مشخص به کریستال اعمال می‌شود و باعث می‌شود کریستال بلرزد. این ویبراسیون به صدا تبدیل می‌شود. استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس می‌‌تواند به توسعه ابزاری کمک کند که امواج صوتی تولید می‌‌کنند. بلندگوها یا زنگ اخبارها، نمونه‌‌هایی از ابزار صوتی پیزوالکتریک است.

مزیت چنین بلندگوهایی این است که بسیار نازک بوده و باعث می‌‌شوند در گستره‌‌ تلفن‌‌ها مورد استفاده قرار گیرند. در مبدل‌‌های فراصوت پزشکی و سونار (ردیاب صوتی) نیز از اثر پیزوالکتریک معکوس استفاده می‌‌شود. موتورها و محرک‌‌ها نیز از جمله ابزارهای غیرصوتی است که در آنها اثر پیزوالکتریک معکوس از اهمیت بالایی برخوردار است.

کاربرد پیزوالکتریک :

در چند سال گذشته، کاربرد مواد پیزوالکتریک بیشتر در سنسور، مبدل و محرک دیده می شد. پیزوالکتریک در ساخت سنسورهای مختلفی از جمله: هوا و فضا، بالستیک، بیومکانیک، تست موتورها، مهندسی، صنعت و کارخانه ها کاربردی است. در عصر جدید بیشترین کاربرد پیزوالکتریک ها در صنعت است.

همچنین تقاضای زیادی در زمینه های پزشکی، اطلاعات و ارتباطات وجود دارد. بزرگترین گروه برای دستگاه های پیزوالکتریک، پیزوکریستال ها و پیزوپلیمرها است و به خاطر وزن کم و اندازه کوچک که در حال رشد است. پیزوالکتریک کاربردهای دیگری مانند تولید و تشخیص صدا، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الکترونیکی، میکروبالانس ها و نازل مافوق صوت نیز دارند.

پیزوالکتریک در استفاده های روزمره مانند: منبع احتراق فندک و ساعت های کوارتز، در تولید ولتاژ و جرقه با ولتاژ بالا (جرقه)، در تولید بیوسنسورهای پزشکی، در تولید میکروبات های ریز و موتورهای در مقیاس کوچک، استفاده از نانوذرات پیزو الکتریک در ایجاد خواص الکتریکی یک سطح، سونار، محرک‌‌های پیزوالکتریک و درایورهای پیزو کاربرد دارد. 

مبدل پیزوالکتریک :

وسیله‌ای که یک نوع انرژی را به نوع دیگر تبدیل می‌کند، مبدل پیزوالکتریک نام دارد. کاربرد مبدل‌های پیزوالکتریک در تست‌های غیر‌ مخرب و در بسیاری از موارد که نیاز به اندازه‌گیری دقیق در حرکت یا نیرو دارند، است. در مبدل پیزوالکتریک، اثر پیزوالکتریک به صورت برعکس عمل می‌کند. در این روش ولتاژی در ماده‌ی پیزوالکتریک به کار برده می‌شود که باعث تغییر شکل در ماده‌ی پیزوالکتریک می‌ شود. تغییر شکل این چنینی که می‌تواند به صورت کشش یا فشار باشد، متناسب با ولتاژ به کار رفته است.

وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما :

در مواد دارای گشتاور دو قطبی دائم، اثر پیزوالکتریک و فرو الکتریک وجود دارد. چون ممکن است گشتاور دو قطبی دائم، حداقل دارای دو جهت باشد، احتمال دارد، بتواند واکنش های داخلی را به حداقل برساند. موادی دارای گشتاور دو قطبی دائم، اغلب در دماهایی که دارای ساختار تقارنی بالاتری است، می گذرد.

با افزایش دما به سمت نقطه کور (نقطه کور نامی است که برای این دما در نظر گرفته شده است)، اثر پیزوالکتریک نیز به شدت افزایش پیدا می کند و با هم رابطه مستقیم دارند. در بسیاری از مواد از جمله سرامیک ها، تک بلورها، مواد مرکب و سایر موارد، پیزو الکتریک دیده می شود. از مواد تک بلوری پیزوالکتریک، می توان به کوارتز اشاره کرد، کوارتز دارای پایداری دمای نسبتاً خوبی است.

