Khám phá các vật liệu áp điện: Các loại, tính chất và tác động công nghệ

Trong những năm qua, những tiến bộ trong khoa học vật liệu đã tạo ra các vật liệu áp điện khác nhau như tinh thể đơn, gốm sứ và màng mỏng.Bài viết này xem xét kỹ các vật liệu áp điện bao gồm các thuộc tính, loại, cách chúng hoạt động và sử dụng của chúng.Nó nhấn mạnh tầm quan trọng của họ trong việc liên kết kỹ thuật cơ khí và điện, thúc đẩy sự đổi mới trong nhiều lĩnh vực.

Danh mục

Hình 1: Vật liệu áp điện

Piezo là gì?

Từ "piezo" xuất phát từ từ Hy Lạp "piezein" có nghĩa là "nhấn" hoặc "áp lực".Điều này phù hợp với việc sử dụng nó trong khoa học cho áp điện.Năm 1880, các nhà vật lý học Pháp Jacques và Pierre Curie đã phát hiện ra áp điện.Họ phát hiện ra rằng khi một số tinh thể nhất định như Tourmaline, Quartz, Topaz và Rochelle Salt, đã được ép, họ đã tạo ra một điện tích.Họ cũng thấy rằng các tinh thể này có thể thay đổi hình dạng khi một dòng điện được áp dụng cho thấy quá trình này có thể hoạt động cả hai cách.

Phát hiện này đã dẫn đến việc tạo ra các thiết bị áp điện khác nhau.Trong Thế chiến I, áp điện chủ yếu được sử dụng trong các máy dò tàu ngầm siêu âm.Ngày nay, vật liệu áp điện được sử dụng trong nhiều thứ.Chúng được tìm thấy trong các mặt hàng hàng ngày như bật lửa thuốc lá điện và máy in phun, cũng như trong các công nghệ tiên tiến như hình ảnh siêu âm y tế và điều khiển chuyển động chính xác trong robot.

Các loại vật liệu áp điện

Hình 2: Ví dụ về vật liệu áp điện

Vật liệu áp điện đơn tinh thể

Các vật liệu áp điện tinh thể đơn được đặc trưng bởi mạng tinh thể liên tục và đồng đều của chúng, không có ranh giới hạt.Cấu trúc thống nhất này thường dẫn đến hiệu quả khớp nối cơ điện tốt hơn so với các vật liệu áp điện khác.Ví dụ về các vật liệu như vậy bao gồm thạch anh và langasite.Các tinh thể đơn này được sản xuất bằng các phương pháp tăng trưởng chính xác như quá trình czochralski hoặc tổng hợp thủy nhiệt.Hiệu suất đặc biệt của họ làm cho chúng hoàn hảo cho các ứng dụng chính xác như hệ thống hình ảnh y tế tiên tiến, bộ cộng hưởng và bộ lọc viễn thông, và giám sát rung trong hàng không vũ trụ.

Hình 3: Vật liệu thạch anh tinh thể Piezo

Vật liệu áp điện gốm

Gốm áp điện được làm từ các vật liệu có cấu trúc perovskite như chì zirconate titanate (PZT).Những vật liệu này là đa tinh thể và được tạo ra bằng cách thiêu kết các chất bột.Tính chất áp điện của chúng được phát triển thông qua quá trình Poling và sắp xếp các lưỡng cực điện bằng cách áp dụng điện trường bên ngoài.Những gốm sứ này có thể dễ dàng được định hình thành các hình thức và kích cỡ khác nhau.Độ bền và hiệu quả chi phí của chúng làm cho chúng phổ biến để sử dụng trong các bộ truyền động, cảm biến, đầu dò siêu âm và tiếng chuông điện tử tiêu dùng.

