عناصر پیزو برای مهندسی برق و الکترونیک

عناصر پیزوالکتریک اجزای الکترونیکی مبتنی بر اصل پیزوالکتریک هستند. آنها از مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز یا سرامیک تشکیل شده اند که ولتاژ مکانیکی را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند و بالعکس.

عملکرد عنصر پیزوالکتریک مبتنی بر اثر پیزوالکتریک است. هنگامی که یک نیروی مکانیکی روی یک ماده پیزوالکتریک اعمال می شود ، کمی تغییر شکل می یابد. این تغییر شکل باعث جابجایی بار در ماده می شود که باعث ایجاد ولتاژ می شود. در مقابل ، ولتاژ اعمال شده همچنین می تواند باعث تغییر شکل مواد شود.

عناصر پیزوالکتریک معمولاً در سنسورهای لرزش و فشار ، محرک ها و سنسورهای صدا استفاده می شوند. در سنسورهای لرزش و فشار ، آنها لرزش مکانیکی یا فشار را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می کنند ، که می توانند بیشتر پردازش شوند. عناصر پیزوالکتریک در محرک ها برای تولید حرکت یا تغییر شکل استفاده می شوند ، به عنوان مثال در تکنیک های میکرو موقعیت یابی. سنسورهای صوتی از عناصر پیزوالکتریک برای تبدیل صدا به سیگنالهای الکتریکی و بالعکس استفاده می کنند.

از مزایای عناصر پیزوالکتریک می توان به پاسخ سریع ، حساسیت و دقت بالا اشاره کرد و می تواند در یک فرکانس گسترده کار کند. در نتیجه ، آنها در بسیاری از کاربردهای مختلف مانند تجهیزات اولتراسونیک ، فناوری میکروسیستم ، فناوری پزشکی و اتوماسیون صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.

عناصر پیزوالکتریک در برنامه های مختلف استفاده می شوند. در اینجا چند مثال آورده شده است:

1فناوری اولتراسونیک: عناصر پیزوالکتریک اغلب در تجهیزات اولتراسونیک مانند پاک کننده های اولتراسونیک ، اتمیزه کننده های اولتراسونیک یا سنسورهای اولتراسونیک مورد استفاده قرار می گیرند.

2فناوری پزشکی: در پزشکی از عناصر پیزوالکتریک در کاربردهای مختلفی مانند تجهیزات تصویربرداری با سونوگرافی ، ضربان سازها ، مانیتورهای فشار خون یا ایمپلنت های پزشکی استفاده می شود.

3فناوری اندازه گیری صنعتی: از عناصر پیزوالکتریک در فناوری اندازه گیری برای اندازه گیری دقیق نیرو ، فشار ، شتاب یا کرنش استفاده می شود.

4صنعت خودرو: از اجزای پیزوالکتریک به طور گسترده ای در صنعت خودرو استفاده می شود ، مانند فناوری مدیریت موتور ، کیسه هوا ، سیستم های ABS یا آکوستیک وسیله نقلیه برای کاهش نویز.

5میکروالکترونیک: در میکروالکترونیک از عناصر پیزوالکتریک در کاربردهای مختلفی مانند کریستالهای کوارتز نوسان کننده برای اندازه گیری دقیق زمان یا ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک برای تبدیل ولتاژ استفاده می شود.

6لوازم الکترونیکی مصرفی: از اجزای پیزوالکتریک نیز در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند بلندگوها ، میکروفون ها ، موتورهای لرزش یا صفحه نمایش لمسی برای تشخیص ورودی استفاده می شود.

7محرک های با کارایی بالا: عناصر پیزوالکتریک به عنوان محرک در رباتیک و فناوری اتوماسیون برای انجام حرکت دقیق یا موقعیت یابی استفاده می شوند.

8تولید انرژی: از عناصر پیزوالکتریک نیز برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی مانند نوسانات یا ژنراتورهای لرزش استفاده می شود.

این تنها گزینه ای در زمینه کاربرد عناصر پیزوالکتریک است ، زیرا می توان از آنها در بسیاری از زمینه های مختلف استفاده کرد زیرا دارای چندین ویژگی و قابلیت هستند.

عناصر پیزوالکتریک نسبت به سایر فن آوری های حسگر مزایای مختلفی را ارائه می دهند:

1حساسیت بالا: عناصر پیزوالکتریک می توانند تغییرات مکانیکی بسیار کوچکی را تشخیص داده و آنها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کنند. این باعث می شود آنها بسیار حساس و قادر به تشخیص کوچکترین تغییر در حرکت یا استرس باشند.

2زمان پاسخ سریع: عناصر پیزوالکتریک می توانند خیلی سریع به تغییرات پاسخ دهند. آنها می توانند ولتاژ خروجی الکتریکی خود را در میکرو ثانیه تغییر دهند و آن را برای برنامه های سریع حرکت یا واکنش سریع مناسب می کنند.

3دامنه فرکانس گسترده: عناصر پیزوالکتریک می توانند در طیف گسترده ای از فرکانس ها از چند هرتز تا چند مگاهرتز کار کنند. این باعث می شود آنها برای زمینه های مختلفی از جمله سونوگرافی ، اندازه گیری لرزش یا آکوستیک مناسب باشند.

4استحکام و دوام: عناصر پیزوالکتریک معمولاً محکم هستند و می توانند در برابر شرایط شدید مانند درجه حرارت بالا ، لرزش یا فشار فشار مقاومت کنند. آنها همچنین بادوام هستند و عمر طولانی دارند.

