חקר חומרים פיזואלקטריים: סוגים, תכונות והשפעה טכנולוגית

במהלך השנים, ההתקדמות במדע החומרים יצרו חומרים פיזואלקטריים שונים כמו גבישים בודדים, קרמיקה וסרטים דקים.מאמר זה בוחן מקרוב חומרים פיזואלקטריים כולל תכונותיהם, סוגיהם, אופן פעולתם והשימושים שלהם.זה מדגיש את חשיבותם בקישור הנדסת מכונות וחשמל, ומניע חדשנות בתחומים רבים.

קָטָלוֹג

איור 1: חומר פיזואלקטרי

מה זה פיזו?

המילה "פיזו" באה מהמילה היוונית "פיאזין", פירושה "ללחוץ" או "לחץ".זה מתאים היטב לשימושו במדע לצורך פיזואלקטריות.בשנת 1880 גילו הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי את פיזואלקטריות.הם גילו שכאשר גבישים מסוימים כמו טורמלין, קוורץ, טופז ורושל מלח נלחצו, הם ייצרו מטען חשמלי.הם גם ראו כי גבישים אלה יכולים לשנות צורה כאשר הוחל זרם חשמלי ומראה כי התהליך יכול לעבוד בשני הכיוונים.

תגלית זו הובילה ליצירת מכשירים פיזואלקטריים שונים.במהלך מלחמת העולם הראשונה, פיזואלקטריות שימשה בעיקר בגלאי צוללות קולי.כיום משתמשים בחומרים פיזואלקטריים בהרבה דברים.הם נמצאים בפריטים יומיומיים כמו מצתפי סיגריות חשמליות ומדפסות דיו, כמו גם בטכנולוגיות מתקדמות כמו הדמיה אולטרסאונד רפואית ובקרת תנועה מדויקת ברובוטיקה.

סוגי חומרים פיזואלקטריים

איור 2: דוגמאות לחומרים פיזואלקטריים

חומרים פיזואלקטריים קריסטל יחיד

חומרים פיזואלקטריים קריסטליים יחידים מאופיינים בסריג הקריסטל הרציף והאחיד שלהם, ללא גבולות תבואה.מבנה אחיד זה מוביל לרוב ליעילות צימוד אלקטרומכנית טובה יותר בהשוואה לחומרים פיזואלקטריים אחרים.דוגמאות לחומרים כאלה כוללות קוורץ ולנגאסיט.גבישים בודדים אלה מיוצרים בשיטות צמיחה מדויקות כמו תהליך הצוכרלסקי או סינתזה הידרותרמית.הביצועים יוצאי הדופן שלהם הופכים אותם למושלמים ליישומים מדויקים כמו מערכות הדמיה רפואיות מתקדמות, מהודדים ומסננים של טלקומוניקציה, ומעקב אחר רטט בחלל.

איור 3: חומר פייזו קריסטל קוורץ

חומרים פיזואלקטריים קרמיים

קרמיקה פיזואלקטרית מיוצרת מחומרים מובנים perovskite כמו Titanate Zirconate Lead (PZT).חומרים אלה הם פוליקריסטליים ונוצרים על ידי חומרים אבקתיים של סינון.המאפיינים הפיזואלקטריים שלהם מפותחים באמצעות תהליך ליטוי ומיישר את הדיפוליות החשמליות על ידי יישום שדה חשמלי חיצוני.ניתן לעצב בקלות קרמיקה זו לצורות וגדלים שונים.העמידות והיעילות שלהם הופכים אותם לפופולאריים לשימוש במפעילים, חיישנים, מתמרים קוליים וזמזרי אלקטרוניקה לצרכן.

