سرامیک های پیزوالکتریک

مقدمه :
پیزو الکتریک ها نوعی سرامیک هستند که با اعمال اختلاف ولتاژهای معمولی به دو سر آن طول آن از مرتبه یک آنگستروم تغییر می کند.از این مواد برای جابجایی های بسیار دقیق استفاده می شود.

پیروالکتریک (Pb(ZrxTi1-x)O3))
پیزوالکتریسیته عبارتست از تولید الکتریسیته (ایجاد شده توسط پلاریزاسیون) توسط یک ماده بر اثر اعمال تنش. در مورد چنین ماده‌ای گفته می‌شود که «رفتار پیزوالکتریک» دارد.
پیزوالکتریک معکوس

زمانی که یک میدان الکتریکی به یک کریستال پیزوالکتریک اعمال شود، تحت کرنش قرار می‌گیرد که اصطلاحا آن را رفتار پیزوالکتریک معکوس می‌نامند.
شرایط پیزوالکتریک
شرط ضروری برای پیزوالکتریک بودن یک کریستال، عدم تقارن مرکزی در ساختار کریستالی است.
مثال‌هایی از مواد پیزوالکتریک
ترکیبات سرب-زیرکنات-تیتانات (PZT) با ساختار پروسکایت
ZnO
کوارتز
کاربردها
یکی از کاربردهای مستقیم اثر پیزوالکتریک در تولید امواج در فرستنده‌های اولتراسونیک در سونوگرافی است.

سراميكهاي پيزوالكتريك وكاربردهاي آن
پيزوالكتريك¬ها گروهي از سراميك¬هاي پيشرفته هستند كه كاربردهاي وسيعي در صنايع الكترونيك، صنايع مصرفي، پزشكي و صنايع نظامي دارند. كاربرد سنسورهاي پيزوالكتريكي در صنايع مختلف از جمله صنايع غذايي، دارويي، لوازم برقي و خودرو در حال پيشرفت است. در زير گزارشي از كاربرد، مقياس بازار و مسائل فني اين مواد نقل شده و سپس تحليلي راجع به وضعيت اين تكنولوژي در كشور ارائه شده است:
پيزوالكتريسيته توسط پيروژاك كوري در سال ۱۸۹۲ كشف گرديد و از واژه يوناني Piezin به معني “فشار” مشتق مي¬شود. اعمال فشار به برخي كريستال¬ها مانند كوارتز يا برخي سراميك¬ها الكتريسيته توليد مي¬¬كند. فشار يا تنش مكانيكي وارد شده به برخي كريستال¬ها باعث

جابه¬جايي دو قطبي¬هاي ايجاد شده و پديد آمدن ميدان الكتريكي مي¬شود. آرايش يون¬هاي مثبت و منفي، تعيين¬كننده ايجاد يا عدم ايجاد اثر پيزوالكتريسيته است. به همين دليل اثر پيزوالكتريسيته يا ايجاد جريان الكتريسيته القايي توسط وارد كردن فشار، در مواد كريستالي ا?نيزوتروپ رخ مي¬دهد؛ يعني در آن دسته از كريستال¬هايي كه مركز تقارن ندارند. زيرا در كريستال¬هاي متقارن هيچ تركيبي از تنش¬هاي يكنواخت نمي¬تواند سبب جدا شدن بارهاي

الكتريكي شود.
اگر يك ماده به عنوان مثال يك سراميك، پيزوالكتريك باشد، وقتي تحت تاثير فشار قرار مي¬گيرد در سطح آن بار الكتريكي توليد مي¬شود؛ يا وقتي در ميدان الكتريكي قرار مي¬گيرد تغيير شكل مكانيكي مي¬يابد. ميزان بار الكتريكي يا تغيير شكل مكانيكي به تركيب ماده بستگي دارد. در ساختمان اين سراميك¬ها موادي نظير: اكسيد سرب، تيتانيا، زيركونيا و غيره وجود دارند كه بسته به نوع كاربرد اين مواد با نسبت-هاي مختلف با هم مخلوط مي¬شوند. با تغيير تركيب و ابعاد قطعات مي¬توان پيزوسراميك¬ها را براي كاربردهاي مختلف طراحي كرد.

كاربرد
موادي كه فشار را به انرژي الكتريكي و انرژي الكتريكي را به انرژي حركتي تبديل مي¬كنند در موارد مختلفي از جمله در مبدل¬هاي پيزوالكتريك استفاده مي¬شوند. حسگرهاي (Sensor) كوچك، كم خرج، حساس و كارآمد با رشد قابل توجهي امروزه در صنعت خودرو اهميت يافته¬اند. مدل¬هاي جديد خودرو بين ۱۸ تا ۳۰ سنسور دارند كه شامل سنسورهاي فشار براي كنترل ميزان فشار وار

ده به صندلي¬ها، سنسورهاي دما براي كنترل ميزان گرما و شرايط جوي، سنسورهاي جريان براي ورودي هواي خودرو و سنسورهاي شتاب براي سيستم ضد قفل ترمزي(ABS) مي¬باشند. در صنايع پيشرفته نيز به طور وسيعي از اين سنسورها استفاده مي¬شود؛ مثلاً صنايع نفت، غذايي