5اندازه کوچک: عناصر پیزوالکتریک معمولاً کوچک و جمع و جور هستند و همین امر باعث می شود آنها برای برنامه هایی با فضای محدود مناسب باشند. آنها را می توان به راحتی در دستگاه ها یا سیستم های مختلف ادغام کرد.

6مصرف انرژی پایین: در مقایسه با سایر فن آوری های سنسور ، عناصر پیزوالکتریک انرژی بسیار کمی مصرف می کنند. آنها به منبع تغذیه خارجی احتیاج ندارند و می توانند مستقیماً از طریق سیگنال خروجی الکتریکی خود کار کنند.

به دلیل این مزایا ، عناصر پیزوالکتریک در بسیاری از زمینه ها از جمله پزشکی ، خودرو ، هوافضا ، اندازه گیری و بسیاری از زمینه های دیگر که نیاز به تشخیص دقیق و سریع تغییرات مکانیکی دارند ، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.

عناصر پیزوالکتریک از مواد پیزوالکتریک ساخته شده اند. هنگامی که ولتاژ اعمال می شود ، این مواد دارای ویژگی هایی هستند که تحت تغییر شکل مکانیکی قرار می گیرند و برعکس ، هنگام اعمال تغییر شکل مکانیکی ، ولتاژ ایجاد می شود. معروف ترین مواد پیزوالکتریک کوارتز ، تیتانات زیرکونات سرب (PZT) و پلیمرهایی مانند پلی وینیلیدن فلوراید (PVDF) هستند.

عناصر پیزوالکتریک در چند مرحله تولید می شوند. ابتدا مواد پیزوالکتریک به شکل خاصی مانند دیسک ، صفحه یا سیلندر شکل می گیرند. این کار را می توان با ریخته گری ، فشار دادن یا برش انجام داد.

سپس مواد پیزوالکتریک با استفاده از یک فرآیند خاص قطبی می شوند. در طی فرآیند قطبش ، ولتاژ اعمال می شود تا بر ترتیب دو قطبی الکتریکی در ماده تأثیر بگذارد. این منجر به الکترود دائمی در مواد می شود.

سپس مواد پیزوالکتریک با الکترودها جفت می شوند. از الکترود برای اعمال ولتاژ بر روی عنصر پیزوالکتریک یا ولتاژ تولید شده توسط شیر استفاده می شود. الکترودها معمولاً از مواد رسانا مانند فلز یا روکش رسانا ساخته می شوند.

سرانجام ، عناصر پیزوالکتریک در محفظه نصب شده و در صورت لزوم به اجزای دیگر وصل می شوند تا در سیستم های الکترونیکی یا مکانیکی قابل استفاده باشند.

فناوری دقیق تولید و مواد مورد استفاده بسته به کاربرد و ویژگی های مورد نظر عنصر پیزوالکتریک می تواند متفاوت باشد.

در سالهای اخیر ، توسعه عناصر پیزوالکتریک بسیار پیشرفت کرده و طیف گسترده ای از امکانات را برای آینده فراهم کرده است.

1مینیاتوریزاسیون: عناصر پیزوالکتریک کوچکتر و جمع و جور تر می شوند ، که ادغام آنها در طیف گسترده ای از برنامه ها را تسهیل می کند. به عنوان مثال ، عناصر پیزو الکتریک مینیاتوریزه امکان توسعه ابزارهای پزشکی کوچکتر و دقیق تر یا الکترونیک را فراهم می کنند.

2بهبود عملکرد: پیشرفت در مواد و فناوری تولید باعث بهبود عملکرد و کارایی عناصر پیزوالکتریک شده است. آنها اکنون می توانند فرکانس های بالاتر ، نیروهای بزرگتر و جابجایی های بیشتری تولید کنند ، که دامنه کاربرد آنها را گسترش می دهد.

3تولید انرژی: عناصر پیزوالکتریک می توانند حرکت را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این ویژگی به طور فزاینده ای برای تولید انرژی از حرکات محیطی مانند لرزش یا نوسان استفاده می شود. در آینده ، عناصر پیزوالکتریک می توانند نقش مهمی در توسعه سیستم های خود تأمین انرژی و خنثی انرژی داشته باشند.

4مواد هوشمند: ادغام مواد پیزوالکتریک و مواد هوشمند امکانات جدیدی را باز می کند. به عنوان مثال ، سنسورهای پیزوالکتریک برای نظارت بر استرس مکانیکی یا تغییر شکل آنها می توانند در مواد تعبیه شوند. این امر باعث می شود ساختارهای هوشمندی ایجاد شود که بتوانند با تأثیرات خارجی سازگار یا پاسخ دهند.

5فناوری نانو: پیشرفت در فناوری نانو تولید عناصر پیزوالکتریک را در مقیاس نانو امکان پذیر کرده است. اجزای Nanopiezo عملکرد بهبود یافته ، حساسیت بالا و کنترل دقیق تری را ارائه می دهند. در آینده می توان از آنها در زمینه هایی مانند نانو روبات ها ، زیست پزشکی یا کاربردهای نوری استفاده کرد.

به طور کلی ، امکانات هیجان انگیز بسیاری برای توسعه بیشتر عناصر پیزوالکتریک در آینده وجود دارد. ویژگی های چند منظوره و زمینه های کاربردی آنها ، آنها را به یک فناوری امیدوار کننده تبدیل می کند که می تواند در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار گیرد.