การสำรวจวัสดุ piezoelectric: ประเภทคุณสมบัติและผลกระทบทางเทคโนโลยี

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์วัสดุได้สร้างวัสดุ piezoelectric ที่แตกต่างกันเช่นผลึกเดี่ยวเซรามิกและฟิล์มบางบทความนี้จะพิจารณาวัสดุ piezoelectric อย่างใกล้ชิดรวมถึงคุณสมบัติประเภทวิธีการทำงานและการใช้งานของพวกเขามันเน้นความสำคัญของพวกเขาในการเชื่อมโยงวิศวกรรมเครื่องกลและไฟฟ้าขับเคลื่อนนวัตกรรมในหลายพื้นที่

แคตตาล็อก

รูปที่ 1: วัสดุ piezoelectric

Piezo คืออะไร?

คำว่า "piezo" มาจากคำภาษากรีก "piezein," หมายถึง "การกด" หรือ "ความกดดัน"เหมาะกับการใช้งานในวิทยาศาสตร์สำหรับ piezoelectricityในปี 1880 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Jacques และ Pierre Curie ค้นพบ piezoelectricityพวกเขาพบว่าเมื่อคริสตัลบางชนิดเช่นทัวร์มาลีน, ควอตซ์, โทโพซและเกลือโรเชลถูกกดพวกเขาผลิตประจุไฟฟ้าพวกเขายังเห็นว่าคริสตัลเหล่านี้สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้เมื่อมีการใช้กระแสไฟฟ้าแสดงให้เห็นว่ากระบวนการสามารถทำงานได้ทั้งสองวิธี

การค้นพบนี้นำไปสู่การสร้างอุปกรณ์ piezoelectric ต่างๆในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง piezoelectricity ส่วนใหญ่ใช้ในเครื่องตรวจจับเรือดำน้ำอัลตราโซนิกวันนี้วัสดุ piezoelectric ถูกนำมาใช้ในหลาย ๆ สิ่งพวกเขาพบได้ในรายการในชีวิตประจำวันเช่นไฟแช็คบุหรี่ไฟฟ้าและเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ทรวมถึงเทคโนโลยีขั้นสูงเช่นการถ่ายภาพอัลตร้าซาวด์ทางการแพทย์และการควบคุมการเคลื่อนไหวที่แม่นยำในหุ่นยนต์

ประเภทของวัสดุ piezoelectric

รูปที่ 2: ตัวอย่างของวัสดุ piezoelectric

วัสดุ Piezoelectric คริสตัลเดี่ยว

วัสดุ piezoelectric คริสตัลเดี่ยวมีลักษณะเป็นตาข่ายคริสตัลอย่างต่อเนื่องและสม่ำเสมอปราศจากขอบเขตของเมล็ดข้าวโครงสร้างที่เหมือนกันนี้มักจะนำไปสู่ประสิทธิภาพการมีเพศสัมพันธ์ทางไฟฟ้าที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับวัสดุ piezoelectric อื่น ๆตัวอย่างของวัสดุดังกล่าวรวมถึงควอตซ์และ langasiteผลึกเดี่ยวเหล่านี้ผลิตโดยใช้วิธีการเจริญเติบโตที่แม่นยำเช่นกระบวนการ Czochralski หรือการสังเคราะห์ความร้อนด้วยความร้อนประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของพวกเขาทำให้พวกเขาสมบูรณ์แบบสำหรับการใช้งานที่แม่นยำเช่นระบบการถ่ายภาพทางการแพทย์ขั้นสูงการสื่อสารโทรคมนาคมและตัวกรองและการตรวจสอบการสั่นสะเทือนในการบินและอวกาศ

