Piezoelektrik

Pierre Curie tarafından Lord Kelvin'e hediye edilen Piezoelektrik terazi, Hunterian Müzesi, Glasgow ⓘ

Piezoelektrik (/ˌpiːzoʊ-, ˌpiːtsoʊ-, paɪˌiːzoʊ-/, ABD: /piˌeɪzoʊ-, piˌeɪtsoʊ-/) uygulanan mekanik gerilime tepki olarak kristaller, bazı seramikler ve kemik, DNA ve çeşitli proteinler gibi biyolojik maddeler gibi bazı katı maddelerde biriken elektrik yüküdür. Piezoelektrik kelimesi, basınç ve gizli ısıdan kaynaklanan elektrik anlamına gelir. Yunanca πιέζειν kelimesinden türetilmiştir; sıkmak veya bastırmak anlamına gelen piezein ve eski bir elektrik yükü kaynağı olan kehribar anlamına gelen ἤλεκτρον ēlektron. ⓘ

Piezoelektrik etki, ters çevirme simetrisi olmayan kristal malzemelerdeki mekanik ve elektriksel durumlar arasındaki doğrusal elektromekanik etkileşimden kaynaklanır. Piezoelektrik etki tersine çevrilebilir bir süreçtir: piezoelektrik etki sergileyen malzemeler aynı zamanda ters piezoelektrik etki, yani uygulanan bir elektrik alanından kaynaklanan mekanik bir gerilmenin dahili oluşumunu da sergiler. Örneğin, kurşun zirkonat titanat kristalleri, statik yapıları orijinal boyutun yaklaşık %0,1'i kadar deforme edildiğinde ölçülebilir piezoelektriklik üretecektir. Tersine, aynı kristaller harici bir elektrik alanı uygulandığında statik boyutlarının yaklaşık %0,1'ini değiştirecektir. Ters piezoelektrik etki ultrason dalgalarının üretiminde kullanılır. ⓘ

Fransız fizikçiler Jacques ve Pierre Curie 1880 yılında piezoelektriği keşfetmişlerdir. Piezoelektrik etki, ses üretimi ve algılanması, piezoelektrik mürekkep püskürtmeli baskı, yüksek voltajlı elektrik üretimi, elektronik cihazlarda saat jeneratörü olarak, mikro terazilerde, ultrasonik bir nozulu çalıştırmak için ve optik düzeneklerin ultra ince odaklanması dahil olmak üzere birçok yararlı uygulamada kullanılmıştır. Atom ölçeğindeki görüntüleri çözen taramalı prob mikroskoplarının temelini oluşturur. Bazı elektronik olarak güçlendirilmiş gitarların manyetiklerinde ve çoğu modern elektronik davulda tetikleyici olarak kullanılır. Piezoelektrik etki, gazlı pişirme ve ısıtma cihazlarını, meşaleleri ve çakmakları ateşlemek için kıvılcım üretmek gibi günlük kullanım alanları da bulmaktadır. ⓘ

Deforme edilmiş piezoelektrik disk bir voltaj yaratır.(şekildeki değişim abartılıdır.) ⓘ

Tarihçe

Keşif ve ilk araştırmalar

Bir malzemenin sıcaklık değişimine tepki olarak elektrik potansiyeli ürettiği piroelektrik etki, 18. yüzyılın ortalarında Carl Linnaeus ve Franz Aepinus tarafından incelenmiştir. Bu bilgiden yola çıkan René Just Haüy ve Antoine César Becquerel, mekanik stres ile elektrik yükü arasında bir ilişki olduğunu öne sürdüler; ancak her ikisinin de deneyleri sonuçsuz kaldı. ⓘ

İskoçya Müzesi'nde bulunan Curie kompansatörünün üst kısmındaki piezo kristalinin görünümü. ⓘ

Doğrudan piezoelektrik etkinin ilk gösterimi 1880 yılında Pierre Curie ve Jacques Curie kardeşler tarafından yapılmıştır. Piroelektrik konusundaki bilgilerini, kristal davranışını tahmin etmek için piroelektriğe yol açan altta yatan kristal yapıları anlamalarıyla birleştirdiler ve etkiyi turmalin, kuvars, topaz, şeker kamışı ve Rochelle tuzu (sodyum potasyum tartarat tetrahidrat) kristallerini kullanarak gösterdiler. Kuvars ve Rochelle tuzu en fazla piezoelektrik özelliği sergilemiştir. ⓘ