Hình 4: Cấu trúc gốm áp điện loại PZT

Vật liệu áp điện màng mỏng

Piezoelectrics màng mỏng được tạo ra bằng cách lắng đọng các lớp từ một vài nanomet đến một số micromet về độ dày bằng cách sử dụng các kỹ thuật chế tạo tiên tiến như phun, lắng đọng hơi hóa học hoặc lắng đọng laser xung.Các vật liệu phổ biến được sử dụng trong màng mỏng bao gồm PZT, oxit kẽm (ZnO) và nhôm nitride (ALN).Độ mỏng của các màng này cho phép chúng được tích hợp vào các hệ thống cơ điện tử (MEMS) và hệ thống cơ điện tử (NEMS), tăng cường chức năng của chúng trong các thiết bị nhỏ gọn như micrô, microswitches và mảng cảm biến nâng cao.Khả năng tương thích của chúng với các quy trình bán dẫn tiêu chuẩn và khả năng mở rộng làm cho chúng phù hợp với các mạch tích hợp và thiết bị điện tử linh hoạt.

Hình 5: Phim mỏng áp điện Aln

Hình 6: Các yếu tố piezo số lượng lớn

Việc lựa chọn giữa các vật liệu áp điện mỏng và màng mỏng phụ thuộc vào nhu cầu cụ thể của ứng dụng về độ chính xác, công suất và độ bền.Vật liệu piezo màng mỏng phù hợp trong các công nghệ quy mô nhỏ.Ngược lại, các vật liệu piezo số lượng lớn được ưa thích trong các ứng dụng quy mô lớn hơn, đòi hỏi lớn hơn.Bảng dưới đây so sánh các vật liệu piezo màng mỏng và vật liệu piezo số lượng lớn dựa trên độ dày, kỹ thuật sản xuất, tính năng và ứng dụng chính của chúng.

Loại	Vật liệu piezo màng mỏng	Vật liệu piezo số lượng lớn
Độ dày	Một vài nanomet đến một số micromet	Vài milimet đến cm
Kỹ thuật sản xuất	Sự lắng đọng, lắng đọng laser xung, lắng đọng hơi hóa học	Nhấn, đùn, gia công
Đặc trưng	Phản hồi tần số cao: Phản hồi nhanh chóng thời gian	Sản xuất năng lượng cao: sản xuất năng lượng Dưới căng thẳng cơ học
	Tính linh hoạt: áp dụng cho linh hoạt bề mặt	Độ bền: Mạnh và bền, phù hợp Đối với tải nặng và điều kiện khắc nghiệt
	Độ chính xác: Kiểm soát chính xác trên A Mức kính hiển vi	Tính linh hoạt: dễ dàng định hình và có kích thước cho nhu cầu cụ thể
Ứng dụng	Microelectronics và MEMS: Gia tốc kế, con quay hồi chuyển, đầu in phun	Thu hoạch năng lượng: Chuyển đổi cơ học căng thẳng từ các rung động vào năng lượng điện
	Thiết bị y tế: Bộ chuyển đổi siêu âm cho hình ảnh và trị liệu	Bộ truyền động và cảm biến: Bộ truyền động lớn trong Các ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ, cảm biến tải cao
	Viễn thông: Bộ lọc và Bộ cộng hưởng trong điện thoại di động và thiết bị truyền thông	Thiết bị sonar và siêu âm: Sonar Các hệ thống sử dụng hải quân, chất tẩy rửa siêu âm công nghiệp

Phương pháp PZT và lắng đọng màng mỏng

Vật liệu diff-màng mỏng zirconate (PZT) được sử dụng trong các cảm biến, bộ truyền động và hệ thống cơ điện tử (MEMS) vì tính chất áp điện tuyệt vời của chúng.Thành phần và hiệu quả của màng mỏng PZT phụ thuộc rất nhiều vào các phương pháp lắng đọng của chúng có thể ảnh hưởng đến cấu trúc, định hướng và hiệu suất áp điện của chúng.Ba kỹ thuật lắng đọng chính: lắng đọng sol-gel, phun, và lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD).

Hình 7: PZT màng mỏng linh hoạt

Quá trình sol-gel

Quá trình Sol-Gel là một cách hiệu quả về chi phí để gửi các màng mỏng PZT và cho phép kiểm soát thành phần phim ở cấp độ phân tử.Kỹ thuật này bắt đầu bằng việc chuẩn bị một dung dịch keo (SOL) biến thành gel.Các bước quan trọng bao gồm thủy phân và trùng hợp kim loại alkoxit.Gel kết quả được áp dụng cho chất nền bằng cách sử dụng lớp phủ spin hoặc lớp phủ nhúng, sau đó là xử lý nhiệt để loại bỏ các thành phần hữu cơ và kết tinh pha PZT.