و آشاميدني و دارويي همگي از اين سنسورها براي كنترل سطح جريان سيال (flow and level monitoring) استفاده مي¬كنند. سنسور¬هاي جريان سيال و سطح و مبد¬ل¬هاي دوپلر، تخليه اتوماتيك مخازن نفت و خطوط لوله را كنترل مي¬كنند.
صنايع ديگر از سنسورها براي تست¬هاي غير مخرب استفاده مي-كنند؛ مانند تست¬هاي غير مخرب تير¬هاي فولادي، خطوط راه¬آهن و بدنه هواپيما. در بخش مراقبت¬هاي پزشكي نيز از پيزوسراميك-ها در مبدل تصويرگرهاي تشخيصي و مونيتور¬هاي fetal heart استفاده مي¬شود كه هزينه پايين و ايمني بالا نشان كارايي اين فراورده است. كاربرد¬هاي ديگر، شامل تفنگ¬هاي ليزري براي درمان آب مرواريد چشم، چاقوهاي كوچك جراحي و كالبدشكافي، مته¬ها و پاك¬كننده‌هاي دنداني، پمپ¬هاي IV و پمپ¬هاي قلب مي¬شود. مبدل¬هاي كوچك كه در مجاري خون جهت ثبت تغييرات متناوب ضربان قلب بيمار قرار داده مي¬شوند نيز از سنسور¬هاي پيزوالكتريك ساخته مي¬شوند.
توليدكنندگان فراورده¬هاي مصرفي نيز از استفاده كنندگان سنسورها هستند. در ماشين¬هاي لباسشويي از سه سنسور براي كنترل ميزان بار و ميزان سطح آب و كنترل چرخش استفاده مي-شود. سنسور¬هاي پيروالكتريكي (توليد بار الكتريكي در سطح يك بلور در اثر گرما را پيروالكتريسيته گويند كه تمامي مواد پيروالكتريك، پيزوالكتريك نيز هستند) در فرهاي مايكروويو شرايط غذا را كنترل مي¬كنند و در يخچال¬ها از سنسورهاي برفك استفاده مي¬شود. به علاوه از آنها در

ترانسفورماتورهاي اولتراسونيك در مرطوب كننده¬ها، اتمايزرها، فندك¬هاي اجاق گاز، زنگ خطر آژيرهاي خطر، دستگاه ناقل صدا در گيتارهاي اكوستيك و ضبط صوت¬هاي داراي ديسك فشرده نيز استفاده مي¬شود.
يك استفاده مهم سراميك پيزوالكتريك در ايجاد و دريافت كردن امواج صوتي است. گستره كاربرد اين مواد از ابزارها و تجهيزات اولتراسونيكي براي عمق¬يابي در دريا و پيدا كردن محل تجمع ماهي¬ها تا تجهيزات ردياب زيردريايي¬ها مي¬باشد. مثلاً دردماغه زيردريايي(Trident) از ۵ تن مواد پيزوسراميك كه همگي به صورت ديسك¬هايي با قطر ۴ اينچ و ضخامت ۰٫۲۵ اينچ هستند استفاده

شده است كه اين تكنولوژي، زيردريايي را به حركت سريع، آرام و بي صدا در ميان آب قادر مي¬سازد. كاربردهاي ديگر اثر پيزوالكترسيته در برشكاري و جوشكاري و عيب¬يابي در داخل قطعات فلزي صنعتي است. جديدترين كاربردهاي اين مواد در پرينترهاي ink-jet است. از مواد فعال¬كننده نويز تا ايستگاه¬هاي فضايي (مثلRaytheon)، پيزوسراميك¬ها اجزا كليدي مورد نياز براي ساخت قطعات پيشرفته و سيستم¬هاي كارآمد را تشكيل خواهند داد.
فرايند توليد
فرايند ساخت پيزوسراميك¬ها شامل ۱۶ مرحله است كه با وزن كردن، مخلوط كردن و آسياب كردن موادي مانند زيركونيا، اكسيد سرب، تيتانيا، نيوبيا و اكسيد استرانسيم و غيره شروع مي¬شوند. سپس مواد مخلوط شده كلسينه شده و واكنش انجام مي¬دهند تا تركيب تيتانات-زيركونات سرب تشكيل شود. تركيب تيتانات-زيركونات سرب تشكيل شده كه داراي مقداري رطوبت است به اندازه ذرات خيلي ريز آسياب مي¬شود. سپس چسب-ها و روانسازها افزوده مي¬شوند و ماده به دست¬آمده در اسپري¬دراير خشك مي¬شود تا يك پودر آماده براي تراكم حاصل شود.
بعد از آماده سازي مواد اوليه، فرايندي كه براي شكل دادن سراميك به كار گرفته مي¬شود، استفاده از پرس خشك يا ايزواستاتيك با فشار اعمالي بين ۶ تا ۱۰۰ تن است. اجزا شكل داده شده در دماي ۱۳۰۰ درجه فارنهايت در شرايط كنترل-شده اتمسفري پخت بيسكويت مي¬شوند تا چسب¬ها و روان¬كننده¬هاي لازم براي عمل شكل¬دهي در اين مرحله سوخته و خارج شود. قطعات بيسكويت در بوته¬هاي مخصوص “آلومينا بالا” قرار داده شده و براي پخت در دماي بالا در داخل كوره قرار داده مي-شوند. كوره الكتريكي تا حدود دماي ۲۳۰۰ درجه فانهايت گرم مي¬شود و به مدت سه ساعت در اين دما نگه داشته مي¬شود (قطعات سراميكي براي كنترل تبخير احتمالي اكسيد سرب در خلال فرايند پخت در دماي بالا در بوته¬هاي آلومينا بالا قرار داده مي¬شوند).

