اصل و طبقه بندی مواد مبدل سرامیکی پیزوالکتریک التراسونیک

اصل اثر پیزوالکتریک یک ورق سرامیکی پیزوالکتریک اولتراسونیک این است که اگر فشار به یک ماده پیزوالکتریک اعمال شود، اختلاف پتانسیل ایجاد می کند (به نام اثر پیزوالکتریک مثبت) و اگر ولتاژ اعمال شود، استرس مکانیکی ایجاد می کند (به نام اثر پیزوالکتریک معکوس). حلقه عناصر پیزوسرامیک ). اگر فشار ارتعاش فرکانس بالا باشد جریان فرکانس بالا تولید می شود. هنگامی که یک سیگنال الکتریکی با فرکانس بالا به یک سرامیک پیزوالکتریک اعمال می شود، یک سیگنال صوتی با فرکانس بالا (ارتعاش مکانیکی) تولید می شود که معمولاً آن را سیگنال اولتراسونیک می نامیم. به عبارت دیگر، سرامیک های پیزوالکتریک وظیفه تبدیل و تبدیل معکوس بین انرژی مکانیکی و انرژی الکتریکی را دارند. این رابطه متقابل بسیار جالب است.

به کریستال های سرامیکی پیزوالکتریک و عناصر پیزوسرامیک اولتراسونیک کریستال های پیزوالکتریک معمولاً به تک کریستال های پیزوالکتریک و سرامیک های پیزوالکتریک معمولاً به پلی کریستال های پیزوالکتریک اشاره می کنند. سرامیک های پیزوالکتریک نوعی پلی کریستال هستند که از اختلاط، قالب گیری و تف جوشی مواد اولیه با دمای بالا با اجزای لازم و همچنین ذرات ریز نامنظم حاصل از واکنش فاز جامد و تف جوشی بین ذرات به وجود می آیند. صفحات سرامیکی پیزو با خواص پیزوالکتریک را سرامیک های پیزوالکتریک می نامند که در واقع پیزوسرامیک فروالکتریک هستند. دانه های این پیزوسرامیک دارای حوزه های فروالکتریک هستند. حوزه فروالکتریک از 180 حوزه با جهت قطبش خود به خودی ضد موازی و 90 حوزه با جهت قطبش خود به خودی عمود بر هم تشکیل شده است. تحت شرایط پلاریزاسیون مصنوعی (کاربرد میدان الکتریکی DC تقویت‌شده)، این حوزه‌ها کاملاً در جهت میدان الکتریکی خارجی قرار دارند و پس از حذف میدان الکتریکی خارجی، قدرت قطبش باقی‌مانده حفظ می‌شود، بنابراین دارای ویژگی‌های پیزوالکتریک ماکروسکوپی هستند. مثلاً باریم تیتانات Bt، سرب زیرکونات تیتانات PZT، سرب زیرکونات تیتانات اصلاح شده، متانیوبات سرب، نیوبات سرب لیتیوم باریم pbln، تیتانات سرب اصلاح شده pt و مانند آن. توسعه موفقیت آمیز این ماده PZT باعث بهبود و بهبود عملکرد دستگاه های مختلف پیزوالکتریک مبدل های اولتراسونیک آکوستیک و سنسورهای پیزوالکتریک شده است.

اثر پیزوالکتریک ورق سرامیکی پیزوالکتریک اولتراسونیک به این معنی است که ساختار برخی از مواد تک کریستال پیزو دارای ویژگی های نامتقارن است. هنگامی که این مواد PZT تحت تنش و کرنش اعمالی قرار می گیرند، تغییرات (تغییر شکل) در ساختار شبکه داخلی اصالت خنثی الکتریکی را از بین می برد. حالت ماکروسکوپی یک میدان الکتریکی پلاریزه (قطبی شدن) ایجاد می کند و میدان الکتریکی تولید شده (شدت قطبش) متناسب با بزرگی کرنش است. این پدیده اثر پیزوالکتریک مثبت نامیده می شود که توسط برادران کوری در سال 1880 کشف شد. بعداً در سال 1881 بیشتر کشف شد که این ماده تک کریستالی دارای اثر پیزوالکتریک معکوس نیز می باشد. هنگامی که ماده ای با اثر پیزوالکتریک مثبت تحت یک میدان الکتریکی خارجی قرار می گیرد، تنش و کرنش ایجاد می شود و کرنش متناسب با بزرگی میدان الکتریکی خارجی است. اثر پیزوالکتریک یکی از ویژگی‌های ساختار بلوری است که مربوط به عدم تقارن ساختار بلوری است و بزرگی و ماهیت اثر پیزوالکتریک به جهت تنش اعمال شده یا میدان الکتریکی نسبت به محور کریستال مربوط می‌شود. انواع PZT تک وجود دارد مواد کریستال سرامیکی پیزو پر قدرت با اثرات پیزوالکتریک، مانند کریستال های کوارتز طبیعی (SiO 2) و مواد تک کریستال مصنوعی، مانند سولفات لیتیوم (Li2SO4)، نیوبات لیتیوم (LiNbO3) و موارد مشابه.