مقدمه ای بر مواد پیزوالکتریک و پارامترهای فنی

پیزوسرامیک مواد پیزوالکتریک مواد کریستالی هستند که هنگام اعمال فشار بین دو انتهای خود ولتاژ ایجاد می کنند. در سال 1880، فیزیکدانان فرانسوی P. Curie و J. Curie برادران کشف کردند که وقتی یک جسم سنگین روی یک کریستال کوارتز قرار می گیرد، برخی از سطوح کریستال بار تولید می کنند و مقدار بار متناسب با فشار است. این پدیده را اثر پیزوالکتریک می نامند. بلافاصله پس از آن، برادران کوری اثر پیزوالکتریک معکوس را کشف کردند، یعنی بدنه پیزوالکتریک تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی تغییر شکل می‌دهد. مکانیسم اثر پیزوالکتریک این است: کریستال با پیزوالکتریک دارای تقارن کم است. هنگامی که توسط یک نیروی خارجی تغییر شکل می‌دهد، جابه‌جایی نسبی یون‌های مثبت و منفی در سلول واحد باعث می‌شود که مراکز بار مثبت و منفی دیگر همپوشانی نداشته باشند و در نتیجه قطبش ماکروسکوپی کریستال ایجاد شود، در حالی که چگالی سطح بار سطحی کریستال برابر است با پیش‌بینی شدت قطبش بر روی سطح، بنابراین هنگامی که علامت فشار با علامت فشار، شکل پیله‌ای است. در دو سر ماده پیزوالکتریک ظاهر می شود. برعکس، هنگامی که یک ماده پیزوالکتریک در یک میدان الکتریکی قطبی می شود، ماده به دلیل جابجایی مرکز بار تغییر شکل می دهد.

 

سنسور صفحه پیزوالکتریک می تواند میدان های الکتریکی را به دلیل تغییر شکل مکانیکی ایجاد کند و همچنین می تواند تغییر شکل مکانیکی را در اثر عمل میدان های الکتریکی ایجاد کند. این اثر کوپلینگ الکترومکانیکی ذاتی باعث می شود که مواد پیزوالکتریک به طور گسترده در مهندسی مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال از مواد پیزوالکتریک برای ساخت سازه های هوشمند استفاده شده است. این گونه سازه ها علاوه بر قابلیت های خود پشتیبانی، عملکردهایی مانند خود تشخیصی، خودسازگاری و خود درمانی نیز دارند و نقش مهمی در طراحی هواپیماهای آینده خواهند داشت.

 

پارامترهای فنی مواد پیزوالکتریک:

 

ضریب پیزوالکتریک d33

 

ضریب پیزوالکتریک ضریب تبدیل است کریستال سرامیک پیزوالکتریک که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی یا انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند، منعکس کننده رابطه جفت بین خواص الاستیک و خواص دی الکتریک مواد پیزوالکتریک است.

 

گذردهی آزاد ε T33 (مجوز آزاد)

 

گذردهی یک دی الکتریک در کرنش صفر (یا ثابت)، بر حسب فاراد بر متر بیان می شود.

 

گذردهی نسبی ε Tr3 (مجوز نسبی)

 

نسبت ثابت دی الکتریک ε T33 به ثابت دی الکتریک خلاء ε 0، ε Tr3 = ε T33/ ε 0، یک کمیت فیزیکی بدون بعد است.

 

تلفات دی الکتریک (اتلاف دی الکتریک)

 

دی الکتریک انرژی از دست رفته در دی الکتریک به دلیل فرآیند آرام سازی قطبش الکتریکی و هدایت نشتی تحت عمل میدان الکتریکی است.