איור 4: מבנה קרמיקה פיזואלקטרית מסוג PZT

סרט דק של חומרים פיזואלקטריים

פייזואלקטריה של סרט דק מיוצרים על ידי הפקדת שכבות הנעים בין כמה ננומטרים למספר מיקרומטר בעובי בטכניקות ייצור מתקדמות כמו פיצוץ, תצהיר אדים כימי או תמצית לייזר פועם.חומרים נפוצים המשמשים בסרטים דקים כוללים PZT, תחמוצת אבץ (ZNO) ואלומיניום ניטריד (ALN).הרזון של סרטים אלה מאפשר לשלב אותם במערכות מיקרו -אלקטרומכניות (MEMS) ובמערכות ננו -אלקטרומכניות (NEMS), ולשפר את הפונקציונליות שלהם במכשירים קומפקטיים כמו מיקרופונים, מיקרו -מכוניות ומערכי חיישנים מתקדמים.תאימותם לתהליכי מוליכים למחצה ומדרגיות סטנדרטיים הופכים אותם למתאימים למעגלים משולבים ואלקטרוניקה גמישה.

איור 5: סרטים דקים של אלן פיזואלקטריים

איור 6: אלמנטים בפיזו בתפזורת

בחירה בין סרט דק לחומרים פיזואלקטריים בתפזורת תלויה בצרכים הספציפיים של היישום לדיוק, כוח ועמידות.חומרי פיזו של סרט דק מתאימים לטכנולוגיות בקנה מידה קטן.לעומת זאת, חומרי פיזו בתפזורת עדיפים ביישומים תובעניים יותר בקנה מידה גדול יותר.הטבלה שלהלן משווה בין חומרי פיזו של סרט דק וחומרי פיזו בתפזורת על בסיס עוביים, טכניקות ייצור, תכונות עיקריות ויישומים.

קָטֵגוֹרִיָה	חומרי פיזו של סרט דק	חומרי פיזו בתפזורת
עוֹבִי	כמה ננומטרים למספר מיקרומטר	כמה מילימטרים לסנטימטרים
טכניקות ייצור	התצהיר לייזר פועם, פועם, תצהיר אדי כימי	לחיצה, שחול, עיבוד שבבי
תכונות	תגובה בתדר גבוה: תגובה מהירה פִּי	ייצור חשמל גבוה: מייצר כוח תחת לחץ מכני
	גמישות: חלה על גמישה משטחים	עמידות: חזק ועמיד, מתאים לעומסים כבדים ותנאים קשים
	דיוק: שליטה מדויקת על א רמה מיקרוסקופית	רב -גוניות: מעוצב בקלות ובגודל צרכים ספציפיים
יישומים	מיקרואלקטרוניקה ו- MEMS: תאוצה, גירוסקופים, ראשי מדפסת דיו	קציר אנרגיה: ממיר מכני מתח מתנודות לאנרגיה חשמלית
	מכשירים רפואיים: מתמרים קוליים להדמיה וטיפול	מפעילים וחיישנים: מפעילים גדולים ב תעשיות רכב וחלל, חיישנים בעומס גבוה
	טלקומוניקציה: פילטרים ו תהודה בטלפונים ניידים ומכשירי תקשורת	סונאר ומכשירים קוליים: סונאר מערכות לשימוש ימי, חומרי ניקוי קוליים תעשייתיים

שיטות PZT ותצהיר דק-סרט

חומרי Titanate Zirconate Titanate (PZT) של סרט דק משמשים בחיישנים, מפעילים ומערכות מיקרו-אלקטרומכניות (MEMS) בגלל התכונות הפיזואלקטריות הגדולות שלהם.ההרכב והיעילות של סרטים דקים של PZT תלויים רבות בשיטות ההפקדה שלהם שעשויות להשפיע על המבנה, האוריינטציה והביצועים הפיזואלקטריים שלהם.שלוש טכניקות ההפקדה העיקריות: סול-ג'ל, פיזוק ותצהיר אדים כימי אורגני מתכת (MOCVD).

איור 7: סרט דק גמיש PZT

תהליך סול-ג'ל

תהליך ה- SOL-Gel הוא דרך חסכונית להפקיד סרטים דקים של PZT ולאפשר שליטה על הרכב הסרטים ברמה המולקולרית.טכניקה זו מתחילה בהכנת פיתרון קולואידי (SOL) שהופך לג'ל.צעדים חשובים כוללים הידרוליזציה ופילמור אלוקוקסידים מתכתיים.הג'ל שהתקבל מיושם על מצע באמצעות ציפוי ספין או ציפוי טבילה, ואחריו טיפול בחום להסרת רכיבים אורגניים ולהגבשת שלב ה- PZT.