سپس سراميك پخته¬شده با دقت زيادي به اندازه¬هاي معين ماشين¬كاري مي¬شود. بعد از مرحله اندازه¬بندي، قطعات سراميك متاليزه مي¬شود؛ يعني يك پوشش فلزي روي سطح آنها نشانده مي¬شود. اين كار به كمك تكنيك “silk screening” انجام مي¬شود و از الكترودهاي نقره، طلا، نيكل يا پلاتينيوم-پالاديوم استفاده مي¬شود. الكترودهاي متاليزه شده روي يك شبكه توري شكل كه از سيم¬هاي فلزي نسوز تشكيل شده است قرار گرفته و به داخل كوره حمل مي¬شوند و در دمايي در حدود ۷۰۰ درجه سانتي¬گراد پخته مي¬¬شوند.

بعد از اين مرحله، نوبت به عمل قطبي¬كردن قطعه¬هاي سراميكي مي¬رسد. در عمل قطبي¬كردن ولتاژ جريان مستقيم(DC) به سراميكي كه در يك روغن دي¬الكتريك گرم¬شده و مقاوم قرار دارد، اعمال مي¬شود تا دوقطبي¬هاي آن در يك سمت جهت¬گيري كنند. قطعات سراميكي قطبي¬شده اكنون پيزوالكتريك هستند. بعد از قطبي كردن، نوبت به كنترل كيفي خواص مي¬رسد. قطعات جهت تضمين و تامين كردن خواص الكتريكي متناسب با نوع كاربردشان، آزمايش و بررسي مي¬شوند. قطعات آزموده شده آماده بسته¬بندي و ارسال و استفاده هستند.
مقياس بازار
به¬علت كاربردهاي وسيع پيزوسراميك¬ها ميزان عرضه آنها بسيار وسيع است. از نظر جهاني بازار اين مواد تقريباً ۱۱ ميليارد دلار است و در ايالات متحده در حدود ۱٫۵ ميليارد دلار تخمين زده مي¬شود. كارشناسان صنعت پيش¬بيني مي¬كنند كه بازار اين مواد از رشدي به ميزان ۲۰ تا ۲۵ درصد در سه تا پنج سال آينده برخوردار خواهد بود. به¬عنوان مثال تا پنج سال پيش صنعت خودرو مصرف‌كننده عمده¬اي براي پيزوسراميك نبود اما امروز در خودروهاي جديد بالغ بر ۳۰ قطعه پيزوسراميكي استفاده مي¬شود.
تحليل:
اگر قبول كنيم توليد محصولات سراميك¬هاي پيشرفته امري ضروري است (رجوع شود به سخنان دكتر مارقوسيان)، طبيعتاً بايد با راهكارهاي مشخص و با تعيين اولويت¬ها پا به عرصة اين تكنولوژي گذاشت. با توجه به اينكه سراميك¬هاي پيشرفته شامل چند شاخه است، ابتدا بايد وارد

شاخه¬هايي شد كه علاوه بر قابل دستيابي بودن دانش فني و سهولت در انتقال تكنولوژي از بازار بزرگي در آينده برخوردار باشند.
پيزوالكتريك¬ها همچنان كه در متن آمده است حدود ۱۷ درصد بازار سراميك¬هاي پيشرفته را به خود اختصاص داده¬اند ضمن اينكه داراي رشد بازار بسيار خوبي نيز مي¬باشند. در حال حاضر به صورت محدود در صنايع الكترونيك شيراز اين محصول توليد مي¬شود كه نشان دهندة وجود دانش فني و فناوري توليد هر چند به صورت محدود در كشور است. بنابراين با توجه به زمينه¬هاي م

وجود و بازار رو به رشد اين تكنولوژي، پرداختن به آن در كشور داراي اولويت به نظر مي¬رسد.
بسیاری از دستگاه های اکترونیکی مهمی که امروزه توسط مردم مورد استفاده قرار می گیرند بدون وجود سرامیک ها موجود نخواهند بود.
محققین، به رهبری پال مورالت از موسسه ی تکنولوژی فدرال سوئیس، محدوده ی مواد سرامیکی را مرور کرده و نقش حیاتی را که مواد پیزوالکتریک در پیشرفت تکنولوژی بازی می کنند را مورد بررسی قرار دادند.
مواد پیزوالکتریک، مواد سرامیکی هستند که نقش ویژه ای را در ارتباطات راه دور و تصویر برداری فراصوت بازی می کنند چرا که این قابلیت را دارند که سیگنال های الکتریکی را به شکل کارآمدی به نوسانات مکانیکی تبدیل نمایند و برعکس.
پیزوالکتریسیته به توانایی برخی از مواد، عمدتا کریستال ها و سرامیک ها، برمی گردد که در هنگام فشردگی می توانند الکتریسیته تولید نمایند. در طی بیست سال گذشته، سیستم های میکروالکترومکانیکی (MESM) تبدیل به یک تکنولوژی تثبیت شده با کاربردهای فراوان شده اند.
همانگونه که می دانید سرامیک ها و صنایع مرتبط با آن بسیار محدوده گسترده ای دارند و از مواد سفالی گرفته تا ترکیب سرامیک ها با فلزات و عناصر فلزی که برای بهبود خواص با یکدیگر ترکیب می شوند و سرامیک های الکتریکی، بیوسرامیک های مهندسی این محدوده ادامه دارد. الیاف سرامیکی یکی از مواد مهم در صنایع مختلف محسوب می شود و اکنون مشکل موجود هزینه بالای تولید این الیاف است که قیمت آن را بالا می برد. سرامیک های پیشرفته کاربردهای زیادی در صنایع تولیدی، ژنراتورهای برق، هوافضا، حمل و نقل، صنایع نظامی و هم چنین به عنوان سپرهای محافظتی از بدن دارند. از دهه ۱۹۹۰ و با شروع رشد در صنایع سرامیک های پیشرفته محصولات جدید زیادی به بازار آمده اند ولی می بایست کارهای بعدی برای کاهش قیمت بر روی آنها انجام شود تا با قیمت فلزات قابل مقایسه باشند. سرمایه گذاری بخش خصوصی با توجه به زمان بازگشت سرمایه این مواد چندان نمی تواند قابل توجیه باشد. سرامیک ها می توانند جزء موادی باشند که کارکرد سوخت و عملکرد آن را در موتورها بالا برده، مقاومت سایشی ترکیبات را افزایش دهند، وزن وسایل نقلیه و هواپیماها را کاهش داده و باعث افزایش راندمان در انواع ماشین آلات گردند.

