[Zohreh Gholami]

مقاله ای کامل پیرامون پیزاالکتریک

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 مطالعهاین نفر یعنیCarl 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 1880 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 1910 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 1925،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 1940و1950 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 1965 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 1971نیز 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 دائمی روبرو 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_33=2/3×〖10〗^(-12) 〖c/〗_n  و ثابت جفت شدگی آن K=0,1 است.


روابط ریاضی:
پیزو الکتریک یک رفتار ادغام شده با رفتار الکتریکی ماده است:

که در این جا D چگالی بار الکتریکی تغییر مکان یافته و εضریب 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:

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. به عنوان مثال معادلات کرنش – بار برای یک ماده از انواع کریستالی در حدود mm4 است.

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 برادر هستند. در کل چهار ضریب یا عامل مشترک در پیزوالکتریک وجود دارد که به صورت زیر تعریف می شوند:


در معادلات بالا 4 معادله بالا مربوط به اثر پیزوالکتریک مستقیم و چهار معادله بعدی به اثر پیزو الکتریک معکوس مرتبط است. این فرم از معادلات بیشتر برای بیان اثر پیزوالکتریک کریستال استفاده می شده است.

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.




انواع موادی که اثرپیزوالکتریک دارند:
الف) کریستال های طبیعی:
  (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

ب) مواد طبیعی دیگر:
  Tendon (تاندون هایبدن): تاندون گروه خشن از بافت لیفی همبند است که معمولاً 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.

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[ZrxTi1−x]O3 0≤x≤1): 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 2004 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)

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:
1- به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهیج یا فرکانس ، شتاب سنج ها و ...)
2- به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی و برعکس (در دیسک های صوتی ، گرامافون های قدیمی ، میکروفن ،بلندگو ، زنگ اخبار و ...)
3- کنترل امواج الکتراسونیک AE در دریافت و انتقال امواج الکتراسونیک
4- در تولید ولتاژ و جرقه با ولتاژ بالا (جرقه)
5- در تولید بیوسنسورهای پزشکی
6- در تولید میکروبات های ریز و موتور های در مقیاس کوچک
7- 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.


اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس, مقاله, انواع موادی که اثر پیزوالکتریک دارند, روابط ریاضی, شتاب سنج پیزوالکتریک, شرایط بازار اقتصادی قطعات و تجهیزات پیزوالکتریک در ایران, شهاب خواجه پور شهنی, موتور پیزوالکتریک, وابستگی مواد به دما, پیزوالکتریک, کاربرد های پیزوالکتریک, کاربردهای سرامیک در مهندسی برق, پیشگامان متا, meta4u.com


نام محقق:شهاب خواجه پور شهنی
نام منبع:prozhe.com

[Zohreh Gholami]

ادامه

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 .

به گزارش خبرگذاری 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 MEMS در سنسورهای حرکتی، سنسورهای لرزشی، و آینه های نوری، درایوهای گرداننده ی ساعت مچی و ... را امکان پذیر می سازد. نویسندگان اصلی مقاله می گویند : "کاربردهای بسیار دیگری طی تحقیقات بوجود خواهد آمد ، مانند مهار انرژی ، سیستم های نوسانی برای ساعت ها ، آرایه های آینه ای ، و اسکنرها"


شتاب سنج های پیزو الکتریک:
وقتی یک نیروی فیزیکی به شتاب سنج اعمال میشود، درواقع جرم در حال نوسان طبق قانون دومنیوتون(F = ma) نیرویی به جسم پیزوالکترونیک وارد می کند. این نیروی وارد شده به جسم پیزوالکترونیک خود را به صورت تغییر ولتاژ یا تغییر میدان الکترواستاتیکی حاصل از جسم پیزوالکترونیک نشان می دهد. باید توجه کرد که این ‌ها ناشی از اثر مقاومتی اجسام پیزوالکترونیک نیست. دراثرمقاومتی، اجسام پیزوالکترونیک مقاومت خود را بر اثر واکنش‌های خارجی تغییر می دهند و نه ولتاژ یا میدان را. نیروی وارد شده به جسم پیزوالکترونیک می تواند به یکی از دو صورت خمشی (bending) یا فشاری (compression) باشد. فشار وارد بر جسم پیزوالکترونیک در نوع فشاری (compression) در واقع نیرویی است که از یک طرف به جسم وارد شده در حالی که طرف دیگر جسم ثابت گردیده است. ولی در نوع خمشی (bending) نیروی از هر دو طرف به جسم وارد می گردد.

