پیزوالکتریک (Piezoelectricity)

پیزوالکتریک (، ایالات متحده: ) بار الکتریکی است که در مواد جامد خاصی مانند کریستال ها، سرامیک های خاص و مواد بیولوژیکی مانند…

پیزوالکتریک (، ایالات متحده: ) به بار الکتریکی تولید شده در مواد جامد خاص، از جمله کریستال‌های مختلف، سرامیک‌های خاص، و مواد بیولوژیکی مانند استخوان، DNA و پروتئین‌ها اشاره می‌کند که در معرض فشار مکانیکی قرار می‌گیرند.

این پدیده یک حالت خطی مکانیکی بین الکترومکانیکی و الکترومکانیکی ایجاد می‌کند. در مواد کریستالی فاقد تقارن وارونگی اثر پیزوالکتریک ذاتاً برگشت‌پذیر است: موادی که این اثر را نشان می‌دهند اثر پیزوالکتریک معکوس را نیز نشان می‌دهند، که در آن یک میدان الکتریکی اعمال‌شده باعث ایجاد فشار مکانیکی داخلی می‌شود. به عنوان مثال، کریستال های تیتانات زیرکونات سرب زمانی که ساختار استاتیکی آنها تقریباً 0.1٪ از ابعاد اصلی آنها تغییر شکل می دهد، پیزوالکتریک قابل اندازه گیری تولید می کنند. برعکس، همین کریستال ها با اعمال میدان الکتریکی خارجی حدود 0.1 درصد تغییر ابعادی می کنند. اثر پیزوالکتریک معکوس در تولید امواج اولتراسوند استفاده می‌شود.

فیزیکدانان فرانسوی ژاک و پیر کوری برای اولین بار پیزوالکتریک را در سال 1880 شناسایی کردند. اثر پیزوالکتریک از آن زمان در کاربردهای عملی متعددی از جمله تولید و تشخیص صداهای با ولتاژ بالا، تولید صدا، قفل‌گذاری الکتریکی، تولید صدا، استفاده شده است. تولید در دستگاه های الکترونیکی، میکروبالانس ها، تحریک نازل اولتراسونیک، و فوکوس فوق العاده ظریف در مجموعه های نوری. این زیربنای میکروسکوپ های کاوشگر اسکن است و تصویربرداری در مقیاس اتمی را امکان پذیر می کند. علاوه بر این، در پیکاپ گیتارهای تقویت شده الکترونیکی خاص و به عنوان ماشه در اکثر درام های الکترونیکی معاصر استفاده می شود. کاربردهای روزمره اثر پیزوالکتریک شامل تولید جرقه برای احتراق گاز برای وسایل پخت و پز و گرمایش، مشعل ها و فندک است.

ریشه شناسی

اصطلاح پیزوالکتریک به معنای برق تولید شده توسط فشار است. ریشه شناسی آن به یونانی باستان πιέζω (piézō) 'ووووووبه یونانی باستان برمی‌گردد. ἤλεκτρον (ḗlektron) 'کهربا'، منبع باستانی الکتریسیته. معادل آلمانی (Piezoelektrizität) در سال 1881 توسط فیزیکدان آلمانی ویلهلم گوتلیب هانکل با اصطلاح انگلیسی برگرفته از آلمانی در سال 1883 ابداع شد.

تاریخچه

کشف و تحقیقات اولیه

اثر پیروالکتریک، که با تولید پتانسیل الکتریکی ماده در پاسخ به نوسانات دما مشخص می‌شود، توسط کارل لینائوس و فرانتس اپینوس در اواسط قرن هجدهم مورد بررسی قرار گرفت. با تکیه بر این دانش، رنه جاست هاوی و آنتوان سزار بکرل همبستگی بین تنش مکانیکی و بار الکتریکی را فرض کردند. با این حال، یافته های تجربی آنها بی نتیجه ماند.

اثر مستقیم پیزوالکتریک اولین بار در سال 1880 توسط برادران پیر و ژاک کوری به طور قطعی نشان داده شد. آنها درک خود از پیرو الکتریسیته را با دانش خود از ساختارهای کریستالی زیرین مسئول آن برای پیش بینی رفتار کریستال ادغام کردند. نمایش آنها از کریستال های تورمالین، کوارتز، توپاز، شکر نیشکر و نمک روشل (سدیم پتاسیم تارتارات تتراهیدرات) استفاده کرد که کوارتز و نمک روشل برجسته ترین پیزوالکتریک را از خود نشان دادند.

با این حال Curies در ابتدا اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش‌بینی نکرد. این پدیده معکوس به طور ریاضی از اصول بنیادی ترمودینامیکی توسط گابریل لیپمن در سال 1881 استنتاج شد. کوری ها به سرعت وجود اثر معکوس را تأیید کردند و متعاقباً شواهد کمی برای برگشت پذیری کامل تغییر شکل های الکتروالاستو-مکانیکی در کریستال های پیزوالکتریک ارائه کردند.

برای چندین دهه بعد، پیزوالکتریک تا حد زیادی یک کنجکاوی علمی باقی ماند، اگرچه در کشف پولونیوم و رادیوم توسط پیر و ماری کوری در سال 1898 نقش اساسی داشت. این امر در سال 1910 با انتشار Lehrbuch der Kristallphysik (کتاب درسی فیزیک کریستال) ولدمار وویگت به اوج خود رسید، که 20 کلاس کریستال طبیعی را که قادر به پیزوالکتریکی هستند و با استفاده از تجزیه و تحلیل دقیق دهگانه پیزوالکتریک تعریف شده بودند، برشمرده است.

جنگ جهانی اول و سالهای بین جنگ

کاربرد عملی اولیه دستگاه های پیزوالکتریک در طول جنگ جهانی اول با توسعه فناوری سونار پدیدار شد. عملکرد برتر آنها در فرکانس های اولتراسونیک به سرعت نوسانگر Fessenden را منسوخ کرد. در سال 1917، پل لانگوین و همکارانش در فرانسه یک سیستم تشخیص زیردریایی اولتراسونیک را مهندسی کردند. این سیستم شامل یک مبدل، ساخته شده از کریستال های کوارتز نازک است که به دقت بین دو صفحه فولادی متصل شده اند، و یک هیدروفون طراحی شده برای گرفتن پژواک برگشتی. این اصل شامل انتشار یک پالس با فرکانس بالا از مبدل و متعاقبا اندازه‌گیری زمان لازم برای انعکاس امواج صوتی از یک جسم و بازگشت به صورت پژواک است، در نتیجه محاسبه فاصله را ممکن می‌سازد.

دستگاه‌های پیزوالکتریک متعاقباً بخش‌های متعددی را نفوذ کردند. به عنوان مثال، کارتریج‌های گرامافون سرامیکی، طراحی پخش‌کننده را ساده‌تر کرده و مقرون‌به‌صرفه و دقت را ارائه می‌کنند، که پیچیدگی تولید و هزینه‌های نگهداری را برای پخش‌کننده‌های ضبط کاهش می‌دهد. علاوه بر این، ظهور مبدل‌های اولتراسونیک اندازه‌گیری دقیق ویسکوزیته و الاستیسیته را در مایعات و جامدات تسهیل می‌کند و به طور قابل توجهی علم مواد را پیشرفت می‌دهد. بازتاب سنج‌های حوزه زمان اولتراسونیک، که با انتقال یک پالس اولتراسونیک از طریق یک ماده و تجزیه و تحلیل بازتاب‌های ناپیوستگی‌های داخلی کار می‌کنند، امکان تشخیص عیوب را در اجسام فلزی و سنگی ریخته‌گری می‌کنند و در نتیجه یکپارچگی ساختار را افزایش می‌دهند.