خواص سرامیک ها :
مواد سرامیکی خواص ویژه ای از خود نشان می دهند به طوری که این امر موجب می گردد که جایگزین دیگری با مواد دیگر نداشته باشد وبنابراین نقش ویژه ای در تهیه انواع بیشماری از ادوات و تجهیزات بازی می کند. برای ایجاد یک خواص خوب و مناسب ودر نتیجه بکارگیری صحیح مواد

سرامیکی دانستن اطلاعات درمورد رابطه بین خواص و ریزساختار مواد سرامیکی ضروری است. ریزساختار مواد بستگی زیادی به فرآیند تولید و روش تهیه دارد. سرامیک های پیشرفته امروز کاربردهای بسیار فراوانی دارند و امروزه سعی بر تولید مواد سرامیکی است که به شکل کامل تولید شده و بعد از تولید نیاز به ماشین کاری و در نتیجه تحمیل هزینه اضافی به سیستم حذف گردد.
مواد جدیدی که امروزه اهمیت ویژه ای برای تحقیق و توسعه این مواد در نظر گرفته می شوند در زمینه سرامیک به شرح زیر می باشند :

بیوسرامیک ها که تاثیر به سزایی در رشد صنعت پزشکی و بهبود وضعیت سلامتی جوامع انسانی داشته اند، مواد ساینده نظیر ابزار برش و چرخ های ساینده که کاربری آن در صنایع کاربردی فلزات و … است. سرامیک های سخت و بسیار سخت (hard and Super hard ceramics ) موادی هستند که مطالعه بر روی آن ها بسیار پر اهمیت و البته هزینه بر است.
روش های مطالعه رفتار مواد در دماهای بالا، فیلترها، خوردگی مواد نیز نیاز به تقویت دارد. تجزیه SO و NO در فرآیند احتراق محصولات سرامیکی در دماهایی پائین از طریق احیای کاتالیتیک (Catalytic reduction ) مورد بررسی قرار گیرد.
اجزای سرامیکی برای هایپر فیلتراسیون (Hyper filtration ) گازی در اندازه مولکولی در مایع آب مناسب هستند. الکتروسرامیک ها کاربردهای بسیار متنوعی داشته و شامل سرامیک های با هدایت یونی (کاربرد در باتری ها و سنسورها )، عایق های الکتریکی، نیمه هادی ها و سوپرهادی ها می گردند.
سرامیک های فروالکتریک کاربردهای بسیار زیادی در خازن ها، سنسورها، سرامیک های پیزوالکتریک، اجزای الکترواپتیک ترمیتورها دارند که بسیار مورد توجه محققان هستند. سرامیک های فرو مغناطیس نقش اساسی در صنعت الکترونیک ایفا کرده و کاربرد آن در سیستم های ذخیره سازی، ارتباطات ماهواره ای، تلویزیون و سایر سیستم های الکترونیکی است.
اجزای کوچک شده الکتروسرامیک ها (Miniaturization ) موادی هستند که در آینده کاربردهای زیادی خواهند داشت.
خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی مواد سرامیکی را بسیار متمایز کرده است.

مزايای سيستم پيزو سراميک:
سيستم پيزو سراميک علاوه بر برخوردارى از تمام مزاياى سيستم جعبه انتخاب سوزن سلونوئيدى، قابليت هاى زير را نيز داراست:
۱٫ قابليت نصب روی انواع ژاکارد:
اين سيستم قابل نصب روی انواع ژاکارد از جمله ژاکارد کارتی با استاندارد ( vincenzi) و ژاکاردهای کاغذی (verdol) می باشد.
علاوه بر اين سيستم پيزو سراميک قابليت نصب روی ژاکاردهای “دو وضعيتی” و “سه وضعيتی” با سرعت بالا را دارا می باشد. با توجه به سرعت بالای اين سيستم امکان نصب آن برروی انواع ماشين هايی که دارای ژاکارد مکانيکی هستند از قبيل ماشين های نواربافی، پرده بافی، پتوبافی،حوله بافی، ترمه بافی،

رومبلی، مخمل بافی و… وجود دارد.
از جمله ژاکاردهايی که سیستم پيزو روى آنها نصب مى شود، مى توان به ژاکاردهاى اشتوبلی، گروسه، بوبيو، تکستيما، وندويل، شلايشر، ايرانى و ترکيه اى اشاره کرد.

