مواد هوشمند: سرامیک های پیزوالکتریک

نویسنده: امیرعباس صادقی "دانشجوی کارشناسی مواد و متالورژی دانشگاه صنعتی اصفهان"

"مقدمه"

در دنیای امروز تصور زندگی بدون حسگرها، گوشیهای هوشمند، تجهیزات پزشکی دقیق و حتی سیستمهای امنیتی تقریبا غیرممکن است. بسیاری از این فناوریها توانایی خود را مدیون موادی هستند که میتوانند کوچکترین لرزشها، فشارها و حتی صداها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل کنند. این ویژگی شگفتانگیز، راه را برای ساخت ابزارهایی هموار کرده که در قلب صنعت، پزشکی و حتی زندگی روزمره ما قرار دارند. یکی از مهمترین پدیدههای پشت این فناوریها، اثر پیزوالکتریک است.

"خاصیت پیزوالکتریک: پلی بین انرژی مکانیکی و الکتریکی"

اثر پیزوالکتریک ویژگی مواد کریستالی خاص برای تولید بار الکتریکی در اثر تنش مکانیکی است که به عنوان اثر مستقیم پیزوالکتریک شناخته میشود. همچنین موادی که دارای خاصیت پیزوالکتریک هستند، دارای اثر معکوس پیزوالکتریک نیز میباشند. به این صورت که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی خارجی، دچار تغییر شکل هندسی میشوند که باعث ایجاد تنش مکانیکی میشود.

اثر پیزوالکتریک در سطح میکروسکوپی از ساختار کریستالی نامتقارن ماده حاصل میشود. در چنین ساختارهایی مراکز بارهای مثبت و منفی بر یکدیگر منطبق نیستند، همین عامل باعث ایجاد یک گشتاور دو قطبی الکتریکی دائمی میشود. بنابراین هنگامی که یک نیروی مکانیکی به ماده وارد میشود، جابهجایی یونهای مثبت و منفی نسبت به یکدیگر رخ میدهد. این جابهجایی باعث تغییر در گشتاورهای دو قطبی میشود و در نتیجه یک بار الکتریکی خالص بر روی سطح ماده ایجاد میگردد. به همین ترتیب، با اعمال یک میدان الکتریکی نیرویی به یونها وارد شده و باعث تغییر شکل کریستال و در نهایت تغییر شکل هندسی ماده میشود.

از میان مواد مختلف دارای خاصیت پیزوالکتریک، سرامیکهای تیتانات زیرکونات سرب (PZT) و تیتانات باریم
(BaTiO3) بیشتین کاربرد را در صنایع مختلف دارند. این سرامیک ها به دلیل ویژگیهای زیر، مواد انتخابی برای صنعت هستند:

• ایجاد اثر پیزوالکریک قوی و پایدار که امکان تولید سیگنالهای دقیق حتی با تنشهای بسیار کوچک را فراهم میکند.

• استحکام و سختی بالا که دوام و طول عمر قطعات مورد استفاده را تضمین میکند.

• پایداری شیمیایی و ایمنی زیستی که امکان استفاده از این سرامیکها را در کاربردهای پزشکی فراهم میسازد.

• سهولت در ساخت که استفاده از این مواد را در قطعاتی که دارای ابعاد بزرگ و پیچیده هستند، ممکن میکند.

"فرآیند تولید"

با وجود این مزایای ارزشمند، دستیابی به خواص مطلوب در سرامیکهای پیزوالکتریک بهشدت به فرآیند تولید آنها وابسته است. از مهمترین فرآیندهایی که در تولید این مواد نقش دارند میتوان به آماده سازی پودر، کلسیناسیون شکل دهی، سینترینگ ماشینکاری، الکترودینگ و قطبیسازی اشاره کرد.

ابتدا مواد اکسید خام با خلوص بالا، با دقت وزن میشوند و با نسبت مناسب به صورت مکانیکی یا شیمیایی ترکیب میشوند. در طول مرحلهی کلسیناسیون فازهای جامد واکنش نشان میدهند و فاز پیزوالکتریک را تشکیل میدهند. پس از کلسیناسیون فرآیند شکل دهی آغاز میشود، معمولا در مرحلهی شکل دهی، مواد آلی جهت بهبود بخشیدن ویژگیهای جریان پذیری و چسبندگی به سرامیکها اضافه میشوند. پس از شکل دهی، قطعات تحت عملیات حرارتی اولیه با دمای پایین 500-600 درجه سانتی گراد قرار میگیرند تا مواد آلی از ساختار حذف شوند و ساختار آمادهی مراحل بعدی شود.

