اثر فشاربرقی یا پیزوالکتریسیته (Piezoelectricity) در سال ۱۸۸۰ توسط برادران «ژاک» و «پیر کوری» (Jacques & Pierre Curie) کشف شد. آنها مشاهده کردند که وارد کردن فشار مکانیکی به برخی کریستال‌های خاص مانند کوارتز باعث تولید بار الکتریکی در آن ماده می‌شود که این پدیده بعدها به عنوان اثر پیزوالکتریک شناخته شد. مواد دارای این خاصیت را مواد پیزوالکتریک می‌نامند. جالب آن‌که این اثر برگشت‌پذیر است. همان موادی که تحت تنش مکانیکی تولید ولتاژ می‌کنند (اثر مستقیم) در صورت اعمال میدان الکتریکی نیز دچار تغییر شکل مکانیکی می‌شوند (اثر معکوس). این ویژگی منحصربهفرد، پل میان دنیاهای مکانیکی و الکتریکی است و امکان تبدیل مستقیم انرژی مکانیکی به الکتریکی و برعکس را فراهم می‌کند. فناوری پیزوالکتریک امروز در طیف گسترده‌ای از حسگرها و محرک‌ها به کار گرفته شده و نقشی کلیدی در سیستم‌های کنترل، اتوماسیون صنعتی و ابزار دقیق ایفا می‌کند.
اصول پدیده پیزوالکتریک (اثر مستقیم و معکوس)
اثر پیزوالکتریک در مواد دی‌الکتریک (عایق) بلوری که تقارن مرکزی ندارند مشاهده می‌شود. در ساختار این مواد، واحدهای بار مثبت و منفی به صورت نامتقارن توزیع شده‌اند. تحت شرایط عادی، دوقطبی‌های الکتریکی در بلور به صورت تصادفی جهت‌گیری می‌کنند و اثر یکدیگر را خنثی می‌سازند. اما هنگامی که به چنین کریستالی تنش مکانیکی، کشش یا فشار اعمال شود، عدم‌تقارن شبکه بلوری آن باعث تجمع بارهای الکتریکی در دو وجه کریستال می‌گردد. در نتیجه، بین دو سمت بلور اختلاف پتانسیل الکتریکی متناسب با میزان تنش ایجاد می‌شود (اثر پیزوالکتریک مستقیم). هرچه نیروی مکانیکی اعمال‌شده بیشتر باشد، ولتاژ تولیدی نیز بیشتر خواهد بود. عکس این فرایند نیز امکان‌پذیر است. یعنی اگر دو سمت ماده پیزوالکتریک را به یک ولتاژ الکتریکی متناوب وصل کنیم، ساختار کریستال دچار تغییر شکل، انبساط یا انقباض دوره‌ای می‌شود. این تغییر شکل ناشی از اثر پیزوالکتریک معکوس است که پایه‌ی عملکرد بسیاری از محرک‌های دقیق را تشکیل می‌دهد. به بیان ساده، اثر مستقیم تبدیل نیروی مکانیکی به سیگنال الکتریکی و اثر معکوس تبدیل سیگنال الکتریکی به تغییر شکل مکانیکی در ماده است.
عملکرد یک حسگر پیزوالکتریک را به صورت شماتیک نشان می‌دهد که چگونه تحت تنش مکانیکی، بارهای الکتریکی در کریستال القا شده و ولتاژ در دو سر آن ظاهر می‌شود. در حالت معکوس، اعمال ولتاژ به الکترودهای کریستال موجب جابه‌جایی یون‌ها در شبکه بلوری و تغییر طول اندک بلور می‌گردد. این تغییر طول نسبی معمولاً بسیار کوچک است (در حدود کسری از درصد ابعاد ماده)، اما برای ایجاد ارتعاشات یا حرکات ظریف در محرک‌های دقیق کافی است. اثر پیزوالکتریک یک رفتار خطی و آنی است، یعنی تغییرات ولتاژ و تغییر شکل کاملاً همزمان و متناسب با یکدیگر رخ می‌دهند. نکته مهم دیگر برگشت‌پذیری این فرایند است؛ هر ماده پیزوالکتریک که اثر مستقیم را نشان دهد، حتماً اثر معکوس را نیز داراست. به همین دلیل یک قطعه پیزوالکتریک می‌تواند هم به عنوان سنسور و هم به عنوان عملگر مورد استفاده قرار گیرد.
مواد پیزوالکتریک و ویژگی‌های آنها
مواد بسیاری به صورت طبیعی یا مصنوعی دارای خاصیت پیزوالکتریک هستند. مهم‌ترین مواد طبیعی با این خاصیت عبارتند از برخی کریستال‌های ذاتی مانند کوارتز (بلور سیلیس)، نمک راشل (تارتارات دوپتاس و آمونیاک) و تورمالین. این بلورها در طبیعت خاصیت پیزوالکتریک ضعیفی دارند. همچنین برخی مواد آلی طبیعی نظیر استخوان، تاندون، چوب، ابریشم و حتی DNA تحت تنش‌های مکانیکی رفتار پیزوالکتریک از خود نشان می‌دهند، اگرچه کاربرد صنعتی مستقیمی ندارند.
