Piezoelektrik Materyalleri Keşfetmek: Türler, Özellikler ve Teknolojik Etki

Yıllar boyunca, malzeme bilimindeki gelişmeler, tek kristaller, seramikler ve ince filmler gibi farklı piezoelektrik malzemeler yaratmıştır.Bu makale, özellikleri, türleri, nasıl çalıştıkları ve kullanımları dahil olmak üzere piezoelektrik malzemelere yakından bakıyor.Mekanik ve elektrik mühendisliğini birbirine bağlamadaki, birçok alanda inovasyonu artırmada önemlerini vurgulamaktadır.

Katalog

Şekil 1: piezoelektrik malzeme

Piezo nedir?

"Piezo" kelimesi Yunanca "piezein" kelimesinden gelir, "bastırmak" veya "basınç" anlamına gelir.Bu, piezoelektrik için bilimde kullanımı ile iyi uyuyor.1880'de Fransız fizikçiler Jacques ve Pierre Curie piezoelektrikliği keşfettiler.Turmalin, kuvars, topaz ve Rochelle tuzu gibi bazı kristallerin basıldığında, bir elektrik yükü ürettiklerini buldular.Ayrıca, bir elektrik akımı uygulandığında bu kristallerin şekli değiştirebileceğini gördüler.

Bu keşif çeşitli piezoelektrik cihazların oluşturulmasına yol açtı.I. Dünya Savaşı sırasında piezoelektrik esas olarak ultrasonik denizaltı dedektörlerinde kullanılmıştır.Bugün, piezoelektrik malzemeler birçok şeyde kullanılmaktadır.Elektrikli sigara çakmakları ve mürekkep püskürtmeli yazıcılar gibi günlük ürünlerde ve robotiklerde tıbbi ultrason görüntüleme ve hassas hareket kontrolü gibi gelişmiş teknolojilerde bulunurlar.

Piezoelektrik malzeme türleri

Şekil 2: Piezoelektrik malzemelerin örnekleri

Tek kristal piezoelektrik malzemeler

Tek kristal piezoelektrik malzemeler, tahıl sınırları olmayan sürekli ve muntazam kristal kafesleri ile karakterizedir.Bu düzgün yapı genellikle diğer piezoelektrik malzemelere kıyasla daha iyi elektromekanik bağlantı verimliliğine yol açar.Bu tür malzemelerin örnekleri kuvars ve langasit içerir.Bu tek kristaller, czochralski işlemi veya hidrotermal sentez gibi hassas büyüme yöntemleri kullanılarak üretilir.Olağanüstü performansları, gelişmiş tıbbi görüntüleme sistemleri, telekomünikasyon rezonatörleri ve filtreleri ve havacılıkta titreşim izleme gibi hassas uygulamalar için onları mükemmel hale getirir.

Şekil 3: Piezo Kristal Kuvars Malzemesi

Seramik piezoelektrik malzemeler

Piezoelektrik seramikler, kurşun zirkonat titanat (PZT) gibi perovskit yapılandırılmış malzemelerden yapılır.Bu malzemeler polikristalindir ve tozlu maddeleri sinterleme ile oluşturulur.Piezoelektrik özellikleri bir poling işlemi yoluyla geliştirilir ve harici bir elektrik alanı uygulayarak elektrik dipollerini hizalar.Bu seramikler kolayca çeşitli form ve boyutlarda şekillendirilebilir.Dayanıklılık ve maliyet etkinlikleri onları aktüatörlerde, sensörlerde, ultrasonik dönüştürücülerde ve tüketici elektronik buzzerlerinde kullanım için popüler hale getirir.