Piezoelektrik bir disk deforme olduğunda bir voltaj üretir (şekil değişikliği büyük ölçüde abartılıdır). ⓘ

Ancak Curie'ler piezoelektrik etkinin tersini tahmin etmemişlerdi. Ters etki, 1881 yılında Gabriel Lippmann tarafından temel termodinamik ilkelerden matematiksel olarak çıkarıldı. Curie'ler ters etkinin varlığını hemen doğruladı ve piezoelektrik kristallerdeki elektro-elasto-mekanik deformasyonların tamamen tersine çevrilebilirliğinin nicel kanıtını elde etmeye devam etti. ⓘ

Sonraki birkaç on yıl boyunca piezoelektrik, Pierre ve Marie Curie tarafından 1898'de polonyum ve radyumun keşfinde hayati bir araç olmasına rağmen, bir laboratuvar merakı olarak kaldı. Piezoelektrik özelliği sergileyen kristal yapıları keşfetmek ve tanımlamak için daha fazla çalışma yapıldı. Bu çalışmalar 1910 yılında Woldemar Voigt'in piezoelektrik özelliğe sahip 20 doğal kristal sınıfını tanımlayan ve tensör analizi kullanarak piezoelektrik sabitlerini titizlikle tanımlayan Lehrbuch der Kristallphysik (Kristal Fiziği Ders Kitabı) adlı eserinin yayınlanmasıyla sonuçlandı. ⓘ

Birinci Dünya Savaşı ve savaş arası yıllar

Piezoelektrik aletlerde ilk pratik uygulama I. Dünya Savaşı sırasında kullanılan “sonar”lardır. 1917’de Fransa’da Paul Langevin ve beraberinde çalışanlar “ultrasonic submarine detector” ürettiler. Dedektör, iki çelik plaka arasına film kuvarsların yapıştırılmasıyla oluşturulan dönüştürücü (transducer) ve çevirilen ekonun algılanmasında kullanılan hidrofonlardan meydana gelir. Dönüştürücüden yüksek frekanslı sinyal (chirp) yayılmasıyla ve nesneden yansıyan ses dalgasından yayılan ekonun duyulması için geçen zamanın ölçülmesiyle bu nesneye uzaklık ölçülebilir. Sonarlarada piezoelektrik kullanımı ve bu projenin başarısı piezoelektrik aletler üzerindeki ilginin gelişmesine neden olmuştur. Bundan sonraki on yıllar boyunca yeni piezoelektrik malzemeler ve bu malzemelerin yeni uygulamaları keşfedildi ve geliştirildi.Piezoelektrik malzemeler evlerde birçok alanda kullanılır. Ucuz ve hassas seramik fonograf (gramofon) kasetleri yürütücü dizaynını kolaylaştırdı ve kayıtçalarların ucuz olmasını ve yapımının kolaylaşmasını sağladı. Ultrasonik dönüştürücüler katı ve sıvılarda viskozite ve elastisite ölçümünün kolaylaştırılmasına ve sonuç olarak malzeme araştırmasında büyük gelişmelerin oluşmasına neden olmuştur. Ultrasonik zaman tabanlı reflektometreler -bunlar, malzemelere ultrasonik vurular göndererek malzemenin süreksizliğinden gelen yansımaları ölçer- metal ve kaya nesnelerin içindeki kusurları bulur. Bu da yapının güçlenmesine neden olur. ⓘ

İkinci Dünya Savaşı ve savaş sonrası

İkinci Dünya Savaşı sırasında Amerika Birleşik Devletleri, Rusya ve Japonya'daki bağımsız araştırma grupları, doğal malzemelerden kat kat daha yüksek piezoelektrik sabitleri sergileyen ferroelektrik adı verilen yeni bir sentetik malzeme sınıfı keşfetti. Bu, belirli uygulamalar için belirli özelliklere sahip baryum titanat ve daha sonra kurşun zirkonat titanat malzemelerinin geliştirilmesi için yoğun araştırmalara yol açtı. ⓘ

