کاربردهای مهم سرامیک پیزوالکتریک

                           کاربردهای مهم سرامیک پیزوالکتریک

سرامیک های پیزوالکتریک به دلیل پیزوالکتریک بودن و تنوع خواص الکترومکانیکی ناشی از پیزوالکتریک به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند. با توجه به تنوع گسترده دستگاه های سرامیکی پیزوالکتریک و طیف وسیعی از کاربردهای آنها، طبقه بندی دقیق آنها با استفاده از یک روش ساده دشوار است. کاربردهای کلی را می توان به طور کلی به دو دسته تقسیم کرد: ویبراتورهای پیزوالکتریک و مبدل های پیزوالکتریک.

1. مبدل

کاربرد اثر پیزوالکتریک متنوع است و یکی از مهمترین آنها استفاده از ویژگی های s مبدل است  . این ، ویژگی تبدیل انرژی است این  اثر  الکتریسیته به سرامیک پیزوالکتریک اعمال می شود، انرژی الکتریکی می تواند از طریق اثر ولتاژ معکوس به انرژی مکانیکی تبدیل شود. اثر الکتریکی انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. مردم از این خاصیت فیزیکی سرامیک های پیزوالکتریک برای تولید انواع دستگاه های پیزوالکتریک استفاده می کنند که به طور گسترده در ارتباطات زیر آب، امواج فراصوت، احتراق با ولتاژ بالا و سایر زمینه ها استفاده می شود.

1، جرقه زن سرامیکی پیزوالکتریک

این وسیله ای است که نیروی مکانیکی را به جرقه های الکتریکی تبدیل می کند تا مواد قابل احتراق را مشتعل کند. این یک مبدل الکترومکانیکی است. در سال 1958، او پیشگام استفاده از اثر پیزوالکتریک سرامیک باریم تیتانات (BaTiO3) برای احتراق شد. میزان اشتعال این میله پیزو عنصر پیزو زیاد نیست و نویز زیاد است. در سال 1962 از سرامیک های پیزوالکتریک زیرکونات تیتانات سرب (PZT) برای ساخت جرقه زن استفاده شد. این نوع جرقه زن به طور گسترده در زندگی روزمره، تولیدات صنعتی و امور نظامی استفاده می شود و برای اشتعال و انفجار گازها، مواد منفجره مختلف و موشک ها استفاده می شود.

(1) اصل اساسی: فرآیند کار جرقه زن به سه مرحله تقسیم می شود: تولید ولتاژ بالا، احتراق تخلیه و احتراق گاز قابل احتراق. تولید ولتاژ بالا - المان‌های سرامیکی پیزوالکتریک استوانه‌ای را به عنوان مثال در نظر بگیرید، وقتی نیروی مکانیکی F بر روی سیلندر وارد می‌شود، کریستال دچار اعوجاج می‌شود و باعث می‌شود مرکز بارهای مثبت و منفی در کریستال جابجا شود، به طوری که مقدار زیادی بار آزاد در سطوح بالایی و پایینی آن ظاهر می‌شود که ولتاژ بالایی بر روی سیلندر ایجاد می‌کند. ولتاژ خروجی عبارت است از: V=ga3Fh/A، که در آن A——سطح مقطع سیلندر. h——ارتفاع سیلندر؛ ga3--ثابت ولتاژ پیزوالکتریک. احتراق تخلیه - عنصر سرامیکی پیزوالکتریک را در یک مدار بسته قرار دهید و شکاف مناسبی را ایجاد کنید. هنگامی که ولتاژ به ولتاژ تخلیه شکاف افزایش می یابد، یک جرقه تخلیه در شکاف ایجاد می شود. احتراق گاز قابل احتراق - گاز سوخت عمومی به راحتی سوزانده نمی شود، بنابراین بیشتر از اتانی که به راحتی گاز می گیرد استفاده می شود. به منظور طولانی تر شدن زمان تخلیه و جلوگیری از خاموش شدن سریع جرقه و افزایش سرعت اشتعال. یک مقاومت مناسب را می توان به صورت سری در انتهای تخلیه متصل کرد.

