پیزوالکتریسیته ظاهر یک ولتاژ در دو طرف کریستال زمانی است که تحت فشار یا فشار مکانیکی قرار می گیرد. سنسور پیزوالکتریک وسیله ای است که از اثر پیزوالکتریک برای اندازه گیری تغییرات فشار، شتاب، دما، کرنش یا نیرو با تبدیل آنها به یک تغییر الکتریکی استفاده می کند.
اخیراً، حسگرهای پلیمری پیزوالکتریک به یکی از سریع‌ترین حوزه‌های فناوری در حال رشد در بازار جهانی حسگر تبدیل شده‌اند. در حال حاضر، آنها به عنوان ابزار همه کاره برای اندازه گیری فرآیندهای مختلف استفاده می شوند.
بیایید بفهمیم که چه چیزی فیلم‌های پیزوالکتریک را برای کاربردهای متعدد مناسب می‌کند و راه‌حل‌های ممکن برای بهبود عملکرد آنها چیست :
ویژگی های کلیدی فیلم پیزوالکتریک
موقعیت های زیادی وجود دارد که در آن یک فیلم پیزوالکتریک برای استفاده در محلول حسگر در نظر گرفته شده است . از جمله حوزه‌هایی که در حال حاضر از سنسورهای پیزوالکتریک استفاده می‌شود عبارتند از:
– پزشکی
– هوافضا
– ابزار دقیق هسته‌ای و
– قطعات لمسی تلفن‌های همراه به عنوان سنسور فشار
در صنعت خودروسازی، عناصر پیزوالکتریک برای نظارت بر احتراق هنگام توسعه موتورهای احتراق داخلی استفاده می‌شوند. از زمان کشف پلیمرهای پیزوالکتریک، این فناوری به طور قابل توجهی پیشرفت کرده است و در مقیاس بزرگتر از گذشته مورد استفاده قرار می گیرد.
به طور کلی، فیلم های پیزوالکتریک که در سنسورهای پیزوالکتریک استفاده می شوند، قوی، سبک و انعطاف پذیر هستند.. آنها در طیف گسترده ای از ضخامت ها و مناطق هستند. فیلم‌های پیزوالکتریک را معمولاً می‌توان به طرح‌های منحصربه‌فرد قالب‌گیری کرد و می‌توان آن را با چسب‌های تجاری چسباند. برخی از ویژگی های کلی فیلم های پیزوالکتریک عبارتند از:
| – استحکام دی الکتریک بالا – خروجی ولتاژ بالا – انطباق الاستیک بالا – امپدانس صوتی پایین – محدوده دینامیکی زیاد – محدوده فرکانس وسیع – مقاومت در برابر ضربه بالا – استحکام و پایداری مکانیکی بالا |
 |
پلیمرهایی که پیزوالکتریک را نشان می دهند
چهار عنصر حیاتی برای تمام پلیمرهایی که دارای ویژگی های پیزوالکتریک هستند، صرف نظر از مورفولوژی موجود در پلیمرها، وجود دارد. این عناصر ضروری عبارتند از:
– وجود دوقطبی‌های مولکولی دائمی
– توانایی جهت‌دهی یا تراز کردن دوقطبی‌های مولکولی
– توانایی حفظ تراز دوقطبی پس از رسیدن به آن و
– توانایی ماده برای متحمل شدن کرنش‌های بزرگ زمانی که به صورت مکانیکی است.
در میان پلیمرهای رایج، پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) ، پی وی سی و نایلون نمونه هایی از موادی هستند که رفتار پیزوالکتریک از خود نشان می دهند.
PVDF برای برنده شدن در مسابقه
برای موادی که قبلا ذکر شد، PVDF سطوح بالایی از پیزوالکتریک را نشان می‌دهد. پلیمرهای دیگر، مانند PVC و نایلون ، با اثر پیزوالکتریک بالا که با PVDF و کوپلیمرهای آن مشاهده می شود، مطابقت ندارند.
 |
فرآیند تولید مواد پیزوالکتریک PVDF شامل کشش ورق PVDF در دمایی نزدیک به نقطه ذوب حدود 175 درجه سانتیگراد است. این باعث می شود که زنجیره پلیمری مولکول ها را به یک فاز کریستالی پیزوالکتریک بسته بندی کند. پلیمر کشیده شده در معرض میدان الکتریکی بالا قرار می گیرد تا خواص پیزوالکتریک در ماده ایجاد شود.
– PVDF در پاسخ به تغییرات دما یک بار الکتریکی تولید می کند. |
پتانسیل پیزوالکتریک – سرامیک پلیمر v/s
علاوه بر پلیمرها، از مواد سرامیکی خاصی نیز می توان برای تولید فیلم های پیزوالکتریک استفاده کرد. برخی از کریستال های طبیعی مانند: کوارتز و توپاز دارای پیزوالکتریک هستند. سرب زیرکونات تیتانات یا PZT، یک ماده سرامیکی ساخته دست بشر، رایج ترین ماده پیزوالکتریک سرامیکی است که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد.
هم سرامیک ها و هم پلیمرهای پیزوالکتریک مزایا و معایب خاصی را هنگام استفاده در فیلم های پیزوالکتریک ارائه می دهند.
– فیلم های پلیمری پیزوالکتریک دارای امپدانس صوتی پایینی هستند که نسبت به فیلم های سرامیکی به بافت انسانی، آب و مواد آلی نزدیک تر است. چنین تطابق نزدیکی از امپدانس امکان انتقال موثر سیگنال های صوتی در بافت و آب را فراهم می کند.
– فیلم های پلیمری پیزوالکتریک نیز نمایش داده می شوندحساسیت عالی و چگالی کم
– هنگامی که پلیمرهای پیزوالکتریک به لایه های نازک اکسترود می شوند، می توان آنها را بدون تأثیر بر حرکت مکانیکی به یک ساختار متصل کرد. به طور کلی، فیلم های پیزوالکتریک برای استفاده در کاربردهای سنجش کرنش ، که نیاز به حساسیت بالا و پهنای باند وسیع دارند، ایده آل هستند.
با این حال، در مقایسه با فیلم‌های سرامیکی، فیلم‌های پیزوالکتریک پلیمری یک فرستنده الکتروشیمیایی نسبتا ضعیف، به ویژه در کاربردهای فرکانس پایین و رزونانس ایجاد می‌کنند. همچنین PVDF برای استفاده یا نگهداری در دمای بالای حدود 100 درجه سانتیگراد مناسب نیست. این عملکرد آن را در کاربردهای دمای نسبتاً بالا محدود می کند. علاوه بر این، هنگامی که الکترودهای فیلم در معرض دید قرار می گیرند، سنسور تمایل دارد که نسبت به تابش الکترومغناطیسی کاملاً حساس باشد. » برای دانستن بیشتر در مورد فیلم های پیزوالکتریک به خواندن ادامه دهید. بخش های کاربردی اصلی و راه حل های چالش های پیش روی فیلم های پیزو را بیابید.