دسته‌ی مهم بعدی، سرامیک‌های پیزوالکتریک مصنوعی هستند که به دلیل قابلیت مهندسی‌شده و عملکرد قوی، کاربرد وسیعی یافته‌اند. اولین سرامیک پیزوالکتریک کشف‌شده تیتانات باریم (BaTiO₃) بود که طی جنگ جهانی دوم معرفی شد. این ماده سرامیکی فروالکتریک، خاصیت پیزوالکتریک خوبی از خود نشان می‌دهد و زمینه‌ساز تولید نسل جدیدی از مواد پیزوالکتریک شد. در دهه ۱۹۵۰ ترکیب سرامیکی مهم‌تری به نام سرب زیرکونات تیتانات با فرمول شیمیایی Pb[Zr_xTi_{1-x}]O₃ ابداع شد که به اختصار PZT نام دارد. PZT به سرعت بدل به پرکاربردترین ماده پیزوالکتریک شد، چرا که نسبت به کوارتز ولتاژ بسیار بیشتری در پاسخ به تنش مکانیکی تولید می‌کند و در اثر اعمال ولتاژ نیز تغییر شکل مکانیکی قابل‌ملاحظه‌تری دارد. امروزه بخش اعظم حسگرها و مبدل‌های پیزوالکتریک صنعتی از سرامیک PZT ساخته می‌شوند. سرامیک‌های دیگری مانند نیوبات لیتیم (LiNbO₃) و تانتالات لیتیم (LiTaO₃) نیز خواص پیزوالکتریک خوبی داشته و در فناوری‌های فرکانس بالا (مانند فیلترها و نوسان‌سازهای کریستالی) به کار می‌روند. به دلیل نگرانی‌های زیست‌محیطی درباره سرب، پژوهش‌هایی برای توسعه سرامیک‌های پیزوالکتریک بدون سرب مانند ترکیبات نیوبات پتاسیم-سدیم (KNN) و بیسموت فریت انجام شده است، ولی هنوز هیچ ماده‌ی بدون‌سربی کاملاً هم‌تراز با PZT از نظر کارایی معرفی نشده است.
گروه دیگر، پلیمرهای پیزوالکتریک هستند که مهم‌ترین آنها پلی‌وینیلیدین فلوراید یا PVDF است. PVDF ماده‌ای قابل انعطاف و سبک است که می‌تواند با تغییر شکل خود سیگنال الکتریکی تولید کند. حساسیت پیزوالکتریک پلیمرهایی مانند PVDF چندین برابر بزرگ‌تر از کوارتز است (در حدود ۲۰–۳۰ پیکوکولن بر نیوتن)، هرچند هنوز یک یا دو مرتبه بزرگی از سرامیک‌های PZT کمتر است. از این رو پلیمرها بیشتر در کاربردهایی که انعطاف‌پذیری اهمیت دارد (مانند حسگرهای پوشیدنی یا فیلم‌های پیزوالکتریک) استفاده می‌شوند.
از دید ویژگی‌های فنی، مواد پیزوالکتریک توان تولید ولتاژهای قابل توجه از کرنش‌های مکانیکی بسیار کوچک را دارند. برای نمونه، یک مکعب ۱ سانتیمتری کوارتز تحت نیروی مکانیکی ۲۰۰ کیلوگرم‌نیرو می‌تواند ولتاژی در حدود ۱۲,۵۰۰ ولت تولید کند! البته در عمل چنین ولتاژهایی کاربردی نیست و برای اندازه‌گیری، بار الکتریکی تولیدشده توسط تقویت‌کننده‌های مخصوص به سیگنال ولتاژ پایین تبدیل می‌شود. برعکس، همین مواد تحت میدان الکتریکی می‌توانند حدود ۰٫۱ درصد از ابعاد خود تغییر طول دهند. با پشته کردن (انباشتن لایه‌ای) چندین عنصر پیزوالکتریک، این تغییر شکل‌های کوچک را می‌توان تجمع داد و به جابجایی‌های مکانیکی بزرگ‌تری رسید. به علاوه، طراحی‌های چندلایه باعث شده ولتاژ تحریک مورد نیاز محرک‌های پیزوالکتریک از چندین کیلوولت در نمونه‌های اولیه، به چند ده ولت در نمونه‌های جدید کاهش یابد. یکی از محدودیت‌های مواد پیزوالکتریک آن است که نمی‌توانند تغییرات کاملاً ایستا (DC) را به‌خوبی حس کنند، زیرا بار تولیدشده در اثر تنش پایدار به مرور در مقاومت داخلی کریستال نشت می‌کند و سیگنال خروجی افت می‌نماید. بنابراین، حسگرهای پیزوالکتریک ذاتاً برای اندازه‌گیری ارتعاشات و تغییرات دینامیکی مناسب‌اند و برای کمیت‌های ثابت یا آهسته باید تمهیدات خاص (مانند تقویت‌کننده با امپدانس بسیار بالا یا کریستال‌های مخصوص) در نظر گرفته شود. همچنین دمای کاری ماده پیزوالکتریک مهم است؛ سرامیک‌های معمولی تا دمای حدود ۳۰۰°C خاصیت خود را حفظ می‌کنند و برای دماهای بالاتر، باید از مواد ویژه مانند گالیم فسفات (GaPO₄) استفاده کرد که تا نزدیکی نقطه ذوب خود رفتار پیزوالکتریک پایدار دارد.