Hình 8: Quá trình Sol-Gel cho màng mỏng PZT

Thuận lợi

• Cho phép kiểm soát tốt đối với cân bằng hóa học, cải thiện tính chất áp điện

• Sử dụng nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp khác

Thách thức

• Thật khó để có được độ dày và bố cục nhất quán trên các khu vực rộng lớn

• Nghi thức cao trong quá trình sấy và bắn thường gây ra vết nứt

Phóng xạ

Thuốc phun là một kỹ thuật lắng đọng hơi vật lý (PVD) trong đó các hạt năng lượng cao đánh bật vật liệu ra khỏi mục tiêu sau đó lắng đọng vào chất nền.Đối với các màng PZT, việc phun từ Magnetron RF được sử dụng liên quan đến một plasma của các ion argon tấn công mục tiêu PZT.

Hình 9: Phương pháp lắng đọng phóng xạ của màng mỏng

Thuận lợi

• Sản xuất phim có độ bám dính và mật độ tốt

• Thích hợp để phủ lớp nền lớn đồng đều

Thách thức

• Căng thẳng có thể tích tụ trong các bộ phim ảnh hưởng đến tính chất của chúng

• Thành phần của mục tiêu có thể thay đổi trong quá trình phun ra do năng suất phun khác biệt

Sự lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD)

MOCVD liên quan đến việc phân hủy tiền chất hữu cơ kim loại trong pha hơi và phản ứng hoặc phân hủy trên chất nền được làm nóng để tạo thành một màng mỏng.Phương pháp này được ưa thích để sản xuất các bộ phim tinh thể cao, được kết tinh phù hợp cho các ứng dụng điện tử.

Thuận lợi

• Cung cấp tính đồng nhất phim tuyệt vời và sự phù hợp ngay cả trên các chất nền hình phức tạp

• Tốt cho sản xuất khối lượng lớn

Thách thức

• Yêu cầu nhiệt độ cao hơn các phương pháp khác

• Xử lý và lưu trữ tiền chất hữu cơ kim loại có thể gây nguy hiểm

Hình 10: Sự lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại

Làm thế nào các vật liệu hành động dưới căng thẳng

Hành vi trong nén

Khi các vật liệu như Quartz hoặc Barium Titanate bị ép, chúng thay đổi theo cách tác động đến việc sử dụng chúng trong các thiết bị khác nhau.Những vật liệu này có cấu trúc đặc biệt tạo ra điện tích khi chúng được ép.Khi chúng bị nén, chúng co lại và cấu trúc bên trong của chúng thay đổi.

Việc ép này làm cho các điện tích điện bên trong tinh thể được phân phối không đều.Áp lực di chuyển các ion trong cấu trúc của tinh thể, tạo ra một điện trường.Điều này xảy ra bởi vì các trung tâm điện tích tích cực và tiêu cực trong sự thay đổi vật chất.Lượng phản ứng điện phụ thuộc vào loại tinh thể, lực được áp dụng và hướng của tinh thể so với lực.

Ví dụ, trong các cảm biến, điện áp được tạo ra bởi các tinh thể có thể đo lực áp dụng làm cho chúng hoàn hảo để phát hiện áp suất và tải trọng theo dõi.Trong các bộ truyền động, việc áp dụng một điện trường có thể tạo ra hình dạng thay đổi tinh thể, cho phép kiểm soát chính xác các chuyển động trong những thứ như thiết bị siêu âm và kim phun nhiên liệu xe hơi.

Hình 11: Vật liệu áp điện hoạt động

Phản ứng áp điện với áp lực

Khi vật liệu áp điện phải đối mặt với áp suất cơ học, các phân tử của chúng sẽ được sắp xếp lại, ảnh hưởng đến tính chất điện của chúng.Lực thay đổi cấu trúc phân tử, căn chỉnh các vùng với hướng điện đồng nhất, làm tăng phân cực điện.