איור 8: תהליך סול-ג'ל לסרטים דקים של PZT

יתרונות

• מאפשר שליטה נאה על סטואיציומטריה, שיפור תכונות פיזואלקטריות

• משתמש בטמפרטורות נמוכות יותר בהשוואה לשיטות אחרות

אתגרים

• קשה לקבל עובי והרכב עקבי על פני אזורים גדולים

• הצטמקות גבוהה במהלך ייבוש וירי גורמת לעיתים קרובות לסדקים

פיזורים

התזת היא טכניקת תצהיר אדי פיזי (PVD) בה חלקיקי אנרגיה גבוהה מורידים חומר ממטרה ואז מפקד על מצע.עבור סרטי PZT, משתמשים בפיזוט של RF Magnetron הכולל פלזמה של יוני ארגון הפוגעים ביעד PZT.

איור 9: שיטת התצהיר התצהיר של תצהיר סרט דק

יתרונות

• מפיק סרטים עם הידבקות וצפיפות טובה

• מתאים לציפוי מצעים גדולים באופן אחיד

אתגרים

• מתח יכול להצטבר בסרטים המשפיעים על תכונותיהם

• הרכב היעד עשוי להשתנות במהלך התזת עקב תשואות פיזור דיפרנציאליות

תצהיר אדים כימי מתכת אורגני (MOCVD)

MOCVD כרוך בפירוק מקדימים אורגניים מתכתיים בשלב אדים ומגיב או מתפרק על מצע מחומם ליצירת סרט דק.עדיף שיטה זו על מנת לייצר סרטים בעלי טוהר גבוה וגובש היטב המתאימים ליישומים אלקטרוניים.

יתרונות

• מספק אחידות קולנוע מעולה ותאימות אפילו על מצעים בצורת מורכבים

• טוב לייצור בנפח גבוה

אתגרים

• דורש טמפרטורות גבוהות יותר מאשר שיטות אחרות

• טיפול ואחסון של מבשרי מתכת-אורגניים יכולים להיות מסוכנים

איור 10: תצהיר אדי כימי מתכת אורגני

כיצד חומרים פועלים תחת לחץ

התנהגות תחת דחיסה

כאשר חומרים כמו קוורץ או בריום טיטנאט נלחצים, הם משתנים בדרכים המשפיעות על השימוש שלהם במכשירים שונים.לחומרים אלה יש מבנים מיוחדים שיוצרים מטענים חשמליים כאשר הם נלחצים.כאשר הם דחוסים, הם מתכווצים והמבנה הפנימי שלהם משתנה.

סחיטה זו גורמת למטענים החשמליים בתוך הקריסטל מופצים בצורה לא אחידה.הלחץ מעביר יונים במבנה הגביש ויוצר שדה חשמלי.זה קורה מכיוון שהמטען החיובי והשלילי מתרכז בשינוי החומרי.כמות התגובה החשמלית תלויה בסוג הגביש, בכוח המופעל ובכיוון של הגביש ביחס לכוח.

לדוגמה, בחיישנים, המתח המיוצר על ידי הגבישים יכול למדוד את הכוח המופעל והופך אותם למושלמים לגילוי עומסי לחץ ומעקב.במפעילים, יישום שדה חשמלי יכול להפוך את צורת שינוי הגביש, ומאפשר שליטה מדויקת על תנועות בדברים כמו מכשירים קוליים ומזרקי דלק מכוניות.

איור 11: חומרים פיזואלקטריים עבודות

תגובה פיזואלקטרית ללחץ

כאשר חומרים פיזואלקטריים מתמודדים עם לחץ מכני, המולקולות שלהם מתאימות, ומשפיעות על תכונותיהם החשמליות.הכוח משנה את המבנה המולקולרי, מיישר אזורים עם כיוון חשמלי אחיד, מגביר את הקיטוב החשמלי.