حسگرهای پیزوالکتریک (سنسورها)
حسگر پیزوالکتریک وسیله‌ای است که از اثر پیزوالکتریک مستقیم برای تبدیل تغییرات مکانیکی (نیرو، فشار، شتاب و …) به سیگنال الکتریکی استفاده می‌کند. این حسگرها به دلیل نبود بخش‌های متحرک و اتصالات مکانیکی، پاسخ فرکانسی بسیار بالایی دارند و می‌توانند تغییرات سریع را با دقت ثبت کنند. خروجی یک سنسور پیزوالکتریک به صورت بار الکتریکی یا ولتاژ آنی ظاهر می‌شود و معمولاً نیاز به مدار الکترونیکی تقویت‌کننده یا مبدل دارد تا به سیگنال قابل استفاده (مثلاً ولتاژ آنالوگ) تبدیل گردد. به علت امپدانس داخلی بالا، استفاده از تقویت‌کننده‌های با امپدانس ورودی زیاد (مانند تقویت‌کننده‌های بار) در کنار این حسگرها رایج است. همان‌طور که اشاره شد، حسگرهای پیزوالکتریک برای اندازه‌گیری کمیت‌های دینامیکی ایده‌آل هستند ولی برای کمیت‌های استاتیک یا شبه‌استاتیک مناسب نیستند، زیرا شارژ تولیدی در کریستال به تدریج تخلیه می‌شود و خروجی در طول زمان افت می‌کند. با این حال، در بسیاری از کاربردهای صنعتی، تغییرات سریع فشار، نیرو یا ارتعاشات دقیقاً چیزی است که نیاز به اندازه‌گیری آن داریم. در این حوزه‌ها حسگرهای پیزوالکتریک عملکرد درخشانی دارند و از این جهت بی‌رقیب‌اند.
انواع مختلفی از سنسورهای پیزوالکتریک در صنعت به کار گرفته شده‌اند. یکی از پرکاربردترین‌ها، شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک (Piezoelectric Accelerometers) هستند که برای اندازه‌گیری لرزش و ارتعاش ماشین‌آلات، سازه‌ها و تجهیزات دوار به کار می‌روند. در این حسگرها معمولاً یک جرم متصل به کریستال پیزوالکتریک تحت شتاب، نیرویی بر کریستال وارد می‌کند و سیگنال متناسبی تولید می‌شود. این شتاب‌سنج‌ها پهنای‌باند وسیعی از چند هرتز تا چندین کیلوهرتز داشته و در سامانه‌های پایش وضعیت تجهیزات دوار (مانیتورینگ ارتعاشات موتور، پمپ، توربین و …) بسیار رایج هستند. نوع دیگری، حسگرهای فشار پیزوالکتریک هستند که برای اندازه‌گیری فشارهای گذرا و دینامیکی به کار می‌روند؛ به عنوان مثال در اندازه‌گیری پدیده‌های ضربه‌ای، انفجاری یا آیرودینامیکی (فشار نوسانی سیالات) می‌توان از آنها بهره برد. این حسگرها بر خلاف حسگرهای الکترومکانیکی سنتی، نیاز به المان‌های تغییرشکل‌دهنده نظیر دیافراگم یا لوله بوردون ندارند و مستقیماً تبدیل فشار به بار الکتریکی را انجام می‌دهند. از این رو سرعت پاسخ آنها بالا و ساختارشان ساده و مستحکم است.
نوع مهم دیگر، حسگرهای نیرو و وزن پیزوالکتریک است. برای مثال، در برخی ترازوهای دقیق آزمایشگاهی از کریستال کوارتز برای اندازه‌گیری جرم‌های کوچک استفاده می‌شود؛ به این صورت که نیروی وزن روی کریستال ولتاژی متناسب تولید می‌کند که پس از کالیبراسیون، جرم را می‌توان از روی آن محاسبه کرد. البته به دلیل عدم توانایی در اندازه‌گیری کاملاً استاتیک، این روش بیشتر برای میکروترازوهای خاص (Quartz Microbalance) یا اندازه‌گیری‌های تغییرات جرم در حد میکروگرم (مثلاً رسوب لایه نازک روی بلور) کاربرد دارد.
از حسگرهای پیزوالکتریک در اندازه‌گیری صوت و امواج آکوستیک نیز استفاده می‌شود. میکروفون‌های کریستالی قدیمی نمونه‌ای از این کاربرد بودند که ارتعاشات صوتی دیافراگم را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کردند. امروزه نیز گیرنده‌های اولتراسونیک در سونارها و دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی (اولتراسوند) از کریستال‌های پیزوالکتریک ساخته می‌شوند. این گیرنده‌ها می‌توانند امواج فراصوت بازگشتی را تشخیص داده و تبدیل به ولتاژ الکتریکی کنند تا توسط دستگاه پردازش شود. حتی در صنایع خودروسازی، حسگر ضربه یا ناک سنسور (Knock Sensor) موتورهای احتراق داخلی از یک عنصر پیزوالکتریک تشکیل شده که ارتعاشات ناشی از احتراق نامنظم (ضربه موتور) را حس کرده و ولتاژی برای واحد کنترل موتور ارسال می‌کند. واحد کنترل با دریافت این سیگنال می‌تواند آوانس جرقه را تنظیم کرده و از پدیده ضربه جلوگیری کند.