Sự liên kết này tăng cường sự phân tách điện tích trong vật liệu, tăng cường sự phân cực điện của nó.Nói một cách đơn giản, áp lực làm cho các lưỡng cực (các phân tử có hai điện tích đối diện) đồng đều hơn, tạo ra một điện trường mạnh hơn cho một lực nhất định.

Khả năng kiểm soát phản ứng này một cách chính xác dưới các áp lực khác nhau làm cho các vật liệu áp điện rất hữu ích trong nhiều công nghệ.Khả năng chuyển đổi áp suất cơ học của chúng thành tín hiệu điện và ngược lại cho phép chúng được sử dụng hiệu quả trong các nhiệm vụ như tạo ra các tần số điện tử chính xác và các rung động theo dõi trong môi trường công nghiệp.

Hiệu ứng áp điện

Hình 12: Hiệu ứng áp điện

Biến năng lượng cơ học thành năng lượng điện với hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện thay đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện bằng cách biến dạng một số vật liệu tinh thể.Những vật liệu này, được gọi là áp điện bao gồm các chất tự nhiên như thạch anh và các chất tổng hợp như gốm sứ tiên tiến.

Khi một vật liệu áp điện phải đối mặt với ứng suất cơ học như bị ép, xoắn hoặc uốn cong, cấu trúc tinh thể của nó, không có đối xứng trung tâm và bị xáo trộn.Sự xáo trộn này làm thay đổi các trung tâm điện tích trong tinh thể gây ra sự phân cực và tạo ra một tiềm năng điện tại một số điểm nhất định trong vật liệu.

Điểm chính của quá trình này:

Điện tích điện phù hợp với lượng ứng suất cơ học được áp dụng.Điều này có nghĩa là đầu ra điện có thể được kiểm soát chính xác dựa trên lực đã biết được áp dụng;

Khi lực được loại bỏ, vật liệu trở về trạng thái ban đầu và điện tích biến mất.Điều này đảm bảo độ bền và độ tin cậy của vật liệu tốt cho các thiết bị cần hoạt động tốt nhiều lần.

Biến năng lượng điện thành năng lượng cơ học với hiệu ứng áp điện ngược

Hiệu ứng áp điện ngược làm thay đổi năng lượng điện trở lại thành năng lượng cơ học.Áp dụng điện áp điện vào vật liệu áp điện tạo ra một điện trường thay đổi cấu trúc mạng tinh thể, thay đổi kích thước của vật liệu.

Hiệu ứng này được sử dụng trong các bộ truyền động chính xác trong các dụng cụ quang học và hệ thống định vị vi mô.Hiệu ứng áp điện ngược đảm bảo rằng các đầu vào điện nhỏ dẫn đến điều chỉnh cơ học chính xác, được kiểm soát, giúp tiến bộ trong robot, công nghệ ô tô, dụng cụ y tế và viễn thông.

Khả năng kép của hiệu ứng áp điện để hoạt động như cả bộ chuyển đổi cơ học đến điện và điện đến cơ học hỗ trợ những tiến bộ công nghệ.Nó kết nối các lĩnh vực cơ học và điện, mở rộng kỹ thuật và đổi mới hiện đại.

Hình 13: Hiệu ứng áp điện trực tiếp và ngược

So sánh các vật liệu không điện và áp điện

Vật liệu không áp điện và áp điện là khác nhau trong cách chúng xử lý năng lượng cơ và điện.Các vật liệu phi điện như thép và nhôm có thể dẫn điện nhưng không tạo ra điện tích khi bị căng thẳng.Các vật liệu áp điện, như thạch anh và một số gốm nhất định, có thể thay đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện vì cấu trúc tinh thể đặc biệt của chúng.

Các vật liệu phi điện tử có mạng tinh thể đối xứng, vì vậy chúng không tạo ra một lưỡng cực điện khi bị căng thẳng.Vật liệu áp điện có mạng tinh thể không đối xứng, cho phép chúng tạo ra điện tích khi bị căng thẳng.Biến dạng này gây ra sự phân cực nội bộ và tạo ra tiềm năng điện.