در مرحله بعد قطعات وارد مرحلهی سینترینگ میشوند. در این مرحله قطعات برای دستیابی به استحکام مکانیکی و چگالی بالا تحت عملیات حرارتی نهایی با دمای بالاتر 1100-1350 درجه سانتی گراد قرار میگیرند. پس از رسیدن به استحکام و چگالی مطلوب در مرحلهی سینترینگ، قطعات وارد مرحلهی ماشین کاری میشوند و سپس یک لایهی هادی (الکترود) روی سطح آنها قرار میگیرد.

آخرین و مهمترین مرحلهی این فرآیند تولید چالش برانگیز، با توجه به تصادفی بودن دانهها در سرامیکهای پیزوالکتریک، فرآیند قطبی سازی است. در این مرحله، قطعات تحت یک میدان الکتریکی قوی در دمای کنترل شده قرار میگیرند. پس از این مرحله مواد خاصیت پیزوالکتریک خود را به طور کامل به دست میآورند و آمادهی استفاده در کاربردهای متنوع میشوند که در ادامه با برخی از این کاربردها که در بسیاری از موارد زندگی انسان را راحتتر کردهاند آشنا میشویم.

"کاربردها"

همانطور که گفته شد مواد پیزوالکتریک میتوانند انرژی مکانیکی و الکتریکی را به یکدیگر تبدیل کنند، به همین علت این مواد در دستگاههای الکترومکانیکی نقش کلیدی دارند. اثر پیزوالکتریک مستقیم میتواند بار یا ولتاژ بزرگی را با اعمال تنش مکانیکی تولید کند، از طرف دیگر اثر پیزوالکتریک معکوس میتواند جابجایی یا تنشهای بسیار کوچک را در اثر اعمال یک میدان الکتریکی، فراهم سازد. همچنین سرامیکهای پیزوالکتریک از هردو اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس بهرهمند هستند، همین عوامل باعث میشوند این سرامیکها در کاربردهای بسیار متنوعی به کار گرفته شوند و بسیاری از نیازهای صنایع و زندگی روزمرهی انسان را برطرف کنند. برای برآورده کردن این نیازهای سختگیرانه، سرامیکهای پیروالکتریک تحت آلایشهای مختلف خواص متفاوتی را برای کاربردهای وسیع ارائه میدهند. در بخشهای بعد به بررسی این کاربردها میپردازیم.

1- حسگرها: گوش دادن به جهان

یک حسگر سرامیکی پیزوالکتریک دستگاهی است که از اثر پیزوالکتریک مستقیم برای اندازه گیری فشار، شتاب، کرنش یا نیرو با تبدیل آنها به سیگنالهای الکتریکی استفاده می کند. این حسگرها میتوانند ابزارهای چند منظورهای برای اندازه گیری فرآیندهای مختلف باشند. حسگرهای سرامیکی پیزوالکتریک برای تضمین کیفیت، کنترل فرآیند و توسعه فرآیند، با موفقیت در صنایع مختلف مانند صنعت پزشکی، هوافضا و ابزارسنجی هستهای ظاهر شده اند.

کمیت های فیزیکی مختلفی میتوانند با استفاده از حسگرهای پیزوالکتریک اندازه گیری شوند اما کمیتهای فشار و شتاب معمولا بیشتر از بقیه کمیت ها مورد توجه قرار می گیرند. بنابراین بیشترین استفاده از حسگرهای پیزوالکتریک در اندازه گیری یا تبدیل فشار و شتاب به انرژی الکتریکی است. برخی از این کاربردها عبارتاند از:

• فندک های پیزوالکتریک نمونه ای شناخته شده از کاربرد اثر مستقیم پیزوالکتریک هستند؛ با اعمال یک فشار مکانیکی به سرامیک، ولتاژ لحظه ای زیادی تولید می شود که انرژی لازم برای ایجاد جرقه و روشن کردن شعله را فراهم می کند.

