ทรานซ์ดิวเซอร์พีอีโซอิเล็กทริก: แอปพลิเคชันและหลักการทำงาน

อะไรคือทรานสดิวเซอร์พีซโซอิเล็กทริก

ทรานสดิวเซอร์พีซโซอิเล็กทริก (หรือเรียกว่าเซ็นเซอร์พีซโซอิเล็กทริก) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ผลพีซโซอิเล็กทริกในการวัดการเปลี่ยนแปลงของความเร่ง แรงดัน การบิดเบี้ยว อุณหภูมิ หรือแรง โดยการแปลงพลังงานเหล่านี้เป็นประจุไฟฟ้า

ทรานสดิวเซอร์ สามารถเป็นสิ่งใดก็ได้ที่แปลงรูปแบบพลังงานหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง วัสดุพีซโซอิเล็กทริกเป็นหนึ่งในประเภทของทรานสดิวเซอร์ เมื่อเราบีบวัสดุพีซโซอิเล็กทริกหรือใช้แรงหรือแรงดัน ทรานสดิวเซอร์จะแปลงพลังงานนี้เป็นแรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้านี้เป็นฟังก์ชันของแรงหรือแรงดันที่ใช้

แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากทรานสดิวเซอร์พีซโซอิเล็กทริกสามารถวัดได้ง่ายโดยเครื่องวัดแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าจะเป็นฟังก์ชันของแรงหรือแรงดันที่ใช้ เราสามารถอนุมานว่าแรงหรือแรงดันที่ใช้คือเท่าใดโดยการอ่านค่าแรงดัน ในทางนี้ ปริมาณทางกายภาพเช่นความเครียดทางกลหรือแรงสามารถวัดได้โดยตรงโดยใช้ทรานสดิวเซอร์พีซโซอิเล็กทริก

แอคทูเอเตอร์พีซโซอิเล็กทริก

แอคทูเอเตอร์พีซโซอิเล็กทริกทำงานในทางกลับกันของเซ็นเซอร์พีซโซอิเล็กทริก คือเมื่อมีผลพีซโซอิเล็กทริก จะทำให้วัสดุเปลี่ยนรูป คือยืดหรือโค้ง

นั่นหมายความว่าในเซ็นเซอร์พีซโซอิเล็กทริก เมื่อมีแรงมาทำให้ยืดหรือโค้ง จะเกิดศักย์ไฟฟ้า และในทางกลับกันเมื่อมีศักย์ไฟฟ้ามาใช้ในแอคทูเอเตอร์พีซโซอิเล็กทริก มันจะเปลี่ยนรูป คือยืดหรือโค้ง

ทรานสดิวเซอร์พีซโซอิเล็กทริกประกอบด้วยคริสตัลควอตซ์ที่ทำมาจากซิลิคอนและออกซิเจนที่เรียงตัวอยู่ในโครงสร้างคริสตัล (SiO2) โดยทั่วไปแล้วเซลล์หน่วย (หน่วยพื้นฐานที่ซ้ำกัน) ของคริสตัลทั้งหมดมีความสมมาตร แต่ในคริสตัลควอตซ์พีซโซอิเล็กทริก ไม่เป็นเช่นนั้น คริสตัลพีซโซอิเล็กทริกมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า

อะตอมภายในอาจไม่เรียงตัวอย่างสมมาตร แต่ประจุไฟฟ้าของพวกมันถูกดุลกัน คือประจุบวกลบประจุลบ คริสตัลควอตซ์มีคุณสมบัติพิเศษในการสร้างขั้วไฟฟ้าเมื่อมีแรงกดทับทางกลมาใช้ตามระนาบหนึ่ง หลักๆ แล้วมีสองประเภทของแรงกดทับ คือแรงกดทับแบบอัดและแรงกดทับแบบดึง

เมื่อไม่มีแรงกดทับ คริสตัลควอตซ์ไม่มีประจุไฟฟ้า เมื่อมีแรงกดทับแบบอัด ประจุบวกจะถูกเหนี่ยวนำบนด้านหนึ่งและประจุลบจะถูกเหนี่ยวนำบนด้านตรงข้าม ขนาดของคริสตัลจะบางและยาวขึ้นเนื่องจากแรงกดทับแบบอัด ในกรณีของแรงกดทับแบบดึง ประจุจะถูกเหนี่ยวนำในทางกลับกัน และคริสตัลควอตซ์จะสั้นและอ้วนขึ้น