 

(2) ساختار و اصل کار جرقه زن ، در اینجا انواع مختلفی از جرقه زن وجود دارد، و جرقه زن پیزوالکتریک خانگی به عنوان مثال برای نشان دادن ساختار و اصل کار آن در نظر گرفته شده است. می توان آن را روی اجاق خانگی ثابت کرد تا گاز را مشتعل کند، سوئیچ بادامک را بچرخانید، .  از قسمت بیرون زده بادامک برای فشار دادن بلوک ضربه ای استفاده کنید و فنر پشت بلوک ضربه ای را فشرده کنید هنگامی که قسمت بیرون زده بادامک از بلوک ضربه جدا می شود، به دلیل نیروی ارتجاعی فنر، بلوک ضربه به عنصر پیزوالکتریک  پیزو سرامیکی .نیروی ضربه ای می دهد که ولتاژ بالایی در دو سر عنصر پیزوالکتریک ایجاد می کند و ولتاژ بالایی را از الکترود میانی برای ایجاد جرقه گاز الکتریکی برای ایجاد جرقه الکتریکی تولید می کند.

 

2. مبدل آکوستیک زیر آب

مبدل آکوستیک زیر آب یک دستگاه مبدل است که برای ارتباط و تشخیص زیر آب استفاده می شود. مردم می دانند که ارتباطات و تشخیص هوایی عمدتاً بر امواج الکترومغناطیسی مانند تجهیزات راداری و رادیویی و غیره تکیه می کنند، همه برای انتقال اطلاعات در هوا به امواج الکترومغناطیسی متکی هستند. استفاده از امواج الکترومغناطیسی برای ارتباط و تشخیص زیر آب ممکن نیست. این به این دلیل است که امواج الکترومغناطیسی افت انتشار زیادی در آب دارند و توسط کسی که دور سفر نمی کند جذب می شود. با این حال، تلفات انتشار امواج صوتی در آب بسیار کم است، بنابراین ارتباطات و تشخیص زیر آب عمدتاً از امواج صوتی برای انتقال اطلاعات استفاده می‌شود و ابزارهایی که امواج صوتی را تولید و تشخیص می‌دهند، سیستم‌های سونار نامیده می‌شوند. سیستم‌های سونار ابزارهای ضروری برای ناوبری زیر آب، ارتباط، تشخیص زیردریایی‌ها و مدارس ماهی و تحقیقات دریایی هستند. مردم سونار در آب را با رادار در هوا مقایسه می‌کنند و چشم‌ها و گوش‌های سیستم سونار مبدل‌های صوتی زیر آب هستند. تحقیقات بر روی مبدل های صوتی زیر آب در جنگ جهانی اول آغاز شد. Langevin فرانسه برای اولین بار از کریستال های کوارتز برای ساخت مبدل های صوتی زیر آب بر اساس اثر پیزوالکتریک استفاده کرد. اگرچه مبدل آکوستیک زیر آب ایجاد شده توسط لانگ ژیوان به دلیل شرایط فنی در آن زمان محدود بود و در واقع در زیردریایی های اعماق دریا استفاده نمی شد، اما سهم قابل توجهی در توسعه علم آکوستیک زیر آب در آینده داشت. مبدل Langevin از اثر ولتاژ معکوس کریستال کوارتز برای انتشار امواج صوتی به داخل آب استفاده می کند. لوله سرامیک پیزو امواج صوتی برگشتی از آب را از طریق اثر ولتاژ مثبت دریافت می کند و برخی از اندازه گیری های زیر آب را با توجه به زمان رفت و برگشت امواج صوتی پالس انجام می دهد.

مردم تحقیقات عمیق و سیستماتیک در مورد مبدل های صوتی پیزوالکتریک زیر آب برای کاربردی کردن آنها. با این حال، مواد اصلی پیزوالکتریک مورد استفاده در آن زمان کریستال های پیزوالکتریک محلول در آب - نمک Roche و دی اکسی فسفات پتاسیم بودند. در اواخر دهه 1950، سرامیک های پیزوالکتریک ظاهر شدند. ساخت مبدل های صوتی زیر آب با سرامیک های پیزوالکتریک تقریباً به مواد اصلی پیزوالکتریک انتخاب شده توسط مردم تبدیل شده است. از آنجا که دارای ویژگی های بسیاری است که کریستال های پیزوالکتریک در گذشته نداشتند، به ایده آل ترین ماده پیزوالکتریک برای ساخت مبدل های صوتی زیر آب تبدیل شده است و هیچ ماده دیگری وجود ندارد که بتواند با آن مطابقت داشته باشد. مزایای اصلی مبدل های صوتی زیر آب سرامیکی پیزوالکتریک عبارتند از:

(1) بدون نیاز به ولتاژ بایاس DC و سیم پیچ، سیستم ارتعاش ساده است.

(2) مبدل سرامیکی پیزوالکتریک از نظر اندازه کوچک است و ویژگی های عالی دارد.