جنگ جهانی دوم و تحولات پس از جنگ

در طول جنگ جهانی دوم، ابتکارات تحقیقاتی مستقل در سراسر ایالات متحده، اتحاد جماهیر شوروی، و ژاپن منجر به کشف فروالکتریک شد، کلاس جدیدی از مواد مصنوعی که ثابت‌های پیزوالکتریک را به‌طور قابل‌توجهی بیشتر از همتایان طبیعی خود نشان می‌دهند. این پیشرفت، تحقیقات فشرده ای را برای توسعه تیتانات باریم و متعاقباً مواد تیتانات زیرکونات سرب، با خواص ویژه برای کاربردهای مختلف، تحریک کرد.

یک کاربرد قابل توجه از کریستال های پیزوالکتریک از کار در آزمایشگاه تلفن بل پدیدار شد. پس از جنگ جهانی اول، فردریک آر. لاک، مهندس متخصص در تلفن رادیویی، کریستال "AT cut" را ابداع کرد که با عملکرد پایدار آن در طیف وسیع دمایی مشخص می شود. این نوآوری نیاز به تجهیزات کمکی دست و پا گیر مرتبط با کریستال های قبلی را از بین برد و در نتیجه امکان ادغام آن در سیستم های هواپیما را فراهم کرد. در نتیجه، این پیشرفت، حملات توده‌ای هماهنگ شده توسط نیروهای هوایی متفقین را از طریق ارتباطات رادیویی هوانوردی پیشرفته تسهیل کرد.

در ایالات متحده، توسعه دستگاه‌ها و مواد پیزوالکتریک تا حد زیادی در داخل شرکت‌های جداگانه محدود شد، که عمدتاً تحت تأثیر منشأ زمان جنگ و پیگیری استراتژیک ثبت اختراعات سودآور بود. در حالی که کریستال های کوارتز نشان دهنده مواد اولیه پیزوالکتریک مورد بهره برداری تجاری بودند، تحقیقات در حال انجام بر شناسایی و توسعه جایگزین های با کارایی بالاتر متمرکز بود. با وجود پیشرفت در علم مواد و فرآیندهای تولید، رشد بازار ایالات متحده از ژاپن عقب بود. در نتیجه، ظهور محدود برنامه‌های کاربردی جدید، مانع از گسترش صنعت پیزوالکتریک ایالات متحده شد.

برعکس، تولیدکنندگان ژاپنی تبادل اطلاعات مشترک را تقویت کردند که حل سریع موانع فنی و تولیدی را تسهیل کرد و ایجاد بازارهای جدید را تحریک کرد. قابل ذکر است که ایساک کوگا در ژاپن پیشگام برش کریستال پایدار در دما بود. ابتکارات علم مواد ژاپنی مواد پیزوسرامیک را به دست آورد که با همتایان ایالات متحده رقابتی بود، اما محدودیت‌های پرهزینه ثبت اختراع آن را محدود نمی‌کردند. نوآوری‌های مهم پیزوالکتریک ژاپنی شامل طرح‌های جدید برای فیلترهای پیزوسرامیک در رادیو و تلویزیون، زنگ‌های پیزو و مبدل‌های صوتی با قابلیت یکپارچه‌سازی مستقیم مدارهای الکترونیکی و همچنین جرقه‌زننده پیزوالکتریک است که جرقه‌هایی را برای سیستم‌های احتراق موتور کوچک و فندک‌های دیسکی کوره‌ای گازی از طریق کمپرسرا تولید می‌کند. اگرچه مبدل‌های اولتراسونیک که قادر به انتقال امواج صوتی از طریق هوا بودند قبلاً وجود داشت، اولین کاربرد تجاری گسترده آنها در کنترل‌های اولیه تلویزیون بود. در حال حاضر، این مبدل‌ها در مدل‌های مختلف خودرو ادغام شده‌اند و به‌عنوان دستگاه‌های پژواک برای کمک به رانندگان در ارزیابی فاصله تا موانع عمل می‌کنند.

مکانیسم عملیات

ماهیت بنیادی اثر پیزوالکتریک به طور ذاتی با حضور گشتاورهای دوقطبی الکتریکی در مواد جامد مرتبط است. این دوقطبی‌ها می‌توانند در یون‌های واقع در محل‌های شبکه بلوری با محیط‌های بار نامتقارن القا شوند، همانطور که در موادی مانند BaTiO₃ و PZT مشاهده می‌شود، یا می‌توانند ذاتاً توسط گروه‌های مولکولی حمل شوند، به عنوان نمونه قند نیشکر. چگالی دوقطبی، که پلاریزاسیون نیز نامیده می‌شود (با ابعاد [C·m/m³])، می‌تواند به آسانی برای کریستال‌ها با جمع کردن گشتاورهای دوقطبی در واحد حجم سلول واحد کریستالوگرافی محاسبه شود. از آنجایی که هر دوقطبی یک بردار است، چگالی دوقطبی P یک میدان برداری را تشکیل می دهد. دوقطبی های مجاور تمایل دارند در مناطق محلی به نام دامنه های ویس همسو شوند. این حوزه‌ها معمولاً به‌صورت تصادفی جهت‌دار هستند، اما می‌توانند از طریق فرآیندی به نام قطب‌بندی (که از قطب‌بندی مغناطیسی متمایز است)، که شامل اعمال یک میدان الکتریکی قوی در سراسر ماده، معمولاً در دماهای بالا، تراز شوند. با این حال، همه مواد پیزوالکتریک قادر به قطب شدن نیستند.

یک جنبه مهم از اثر پیزوالکتریک، تغییر در قطبش P است که هنگام اعمال تنش مکانیکی رخ می‌دهد. این تغییر ممکن است از پیکربندی مجدد محیط القا کننده دوقطبی یا جهت گیری مجدد گشتاورهای دوقطبی مولکولی تحت تأثیر تنش خارجی ناشی شود. بنابراین، پیزوالکتریک می تواند به صورت تغییر در اندازه قطبش، جهت آن، یا هر دو، با جزئیات خاص مشروط به: 1. جهت گیری P در داخل کریستال ظاهر شود. 2. تقارن ذاتی کریستال. و 3. مشخصات تنش مکانیکی اعمال شده. تغییر در P به صورت نوسانی در چگالی بار سطحی روی وجوه کریستالی مشاهده می‌شود که به نوبه خود منجر به تغییر در میدان الکتریکی بین این وجه‌ها می‌شود که ناشی از تغییر در چگالی دوقطبی حجیم است. برای مثال، یک مکعب کوارتز 1 سانتی‌متر § 1213 §، زمانی که تحت یک نیروی اعمالی درست 2 کیلو نیوتن (تقریباً 500 پوند برف) قرار می‌گیرد، می‌تواند ولتاژی برابر با 12500 ولت ایجاد کند.

برعکس، مواد پیزوالکتریک همچنین پدیده‌ی پیزوالکتریک، اثر معکوس الکتریکی را نشان می‌دهند. باعث ایجاد تغییر شکل مکانیکی در ساختار کریستالی می شود.

توضیحات ریاضی

پیزوالکتریک خطی نشان دهنده نتیجه هم افزایی است:

پاسخ الکتریکی خطی ماده:

\mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} \quad \implies

\quad D_{i}=\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j}\;

در این زمینه، D نشان دهنده چگالی شار الکتریکی است که به آن جابجایی الکتریکی نیز گفته می شود. ε نشان دهنده گذردهی یا ثابت دی الکتریک بدن آزاد است. و E نشان دهنده قدرت میدان الکتریکی است. علاوه بر این، شرایط زیر اعمال می شود:

\nabla \cdot \mathbf {D} =0

25§ {\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {D} =0} و

\nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0}

54§ {\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0} } .