• کفپوش های هوشمند پیزوالکتریک با بهره گیری از فشار ناشی از قدم ها، تغییرات مکانیکی را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند. این فناوری علاوه بر امکان تشخیص حضور و حرکت افراد، به عنوان یک منبع تولید انرژی تجدیدپذیر نیز به کار گرفته می شود.

• میکروفن های پیزوالکتریک به دلیل طراحی خاص، امواج صدا ماده پیزوالکتریک را خم می کنند که باعث ایجاد یک ولتاژ بالا می شود و با استفاده از این ولتاژ، تغییرات اندازه گیری می شوند.

• در پیکاپ های پیزوالکتریک برای گیتارهای الکتریکی، یک غشای نازک همراه با یک پایه نسبتا سنگین به کار می رود تا فشاراعمال شده را به طور دقیق در یک جهت مشخص به المان ها منتقل کند و از طریق این فشار اعمال شده، سیگنال های الکتریکی توسط المان های پیزوالکتریک موجود در این دستگاه ها تولید می شوند.

• در شتاب سنج ها، یک جرم لرزه ای به المان های سرامیک پیزوالکتریک متصل است. وقتی که شتاب سنج شروع به حرکت می کند، این جرم ثابت نیرو را طبق قانون دوم نیوتن به المان های پیزوالکتریک وارد می کند و با تبدیل این نیرو به سیگنال های الکتریکی توسط اثر مستقیم پیزوالکتریک، تغییرات ثبت می شوند.

تفاوت اصلی در نحوهی کارکرد شتاب سنج و پیکاپ ها، نحوه اعمال نیروها به المان های پیزوالکتریک است. در پیکاپ ها یک غشای نازک برای انتقال نیرو استفاده می شود در حالی که در شتاب سنج ها از یک جرم لرزه ای ثابت که به المان ها متصل است استفاده می شود.

"معایب حسگرها"

با وجود این کاربردهای ارزشمند، حسگرهای سرامیکی پیزوالکتریک در برخی از محیط ها و شرایط خاص دارای محدودیت هستند:

• • حسگرهای پیزوالکتریک معمولا به بیش از یک کمیت فیزیکی حساسیت نشان می دهند. برای مثال حسگرهای فشار هنگام قرار گرفتن در معرض ارتعاش، سیگنال های نادرست تولید می کنند. به همین دلیل در حسگرهای فشار پیشرفته برای جلوگیری از این اتفاق، علاوه بر المان های فشار از المان های جبران ساز ارتعاش نیز استفاده می شود. با تطبیق دقیق این المان ها، سیگنال های تولید شده از المان های جبران ساز از سیگنال ترکیبی فشار و ارتعاش کسر می شود و در نهایت فقط سیگنال واقعی فشار باقی می ماند.

• • این حسگرها نمی توانند برای اندازه گیری در حالت های استاتیک استفاده شوند، زیرا یک نیروی استاتیک منجر به ایجاد مقدار ثابتی بار روی ماده پیزوالکتریک می شود.

• • سرامیک های پیزوالکتریک به دلیل عملکرد ضعیف در محیط های آبی، گزینه مناسبی برای استفاده به عنوان حسگرهای صوتی زیر آب نیستند.

• • دردماهای بالا مقاومت داخلی مواد کاهش می یابد به همین ترتیب، در دماهای بالا فقط امکان استفاده از حسگرهای پیزوالکتریکی که توانایی حفظ مقاومت داخلی بالایی را دارند فراهم است.

حسگرهای پیزوالکتریک با توانایی تبدیل فشار، شتاب و نیرو به سیگنال های الکتریکی، ابزارهایی ارزشمند و پرکاربرد در صنایع گوناگون هستند؛ از پزشکی و هوافضا گرفته تا ابزارهای روزمرهای مثل فندک و میکروفن. با این حال، محدودیت هایی مانند حساسیت به چند کمیت همزمان یا عملکرد ضعیف در شرایط خاص محیطی دارند. با وجود این چالش ها، این حسگرها همچنان از مهم ترین و کارآمدترین ابزارها برای پایش و کنترل فرآیندها به شمار می آیند.