Piezoelektrik kristallerin kullanımına ilişkin önemli bir örnek Bell Telefon Laboratuvarları tarafından geliştirilmiştir. Birinci Dünya Savaşı'nın ardından, mühendislik bölümünde telsiz telefon alanında çalışan Frederick R. Lack, geniş bir sıcaklık aralığında çalışan bir kristal olan "AT cut" kristalini geliştirdi. Lack'in kristali, önceki kristallerin kullandığı ağır aksesuarlara ihtiyaç duymuyor ve uçaklarda kullanımını kolaylaştırıyordu. Bu gelişme, Müttefik hava kuvvetlerinin havacılık telsizi kullanarak koordineli kitlesel saldırılarda bulunmasına olanak sağladı. ⓘ

Amerika Birleşik Devletleri'nde piezoelektrik cihazların ve malzemelerin geliştirilmesi, çoğunlukla alanın savaş zamanı başlangıcı nedeniyle ve karlı patentleri güvence altına almak amacıyla, geliştirmeyi yapan şirketler içinde tutuldu. Yeni malzemeler ilk geliştirilenler oldu - kuvars kristalleri ticari olarak kullanılan ilk piezoelektrik malzemeydi, ancak bilim adamları daha yüksek performanslı malzemeler aradılar. Malzemelerdeki ilerlemelere ve üretim süreçlerinin olgunlaşmasına rağmen, Amerika Birleşik Devletleri pazarı Japonya'nınki kadar hızlı büyümedi. Çok sayıda yeni uygulama olmadığından, Amerika Birleşik Devletleri piezoelektrik endüstrisinin büyümesi zarar gördü. ⓘ

Buna karşılık, Japon üreticiler bilgilerini paylaşarak teknik ve üretim zorluklarını hızla aştı ve yeni pazarlar yarattı. Japonya'da Issac Koga tarafından sıcaklığa dayanıklı bir kristal kesimi geliştirildi. Malzeme araştırmalarındaki Japon çabaları, Amerika Birleşik Devletleri malzemeleriyle rekabet edebilecek piezoseramik malzemeler yarattı ancak pahalı patent kısıtlamalarından kurtuldu. Başlıca Japon piezoelektrik gelişmeleri arasında radyo ve televizyonlar için yeni piezoseramik filtre tasarımları, doğrudan elektronik devrelere bağlanabilen piezo vızıltılar ve ses dönüştürücüler ve seramik bir diski sıkıştırarak küçük motor ateşleme sistemleri ve gazlı ızgara çakmakları için kıvılcım üreten piezoelektrik ateşleyici yer almaktadır. Ses dalgalarını hava yoluyla ileten ultrasonik transdüserler bir süredir mevcuttu ancak ilk olarak erken dönem televizyon uzaktan kumandalarında büyük ticari kullanım gördüler. Bu transdüserler artık ekolokasyon cihazı olarak çeşitli araba modellerine monte edilmekte ve sürücünün arabadan yoluna çıkabilecek herhangi bir nesneye olan mesafeyi belirlemesine yardımcı olmaktadır. ⓘ

Mekanizma

Ses sinyalini ses dalgalarına dönüştürmek için kullanılan piezoelektrik plaka ⓘ

Piezoelektrik etkinin doğası, katılarda elektrik dipol momentlerinin oluşumu ile yakından ilgilidir. Bu momentler ya asimetrik yük çevresine sahip kristal kafes bölgelerindeki iyonlar için indüklenebilir (BaTiO₃ ve PZT'lerde olduğu gibi) ya da doğrudan moleküler gruplar tarafından taşınabilir (şeker kamışında olduğu gibi). Dipol yoğunluğu veya polarizasyonu (boyutsallık [C-m/m³]) kristaller için kristalografik birim hücrenin hacmi başına dipol momentlerinin toplanmasıyla kolayca hesaplanabilir. Her dipol bir vektör olduğundan, dipol yoğunluğu P bir vektör alanıdır. Birbirine yakın dipoller Weiss alanları adı verilen bölgelerde hizalanma eğilimindedir. Alanlar genellikle rastgele yönlendirilir, ancak genellikle yüksek sıcaklıklarda malzeme boyunca güçlü bir elektrik alanının uygulandığı bir işlem olan poling (manyetik poling ile aynı değildir) işlemi kullanılarak hizalanabilir. Tüm piezoelektrik malzemeler kutuplanamaz. ⓘ