اجسام پیزوالکترونیک که در شتاب سنج‌ ها مورد استفاده قرار می گیرند به دو دسته تقسیم می شوند. دسته اول که بیشتر نیز مورد استفاده قرار می گیرد اجسام تک بلوره هستند(Single-Crystal) مانند کوارتز (Quartz). علیرغم این که این مواد دارای طول عمر زیادی هستند یعنی مدت زمان زیادی حساس باقی می مانند و خاصیت پیزویی خود را حفظ می کنند اما حساسیت کمی نسبت به نوع دوم (سرامیک ها) دارند. سرامیک‌ هاعلاوه بر این که حساسیت بیشتری دارند ارزانترنیزهستند. برای تولید مواد پیزوالکترونیکی سرامیکی از موادی از قبیل: باریم تیتانیوم (barium titanate)،سرب زیرکونیموسرب تیتانیوم (lead-zirconate-lead-titanate) وسرب متانیوتیت (lead metaniobate) وسایر موادی که ساختار بسیاری از آن‌ها در حال حاضر فقط به طور اختصاصی در اختیار شرکت تولید کننده آن‌ها می باشد، استفاده می شود.

ایراد مواد سرامیکی این است که از آنجایی که حساسیت آن‌ها در گذر زمان کاهش مییابد طول عمر سنسورهایی مجهز به مواد سرامیکی کوتاهتر از سنسورهای دارای مواد تک بلوره می باشد. در عمل وقتی از مواد پیزوالکتریکی باحساسیت پایین استفاده میگردد می تواند و یا سه بلور از این مواد را به هم وصل کرد تا سیگنال الکتریکی خروجی قوی ترگردد. ماده ی پیزوالکترونیک مناسب برای کاربردی خاص را باید بر اساس حساسیت مورد نیاز، پاسخ فرکانسی، مقاومت ویژه مورد نیاز و پاسخ گرمایی (دمای مطلوب برای کارکرد) انتخاب کرد. از آنجا که در سنسورهای پیزوالکترونیک سیگنال الکتریکی تولید شده دارای ولتاژ بسیار پایین می‌باشد و مقاومت خروجی نیز بسیار زیاد است باید سیگنال تولید شده را تقویت و همچنین مقاومت خروجی را کاهش داد (بامبدلامپدانس). در گذشته این مشکل را با استفاده از یک تقویت کننده و مبدل امپدانسی جداگانه حل می کردند. این روش تقریبا در عمل قابل پیاده سازی نیست زیرا نویز بسیار زیادی در سیستم به وجود می آید و همچنین پیاده سازی این روش محدودیت‌های محیطی و فیزیکی بسیاری را نیز به وجود میآورد. امروزه آیسی‌های برای تقویت و تبدیل امپدانس وجود دارند که به صورت تجاری تولید شده و داخل خود سنسور نصب می گردند.

از دو روش رایج برای ساخت شتاب سنج‌ها استفاده می شود. یکی بر مبنای مبانی مقاومت مواد پیزو (piezoresistance) است و دیگری بر مبنای خاصیت الکتریکی آنها (piezoelectricity) است. هر دو روش اطمینان می دهند که بردارهای شتاب قائم تاثیری در ردیابی نمی گذارند و آشکار نمی شوند. در روش اول ساخت، ابتدا یک لایه نیمه رسانا توسط یک لایه ی ضخیم اکسید به ویفرنگهدارنده وصل می شود. لایه ی نیمه رسانا سپس به شکل هندسه ی شتاب سنج در می آید. این لایه ی نیمه رسانا یک یا تعداد بیشتری روزنه دارد و همین طور جرم زیر آن نیز روزنه ‌های متناظری دارد. سپس لایه ای نیمه رسانا به عنوان پوشش برای ایجاد حفره در لایه ای اکسید زیرین استفاده می شود. جرم واقع در حفره توسط بازوهای لایه نیمه رسانا که خاصیت مقاومتی پیزودارند نگهداشته می شوند. درست پایین شتاب سنج یک فضای خالی انعطاف پذیری است که اجازه میدهد جرم واقع در محفظه انعطاف داشته باشد و یا در جهت عمود بر سطح شتاب سنج حرکت کند. شتاب سنج هایی که بر مبنای خاصیت الکتریکی مواد پیزو کار می کنند (روش دوم) توسط مبدل‌ های پیزوالکتریک ساخته می شوند. واحد متشکل از یک لوله ییتوخالی است که دو سر آن توسط مبدل پیزوالکتریک بسته شده است. مبدل ها به صورت مخالف پلاریزه می شوند و به گونه ای انتخاب میشوند که دارای خازن سری خاصی باشند. سپس لوله به صورت جزئی توسط مایع سنگینی پر می‌شود و شتاب سنج فعال می شود. در این حالت ولتاژ خروجی به صورت پبوسته اندازه گیری می‌شود و حجم مایع سنگین به گونه ای تنظیم می‌شود تا ولتاژ خروجی دلخواه به دست آید. در نهایت خروجی هر کدام از مبدل‌ ها اندازه گرفته می‌شود و ولتاژ تفاضلی آن دو جدول بندی می‌شود ومبدل غالب شناسایی می شود.