2- محرک ها: حرکت دهنده های دقیق

اثر پیزوالکتریک معکوس به سرامیک های پیزوالکتریک این امکان را می دهد که به عنوان یک محرک عمل کنند، یعنی در پاسخ به یک ولتاژ اعمالی، تغییر شکل مکانیکی کنترل شده و دقیقی را تجربه کنند. حتی در ولتاژهای بالا، تغییرات ایجاد شده در ضخامت این مواد بسیار کوچک است. اما همین تغییرات می توانند با دقتی بهتر از یک میکرومتر کنترل شوند. همین عامل سرامیک های پیزوالکتریک را به یکی از کلیدی ترین ابزارها برای جابه جایی اجسام به دقت فوق العاده تبدیل کرده است.

در صنایع پیشرفته امروزی، تقاضای زیادی برای انواع محرک ها وجود دارد، محرک هایی که بتوانند با دقت بالایی جابه جایی اجسام را انجام دهند (سوزن های حسگر در میکروسکوپ ها)، ارتعاشات و سیگنالهای مزاحم را به خوبی مهار کنند (جبران سازها) و همچنین محرک هایی که بتوانند اشیا را به صورت پویا هدایت کنند (موتورهای اولتراسونیک.) این محرکها در زمینه هایی مانند اپتیک، نجوم، کنترل سیالات و ماشین آلات نقش کلیدی دارند، پاسخ به این نیازها در بسیاری از موارد، به کمک سرامیک های پیزوالکتریک ممکن شده است. موادی که با دقت و قابلیت های منحصر به فرد خود، محرک های مورد نیاز در این حوزه ها را فراهم می کنند. برخی از کاربردهای متنوع این محرک ها به شرح زیر هستند:

• میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM) و میکروسکوپهای تونلی روبشی (STM) از اثر پیزوالکتریک معکوس برای نزدیک نگه داشتن سوزن حسگر به سطح ماده استفاده می کنند.

• چاپگرهای جوهرافشان با استفاده از محرک های پیزوالکتریک، قطعات بسیار ریز جوهر را با دقت بالا روی کاغذ پاشش می کنند. این فناوری امکان چاپ با کیفیت بالا و سرعت مناسب را فراهم کرده است.

• انژکتورهای خودرو نیز از محرک های پیزوالکتریک برای کنترل دقیق تزریق سوخت بهره می برند. این دقت بالا به کاهش آلایندگی و افزایش بازدهی موتور کمک می کند و نقش مهمی در توسعه موتورهای پاک تر و کارآمدتر دارد.

"معایب حسگرها"

مانند حسگرها، محرک های پیزوالکتریک نیز با وجود مزایای ارزشمند، دارای محدودیت هایی هستند:

• محرک های پیزوالکتریک در جابه جایی های بسیار دقیق عالی عمل می کنند اما دامنه حرکتی آنها محدود است. به همین دلیل برای کاربردهایی که حرکت های بزرگ نیاز دارند، چندان مناسب نیستند.

• این محرک ها برای ایجاد تغییر شکل محسوس، معمولا به ولتاژهای نسبتا بالا احتیاج دارند، موضوعی که می تواند محدودیت هایی در طراحی ایجاد کند یا نیاز به تجهیزات ویژه داشته باشد.

• شرایط محیطی مثل دما و رطوبت روی عملکرد محرک ها تاثیر می گذارد و ممکن است در طولانی مدت دقت و پایداریشان را کاهش دهد.

محرک های پیزوالکتریک به لطف دقت بی نظیر و واکنش سریع خود، جایگاهی کلیدی در فناوری های پیشرفته مانند میکروسکوپ های نیروی اتمی، چاپگرهای جوهرافشان و انژکتورهای خودرو پیدا کرده اند. این محرک ها امکان جابهجایی های بسیار ظریف و کنترل شده را فراهم می کنند، هرچند محدودیت هایی چون دامنه حرکتی کم، نیاز به ولتاژ بالا و حساسیت به شرایط محیطی دارند. با وجود این چالش ها، پیزومحرک ها همچنان از ارزشمندترین ابزارها برای تحقق دقت و کنترل در سطح میکرو و حتی نانو به شمار می آیند.

"موتورهای اولتراسونیک"

یکی دیگر از نمونه های درخشان از کاربردهای خاص سرامیک های پیزوالکتریک، موتورهای اولتراسونیک هستند. این موتورهای شگفت انگیز در واقع محرک هایی هستند که از رزونانس ارتعاشی استفاده می کنند. به عبارت دیگر از اثر پیزوالکتریک معکوس برای ایجاد ارتعاش مکانیکی و در نهایت به حرکت درآوردن روتور بهره میبرند.