Piezoelektrik etki için belirleyici öneme sahip olan, mekanik bir stres uygulanırken P polarizasyonunun değişmesidir. Bu, dipolü indükleyen çevrenin yeniden yapılandırılmasından ya da dış stresin etkisi altında moleküler dipol momentlerinin yeniden yönlendirilmesinden kaynaklanabilir. Piezoelektriklik daha sonra polarizasyon gücünün, yönünün veya her ikisinin birden değişmesiyle ortaya çıkabilir ve ayrıntılar şunlara bağlıdır: 1. P'nin kristal içindeki yönelimi; 2. kristal simetrisi; ve 3. uygulanan mekanik stres. P'deki değişim, kristal yüzeylerindeki yüzey yük yoğunluğunun değişimi olarak, yani kütledeki dipol yoğunluğundaki bir değişimin neden olduğu yüzeyler arasında uzanan elektrik alanının değişimi olarak ortaya çıkar. Örneğin, 2 kN (500 lbf) doğru uygulanan kuvvet ile 1 cm³'lük bir kuvars küpü 12500 V'luk bir voltaj üretebilir. ⓘ

Piezoelektrik malzemeler aynı zamanda ters piezoelektrik etki olarak adlandırılan ve bir elektrik alanının uygulanmasının kristalde mekanik deformasyon yarattığı zıt etkiyi de gösterir. ⓘ

Matematiksel açıklama

Doğrusal piezoelektrik, aşağıdakilerin birleşik etkisidir

• Malzemenin doğrusal elektriksel davranışı:

$\mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} \quad \implies$ $\quad D_{i}=\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j}\;$

Burada D elektrik akı yoğunluğu (elektriksel yer değiştirme), ε geçirgenlik (serbest cisim dielektrik sabiti), E elektrik alan şiddeti ve $\nabla \cdot \mathbf {D} =0$ , $\nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0}$.

• Doğrusal elastik malzemeler için Hooke yasası:

${\boldsymbol {S}}={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}\quad \implies \quad S_{ij}=\sum _{k,l}{s_{ijkl}}\,T_{kl}\;$

Burada S doğrusallaştırılmış gerinim, s kısa devre koşullarında uyum, T gerilme ve

$\nabla \cdot {\boldsymbol {T}}=\mathbf {0} \,\,,\,{\boldsymbol {S}}={\frac {\nabla \mathbf {u} +\mathbf {u} \nabla }{2}}$,

burada u yer değiştirme vektörüdür. ⓘ

Bunlar, gerinim-yük formu olan birleşik denklemler halinde birleştirilebilir:

${\begin{aligned}{\boldsymbol {S}}&={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}+{\mathfrak {d}}^{t}\,\mathbf {E} \ \quad \implies \quad S_{ij}=\sum _{k,l}{s_{ijkl}}\,T_{kl}+\sum _{k}{d_{ijk}^{t}}\,E_{k}\\\mathbf {D} &={\mathfrak {d}}\,{\boldsymbol {T}}+{\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} \quad \implies \quad D_{i}=\sum _{j,k}{d_{ijk}}\,T_{jk}+\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j}\,,\end{aligned}}$

burada ${\mathfrak {d}}$ piezoelektrik tensörüdür ve t üst simgesi transpozesini temsil eder. Simetrisi nedeniyle ${\mathfrak {d}}$, $d_{ijk}^{t}=d_{kji}=d_{kij}$. ⓘ

Matris formunda,

${\begin{aligned}\{S\}&=\left[s^{E}\right]\{T\}+[d^{\mathrm {t} }]\{E\}\\\{D\}&=[d]\{T\}+\left[\varepsilon ^{T}\right]\{E\}\,,\end{aligned}}$