کاربرد جالب دیگر، استفاده در سیستم‌های شمارش و پایش ترافیک است. با کارگذاری حسگرهای نواری پیزوالکتریک در سطح جاده یا مسیر عبور، می‌توان عبور وسایل نقلیه را تشخیص داد. تغییرشکل ایجادشده توسط چرخ خودرو یا دوچرخه در نوار پیزوالکتریک، سیگنالی تولید می‌کند که عبور یک وسیله را ثبت می‌کند. این فناوری برای شمارش ترافیک، تشخیص سرعت خودرو یا حتی وزن‌کشی پویا (Dynamic Weighing) در بزرگراه‌ها به کار گرفته شده است.
یک نمونه حسگر نواری پیزوالکتریک نصب‌شده در مسیر دوچرخه‌سواری را نشان می‌دهد که به عنوان شمارشگر تردد دوچرخه عمل می‌کند. عبور هر دوچرخه از روی این نوارها یک سیگنال پیزوالکتریک گذرا تولید می‌کند و دستگاه الکترونیکی متصل می‌تواند تعداد عبور را بشمارد. چنین حسگرهایی نسبت به حلقه‌های القایی مدفون در زمین مزیت‌هایی دارند؛ از جمله نصب آسان‌تر، عدم نیاز به منبع تغذیه خارجی (خود حسگر از فشار مکانیکی برق لازم را تولید می‌کند) و هزینه نگهداری کمتر. البته سیگنال خروجی آنها تحت تاثیر دما و شرایط محیطی قرار می‌گیرد و معمولاً نیاز به کالیبراسیون دوره‌ای دارد.
محرک‌های پیزوالکتریک (عملگرها)
عملگرهای پیزوالکتریک (Piezo Actuators) دستگاه‌هایی هستند که با بهره‌گیری از اثر معکوس پیزوالکتریک، سیگنال الکتریکی را به حرکت یا نیروی مکانیکی تبدیل می‌کنند. هنگامی که به یک ماده پیزوالکتریک ولتاژ اعمال شود، در ابعاد آن تغییر بسیار کوچکی (انبساط یا انقباض) رخ می‌دهد. عملگرهای پیزوالکتریک از همین تغییر طول بهره می‌گیرند. اگرچه کرنش حاصل معمولاً کسری از درصد ابعاد ماده است، اما مزیت بزرگ آن پاسخ بسیار سریع و دقیق است. بر خلاف محرک‌های الکترومغناطیسی (مانند سولونوئیدها) که شامل اجزای متحرک و میدان‌های مغناطیسی هستند، محرک پیزوالکتریک می‌تواند در عرض میکروثانیه‌ها به ولتاژ ورودی پاسخ داده و موقعیت خود را تغییر دهد. همچنین عدم وجود قطعات سایشی و مکانیکی به آنها اجازه می‌دهد در مقیاس‌های کوچک و محیط‌های خاص (مثلاً خلأ یا میدان مغناطیسی قوی) که موتورهای معمولی کار نمی‌کنند، به خوبی عمل کنند.
ساده‌ترین محرک پیزوالکتریک یک کریستال یا سرامیک تک‌لایه است که بین دو صفحه الکترود قرار گرفته و با اعمال ولتاژ، ضخامت آن اندکی تغییر می‌کند. اما برای افزایش میزان تغییر طول یا نیرو، در عمل از پیکربندی‌های چندلایه (Stack Actuator) استفاده می‌شود. در محرک‌های چندلایه، ده‌ها تا صدها لایه نازک سرامیک پیزوالکتریک روی هم انباشته و الکترودگذاری شده‌اند تا با اعمال ولتاژ همزمان انبساط یافته و به صورت تجمعی جابجایی بیشتری ایجاد کنند. با این تکنیک می‌توان با ولتاژهای نسبتاً پایین (مثلاً ۳۰–۵۰ ولت) به جابجایی‌های چند ده میکرومتری رسید. محرک‌های پیزوالکتریک نیروی قابل توجهی نیز می‌توانند تولید کنند؛ برای مثال نمونه‌هایی از پیزواکتیواتورها قادرند باری معادل چندین کیلونیوتن را جابه‌جا کنند. ترکیب دقت بالا در حد نانومتر، سرعت زیاد و نیروی قابل ملاحظه باعث شده که این عملگرها در کاربردهای میکروپوزیشنینگ کاملاً رایج شوند.