יישור זה מגביר את הפרדת המטען בחומר ומשפר את הקיטוב החשמלי שלו.במילים פשוטות, הלחץ הופך את הדיפולות (מולקולות עם שני מטענים הפוכים) אחידים יותר, ויוצרים שדה חשמלי חזק יותר לכוח נתון.

היכולת לשלוט בתגובה זו במדויק בלחצים שונים הופכת את החומרים הפיזואלקטריים לשימושיים מאוד בטכנולוגיות רבות.היכולת שלהם להמיר לחץ מכני לאותות חשמליים ולהיפך מאפשרת להשתמש בהם ביעילות במשימות כמו יצירת תדרים אלקטרוניים מדויקים ומעקב אחר תנודות בהגדרות תעשייתיות.

האפקט הפיזואלקטרי

איור 12: האפקט הפיזואלקטרי

הפיכת אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית עם האפקט הפיזואלקטרי

האפקט הפיזואלקטרי משנה אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית על ידי עיוות חומרי קריסטל מסוימים.חומרים אלה, המכונה פיזואלקטריקה כוללים חומרים טבעיים כמו קוורץ ואלה סינתטיים כמו קרמיקה מתקדמת.

כאשר חומר פיזואלקטרי עומד בפני לחץ מכני כמו סחיטה, מעוות או כפוף, מבנה הגביש שלו, אין לו סימטריה מרכזית ומופרע.הפרעה זו מעבירה את מרכזי המטען בקריסטל הגורמת לקיטוב ויוצרת פוטנציאל חשמלי בנקודות מסוימות בחומר.

נקודות מפתח בתהליך זה:

המטען החשמלי המיוצר תואם את כמות הלחץ המכני המופעל.משמעות הדבר היא כי ניתן לשלוט במדויק על התפוקה החשמלית על בסיס הכוח הידוע המופעל;

כאשר הכוח מוסר, החומר חוזר למצבו המקורי והמטען החשמלי נעלם.זה מבטיח את העמידות והאמינות של החומר טוב למכשירים שצריכים לעבוד שוב ושוב.

הפיכת אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית עם האפקט הפיזואלקטרי ההפוך

האפקט הפיזואלקטרי ההפוך משנה אנרגיה חשמלית חזרה לאנרגיה מכנית.החלת מתח חשמלי על חומר פיזואלקטרי יוצר שדה חשמלי המשנה את מבנה סריג הקריסטל, ומשנה את ממדי החומר.

השפעה זו משמשת במפעילי דיוק במכשירים אופטיים ומערכות מיקום מיקרו.האפקט הפיזואלקטרי ההפוך מבטיח שתשומות חשמל קטנות יביאו להתאמות מכניות מדויקות ומבוקרות, ומסייעות להתקדמות ברובוטיקה, טכנולוגיית רכב, מכשירים רפואיים וטלקומוניקציה.

היכולת הכפולה של האפקט הפיזואלקטרי לפעול הן כמתמר מכני-חשמלי והן מתמר חשמלי-מכני תומך בהתקדמות טכנולוגית.זה מחבר בין התחומים המכניים והחשמליים, מרחיב את ההנדסה והחדשנות המודרניים.

איור 13: אפקט פיזואלקטרי ישיר והפוך

השוואה בין חומרים לא-פיזואלקטריים ופיזואלקטריים

חומרים שאינם פיזואלקטריים ופייזואלקטריים שונים באופן שבו הם מטפלים באנרגיה מכנית וחשמלית.חומרים שאינם פיזואלקטריים כמו פלדה ואלומיניום יכולים לערוך חשמל אך אינם יוצרים מטען חשמלי כאשר הוא לחוץ.חומרים פיזואלקטריים, כמו קוורץ וקרמיקה מסוימת, יכולים לשנות אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית בגלל מבנה הקריסטל המיוחד שלהם.

לחומרים שאינם פיזואלקטריים יש סריגי קריסטל סימטריים, כך שהם לא מייצרים דיפול חשמלי כאשר הם לחוצים.לחומרים פיזואלקטריים יש סריגי קריסטל א -סימטריים, המאפשרים להם לייצר מטען חשמלי כאשר הם נמצאים תחת לחץ.עיוות זה גורם לקיטוב פנימי וליצור פוטנציאל חשמלי.

