پیزوالکتریسیته

اثر فشاربرقی یا پیزوالکتریسیته (Piezoelectricity) در سال 1880 توسط دو برادر و دانشمند فرانسوی، ژاک کوری (Jacques Curie) و پیر کوری (Pierre Curie) کشف شد. آن‌ها برای نخستین بار دریافتند که فشار وارد شده به کوارتز یا حتی برخی از بلورهای خاص باعث ایجاد بار الکتریکی در آن ماده خاص می‌‌شود. این پدیده عجیب و علمی بعدها به عنوان اثر پیزوالکتریک (Piezoelectric Effect) شناخته شد.

برادران کوری بلافاصله اثر پیزوالکتریک معکوس را نیز کشف کردند. آن‌ها پی بردند که اِعمال 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.

پیزوالکتریک از واژه‌‌های یونانیِ پیزو (Piezo) به معنای فشردن و الکتریک (Electric) به معنی کهربا یا برق (منبعی از بار الکتریکی) گرفته شده است.

امروزه، پیزوالکتریسیته در بسیاری از وسایل الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. به عنوان مثال، هنگامی که از چند نوع نرم‌‌افزار تشخیص صدا یا حتی سیری (Siri) روی گوشی هوشمند خود استفاده می‌‌کنید یا زمانی که با استفاده از یک میکروفون صحبت می‌‌کنید، احتمالاً از پیزوالکتریسیته استفاده می‌‌شود. در حقیقت، بلور پیزو، انرژی صوتی صدای شما 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 ممکن خواهد بود.

با استفاده از پدیده پیزوالکتریسیته می‌توان فناوری‌های پیشرفته‌‌تر و گوناگون را ایجاد کرد. برای مثال، ساخت میکروفون‌‌های قوی حساس و کوچک سونار (بویه صوتی) و مبدل صوتی سرامیکی به وسیله پیزوالکتریسیته امکان‌ پذیر است. امروزه بیش از پیش شاهد توسعه مواد و وسایل پیزوالکتریکی هستیم.

اثر پیزوالکتریک مستقیم

همان‌طور که بیان شد، فشرده کردن یک ماده پیزوالکتریک، الکتریسیته (پیزوالکتریسیته) تولید می‌‌کند. شکل 1 را ببینید.

شکل ۱: اثر پیزوالکتریک با فشرده شدن یک ماده پیزوالکتریک رخ می‌دهد.

مواد پیزوسرامیک – بلور یا سرامیک پیزوالکتریک نارسانا – بین دو صفحه فلزی قرار داده می‌‌شوند. برای اینکه پیزوالکتریسیته ایجاد گردد، لازم است ماده فشرده شود. فشار مکانیکی وارد شده به مواد سرامیکی پیزوالکتریک باعث تولید الکتریسیته می‌‌شود.

همان‌گونه که در شکل 1 نشان داده شده است، یک اختلاف پتانسیل الکتریکی در سراسر این ماده وجود دارد. بلور پیزو بین دو صفحه فلزی قرار دارد. صفحات فلزی با جمع کردن بار الکتریکی، اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌‌کنند (پدیده پیزوالکتریسیته). به این ترتیب، اثر پیزوالکتریک به دلیل تولید الکتریسیته، همانند یک باتری کوچک عمل می‌‌کند (اثر پیزوالکتریک مستقیم). در میکروفون‌‌ها، سنسورهای فشار، هیدروفون‌‌ها و بسیاری از دیگر انواع وسایل حسگر، از اثر پیزوالکتریک مستقیم استفاده می‌‌شود.

اثر پیزوالکتریک معکوس

اثر پیزوالکتریک می‌‌تواند به صورت وارونه نیز اتفاق بیفتد. در واقع، می‌‌توان با اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی به بلور پیزوالکتریک، آن را منقبض یا منبسط کرد (شکل 2) که در این صورت، انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می‌‌شود. این پدیده اثر پیزوالکتریک معکوس (Inverse Piezoelectric Effect) نامیده می‌‌شود.

شکل ۲: وارون اثر پیزوالکتریک، اثر پیزوالکتریک معکوس نام دارد که اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی به بلور پیزوالکتریک باعث انقباض یا انبساط آن می‌‌شود.

استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس می‌‌تواند به توسعه ابزاری کمک کند که امواج صوتی تولید می‌‌کنند. بلندگوها (که عموماً در وسایل دستی یافت می‌‌شوند) یا زنگ اخبارها، نمونه‌‌هایی از ابزار صوتی پیزوالکتریک هستند. مزیت چنین بلندگوهایی این است که بسیار نازک هستند و باعث می‌‌شوند در گستره‌‌ تلفن‌‌ها مفید واقع شوند. در مبدل‌‌های فراصوت پزشکی و سونار (ردیاب صوتی) نیز از اثر پیزوالکتریک معکوس استفاده می‌‌شود. موتورها و محرک‌‌ها نیز از جمله ابزارهای غیرصوتی هستند که در آن‌ها اثر پیزوالکتریک معکوس حائز اهمیت است.

مواد پیزوالکتریک

مواد پیزوالکتریک موادی هستند که به واسطه فشار مکانیکی، می‌‌توانند الکتریسیته تولید کنند. همچنین، هنگامی که اختلاف پتانسیل الکتریکی (الکتریسیته) به آن‌ها اعمال می‌‌شود، این مواد تغییر شکل می‌دهند. تمام مواد پیزوالکتریک نارسانا هستند و می‌‌توان آن‌ها را به دو گروه بلورها و سرامیک‌‌ها تفکیک کرد.

تیتانات زیرکونات سرب (PZT)، تیتانات باریم و نیوبات لیتیم نمونه‌‌هایی از مواد پیزوالکتریک هستند. این مواد مصنوعی، اثر چشمگیرتری نسبت به کوارتز و سایر مواد پیزوالکتریک طبیعی دارند.

تیتانات زیرکونات سرب در مقایسه با کوارتز (نخستین ماده پیزوالکتریک شناخته شده) اختلاف پتانسیل بیشتری را به ازای همان مقدار فشار مکانیکی اعمال شده، تولید می‌‌کند. همچنین، اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی به PZT تحرک بیشتری را فراهم می‌‌سازد.

تیتانات زیرکونات سرب در سال 1952 توسط مؤسسه فناوری توکیو (Tokyo Institute of Technology) تولید شد. این ماده از دو عنصر شیمیایی سرب و زیرکونیوم و یک ترکیب شیمیایی به نام تیتانات در دماهای بالا ساخته و تولید می‌‌شود و فرمول شیمیایی آن به صورت (Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3

) است. معمولاً برای ساخت مبدل‌‌های فراصوت، خازن‌‌های سرامیکی و سایر سنسورها و محرک‌‌ها از PZT استفاده می‌‌شود.

تیتانات باریم یک ماده سرامیکی فِروالکتریک (Ferroelectric) است که ویژگی‌‌های یک ماده پیزوالکتریک را دارد. به همین دلیل، نسبت به اکثر مواد پیزوالکتریک، بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است. فرمول شیمیایی این ماده BaTiO3

است و در سال 1941 در طول جنگ جهانی دوم کشف شد.

نیوبات لیتیم نیز همانند تیتانات باریم یک ماده سرامیکی فروالکتریک است که خواص مواد پیزوالکتریک را دارد. این ماده ترکیبی از اکسیژن، لیتیم و نیوبیوم است (LiNbO3

).

کاربردهای پیزوالکتریک

در این بخش با چند مورد از کاربردهای پیزوالکتریک آشنا می‌شویم.

سونار

سونار (Sonar) نخستین بار در دهه 1900 میلادی توسط لویس نیکسون (Lewis Nixon)، برای شناسایی توده‌‌های یخ ابداع شد. در جریان جنگ جهانی اول تمایل به استفاده از این ابزار برای مکان‌‌یابی زیردریایی‌‌ها بیشتر شد. البته، امروزه سونار کاربردهای فراوانی از قبیل مکان‌‌یابی ماهی، جهت‌‌یابی در زیر آب و غیره دارد.

شکل ۳: در سونار پیزوالکتریک، فرستنده با استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس، به منظور ردیابی اشیاء، موج صوتی منتشر می‌‌کند.