Burada [d] doğrudan piezoelektrik etki için matris ve [dt] ters piezoelektrik etki için matristir. Üst simge E, sıfır veya sabit elektrik alanını; üst simge T, sıfır veya sabit gerilim alanını; üst simge t ise bir matrisin transpozisyonunu ifade eder. ⓘ

Üçüncü dereceden tensörün ${\mathfrak {d}}$ vektörleri simetrik matrislere dönüştürür. Bu özelliğe sahip önemsiz olmayan rotasyonla değişmeyen tensörler yoktur, bu yüzden izotropik piezoelektrik malzemeler yoktur. ⓘ

4mm (C_4v) kristal sınıfındaki (tetragonal PZT veya BaTiO₃ gibi kutuplanmış piezoelektrik seramik gibi) ve 6mm kristal sınıfındaki bir malzeme için gerinim-yükü (ANSI IEEE 176) olarak da yazılabilir:

${\begin{bmatrix}S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\\S_{4}\\S_{5}\\S_{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}s_{11}^{E}&s_{12}^{E}&s_{13}^{E}&0&0&0\\s_{21}^{E}&s_{22}^{E}&s_{23}^{E}&0&0&0\\s_{31}^{E}&s_{32}^{E}&s_{33}^{E}&0&0&0\\0&0&0&s_{44}^{E}&0&0\\0&0&0&0&s_{55}^{E}&0\\0&0&0&0&0&s_{66}^{E}=2\left(s_{11}^{E}-s_{12}^{E}\right)\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}0&0&d_{31}\\0&0&d_{32}\\0&0&d_{33}\\0&d_{24}&0\\d_{15}&0&0\\0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}$ ⓘ

${\begin{bmatrix}D_{1}\\D_{2}\\D_{3}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}0&0&0&0&d_{15}&0\\0&0&0&d_{24}&0&0\\d_{31}&d_{32}&d_{33}&0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\varepsilon }_{11}&0&0\\0&{\varepsilon }_{22}&0\\0&0&{\varepsilon }_{33}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}$

Burada ilk denklem ters piezoelektrik etki için, ikincisi ise doğrudan piezoelektrik etki için ilişkiyi temsil etmektedir. ⓘ

Yukarıdaki denklemler literatürde en çok kullanılan form olmasına rağmen, gösterim hakkında bazı yorumlar gereklidir. Genel olarak, D ve E vektörlerdir, yani rank 1 Kartezyen tensörlerdir; ve geçirgenlik ε rank 2 bir Kartezyen tensördür. Gerinim ve stres de prensip olarak rank-2 tensörlerdir. Ancak geleneksel olarak, gerinim ve gerilme simetrik tensörler olduğundan, gerinim ve gerilme alt simgesi aşağıdaki şekilde yeniden etiketlenebilir: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (Literatürde farklı yazarlar tarafından farklı konvansiyonlar kullanılabilir. Örneğin, bazıları bunun yerine 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6 kullanmaktadır). Bu nedenle S ve T altı bileşenden oluşan "vektör formuna" sahipmiş gibi görünür. Sonuç olarak, s rank-3 tensör yerine 6'ya 6 matris olarak görünür. Böyle yeniden etiketlenmiş bir gösterim genellikle Voigt gösterimi olarak adlandırılır. S₄, S₅, S₆ kayma gerinimi bileşenlerinin tensör bileşenleri mi yoksa mühendislik gerinimleri mi olduğu başka bir sorudur. Yukarıdaki denklemde, uyumluluk matrisinin 6,6 katsayısının gösterildiği gibi yazılması için mühendislik gerinimleri olmalıdırlar, yani 2(s^E
₁₁ - s^E
₁₂). Mühendislik kayma gerilmeleri, karşılık gelen tensör kayma değerinin iki katıdır, örneğin S₆ = 2S₁₂ vb. Bu aynı zamanda s₆₆ = 1/G₁₂ anlamına gelir, burada G₁₂ kayma modülüdür. ⓘ

Toplamda, aşağıdaki gibi tanımlanan d_ij, e_ij, g_ij ve h_ij olmak üzere dört piezoelektrik katsayısı vardır:

