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.

ظرفیت در عملکرد عنصر پیزوالکتریک به صورت C = ε₀ × εᵣ × A / d محاسبه می‌شود، که در آن εᵣ ضریب دی‌الکتریک نسبی (PZT: 1700-3800) است، A مساحت الکترود و d ضخامت می‌باشد. مقادیر معمول بین ۱۰۰ پیکوفاراد و ۱۰ نانو فاراد است که به هندسه و جنس بستگی دارد.

امپدانس با افزایش فرکانس طبق رابطه Z = 1/(2πfC) کاهش می‌یابد که بر مدار تقویت‌کننده بار تأثیر می‌گذارد. در فرکانس‌های پایین 10¹³ اهم نیاز است.

هیسترزیس در ولتاژ عنصر پیزوالکتریک معمولاً ۱۰-۱۵٪ از حداکثر کورس برای سرامیک‌های استاندارد PZT است و علت آن تغییر جهت غیرخطی دامنه است. با کنترل چرخه‌ای ۰-۱۰۰۰ ولت، انحراف کورس نزولی از کورس صعودی ۱۰-۱۵٪ می‌شود که این امر دقت موقعیت‌یابی را مختل می‌کند.

کاربردهای کنترل دقیق نیازمند مواد با هیسترزیس کم (100 هرتز به 5-8٪ کاهش می‌یابد و در فرکانس‌های

یک المان پیزوالکتریک برای سونوگرافی توسط ولتاژ متناوب در فرکانس تشدید خود (20 کیلوهرتز - 10 مگاهرتز) تحریک می‌شود. ولتاژهای تحریک معمول: 50-400 Vpp. حداکثر توان صوتی توسط مدارهای رانش با تطبیق امپدانس در حین تشدید مکانیکی تولید می‌شود.

مواد: PZT (تیتانات سرب-زرکن) با ضریب کوپلینگ k33 = 0.7-0.75، به طور جایگزین PMN-PT بدون سرب. حالت ویبره ضخامتی برای فرکانس‌های بالاتر (＞۱ مگاهرتز)، ویبره شعاعی برای فرکانس‌های پایین‌تر. کاربردها: تمیزکاری، جوشکاری، اندازه‌گیری فاصله، تشخیص پزشکی.

شرکت ROTIMA تولیدکننده عناصر پیزوالکتریک نیست، بلکه به‌عنوان توزیع‌کننده فنی قطعات الکتریکی فعالیت می‌کند. این شرکت می‌تواند عناصر پیزوالکتریک را از تولیدکنندگان تخصصی تهیه کند، مشخصات فنی را بررسی کرده و آن‌ها را برای کاربردهای صنعتی در دسترس قرار دهد.

مهندسان از مشاوره در زمینه انتخاب، یکپارچه‌سازی و کنترل عناصر پیزوالکتریک در سیستم‌های اندازه‌گیری، کنترل یا محرک بهره‌مند می‌شوند. بدین ترتیب، روتیم تخصص تولیدی را با راه‌حل‌های عملی ترکیب می‌کند، بدون آنکه خود تولیدکننده عناصر پیزوالکتریک باشد.

دی‌الکتریک‌های فرومغناطیسی در عناصر پیزوالکتریک پس از ساخت دارای دامنه‌های قطبی با جهت‌گیری تصادفی هستند که اثرات پیزوالکتریک را خنثی می‌کنند. تنها از طریق قطبی‌سازی الکتریکی در میدان قوی (۲-۴ کیلوولت بر میلی‌متر) و دمای بالا، این دامنه‌ها به‌طور یکنواخت هم‌راستا می‌شوند.

پس از قطبی‌سازی موفقیت‌آمیز، یک عنصر پیزوالکتریک ضرایب‌های مشخص d₃₃ (اثر طولی) و d₃₁ (اثر عرضی) را نشان می‌دهد. جهت قطبی‌سازی محور ترجیحی برای تبدیل نیرو به ولتاژ را تعیین می‌کند. فراتر از دمای کوری (مثلاً ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد برای PZT)، قطبش از بین می‌رود و عنصر غیرقابل استفاده می‌شود. دوقطبی‌زدایی همچنین در صورت بار مکانیکی بیش از حد، بارهای ضربه‌ای بالای ۱۰۰ مگاپاسکال یا معکوس شدن میدان رخ می‌دهد، به همین دلیل باید به محدودیت‌های عملیاتی به طور دقیق پایبند بود.

