التأثير الكهروضغطي وتطبيقاته في الاستشعار الصناعي

1. المبدأ الأساسي

يحدث التأثير الكهرضغطية في بعض المواد حيث يولد الضغط الميكانيكي شحنة كهربائية. وقد اكتشفه الأخوان كوري في عام 1880، ويأتي الاسم من الكلمة اليونانية "piezein" التي تعني الضغط.

يوجد وضعان:

• التأثير المباشر: يؤدي الإجهاد الميكانيكي إلى تشويه المادة، مما يؤدي إلى تحويل الشحنات الداخلية وتوليد جهد كهربائي عبر أسطح المادة. وهذا يحول القوة الفيزيائية إلى إشارات كهربائية.
• التأثير العكسي: يؤدي تطبيق مجال كهربائي إلى تغيير شكل المادة قليلاً. وهذا يحوّل المدخلات الكهربائية إلى حركة ميكانيكية دقيقة.

2. أنواع المواد

توجد ثلاث فئات رئيسية. تقدم شركة Stanford Advanced Materials (SAM) منتجات في جميع الفئات.

البلورات الكهرضغطية

بلورات مفردة ذات بنية ذرية منتظمة. لا يزال الكوارتز هو الأكثر شيوعًا، حيث يقدم أداءً مستقرًا عبر التغيرات في درجات الحرارة مع الحد الأدنى من انجراف الإشارة. تعمل نيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم بشكل جيد للاستخدامات عالية التردد. تُظهر البلورات عمومًا حساسية أقل من السيراميك ولكنها توفر استقرارًا أفضل على المدى الطويل.

السيراميك الكهرضغطية

تهيمن المواد متعددة الكريستالات، وخاصة تيتانات زركونات الرصاص (PZT)، على الاستخدام الصناعي. وهي توفر حساسية أعلى بكثير من الكوارتز. يمكن للمصنعين ضبط تركيبة PZT للتأكيد على سمات محددة مثل الحساسية أو مقاومة درجات الحرارة. وتوجد الآن خيارات خالية من الرصاص مثل نيوبات الصوديوم البوتاسيوم (KNN) للتطبيقات الحساسة بيئيًا.

البوليمرات الكهرضغطية

توفر مواد مثل PVDF المرونة والمتانة. وعلى الرغم من أنها أقل حساسية من السيراميك، إلا أنها تتطابق مع الماء والأنسجة في الخصائص الصوتية. وهذا يجعلها مفيدة للتصوير الطبي وأنظمة الصوت تحت الماء.

3. التطبيقات الرئيسية

مجسات الضغط

تقيس التغيرات السريعة في الضغط في المحركات والأنظمة الهيدروليكية والعمليات الصناعية. يعمل الكوارتز بشكل أفضل في البيئات ذات درجات الحرارة العالية التي تتطلب معايرة مستقرة على مدى سنوات. توفر PZT أقصى قدر من الحساسية للكشف عن القوى الصغيرة في ظروف مضبوطة.

أجهزة الموجات فوق الصوتية

ترسل محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية وتستقبل الموجات الصوتية. تعتمد عليها جميع أجهزة التصوير الطبي وأجهزة كشف العيوب الصناعية وأجهزة قياس التدفق وأنظمة السونار. يعتمد اختيار المواد على تردد التشغيل ومتطلبات الطاقة.

حساسات الاهتزاز

تكتشف أجهزة قياس التسارع الحركة والاهتزاز عن طريق قياس القوة على كتلة زلزالية. وهي تراقب صحة الجسور. تتنبأ بأعطال الماكينات.

تقوم بتشغيل الوسائد الهوائية في السيارات. وتختبر الأجزاء الفضائية. تعمل بترددات تتراوح بين الصفر وآلاف الهرتزات.

أجهزة تحديد المواقع الدقيقة

يتيح التأثير العكسي تحديد المواقع بدقة النانومتر. تستخدم مجاهر القوة الذرية وأدوات صنع الرقائق وحاقنات الوقود ورؤوس الطابعات مشغلات كهرضغطية للسرعة والدقة.

حصادات الطاقة

يمكن للاهتزازات الصادرة عن الآلات أو المركبات أو حركة الإنسان توليد كميات صغيرة من الكهرباء. تعمل هذه المستشعرات اللاسلكية على تشغيل أجهزة الاستشعار اللاسلكية حيثما تكون تغييرات البطارية غير عملية.

4. دليل اختيار المواد

للمساعدة في اختيار المواد، تقدم شركة Stanford Advanced Materials (SAM) الدعم الفني استناداً إلى عقود من الخبرة في مجال التوريد. اتصل بنا وأخبرنا عن مشروعك.