(3) مبدل های سرامیکی پیزوالکتریک را می توان در صورت لزوم به هر شکلی درآورد.

مبدل های پیزوالکتریک پرکاربردترین نوع مبدل ها در زمینه فناوری آکوستیک زیر آب هستند. شاخص‌های عملکرد مبدل‌های صوتی زیر آب فقط باید دارای فرکانس کاری، ضریب جفت الکترومکانیکی، ضریب تبدیل الکترومکانیکی، ضریب کیفیت، ویژگی‌های فرکانس، ویژگی‌های امپدانس، ویژگی‌های جهت، ویژگی‌های دامنه، حساسیت انتقال، حساسیت دریافت، قدرت فرستنده، دما و ثبات زمانی، خواص مکانیکی، مقاومت مکانیکی برای یک شاخص ضروری و غیره باشد. صرف نظر از مناسبت، اما برای ارائه الزامات شاخص متفاوت و معرف با توجه به کاربرد و موارد کاربرد آن.

دوم، ویبراتور پیزوالکتریک

پس از ظهور سرامیک پیزوالکتریک PZT ، امکان ساخت فیلترهای سرامیکی وجود دارد. فیلترهای سرامیکی با فرکانس های مختلف را می توان با استفاده از حالت های ارتعاشی مختلف ویبراتورهای پیزوالکتریک ساخت. اولین حالت ارتعاش اعمال شده، ارتعاش شعاعی یا ارتعاش کانتور است که فیلتر 455 کیلوهرتز را می سازد. بعداً، فرکانس فیلترهای سرامیکی به هر دو انتها توسعه یافت، با انتهای بالا به 10 مگاهرتز و انتهای پایین به زیر 1 کیلوهرتز رسید. با توجه به استفاده از حالت تله انرژی، فرکانس فیلتر سرامیکی تا 100 مگاهرتز است، فیلتر موج صوتی سطحی تحریک شده توسط مبدل بین دیجیتالی به بالای 1 گیگاهرتز رسیده است و بالاترین فرکانس فیلتر موج صوتی سطحی با استفاده از سرامیک های پیزوالکتریک به عنوان بستر تا 630MHz بوده است.

ترانسفورماتور پیزوالکتریک از نظر کاربرد نیز یک ویبره است و ساختار اصلی آن قرار دادن دو مجموعه الکترود بر روی بدنه سرامیکی پیزوالکتریک برای تشکیل چهار پایانه است. افزودن یک سیگنال الکتریکی به سمت اولیه باعث تشدید آن می شود و سمت ثانویه دارای خروجی است. به این ترتیب در زمان تشدید به عنوان ترانسفورماتور عمل می کند. تحقیقات در مورد ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک زودتر شروع شد. افزایش توان و ولتاژ محرکه ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک ساخته شده از سرامیک های یکپارچه آسان نیست. ترانسفورماتور پیزوالکتریک چند لایه با همان فناوری کامپوزیت چند لایه مانند فناوری ساخت خازن یکپارچه تولید می شود و قدرت و ولتاژ محرک آن بسیار بهبود یافته است که دامنه کاربرد ترانسفورماتور پیزوالکتریک را بیشتر گسترش می دهد.

 

1. ترانسفورماتور پیزوالکتریک

ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک از دهه 1950 توسعه یافته اند. در آن زمان از باریم تیتانات به عنوان ماده اصلی استفاده می شد. نسبت تقویت کم است (فقط 50 تا 60 بار). ولتاژ خروجی حدود 3000 ولت است. با ظهور مواد سرامیکی پیزوالکتریک تیتانات سرب، نسبت افزایش به 300 تا 500 برابر افزایش می یابد و به تدریج در تلویزیون ها، دستگاه های کپی الکترواستاتیک و ژنراتورهای یون منفی به عنوان منبع تغذیه با ولتاژ بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

(1) اصول اساسی. انرژی ارتعاش الکتریکی ورودی به سرامیک پیزوالکتریک از طریق اثر پیزوالکتریک معکوس به انرژی ارتعاشی مکانیکی تبدیل می‌شود و سپس از طریق اثر پیزوالکتریک مثبت به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. تبدیل امپدانس (از امپدانس کم به امپدانس بالا) در طی این دو تبدیل انرژی محقق می شود، به طوری که خروجی پیزوالکتریک بالا را می توان در فرکانس تشدید ورق سرامیکی به دست آورد. اکنون ترانسفورماتورهای افقی و عمودی با ارتعاش کششی را به عنوان مثال برای توضیح اصل ترانسفورماتورها در نظر بگیرید.