Şekil 4: PZT tipi piezoelektrik seramik yapısı

İnce film piezoelektrik malzemeleri

İnce film piezoelektrikleri, püskürtme, kimyasal buhar birikimi veya darbeli lazer birikimi gibi gelişmiş imalat teknikleri kullanılarak birkaç nanometreden birkaç mikrometreye kadar çeşitli mikrometrelere kadar uzanan katmanların biriktirilmesiyle yapılır.İnce filmlerde kullanılan yaygın malzemeler arasında PZT, çinko oksit (ZnO) ve alüminyum nitrür (ALN) bulunur.Bu filmlerin inceliği, mikroelektromekanik sistemlere (MEMS) ve nanoelektromekanik sistemlere (NEMS) entegre edilmelerini sağlar ve mikrofonlar, mikroskitler ve gelişmiş sensör dizileri gibi kompakt cihazlarda işlevselliklerini artırır.Standart yarı iletken işlemler ve ölçeklenebilirlik ile uyumlulukları onları entegre devreler ve esnek elektronikler için uygun hale getirir.

Şekil 5: Aln piezoelektrik ince filmler

Şekil 6: Dökme piezo elemanları

İnce film ve dökme piezoelektrik malzemeler arasında seçim, uygulamanın hassasiyet, güç ve dayanıklılık için özel ihtiyaçlarına bağlıdır.İnce film piezo malzemeleri küçük ölçekli teknolojilere uygundur.Buna karşılık, dökme piezo malzemeleri daha zorlu, daha büyük ölçekli uygulamalarda tercih edilir.Aşağıdaki tablo, ince film piezo malzemelerini ve dökme piezo malzemelerini kalınlıklarına, üretim tekniklerine, temel özelliklerine ve uygulamalarına göre karşılaştırmaktadır.

Kategori	İnce film piezo malzemeleri	Dökme piezo malzemeleri
Kalınlık	Birkaç mikrometreye birkaç nanometre	Birkaç milimetre ila santimetre
Üretim teknikleri	Püskürtme, darbeli lazer birikimi, kimyasal buhar birikimi	Presleme, ekstrüzyon, işleme
Özellikler	Yüksek frekanslı yanıt: Hızlı yanıt kez	Yüksek güçlü üretim: güç üretir Mekanik stres altında
	Esneklik: Esnek için uygulanabilir yüzeyler	Dayanıklılık: Güçlü ve dayanıklı, uygun Ağır yükler ve zorlu koşullar için
	Hassasiyet: Bir mikroskobik seviye	Çok yönlülük: kolayca şekillendirilmiş ve boyutlandırılmış Özel İhtiyaçlar
Başvuru	Mikroelektronik ve MEMS: İvmeölçerler, jiroskoplar, mürekkep püskürtmeli yazıcı kafaları	Enerji Hasat: Mekanik Dönüştürür Titreşimlerden elektrik enerjisine stres
	Tıbbi Cihazlar: Ultrasonik dönüştürücüler görüntüleme ve terapi için	Aktüatörler ve sensörler: büyük aktüatörler Otomotiv ve Havacılık ve Uzay endüstrileri, yüksek yük sensörleri
	Telekomünikasyon: Filtreler ve Cep telefonlarında ve iletişim cihazlarında rezonatörler	Sonar ve Ultrasonik Cihazlar: Sonar Deniz kullanımı için sistemler, endüstriyel ultrasonik süpürgeler

İnce film PZT ve biriktirme yöntemleri

İnce film kurşun zirkonat titanat (PZT) malzemeleri, büyük piezoelektrik özellikleri nedeniyle sensörlerde, aktüatörlerde ve mikroelektromekanik sistemlerde (MEMS) kullanılır.PZT ince filmlerin bileşimi ve etkinliği, yapılarını, oryantasyonlarını ve piezoelektrik performanslarını etkileyebilecek biriktirme yöntemlerine çok bağlıdır.Üç ana biriktirme tekniği: sol-jel, püskürtme ve metal organik kimyasal buhar birikimi (MOCVD).

Şekil 7: Esnek ince film PZT

Sol-jel süreci

Sol-jel süreci, PZT ince filmleri yatırmanın ve moleküler düzeyde film kompozisyonu üzerinde kontrol sağlamanın uygun maliyetli bir yoludur.Bu teknik, bir jele dönüşen bir kolloidal çözelti (SOL) hazırlamakla başlar.Önemli adımlar arasında hidrolize ve polimerize edici metal alkoksitler bulunur.Elde edilen jel, spin kaplama veya daldırma kaplaması kullanılarak bir substrata uygulanır, ardından organik bileşenleri uzaklaştırmak ve PZT fazını kristalize etmek için ısıl işlem görülür.