در شکل 3، سونار در حال انتشار موج (سیگنال) صوتی از طریق فرستنده است تا اشیا را ردیابی کند. در اینجا فرستنده با استفاده از ولتاژ، موج صوتی منتشر می‌‌کند (اثر پیزوالکتریک معکوس). هنگامی که موج صوتی به یک شیء برخورد می‌‌کند، برمی‌‌گردد و توسط گیرنده شناسایی می‌‌شود.

در واقع، گیرنده توسط موج صوتی بازگشتی فشرده می‌‌شود و این سیگنال (ولتاژ) را به پردازنده می‌‌دهد (اثر پیزوالکتریک مستقیم) تا آن را پردازش کند. در عملیات پردازش، با محاسبه فاصله زمانی سیگنال‌‌های ارسالی و دریافتی، فاصله آن شیء تعیین می‌‌شود.

محرک‌‌های پیزوالکتریک

شکل 4 عملکرد یک محرک (Actuator) پیزوالکتریک را نشان می‌‌دهد که در آن پایه ثابت می‌‌ماند و مانند صفحه فلزی که ماده پیزوالکتریک را احاطه کرده است عمل می‌‌کند. در اینجا میدان الکتریکی حاصل از اعمال ولتاژ به ماده پیزوالکتریک سبب می‌‌شود ماده منبسط و منقبض شود. بنابراین، ماده یا بلور پیزو حرکت بسیار اندکی به سمت جلو یا عقب خواهد داشت که باعث می‌‌شود محرک به آرامی به حرکت در آید.

شکل ۴: در محرک پیزوالکتریک، ولتاژ اعمال شده به ماده پیزوالکتریک باعث انبساط و انقباض ماده می‌‌شود.

محرک پیزوالکتریک کاربردهای فراوانی دارد. به عنوان مثال، در دستگاه بافندگی، ماشین‌‌های بریل، دوربین‌‌های ویدیویی و تلفن‌‌های همراه از این محرک‌‌ها استفاده می‌‌شود.

بلندگوها و زنگ اخبارهای پیزوالکتریک

بلندگوها و زنگ اخبارها برای تولید صوت از اثر پیزوالکتریک معکوس استفاده می‌‌کنند. در واقع، اعمال ولتاژ به بلندگو یا زنگ اخبار باعث ایجاد امواج صوتی در آن‌ها می‌‌شود (شکل 2 را ببینید). سیگنال صوتی اعمال شده به سرامیک پیزوالکتریک بلندگوها یا زنگ اخبارها باعث می‌‌شود ماده پیزوالکتریک هوا را مرتعش کند. این ارتعاش، امواج صوتی تولید می‌‌کند و شنونده از طریق بلندگو آن را دریافت می‌کند.

پاسخ فرکانسی بلندگوهای پیزوالکتریک محدود به مقادیر کوچکی است و معمولاً در ساعت‌‌های زنگدار و یا دیگر ابزارهای مکانیکی کوچک برای تولید صداهای با کیفیت بالا استفاده می‌‌شود.

درایورهای پیزو

درایورهای پیزو می‌‌توانند ولتاژ پایین باتری را به ولتاژ بالا تبدیل کنند تا نیروی وسایل پیزوالکتریک تأمین شود. درایورهای پیزو اهمیت زیادی دارند، زیرا به مهندسان کمک می‌‌کند ولتاژ بیشتری را برای ایجاد امواج سینوسی بزرگتر تولید کنند.

شکل ۵: یک درایور پیزو، ولتاژ کم باتری را به ولتاژ بالاتری تبدیل می‌کند. یک اسیلاتور، امواج سینوسی کوچک را به تقویت‌کننده وارد کرده و این موج‌ها به امواج سینوسی بزرگتر تبدیل می‌شود.

شکل 5 یک نمودار بلوکی است که عملکرد درایور پیزو را نشان می‌‌دهد. درایورهای پیزو ولتاژ پایین باتری را می‌‌گیرند و برای تبدیل آن به ولتاژ بالاتر از یک بوستر استفاده می‌‌کنند. ولتاژ بالاتر برای تأمین توان تقویت‌‌کننده استفاده می‌‌شود. تقویت کننده (که هدایت وسیله پیزو را بر عهده دارد)، امواج سینوسی کوچک ورودی توسط نوسانگر یا اسیلاتور را به امواج سینوسی بزرگتر تبدیل می‌‌کند.