รูปที่ 3: วัสดุ Piezo Crystal Quartz

วัสดุเซรามิก piezoelectric

เซรามิก Piezoelectric ทำจากวัสดุที่มีโครงสร้าง perovskite เช่น lead zirconate titanate (PZT)วัสดุเหล่านี้เป็น polycrystalline และถูกสร้างขึ้นโดยการเผาผงผงคุณสมบัติ piezoelectric ของพวกเขาได้รับการพัฒนาผ่านกระบวนการเสาและจัดแนวไดโพลไฟฟ้าโดยใช้สนามไฟฟ้าภายนอกเซรามิกเหล่านี้สามารถหล่อหลอมได้อย่างง่ายดายในรูปแบบและขนาดต่าง ๆความทนทานและความคุ้มค่าของพวกเขาทำให้พวกเขาได้รับความนิยมสำหรับการใช้งานในแอคทูเอเตอร์เซ็นเซอร์ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกและเสียงอึกทึกสำหรับผู้บริโภคอิเล็กทรอนิกส์

รูปที่ 4: โครงสร้างของ piezoelectric ประเภท PZT

วัสดุ piezoelectric บาง ๆ

ฟิล์มบาง ๆ piezoelectrics ทำโดยการวางเลเยอร์ที่มีตั้งแต่นาโนเมตรไม่กี่ไปจนถึงความหนาหลายไมโครเมตรโดยใช้เทคนิคการผลิตขั้นสูงเช่นการสปัตเตอร์การสะสมไอสารเคมีหรือการสะสมเลเซอร์พัลซิ่งวัสดุทั่วไปที่ใช้ในฟิล์มบาง ได้แก่ PZT, สังกะสีออกไซด์ (ZNO) และอลูมิเนียมไนไตรด์ (ALN)ความบางของฟิล์มเหล่านี้ช่วยให้พวกเขาได้รับการรวมเข้ากับระบบไมโครอิเล็กทรอนิกส์ (MEMS) และระบบนาโนอิเล็กโตรเมอร์ (NEMS) ช่วยเพิ่มฟังก์ชั่นการทำงานในอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดเช่นไมโครโฟนไมโครโฟนและอาร์เรย์เซ็นเซอร์ขั้นสูงความเข้ากันได้ของพวกเขากับกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์มาตรฐานและความสามารถในการปรับขนาดทำให้เหมาะสำหรับวงจรรวมและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่น

รูปที่ 5: ฟิล์มบาง ๆ Piezoelectric

รูปที่ 6: องค์ประกอบ Piezo จำนวนมาก

การเลือกระหว่างวัสดุแบบฟิล์มบางและวัสดุ piezoelectric จำนวนมากขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของแอปพลิเคชันสำหรับความแม่นยำพลังงานและความทนทานวัสดุ Piezo แบบฟิล์มบางเหมาะกับเทคโนโลยีขนาดเล็กในทางตรงกันข้ามวัสดุ Piezo จำนวนมากเป็นที่ต้องการในการใช้งานที่มีความต้องการมากขึ้นและมีขนาดใหญ่ขึ้นตารางด้านล่างเปรียบเทียบวัสดุ piezo ฟิล์มบางและวัสดุ piezo จำนวนมากตามความหนาเทคนิคการผลิตคุณสมบัติที่สำคัญและการใช้งาน