${\begin{aligned}d_{ij}&=\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{E}&&=\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{T}\\e_{ij}&=\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{E}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{S}\\g_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{D}&&=\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{T}\\h_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{D}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{S}\\\end{aligned}}$

Burada dört terimden oluşan ilk set doğrudan piezoelektrik etkiye, dört terimden oluşan ikinci set ise ters piezoelektrik etkiye karşılık gelmektedir. Doğrudan piezoelektrik tensör ile ters piezoelektrik tensörün transpozesi arasındaki eşitlik termodinamiğin Maxwell bağıntılarından kaynaklanmaktadır. Polarizasyonun kristal alan kaynaklı tipte olduğu piezoelektrik kristaller için, elektrostatik kafes sabitlerinden veya daha yüksek dereceli Madelung sabitlerinden piezoelektrik katsayılarının d_ij hesaplanmasına izin veren bir formalizm geliştirilmiştir. ⓘ

Kristal sınıfları

Uzaysal olarak ayrılmış herhangi bir yük, bir elektrik alanı ve dolayısıyla bir elektrik potansiyeli ile sonuçlanacaktır. Burada bir kondansatördeki standart bir dielektrik gösterilmektedir. Piezoelektrik bir cihazda, harici olarak uygulanan bir voltaj yerine mekanik stres, malzemenin tek tek atomlarında yük ayrılmasına neden olur. ⓘ

32 kristal sınıfından 21'i sentrosimetrik değildir (bir simetri merkezine sahip değildir) ve bunlardan 20'si doğrudan piezoelektriklik sergiler (21'incisi kübik sınıf 432'dir). Bunlardan on tanesi, birim hücreleriyle ilişkili olan ve piroelektriklik sergileyen inişli çıkışlı olmayan bir elektrik dipol momenti nedeniyle mekanik stres olmaksızın kendiliğinden polarizasyon gösteren polar kristal sınıflarını temsil etmektedir. Dipol momenti harici bir elektrik alanı uygulanarak tersine çevrilebiliyorsa, malzemenin ferroelektrik olduğu söylenir.

• 10 polar (piroelektrik) kristal sınıfı: 1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.
• Diğer 10 piezoelektrik kristal sınıfı: 222, 4, 422, 42m, 32, 6, 622, 62m, 23, 43m. ⓘ

Mekanik bir yük uygulanmadan P ≠ 0 olan polar kristaller için piezoelektrik etki, P'nin büyüklüğünü veya yönünü ya da her ikisini birden değiştirerek kendini gösterir. ⓘ

Öte yandan, polar olmayan ancak piezoelektrik kristaller için, sıfırdan farklı bir P polarizasyonu yalnızca mekanik bir yük uygulandığında ortaya çıkar. Onlar için stresin malzemeyi kutupsuz kristal sınıfından (P = 0) P ≠ 0 olan kutuplu kristal sınıfına dönüştürdüğü düşünülebilir. ⓘ

Malzemeler

Birçok malzeme piezoelektrik özelliği gösterir. ⓘ

Kristal malzemeler

• Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄) – kuvars benzeri bir kristaldir
• Galyum ortofosfat (GaPO₄) – kuvars benzeri bir kristaldir
• Lityum niyobat (LiNbO₃)
• Lityum tantalat (LiTaO₃)
• Kuvars
• Berlinit (AlPO₄) – yapısal olarak kuvarsla aynı olan nadir bir fosfat mineral’idir
• Potasyum sodyum tartarat
• Topaz – Topaz'daki piezoelektriklik muhtemelen kafesindeki (F,OH) sırasına atfedilebilir, aksi takdirde merkez simetriktir (ing:centrosymmetric): ortorombik bipiramidal (mmm). Topaz, bu tür sıralamaya atfedilen kuralsız optik özellikleri vardır.
• Turmalin grubu mineraller
• Kurşun titanat (PbTiO₃) – Doğada mineral makedonit olarak bulunsa da araştırma ve uygulamalar için sentezlenmektedir. ⓘ