قانون هوک، قابل اجرا در مواد الاستیک خطی، بیان می کند:

{\displaystyle {\boldsymbol {S}}={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}}\quad \implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_>k

در اینجا، S نشان‌دهنده کرنش خطی‌شده است، s نشان‌دهنده انطباق در شرایط اتصال کوتاه است، و T نشان‌دهنده تنش است، همانطور که توسط:

{{\displaystyle \nabol \cdot

28§ ، S = ∇ u + u ∇ §6465§ ، {\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {T}}=\mathbf {0} \,\,,\,{\boldsymbol {S}}={\frac {\nabla \mathbf {u} +\mathbf {u} \nathbf {u} \nabla

در این زمینه، u نشان دهنده بردار جابجایی است.

این عناصر را می توان برای تشکیل معادلات جفت، با فرم فشار فشار که به طور خاص به صورت زیر ارائه می شود ادغام کرد:

{\begin{aligned}{\boldsymbol {S}}&={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}+{\mathfrak {d}}^{t}\,\mathbf {E} \ &&\implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }+\sum _{k}d_{ijk}^{t}\,E_{k},\\[6pt]\mathbf {D} &={\mathfrak {d}}\,{\boldsymbol {T}}+{\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} &&\implies \quad D_{i}=\sum _{j,k}d_{ijk}\,T_{jk}+\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j},\end{aligned}}

The entity ${\mathfrak {d}}$ represents the piezoelectric tensor, where the superscript 't' signifies its transpose.با توجه به تقارن ذاتی تانسور پیزوالکتریک ${\mathfrak {d}}$ ، روابط زیر پابرجاست: $d_{ijk}^{t}=d_{kji}=d_{kij}$ .

به صورت نماد ماتریسی بیان می شود، روابط به شرح زیر است:

{\begin{aligned}\{S\}&=\left[s^{E}\math]{t^{T }]\{E\}،\\[6pt]\{D\}&=[d]\{T\}+\left[\varepsilon ^{T}\right]\{E\},\end{aligned}}

در این عبارات، [d] نشان دهنده ماتریس مربوط به اثر پیزوالکتریک مستقیم است، در حالی که [d^t] نشان دهنده ماتریس اثر پیزوالکتریک معکوس است. علامت E بیانگر شرایط میدان الکتریکی صفر یا ثابت است و علامت T نشان دهنده یک میدان تنش صفر یا ثابت است. رونوشت 't' به طور پیوسته جابجایی یک ماتریس را نشان می دهد.

توجه به این نکته مهم است که تانسور مرتبه سوم ${\mathfrak {d}}$ بردارها را به ماتریس‌های متقارن تبدیل می‌کند. این مشخصه خاص دلالت بر عدم وجود تانسورهای غیرمعمول چرخش ثابت دارد که دارای چنین خاصیتی هستند، بنابراین توضیح می‌دهد که چرا مواد پیزوالکتریک همسانگرد وجود ندارند.

رابطه کرنش-بار برای مواد متعلق به کلاس کریستالی 4 میلی‌متری (C_4v) با نمونه‌های teramzoegon teramzoegon یا potraegon BaTiO₃، و همچنین برای کسانی که در کلاس کریستال 6 میلی متری هستند، می تواند به صورت زیر فرموله شود (ANSI IEEE 176):

{\displaystyle {\begin{aligned}&{\begin{bmatrix}S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\\S_{4}\\S_{5}\\S_{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}s_{11}^_{E}&s ^{E}&s_{13}^{E}&0&0&0\\s_{21}^{E}&s_{22}^{E}&s_{23}^{E}&0&0&0\\s_{31}^{E}&s_{22}^{E}&0&0&0\\s_{31}^{E}&s_{22} _{33}^{E}&0&0&0\\0&0&0&s_{44}^{E}&0&0\\0&0&0&0&s_{55}^{E}&0\\0&0&0 ;0&0&s_{66}^{E}=2\left(s_{11}^{E}-s_{12}^{E}\right)\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\T_{4}\T_ end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}0&0&d_{31}\\0&0&d_{32}\\0&0&d_{33}\\0&d_{24}&0\\d_{15}&0& \0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\\[8pt]&{\begin{bmatrix}D_{1}\\D_{2}\\D_{3}\{3}\{3} ماتریس}}={\begin{bmatrix}0&0&0&0&d_{15}&0\\0&0&0&d_{24}&0&0\\d_{31}&d_{32}&d_{33} amp;0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\varepsilon }_{11}&0&0\\0&{\varepsilon }_{22}&0\\0&0&{\varepsilon }_{33}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{2}\\E_{3} xmlns=

معادله اولیه اثر پیزوالکتریک معکوس را توصیف می‌کند، در حالی که معادله بعدی به اثر پیزوالکتریک مستقیم مربوط می‌شود.

در حالی که این معادلات به طور گسترده در ادبیات دانشگاهی استفاده می‌شوند، توضیح در مورد نمادگذاری آنها ضروری است. به طور معمول، D و E به عنوان بردارها نشان داده می شوند که تانسورهای دکارتی رتبه 1 هستند، در حالی که گذردهی ε یک تانسور دکارتی در رتبه 2 است. اگرچه کرنش و تنش اساساً تانسورهای رتبه-2 هستند، اما به دلیل ماهیت مرسوم، به دلیل ماهیت متداول، به دلیل عمل متقابل آنها، از تانسورهای دکارتی پیروی می کنند: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. توجه به این نکته مهم است که قراردادهای جایگزین در ادبیات وجود دارد. به عنوان مثال، برخی از نویسندگان ممکن است 12 → 4، 23 → 5، و 31 → 6 را اختصاص دهند. این برچسب گذاری مجدد توضیح می دهد که چرا S و T در یک "فرم برداری" شامل شش جزء ارائه شده اند. در نتیجه، s به عنوان یک ماتریس 6x6 به جای تانسور رتبه-3 نشان داده می شود. این علامت گذاری مجدد معمولاً به عنوان نماد Voigt شناخته می شود. یک بررسی جداگانه شامل این است که آیا اجزای کرنش برشی S§1415§، S§1819§، و S§2223§ مؤلفه‌های تانسور یا کرنش‌های مهندسی را نشان می‌دهند. در چارچوب معادله فوق، اینها باید به عنوان کرنش های مهندسی تفسیر شوند تا ضریب 6،6 ماتریس انطباق را به درستی بیان کنند 2(s^E
§3334§ − s^E
§4647§). کرنش‌های برشی مهندسی به‌عنوان دو برابر بزرگی اجزای برشی تانسوری متناظرشان تعریف می‌شوند، برای مثال، S§5253§ = 2S§5657§. در نتیجه، s₆₆ = ⁠§6465§/G§7172§⁠، که در آن §647 مدول.

در مجموع، چهار ضریب پیزوالکتریک متمایز تعریف شده است: d_ij، e_ij، g_ij، و hij، e_ij، g_ij، و hij

${\displaystyle {\begin{aligned}d_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{E}&&(={\frac) S_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]e_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{E}&&&=-\left({\frac partial({\fra E_{i}}}\right)^{S}\\[6pt]g_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{D}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_j D_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]h_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{D}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial S_{j}}}\right)^{D}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\}partial T_{j}}{\partial T_{j}}{\partial T_{j}{\}partial T_{j}{\}partial T_{j}{\}partial T_{j} xmlns=$

در این زمینه، مجموعه اولیه چهار جمله با اثر پیزوالکتریک مستقیم مطابقت دارد، در حالی که مجموعه چهار جمله بعدی اثر پیزوالکتریک معکوس را نشان می‌دهد. هم ارزی بین تانسور پیزوالکتریک مستقیم و جابجایی تانسور پیزوالکتریک معکوس توسط روابط ترمودینامیک ماکسول ایجاد می شود. برای بلورهای پیزوالکتریک که قطبش توسط میدان کریستالی القا می‌شود، فرمالیسم خاصی برای محاسبه ضرایب پیزوالکتریک d_ij از ثابت‌های شبکه الکترواستاتیک یا ثابت‌های مادلونگ مرتبه بالاتر ایجاد شده است.