หมวดหมู่	วัสดุ piezo ฟิล์มบาง	วัสดุ Piezo จำนวนมาก
ความหนา	ไม่กี่นาโนเมตรไปหลายไมโครเมตร	หลายมิลลิเมตรถึงเซนติเมตร
เทคนิคการผลิต	สปัตเตอร์, การสะสมเลเซอร์พัลซิ่ง, การสะสมไอสารเคมี	กด, อัดขึ้นรูป, การตัดเฉือน
คุณสมบัติ	การตอบสนองความถี่สูง: การตอบสนองอย่างรวดเร็ว เวลา	การผลิตพลังงานสูง: ผลิตพลังงาน ภายใต้ความเครียดเชิงกล
	ความยืดหยุ่น: ใช้ได้กับความยืดหยุ่น พื้นผิว	ความทนทาน: แข็งแรงและทนทานเหมาะสม สำหรับภาระหนักและเงื่อนไขที่รุนแรง
	ความแม่นยำ: การควบคุมที่แม่นยำในไฟล์ ระดับกล้องจุลทรรศน์	ความเก่งกาจ: รูปร่างและขนาดได้ง่ายสำหรับ ความต้องการเฉพาะ
แอปพลิเคชัน	ไมโครอิเล็กทรอนิกส์และ MEMS: accelerometers, gyroscopes, หัวเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท	การเก็บเกี่ยวพลังงาน: แปลงกลไก ความเครียดจากการสั่นสะเทือนเป็นพลังงานไฟฟ้า
	อุปกรณ์การแพทย์: ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก สำหรับการถ่ายภาพและการบำบัด	แอคทูเอเตอร์และเซ็นเซอร์: แอคทูเอเตอร์ขนาดใหญ่ใน อุตสาหกรรมยานยนต์และการบินและอวกาศเซ็นเซอร์โหลดสูง
	โทรคมนาคม: ตัวกรองและ Resonators ในโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์สื่อสาร	อุปกรณ์โซนาร์และอัลตราโซนิก: โซนาร์ ระบบสำหรับการใช้กองทัพเรือน้ำยาทำความสะอาดอัลตราโซนิกอุตสาหกรรม

PZT แบบฟิล์มบางและวิธีการสะสม

วัสดุ zirconate titanate (PZT) แบบฟิล์มบางใช้ในเซ็นเซอร์แอคทูเอเตอร์และระบบกลไกไมโครอิเล็กทรอนิกส์ (MEMS) เนื่องจากคุณสมบัติแบบเพียโซอิเล็กทริกที่ยอดเยี่ยมองค์ประกอบและประสิทธิผลของฟิล์มบาง PZT นั้นขึ้นอยู่กับวิธีการสะสมของพวกเขาซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อโครงสร้างการวางแนวและประสิทธิภาพของ piezoelectricเทคนิคการสะสมหลักสามประการ ได้แก่ โซล-เจลสปัตเตอร์และการสะสมไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD)

รูปที่ 7: PZT ฟิล์มบางที่ยืดหยุ่น

กระบวนการโซล-เจล

กระบวนการ Sol-Gel เป็นวิธีที่ประหยัดต้นทุนในการฝากฟิล์มบาง PZT และอนุญาตให้ควบคุมองค์ประกอบของฟิล์มในระดับโมเลกุลเทคนิคนี้เริ่มต้นด้วยการเตรียมสารละลายคอลลอยด์ (SOL) ที่เปลี่ยนเป็นเจลขั้นตอนสำคัญรวมถึงการไฮโดรไลซิ่งและอัลคอกไซด์โลหะโพลีเมอร์เจลที่ได้จะถูกนำไปใช้กับสารตั้งต้นโดยใช้การเคลือบสปินหรือการเคลือบแบบจุ่มตามด้วยการรักษาความร้อนเพื่อกำจัดส่วนประกอบอินทรีย์และตกผลึกเฟส PZT

รูปที่ 8: กระบวนการโซล-เจลสำหรับฟิล์มบาง PZT

ข้อดี

•ช่วยให้สามารถควบคุมปริมาณสารสัมพันธ์ที่ดีปรับปรุงคุณสมบัติ piezoelectric

•ใช้อุณหภูมิที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับวิธีอื่น ๆ

ความท้าทาย

•มันยากที่จะได้รับความหนาและองค์ประกอบที่สอดคล้องกันในพื้นที่ขนาดใหญ่

•การหดตัวสูงในระหว่างการอบแห้งและการยิงมักทำให้เกิดรอยแตก

การสปัตเตอร์

การสปัตเตอร์เป็นเทคนิคการสะสมไอทางกายภาพ (PVD) ที่อนุภาคพลังงานสูงทำให้วัสดุหลุดออกจากเป้าหมายจากนั้นนำไปวางลงบนพื้นผิวสำหรับภาพยนตร์ PZT RF Magnetron sputtering ใช้เกี่ยวข้องกับพลาสมาของอาร์กอนไอออนที่กระทบเป้าหมาย PZT