Şekil 8: PZT ince filmler için sol-jel süreci

Avantajlar

• Piezoelektrik özellikleri iyileştirerek stokiyometri üzerinde ince kontrole izin verir

• Diğer yöntemlere kıyasla daha düşük sıcaklıklar kullanır

Zorluklar

• Geniş alanlarda tutarlı kalınlık ve kompozisyon elde etmek zor

• Kurutma ve ateşleme sırasında yüksek büzülme genellikle çatlaklara neden olur

Püskürtme

Püskürtme, yüksek enerjili parçacıkların bir hedeften bir hedeften çıkarıldığı ve ardından bir substrat üzerine birikintileri olan fiziksel buhar biriktirme (PVD) tekniğidir.PZT filmleri için, PZT hedefine çarpan bir argon iyon plazmasını içeren RF magnetron püskürtme kullanılır.

Şekil 9: İnce film birikiminin püskürtme biriktirme yöntemi

Avantajlar

• İyi yapışma ve yoğunluklu filmler üretir

• Büyük substratları eşit olarak kaplamak için uygun

Zorluklar

• Mülklerini etkileyen filmlerde stres birikebilir

• Diferansiyel püskürtme verimleri nedeniyle hedefin bileşimi püskürtme sırasında değişebilir

Metal organik kimyasal buhar birikimi (MOCVD)

MOCVD, bir buhar fazında metal-organik öncülerin ayrışmasını içerir ve ince bir film oluşturmak için ısıtılmış bir substrat üzerinde reaksiyona girer veya ayrışmayı içerir.Bu yöntem, elektronik uygulamalar için uygun yüksek saflıkta, iyi kristalize edilmiş filmler üretmek için tercih edilir.

Avantajlar

• Karmaşık şekilli substratlarda bile mükemmel film tekdüzeliği ve uygunluğu sağlar

• Yüksek hacimli üretim için iyi

Zorluklar

• Diğer yöntemlerden daha yüksek sıcaklıklar gerektirir

• Metal-organik öncüllerin kullanılması ve depolanması tehlikeli olabilir

Şekil 10: Metal organik kimyasal buhar birikimi

Malzemeler stres altında nasıl hareket ediyor

Sıkıştırma Altında Davranış

Kuvars veya baryum titanat gibi malzemeler sıkıldığında, çeşitli cihazlarda kullanımlarını etkileyecek şekilde değişirler.Bu malzemeler, basıldıklarında elektrik yükleri oluşturan özel yapılara sahiptir.Sıkıştırıldıkça büzülürler ve iç yapıları değişir.

Bu sıkma, kristal içindeki elektrik yüklerinin düzensiz bir şekilde dağıtılmasına neden olur.Basınç, kristal yapısındaki iyonları hareket ettirerek bir elektrik alanı oluşturur.Bunun nedeni, maddi kaymadaki pozitif ve negatif yük merkezlenmesidir.Elektrik tepkisi miktarı, kristal tipine, uygulanan kuvvete ve kristalin yönüne bağlıdır.

Örneğin, sensörlerde, kristaller tarafından üretilen voltaj, uygulanan kuvveti ölçebilir ve bunları basıncı tespit etmek ve yükleri izlemek için mükemmeldir.Aktüatörlerde, bir elektrik alanının uygulanması, kristal değişim şeklini yapabilir ve ultrasonik cihazlar ve araba yakıt enjektörleri gibi şeylerdeki hareketlerin kesin kontrolünü sağlar.

Şekil 11: Piezoelektrik malzeme işleri

Basınca piezoelektrik yanıt

Piezoelektrik malzemeler mekanik basınçla karşı karşıya kaldığında, molekülleri elektriksel özelliklerini etkiler.Kuvvet moleküler yapıyı değiştirerek, bölgeleri hizalanan hizalama, elektrik polarizasyonunu arttırır.