در زیر راهکار استفاده از این اثر در شتاب سنج به تصویر کشیده شده است:

موتور پیزو الکتریک:
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.

این نوع موتور را در دو نوع خطی و دورانی وجود دارند . 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 . در شکل زیر نمونه ای از این نوع از حرکت آمده است:

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 5 مگاهرتز به این ترتیب سرعت خطی حرکت حدود 500 میلی متر در هر ثانیه یا نزدیک به 9/2 کیلومتر بر ساعت خواهد بود.

شرایط بازار اقتصادی قطعات و تجهیزات پیزو الکتریک:
در بازار اقتصادی سرامیک های نوین، سرامیک های الکتریکی یکی از جا افتاده ترین بازارهای موجود است. علاوه بر گسترش زمینه های مصارف قبلی، مصارف جدید مربوط به کاربردهایی است که پیزو الکتریک ها و خصوصاً پیزو سرامیک ها اخیراً وارد آن حیطه های شده اند. با توجه به مطالب ارائه شده و نقش تعیین کننده ی این نوع قطعات در صنایع مختلف و در راستای گام نهادن در مسیر خودباوری و خوداتکایی و دستیابی به دانش روز، چنین به نظر می رسد که اهمیت و ضرورت پایه گذاری صنایع الکترو سرامیک و از جمله پیزو الکتریک در کشور ما امری روشن، واضح و قابل درک است.

جهت دستیابی به اطلاعات اولیه و کسب آمارهای موجود به مراکز متعددی مراجعه شد. نوع، کمیت و ارزش اقتصادی نیازهای داخلی در زمینه ی پیزو الکتریک و مشخص نمودن زمینه های تکنولوژی و تولید صنعتی آن در ایران ، زمینه های تحقیقاتی در ایران، بر آورد و شناخت متخصصان ایرانی در داخل و خارج از کشور و در ادامه آمار واردات و صادرات (تولید و مصرف) در ایران تحلیل شد تخمین نیازهای داخلی (نیازهای فعلی تا سال 1400 هجری شمسی) نشان داد که نیاز داخلی تا سال 1400 حدود 40 میلیون قطعه پیزو و پیرو الکتریک است و باید اقدام لازم در این خصوص صورت گیرد.

در ابتدا، مواد جدید به عنوان اساس تکنولوژی های نوین در جهان نقش آن در توسعه ی تمدن بشری  اشاره ای شد. آنگاه جایگاه پیزو الکتریک ها همراه تاریخچه، انواع، تئوری، خواص و کلیات کاربردی بررسی گردید. در مرحله دوم، به جمع آوری اطلاعات و آمار در داخل و خارج از کشور پرداخته و ارائه و تجزیه و تحلیل آن ها صورت گرفت و در ادامه، شناسایی مراکز مهم علمی – اقتصادی در جهان صورت گرفت. در مرحله سوم ، بررسی وضعیت داخلی با جزئیات بیش تر ارزیابی گردید.


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 (2ro ti) o3 و ....... می شود .

ساختار بلوری Pervoskit: این ساختار شبیه کریستال هایی است که دارای اتم مرکزی اکسیژن هستند مانند اکسید تیتانیوم کلسیم که ساختار آنها به شکل XIIA2+VIB4+X2−3 می باشد.