یکی از کاربردهای مهم، موتورهای پیزوالکتریک است. در این موتورها از ارتعاشات کنترل‌شده قطعات پیزوالکتریک برای حرکت گام‌به‌گام یا چرخشی استفاده می‌شود. برای مثال، موتورهای اولتراسونیک نوعی موتور پیزوالکتریک هستند که در آنها یک عنصر پیزوالکتریک با فرکانس فراصوت مرتعش شده و از طریق اصطکاک، روتور را به حرکت درمی‌آورد. این موتورها اندازه کوچک و دقت حرکت بسیار بالایی دارند و می‌توانند حرکت‌های دقیقی در حد میکرون و حتی نانومتر انجام دهند. به دلیل عدم وجود سیم‌پیچ و آهنربا، موتورهای پیزوالکتریک در محیط‌های با میدان مغناطیسی شدید (مثل کنار دستگاه MRI) یا دمای بسیار پایین (کرایوژنیک) که موتورهای الکتریکی عادی ناتوان‌اند، به‌خوبی کار می‌کنند.
نوع دیگر محرک، عملگرهای خمشی پیزوالکتریک (بیمورف) هستند که از دو لایه پیزوالکتریک متصل‌به‌هم تشکیل شده‌اند. هنگامی که ولتاژ به این دو لایه با پلاریته مخالف اعمال شود، یکی منقبض و دیگری منبسط می‌شود و ترکیب آنها موجب خم شدن المان می‌گردد. این حرکت خمشی برای ایجاد جابجایی‌های بزرگ‌تر مفید است. از عملگرهای خمشی در ساخت اسکنرهای میکرومتری (مثلاً در میکروسکوپ نیروی اتمی برای جابجاکردن نوک پروب)، پمپ‌های میکروسیال و میکروسوئیچ‌های سریع استفاده می‌شود.
همچنین عملگرهای پیزوالکتریک به شکل بوق‌ها و بلندگوهای پیزوالکتریک برای تولید صدا کاربرد گسترده‌ای دارند. دیسک‌های پیزوالکتریک در این بلندگوهای کوچک با اعمال ولتاژ متناوب شروع به نوسان می‌کنند و هوا را به ارتعاش درمی‌آورند تا صوت تولید شود. اگرچه پاسخ فرکانسی بلندگوهای پیزوالکتریک گسترده نیست و عمدتاً برای تولید صداهای زیر و بوق‌ها مناسب‌اند، اما به دلیل اندازه کوچک، مصرف توان ناچیز و قیمت ارزان در تجهیزات زیادی از جمله ساعت‌های دیجیتال، تلفن‌های همراه، آلارم‌ها و اسباب‌بازی‌ها به کار می‌روند. بازرهای پیزوالکتریک نیز نوعی عملگر صوتی هستند که صدای بلندی را در یک باند باریک فرکانسی تولید می‌کنند و در وسایل هشداردهنده و اعلان‌ها (مثلاً بوق خودرو، آژیر‌ها و …) استفاده می‌شوند.
کاربرد صنعتی مهم دیگر محرک‌های پیزوالکتریک، افزوده‌های سیستم‌های هیدرولیک و احتراقی است. به عنوان نمونه، در انژکتورهای سوخت خودروهای دیزل مدرن، از عنصر پیزوالکتریک برای کنترل دریچه سوخت پرفشار استفاده می‌شود. انژکتورهای دیزل امروزی باید بتوانند چندین نوبت پاشش سوخت را در هر سیکل موتور با دقت زمانی و حجمی بسیار بالا انجام دهند. محرک پیزوالکتریک درون انژکتور با دریافت پالس ولتاژ در زمانی کمتر از میلی‌ثانیه منبسط شده و سوزن انژکتور را جابه‌جا می‌کند و سپس بلافاصله با قطع ولتاژ به حالت اولیه برمی‌گردد. این عملکرد سریع و دقیق امکان چندین بار باز و بسته شدن جریان سوخت با فشارهایی تا ۱۸۰۰ بار در طی تنها چند میلی‌ثانیه را فراهم می‌کند. نتیجه آن احتراق تمیزتر، مصرف سوخت بهینه‌تر و توان بیشتر موتور است که دستیابی به آن با مکانیزم‌های سولونوئیدی کندتر دشوار بود.
از دیگر کاربردهای عملگرهای پیزوالکتریک می‌توان به جابه‌جایی و تنظیم اپتیکی اشاره کرد. در برخی تجهیزات نوری دقیق (لیزرها، تداخل‌سنج‌ها، آنتن‌های اپتیکی)، نیاز است آینه‌ها یا عدسی‌ها با دقت زاویه‌ای و موقعیتی بسیار بالا تنظیم شوند. عملگرهای پیزوالکتریک به دلیل رزولوشن حرکتی عالی، برای این منظور ایده‌آل هستند. به طور مثال، در تلسکوپ‌های نجومی بزرگ برای تصحیح اعوجاجات جوی (سیستم اپتیک تطبیقی) از آینه‌های منعطفی استفاده می‌شود که پشت آنها شبکه‌ای از عملگرهای پیزوالکتریک تعبیه شده است. این عملگرها با تغییر شکل آینه در کسری از ثانیه، خطای ناشی از آشفتگی جَو را جبران کرده و تصویری واضح‌تر ارائه می‌دهند. همچنین در میکروسکوپ‌های پیشرفته (STM, AFM و …)، پیزواسکنرها جزء حیاتی سیستم هستند و حرکت‌های چند نانومتری کاملاً کنترل‌شده برای تصویربرداری اتمی را ممکن می‌کنند.