รูปที่ 9: วิธีการสะสมสปัตเตอร์ของการสะสมฟิล์มบาง ๆ

ข้อดี

•ผลิตภาพยนตร์ที่มีการยึดเกาะและความหนาแน่นที่ดี

•เหมาะสำหรับการเคลือบพื้นผิวขนาดใหญ่อย่างสม่ำเสมอ

ความท้าทาย

•ความเครียดสามารถสร้างขึ้นในภาพยนตร์ที่มีผลต่อคุณสมบัติของพวกเขา

•องค์ประกอบของเป้าหมายอาจเปลี่ยนแปลงในระหว่างการสปัตเตอร์เนื่องจากผลผลิตสปัตเตอร์ที่แตกต่างกัน

การสะสมไอสารเคมีอินทรีย์ (MOCVD)

MOCVD เกี่ยวข้องกับการสลายตัวของสารตั้งต้นโลหะอินทรีย์ในเฟสไอและทำปฏิกิริยาหรือสลายตัวบนพื้นผิวที่ร้อนเพื่อสร้างฟิล์มบาง ๆวิธีนี้เป็นที่ต้องการสำหรับการผลิตฟิล์มที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีผลึกดีเหมาะสำหรับการใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์

ข้อดี

•ให้ความสม่ำเสมอของฟิล์มที่ยอดเยี่ยมและความสอดคล้องแม้บนพื้นผิวที่มีรูปร่างซับซ้อน

•เหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณมาก

ความท้าทาย

•ต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่าวิธีอื่น ๆ

•การจัดการและการจัดเก็บสารตั้งต้นของโลหะอินทรีย์อาจเป็นอันตราย

รูปที่ 10: การสะสมไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ

วัสดุกระทำอย่างไรภายใต้ความเครียด

พฤติกรรมภายใต้การบีบอัด

เมื่อวัสดุเช่นควอตซ์หรือแบเรียมไททาเนตถูกบีบพวกเขาเปลี่ยนวิธีที่ส่งผลกระทบต่อการใช้งานในอุปกรณ์ต่าง ๆวัสดุเหล่านี้มีโครงสร้างพิเศษที่สร้างค่าไฟฟ้าเมื่อถูกกดขณะที่พวกเขาถูกบีบอัดพวกเขาหดตัวและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของพวกเขา

การบีบนี้ทำให้ประจุไฟฟ้าภายในคริสตัลกระจายอย่างไม่สม่ำเสมอความดันเคลื่อนย้ายไอออนในโครงสร้างของคริสตัลสร้างสนามไฟฟ้าสิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากศูนย์ประจุบวกและลบในการเปลี่ยนวัสดุปริมาณของการตอบสนองทางไฟฟ้าขึ้นอยู่กับชนิดของผลึกแรงที่ใช้และทิศทางของคริสตัลเทียบกับแรง

ตัวอย่างเช่นในเซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้าที่ผลิตโดยคริสตัลสามารถวัดแรงที่ใช้ทำให้มันสมบูรณ์แบบสำหรับการตรวจจับแรงดันและโหลดการตรวจสอบในแอคทูเอเตอร์การใช้สนามไฟฟ้าสามารถทำให้รูปร่างเปลี่ยนคริสตัลช่วยให้สามารถควบคุมการเคลื่อนไหวในสิ่งต่าง ๆ เช่นอุปกรณ์อัลตราโซนิกและหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงได้อย่างแม่นยำ

รูปที่ 11: วัสดุ piezoelectric ทำงาน

การตอบสนองต่อความดัน Piezoelectric

เมื่อวัสดุ piezoelectric เผชิญกับแรงดันเชิงกลโมเลกุลของพวกเขาจะปรับตัวให้มีผลต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าของพวกเขาแรงเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลจัดแนวบริเวณที่มีทิศทางไฟฟ้าสม่ำเสมอเพิ่มโพลาไรเซชันไฟฟ้า

