پاورپوینت کامل و جامع با عنوان اثر پیزوالکتریک و سنسورهای پیزوالکتریک در 80 اسلاید - دانلود فایل

دانلود فایل پاورپوینت کامل و جامع با عنوان اثر پیزوالکتریک و سنسورهای پیزوالکتریک در 80 اسلاید

دانلود فایل پاورپوینت کامل و جامع با عنوان اثر پیزوالکتریک و سنسورهای پیزوالکتریک در 80 اسلاید

یکی از ویژگی های غیرمعمولی که برخی سرامیک ها از خود بروز می دهند، پدیدهٔ پیزوالکتریک یا اثر فشاربرقی است. با اعمال نیروی خارجی، دوقطبی های این سرامیک ها تحریک می شوند ومیدان الکتریکی ایجاد می شود. وارون کردن اثر نیرو (مثلاً از کششی به فشاری) جهت میدان را معکوس می کند.
از مواد پیزوالکتریک در مبدل ها و وسایلی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند یا برعکس استفاده می شود. کاربردهای نام آشنایی از جمله پیکاپ گرامافون، میکروفون ها، مولدهای ماوراء صوت و حسگرهای سونار از خاصیت پیزوالکتریک استفاده می کنند. در پیکاپ گرامافون همچنان که قلم شیارهای رکورد را می پیماید یک اختلاف فشار به مادهٔ پیزوالکتریک موجود در پیکاپ وارد می شود که نهایتاً به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. این سیگنال قبل از ورود به بلندگو تقویت می شود. خاصیت پیزوالکتریک یک ویژگی مواد کریستالی دارای ساختار پیچیدهٔ بدون تقارن است. رفتار پیزوالکتریک یک پلی کریستال بوسیلهٔ گرم کردن بالاتر از دمای کوری و سپس خنک کردن تا دمای اتاق در مجاورت میدان الکتریکی قوی بهبود می یابد.
اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد می باشد برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. این اثر را برادران کوری، پی یر و ژاک کوری، در دههٔ ۱۸۸۰ کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز می دهند مواد پیزوالکتریک نامیده می شوند. اثر پیزوالکتریک در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها، سرامیک ها، بسپارها و مواد مرکب دیده می شود. تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل کوارتز تحت کشش یا فشار معکوس هم اند و هر چه میزان فشار یا کشش بیش تر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیش تر است. اثر پیزوالکتریک معکوس به معنی تغییر شکل آن ها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی است. اگر دو وجه روبرویی در هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکتریکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ می دهد و به ارتعاش در می آید.
مقدمهپیزوالکتریک بار الکتریکی ای است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می شود (به ویژه در کریستال ها، بعضی سرامیک ها و مواد آلی مانند استخوان، DNA و پروتئین هایمختلف). واژه پیزوالکتریک یعنی الکتریسیتهٔ ناشی از فشار که از لغت یونانی پیزو به معنای فشردن و الکترون به معنی کهرباگرفته شده است.
اثر پیزوالکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می شود.
اثر پیزوالکتریک یک فرایند برگشت پذیر است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک (تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می کنند اثر پیزوالکتریک معکوس (تولید داخلی نیروی مکانیکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می کنند.
به عنوان مثال سرامیک های ‎PZT (Pb[ZrxTi1-x]O۳ ۰≤x≤۱)‎ اگر به اندازه ۰٫۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه گیری تولید خواهند کرد. برعکس اگر میدان الکتریکی به آن ها اعمال شود به اندازه ۰٫۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد. پیزوالکتریک استفاده های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الکترونیکی، میکروبالانس ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن پرتوهای نور در مقیاس بسیار بزرگ. این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM، AFM، MTA SNOM و... همچنین استفاده های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگار.
سازوکار و ساختمانذات اثر پیزوالکتریک به دوقطبی های الکتریکی لحظه ای در جامدات مربوط می شود. سطح خارجی ممکن است در شبکهٔ کریستالی با بار نامتقارن محیطی تحریک شده باشد (از جمله درBaTiO۳ و PZTها) یا ممکن است مستقیماً توسط گروه های مولکولی حمل شود (به عنوان مثال در نیشکر). چگالی دوقطبی یا پلاریزاسیون [Cm/m۳] به سادگی با نتیجه گیری از دوقطبی های لحظه ای در واحد حجم سلول واحد برای کریستال ها محاسبه می شود. همچنان که هر دوقطبی یک بردار است، چگالی دوقطبی نیز بردار است (یک کمیت برداری است). دوقطبی های نزدیک هم در مناطقی به نام قلمرو ویس جهت گیری می کنند. این قلمروها معمولاً تصادفی جهت دار می شوند اما می توانند توسط فرایند قطبی سازی (با قطبی سازی مغناطیسی متفاوت است) هم جهت شوند، فرایندی که یک میدان الکتریکی قوی (معمولاً در دماهای بالا) به جسم اعمال می شود. تمام مواد پیزوالکتریک قطبی نمی شوند.
نکتهٔ قطعی در مورد اثر پیزوالکتریک تغییر قطبش هنگام اعمال فشار مکانیکی است که ممکن است به علت ایجاد آرایش فضایی جدید دوقطبی ها یا به علت جهت گیری مولکول های قطبی لحظه ای تحت اثر نیروی خارجی باشد سپس خاصیت پیزوالکتریک در اثر تنوع در قدرت دوقطبی ها یا جهت آن ها یا هر دو به وجود آید. این اثر بستگی دارد به:

