عناصر بيزو للهندسة الكهربائية والإلكترونيات

العناصر الكهروإجهادية هي مكونات إلكترونية تعتمد على مبادئ كهرضغطية. وهي تتكون من مواد كهرضغطية، مثل الكوارتز أو السيراميك، قادرة على تحويل الفولتية الميكانيكية إلى إشارات كهربائية والعكس بالعكس.

تعتمد وظيفة العنصر الكهروإجهادي على التأثير الكهروإجهادي. عندما يتم تطبيق القوة الميكانيكية على مادة كهرضغطية، فإنها تشوه قليلاً. يؤدي هذا التشوه إلى إزاحة الشحنة في المادة، مما يولد الجهد. في المقابل، يمكن أن يتسبب الجهد المطبق أيضًا في تشوه المادة.

تستخدم العناصر الكهروإجهادية بشكل شائع في أجهزة استشعار الاهتزاز والضغط والمحركات وأجهزة استشعار الصوت. في أجهزة استشعار الاهتزاز والضغط، فإنها تحول الاهتزاز أو الضغط الميكانيكي إلى إشارات كهربائية، والتي يمكن معالجتها بعد ذلك. تستخدم العناصر الكهروإجهادية في المشغلات لتوليد الحركة أو التشوه، كما هو الحال في تقنيات تحديد المواقع الدقيقة. تستخدم أجهزة استشعار الصوت عناصر كهرضغطية لتحويل الصوت إلى إشارات كهربائية والعكس صحيح.

تتمثل مزايا العناصر الكهروإجهادية في الاستجابة السريعة والحساسية العالية والدقة، ويمكنها العمل على نطاق ترددات واسع. لذلك، فهي تستخدم في العديد من التطبيقات المختلفة، مثل معدات الموجات فوق الصوتية، وتكنولوجيا النظم الدقيقة، والتكنولوجيا الطبية، والأتمتة الصناعية.

تستخدم العناصر الكهروإجهادية في التطبيقات المختلفة. وفيما يلي بعض الأمثلة :

1 - تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية : كثيرا ما تستخدم العناصر الكهروإجهادية في معدات الموجات فوق الصوتية، مثل آلات التنظيف بالموجات فوق الصوتية، أو البخاخات بالموجات فوق الصوتية، أو أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية.

2 - التكنولوجيا الطبية : في الطب، تستخدم عناصر كهرضغطية في تطبيقات مختلفة، مثل أجهزة التصوير بالموجات فوق الصوتية، وأجهزة تنظيم ضربات القلب، وأجهزة رصد ضغط الدم، أو الغرسات الطبية.

3 - تكنولوجيا القياس الصناعية : تستخدم العناصر الكهروإجهادية في تقنيات القياس التي تتيح قياسا دقيقا للقوة أو الضغط أو التسارع أو الإجهاد.

4 - صناعة السيارات : تستخدم العناصر الكهروإجهادية على نطاق واسع في صناعة السيارات، مثل تكنولوجيا إدارة المحركات، أو الوسائد الهوائية، أو نظم ABS، أو صوتيات المركبات للحد من الضوضاء.

5 - الإلكترونيات الدقيقة : في الإلكترونيات الدقيقة، تستخدم العناصر الكهروإجهادية في تطبيقات مختلفة، مثل بلورات الكوارتز المتذبذبة لقياس الوقت بدقة أو المحولات الكهروإجهادية لتحويل الفولطية.

6 - الإلكترونيات الاستهلاكية : تستخدم المكونات الكهروإجهادية أيضاً في الإلكترونيات الاستهلاكية مثل مكبرات الصوت والميكروفونات والمحركات الاهتزازية أو الشاشات التي تعمل باللمس لتحديد المدخلات.

7 - المحركات عالية الأداء : تستخدم العناصر الكهروإجهادية كمحركات في تكنولوجيات الروبوتات والأتمتة من أجل القيام بحركة دقيقة أو تحديد المواقع.

8 - توليد الطاقة : تستخدم العناصر الكهروإجهادية أيضا لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، مثلا في مولدات التذبذب أو الاهتزاز.

هذا مجرد خيار واحد لتطبيقات العناصر الكهروإجهادية، حيث يمكن استخدامها في العديد من المجالات المختلفة بسبب خصائصها وقدراتها المتعددة.

توفر العناصر الكهروإجهادية مزايا مختلفة على تقنيات الاستشعار الأخرى :

1 - الحساسية العالية : يمكن للعناصر الكهروإجهادية أن تكتشف التغيرات الميكانيكية الصغيرة جدا وتحولها إلى إشارات كهربائية. هذا يجعلها حساسة للغاية وقادرة على اكتشاف الحد الأدنى من التغييرات في الحركة أو الإجهاد.

2 - زمن الاستجابة السريعة : يمكن للعنصر الكهروإجهادي أن يستجيب بسرعة كبيرة للتغيرات. يمكنهم تغيير فولطية الخرج الكهربائية في ميكروثانية لجعلها مناسبة للتطبيقات سريعة الحركة أو سريعة الاستجابة.

3 - نطاق الترددات العريض : يمكن للعنصر الكهروإجهادي أن يعمل في نطاق ترددات عريض يتراوح بين بضعة هرتز وعدة ميغاهرتز. وهذا يجعلها قابلة للتطبيق في مجموعة متنوعة من المجالات، مثل الموجات فوق الصوتية، وقياس الاهتزاز أو الصوتيات.