การจัดตำแหน่งนี้ช่วยเพิ่มการแยกประจุในวัสดุเพิ่มการโพลาไรเซชันไฟฟ้ากล่าวง่ายๆความดันทำให้ไดโพล (โมเลกุลที่มีค่าใช้จ่ายตรงข้ามสองค่า) มีความสม่ำเสมอมากขึ้นสร้างสนามไฟฟ้าที่แข็งแกร่งขึ้นสำหรับแรงที่กำหนด

ความสามารถในการควบคุมการตอบสนองนี้ถูกต้องภายใต้แรงกดดันที่แตกต่างกันทำให้วัสดุ piezoelectric มีประโยชน์มากในเทคโนโลยีหลายอย่างความสามารถของพวกเขาในการแปลงความดันเชิงกลเป็นสัญญาณไฟฟ้าและในทางกลับกันช่วยให้พวกเขาสามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพในงานเช่นการสร้างความถี่อิเล็กทรอนิกส์ที่แม่นยำและการตรวจสอบการสั่นสะเทือนในการตั้งค่าอุตสาหกรรม

เอฟเฟกต์ piezoelectric

รูปที่ 12: ผล piezoelectric

การเปลี่ยนพลังงานเชิงกลเป็นพลังงานไฟฟ้าด้วยผล piezoelectric

ผล piezoelectric เปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยการเปลี่ยนรูปวัสดุผลึกบางชนิดวัสดุเหล่านี้เรียกว่า piezoelectrics รวมถึงสารธรรมชาติเช่นควอตซ์และสารสังเคราะห์เช่นเซรามิกขั้นสูง

เมื่อวัสดุ piezoelectric เผชิญกับความเครียดเชิงกลเช่นถูกบีบบิดหรืองอโครงสร้างผลึกของมันไม่มีความสมมาตรกลางและถูกรบกวนการรบกวนนี้จะเปลี่ยนศูนย์ประจุในผลึกทำให้เกิดโพลาไรเซชันและสร้างศักยภาพทางไฟฟ้าในบางจุดในวัสดุ

ประเด็นสำคัญของกระบวนการนี้:

ประจุไฟฟ้าที่ผลิตตรงกับปริมาณของความเครียดเชิงกลที่ใช้ซึ่งหมายความว่าเอาต์พุตไฟฟ้าสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำตามแรงที่รู้จักที่ใช้

เมื่อแรงลบออกวัสดุจะกลับสู่สถานะเดิมและประจุไฟฟ้าจะหายไปสิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ถึงความทนทานและความน่าเชื่อถือของวัสดุที่ดีสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องทำงานซ้ำ ๆ

การเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานเชิงกลด้วยผลกระทบแบบ piezoelectric ย้อนกลับ

ผล piezoelectric ย้อนกลับจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้ากลับสู่พลังงานเชิงกลการใช้แรงดันไฟฟ้ากับวัสดุ piezoelectric สร้างสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนโครงสร้างโครงตาข่ายคริสตัลเปลี่ยนมิติของวัสดุ

เอฟเฟกต์นี้ใช้ในแอคชูเอเตอร์ที่มีความแม่นยำในเครื่องมือออพติคอลและระบบการจัดตำแหน่งไมโครเอฟเฟกต์แบบย้อนกลับ piezoelectric ช่วยให้มั่นใจได้ว่าอินพุตไฟฟ้าขนาดเล็กส่งผลให้มีการปรับตัวเชิงกลควบคุมอย่างแม่นยำช่วยให้เกิดความก้าวหน้าในหุ่นยนต์เทคโนโลยียานยนต์เครื่องมือทางการแพทย์และการสื่อสารโทรคมนาคม

ความสามารถสองอย่างของผล piezoelectric ที่จะทำหน้าที่เป็นทั้งเครื่องจักรกลสู่ไฟฟ้าและไฟฟ้าเป็นกลไกสนับสนุนความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีมันเชื่อมต่อโดเมนเชิงกลและไฟฟ้าขยายวิศวกรรมและนวัตกรรมสมัยใหม่