 

کل تراشه سرامیکی به دو قسمت تقسیم می شود، قسمت سمت چپ انتهای ورودی (همچنین به عنوان قسمت محرک شناخته می شود)، الکترودهای نقره ای سوخته در دو طرف بالا و پایین وجود دارد که در امتداد جهت ضخامت قطبی شده اند، قسمت سمت راست انتهای خروجی (همچنین به عنوان قسمت تولید برق شناخته می شود) و قسمت سمت راست انتهای خروجی است (همچنین به عنوان قسمت تولید برق نیز شناخته می شود). الکترودهای نقره سوخته روی سطح وجود دارد. در طول آن قطبی شده است. هنگامی که یک ولتاژ متناوب به انتهای ورودی اعمال می شود، به دلیل اثر ولتاژ معکوس، قطعه سرامیکی ارتعاش کششی در جهت طول ایجاد می کند که انرژی الکتریکی ورودی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. در حالی که بخش تولید برق از طریق اثر ولتاژ مثبت انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند و سپس آن را از انتهای خروجی ولتاژ خروجی منتقل می کند. هنگامی که بار وجود ندارد، نسبت تقویت مدار باز، Qm فاکتور کیفیت مکانیکی مواد است. K31، K33 ضرایب جفت الکترومکانیکی طولی و عرضی مواد هستند. L طول بخش تولید برق است. t ضخامت ترانسفورماتور است. ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک عمدتاً در مورد تبدیل ولتاژ بالا، توان کم و تبدیل موج سینوسی استفاده می شوند و دارای مزایای منحصر به فردی مانند ولتاژ خروجی بالا، وزن سبک، اندازه کوچک، عدم وجود میدان مغناطیسی نشتی و عدم احتراق هستند. برای به دست آوردن خروجی های ولتاژ چندگانه، با توجه به اینکه ولتاژ خروجی ترانسفورماتور افقی-عمودی متناسب با طول است، هر چه به انتهای قسمت تولید برق نزدیکتر باشد، ولتاژ بالاتر می رود و می توان الکترودها را در موقعیت های مختلف قسمت تولید برق به عنوان سر شفت برای به دست آوردن خروجی های ولتاژ متفاوت ساخت.

 

(2) اصل کار و ویژگی های ترانسفورماتورهای سرامیکی پیزوالکتریک یکپارچه (چند لایه). سرامیک های پیزوالکتریک ماده ای شکننده هستند. برای اطمینان از استحکام مکانیکی آن، ترانسفورماتور پیزوالکتریک باید ضخامت خاصی داشته باشد و ولتاژ محرک ترانسفورماتور فوق الذکر کاملاً محدود است. به همین دلیل پروژه ترانسفورماتور سرامیکی پیزوالکتریک یکپارچه (چند لایه) به وجود آمد. پس از اتخاذ ساختار یکپارچه (چند لایه)، ضخامت و تعداد لایه‌های هر لایه را می‌توان تنظیم کرد و ولتاژ محرک دیگر محدود نمی‌شود، بنابراین می‌توان ولتاژ ساخت.

فناوری های اصلی این پروژه زینتر شده در دمای پایین زیر میکرون است مواد سرامیکی پیزوالکتریک ، فن‌آوری هم‌سوختن الکترود داخلی، فناوری تصفیه پلاریزاسیون و طراحی ساختاری. ترانسفورماتورهای سرامیکی پیزوالکتریک (MPTs) یکپارچه (چند لایه) نسل سوم ترانسفورماتورهای الکترونیکی با ویژگی های زیر هستند.

① فوق العاده نازک: ضخامت به طور کلی از 4 میلی متر تجاوز نمی کند.

②بازده تبدیل بالا: بیش از 97٪ در بار کامل (بار مقاومتی).

③ دارای ویژگی محافظت از خود قطع خودکار اتصال کوتاه بار است.

④ترانسفورماتور رزونانس: می تواند ولتاژ صفر و تبدیل جریان صفر را درک کند.

⑤ دارای مشخصات خروجی جریان شبه ثابت برای بارهای امپدانس کم است.

⑥ بدون پیک ولتاژ معکوس، حفاظت قابل اعتماد از مدار تقویت کننده قدرت.

⑦ بدون تداخل الکترومغناطیسی.

⑧ بدون خرابی سیم پیچ، شکستگی کپک.