کلاس های کریستال

از بین 32 کلاس بلوری، 21 کلاس غیر متقارن هستند، به این معنی که فاقد مرکز تقارن هستند. از این تعداد، 20 مورد پیزوالکتریک مستقیم را نشان می دهند که کلاس مکعب 432 استثنا است. ده مورد از این کلاس‌ها به عنوان کلاس‌های کریستال قطبی طبقه‌بندی می‌شوند که قطبش خود به خود را در غیاب تنش مکانیکی به دلیل یک گشتاور دوقطبی الکتریکی ناپدید نشده مرتبط با سلول واحد خود نشان می‌دهند و همچنین پیرالکتریکی را نشان می‌دهند. اگر این گشتاور دوقطبی را بتوان با اعمال میدان الکتریکی خارجی معکوس کرد، ماده به عنوان فروالکتریک طبقه بندی می شود.

ده کلاس کریستال قطبی (پیرالکتریک) عبارتند از: 1، 2، m، mm2، 4، 4mm، 3، 3m، 6، 6mm.

ده کلاس کریستال پیزوالکتریک باقیمانده عبارتند از: 222، 4، 422، 42 متر، 32، 6، 622، 62 متر، 23، §8 9>
برای بلورهای قطبی، جایی که P ≠ 0 در غیاب بار مکانیکی، اثر پیزوالکتریک از طریق تغییر در بزرگی یا جهت P یا هر دو ظاهر می شود. P تنها با اعمال یک بار مکانیکی القا می شود. در این مواد، تنش مکانیکی را می توان به عنوان تبدیل کریستال از حالت غیرقطبی (P = 0) به حالت قطبی که با P ≠ 0 مشخص می شود، در نظر گرفت.
مواد

مواد متعددی خواص پیزوالکتریک را نشان می دهند. این موارد عبارتند از:

مواد کریستالی

لنگازیت (La₃Ga₅SiO₁₄) - کریستالی مشابه کوارتز

ارتوفسفات گالیم (GaPO₄) - کریستالی مشابه کوارتز

لیتیوم نیوبات (LiNbO₃)

تانتالات لیتیوم (LiTaO₃)

کوارتز

برلینیت (AlPO₄) - یک کانی فسفاته کمیاب از نظر ساختاری مشابه کوارتز

نمک روشل

توپاز - پیزوالکتریک در توپاز احتمالاً به ترتیب (F، OH) در شبکه آن نسبت داده می شود که در غیر این صورت مرکز متقارن است (دو هرمی متعامد، mmm). خواص نوری غیرعادی مشاهده شده در توپاز نیز به این ترتیب نسبت داده می شود.

مواد معدنی گروه تورمالین

تیتانات سرب (PbTiO₃) - در حالی که به طور طبیعی به عنوان ماده معدنی مادونیت وجود دارد، برای تحقیقات و کاربردهای مختلف سنتز می شود.

سرامیک
سرامیک‌هایی که دانه‌هایی با جهت‌گیری تصادفی دارند باید فروالکتریک باشند تا پیزوالکتریک نشان داده شود. رشد غیر طبیعی دانه (AGG) در سرامیک های پیزوالکتریک پلی کریستالی متخلخل به طور مضر بر عملکرد پیزوالکتریک تأثیر می گذارد و بنابراین باید از آن جلوگیری کرد. این به این دلیل است که ریزساختار پیزوسرامیک‌هایی که AGG را نشان می‌دهند معمولاً شامل تعداد محدودی از دانه‌های غیرعادی بزرگ و دراز می‌شود که در ماتریسی از دانه‌های ریزتر و با جهت‌گیری تصادفی جاسازی شده‌اند. برعکس، پیزوالکتریک ماکروسکوپی را می توان در مواد پیزوالکتریک غیر فروالکتریک پلی کریستالی بافت دار، از جمله AlN و ZnO به دست آورد. همچنین پیزوالکتریک در خانواده های سرامیکی که دارای پروسکایت، تنگستن-برنز و ساختارهای مشابه هستند، مشاهده می شود، مانند:

زیرکونات تیتانات سرب (Pb[Zr_xTi_1−x]O§910§ ⤉ – ≥ §910§
با معمولاً PZT نامیده می شود که در حال حاضر پر استفاده ترین سرامیک پیزوالکتریک است.

نیوبات پتاسیم (KNbO₃)

تنگستات سدیم (Na₂WO₃)

Ba₂NaNb₅O₅

Pb₂KNb₅O₁₅

اکسید روی (ZnO) - دارای ساختار Wurtzite است. اگرچه تک بلورهای ZnO هم خواص پیزوالکتریک و هم پیروالکتریک را نشان می‌دهند، پلی کریستال (سرامیک) ZnO با دانه‌های جهت‌گیری تصادفی هیچ اثری را نشان نمی‌دهد. از آنجایی که ZnO چند کریستالی فروالکتریک نیست، نمی تواند به روش باریم تیتانات یا PZT قطبیده شود. پیزوالکتریک و پیرالکتریک ماکروسکوپی در سرامیک‌های ZnO و لایه‌های نازک پلی‌کریستالی تنها زمانی مشاهده می‌شوند که مواد بافت داشته باشند (یعنی دانه‌ها ترجیحاً جهت‌دار باشند)، و اطمینان حاصل شود که پاسخ‌های پیزوالکتریک و پیروالکتریک دانه‌های منفرد یکدیگر را خنثی نمی‌کنند. این بافت به راحتی در لایه های نازک پلی کریستالی بدست می آید.

پیزوسرامیک بدون سرب

نیوبات پتاسیم سدیم ((K,Na)NbO₃)، که معمولاً به عنوان NKN یا KNN نامیده می شود، نشان دهنده یک پیزوسرامیک بدون سرب قابل توجه است. در سال 2004، تیمی از محققان ژاپنی به رهبری یاسویوشی سایتو، ترکیب خاصی از نیوبات پتاسیم سدیم را شناسایی کردند که دارای خواص قابل مقایسه با سرب زیرکونات تیتانات (PZT) بود، به ویژه از جمله T_C بالا. علاوه بر این، فرمول‌های خاصی از این ماده توانایی حفظ ضریب کیفیت مکانیکی بالا (Q_m ≈ 900) را حتی در سطوح ارتعاش بالا نشان می‌دهند، مشخصه‌ای که در آن ضریب کیفیت مکانیکی PZT سخت معمولاً بدتر می‌شود. در نتیجه، NKN یک جایگزین امیدوارکننده برای کاربردهای رزونانس با توان بالا، مانند ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک در نظر گرفته می‌شود.

فریت بیسموت (BiFeO₃) به عنوان یک نامزد امیدوارکننده برای جایگزینی مواد سرامیکی مبتنی بر سرب شناخته شده است.

نیوبات سدیم (NaNbO₃)

تیتانات باریم (BaTiO₃) به عنوان اولین سرامیک پیزوالکتریک کشف شده دارای اهمیت تاریخی است.