4 - الصلابة والمتانة : عادة ما تكون العناصر الكهروإجهادية صلبة وقادرة على تحمل الظروف القاسية مثل درجات الحرارة المرتفعة أو الاهتزازات أو أحمال الضغط. كما أنها متينة وطويلة العمر.

5 - الحجم الصغير : عادة ما تكون العناصر الكهروإجهادية صغيرة وصغيرة الحجم، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات المساحة المحدودة. يمكن دمجها بسهولة في أجهزة أو أنظمة مختلفة.

6 - انخفاض استهلاك الطاقة : تستهلك العناصر الكهروإجهادية قدرا ضئيلا من الطاقة مقارنة بتكنولوجيات الاستشعار الأخرى. لا يحتاجون إلى مصدر طاقة خارجي ويمكنهم العمل مباشرة من خلال إشارات الخرج الكهربائية الخاصة بهم.

بسبب هذه المزايا، تستخدم العناصر الكهروإجهادية على نطاق واسع في العديد من المجالات، مثل الطب والسيارات والفضاء والمقاييس والعديد من المجالات الأخرى التي تتطلب الكشف الدقيق والسريع عن التغييرات الميكانيكية.

يتكون العنصر الكهروإجهادي من مادة كهرضغطية. عند تطبيق الجهد، يكون لهذه المواد خصائص الخضوع للتشوه الميكانيكي، وعلى العكس من ذلك، عند تطبيق التشوه الميكانيكي، يتم توليد الجهد. أشهر المواد الكهروإجهادية هي الكوارتز، تيتانات زركونات الرصاص ( PZT ) والبوليمرات مثل فلوريد البولي فينيل ( PVDF).

يتم تصنيع العناصر الكهروإجهادية في عدة خطوات. أولاً، يتم تشكيل المواد الكهروإجهادية في شكل معين، مثل القرص أو اللوحة أو الأسطوانة. ويمكن القيام بذلك عن طريق الصب أو الضغط أو القطع.

ثم تستخدم المواد الكهروإجهادية عملية خاصة للاستقطاب. أثناء عملية الاستقطاب، يتم تطبيق الجهد للتأثير على ترتيب ثنائي القطب الكهربائي في المادة. هذا ينتج قطب كهربائي دائم في المادة.

مادة كهرضغطية ثم تتعاون مع القطب. يتم استخدام القطب لتطبيق الجهد على عنصر كهرضغطية أو الجهد الناتج عن الصنبور. تصنع الأقطاب الكهربائية عادة من مواد موصلة، مثل المعدن أو الطلاء الموصّل.

أخيرًا، يتم تثبيت العناصر الكهروإجهادية في العلبة وتوصيلها بمكونات أخرى إذا لزم الأمر بحيث يمكن استخدامها في الأنظمة الإلكترونية أو الميكانيكية.

يمكن أن تختلف تقنية التصنيع الدقيقة والمواد المستخدمة وفقًا للتطبيق والخصائص المرغوبة للعنصر الكهروإجهادي.

في السنوات الأخيرة، تطور تطوير المكونات الكهروإجهادية بشكل كبير ويوفر مجموعة واسعة من الاحتمالات للمستقبل.

1.التصغير : أصبحت العناصر الكهروإجهادية أصغر وأصغر، مما يسهل تكاملها في مجموعة واسعة من التطبيقات. على سبيل المثال، تسمح العناصر الكهروإجهادية المصغرة بتطوير أدوات طبية أو إلكترونيات أصغر وأكثر دقة.

2.تحسين الأداء : أدت التحسينات في المواد وتكنولوجيا التصنيع إلى تحسين أداء وكفاءة العناصر الكهروإجهادية. يمكنهم الآن إنتاج ترددات أعلى وقوى أكبر وتحولات أكبر، مما يوسع نطاق تطبيقاتهم.

3 - توليد الطاقة : يمكن للعناصر الكهروإجهادية أن تحول الحركة إلى طاقة كهربائية. تستخدم هذه الخاصية بشكل متزايد لتوليد الطاقة من الحركات البيئية مثل الاهتزاز أو التذبذب. في المستقبل، يمكن أن تلعب المكونات الكهروإجهادية دورًا مهمًا في تطوير أنظمة تعمل بالطاقة الذاتية ومحايدة للطاقة.

4 - المواد الذكية : يتيح تكامل المواد الكهروإجهادية مع المواد الذكية إمكانيات جديدة. على سبيل المثال، يمكن تضمين أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية في المواد لمراقبة الإجهاد الميكانيكي أو التشوه. وقد أتاح ذلك تطوير هياكل ذكية قادرة على التكيف مع المؤثرات الخارجية أو الاستجابة لها.

5 - التكنولوجيا النانوية : مكنت أوجه التقدم في التكنولوجيا النانوية من إنتاج عناصر كهرضغطية على مقياس النانو. ويوفر عنصر نانوبيزو أداءً محسناً وحساسية عالية وتحكماً أدق. في المستقبل، يمكن استخدامها في مجالات مثل الروبوتات النانوية أو التطبيقات الطبية الحيوية أو البصرية.

بشكل عام، هناك العديد من الاحتمالات المثيرة لمزيد من التطوير للعناصر الكهروإجهادية في المستقبل. إن طابعها المتعدد الوظائف ومجالات تطبيقها تجعلها تكنولوجيا واعدة يمكن استخدامها في العديد من الصناعات.