سنسور پیزوالکتریک (Piezoelectric sensor) :

سنسوری که از اثر پیزوالکتریک استفاده کرده و تغییرات شتاب، کشش، فشار و نیرو را با تبدیل آن به بار الکتریکی اندازه‌گیری ‌کند، سنسور پیزوالکتریک نامیده می شود. سنسور پیزوالکتریک قادر است با استفاده از اثر پیزوالکتریک مستقیم، اطلاعات را از محدوده‌ی مکانیکی به یک سیگنال الکتریکی قابل پردازش تبدیل کند. سیگنال الکتریکی تولید شده پس از اعمال اولیه‌ی نیرو، به سرعت کاهش می‌یابد.

 کارکرد سنسور پیزوالکتریک :

سنسور پیزوالکتریک در صنعت، در سنسورهای ضربه‌ی موتور، سنسورهای فشار، تجهیزات زیردریایی، در دستگاه ‌های موسیقی، مانند: پیک‌آپ‌ها و میکروفن، در دستگاه‌های الکتریکی مانند: پرینتر ماتریس نقطه‌ای، پرینتر لیزری، اسپیکر پیزو، زنگ، رطوبت‌سازها، در انژکتورهای سوخت دیزل، تنظیم نوری، پاکسازی فراصوت و جوشکاری استفاده می‌شود.

‌ سنسورهای پیزو الکتریک در پزشکی نیز مورد استفاده قرار می گیرد. سنسورهای پیزو الکتریک در بخش مراقبت های پزشکی از پیزو سرامیک ها  در مبدل تصویرگری های تشخیصی و مـانـیـتـورهای  fetal heart مورد استفاده قرار می گیرند که هزینه پایین و ایمنی بالا نشان کارایی این فرآورده است. در تفنگ های لیزری برای درمان آب مروارید چشم، چاقوهای کوچک جراحی و کـالبـدشکـافـی، پـاک کننـده‌هـای دنـدانـی، پمـپ هـای  IV و پمپ های قلب  استفاده می شود. مبدل‌های کوچک که در مجاری خون جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب بیمار قـرار داده می شوند نیز از سنسورهای پیزوالکتریک ساخته می شوند.

همچنین از ایـن سنسـورهـا در تـولیـد امـواج فـراصـوت استفاده می شود. امواج در بافت‌های بدن به صورت طولی منتشر می شوند از روش های تولید امواج فراصوت به صورت طولی، روش پیزوالکتریسیته است. اثر پیزو الکتریسیته در بلورهای بدون تقارن وجود دارد. بلور کوارتز از این دسته مواد است و اولین ماده‌ای که برای ایجاد امواج فراصوت از آن استفـاده مـی‌شـد  بلور کوارتز است که در حال حاضر هم مورد استفاده قرار می گیرند. اگر چه مواد متبلور طبیعی که دارای خـاصیـت پیزو الکتریسیته است، فراوان هستند. ولی در کاربرد امواج فراصوت در پزشکی از کریستال هایی استفاده می‌شود که سرامیکی بوده و به طور مصنوعی تهیه مـی‌شـونـد.

سنسورهای فشار پیزو مقاومتی :

سنسور فشار پیزو مقاومتی برای اندازه‌گیری فشار دینامیک کاربرد دارد. اندازه‌گیری فشار دینامیک شامل توربولانس، احتراق موتور و سایر موارد است. تغییرات فشار در مایع‌ها و گازها در اندازه‌گیری فشار سیلندر و فرآیند هیدرولیک با به کار بردن نیرو به دیافراگم پیزوالکتریک اندازه‌گیری می شود. با به کار بستن نیرو، در دو سر کریستال بار الکتریکی تولید می‌شود. خروجی به صورت ولتاژ اندازه‌گیری می‌شود که با فشار اعمالی تناسب دارد.