تیتانات بیسموت (Bi₄Ti₃O₁₂)

بیسموت تیتانات سدیم (NaBi(TiO₃)₂)
ساخت پیزوسرامیک‌های بدون سرب چالش‌های چند وجهی را ارائه می‌کند، که هم ملاحظات زیست‌محیطی و هم ضرورت تکرار ویژگی‌های عملکردی پیشینیان مبتنی بر سرب را در بر می‌گیرد. در حالی که حذف سرب خطرات سمیت انسانی را کاهش می دهد، فرآیندهای استخراج و استخراج این مواد جایگزین می تواند خطرات زیست محیطی ایجاد کند. ارزیابی زیست محیطی مقایسه ای PZT در برابر نیوبات پتاسیم سدیم (NKN یا KNN) نشان می دهد که در چهار شاخص کلیدی - مصرف انرژی اولیه، ردپای سم شناسی، شاخص زیست محیطی 99، و ورودی-خروجی انتشار گازهای گلخانه ای بالادست - KNN تأثیر زیست محیطی بیشتری را نشان می دهد. اکثر نگرانی های زیست محیطی مرتبط با KNN، به ویژه مؤلفه Nb₂O₅ آن، در مراحل اولیه چرخه حیات آن، قبل از رسیدن به مراحل ساخت به وجود می آیند. با توجه به این غلظت اثرات مضر در مراحل اولیه، می توان مداخلات خاصی را برای به حداقل رساندن اثرات نامطلوب اجرا کرد. احیای زمین پس از معدن، مانند بازسازی سد یا تکمیل ذخایر خاک قابل استفاده، نشان دهنده شیوه های ثابت شده برای کاهش ردپای زیست محیطی عملیات استخراج است. با توجه به کیفیت هوا، مدل‌سازی و شبیه‌سازی جامع هنوز برای تعیین کامل استراتژی‌های کاهش لازم مورد نیاز است. اگرچه استخراج ترکیبات پیزوسرامیک بدون سرب هنوز به مقیاس قابل توجهی نرسیده است، تجزیه و تحلیل‌های اولیه کارشناسان را بر آن می‌دارد تا از احتیاط در مورد پیامدهای بالقوه محیطی خود دفاع کنند.
ساخت پیزوسرامیک‌های بدون سرب چالش مهمی را در حفظ عملکرد و ویژگی‌های سطح پایداری پایداری آنها ارائه می‌کند. یک مانع فنی اولیه در این فرآیند ساخت شامل ایجاد "مرزهای فاز مورفوتروپیک (MPBs)" است که خواص پیزوالکتریک پایداری را ایجاد می کند، در حالی که به طور همزمان از تشکیل "مرزهای فاز چندشکلی (PPBs)" جلوگیری می کند که به طور مخربی بر پایداری دمایی مواد تأثیر می گذارد. این مرزهای فاز جدید معمولاً با تنظیم غلظت افزودنی مهندسی می شوند تا اطمینان حاصل شود که دمای انتقال فاز در شرایط محیطی همگرا می شود. در حالی که وجود MPB ویژگی های پیزوالکتریک را افزایش می دهد، معرفی غیر عمدی یک PPB ماده را مستعد اثرات منفی وابسته به دما می کند. در نتیجه، تلاش‌های تحقیقاتی در حال انجام بر کنترل دقیق انواع مرزهای فازی که از طریق تکنیک‌های پیشرفته‌ای مانند مهندسی فاز، انتقال فاز انتشار، مهندسی دامنه، و اصلاح شیمیایی تشکیل شده‌اند، متمرکز است.

نیمه هادی های III–V و II–VI

یک پتانسیل پیزوالکتریک را می توان در هر کریستال نیمه هادی توده ای یا نانوساختاری فاقد تقارن مرکزی، از جمله مواد گروه III-V و II-VI تولید کرد. این پدیده از قطبی شدن یون ها در هنگام قرار گرفتن در معرض تنش و کرنش خارجی ناشی می شود. این ویژگی ذاتی ساختارهای کریستالی زینبلند و ورتزیت است. در سازه های زینکبلند، تنها یک ضریب پیزوالکتریک مستقل به نام e₁₄ وجود دارد که با اجزای برشی کرنش جفت می شود. برعکس، ساختارهای wurtzite سه ضریب پیزوالکتریک مستقل را نشان می‌دهند: e₃₁، e₃₃ و e₁₅. نیمه هادی هایی که برجسته ترین پیزوالکتریک را نشان می دهند، معمولاً آنهایی هستند که دارای ساختار wurtzite هستند، مانند GaN، InN، AlN و ZnO.
از سال 2006، مطالعات متعدد اثرات پیزوالکتریک غیرخطی قابل توجهی را در نیمه هادی های قطبی ثبت کرده اند. این اثرات به طور گسترده تایید شده است که قابل توجه هستند، به طور بالقوه حتی از نظر بزرگی با تقریب های مرتبه اول قابل مقایسه هستند.

پلیمرها
در حالی که پاسخ پیزوالکتریک پلیمرها به اندازه سرامیک ها مشخص نیست، آنها دارای مزایای مشخصی هستند که در نمونه های سرامیکی یافت نمی شوند. در نتیجه، پلیمرهای پیزوالکتریک غیر سمی در دهه‌های اخیر، به دلیل انعطاف‌پذیری ذاتی و امپدانس صوتی پایین‌تر، علاقه تحقیقاتی و کاربرد عملی قابل توجهی را به خود اختصاص داده‌اند. ویژگی‌های قانع‌کننده اضافی این مواد شامل زیست‌سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری، مقرون‌به‌صرفه بودن و کاهش مصرف انرژی در مقایسه با سایر مواد پیزوالکتریک، مانند سرامیک‌ها می‌شود.
پلیمرهای پیزوالکتریک به‌طور کلی به پلیمرهای توده‌ای، پلیمرهای با بار فشرده‌شده (polymerretspiezoectal) و پلیمرهای با بار خالی شده (پلیمرهای پیزوالکتریک) طبقه‌بندی می‌شوند. پاسخ پیزوالکتریک در پلیمرهای حجیم در درجه اول از ساختار مولکولی ذاتی آنها سرچشمه می گیرد. پلیمرهای حجیم بیشتر به انواع آمورف و نیمه کریستالی تقسیم می شوند. نمونه های گویا از پلیمرهای نیمه کریستالی شامل پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) و کوپلیمرهای آن، پلی آمیدها و پاریلن-C است. برعکس، پلیمرهای غیر کریستالی مانند پلی آمید و پلی وینیلیدین کلراید (PVDC)، به عنوان پلیمرهای حجیم آمورف طبقه بندی می شوند. پلیمرهای باردار خالی، اثر پیزوالکتریک را از طریق بارهای ناشی از فرآیند قطبی یک فیلم پلیمری متخلخل آشکار می کنند. هنگامی که در معرض میدان الکتریکی قرار می گیرند، بارها روی سطوح خالی تجمع می یابند و در نتیجه دوقطبی ایجاد می کنند. هر گونه تغییر شکل این حفره ها می تواند متعاقباً یک پاسخ الکتریکی ایجاد کند. علاوه بر این، اثر پیزوالکتریک در کامپوزیت های پلیمری قابل مشاهده است که با ترکیب ذرات سرامیکی پیزوالکتریک در یک فیلم پلیمری به دست می آید. قابل ذکر است که خود ماتریس پلیمری لزوماً نیازی به پیزو فعال بودن برای تشکیل یک کامپوزیت پلیمری موثر ندارد. چنین موادی می‌توانند از یک ماتریس بی‌اثر ترکیب شده با یک جزء فعال پیزو متمایز تشکیل شوند.
پلی‌وینیلیدین فلوراید (PVDF) پاسخ پیزوالکتریکی را به‌طور قابل‌توجهی بیشتر از پاسخ کوارتز نشان می‌دهد. به طور خاص، PVDF یک پاسخ پیزوالکتریک از حدود 20 تا 30 pC/N را نشان می‌دهد. با این حال، این مقدار 5 تا 50 برابر کمتر از پاسخ مشاهده شده در تیتانات سرب زیرکونات سرامیک پیزوالکتریک (PZT) است. پلیمرهای خانواده PVDF، از جمله وینیلیدین فلوراید کوپلی تری فلوئورواتیلن، اثر پیزوالکتریک خود را تا آستانه پایداری حرارتی 125 درجه سانتیگراد حفظ می کنند. کاربردهای کلیدی PVDF شامل حسگرهای فشار، هیدروفون و سنسورهای موج ضربه می‌شود.
به دلیل انعطاف‌پذیری ذاتی، کامپوزیت‌های پیزوالکتریک به‌طور گسترده برای کاربردهایی به‌عنوان برداشت‌کننده انرژی و نانو ژنراتور مورد بررسی قرار گرفته‌اند. به عنوان مثال، در سال 2018، زو و همکاران. یک پاسخ پیزوالکتریک تقریباً 17 pC/N از یک نانوکامپوزیت PDMS/PZT با تخلخل 60 درصد را ثبت کرد. قبل از این، در سال 2017، نانوکامپوزیت PDMS دیگری توصیف شد که در آن BaTiO₃ در PDMS گنجانده شد تا یک نانو ژنراتور قابل کشش و شفاف مناسب برای پایش فیزیولوژیکی خود نیرو بسازد. علاوه بر این، در سال 2016، ادغام مولکول های قطبی در یک فوم پلی یورتان پاسخ های پیزوالکتریک بسیار بالایی را به همراه داشت که به 244 pC/N رسید.