کاربردهای صنعتی و تخصصی فناوری پیزوالکتریک
فناوری پیزوالکتریک به دلیل ویژگی تبدیل مستقیم انرژی، در شاخه‌های گوناگون صنعت و مهندسی به کار گرفته شده است. در ادامه به برخی حوزه‌های مهم کاربرد این فناوری اشاره می‌شود:
اتوماسیون صنعتی و ابزار دقیق
در اتوماسیون و کنترل صنعتی، حسگرهای قابل اعتماد و سریع نقش حیاتی دارند. حسگرهای پیزوالکتریک به دلیل سرعت پاسخ بالا و نبود قطعات متحرک، برای نظارت بر پارامترهای دینامیک ماشین‌آلات بسیار مناسب‌اند. پایش ارتعاشات ماشین یکی از این کاربردهاست که در آن شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک برای تشخیص عدم‌بالانس، لقی یا خرابی بیرینگ‌ها در تجهیزات دوار استفاده می‌شوند. همچنین مانیتورینگ فشارهای گذرا در خطوط سیال، محفظه‌های احتراق یا پرس‌های صنعتی توسط سنسورهای فشار پیزوالکتریک با دقت زیاد انجام می‌شود. در ابزار دقیق آزمایشگاهی نیز پیزوالکتریک حضوری چشمگیر دارد؛ به عنوان مثال ترازوهای کریستالی دقیق برای اندازه‌گیری تغییر جرم‌های بسیار کوچک یا رزوناتورهای پیزوالکتریک برای تعیین ویژگی‌های مواد (ضریب الاستیک، ویسکوزیته سیالات و …) به کار می‌روند. مولدهای فراصوت آزمایشگاهی (مثلاً برای هم‌زدن آلتراسونیک یا امولسیون‌سازی) نیز با بهره‌گیری از مبدل‌های پیزوالکتریک، ارتعاشاتی با دامنه و فرکانس دقیق تولید می‌کنند. در صنعت الکترونیک و میکروماشین‌کاری، مته‌ها و چاقوهای اولتراسونیک که توسط محرک پیزوالکتریک مرتعش می‌شوند، برای سوراخ‌کاری و برش ظریف به کار می‌روند. به طور خلاصه، در هر جا که نیاز به اندازه‌گیری یا اعمال نیروی دقیق و پرسرعت باشد، فناوری پیزوالکتریک گزینه‌ای ایده‌آل در اتوماسیون صنعتی و ابزار دقیق محسوب می‌شود.
پزشکی و زیست‌پزشکی
در تجهیزات پزشکی، تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و بالعکس کاربردهای فراوانی دارد و پیزوالکتریک نقشی کلیدی در این حوزه ایفا می‌کند. مهم‌ترین کاربرد پزشکی پیزوالکتریک تصویربرداری اولتراسوند (سونوگرافی) است. پروب‌های دستگاه سونوگرافی از آرایه‌ای از کریستال‌های پیزوالکتریک تشکیل شده‌اند که به سرعت به ولتاژهای متناوب پاسخ داده و ارتعاش می‌کنند و امواج فراصوت را به داخل بدن می‌فرستند. بازتاب این امواج از بافت‌های داخلی توسط همان کریستال‌ها دریافت شده و تبدیل به سیگنال الکتریکی می‌شود تا تصویر تشکیل گردد. پیشرفت مواد و تکنولوژی پیزوالکتریک موجب بهبود چشمگیر کیفیت تصاویر سونوگرافی در دهه‌های اخیر شده است. کاربرد مهم دیگر در درمان پزشکی است؛ دستگاه سنگ‌شکن کلیه با موج شوک (لیتوتریپتر) از اثر پیزوالکتریک معکوس برای ایجاد ضربه‌ی مکانیکی جهت شکستن سنگ‌های کلیوی بهره می‌گیرد. در این دستگاه، پالس ولتاژ به یک مجموعه کریستال اعمال شده و موج مکانیکی شدیدی در سر بیمار ایجاد می‌شود که سنگ را خرد می‌کند. همچنین در ابزارهای جراحی نوین مانند چاقوی اولتراسونیک (Harmonic Scalpel) از مبدل پیزوالکتریک استفاده شده که با ارتعاش تیغه جراحی با فرکانس بالا، بافت را می‌برد و همزمان منعقد می‌کند. این روش برش موجب آسیب کمتر و بهبود سریع‌تر بیمار می‌شود. در دندان‌پزشکی نیز جرم‌گیرهای اولتراسونیک با محرک پیزوالکتریک، ارتعاشات ریز برای زدودن جرم دندان ایجاد می‌کنند. علاوه بر این‌ها، حسگرهای پیزوالکتریک زیستی در مانیتورینگ علائم حیاتی مورد توجه‌اند؛ برای مثال حسگرهای فشار خون قابل کاشت یا میکروحسگرهای ثبت ضربان قلب که با تغییرات مکانیکی ضربان، سیگنال الکتریکی تولید می‌کنند. هرچند چالش سازگاری زیستی و تأمین توان این ادوات هنوز وجود دارد، اما تحقیقات نشان می‌دهد حتی با تکیه بر خود اثر پیزوالکتریک می‌توان انرژی مورد نیاز سنسورهای کاشتنی را از ضربان قلب یا حرکت تنفسی بدن تأمین کرد (برداشت انرژی درجا).