Refrences:

•^ Holler, F. James; Skoog, Douglas A; Crouch, Stanley R (2007). "Chapter 1".Principles of Instrumental Analysis (6th ed.). Cengage Learning. p. 9.ISBN 9780495012016.
•^ Harper, Douglas. "piezoelectric". Online Etymology Dictionary.
•^Gautschi, G (2002). Piezoelectric Sensorics: Force, Strain, Pressure, Acceleration and Acoustic Emission Sensors, Materials and Amplifiers..Springer.
•^Lippman, G. (1881). "Principe de la conservation de l'électricité" (in French).Annales de chimieet de physique24: 145.
•  ^abc M. Birkholz (1995). "Crystal-field induced dipoles in heteropolar crystals – II. physical significance". Z. Phys. B96: 333–340. doi:10.1007/BF01313055.
•^ S. Trolier-McKinstry (2008). "Chapter3: Crystal Chemistry of Piezoelectric Materials". In A. Safari, E.K. Akdo˘gan.Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications. New York: Springer. ISBN 9780387765389.
•^Sensor Sense: Piezoelectric Force Sensors
•^Damjanovic, Dragan (1998). "Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics".Reports on Progress in Physics61: 1267–1324. doi:10.1088/0034-4885/61/9/002.
•^Kochervinskii, V (July 2003). "Piezoelectricity in Crystallizing Ferroelectric Polymers".Crystallography Reports48 (4): 649–675. doi:10.1134/1.1595194.
•^ M. Minary-Jolandan, and Min-Feng Yu, Nanotechnology 20 (2009) 085706 (6pp)
•^ Lakes, Roderic. "Electrical Properties of Bone: A Review". University of Wisconsin–Madison.
•^ Becker, Robert O; Marino, Andrew A (1982). "Chapter 4: Electrical Properties of Biological Tissue (Piezoelectricity)". Electromagnetism & Life.Albany, New York: State University of New York Press. ISBN 0-87395-560-9.
•^ Pollack, S.R; Korostoff, E., Starkebaum, W. y Lannicone, W (1979). ed. Brighton, C.T., Black, J. and Pollack, S.R.. ed. "Micro-electrical studies of stress-generated potentials in bone.".Electrical Properties of Bone and Cartilage (New York City: Grune& Stratton, Inc).
•^ Fotiadis, D.I; Foutsitzi, G., and Massalas, C.V (1999). "Wave propagation modeling in human long bones".ActaMechanica137: 65–81. doi:10.1007/BF01313145.
•^ Saito, Yasuyoshi; Takao, Hisaaki; Tanil, Toshihiko; Nonoyama, Tatsuhiko; TakatorilKazumasa; Homma, Takahiko; Nagaya, Toshiatsu; Nakamura, Masaya (2004-11-04). "Lead-free piezoceramics".Nature (Nature Publishing Group) 432 (7013): 81–87. doi:10.1038/nature03028. PMID 15516921.
•^ Richard, Michael Graham (2006-08-04). "Japan: Producing Electricity from Train Station Ticket Gates". TreeHugger. Discovery Communications, LLC.
•^ Wright, Sarah H (2007-07-25). "MIT duo sees people-powered "Crowd Farm"". MIT news.Massachusetts Institute of Technology.
•^Kannampilly, Ammu (2008-07-11). "How to Save the World One Dance at a Time".ABC.ABC.
•^True Grid Independence: Robust Energy Harvesting System for Wireless Sensors Uses Piezoelectric Energy Harvesting Power Supply and Li-Poly Batteries with Shunt Charger
•^ Phillips, James R (2000-08-10). "Piezoelectric Technology: A Primer". eeProductCenter. TechInsights.
•^How Rocket-Propelled Grenades Work by Shane Speck
•^The scanning mechanism for ROSETTA/MIDAS from an engineering model to the flight model
•^Simonsen, Torben R. Piezo in spaceElectronics Business (in Danish), 27 September 2010. Retrieved: 28 September 2010.
•^"Isn't it amazing how one smart idea, one chip and an intelligent material has changed the world of tennis?". HEAD.Retrieved 2008-02-27.
•^Baltaci V, Ayvaz OU, Unsal E, et al. (May 2009). "The effectiveness of intracytoplasmic sperm injection combined with piezoelectric stimulation in infertile couples with total fertilization failure"
•Wikipedia.org 

نام محقق:شهاب خواجه پور شهنی
نام منبع:http://www.prozhe.com

اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس, مقاله, انواع موادی که اثر پیزوالکتریک دارند, روابط ریاضی, شتاب سنج پیزوالکتریک, شرایط بازار اقتصادی قطعات و تجهیزات پیزوالکتریک در ایران, شهاب خواجه پور شهنی, موتور پیزوالکتریک, وابستگی مواد به دما, پیزوالکتریک, کاربرد های پیزوالکتریک, کاربردهای سرامیک در مهندسی برق, پیشگامان متا, meta4u.com