مواد جایگزین

اکثریت قریب به اتفاق مواد حداقل یک پاسخ پیزوالکتریک ضعیف را نشان می دهند. نمونه های رایج عبارتند از ساکارز (قند سفره)، اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA)، و پروتئین های ویروسی مختلف، مانند آنهایی که از باکتریوفاژها به دست می آیند. علاوه بر این، یک محرک ساخته شده از الیاف چوب (الیاف سلولزی) مستند شده است. پلی پروپیلن سلولی پاسخ D₃₃ نزدیک به 200 pC/N را نشان می دهد. کاربردهای پلی پروپیلن سلولی شامل صفحه کلیدهای موسیقی، میکروفون ها و سیستم های اکولوکیشن مبتنی بر اولتراسوند است. اخیراً، اسید آمینه منفرد β-گلیسین پاسخ پیزوالکتریک قابل توجهی را در ساعت 178 بعد از ظهر V^-1 نشان داده است که این مقدار در بین مواد بیولوژیکی بسیار بالاست.
مایعات یونی اخیراً به عنوان کلاس اولیه مایعات پیزوالکتریک شناخته شده اند.

برنامه ها

تولید برق و ولتاژ بالا

اثر پیزوالکتریک مستقیم در برخی از مواد، مانند کوارتز، قادر به ایجاد اختلاف پتانسیل به هزاران ولت است.
یک کاربرد شناخته شده فندک برقی است که در آن فشار دادن یک دکمه باعث می شود چکش فنری به کریستال پیزوالکتریک برخورد کند. این عمل یک جریان الکتریکی با ولتاژ بالا تولید می کند که از یک شکاف جرقه کوچک عبور می کند و در نتیجه گاز را گرم و مشتعل می کند. به طور مشابه، جرقه‌های قابل حملی که برای احتراق اجاق‌های گازی به کار می‌روند، بر اساس همان اصل عمل می‌کنند و بسیاری از مشعل‌های گاز مدرن از سیستم‌های احتراق یکپارچه مبتنی بر پیزو استفاده می‌کنند.

آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (دارپا) در ایالات متحده مفهومی قابل مقایسه را از طریق ابتکار برداشت انرژی خود، که شامل تلاش‌هایی برای نیرو دادن به تجهیزات میدان نبرد با استفاده از ژنراتورهای پیزوالکتریک ادغام شده در چکمه‌های سربازان است، بررسی کرده است. با این وجود، چنین روش های برداشت انرژی ذاتاً بر بدن انسان تأثیر می گذارد. تلاش دارپا برای تولید 1 تا 2 وات از ضربه های مداوم کفش در حین سرپایی به دلیل غیرعملی بودن و ناراحتی افرادی که کفش های تخصصی را می پوشند، ناشی از افزایش مصرف انرژی، متوقف شد. مفاهیم اضافی برداشت انرژی شامل Crowd Farm است که هدف آن جذب انرژی جنبشی از حرکات انسان در فضاهای عمومی مانند ایستگاه‌های قطار و سیستم‌هایی است که برای تبدیل فعالیت‌های زمین رقص به برق طراحی شده‌اند. علاوه بر این، می‌توان از مواد پیزوالکتریک برای جمع‌آوری ارتعاشات از ماشین‌های صنعتی استفاده کرد، در نتیجه باتری‌ها را برای برق اضطراری شارژ کرد یا انرژی ریزپردازنده‌های کم مصرف و دستگاه‌های ارتباطی بی‌سیم را تامین کرد.

یک ترانسفورماتور پیزوالکتریک به عنوان یک ضرب کننده ولتاژ AC عمل می کند. برخلاف ترانسفورماتورهای معمولی که به جفت مغناطیسی بین ورودی و خروجی خود متکی هستند، ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک از کوپلینگ صوتی استفاده می کنند. یک ولتاژ ورودی در یک بخش از یک میله پیزوسرامیک مانند PZT اعمال می شود، که از طریق اثر پیزوالکتریک معکوس، تنش متناوب را در داخل میله القا می کند، که در نتیجه باعث می شود کل میله ارتعاش کند. فرکانس ارتعاش انتخاب شده معمولاً با فرکانس تشدید بلوک مطابقت دارد که معمولاً از 100 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز متغیر است. متعاقباً از طریق اثر مستقیم پیزوالکتریک، ولتاژ خروجی بالاتری در بخش متفاوتی از میله تولید می‌شود. نسبت های افزایش بیش از 1000:1 به دست آمده است. ویژگی قابل توجه این ترانسفورماتورها توانایی آنها برای نشان دادن رفتار بار القایی زمانی است که بالاتر از فرکانس رزونانس خود کار می کنند، یک ویژگی مفید برای مدارهایی که نیاز به شروع نرم کنترل شده دارند. این دستگاه ها در اینورترهای DC-AC برای تغذیه لامپ های فلورسنت کاتد سرد کاربرد دارند. ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک برخی از فشرده ترین منابع ولتاژ بالا را نشان می دهند.

حسگرها

اصل عملیاتی یک حسگر پیزوالکتریک شامل تبدیل یک بعد فیزیکی به نیرو است که سپس بر روی دو سطح متضاد عنصر حسگر عمل می کند. طراحی حسگر حالت‌های بارگذاری خاصی را که برای عنصر پیزوالکتریک اعمال می‌شود، از جمله پیکربندی‌های طولی، عرضی، و برشی را دیکته می‌کند.
شایع‌ترین کاربرد حسگر شامل تشخیص تغییرات فشار است که به‌عنوان صدا آشکار می‌شود، نمونه‌ای از میکروفون‌های پیزوالکتریک، که در آن امواج صوتی، مواد پیزوالکتریک را تغییر می‌دهند و مواد پیزوالکتریک را تغییر می‌دهند. پیکاپ های مورد استفاده در گیتارهای آکوستیک الکتریک. سنسور پیزوالکتریک متصل به بدنه ابزار معمولاً به عنوان میکروفون تماسی نامیده می‌شود.
سنسورهای پیزوالکتریک به‌ویژه با صدای فرکانس بالا در مبدل‌های اولتراسونیک برای تصویربرداری پزشکی و آزمایش‌های غیرمخرب صنعتی (NDT) استفاده می‌شوند.
در روش‌های سنجش متعدد، یک دستگاه و هم یک حسگر می‌توانند به عنوان عمل کنند. در نتیجه، اصطلاح مبدل اغلب هنگام توصیف این قابلیت دوگانه مورد استفاده قرار می گیرد، اگرچه اکثر دستگاه های پیزوالکتریک به طور ذاتی دارای این خاصیت برگشت پذیری هستند، صرف نظر از کاربرد فعال آن. به عنوان مثال، مبدل‌های اولتراسونیک می‌توانند امواج اولتراسوند را به یک محیط ساطع کنند، سپس امواج منعکس شده را دریافت کرده و آنها را به یک سیگنال الکتریکی، معمولاً یک ولتاژ، تبدیل کنند. اکثر مبدل‌های اولتراسوند پزشکی پیزوالکتریک هستند.
فراتر از نمونه‌های ذکر شده، کاربردهای مختلف حسگر و مبدل شامل موارد زیر است:
عناصر پیزوالکتریک علاوه بر این در تشخیص و تولید امواج سونار به کار می روند.