صنعت خودروسازی
در صنعت خودرو مجموعه‌ای از حسگرها و عملگرهای پیزوالکتریک به کار گرفته می‌شوند که به بهبود کارایی و ایمنی خودروها کمک می‌کنند. یکی از قدیمی‌ترین کاربردها، سنسور ضربه (Knock Sensor) موتور است که از دهه ۱۹۸۰ رایج شد. این سنسور معمولاً یک عنصر پیزوالکتریک متصل به بلوک سیلندر موتور است؛ هرگاه پدیده ضربه (احتراق زودهنگام) رخ دهد، ارتعاشات مشخصی در موتور ایجاد می‌شود که توسط این سنسور به صورت ولتاژ الکتریکی ثبت می‌گردد. واحد کنترل موتور (ECU) با تحلیل این سیگنال می‌تواند زمان جرقه را تنظیم کرده و از آسیب ناشی از ضربه جلوگیری کند. نمونه دیگر، حسگرهای فشار داخل سیلندر است که برای تحقیقات موتور به کار می‌روند و معمولاً بر پایه پیزوالکتریک هستند تا تغییرات سریع فشار انفجار را با دقت بالا اندازه‌گیری کنند.
در بخش عملگرها، انژکتورهای سوخت پیزوالکتریک در موتورهای دیزل و اخیراً برخی موتورهای بنزینی توربو، انقلابی ایجاد کرده‌اند. توضیح آن در بخش محرک‌ها گذشت که چگونه پیزواکچویتورهای این انژکتورها امکان چندین پاشش دقیق در هر سیکل و کنترل حجم سوخت را فراهم کرده‌اند. نتیجه این تکنولوژی، افزایش توان، کاهش مصرف سوخت و آلایندگی، و عملکرد نرم‌تر موتور است که دستیابی به استانداردهای سختگیرانه آلایندگی یورو ۶ و بالاتر را ممکن ساخته است.
افزون بر موتور، در سامانه‌های ایمنی خودرو نیز پیزوالکتریک نقش دارد. به طور مثال کیسه‌های هوا برای تشخیص ضربه از حسگرهای شتاب پیزوالکتریک استفاده می‌کنند که برخورد را در کسری از ثانیه حس کرده و فرمان آتش کیسه هوا را صادر می‌کنند. کمربندهای ایمنی پیش‌کشنده و سیستم‌های تعلیق فعال نیز در برخی طراحی‌ها از عملگرهای پیزوالکتریک بهره می‌برند. در خودروهای مدرن، حسگرهای اولتراسونیک پارک (سنسور دنده عقب) نیز وجود دارند که با ارسال و دریافت امواج فراصوت فاصله خودرو با موانع را تشخیص می‌دهند. این سنسورها در واقع همان مبدل‌های پیزوالکتریک کوچک هستند که وظیفه سونار خودرو را انجام می‌دهند.
رباتیک و مکاترونیک
در حوزه رباتیک، نیاز روزافزونی به محرک‌ها و حسگرهای کم‌حجم و دقیق احساس می‌شود و فناوری پیزوالکتریک گزینه‌هایی منحصربهفرد در این زمینه ارائه می‌دهد. یکی از کاربردهای جذاب، روبات‌های میکرومقیاس است. در طراحی ربات‌های بسیار کوچک (مثلاً ربات‌های پرنده‌ی اندازه حشره یا ربات‌های پزشکی برای حرکت درون رگ‌ها)، عملگرهای الکترومغناطیسی سنتی پاسخ‌گو نیستند، در حالی که محرک‌های پیزوالکتریک به دلیل چگالی توان بالا و اندازه کوچک، امکان حرکت و کنترل این ربات‌ها را فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، بال‌زدن یک میکرودrone حشره‌مانند یا حرکت پای یک میکروربات خزنده می‌تواند توسط عناصر پیزوالکتریک خم‌شونده یا کششی صورت گیرد. در اندام‌های مصنوعی دقیق یا گیره‌های جراحی رباتیک نیز عملگرهای پیزوالکتریک برای ایجاد نیروی ظریف و قابل‌کنترل بسیار مناسب‌اند.
از نظر حسگرها، در رباتیک حسگرهای نیرو/فشار لمسی اهمیت زیادی دارند؛ پیزوالکتریک‌ها می‌توانند به عنوان پوست مصنوعی حساس بکار روند و تماس یا لرزش را حس کنند. هرچند برای حس ثابت (مانند فشار ایستای یک جسم در دست ربات) پیزوالکتریک به تنهایی کافی نیست، اما برای تشخیص تغییرات سریع (لغزش شیء، ضربه و غیره) ایده‌آل است. ترکیب حسگرهای پیزوالکتریک با حسگرهای مقاومتی یا خازنی در پوست ربات‌ها می‌تواند طیف وسیعی از اطلاعات لمسی را فراهم کند.