 

مماس زاویه تلفات tg δ (مماس زاویه از دست دادن)

 

تحت عمل میدان الکتریکی متناوب سینوسی، جریانی که در یک دی الکتریک ایده آل جریان می یابد 90 0 جلوتر از فاز ولتاژ است، اما در نمونه سرامیکی پیزوالکتریک، به دلیل اتلاف انرژی، زاویه فاز ψ سرب جریان کمتر از 900 است و زاویه مکمل آن δ ( δ + ψ = 900) زاویه بدون اتلاف نامیده می شود. مردم معمولاً از مماس تلفات tg δ برای نشان دادن اندازه تلفات دی الکتریک استفاده می کنند که نشان دهنده نسبت توان فعال (توان تلفات) P دی الکتریک به توان راکتیو Q است. یعنی: ضریب کیفیت الکتریکی ق (ضریب کیفیت الکتریکی)

 

مقدار ضریب کیفیت الکتریکی برابر است با متقابل مقدار مماس تلفات نمونه بیان شده توسط Qe که یک کمیت فیزیکی بدون بعد است. اگر از مدار معادل موازی برای نشان دادن نمونه سرامیک پیزوالکتریک در میدان الکتریکی متناوب استفاده شود، Q=1/tg δ = ω CR

 

ضریب کیفیت مکانیکی Qm (ضریب کیفیت مکانیکی)

 

نسبت انرژی مکانیکی ذخیره شده توسط ویبراتور صفحه پیزوالکتریک در رزونانس انرژی مکانیکی از دست رفته در یک سیکل را ضریب کیفیت مکانیکی می نامند. رابطه بین آن و پارامترهای نوسانگر عبارت است از: نسبت پواسون

 

نسبت پواسون به نسبت انقباض نسبی جانبی و کشیدگی نسبی طولی یک جامد تحت تنش اشاره دارد و یک کمیت فیزیکی بدون بعد است که با δ : δ = - S 12 /S11 بیان می شود.

 

فرکانس رزونانس سری fs (فرکانس تشدید سری)

 

فرکانس تشدید شاخه سری در مدار معادل ویبراتور پیزوالکتریک فرکانس تشدید سری نامیده می شود که با fs بیان می شود.

فرکانس رزونانس موازی fp (فرکانس تشدید موازی)

 

فرکانس تشدید شاخه موازی در مدار معادل ویبراتور پیزوالکتریک را فرکانس تشدید موازی می نامند که با fp نشان داده می شود، یعنی fp = فرکانس تشدید fr (فرکانس تشدید)

 

فرکانس پایین‌تر یک جفت فرکانس که حساسیت ویبراتور پیزوالکتریک را صفر می‌کند فرکانس تشدید نامیده می‌شود که با fr نشان داده می‌شود.

 

فرکانس آنتی رزونانس fa (فرکانس ضد رزونانس)

 

فرکانس بالاتر یک جفت فرکانس که حساسیت ویبراتور پیزوالکتریک را صفر می کند، فرکانس ضد تشدید نامیده می شود که با fa بیان می شود.

 

حداکثر فرکانس پذیرش fm (حداکثر فرکانس پذیرش)

 

فرکانس زمانی که ورودی ویبراتور پیزوالکتریک زیاد باشد فرکانس پذیرش بزرگ نامیده می شود. در این زمان امپدانس ویبراتور کوچک است، بنابراین به آن فرکانس امپدانس کوچک نیز گفته می شود که با f m بیان می شود.

 

فرکانس پذیرش کوچک fn (حداقل تعداد دفعات پذیرش)

 

فرکانس پذیرش ویبراتور پیزوالکتریک در آن کوچک است فرکانس پذیرش کوچک نامیده می شود. در این زمان امپدانس ویبراتور زیاد است، بنابراین به آن فرکانس امپدانس بزرگ نیز گفته می شود که با f n بیان می شود.

 

فرکانس اساسی

 

فرکانس تشدید پایین در یک حالت ارتعاشی معین، فرکانس گام نامیده می شود و معمولاً به فرکانس اصلی تبدیل می شود.

 

فرکانس فراتون (فرکانس اساسی)

 

فرکانس‌های تشدید غیر از فرکانس اصلی در یک حالت ارتعاشی معین، فرکانس‌های تون نامیده می‌شوند.

 

پایداری دما

 

پایداری دما به مشخصه ای اشاره دارد که عملکرد سرامیک های پیزوالکتریک با دما تغییر می کند.

 

در دمای معین، زمانی که دما 1 درجه سانتیگراد تغییر می کند، نسبت تغییر عددی فرکانس معین به مقدار عددی فرکانس در این دما را ضریب دمایی فرکانس TKf می گویند.

 

علاوه بر این، معمولاً از یک رانش نسبی بزرگ برای مشخص کردن پایداری دمایی یک پارامتر خاص استفاده می‌شود.