Bu hizalama, malzemedeki yük ayrımını artırarak elektrik polarizasyonunu artırır.Basit bir ifadeyle, basınç dipolleri (iki zıt yüke sahip moleküller) daha düzgün hale getirir ve belirli bir kuvvet için daha güçlü bir elektrik alanı oluşturur.

Bu yanıtı farklı basınçlar altında doğru bir şekilde kontrol etme yeteneği, piezoelektrik malzemeleri birçok teknolojide çok yararlı kılar.Mekanik basıncı elektrik sinyallerine dönüştürme özellikleri ve bunun tersi, kesin elektronik frekanslar üretme ve endüstriyel ortamlarda titreşimleri izleme gibi görevlerde etkili bir şekilde kullanılmalarını sağlar.

Piezoelektrik etki

Şekil 12: piezoelektrik etki

Piezoelektrik etki ile mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek

Piezoelektrik etki, belirli kristal malzemeleri deforme ederek mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.Piezoelektrik olarak bilinen bu malzemeler, kuvars gibi doğal maddeleri ve gelişmiş seramikler gibi sentetik maddeleri içerir.

Bir piezoelektrik malzeme sıkılmış, bükülmüş veya bükülmüş gibi mekanik stresle karşı karşıya kaldığında, kristal yapısı merkezi bir simetriye sahip değildir ve rahatsız olur.Bu rahatsızlık, kristaldeki yük merkezlerini kaydırır ve polarizasyona neden olur ve malzemedeki belirli noktalarda bir elektrik potansiyeli yaratır.

Bu sürecin temel noktaları:

Üretilen elektrik yükü, uygulanan mekanik stres miktarıyla eşleşir.Bu, elektrik çıkışının uygulanan bilinen kuvvete göre tam olarak kontrol edilebileceği anlamına gelir;

Kuvvet çıkarıldığında, malzeme orijinal durumuna geri döner ve elektrik yükü ortadan kalkar.Bu, malzemenin dayanıklılığını ve güvenilirliğini, tekrar tekrar iyi çalışması gereken cihazlar için iyi sağlar.

Ters piezoelektrik etki ile elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmek

Ters piezoelektrik etki elektrik enerjisini geri mekanik enerjiye dönüştürür.Bir piezoelektrik malzemeye elektrik voltajı uygulamak, kristal kafes yapısını değiştiren ve malzemenin boyutlarını değiştiren bir elektrik alanı oluşturur.

Bu etki, optik aletlerde ve mikro konumlandırma sistemlerindeki hassas aktüatörlerde kullanılır.Ters piezoelektrik etki, küçük elektrik girişlerinin hassas, kontrollü mekanik ayarlamalarla sonuçlanmasını ve robotik, otomotiv teknolojisi, tıbbi araçlar ve telekomünikasyondaki gelişmelere yardımcı olmasını sağlar.

Piezoelektrik etkinin hem mekanik-elektriksel hem de elektrik-mekanik dönüştürücü olarak hareket etme ikili yeteneği teknolojik gelişmeleri destekler.Modern mühendislik ve yeniliği genişleterek mekanik ve elektrik alanlarını birbirine bağlar.

Şekil 13: Doğrudan ve ters piezoelektrik etki

Piezoelektrik olmayan ve piezoelektrik malzemelerin karşılaştırılması

Piezoelektrik olmayan ve piezoelektrik malzemeler, mekanik ve elektrik enerjisini nasıl ele aldıklarında farklıdır.Çelik ve alüminyum gibi piezoelektrik olmayan malzemeler elektrik yapabilir, ancak stresli olduğunda elektrik yükü oluşturmaz.Kuvars ve bazı seramikler gibi piezoelektrik malzemeler, özel kristal yapıları nedeniyle mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürebilir.

Piezoelektrik olmayan malzemeler simetrik kristal kafeslere sahiptir, bu nedenle stresli olduğunda elektrik dipolü üretmezler.Piezoelektrik malzemeler, stres altındayken elektrik yükü üretmelerine izin veren asimetrik kristal kafeslere sahiptir.Bu deformasyon iç polarizasyona ve elektrik potansiyeli yaratmaya neden olur.