این موتورها معمولا از سه جز اصلی تشکیل شدهاند: مبنع تغذیه با فرکانس بالا، ویبراتور که ارتعاشات مکانیکی را به کمک اثر پیزوالکتریک تولید می کند و اسلایدر که این ارتعاشات را به حرکت خطی یا دورانی تبدیل می کند. از مزایای چشمگیر این موتورها میتوان به گشتاور خروجی بالا، پاسخ سریع، گشتاور نگهدارنده بزرگ بدون اتلاف انرژی و عملکرد بدون نیاز به وجود میدان مغناطیسی اشاره کرد. تمام این قابلیت ها از سرامیک های پیزوالکتریک سرچشمه می گیرند.

به لطف این ویژگی ها، موتورهای اولتراسونیک امروزه در دوربینهای عکاسی، تجهیزات پزشکی و حتی رباتیک ظریف به کار گرفته می شوند.

"کنترل فعال ارتعاشات"

حسگرها و محرک های پیزوالکتریک ابزارهایی کارآمد برای کنترل فعال ارتعاشات به شمار می روند، در واقع می توان از سرامیک های پیزوالکتریک برای کاهش ارتعاشات استفاده کرد. کنترل فعال ارتعاشات در بسیاری از پروژه های صنعتی نقش کلیدی دارد. مثلا وقتی که ماده در اثر ارتعاش در حال خم شدن است، سامانه کنترلی به این خم شدن واکنش نشان می دهد و نیروی الکتریکی ای را به المان های پیزوالکتریک ارسال می کند تا با استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس، خم شدن را در جهت مخالف انجام دهند و ماده دچار تغییر شکل نشود. یکی از مهمترین کاربردهای کنترل فعال ارتعاشات، سیستم تشخیص سایش برای چرخ های قطار است.

"سیستم تشخیص سایش برای چرخ های قطار"

شرکت زیمنس اخیرا یک سیستم بر پایه واحدهای میرایی چندلایه پیزوالکتریک برای تشخیص سایش چرخ های قطار توسعه داده است. این سیستم به عنوان یک ابزار تشخیص سایش عمل می کند، به این صورت که حسگرهای پیزوالکتریک در نقاط مشخصی از چرخ های قطار نصب می شوند و جابه جایی های سطحی را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند. هدف اصلی این فناوری، شناسایی تغییرات ارتعاشی کل چرخ بر اثر تغییرات سطح تماس غلتشی است. چنین رویکردی در قطارهای پرسرعت اهمیت بالایی دارد، چرا که علاوه بر بهبود عملکرد در سرعتهای بالا، نقش مهمی در ارتقای ایمنی و راحتی مسافران ایفا می کند. یکی از چالش های اصلی در این زمینه، یافتن ارتباط واضح بین رفتار ارتعاشی چرخ و سیگنال های اندازه گیری شده است، به ویژه این که سامانه به تغییرات بسیار جزئی در پارامترهای دینامیکی نیز حساس است.

استفاده از این واحدهای میرایی برای کاربردهای سنگین مانند قطار در ابتدا ساده نبود، اما پیشرفت های چشمگیری در این حوزه حاصل شده است. جالب آنکه نمونه های سبک تر این فناوری، هم اکنون در تجهیزاتی چون راکت های تنیس و اسکی برای کاهش ارتعاشات نیز به کار گرفته می شوند.

"نتیجه گیری"

پیشرفت های فناورانه امروز نشان می دهد که سرامیک های پیزوالکتریک پلی میان جهان مکانیک و الکترونیک به شمار می آیند. از ایجاد کوچکترین ارتعاشات در میکروسکوپ ها گرفته تا کنترل دقیق سوخت در موتور خودروها، این مواد سهمی مستقیم در کیفیت زندگی و توسعه صنایع دارند. با وجود چالش ها در طراحی و کارکرد، روند روبه رشد پژوهش ها نشان می دهد که سرامیک های پیزوالکتریک در آیندهای نزدیک در حوزه های بیشتری جای خود را باز می کنند و به هسته بسیاری از فناوری های نوین تبدیل میشوند.