⑨مقاومت در برابر اسپری نمک، مقاومت در برابر آب و هوای خوب، به ویژه برای استفاده در آب و هوای دریایی مناسب است.

 

2. پیکاپ و بلندگو سرامیکی پیزوالکتریک

مبدل های سرامیکی پیزوالکتریک به طور گسترده در تجهیزات الکتروآکوستیک مانند پیکاپ ها و بلندگوهای سرامیکی پیزوالکتریک استفاده می شود.

(1) ویبراتور دو دیافراگمی (شکل 6-16). تجهیزات الکتروآکوستیک به امپدانس مکانیکی کم نیاز دارند و می توانند با منبع صدا یا منبع ارتعاش مطابقت داشته باشند و ویبراتور پیزوالکتریک دو دیافراگمی می تواند این الزامات را برآورده کند. از دو ورق سرامیکی پیزوالکتریک ساخته شده است که در طول قابل کشش هستند. وقتی یک قطعه کشیده می شود، قطعه دیگر کوتاه می شود و کل خم می شود.

 

این اصل کار ویبراتور دو دیافراگمی را نشان می دهد. هنگامی که یک قطعه سرامیک پیزوالکتریک با ضخامت معین تحت فشار خم می شود، یک طرف ضخامت آن کشیده و طرف دیگر فشرده می شود. در این زمان، شارژ در داخل قطعه سرامیکی ایجاد می شود. ، اما چون جهت پلاریزاسیون کل دیافراگم یکسان است، ضلع بالایی کشیده و ضلع پایینی فشرده می شود که باعث می شود ممان دوقطبی الکتریکی مخالف باشد و دو طرف بالا و پایین علامت بار یکسانی داشته باشند، بنابراین تفاوت پتانسیل وجود ندارد، همانطور که در شکل 6-16 (الف) نشان داده شده است. اگر به جای آن از یک ساختار دو دیافراگمی با دو ورق روی هم استفاده شود، زمانی که نیرو خم می شود، می توان ولتاژ خروجی را به دست آورد. شکل 6-16(b) از دو دیافراگم با جهت قطبش مخالف به صورت سری استفاده می کند. هنگامی که نیرویی وارد می شود، قسمت بالایی کشیده و پایینی فشرده می شود. از آنجایی که جهت پلاریزاسیون مخالف است، دو طرف بالا و پایین دیافراگم دوتایی با علائم مخالف شارژ می شوند و می توان ولتاژ خروجی را بدست آورد. شکل 6-16(c) با اتصال دو دیافراگم با جهت پلاریزاسیون یکسان به صورت موازی تشکیل شده است و ولتاژ خروجی را نیز می توان بدست آورد.

 

(2) ساختار و اصل کار بلندگوهای سرامیکی پیزوالکتریک: بلندگوهای سرامیکی پیزوالکتریک یک دستگاه الکتروآکوستیک ساده و سبک با حساسیت بالا، بدون سرریز میدان مغناطیسی، بدون نیاز به سیم مسی و آهنربا، هزینه کم، مصرف برق کم، تعمیر آسان، تولید انبوه آسان و غیره است.

سیستم محرک آن یک دیافراگم دوگانه سرامیکی پیزوالکتریک است، سیستم لرزش مخروطی کاغذی است و عنصر کوپلینگ به طور موثر انرژی سیستم درایو را به سیستم لرزش منتقل می کند. هنگام کار، انرژی الکتریکی اضافه شده به دیافراگم دوگانه سرامیکی پیزوالکتریک به انرژی مکانیکی تبدیل می شود که از طریق عنصر جفت به مخروط کاغذ منتقل می شود تا به لرزش و صدا در بیاید. دیافراگم دوگانه پیزوالکتریک دارای امپدانس نسبتاً بالایی است که یک درایو ولتاژ را تشکیل می دهد. رابطه بین نیروی F و ولتاژ V F=KV است و K ضریب متناسب است. اگر امپدانس مکانیکی ارتعاش شامل امپدانس تشعشع Z باشد، سرعت ارتعاش : v=F/Z است، فشار صوت P در مرکز r دیافراگم بالا را می توان بدست آورد. |P|=10fρS/r |v| جایی که: f—فرکانس؛ ρ - چگالی متوسط؛ S - ناحیه مؤثر بدن مهره ها. علاوه بر این، سایر مبدل های انرژی الکتروآکوستیک را می توان با توجه به اثر پیزوالکتریک سرامیک های پیزوالکتریک مانند فرستنده، گیرنده، زنگ و غیره ساخت.