۲٫ سهولت بيشتر در نگهداری و تعمیرات:
چنانچه قطعه ای از سيستم دچار مشکل شود (کاست) به راحتی قابل تعويض و تعمير و جايگزينی است.

۳٫ قابليت نصب و راه اندازی سريع:
سيستم پيزو سراميک به دليل حجم کم و سبکتربودن تجهيزات نسبت به سيستم سلنوئيدی زمان کمتری براى نصب و راه اندازی لازم دارد.
این محصول به همراه دیگر دستاوردهای شرکت نمادپردا در چهاردهمین نمایشگاه بین المللی نساجی (۳۰-۲۷ مهر سال جاری) به نمایش درآمد.
از جمله این دستاوردها می توان به سیستم ژاکارد کامپیوتری اشاره کرد. شرکت نمادپردا اولین سازنده موفق سیستم ژاکارد کامپیوتری در ایران می باشد. این سیستم که جایگزین کارت های پانچ در تجهیزات ژاکارد ماشین های بافندگی است، با بهره گیری از تکنولوژی مدرن الکترونیک و کامپیوتر، امکانات گسترده ای را به ماشین بافت می دهد.
سیستم فوق، اطلاعات مربوط به طرح را توسط فایل های ذخیره شده بر روی دیسکت دریافت و از طریق واحد فرمان الکترونیک به تجهیزات ژاکارد منتقل می نماید. این سیستم به طور کامل از تجهیزات و سیستم کنترل ماشین بافت مستقل بوده و تنها با دریافت اطلاعات از ماشین خود را با آن هماهنگ می نماید.

ساخت پيزوالكتريك فلزي با استفاده از فناوري نانو
پيزوسراميك¬ها دسته¬ايي از مواد سراميكي هستند كه با اعمال ولتاژ، تغيير طول مي¬دهند. در خبر زير كه برگرفته از خبرنامه نانوتكنولوژي، شماره ۳۷ است به تحولي در عرصه پيزوالكتريك¬ها پرداخته شده است:

محققين آلماني و اتريشي موفق به ساخت فلزي نانوحفره‌اي شده‌اند كه رفتاري همانند سراميك از خود نشان مي‌دهد. اين فلز، مشابه يك پيزوسراميك با اعمال ولتاژ خارجي، حدود ۰٫۱۵ درصد افزايش طول مي‌يابد.
ويب مولر، يكي از اين محققين ابراز داشت: “با تزريق يا تخليه الكترون¬ها، باندهاي اتمي سطح ماده منبسط يا منقبض مي‌شوند و از آنجا كه سطح اين ماده بسيار زياد است، اين كار منجر به انبساط ماكروسكوپي ماده مي‌گردد. به طوريكه نتيجه آن در برخي از نمونه‌ها با چشم غيرمسلح نيز قابل مشاهده است.”
اين گروه تحقيقاتي، نوعي پلاتين نانوحفره‌اي را با استفاده از پلاتين سياه با اندازه‌ دان

ه‌هاي ۶ نانومتر ساختند. آنها ولتاژ خارجي را در حضور يك الكتروليت آبي مانند اسيد سولفوريك، اسيد كلريدريك يا محلول هيدوركسيد پتاسيم اعمال نمودند. محلول هيدوركسيدپتاسيم، بيشترين كشش را در نمونه‌ها ايجاد نمود.
به گفته اين محققين، پيزوسراميك¬ها به¬طور گسترده به¬عنوان مواد راه‌انداز در چاپگرهاي جوهرافشان و در نازل¬هاي تزريق سوخت در اتومبيل‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. مزيت اين ماده جديد اين است كه با اعمال ولتاژ كمتر، به اندازه پيزوسراميك¬ها كش مي‌آيد. قابليت عمليات اين ماده جديد در ولتاژ پايين (حدود يك ولت، در مقايسه با صدها يا هزاران ولت براي پيزوسراميك¬ها) و نيز امكان استفاده از آن در محيط آبي، امكان كاربرد آن در ادوات ميكروسيالاتي همچون شيرهاي عملياتي را فراهم مي‌آورد.
حتي اين محققين احتمال مي‌دهند كه بتوان از اين ماده جهت كاربرد در تماس مستقيم با سيالات زيستي در سيستم¬هاي زنده نيز استفاده نمود.
طبق نظر اين محققين، اثر اعمال ولتاژ بر روي اين ماده با سراميك¬هاي معمولي، پليمرها و نانولوله‌ها از چند جهت متفاوت است: اول اينكه اين پديده يك اثر سطحي است در حاليكه در ديگر موارد، ولتاژ اعمال شده به حجم مواد اعمال مي‌شود. دوم اينكه كشش اين ماده در تمامي جهات يكسان است و اين اثر موجب تغيير حجم مي‌شود.
مولر بيان داشت: “تغيير حجم در نمونه‌هاي ما (بيش از ۴۵ درصد) بسيار بيشتر از سراميك¬ها است. زيرا جهت كشش در سراميك¬ها بسته به جهت¬هاي كريستالوگرافي، تغيير مي‌كند و اين امر موجب مي‌شود تغيير حجم كلي در آنها به حدود صفر برسد.”