Vật liệu phi điện tử hoạt động như các dây dẫn hoặc chất cách điện thông thường dựa trên tính di động và cấu trúc băng tần của chúng và chúng không tạo ra điện tích khi bị biến dạng.Vật liệu áp điện thể hiện hai hiệu ứng: hiệu ứng áp điện trực tiếp, trong đó ứng suất cơ học tạo ra điện tích và hiệu ứng áp điện nghịch đảo, trong đó điện trường gây biến dạng cơ học.Những đặc điểm này làm cho vật liệu áp điện phù hợp để sử dụng trong các cảm biến và bộ truyền động.

Do các tính chất khác nhau của chúng, các vật liệu không điện và áp điện được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.Vật liệu không phải tua được sử dụng trong các thành phần cấu trúc, dây điện và các bộ phận điện tử tiêu chuẩn trong đó cường độ và độ dẫn điện rất quan trọng.Vật liệu áp điện được sử dụng trong các trường yêu cầu điều khiển chính xác và chuyển đổi năng lượng cơ học, như thiết bị siêu âm, thiết bị định vị chính xác, và các cảm biến và bộ truyền động khác nhau tốt cho các công nghệ tiên tiến.

Ứng dụng của áp điện

Điện tử tiêu dùng: Trong điện thoại thông minh và các thiết bị khác, các bộ phận áp điện được sử dụng trong loa và micrô.Chúng biến tín hiệu điện thành các rung động âm thanh hoặc rung động thành tín hiệu điện cho đầu vào âm thanh.

Ngành công nghiệp ô tô: Những chiếc xe hiện đại sử dụng cảm biến áp điện cho nhiều mục đích như kiểm soát việc phun nhiên liệu trong động cơ và theo dõi áp suất lốp.

Giám sát môi trường: Cảm biến áp điện phát hiện thay đổi áp suất, rung động và âm thanh.Chúng được sử dụng để kiểm tra các điều kiện môi trường và đảm bảo sự an toàn của các tòa nhà và cầu.

Thu hoạch năng lượng: Vật liệu áp điện có thể thu được năng lượng từ căng thẳng cơ học.Ví dụ, các tầng chuyển đổi bước chân thành năng lượng điện có thể cung cấp năng lượng cho đèn và thiết bị điện tử ở các khu vực bận rộn, giúp tạo ra môi trường bền vững.

Làn bật lửa áp điện cao: Những chiếc bật lửa này được sử dụng để chiếu sáng bếp gas và tiệc nướng và tạo ra một điện áp cao từ một cú nhấp chuột nhỏ, tạo ra tia lửa để chiếu sáng đầu đốt.Điều này cho thấy việc sử dụng thực tế của vật liệu áp điện.

Hình ảnh y tế: Tinh thể áp điện rất hữu ích trong các máy siêu âm.Họ tạo ra các sóng âm thanh bật ra khỏi các mô và cơ quan, tạo ra hình ảnh để chẩn đoán.

Các bộ truyền động chính xác trong các công cụ khoa học: Vật liệu áp điện trong các bộ truyền động chính xác tạo ra các chuyển động nhỏ cho quang học và công nghệ nano.Các bộ truyền động này điều chỉnh gương, ống kính và các bộ phận khác với độ chính xác bằng kính hiển vi cho nghiên cứu khoa học và sản xuất chất bán dẫn.

Phần kết luận

Nghiên cứu các vật liệu áp điện cho thấy mối liên hệ mạnh mẽ giữa vật lý và kỹ thuật, chứng minh làm thế nào tính chất tự nhiên của chúng có thể được sử dụng cho nhiều mục đích công nghệ.Tính linh hoạt của vật liệu áp điện có sẵn như cả vật liệu khối mạnh và màng mỏng linh hoạt, làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng khác nhau, như thu hoạch năng lượng, giám sát môi trường và phát triển các công nghệ bền vững.Khi sự đổi mới tiếp tục, nghiên cứu và phát triển trong vật liệu áp điện là quan trọng hơn, những cải tiến đầy hứa hẹn về hiệu quả, độ chính xác và chức năng cho các công nghệ trong tương lai.