تولید توان پیزوالکتریک از اثر پیزوالکتریک بهره می‌برد: تغییر شکل مکانیکی از طریق جابجایی بار در شبکه بلوری PZT ولتاژ تولید می‌کند. مبدل‌های معمولی از ارتعاشات (۱۰-۱۰۰۰ هرتز) ۱۰-۱۰۰ میکرووات تحویل می‌دهند. کاربردها: برداشت انرژی، ژنراتورهای ارتعاشی، حسگرهای فشار.

تولید توان پیزوالکتریک از طریق اکچوئیتورهای استک یا ترانسدیوسرهای خمشی انجام می‌شود. شرکت ROTIMA قطعاتی از APC International و Audiowell را تأمین می‌کند. در سیستم‌های حسگری خودکفا و نیروگاه‌های نصب‌شده روی کف استفاده می‌شود. بازده: ۲۰-۴۰٪ در حالت تشدید، ولتاژ خروجی ۵-۵۰ ولت.

هنگام خرید المان‌های پیزوالکتریک، ضریب بار پیزوالکتریک d₃₃ (100-600 pC/N)، فرکانس تشدید (1 kHz-10 MHz)، ظرفیت خازنی (100 pF-100 nF) و کیفیت مکانیکی Q_m از عوامل حیاتی هستند. انتخاب به کاربرد بستگی دارد: محرک‌ها به ضریب d₃₃ بالا نیاز دارند، حسگرها به ثابت ولتاژ g₃₃ بالا و مبدل‌های فراصوت به فرکانس‌های تشدید مشخص.

هنگام خرید عناصر پیزوالکتریک، نوع پیزوسرامیکی (PZT-4، PZT-5A، PZT-8)، هندسه (دیسک، حلقه، استک)، دمای کاری (حداکثر 0.5× دمای کوری) و ولتاژ بایاس باید مشخص شود. پارامترهای کلیدی: ضریب تلف دی‌الکتریک tan δ، ضریب کوپلینگ k₃₃ (0.6-0.75) و حداکثر شدت میدان الکتریکی (2-4 کیلوولت بر میلی‌متر). نرخ پیری (کمتر از 2٪ در هر دهه) پایداری بلندمدت در کاربردهای دقیق را تعیین می‌کند.

ولتاژ در یک کریستال پیزوالکتریک توسط اثر پیزوالکتریک تولید می‌شود که زمانی رخ می‌دهد که کریستال تحت تنش یا فشار مکانیکی قرار گیرد. در طول این تغییر شکل، حامل‌های بار درون بلور جابه‌جا می‌شوند و ولتاژی در سطوح بلور ایجاد می‌کنند. این ولتاژ به طور مستقیم با نیروی واردشده یا فشار متناسب است.

بلورهای پیزوالکتریک اغلب در کاربردهایی مانند حسگرها، عملگرها و فشارسنج‌ها استفاده می‌شوند. به دلیل توانایی آن‌ها در تبدیل انرژی مکانیکی به ولتاژ الکتریکی ، در فناوری پزشکی، فناوری اتوماسیون و فناوری اندازه‌گیری از اهمیت زیادی برخوردارند و امکان اندازه‌گیری و کنترل دقیق را فراهم می‌کنند.

فناوری پیزوالکتریک زمانی که سیگنال محرک، هندسه سرامیکی و بار مکانیکی در شرایط تشدید تنظیم شوند، با فرکانس ثابتی کار می‌کند. فرکانس طبیعی، ضریب کیفیت، انحراف دما و امپدانس الکتریکی همگی از عوامل مرتبط هستند.

در مورد عملگرها یا مبدل‌های فراصوت، ولتاژ بایاس، میرایی و سیگنال رانش بر پایداری تأثیر می‌گذارند. طراحی دقیق، تلفات توان، گرمایش و جابه‌جایی فرکانس را کاهش می‌دهد.