รูปที่ 13: เอฟเฟกต์ piezoelectric โดยตรงและย้อนกลับ

การเปรียบเทียบวัสดุที่ไม่ใช่ piezoelectric และ piezoelectric

วัสดุที่ไม่ใช่ piezoelectric และ piezoelectric มีความแตกต่างในวิธีที่พวกเขาจัดการกับพลังงานเชิงกลและไฟฟ้าวัสดุที่ไม่ใช่ piezoelectric เช่นเหล็กและอลูมิเนียมสามารถผลิตไฟฟ้าได้ แต่ไม่ได้สร้างประจุไฟฟ้าเมื่อเครียดวัสดุ Piezoelectric เช่นควอตซ์และเซรามิกบางชนิดสามารถเปลี่ยนพลังงานเชิงกลเป็นพลังงานไฟฟ้าได้เนื่องจากโครงสร้างผลึกพิเศษ

วัสดุที่ไม่ใช่ piezoelectric มีผลึกที่สมมาตรดังนั้นพวกเขาจึงไม่ผลิตไดโพลไฟฟ้าเมื่อเครียดวัสดุ Piezoelectric มีขัดแตะคริสตัลแบบอสมมาตรซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถสร้างประจุไฟฟ้าเมื่ออยู่ภายใต้ความเครียดการเสียรูปนี้ทำให้เกิดโพลาไรซ์ภายในและสร้างศักยภาพทางไฟฟ้า

วัสดุที่ไม่ใช่ piezoelectric ทำตัวเหมือนตัวนำปกติหรือฉนวนกันความคล่องตัวตามการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนและโครงสร้างวงดนตรีและพวกเขาไม่ได้สร้างประจุไฟฟ้าเมื่อเปลี่ยนรูปวัสดุ Piezoelectric แสดงเอฟเฟกต์สองอย่าง: ผลกระทบโดยตรง piezoelectric ซึ่งความเครียดเชิงกลสร้างประจุไฟฟ้าและผล piezoelectric ผกผันที่สนามไฟฟ้าทำให้เกิดการเสียรูปแบบกลลักษณะเหล่านี้ทำให้วัสดุ piezoelectric เหมาะสำหรับใช้ในเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์

เนื่องจากคุณสมบัติที่แตกต่างกันจึงใช้วัสดุที่ไม่ใช่ piezoelectric และ piezoelectric ในการใช้งานที่แตกต่างกันวัสดุที่ไม่ใช่ piezoelectric ถูกนำมาใช้ในส่วนประกอบโครงสร้างการเดินสายไฟฟ้าและชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มาตรฐานที่ความแข็งแรงและค่าการนำไฟฟ้ามีความสำคัญวัสดุ Piezoelectric ถูกนำมาใช้ในสาขาที่ต้องการการควบคุมที่แม่นยำและการแปลงพลังงานไฟฟ้าเชิงกลเช่นอุปกรณ์อัลตร้าซาวด์อุปกรณ์การวางตำแหน่งที่แม่นยำและเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ที่หลากหลายสำหรับเทคโนโลยีขั้นสูง

การใช้งานของ piezoelectricity

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค: ในสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์อื่น ๆ ชิ้นส่วน piezoelectric ใช้ในลำโพงและไมโครโฟนพวกเขาเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นการสั่นสะเทือนของเสียงหรือการสั่นสะเทือนของเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้าสำหรับอินพุตเสียง

อุตสาหกรรมยานยนต์: รถยนต์สมัยใหม่ใช้เซ็นเซอร์ piezoelectric สำหรับหลาย ๆ วัตถุประสงค์เช่นการควบคุมการฉีดเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์และตรวจสอบความดันลมยาง

การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม: เซ็นเซอร์ Piezoelectric ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความดันการสั่นสะเทือนและเสียงพวกเขาใช้สำหรับการตรวจสอบสภาพแวดล้อมและสร้างความมั่นใจในความปลอดภัยของอาคารและสะพาน

การเก็บเกี่ยวพลังงาน: วัสดุ piezoelectric สามารถจับพลังงานจากความเครียดเชิงกลตัวอย่างเช่นพื้นที่แปลงเสียงฝีเท้าเป็นพลังงานไฟฟ้าสามารถเปิดไฟและอิเล็กทรอนิกส์ในพื้นที่ที่วุ่นวายช่วยสร้างสภาพแวดล้อมที่ยั่งยืน

ไฟแช็ค piezoelectric แรงดันสูง: ไฟแช็คเหล่านี้ใช้สำหรับเตาแก๊สและบาร์บีคิวและสร้างแรงดันไฟฟ้าสูงจากการคลิกเชิงกลขนาดเล็กทำให้เกิดประกายไฟเพื่อจุดไฟเผาสิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงการใช้งานจริงของวัสดุ piezoelectric

การถ่ายภาพทางการแพทย์: ผลึก piezoelectric มีประโยชน์ในเครื่องอัลตร้าซาวด์พวกเขาผลิตคลื่นเสียงที่ตีกลับเนื้อเยื่อและอวัยวะสร้างภาพสำหรับการวินิจฉัย

แอคทูเอเตอร์ที่มีความแม่นยำในเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์: วัสดุ Piezoelectric ในแอคทูเอเตอร์ที่มีความแม่นยำสร้างการเคลื่อนไหวเล็ก ๆ สำหรับเลนส์และนาโนเทคโนโลยีแอคทูเอเตอร์เหล่านี้ปรับกระจกเลนส์และชิ้นส่วนอื่น ๆ ด้วยความแม่นยำด้วยกล้องจุลทรรศน์สำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

บทสรุป

การศึกษาวัสดุ piezoelectric แสดงให้เห็นถึงการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งระหว่างฟิสิกส์และวิศวกรรมแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติตามธรรมชาติของพวกเขาสามารถนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์ทางเทคโนโลยีได้อย่างไรความหลากหลายของวัสดุ piezoelectric ที่มีทั้งวัสดุที่มีขนาดใหญ่และฟิล์มบางที่ยืดหยุ่นทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลายเช่นการเก็บเกี่ยวพลังงานการตรวจสอบสิ่งแวดล้อมและการพัฒนาเทคโนโลยีที่ยั่งยืนในขณะที่นวัตกรรมยังคงดำเนินการวิจัยและพัฒนาในวัสดุ piezoelectric มีความสำคัญมากกว่าการปรับปรุงที่มีแนวโน้มในด้านประสิทธิภาพความแม่นยำและการทำงานสำหรับเทคโนโลยีในอนาคต

คำถามที่พบบ่อย [คำถามที่พบบ่อย]

1. อะไรทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าจากผล piezoelectric?

ผล piezoelectric เกิดขึ้นเมื่อวัสดุบางชนิดผลิตประจุไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อความเครียดทางกลวัสดุเหล่านี้คริสตัลเช่นควอตซ์เซรามิกส์เช่นแบเรียมไททาเนตและโพลีเมอร์บางตัวมีโครงสร้างขัดแตะคริสตัลที่ไม่ใช่ศูนย์กลาง-ม่านตาซึ่งหมายความว่ามันไม่มีจุดศูนย์กลางของความสมมาตรเมื่อใช้แรงทางกลเช่นความดันหรือการสั่นสะเทือนโครงสร้างนี้จะบิดเบี้ยวการบิดเบือนนี้แทนที่ไอออนภายในตาข่ายสร้างพื้นที่ที่มีประจุบวกและลบการแยกเชิงพื้นที่ของประจุเหล่านี้ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่มีศักยภาพไฟฟ้าเอฟเฟกต์นี้สามารถย้อนกลับได้และการใช้สนามไฟฟ้ากับวัสดุเหล่านี้จะทำให้เกิดความเครียดทางกล

2. อุปกรณ์ใดที่ใช้เอฟเฟกต์ piezoelectric?