کاربرد دیگر، سیستم‌های اولتراسونیک در ربات‌ها است. ربات‌های پرنده و خودران می‌توانند از مبدل‌های اولتراسونیک پیزوالکتریک برای سنجش فاصله و جلوگیری از برخورد استفاده کنند (مشابه سونار). همچنین ربات‌های زیرآبی برای ارتباط یا نقشه‌برداری در محیط آبی از سونارهای پیزوالکتریک بهره می‌گیرند. در سامانه‌های موقعیت‌یابی دقیق رباتیک (مانند استیج‌های حرکت خطی) محرک‌های پیزوالکتریک پله‌ای (انچ‌ورم) قادرند موقعیت را با دقت نانومتری تنظیم کنند که برای تنظیم لنزهای اپتیکی یا سر ابزار ربات‌های مونتاژ میکروالکترونیک ضروری است.
در کنار این موارد، حوزه‌های جدیدی مانند تولید انرژی از ارتعاشات محیط (Energy Harvesting) نیز در رباتیک و IoT مطرح شده است. سنسورها و گجت‌های خودمختار می‌توانند با بهره‌گیری از مواد پیزوالکتریک انرژی ارتعاشی محیط (مثلاً ارتعاشات ماشین یا حرکت انسان) را به برق تبدیل کرده و خود را تغذیه کنند. هرچند توان تولیدی این ژنراتورهای پیزوالکتریک کوچک است، اما برای سنسورها یا گجت‌های کم‌مصرف کافی بوده و می‌تواند به تحقق سیستم‌های بی‌سیم بدون باتری کمک کند.
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
فناوری پیزوالکتریک با بیش از یک قرن سابقه پژوهشی، امروز به بلوغ قابل توجهی رسیده و به عضوی جدایی‌ناپذیر از دنیای مهندسی تبدیل شده است. این پدیده که از خاصیت منحصربهفرد برخی مواد برای تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی (و بالعکس) بهره می‌برد، پایه‌ی طیف وسیعی از حسگرها و محرک‌های پیشرفته است. در این مقاله دیدیم که چگونه مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز، سرامیک‌های PZT و پلیمر PVDF هر یک در جایگاه خود از صنعت تا پزشکی نقش‌آفرینی می‌کنند. حسگرهای پیزوالکتریک امکان اندازه‌گیری دقیق و سریع کمیت‌های دینامیکی را فراهم ساخته و در کنترل و اتوماسیون صنعتی به‌کار گرفته می‌شوند. محرک‌های پیزوالکتریک نیز با ارائه حرکت‌های ظریف و کنترل‌شده، دریچه‌ی کاربردهایی را گشوده‌اند که با فناوری‌های دیگر دستیابی به آنها دشوار بود (مانند میکروموتورهای دقیق یا ابزار جراحی ارتعاشی). از خط تولید کارخانه و موتور خودرو گرفته تا آزمایشگاه‌های پزشکی و پروژه‌های فضایی، ردپای این فناوری دیده می‌شود.
با پیشرفت علوم مواد، انتظار می‌رود نسل‌های جدیدی از مواد پیزوالکتریک با راندمان بیشتر و انعطاف بالاتر توسعه یابند (برای مثال سرامیک‌های بدون سرب دوستدار محیط‌زیست یا کامپوزیت‌های پیزوالکتریک انعطاف‌پذیر). این امر می‌تواند به کاربردهای کاملاً جدیدی بیانجامد؛ از حسگرهای پوشیدنی هوشمند گرفته تا ساختارهای سازگار (adaptive) در هوافضا که شکل خود را تغییر می‌دهند. همچنین همگرایی فناوری پیزوالکتریک با الکترونیک مدرن (مدارهای مجتمع سازگار با کریستال‌ها) راه را برای سیستم‌های میکروالکترومکانیکی پیزوالکتریک (Piezo-MEMS) هموار کرده است که در آنها حسگر و عملگر پیزوالکتریک در مقیاس میکرو روی تراشه سیلیکونی مجتمع می‌شوند. چنین رویکردهایی می‌تواند دستگاه‌های کنترل و اتوماسیون را باز هم کوچکتر، سریع‌تر و قابل‌اعتمادتر کند.
در نهایت، مزیت بزرگ پیزوالکتریک در سادگی و مستقیم بودن تبدیل انرژی است؛ نیروی مکانیکی بدون واسطه پیچیده به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود و برعکس. این سادگی نسبی همراه با تنوع بالای مواد و پیکربندی‌ها باعث شده مهندسان کنترل و ابزار دقیق دامنه خلاقانه‌ای برای طراحی سیستم‌های نوآورانه در اختیار داشته باشند. پیزوالکتریک اکنون یک فناوری اثبات‌شده است که روز‌به‌روز با ایده‌های تازه، در حال گشودن مرزهای جدیدی در صنعت و زندگی ماست.