اما توليد فلزاتي كه رفتارشان همانند سراميك¬ها باشد تازه شروع شده است و بنا به ادعاي اين محققين، اين روش مي‌تواند دريچه‌اي به دسته جديدي از مواد با خواص اپتيكي و مغناطيسي قابل تنظيم بگشايد.
مولر در تشريح اين پديده چنين بيان مي‌دارد:” اتم¬هايي با عدد اتمي بالا، تعداد الكترون¬هاي بسيار زيادي دارند و همين امر موجب تنوع خواص در آنها مي‌شود. تاكنون اين خواص كمابيش ثابت در نظر گرفته مي‌شد. با اين كار جديد مي‌توان به¬سادگي با افزودن يا حذف الكترون¬ به اتم¬ها (با اعمال ولتاژ) موقعيت آنها را در جدول تناوبي به چپ يا راست منتقل نمود.”

راديوهاي كريستال (پيزوالكتريك)
راديوی كريستال ساده ترين نوع راديو است كه به هيچ منبع انرژي و يا باطري احتياج ندارد و انرژي مورد نياز خود را بوسيله انرژي امواج دريافتي تامين ميكند . ساخت اين نوع راديو بسيار ساده بوده و معمولاً قطعات تشكيل دهنده اين راديو ۳ يا ۴ قطعه ميباشد .

وسايل لازم :
۱- سيم پيچ
۲- گوشي كريستال (پيزوالكتريك) .
۳-آشكار ساز (detector) كه ميتواند يك ديود ژرمانيوم باشد (نقش این قطعه تبدیل امواج دریافتی به صدا است)
۴-يك تكه سيم بعنوان آنتن .

روش ساخت :
از دورشته سيم گوشي يك رشته آن را به يك سر سيم پيچ و زمين متصل ميكنيم و سر ديگر گوشي را به پايه ديود ژرمانيم متصل نموده و پايه ديگر ديود ژرمانيم را به سر ديگر سيم پيچ و سيم آنتن متصل ميكنيم . حالا راديوي ما آماده است اما اگر بخواهيم ايستگاههاي مختلف را به راحتي دريافت كنيم ميتوان به مدار فوق يك عدد خازن متغير نيز افزود كه با تغيير شاخص خازن ايستگاههاي مختلف قابل دسترسي است در شكل زير يك راديو كه در مدار آن خازن متغير نيز وجود دارد مشاهده مينمائيد .

خاصيت پيزوالكتريك عبارت است از ايجاد اختلاف پتانسيل الكتريكى در دو طرف يك بلور هنگامى كه آن بلور تحت فشار يا كشش قرار گيرد و نيز انبساط و انقباض آن بلور هنگامى كه تحت تاثير يك ميدان الكتريكى واقع شود .
براي عكسبرداري و سونوگرافي عمدتا از اشعه ايكس استفاده مي‌شود. به لحاظ انرژي بالا و قدرت نفوذ زياد اشعه ايكس از آن در سونوگرافي بافت‌هاي نرم و اعضاي داخلي بدن نمي توان استفاده نمود. بنابراين از امواج آكوستيكي از جمله ماوراي صوت در سونوگرافي بهره مي‌گيرند.
ويژگي پيزو الكتريسيته در بلور كوارتز
در تكنيك سونوگرافي مبناي كار بر مواد پيزوالكتريك نهاده شده است. مواد پيزوالكتريك به موادي اطلاق مي‌شود كه مي تواند تاثير متقابل فشار مكانيكي و نيروي الكتريكي را در يك محيط برهم ايجاد كنند بهترين ماده پيزوالكتريك براي اين منظور بلور كوارتز است. بلور شش ضلعي كوارتز داراي بار منفي و مثبت بصورت يك در ميان در شش زاويه خود مي‌باشد. اگر اين بلور را تحت اثر فشار يا كشش مكانيكي قرار دهيم. دو طرف بلور داراي بارهاي منفي و مثبت خواهد شد. حال اگر بلور را در حالت خنثي در يك ميدان الكتريكي قرار دهيم وجود بارهاي مثبت و منفي باعث كاهش يا فشار در روي بلور شده و شكل بلور را تغيير مي‌دهد. اگر اين ميدان الكتريكي با فركانس مشخص شروع به نوسان نمايد. بلور پيزوالكتريك نيز متناسب با همان فركانس شروع به ارتعاش نموده و امواج مكانيكي از خود صادر مي‌كند و اين مبناي توليد ماوراي صوت به توسط سيستم پيزوالكتريك است.

طرز بكارگيري بلور كوارتز در سونوگرافي
يك نكته جالب توجه در پديده سونوگرافي و ماوراي صوت اين است كه همان بلور پيزوالكتريك كه تحت تغييرات ميدان الكتريكي فيزيك امواج ماوراي صوتي توليد مي‌كند. بازتابهاي امواج را نيز از بافتهاي دروني دريافت و با روندي دقيقا عكس روند توليد اين فيزيك امواج به سيگنالهاي الكتريكي تبديل مي‌كند. كه اين سيگنال با انتقال به پردازشگر مركزي به شكل تصوير شخصي در روي صفحه نمايش دستگاه ظاهر مي‌شود.