Piezoelektrik olmayan malzemeler, elektron hareketliliğine ve bant yapılarına göre normal iletkenler veya izolatörler gibi davranır ve deforme olduğunda elektrik yükü oluşturmazlar.Piezoelektrik malzemeler iki etki sergiler: mekanik stresin elektrik yükü ürettiği doğrudan piezoelektrik etki ve bir elektrik alanının mekanik deformasyona neden olduğu ters piezoelektrik etki.Bu özellikler piezoelektrik malzemeleri sensörlerde ve aktüatörlerde kullanıma uygun hale getirir.

Farklı özellikleri nedeniyle, farklı uygulamalarda piezoelektrik olmayan ve piezoelektrik malzemeler kullanılmaktadır.Piezoelektrik olmayan malzemeler yapısal bileşenler, elektrik kabloları ve mukavemet ve iletkenliğin önemli olduğu standart elektronik parçalarda kullanılır.Piezoelektrik malzemeler, ultrason ekipmanı, hassas konumlandırma cihazları ve gelişmiş teknolojiler için iyi çeşitli sensörler ve aktüatörler gibi hassas kontrol ve mekanik-elektrikli enerji dönüşümü gerektiren alanlarda kullanılır.

Piezoelektrik uygulamaları

Tüketici Elektroniği: Akıllı telefonlarda ve diğer cihazlarda hoparlörlerde ve mikrofonlarda piezoelektrik parçalar kullanılır.Elektrik sinyallerini ses titreşimlerine veya ses titreşimlerine ses girişi için elektrik sinyallerine dönüştürürler.

Otomotiv Endüstrisi: Modern otomobiller, motorlarda yakıt enjeksiyonunu kontrol etmek ve lastik basıncını izlemek gibi birçok amaç için piezoelektrik sensörler kullanır.

Çevresel İzleme: Piezoelektrik sensörler basınç değişikliklerini, titreşimleri ve sesleri tespit eder.Çevre koşullarını kontrol etmek ve binaların ve köprülerin güvenliğini sağlamak için kullanılırlar.

Enerji Hasat: Piezoelektrik malzemeler mekanik stresden enerji yakalayabilir.Örneğin, ayak seslerini elektrik enerjisine dönüştüren zeminler, yoğun alanlarda ışıkları ve elektronikleri güçlendirebilir ve sürdürülebilir ortamlar yaratmaya yardımcı olabilir.

Yüksek voltajlı piezoelektrik çakmaklar: Bu çakmaklar gaz sobaları ve barbeküleri aydınlatmak için kullanılan ve küçük bir mekanik tıklamadan yüksek bir voltaj yaratarak brülörü aydınlatmak için bir kıvılcım üretiyor.Bu, piezoelektrik malzemelerin pratik kullanımını gösterir.

Tıbbi görüntüleme: Piezoelektrik kristaller ultrason makinelerinde yararlıdır.Dokuları ve organlardan sıçrayan ses dalgaları üreterek teşhis için görüntüler oluştururlar.

Bilimsel enstrümanlarda hassas aktüatörler: hassas aktüatörlerde piezoelektrik malzemeler optik ve nanoteknoloji için küçük hareketler yaratır.Bu aktüatörler, bilimsel araştırma ve yarı iletken üretimi için aynaları, lensleri ve diğer parçaları mikroskobik doğrulukla ayarlar.

Çözüm

Piezoelektrik materyalleri incelemek, fizik ve mühendislik arasında güçlü bir bağlantı gösterir ve doğal özelliklerinin birçok teknolojik amaç için nasıl kullanılabileceğini gösterir.Hem güçlü dökme malzemeler hem de esnek ince filmler olarak mevcut olan piezoelektrik malzemelerin çok yönlülüğü, onları enerji toplama, çevresel izleme ve sürdürülebilir teknolojiler geliştirme gibi çeşitli uygulamalar için uygun hale getirir.İnovasyon devam ettikçe, piezoelektrik malzemelerde araştırma ve geliştirme daha önemlidir, gelecekteki teknolojiler için verimlilik, hassasiyet ve işlevsellikte umut verici iyileşmelerdir.