مواد پیزوالکتریک در هر دو سیستم سنجش شیب تک محوره و دو محوره کاربرد دارند.

آنها برای نظارت بر توان در کاربردهای پرقدرت، مانند درمان‌های پزشکی، سونوشیمی، و پردازش صنعتی استفاده می‌شوند.

موازنه های پیزوالکتریک به عنوان حسگرهای شیمیایی و بیولوژیکی بسیار حساس عمل می کنند.

در حالی که گاهی اوقات پیزوالکتریک ها در کرنش سنج ها گنجانده می شوند، عناصر اثر پیزوالکتریک بیشتر برای این منظور استفاده می شوند.

یک مبدل پیزوالکتریک در دستگاه نفوذ سنج روی کاوشگر هویگنس ادغام شد.

مبدل‌های پیزوالکتریک در پدهای درام الکترونیکی برای ثبت ضربه چوب‌های طبل و در شتاب‌نگاری پزشکی برای تشخیص حرکات عضلانی استفاده می‌شوند.

سیستم‌های مدیریت موتور خودرو از مبدل‌های پیزوالکتریک برای تشخیص ضربه موتور، که انفجار نامیده می‌شود، در فرکانس‌های هرتز خاص استفاده می‌کنند. علاوه بر این، این مبدل‌ها در سیستم‌های تزریق سوخت برای اندازه‌گیری فشار مطلق منیفولد (حسگر MAP) استفاده می‌شوند، بنابراین بار موتور را تعیین می‌کنند و مدت زمان دقیق فعال‌سازی انژکتور سوخت را تنظیم می‌کنند.

سنسورهای پیزوالکتریک اولتراسونیک برای تشخیص انتشارات صوتی در روش‌های آزمایش انتشار آکوستیک استفاده می‌شوند.

جریان سنج های اولتراسونیک زمان گذر می توانند مبدل های پیزوالکتریک را در خود جای دهند.

عملگر

استفاده از میدان‌های الکتریکی قابل توجه باعث ایجاد تغییرات جزئی در عرض کریستال می‌شود و تنظیمات دقیق زیر میکرومتر را ممکن می‌سازد. این مشخصه کریستال های پیزوالکتریک را به عنوان یک جزء حیاتی برای موقعیت یابی بسیار دقیق اشیا ایجاد می کند و در نتیجه استفاده گسترده از آنها را در محرک ها توجیه می کند. پیکربندی‌های سرامیکی چندلایه، با لایه‌های نازک‌تر از 100 میکرومتر، تولید میدان‌های الکتریکی بالا را در ولتاژهای کمتر از 150 ولت تسهیل می‌کنند. این سرامیک ها جزء دو نوع محرک اصلی هستند: محرک های پیزوی مستقیم و محرک های پیزوالکتریک تقویت شده. در حالی که محرک‌های مستقیم معمولاً ضربات کمتر از 100 میکرومتر را نشان می‌دهند، محرک‌های پیزوالکتریک تقویت‌شده قادر به دستیابی به جابجایی در مقیاس میلی‌متری هستند.

بلندگوها: در بلندگوها، ولتاژ به جابجایی مکانیکی یک دیافراگم فلزی تبدیل می‌شود.

سیستم‌های تمیزکننده اولتراسونیک معمولاً از عناصر پیزوالکتریک برای تولید امواج صوتی با شدت بالا در یک محیط مایع استفاده می‌کنند.

موتورهای پیزوالکتریک: این موتورها با استفاده از عناصر پیزوالکتریک برای اعمال نیروی جهت بر محور و القای چرخش عمل می کنند. با توجه به جابه‌جایی‌های دقیقه‌ای مربوط به آن، موتورهای پیزوالکتریک جایگزینی با دقت بالا برای موتورهای پله‌ای معمولی در نظر گرفته می‌شوند.

عناصر پیزوالکتریک در تراز آینه لیزری استفاده می‌شوند و از ظرفیت خود برای جابجایی دقیق جرم‌های قابل توجه مانند پایه‌های آینه در فواصل میکروسکوپی برای تنظیم الکترونیکی آینه‌های لیزری استفاده می‌کنند. از طریق کنترل دقیق فاصله بین آینه ها، الکترونیک لیزری می تواند شرایط نوری بهینه را در حفره لیزر حفظ کند و در نتیجه خروجی پرتو را به حداکثر برساند.

یک برنامه مرتبط شامل مدولاتور آکوستو-اپتیک است، دستگاهی که از امواج صوتی تولید شده توسط عناصر پیزوالکتریک درون یک کریستال برای پراکندگی نور استفاده می کند. این مکانیسم برای تنظیم دقیق فرکانس لیزر مفید است.

میکروسکوپ‌های نیروی اتمی و میکروسکوپ‌های تونلی روبشی از پیزوالکتریک معکوس برای حفظ کاوشگر حسگر در نزدیکی نمونه استفاده می‌کنند.

چاپگرهای جوهرافشان: بسیاری از چاپگرهای جوهرافشان از کریستال های پیزوالکتریک برای تسهیل خروج دقیق جوهر از سر چاپ روی کاغذ استفاده می کنند.

موتورهای دیزل: موتورهای دیزلی با کارایی بالا از انژکتورهای سوخت پیزوالکتریک، که در ابتدا توسط Robert Bosch GmbH پیشگام بود، به عنوان جایگزینی برای مکانیزم‌های رایج‌تر دریچه‌های برقی ترکیب می‌شوند.

عملگرهای تقویت‌شده برای کنترل لرزش فعال استفاده می‌شوند.

دریچه های اشعه ایکس.

مراحل XY برای برنامه‌های اسکن میکرو در دوربین‌های مادون قرمز استفاده می‌شود.

موقعیت دقیق بیمار در اسکنرهای CT و MRI فعال با استفاده از سیستم‌های پیزوالکتریک به دست می‌آید، زیرا تشعشعات شدید یا میدان‌های مغناطیسی مانع استفاده از موتورهای الکتریکی می‌شوند.
گوشی‌های کریستالی گهگاه در گیرنده‌های رادیویی قدیمی یا کم مصرف کاربرد پیدا می‌کنند.

سونوگرافی متمرکز با شدت بالا می تواند باعث گرم شدن موضعی یا کاویتاسیون شود که در زمینه هایی مانند درمان های پزشکی در بدن بیمار یا فرآیندهای شیمیایی صنعتی خاص قابل استفاده است.

نمایشگرهای بریل قابل تجدید با گسترش یک کریستال کوچک از طریق اعمال جریان الکتریکی عمل می‌کنند که متعاقباً اهرمی را برای بالا بردن تک تک سلول‌های بریل فعال می‌کند.

محرک پیزوالکتریک با انبساط یک بلور یا آرایه‌ای از کریستال‌ها از طریق اعمال ولتاژ عمل می‌کند و در نتیجه حرکت و کنترل یک مکانیسم یا سیستم را ممکن می‌سازد.