ايجاد تصوير واضع از اندام‌هاي داخلي

براي ايجاد وضوح و تمايز بهتر ، فركانس توليد ماوراي صوت طوري تنظيم مي‌شود كه فيزيك امواج بازتابيده را براي ايجاد وضوح و تمايز و تصوير واضح تري را ايجاد كند. براي جلوگيري از پخش فيزيك امواج ماوراي صوتي در راستاهاي ديگر در ترانسديوسر از ماده ميرا كننده در دسته ترانسديوسر استفاده شده است. بدين ترتيب فيزيك امواج ماوراي صوت فقط در يك راستا در جهت بافتهاي بدن منتشر مي‌شود. فركانس ۳ مگاهرتز براي تصوير برداري ماوراي صوتي از بافت‌هاي عمقي و فركانس يك مگاهرتز براي شناسايي بافت‌هاي سطحي بكار مي‌رود.

 

بدترين عامل در كاهش نفوذ فيزيك امواج براي ايجاد تصوير واضح وجود آزمايش‌هاي مربوط به هوا در حد فاصل بدن بيمار و سطح ترانسديوسر است. براي جلوگيري از اين موضوع سطح بدن را با آب يا روغن يا ژله مخصوص آغشته مي‌كنند تا هوايي در اين فاصله باقي نماند. شرط بازتابش امواج در هنگام عبور از بافت‌هاي داخلي بدن تغيير دانسته بافت‌هاست. بدين ترتيب مرزهاي اندامهاي مختلف داخلي به خوبي مشخص مي‌شوند. با توجه به اين كه مقداري از فيزيك امواج حين عبور جذب مي‌شوند و ميزان اين جذب با افزايش چگال بافت بيشتر مي‌شود. تصاوير ماوراي صوتي اندامهايي كه در پشت استخوان قرار دارند، چندان جالب و واضح نيست.

آزمايش ساده
اگر يك بلور پيزوالكتريك به طور مثال در فركانس ۳ مگاهرتز تنظيم شده باشد در واقع فيزيك امواج با فركانس به ۳ مگاهرتز را نيز توليد مي‌كند كه گستره اين محدوده را پهناي باند فيزيك امواج گويند و هرچه پهنا اصلي ترين و شديدترين آنها باشد. و ساير فيزيك امواج در اين محدوده براي توليد تصاوير كناري يا فرعي در پديده سونوگرافي بكار مي‌روند.

آزمايش ديگر اين تكنيك جداسازي ژرفي است و آن حداقل فاصله‌اي است كه با تغيير بافت دستگاه مي تواند آنرا نشان دهد. در دستگاههاي مدرن با فركانس ۱-۳ مگاهرتز اين قدرت جداسازي حدود يك ميلي متر است.
افزايش قدرت حسگرها با نانوسيم هاي پيزوالكتريك

حسگرهاي ارتعاشي فوق حساس، یکی از كاربردهای نانوسيم‌هاي پيزوالكتريك هستند كه با خميده يا كشيده شدن، الكتريسيته توليد مي‌كنند. دانشمندان نشان دادند كه نانوسيم‌هاي توليدشده از اكسيد روي و نيتريد گاليم وقتي تحت فشار يا كشش قرار مي‌گيرند، الكتريسيته توليد مي‌كنند. اما بواسطه ثابت بار پيزوالكتريكي كم مواد امکان انجام موثر این فرآيند وجود ندارند .
يكي از راهکارها، ساخت نانوسيم‌هايي از جنس باريم، تيتانات است كه ثابت بار آن۸۵ pc/N ، و در مقايسه با اكسيد روي ـ با ثابت بار-۱۲pc/N و نيتريد گاليم- با-۳ pc/N قابل توجه است. همان طور که Min-Feng Yu، استاد دانشگاه Illinois آمریکا، نیز نشان داد سنتز شيميايي آنها پيچيده و كنترل آن سخت است، اما ما را به سمت ابزارهايي با كارايي بهتر هدايت مي‌كند.
Yu و همكاراش نانوسيم‌هاي باريم تيتانات تازه رشدكرده را براي آزمايش بر روي سكوي بارگذاري قرار دادند. هر نانوسيم با پایه‌های پلاتینیومی ـ که با روش پرتوی الکترونی رسوب داده شدند ـ از دو انتها بر دو طرف شکاف موجود در زیرلایه متصل شدند(مطابق شکل). يك قسمت از این زیرلایه ثابت و قسمت ديگر با استفاده از یک محور منفرد متحرک است.
اين كار دقّت پژوهشگران را در گذاردن و برداشتن نمونه باريم تيتانات افزايش مي‌دهد. براي اندازه‌گيري پاسخ، خروجي نانوسيم‌هاي پيزوالكتريك از يك تقويت‌كننده فوق‌العاده حساس بار عبور داده شد، سپس با استفاده از نرم‌افزار کسب داده‌ها، استخراج شدند.

Yu و همكارانش در حین انجام آزمایش‌ها، فرايند برداشت و ذخیره‌سازی انرژي را با جزئیات نشان دادند. آنها همچنین الكتريسيته توليدي با نانوسيم‌ها را در طول چرخه بارگذاري تفسیر كردند. Yu می‌گوید: “ممکن است این ابزارها برای رسیدن به انرژي خروجي کافی يا حساسيت به اغتشاشات محیط، نظیر ارتعاشات مكانيكي و امواج صوتي، به آرايش خاصی از نانوسيم‌هاي باريم تيتانات نیاز داشته باشند؛ بنابراین به نظر می‌رسد به انواع نازک‌تر و طویل‌تري نیاز است.”