חומרים שאינם פיזואלקטריים מתנהגים כמו מוליכים רגילים או מבודדים על בסיס ניידות האלקטרונים שלהם ומבנה הלהקה שלהם והם אינם יוצרים מטען חשמלי כאשר הם מעוותים.חומרים פיזואלקטריים מראים שתי השפעות: האפקט הפיזואלקטרי הישיר, כאשר לחץ מכני מייצר מטען חשמלי, וההשפעה הפיזואלקטרית ההפוכה, כאשר שדה חשמלי גורם לעיוות מכני.מאפיינים אלה הופכים חומרים פיזואלקטריים המתאימים לשימוש בחיישנים ומפעילים.

בשל תכונותיהם השונות, חומרים שאינם פייזואלקטריים ופיזואלקטריים משמשים ביישומים שונים.חומרים שאינם פיזואלקטריים משמשים ברכיבים מבניים, חיווט חשמלי וחלקים אלקטרוניים סטנדרטיים שבהם חוזק ומוליכות חשובים.חומרים פיזואלקטריים משמשים בתחומים הדורשים בקרה מדויקת והמרת אנרגיה מכנית-חשמלית, כגון ציוד אולטראסאונד, מכשירי מיקום מדויקים, וחיישנים ומפעילים שונים הטובים לטכנולוגיות מתקדמות.

יישומים של פיזואלקטריות

אלקטרוניקה צרכנית: בסמארטפונים ובמכשירים אחרים, חלקים פיזואלקטריים משמשים ברמקולים ובמיקרופונים.הם הופכים אותות חשמליים לתנודות קול או רעידות קול לאותות חשמליים לכניסת שמע.

תעשיית הרכב: מכוניות מודרניות משתמשות בחיישנים פיזואלקטריים למטרות רבות כמו שליטה על הזרקת הדלק במנועים ומעקב אחר לחץ הצמיגים.

ניטור סביבתי: חיישנים פיזואלקטריים מזהים שינויים בלחץ, תנודות וצלילים.הם משמשים לבדיקת תנאים סביבתיים ולהבטיח את בטיחות הבניינים והגשרים.

קציר אנרגיה: חומרים פיזואלקטריים יכולים לתפוס אנרגיה ממתח מכני.לדוגמה, רצפות שממירות צעדים לאנרגיה חשמלית יכולות כוח ואלקטרוניקה באזורים עמוסים, ומסייעות ביצירת סביבות בר -קיימא.

מצתרים פיזואלקטריים מתח גבוה: מציתים אלה המשמשים לתנורי גז ומנגלים ויוצרים מתח גבוה מלחיצה מכנית קטנה, ומייצרים ניצוץ להדלקת המבער.זה מראה על השימוש המעשי בחומרים פיזואלקטריים.

הדמיה רפואית: גבישים פיזואלקטריים מועילים במכונות אולטרסאונד.הם מייצרים גלי קול שמקפצים רקמות ואיברים, ויוצרים תמונות לאבחון.

מפעילי דיוק במכשירים מדעיים: חומרים פיזואלקטריים במפעילי דיוק יוצרים תנועות זעירות לאופטיקה וננו -טכנולוגיה.מפעילים אלה מתאימים מראות, עדשות וחלקים אחרים עם דיוק מיקרוסקופי למחקר מדעי וייצור מוליכים למחצה.

מַסְקָנָה

לימוד חומרים פיזואלקטריים מראה קשר חזק בין פיזיקה להנדסה, ומדגים כיצד ניתן להשתמש בתכונות הטבעיות שלהם למטרות טכנולוגיות רבות.הרבגוניות של חומרים פיזואלקטריים הזמינים כחומרים בתפזורת חזקים וכסרטים דקים גמישים, הופכת אותם למתאימים ליישומים שונים, כמו קציר אנרגיה, ניטור סביבתי ופיתוח טכנולוגיות בר -קיימא.ככל שנמשך החדשנות, מחקר ופיתוח בחומרים פיזואלקטריים חשובים יותר, ומבטיחים שיפורים ביעילות, דיוק ופונקציונליות לטכנולוגיות עתידיות.

שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]

1. מה גורם לייצור חשמל מאפקט פיזואלקטרי?

ההשפעה הפיזואלקטרית מתרחשת כאשר חומרים מסוימים מייצרים מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני.חומרים אלה, גבישים כמו קוורץ, קרמיקה כמו בריום טיטנאט וכמה פולימרים, הם בעלי מבנה סריג גביש שאינו צמרום, כלומר הוא חסר מרכז סימטריה.כאשר מיושם כוח מכני כמו לחץ או רטט, מבנה זה מתעוות.עיוות זה מעביר את היונים בתוך הסריג, ויוצר אזורים עם מטענים חיוביים ושליליים.ההפרדה המרחבית של מטענים אלה גורמת לפוטנציאל חשמלי המייצר חשמל.השפעה זו הפיכה ויישום שדה חשמלי על חומרים אלה תגרום גם ללחץ מכני.

2. איזה מכשיר משתמש באפקט הפיזואלקטרי?

מכשירים המשתמשים באפקט הפיזואלקטרי מגוונים וכוללים ציוד יומיומי ומיוחד כאחד.יישומים נפוצים הם:

שעוני קוורץ: שימוש בתנודות הרגילות של קוורץ תחת שדה חשמלי כדי לשמור על זמן במדויק.

מכשירי אולטרסאונד רפואיים: יצירת גלי קול המהדהדים בתוך הגוף ליצירת תמונות אבחון.

מזרקי דלק במכוניות: שימוש במפעילים פיזואלקטריים כדי לשלוט בתזמון וכמות הדלק המוזרק לצילינדרים המנועיים.

חיישנים פיזואלקטריים ומאיץ תאוצה: מדידת שינויים בלחץ, בהאצה, במתח או בכוח על ידי המרתם לאות חשמלי.

3. כמה וולט הוא פייזו?

תפוקת המתח של אלמנט פיזואלקטרי יכולה להשתנות באופן נרחב בהתאם לגודלו, בחומרו ובכמות הלחץ המכני המופעל.אלמנט פיוזו קטן כמו אלה שנמצאים במתלים או במכשירים אלקטרוניים יכול לייצר ספייק מתח שנע בין כמה וולט לכמה מאות וולט.עם זאת, תפוקות אלה הן בדרך כלל בזרמים נמוכים מאוד ואחרונים רק מיקרו -שניות.

4. האם פייזו זקוק לנגד?

ביישומים רבים משתמשים בנגד עם אלמנט פיזואלקטרי כדי להגביל את הזרם ולהגן על רכיבים אחרים במעגל מפני ספייק המתח הגבוה המיוצר כאשר מופעל הפיזו.ערך הנגד תלוי בדרישות הספציפיות של המעגל כולל זמן התגובה הרצוי והרגישות.ללא נגד, הפיזו יכול לפגוע ברכיבים אלקטרוניים מחוברים בגלל ספייק המתח הראשוני הגבוה.

5. כיצד קשור פיזואלקטרי לכוח אנושי?

ההשפעה הפיזואלקטרית חלה ישירות על רתימת הכוח האנושי בדרכים חדשניות.זה יכול להמיר אנרגיה מכנית מפעילויות אנושיות, כגון הליכה או לחיצה על כפתורים, לאנרגיה חשמלית.טכנולוגיה זו נבדקת ביישומים שונים:

אריחי רצפה מפעילים באנרגיה: אריחים אלה מייצרים חשמל מלחץ הנפילות באזורים עמוסים כמו תחנות רכבת תחתית או קניונים.

טכנולוגיה לבישה: הטמעת חומרים פיזואלקטריים בנעליים או בגדים כדי לייצר כוח למכשירים קטנים באמצעות תנועות גוף רגילות.

שתלים רפואיים: שימוש בתנועות גוף למכשירי חשמל כמו קוצבי לב, צמצום או ביטול הצורך בסוללות חיצוניות.