Sık sorulan sorular [SSS]

1. Piezoelektrik etkiden elektriğin üretilmesine ne sebep olur?

Piezoelektrik etki, bazı malzemeler mekanik strese yanıt olarak bir elektrik yükü ürettiğinde meydana gelir.Bu malzemeler, kuvars gibi bir kristaller, baryum titanat ve bazı polimerler gibi seramikler, sentrosimetrik olmayan bir kristal kafes yapısına sahiptir, yani simetri merkezinden yoksundur.Basınç veya titreşim gibi mekanik kuvvet uygulandığında, bu yapı çarpıtılır.Bu bozulma, kafes içindeki iyonları yerinden ederek pozitif ve negatif yüklere sahip alanlar yaratır.Bu yüklerin mekansal olarak ayrılması elektrik üreten bir elektrikle sonuçlanır.Bu etki geri dönüşümlüdür ve bu malzemelere bir elektrik alanı uygulamak da mekanik stresi indükleyecektir.

2. Hangi cihaz piezoelektrik efekti kullanır?

Piezoelektrik etkiyi kullanan cihazlar çeşitlidir ve hem günlük hem de özel ekipman içerir.Ortak uygulamalar:

Kuvars Saatler: Zamanı doğru tutmak için bir elektrik alanının altında düzenli kuvars titreşimlerini kullanmak.

Tıbbi Ultrason Cihazları: Teşhis görüntüleri oluşturmak için vücudun içinde yankılanan ses dalgalarının üretilmesi.

Arabalardaki yakıt enjektörleri: Motor silindirlerine enjekte edilen yakıt miktarını ve miktarını kontrol etmek için piezoelektrik aktüatörlerin kullanılması.

Piezoelektrik sensörler ve ivmeölçerler: Bir elektrik sinyaline dönüştürerek basınç, ivme, gerinim veya kuvvetteki değişiklikleri ölçme.

3. Piezo kaç volt?

Bir piezoelektrik elemanın voltaj çıkışı, boyutuna, malzemesine ve uygulanan mekanik stres miktarına bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir.Çakmaklarda veya elektronik cihazlarda bulunanlar gibi küçük bir piezo elemanı, birkaç volttan birkaç yüz volt'a kadar değişen bir voltaj artışı üretebilir.Bununla birlikte, bu çıkışlar genellikle çok düşük akımlarda ve sadece mikrosaniyelerdedir.

4. Bir piezo'nun dirençe ihtiyacı var mı?

Birçok uygulamada, akımı sınırlamak ve devredeki diğer bileşenleri piezo etkinleştirildiğinde üretilen yüksek voltaj artışından korumak için bir piezoelektrik eleman ile bir direnç kullanılır.Dirençin değeri, istenen tepki süresi ve hassasiyet dahil olmak üzere devrenin spesifik gereksinimlerine bağlıdır.Bir direnç olmadan, piezo yüksek başlangıç ​​voltaj artışı nedeniyle bağlı elektronik bileşenlere potansiyel olarak zarar verebilir.

5. Piezoelektrik insan gücü ile nasıl ilişkilidir?

Piezoelektrik etki, insan gücünü yenilikçi şekillerde kullanmak için doğrudan uygulanabilir.Mekanik enerjiyi yürüme veya basma düğmeleri gibi insan faaliyetlerinden elektrik enerjisine dönüştürebilir.Bu teknoloji çeşitli uygulamalarda araştırılmaktadır:

Enerji hasat zemin karoları: Bu karolar, metro istasyonları veya alışveriş merkezleri gibi yoğun alanlarda ayaklanmaların basıncından elektrik üretir.

Giyilebilir teknoloji: Normal vücut hareketleri yoluyla küçük cihazlar için güç üretmek için piezoelektrik malzemelerin ayakkabılara veya giysilere gömülmesi.

Tıbbi İmplantlar: Vücut hareketlerini kalp pili gibi güçlere güçlendirmek, harici pil ihtiyacını azaltmak veya ortadan kaldırmak.