ساختاری را که اين گروه آزمايش كردند۲۸۰، نانومتر قطر و ۱۵ ميكرومتر طول داشت؛ اما هنوز كارايي رقابت را نداشت. طبق آزمايش‌هاي آنها خروجي نانوسيم‌های باريم تيتانات ۱۶ بار بيشتر از نانوسيم‌های اكسيد روي در شرايط يكسان است. این محققان در مرحله بعد قصد دارند شکل مدار را با كاهش ظرفيت پارازيتي و افزايش مقاومت بارگذاري بهينه‌سازی کنند. آنها معتقدند كه اين تغييرات مي‌تواند تبديل انرژي را تا ده برابر بهبود بخشد.

ميكروفونهاي پيزوالكتريك (كريستالي) (Pizoelectric Mic)
بعضي از عناصر مانند بلور كوارتز، نمك راشل و دي هيدروفسفاتت آمونيم و مواد سراميكي

ريخته شده از قبيل تيتانات دوباريم، داراي خاصيت پيزوالكتريك هستند. يكي از بلورها كه در مقابل حرارت پايدار و بصورت خطي كار مي نمايد. بلور كوارتز مي باشد كه در الكتروآكوستيك از آن براي ساختن ميكروفون، بلندگو و پيكاپهاي گرام استفاده مي شود. نوع بلوري كه بيشتر بكار مي رود بلور با برش X ناميده يم شود كه مانند شكل از بلور طبيعي بريده ايم شود.
ميكروفون كريستالي، ميكروفوني مي باشد كه در آن از خاصيت پيزوالكتريك بعضي از كريستالها استفاده مي شود بدين معني كه تغييرات فشار وارد بر روي اين نوع كريستال جريان متناوبي متناسب با فشار وارده در دو سر كريستال ايجاد مي كند.
دو نوع ميكروفون كريستالي وجود دارد، يكنوع از آن فشار صوت مستقيماً بر صفحه كريستال تأثير مي نمايد كه داراي بازده بسيار كم در حدود ۴/۰ ولت براي هر ميكروبار مي باشد و نوع دوم، فشار صوت به يك ممبران فلزي وارد مي شود و حركات ممبران بوسيله ميله اي كه در پشت آن قرار دارد به كريستال منتقل مي شود كه البته اين نوع داراي بازده بيشتري در حدود يك تا دو ميلي ولت بر ميكروبار مي باشد. از ميكروفون پيزوالكتريك تا ۸ سال پيش در ضبط صوتهاي خانگي استفاده ميشد. ولي هم اكنون ديگر استفاده نمي شود زيرا عرض باند آن حدود ۷ تا ۸ كيلوهرتز مي باشد كه پهناي باند آن كم است.
در نوع دوم ميكروفون كه ارتعاشات صوت توسط ديافراگم به كريستال منتقل مي شود و اختلاف پتانسيل دريافتي در خروجي زياد مي شود ولي پهناي باند نوار فركانس نسبت به حالت اول كمتر مي باشد.
پهناي باند نوار پاسخ فركانس ميكروفون كريستالي بين ۲۰ تا ۱۰۰۰۰ هرتز ك

ه حدود ۵ دسي بل نسبت به حساسيت متوسط تغييرات دارد. حساسيت متوسط تغييرات دارد. حساسيت متوسط ميكروفون ۵۰ دسي بل براي يك ولت در هر ميكروبار است.

شتاب سنج هاي پيزوالكتريك
با كيفيت‌ترين شتاب‌سنج‌ها با استفاده از كريستال پيزوالكتريك ساخته مي‌شوند كه تغيير شكل آن باعث قطبي شدن بارها در دو سر كريستال مي‌گردد. بالعكس، اعمال يك ميدان الكتريكي به دو سر ماده‌ي پيزوالكتريك باعث تغيير شكل آن مي‌گردد. شتاب سنج پيزو الكتريك شامل كريستالي است كه به يك جرم متصل بوده و همراه با يك فنر در محفظه‌اي قرار گرفته است. در شکل يك شتاب سنج پيزو الكتريك تجاري موجود را نشان مي‌دهد. علاوه بر خواص ميرايي طبيعي ذاتي در كريستال و فنر، گاهي از ميرايي اضافي نيز استفاده مي‌شود (به عنوان مثال، با پر كردن محفظه از روغن). وقتي به شئ حامل, شتابي وارد شود، بر اثر اينرسي جرم، بين بدنه و جرم جابجايي

نسبي بوجود مي‌آيد. كرنش كه در نتيجه‌ي اثر پيزوالكتريك در كريستال به وجود مي‌آيد باعث جابجايي بار بين پوشش‌هاي رساناي دو طرف كريستال مي‌گردد. شتاب سنجي كه از كريستال پيزوالكتريك استفاده مي‌كند به هيچ منبع تغذيه‌ي خارجي نياز ندارد. توجه به اين مسئله مهم است كه شتاب‌سنج، شتاب را تنها در جهتي كه در آن نصب شده است (يعني در راستاي محور فنر، جرم و كريستال) اندازه‌گيري مي‌كند.