5. خط إنتاج Stanford Advanced Materials (SAM)

تزوّد شركة SAM مختبرات الأبحاث والصناعة في جميع أنحاء العالم بمواد كهرضغطية تلبي المواصفات الصارمة.

بلورات الكوارتز

توفر SAM الكوارتز في قطع AT، وBT، وBT، وSC، والقطع المخصصة. توفر كل قطعة سلوكًا مختلفًا في درجات الحرارة. تشمل التطبيقات استشعار القوة، وقياس التسارع، والتحكم في التردد حيثما كان الثبات أكثر أهمية. [عرض منتجات الكوارتز]

نيوبات الليثيوم

يتوفر نيوبات الليثيوم من SAM في درجات متطابقة ومتكافئة. ويأتي في عدة قطع، بما في ذلك 128 درجة Y-X وY-36 درجة وY-36 درجة وX-قطع وZ-قطع. تناسب درجة حرارة كوري العالية (>1100 درجة مئوية) مرشحات الموجات الصوتية السطحية والاستخدامات الإلكترونية الضوئية.

تانتالات الليثيوم

استقرار درجة حرارة أفضل من النيوبيات يجعل تانتالات الليثيوم من SAM الخيار لمرشحات الاتصالات السلكية واللاسلكية وكاشفات الأشعة تحت الحمراء. متوفرة بزاوية 42 درجة على شكل حرف Y وقطعة X واتجاهات أخرى يصل قطرها إلى 4 بوصات. [عرض منتجات تانتالات الليثيوم]

بلورات PMN-PT المفردة

تحقق هذه البلورات المرخية قيم d₃₃₃ أعلى من 1500 pC/N وعوامل اقتران أعلى من 0.90. تكتسب محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية الطبية عرض النطاق الترددي والحساسية.

تحقق المحركات إزاحة أكبر. تلتقط حاصدات الطاقة المزيد من الطاقة.

سيراميك PZT

تقدم SAM تركيبات PZT الصلبة والناعمة على حد سواء. تتعامل PZT الصلبة مع الطاقة العالية في المنظفات واللحام بالموجات فوق الصوتية.

توفر PZT اللينة PZT حساسية قصوى للمستشعرات. متوفرة كأقراص وألواح وأنابيب وأشكال مخصصة.

خدمات مخصصة

تقوم SAM بزراعة البلورات وفقًا لمواصفات العميل. هل تحتاج إلى اتجاه محدد؟ مستوى المنشطات؟ الأبعاد؟ نمط القطب الكهربائي؟ سيعمل الفريق التقني معك. [عرض الخدمات المخصصة]

المراجع

1. كوري، ج. وكوري، ب. (1880). "Développement par compression de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inciltées." Bulletin de la Société Minéralogique de France, 3(4), pp. 90-93.

2. Jaffe, B., Cook, W.R. and Jaffe, H. (1971). السيراميك الكهروضغطية. المطبعة الأكاديمية، لندن.

3. معيار IEEE بشأن الكهرباء الضغطية (1987). ANSI/IEEE Std 176-1987. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات.

4. أوشينو، ك. (2017). المحركات الكهروضغطية: المبادئ والتطبيقات. كتب MDPI، بازل.

5. Safari, A. و Akdogan, E.K. (2008). المواد الكهروضغطية والصوتية لتطبيقات محولات الطاقة. Springer Science+Business Media، نيويورك.

6. Rödel, J., Webber, K.G., Dittmer, R., Jo, W., Kimura, M. and Damjanovic, D. (2015). "نقل السيراميك الكهروضغطي الخالي من الرصاص إلى التطبيق." مجلة جمعية السيراميك الأوروبية، 35(6)، ص 1659-1681.

7. Tressler, J.F., Alkoy, S. and Newnham, R.E. (1998). "المستشعرات الكهروضغطية ومواد الاستشعار". مجلة Electroceramics، 2(4)، ص. 257-272.

8. داميانوفيتش، د. (1998). "الخواص الكهرو-كهربائية والعازلة والكهرو-ضغطية للأغشية الرقيقة والسيراميك الكهرو-كهربائية الحديدية." تقارير عن التقدم في الفيزياء، 61(9)، ص 1267-1324.

9. Zhang, S. و Li, F. (2012). "بلورات أحادية البلورات الكهرو-كهربائية حديديّة عالية الأداء-PbTiO₃: الحالة والمنظور". مجلة الفيزياء التطبيقية، 111(3)، 031301.