Câu hỏi thường gặp [Câu hỏi thường gặp]

1. Điều gì gây ra điện được sản xuất từ ​​hiệu ứng áp điện?

Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một số vật liệu tạo ra điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học.Những vật liệu này, một tinh thể như thạch anh, gốm sứ như barium titanate và một số polyme, sở hữu cấu trúc mạng tinh thể không đối xứng trung tâm, có nghĩa là nó thiếu một tâm đối xứng.Khi lực cơ học như áp suất hoặc rung được áp dụng, cấu trúc này sẽ bị biến dạng.Sự biến dạng này thay thế các ion trong mạng, tạo ra các khu vực có điện tích dương và âm.Sự phân tách không gian của các điện tích này dẫn đến một điện phát điện.Hiệu ứng này có thể đảo ngược và áp dụng một điện trường cho các vật liệu này cũng sẽ gây ra căng thẳng cơ học.

2. Thiết bị nào sử dụng hiệu ứng áp điện?

Các thiết bị sử dụng hiệu ứng áp điện rất đa dạng và bao gồm cả thiết bị hàng ngày và chuyên dụng.Các ứng dụng phổ biến là:

Đồng hồ thạch anh: Sử dụng các rung động thường xuyên của thạch anh dưới điện trường để giữ thời gian chính xác.

Các thiết bị siêu âm y tế: Tạo sóng âm thanh vang vọng bên trong cơ thể để tạo ra hình ảnh chẩn đoán.

Kim phun nhiên liệu trong ô tô: Sử dụng bộ truyền động áp điện để kiểm soát thời gian và lượng nhiên liệu được bơm vào các xi lanh động cơ.

Cảm biến áp điện và gia tốc kế: đo lường sự thay đổi áp suất, gia tốc, biến dạng hoặc lực bằng cách chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện.

3. Một piezo là bao nhiêu volt?

Đầu ra điện áp của một phần tử áp điện có thể thay đổi rộng rãi tùy thuộc vào kích thước, vật liệu và lượng ứng suất cơ học được áp dụng.Một yếu tố piezo nhỏ như các yếu tố được tìm thấy trong bật lửa hoặc thiết bị điện tử có thể tạo ra một đột biến điện áp từ vài volt đến vài trăm volt.Tuy nhiên, các đầu ra này thường ở các dòng điện rất thấp và chỉ có micro giây.

4. Piezo có cần điện trở không?

Trong nhiều ứng dụng, một điện trở được sử dụng với phần tử áp điện để hạn chế dòng điện và bảo vệ các thành phần khác trong mạch khỏi tăng đột biến điện áp cao được tạo ra khi piezo được kích hoạt.Giá trị của điện trở phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của mạch bao gồm thời gian đáp ứng và độ nhạy mong muốn.Không có điện trở, Piezo có thể có khả năng làm hỏng các thành phần điện tử được kết nối do tăng đột biến điện áp ban đầu cao.

5. Piezoelectric liên quan đến sức mạnh của con người như thế nào?

Hiệu ứng áp điện được áp dụng trực tiếp để khai thác sức mạnh của con người theo những cách sáng tạo.Nó có thể chuyển đổi năng lượng cơ học từ các hoạt động của con người, chẳng hạn như các nút đi bộ hoặc nhấn, thành năng lượng điện.Công nghệ này được khám phá trong các ứng dụng khác nhau:

Gạch sàn thu hoạch năng lượng: Những viên gạch này tạo ra điện từ áp lực của các bước chân ở các khu vực bận rộn như các trạm tàu ​​điện ngầm hoặc trung tâm thương mại.

Công nghệ đeo được: Nhúng vật liệu áp điện vào giày hoặc quần áo để tạo ra năng lượng cho các thiết bị nhỏ thông qua các chuyển động cơ thể bình thường.

Cấy ghép y tế: Sử dụng các chuyển động cơ thể sang các thiết bị năng lượng như máy tạo nhịp tim, giảm hoặc loại bỏ nhu cầu về pin bên ngoài.