اثر پیزوالکتریک سرامیک های پیزوالکتریک

هنگامی که سرامیک پیزوالکتریک پلاریزه می شود، یک قطبش میدان باقیمانده قوی در داخل مواد سرامیکی وجود دارد. هنگامی که ماده سرامیکی تحت یک نیروی خارجی قرار می گیرد، مرز دامنه حرکت می کند باعث تغییر در شدت قطبش و در نتیجه اثر پیزوالکتریک می شود.

 سرامیک پیزوالکتریک پلاریزه دارای ضریب پیزوالکتریک بسیار بالایی است که حدود چند صد برابر کریستال کوارتز است، اما استحکام مکانیکی آن کمتر از کریستال کوارتز است.

مبدل صفحه پیزوسرامیک موادی مانند فروالکتریک و مواد پیزوالکتریک پلی کریستالی ساخته شده مصنوعی هستند که ساختار حوزه ای مشابه ساختار حوزه مغناطیسی مواد فرومغناطیسی دارند. دامنه ناحیه ای است که در آن یک مولکول به طور خود به خود تشکیل می شود. جهت قطبش مشخصی دارد، به طوری که میدان الکتریکی خاصی وجود دارد. در غیاب میدان الکتریکی خارجی، حوزه‌های منفرد به‌طور تصادفی روی کریستال توزیع می‌شوند و اثرات پلاریزاسیون آن‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند، بنابراین سرامیک پیزوالکتریک اصلی دارای قطبش داخلی صفر است.

با این حال، هنگامی که ولت متر برای اندازه گیری به دو الکترود ورق سرامیکی متصل شد، قطبش موجود در داخل ورق سرامیکی قابل اندازه گیری نبود. این به این دلیل است که پلاریزاسیون در ورق پیزوسرامیک همیشه به صورت یک گشتاور دوقطبی الکتریکی بیان می‌شود، یعنی یک بار مثبت در یک سر سرامیک و یک بار محدود شده منفی در انتهای دیگر رخ می‌دهد. به دلیل عمل بار محدود، باری از خارج بر روی سطح الکترود ورق سرامیکی جذب می شود. این شارژهای رایگان برابر با علامت شارژ محدود در ورق سرامیکی است که برای محافظت و مقابله با اثرات قطبش درون ورق سرامیکی بر دنیای خارج عمل می کند. بنابراین، ولت متر نمی تواند درجه پلاریزاسیون را در ورق سرامیکی اندازه گیری کند.

چنانچه فشار F موازی با جهت پلاریزاسیون روی ورق سرامیکی اعمال شود، همانطور که در شکل نشان داده شده است، ورق سرامیکی دچار تغییر شکل فشاری می شود (خط چین در شکل)، فاصله بین بارهای کران مثبت و منفی در ورق کوچکتر می شود و شدت پلاریزاسیون نیز تغییر می کند. بنابراین، بخشی از بار آزاد که در ابتدا روی الکترود جذب شده بود آزاد می شود و یک پدیده بار رخ می دهد. هنگامی که فشار برداشته می شود، قطعه سرامیکی به حالت اولیه خود باز می گردد (این یک فرآیند انبساط است)، فاصله بین بارهای مثبت و منفی در فیلم بزرگتر می شود و شدت قطبش نیز بزرگتر می شود، به طوری که مقداری بارهای آزاد بر روی الکترود جذب می شود و پدیده شارژ رخ می دهد.

به طور مشابه، اگر یک میدان الکتریکی با جهت قطبش یکسان از سرامیک پیزو پرقدرت به ورق سرامیکی اعمال شود، همانطور که در شکل نشان داده شده است، از آنجایی که جهت میدان الکتریکی با جهت قطبش یکسان است، عمل میدان الکتریکی باعث افزایش پلاریزاسیون می شود. در این زمان فاصله بین بارهای کران مثبت و منفی در ورق سرامیکی نیز افزایش می یابد، یعنی ورق سرامیکی در جهت قطبش کشیده می شود (خط شکسته در شکل). به همین ترتیب، اگر جهت میدان الکتریکی اعمال شده مخالف جهت پلاریزاسیون باشد، ورق سرامیکی در جهت قطبش کوتاه می شود. این پدیده تبدیل شدن به یک اثر مکانیکی در اثر یک اثر الکتریکی یا انتقال از انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی یک اثر پیزوالکتریک معکوس است.

   

مشاهده می شود که سرامیک پیزوالکتریک به دلیل قطبش خود به خود در داخل سرامیک اثر پیزوالکتریک دارد. پس از اینکه پلاریزاسیون خود به خودی تحت فرآیند پلاریزاسیون قرار گرفت و مجبور به تراز شدن شد، قطبش باقیمانده در سرامیک وجود دارد. اگر عمل خارجی (مانند عمل فشار یا میدان الکتریکی) بتواند قطبش را تغییر دهد، سرامیک پیزو اثر پیزوالکتریک خواهد داشت. علاوه بر این، مشاهده می شود که بارهای پلاریزه شده در سرامیک، بارهای باند است، شارژ آزاد نمی کند و این بارهای متصل نمی توانند آزادانه حرکت کنند. بنابراین، پدیده تخلیه یا شارژ تولید شده در سرامیک ناشی از تغییر قطبش داخلی سرامیک است که باعث آزاد شدن یا دوباره پر شدن بار آزاد در سطح الکترود می شود.

هنگامی که سرامیک پیزوالکتریک در جهت پلاریزاسیون (جهت Z) بر روی صفحه پلاریزاسیون (یعنی نیرو عمود بر صفحه پلاریزاسیون است) تحت نیروی Fz قرار می گیرد، سپس بر روی دو صفحه پلاریزاسیون با روکش نقره (یا طلا)، به ترتیب بارهای مثبت و منفی ظاهر می شود، مقدار بار Qzz متناسب با نیروی Fz است:

مواد پیزوالکتریک:

کریستال های پیزوالکتریک، مانند کوارتز؛
سرامیک های پیزوالکتریک، مانند تیتانات باریم، تیتانات زیرکونات سرب و غیره؛
نیمه هادی های پیزوالکتریک مانند سولفید روی، تلورید کادمیوم و مانند آن.
        
الزامات برای خواص مواد پیزوالکتریک:

مزایای برجسته نوارهای سرامیکی پیزوالکتریک کریستال های کوارتز برای عملکرد، استحکام مکانیکی بالا و خواص عایق عالی بسیار پایدار است. با این حال، مواد کوارتز گران هستند و ضریب پیزوالکتریک بسیار کمتری نسبت به سرامیک های پیزوالکتریک دارند. بنابراین، به طور کلی فقط در ابزارهای استاندارد یا سنسورهایی که نیاز به الزامات بالاتری دارند استفاده می شود. از آنجایی که کوارتز یک کریستال ناهمسانگرد است، خواص فیزیکی (مانند خاصیت ارتجاعی، اثر پیزوالکتریک، مشخصات دما و غیره) ویفرهایی که در جهات مختلف بریده شده اند بسیار متفاوت است. به منظور طراحی سنسور کوارتز، شکل برش کوارتز با توجه به نیازهای کاربردی مختلف به درستی انتخاب می شود.