محرک‌های پیزوالکتریک برای موقعیت‌یابی دقیق سروو در درایوهای دیسک سخت استفاده می‌شوند.

استاندارد فرکانس

خواص پیزوالکتریک ذاتی کوارتز آن را به عنوان یک استاندارد فرکانس ارزشمند می کند.

ساعت‌های کوارتز دارای یک نوسان‌گر کریستالی ساخته شده از کریستال کوارتز هستند که از پیزوالکتریک مستقیم و معکوس برای تولید یک دنباله دقیق زمان‌بندی شده از پالس‌های الکتریکی برای زمان‌سنجی استفاده می‌کنند. مشابه سایر مواد الاستیک، کریستال کوارتز دارای یک فرکانس تشدید طبیعی متمایز است که توسط هندسه و ابعاد آن تعیین می شود، که برای تثبیت فرکانس یک ولتاژ تناوبی اعمال شده استفاده می شود.

این اصل یکسان در فرستنده های رادیویی، گیرنده ها و سیستم های کامپیوتری خاصی برای تولید پالس ساعت اعمال می شود. به طور معمول، هر دو برنامه از یک ضرب کننده فرکانس برای دستیابی به محدوده عملیاتی گیگاهرتز استفاده می کنند.

موتورهای پیزوالکتریک

موتورهای پیزوالکتریک چندین دسته مجزا را در بر می گیرند:

موتورهای اولتراسونیک که معمولاً برای مکانیسم‌های فوکوس خودکار در دوربین‌های تک لنز رفلکس (SLR) استفاده می‌شوند.

موتورهای کرم اینچ، طراحی شده برای کاربردهای حرکت خطی دقیق.

موتورهای چهار ربعی مستطیلی که با چگالی توان بالای 2.5 وات بر سانتی متر³ و سرعت عملیاتی از 10 نانومتر بر ثانیه تا 800 میلی متر بر ثانیه مشخص می شود.

موتورهای پیزوالکتریک پله ای، که از پدیده لغزش چوب برای حرکت استفاده می کنند.

به استثنای موتور لغزش پله ای، این دستگاه ها بر اساس یک اصل اساسی واحد عمل می کنند. عملکرد آنها شامل حالت‌های ارتعاش متعامد دوگانه است که 90 درجه تغییر فاز می‌دهند، که یک مسیر ارتعاشی بیضوی در سطح تماس بین دو سطح ایجاد می‌کند و در نتیجه نیروی اصطکاک ایجاد می‌کند. به طور معمول، یک سطح ثابت می ماند و حرکت سطح دیگر را تسهیل می کند. کریستال پیزوالکتریک در اکثر این موتورها توسط یک سیگنال سینوسی در فرکانس رزونانس موتور فعال می شود. این تحریک تشدید، تولید دامنه‌های ارتعاش قابل‌توجهی را با کاهش قابل توجه ولتاژ ورودی امکان‌پذیر می‌سازد.
موتورهای لغزش چسبنده با اعمال نفوذ اینرسی یک جرم در ارتباط با خواص اصطکاکی مکانیزم گیره‌ای عمل می‌کنند. این موتورها قادر به دستیابی به ابعاد بسیار فشرده هستند. کاربردهای خاص شامل جابجایی حسگر دوربین است که عملکردهای تثبیت کننده تصویر را تسهیل می کند.

کاهش ارتعاشات و نویز صوتی

تیم های تحقیقاتی متعددی روش هایی را برای کاهش ارتعاشات مواد از طریق ادغام عناصر پیزوالکتریک بررسی کرده اند. به محض تشخیص یک انحراف ارتعاشی در یک جهت، سیستم کاهش ارتعاش فعال با تامین انرژی الکتریکی به عنصر پیزوالکتریک پاسخ می‌دهد و یک انحراف متضاد را القا می‌کند. تحقیقات در مورد کاربرد آنها برای سازه های انعطاف پذیر، از جمله پوسته ها و صفحات، برای تقریباً سه دهه ادامه دارد.

برنامه های جراحی

Piezosurgery یک روش جراحی کم تهاجمی است که برای برش بافت‌های هدف طراحی شده و در عین حال آسیب جانبی به ساختارهای مجاور را به حداقل می‌رساند. به عنوان مثال، Hoigne و همکاران از فرکانس‌های بین 25 تا 29 کیلوهرتز استفاده می‌کنند که ریز ارتعاشاتی از 60 تا 210 میکرومتر ایجاد می‌کنند. این تکنیک به طور انتخابی بافت معدنی را بدون آسیب رساندن به بافت‌های عصبی و عروقی یا سایر بافت‌های نرم از بین می‌برد، در نتیجه میدان جراحی بدون خون، دید بهتر و دقت برتر را تضمین می‌کند.
متامواد پیزوالکتریک دارای کوپلینگ های الکترومومنتوم

در سال 2019، Pernas-Salomón و Shmuel پیشگام یک روش همگن سازی پویا شدند، که از طریق آن برای اولین بار نشان دادند که کامپوزیت های پیزوالکتریک یک جفت موثر بین تکانه خطی و میدان الکتریکی را نشان می دهند، پدیده ای که آنها آن را به عنوان جفت الکترو تکانه نامیدند. با توجه به اینکه مواد پیزوالکتریک همگن این جفت شدن خاص را نشان نمی‌دهند، این کامپوزیت‌ها به عنوان فرامواد طبقه‌بندی می‌شوند - رسانه‌های مهندسی شده مصنوعی که برای نشان دادن خواص مؤثر استثنایی، چه از نظر قدر و چه در طبیعت، طراحی شده‌اند. جفت الکتروممنتوم مشابهی با جفت ویلیس مشاهده شده در کامپوزیت های الاستیک دارد که تکانه خطی را به کرنش پیوند می دهد و در ابتدا توسط J.R. Willis شناسایی شد. جزء موضعی این کوپلینگ ها، مشابه کوپلینگ پیزوالکتریک، از تقارن های شکسته سرچشمه می گیرد. فرامواد پیزوالکتریک دارای جفت الکترو مومنتوم مکانیزمی برای دستکاری موج قابل مقایسه با کوپلینگ ویلیس ارائه می‌کنند: آنها یک تغییر فاز وابسته به جهت را القا می‌کنند، شکل‌دهی جبهه موج را تسهیل می‌کنند و از مزایای اضافی تنظیم‌پذیری الکتریکی برخوردارند.

مراجع

مراجع

EN 50324 (2002) خواص پیزوالکتریک مواد و اجزای سرامیکی را مشخص می‌کند که در سه بخش ارائه شده است.

EN 50324 (2002) خواص پیزوالکتریک مواد و اجزای سرامیکی (3 قسمت)

ANSI-IEEE 176 (1987) استاندارد پیزوالکتریک را ایجاد می کند.

IEEE 177 (1976) تعاریف استاندارد و روش های اندازه گیری را برای ویبراتورهای پیزوالکتریک ارائه می دهد.

IEC 444 (1973) روش اساسی برای اندازه‌گیری فرکانس تشدید و مقاومت سری معادل واحدهای کریستال کوارتز را با استفاده از تکنیک فاز صفر در پیکربندی شبکه پی تشریح می‌کند.

IEC 302 (1969) تعاریف استاندارد و روش‌های اندازه‌گیری را برای ویبره‌های پیزوالکتریک که در محدوده فرکانسی تا 30 مگاهرتز کار می‌کنند، تعریف می‌کند.

Gautschi, Gustav H. (2002). سنسورهای پیزوالکتریک اسپرینگر. ISBN 978-3-540-42259-4.

Gautschi، Gustav H. (2002). حسگرهای پیزوالکتریک. اسپرینگر. ISBN 978-3-540-42259-4.منبع: بایگانی آکادمی TORIma

پیزوالکتریک (Piezoelectricity)