ทรานสดิวเซอร์พีซโซอิเล็กทริกมีหลักการจากผลพีซโซอิเล็กทริก คำว่าพีซโซอิเล็กทริกมาจากภาษากรีกว่า piezen ซึ่งหมายถึงการบีบหรือกด ผลพีซโซอิเล็กทริกระบุว่าเมื่อมีแรงกดทับหรือแรงมาใช้กับคริสตัลควอตซ์ จะสร้างประจุไฟฟ้าบนผิวคริสตัลควอตซ์ ผลพีซโซอิเล็กทริกถูกค้นพบโดย Pierre และ Jacques Curie ความเร็วของการสร้างประจุจะเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงกดทับที่ใช้ แรงกดทับมากขึ้นแรงดันไฟฟ้าจะมากขึ้น

หนึ่งในคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของผลพีซโซอิเล็กทริกคือมันสามารถย้อนกลับได้ หมายความว่าเมื่อมีแรงดันไฟฟ้ามาใช้กับมัน มันจะเปลี่ยนรูปตามระนาบหนึ่ง คือเมื่อโครงสร้างคริสตัลควอตซ์ถูกวางในสนามไฟฟ้า มันจะเปลี่ยนรูปคริสตัลโดยมีปริมาณสัดส่วนกับความแรงของสนามไฟฟ้า หากโครงสร้างเดียวกันถูกวางในสนามไฟฟ้าที่มีทิศทางของสนามกลับกัน การเปลี่ยนรูปจะตรงกันข้าม

คริสตัลควอตซ์ยาวขึ้นเนื่องจากสนามไฟฟ้าที่ใช้

คริสตัลควอตซ์สั้นลงเนื่องจากสนามไฟฟ้าที่ใช้ในทิศทางกลับกัน
มันเป็นทรานสดิวเซอร์ที่สร้างเอง ไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าสำหรับการทำงาน แรงดันไฟฟ้าที่สร้างโดยทรานสดิวเซอร์พีซโซอิเล็กทริกจะแปรผันเชิงเส้นกับแรงกดทับหรือแรงที่ใช้

ทรานสดิวเซอร์พีซโซอิเล็กทริกมีความไวสูง ดังนั้นมันจึงทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์และใช้ในอุปกรณ์วัดความเร่งเนื่องจากมีความตอบสนองทางความถี่ที่ยอดเยี่ยม ผลพีซโซอิเล็กทริกถูกใช้ในหลายแอปพลิเคชันที่เกี่ยวข้องกับการผลิตและการตรวจจับเสียง การสร้างความถี่ทางไฟฟ้า มันทำหน้าที่เป็นแหล่งจุดระเบิดสำหรับไฟแช็ค และใช้ในโซนาร์ ไมโครโฟน การวัดแรง แรงดัน และการกระจัด

การใช้งานวัสดุพีซโซอิเล็กทริก

โดยใช้วัสดุพีซโซอิเล็กทริก ทรานสดิวเซอร์พีซโซอิเล็กทริกสามารถใช้งานในหลากหลายแอปพลิเคชัน รวมถึง:

1. ในไมโครโฟน แรงดันเสียงถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า และสัญญาณนี้จะถูกขยายเพื่อสร้างเสียงที่ดังขึ้น

2. เข็มขัดนิรภัยในรถยนต์จะล็อกเมื่อมีการลดความเร็วอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำโดยใช้วัสดุพีซโซอิเล็กทริก

3. ยังใช้ในการวินิจฉัยทางการแพทย์

4. ใช้ในไฟแช็คไฟฟ้าที่ใช้ในห้องครัว แรงกดทับที่ทำบนเซ็นเซอร์พีซโซอิเล็กทริกสร้างสัญญาณไฟฟ้าที่ทำให้ไฟเผาขึ้น

5. ใช้ในการศึกษาคลื่นกระแทกความเร็วสูงและคลื่นระเบิด

6. ใช้ในการรักษาภาวะไม่มีบุตร

7. ใช้ในเครื่องพิมพ์ Inkjet

8. ใช้ในร้านอาหารหรือสนามบิน เมื่อมีคนเดินใกล้ประตู ประตูจะเปิดอัตโนมัติ แนวคิดที่ใช้คือเมื่อมีคนอยู่ใกล้ประตู แรงกดทับจากการน้ำหนักของคนจะทำให้มีผลพีซโซอิเล็กทริก และประตูจะเปิดอัตโนมัติ

ตัวอย่างวัสดุพีซโซอิเล็กทริก

วัสดุเหล่านี้ ได้แก่:

1. ไทเทเนียมบาร์เรียม

2. ไซร์คอนเทตันเนียมตะกั่ว (PZT)

3. โรเชลล์ซอลท์

ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิคพีซโซอิเล็กทริก

มันสร้างความถี่ที่สูงกว่าที่หูมนุษย์สามารถได้ยิน ขยายและหดตัวอย่างรวดเร็วเมื่อถูกใช้แรงดัน มักใช้ในเครื่องดูดฝุ่น

ทิป