 

تغییر فرکانس نسبی در دمای مثبت = △ fs (دمای مثبت بزرگ)/fs (25 ℃ )

 

تغییر فرکانس نسبی بزرگ در دمای منفی = △ fs (دمای منفی بزرگ)/fs (25 ℃ )

 

ضریب کوپلینگ الکترومکانیکی (ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT)

 

ضریب جفت الکترومکانیکی K جذر نسبت چگالی انرژی الاستیک-دی الکتریک مربع V122 به حاصل ضرب چگالی انرژی الاستیک ذخیره شده V1 و چگالی انرژی دی الکتریک V2 است.

 

سرامیک های پیزوالکتریک معمولاً از پنج ضریب کوپلینگ اساسی زیر استفاده می کنند

 

الف. ضریب جفت الکترومکانیکی صفحه KP ( قطبش و تحریک الکتریکی دیسک نازک را در جهت ضخامت منعکس می کند و پارامتری از اثر جفت الکترومکانیکی در طول ارتعاش کششی شعاعی است.)

 

ب. ضریب جفت الکترومکانیکی عرضی K31 (پارامترهای منعکس کننده اثر جفت الکترومکانیکی نوار باریک در امتداد قطبش جهت ضخامت و تحریک الکتریکی برای ارتعاش کشش طولی.)

 

ج. ضریب جفت الکترومکانیکی طولی K33 (پارامتری که اثر جفت الکترومکانیکی میله نازک را در طول جهت قطبش و تحریک الکتریکی برای ارتعاش کشش طولی منعکس می‌کند.)

 

د. ضریب جفت الکترومکانیکی KT کشش ضخامت

 

E. ضریب کوپلینگ الکترومکانیکی برشی ضخامت K15 (منعکس کننده قطبش صفحه مستطیلی در امتداد جهت طول است، جهت میدان الکتریکی تحریک عمود بر جهت قطبش است و به عنوان پارامتری برای اثر جفت الکترومکانیکی در هنگام ارتعاش برشی ضخامت استفاده می شود.)

 

ثابت کرنش پیزوالکتریک D (PIEZOELECTRIC TRAIN CONSTANT)

 

ثابت کرنش پیزوالکتریک، نسبت تغییر مولفه کرنش SI به تغییر EI ناشی از تغییر مؤلفه میدان الکتریکی E است، در شرایطی که هر دو تنش T و مؤلفه میدان الکتریکی EM (M ≠ I) ثابت باشند.

 

ثابت ولتاژ پیزوالکتریک G (PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)

 

ثابت، نسبت تغییر مولفه شدت میدان الکتریکی EI است که در اثر تغییر مولفه تنش TI به تغییر TI ایجاد می‌شود، با این شرط که جابجایی الکتریکی D و مولفه تنش TN (N ≠ I) هر دو ثابت باشند.

 

دمای کوری TC (CURIE TEMPERATURE)

 

سرامیک های پیزوالکتریک فقط در محدوده دمایی خاصی اثر پیزوالکتریک دارند. TC دمای بحرانی دارد. هنگامی که دما بالاتر از TC است، سرامیک پیزوالکتریک تحت یک انتقال فاز ساختاری قرار می گیرد. این دمای بحرانی TC دمای کوری نامیده می شود.

 

پایداری دما (TEMPERATURE STABILITY)

 

به ویژگی های عملکرد اشاره دارد مبدل های سرامیکی پیزوالکتریک که با دما تغییر می کنند. به طور کلی، دو روش برای توصیف پایداری دما وجود دارد: ضریب دما یا رانش نسبی زیاد.

 

ده برابر نرخ پیری (نرخ پیری در هر دهه) Y یک پارامتر مشخص را نشان می دهد

 

ثابت فرکانس (FREQUENCY CONSTANT)

 

برای حالت های ارتعاشی کشش طول شعاعی و عرضی، ثابت فرکانس حاصل ضرب فرکانس رزونانس سری و بعد عنصر (قطر یا طول) است که این فرکانس را تعیین می کند. برای ضخامت طول طولی و حالت‌های ارتعاش برشی کششی، ثابت فرکانس حاصل ضرب فرکانس تشدید موازی و اندازه ویبراتور (طول یا ضخامت) است که این فرکانس را تعیین می‌کند و واحد آن: HZ.M.