อุปกรณ์ที่ใช้เอฟเฟกต์ piezoelectric มีความหลากหลายและรวมถึงอุปกรณ์ทั้งในชีวิตประจำวันและพิเศษแอปพลิเคชันทั่วไปคือ:

นาฬิกาควอตซ์: ใช้การสั่นสะเทือนปกติของควอตซ์ภายใต้สนามไฟฟ้าเพื่อให้เวลาอย่างแม่นยำ

อุปกรณ์อัลตร้าซาวด์ทางการแพทย์: สร้างคลื่นเสียงที่สะท้อนอยู่ภายในร่างกายเพื่อสร้างภาพการวินิจฉัย

หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงในรถยนต์: การใช้แอคชูเอเตอร์แบบ piezoelectric เพื่อควบคุมเวลาและปริมาณของเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าไปในกระบอกสูบเครื่องยนต์

เซ็นเซอร์ Piezoelectric และ accelerometers: การวัดการเปลี่ยนแปลงของความดัน, การเร่งความเร็ว, ความเครียดหรือแรงโดยการแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า

3. Piezo มีกี่โวลต์?

แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทขององค์ประกอบ piezoelectric อาจแตกต่างกันอย่างกว้างขวางขึ้นอยู่กับขนาดวัสดุและปริมาณของความเครียดเชิงกลที่ใช้องค์ประกอบ Piezo ขนาดเล็กเช่นที่พบในไฟแช็คหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้ตั้งแต่ไม่กี่โวลต์ถึงหลายร้อยโวลต์อย่างไรก็ตามผลลัพธ์เหล่านี้โดยทั่วไปจะอยู่ที่กระแสต่ำมากและมีเพียงไมโครวินาทีเท่านั้น

4. Piezo ต้องการตัวต้านทานหรือไม่?

ในหลายแอปพลิเคชันตัวต้านทานจะใช้กับองค์ประกอบ piezoelectric เพื่อ จำกัด กระแสไฟฟ้าและปกป้องส่วนประกอบอื่น ๆ ในวงจรจากสไปค์แรงดันสูงที่เกิดขึ้นเมื่อเปิดใช้งาน piezoค่าของตัวต้านทานขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของวงจรรวมถึงเวลาตอบสนองที่ต้องการและความไวหากไม่มีตัวต้านทาน Piezo อาจสร้างความเสียหายให้กับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมต่อได้เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นสูง

5. Piezoelectric เกี่ยวข้องกับพลังของมนุษย์อย่างไร?

เอฟเฟกต์ Piezoelectric ใช้โดยตรงกับการควบคุมพลังของมนุษย์ในรูปแบบที่เป็นนวัตกรรมมันสามารถแปลงพลังงานเชิงกลจากกิจกรรมของมนุษย์เช่นการเดินหรือกดปุ่มเป็นพลังงานไฟฟ้าเทคโนโลยีนี้มีการสำรวจในแอพพลิเคชั่นต่างๆ:

กระเบื้องพื้นสำหรับเก็บเกี่ยวพลังงาน: กระเบื้องเหล่านี้สร้างกระแสไฟฟ้าจากความดันของการเดินเท้าในพื้นที่ที่วุ่นวายเช่นสถานีรถไฟใต้ดินหรือห้างสรรพสินค้า

เทคโนโลยีที่สวมใส่ได้: การฝังวัสดุ piezoelectric ในรองเท้าหรือเสื้อผ้าเพื่อสร้างพลังงานสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กผ่านการเคลื่อนไหวของร่างกายปกติ

การปลูกถ่ายทางการแพทย์: การใช้การเคลื่อนไหวของร่างกายไปยังอุปกรณ์พลังงานเช่นเครื่องกระตุ้นหัวใจลดหรือไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่ภายนอก