جهت گیری دوقطبی ها درون کریستال
تقارن کریستال
فشار مکانیکی اعمالی

تغییر در قطبش در تغییر چگالی سطحی بار در سطوح کریستالی ظاهر می شود یعنی تنوع میدان الکتریکی در سطوح، چون که واحد چگالی بار سطحی و قطبش یکسان است ‎[C/m۲] = [Cm/m۳]‎. اگرچه خاصیت پیزوالکتریک بر اثر تغییر در چگالی بار سطحی سبب نمی شود، اما به علت چگالی دو قطبی در سطح سبب می شود. به عنوان مثال اگر به یک سانتی متر مکعب کواتز ۲ کیلونیوتن نیرووارد شود ۱۲۵۰۰ ولت اختلاف پتانسیل ایجاد می کند.
خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شدهٔ رفتار الکتریکی ماده است.
طبقه بندی کریستال هااز ۳۲ گروه کریستال، ۲۱ گروه تقارن مرکزی ندارند و از این ها ۲۰ گروه خاصیت پیزوالکتریک دارند (گروه ۲۱ام کلاس مکعب ۴۳۲ است) که ۱۰ تا از آن ها کلاس کریستال قطبی را نشان می دهند که قطبش خودبه خودی بدون فشار مکانیکی را دارا هستند و خاصیت پیروالکتریک را ذخیره می کنند. اگر دوقطبی لحظه ای توسط میدان الکتریکی معکوس شود به آن ماده فروالکتریک گویند.
کلاس های کریستالی قطبی: ۱، ۲، m، mm۲، ۴، ۴ mm، ۳، ۳m، ۶، ۶ mm.
کلاس های کریستالی پیزوالکتریک: ۱، ۲، m، ۲۲۲، mm۲، ۴، ۴، ۴۲۲، ۴ mm، ۴۲m، ۳، ۳۲، ۳m، ۶، ۶، ۶۲۲، ۶ mm، ۶۲m، ۲۳، ۴۳m.
کریستال های قطبی بدون اعمال فشار مکانیکی نیز قطبی هستند. اثر پیزوالکتریک خود به خود بر اثر قدرت یا جهت قطبش یا هر دو آشکار می شود. از طرف دیگر کریستال های پیزوالکتریک غیرقطبی در اثر ایجاد دو قطبی فقط بر اثر اعمال فشار مکانیکی به وجود می آید. در این کریستال ها، تنش کریستال را از گروه غیرقطبی به گروه قطبی تبدیل می کند.
موادبسیاری مواد چه طبیعی چه ساختهٔ دست بشر پیزوالکتریک را ذخیره می کنند.
کریستال های ذاتی

برلینیت (AlPO۴) یک فسفات معدنی کمیاب که از نظر ساختمانی مشابه کوارتز است
نیشکر
کوارتز
نمک راشل
زبرجد هندی
مواد معدنی گروه تورمالین

سایر مواد طبیعی

استخوان: استخوان بی آب بعضی خواص پیزوالکتریک را ذخیره می کند. مطالعات فوکادا و بقیه نشان داد این ها به خاطر کریستال های آپاتایت که متقارن مرکزی هستند نیست بلکه به خاطر کلاژناست. کلاژن در ساختارش جهت گیری محوری قطبی مولکول های دوقطبی را ذخیره می کند و می توان آن ها را بیوالکترت محسوب کرد، یک نوع مادهٔ دی الکتریک که فضای بار شبه ثابت و بار دوقطبی را ذخیره می کند. وقتی تعدادی از مولکول های کلاژن در یک جهت تحت فشار قرار می گیرند مقدار بار زیادی از داخل به سطح نمونه حمل می شود که انتظار می رود دلیل به وجود آمدن پتانسیل باشد.

اثر پیزوالکتریک عموماً به عنوان یک حسگر نیروی بیولوژیکی عمل می کند. این اثر در تحقیقات انجام شده در دانشگاه پنسیلوانیا در اواخر دهه ۱۹۷۰ و اوایل ۱۹۸۰ به کار گرفته شد که در نتیجه مشخص گردید استفادهٔ پیوسته از پتانسیل الکتریکی می تواند هم تخریب استخوان ها و هم رشد استخوانها را (بسته به پلاریته یا قطبیت آنها) باعث شود. مطالعات بیش تر انجام گرفته در دههٔ ۱۹۹۰ معادلهٔ ریاضی را فراهم نمود که شباهت انتشار موج استخوان های بلند را همانند کریستال های شش گوشه (کلاس ۶) تأیید می کرد.

تاندون
ابریشم
چوب (به علت تار و پود پیزوالکتریک آن)
مینای دندان
عاج دندان

کریستال های دست ساز

گالیم ارتوفسفاته (GaPO۴) کرستالی مشابه کوارتز
لانگاسیت (La3Ga5SiO۱۴)، کرستالی مشابه کوارتز

سرامیک های دست سازخانوادهٔ سرامیک های دارای ساختارهای پروسکایت و یا تنگستن- برنز، خواص پیزوالکتریک از خود نشان می دهند:

تیتانات باریم (BaTiO۳)—(اولین سرامیک پیزوالکتریک کشف شده)
سرب تیتانات (PbTiO۳)
تیتانات زیرکونات سرب (Pb[ZrxTi۱−x]O۳ ۰≤x≤۱
نیوبات پتاسیوم (KNbO۳)
نیوبات لیتیم (LiNbO۳)
لیتیم تانتالات (LiTaO۳)
سدیم تنگستات (Na2WO۳)
Ba2NaNb5O۵
Pb2KNb5O۱۵

پیزوسرامیک های بدون سرباخیراً نگرانی ها در خصوص سمی بودن دستگاه ها و اجزای حاوی سرب افزایش یافته و در این خصوص استفاده از قوانین و مقررات محدودکننده مواد خطرناک را مطرح ساخته است. افزایش این نگرانی ها تأکید بر توسعهٔ کامپوزیتی مواد پیزوالکتریک بدون سرب می باشد.

نیوبات پتاسیوم سدیم (NaKNb)
بیسموت فریت (BiFeO۳)
نیوبات سدیم NaNbO۳

تاکنون، نه اثر محیطی این مواد تأیید شده و نه پایداری این مواد به هنگام تهیهٔ آن ها.
پلیمرهاPVDF خاصیت پیزوالکتریک را چندین بار بیش تر از کوارتز نشان می دهد. بر خلاف سرامیک ها، که در آن ساختار کریستالی ماده به وجود آورندهٔ اثر پیزوالکتریک است، در پلیمرها مولکول های زنجیرهٔ بلند مزدوج هنگامی که در محدودهٔ یک میدان مغناطیسی قرار می گیرند یکدیگر را جذب و دفع می کنند.

فهرست مطالب:
تاریخچه و اساس اثر پیزوالکتریک
اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس
فرآیند تولید
انواع مواد پیزوالکتریک
کریستال های طبیعی
کریستال های مصنوعی
سرامیک های مصنوعی
پلیمرها
مقایسه سرامیک ها و تک بلوره ها
روابط ریاضی مواد پیزوالکتریک
ترانسدیوسرهای پیروالکتریک
کاربرد مواد پیزوالکتریک
شتاب سنج پیزوالکتریک
نوع برشی
نوع خمشی
نوع فشاری
Upright
Inverted Compression
Isolated Compression
فشارسنج پیزوالکتریک
موارد تشخیص سنسور فشار پیزوالکترریک
مزایای سنجش فشار با این نوع سنسور
بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
مدار معادل
اندازه گیری با Charge Amplifier
مثال
مزایا و معایب
مناسب سازی سیگنال
منابع

اثر پیزوالکتریک

سنسور پیزوالکتریک

فشارسنج

شتاب سنج

مقاله