Seramikler

Kurşun titanatın tetragonal birim hücresi ⓘ

Rastgele yönlendirilmiş tanelere sahip seramiklerin piezoelektrik özellik gösterebilmesi için ferroelektrik olması gerekir. Sinterlenmiş polikristalin piezoelektrik seramiklerde anormal tane büyümesinin (AGG) ortaya çıkması, bu tür sistemlerde piezoelektrik performans üzerinde zararlı etkilere sahiptir ve AGG sergileyen piezoseramiklerde mikroyapı, rastgele yönlendirilmiş daha ince tanelerden oluşan bir matris içinde anormal derecede büyük birkaç uzun taneden oluşma eğiliminde olduğundan kaçınılmalıdır. AlN ve ZnO gibi dokulu polikristalin ferroelektrik olmayan piezoelektrik malzemelerde makroskopik piezoelektriklik mümkündür. Perovskit, tungsten-bronz ve ilgili yapılara sahip seramik aileleri piezoelektriklik sergiler:

• Kurşun zirkonat titanat (Pb[[[Zirkonyum|Zr]]_xTi_1-x]O₃, 0 ≤ x ≤ 1) - daha yaygın olarak PZT olarak bilinir, günümüzde kullanımda olan en yaygın piezoelektrik seramiktir.
• Potasyum niyobat (KNbO₃)
• Sodyum tungstat (Na₂WO₃)
• Ba₂NaNb₅O₅
• Pb₂KNb₅O₁₅
• Çinko oksit (ZnO) - Wurtzite yapısı. ZnO'nun tek kristalleri piezoelektrik ve piroelektrik iken, rastgele yönlendirilmiş tanelere sahip polikristalin (seramik) ZnO ne piezoelektrik ne de piroelektrik etki gösterir. Ferroelektrik olmayan polikristalin ZnO, baryum titanat veya PZT gibi kutuplanamaz. ZnO'nun seramikleri ve polikristalin ince filmleri, makroskopik piezoelektriklik ve piroelektriklik sergileyebilir, ancak tüm bireysel tanelerin piezoelektrik ve piroelektrik tepkilerinin iptal edilmeyeceği şekilde dokulandırılırlarsa (taneler tercihli olarak yönlendirilir). Bu, polikristalin ince filmlerde kolayca gerçekleştirilir. ⓘ

Kurşunsuz piezoseramikler

• Sodyum potasyum niobat ((K,Na)NbO₃). Bu malzeme NKN veya KNN olarak da bilinir. 2004 yılında, Yasuyoshi Saito liderliğindeki bir grup Japon araştırmacı, yüksek T_C de dahil olmak üzere PZT'ye yakın özelliklere sahip bir sodyum potasyum niobat bileşimi keşfetti. Bu malzemenin belirli bileşimlerinin artan titreşim seviyelerinde yüksek mekanik kalite faktörünü (Qm ≈ 900) koruduğu gösterilmiştir, oysa sert PZT'nin mekanik kalite faktörü bu tür koşullarda bozulur. Bu gerçek, NKN'yi piezoelektrik transformatörler gibi yüksek güçlü rezonans uygulamaları için umut verici bir alternatif haline getirmektedir.
• Bizmut ferrit (BiFeO₃) - kurşun bazlı seramiklerin değiştirilmesi için umut verici bir aday.
• Sodyum niobat (NaNbO₃)
• Baryum titanat (BaTiO₃) - Baryum titanat keşfedilen ilk piezoelektrik seramiktir.
• Bizmut titanat (Bi₄Ti₃O₁₂)
• Sodyum bizmut titanat (NaBi(TiO₃)₂)

Kurşunsuz piezoseramiklerin üretimi, çevresel açıdan ve kurşun bazlı muadillerinin özelliklerini kopyalama kabiliyetleri açısından birçok zorluğu beraberinde getirmektedir. Piezoseramiğin kurşun bileşeninin çıkarılmasıyla, insanlar için toksisite riski azalır, ancak malzemelerin madenciliği ve çıkarılması çevreye zararlı olabilir. PZT ile sodyum potasyum niobatın (NKN veya KNN) çevresel profilinin analizi, dikkate alınan dört göstergede (birincil enerji tüketimi, toksikolojik ayak izi, eko-gösterge 99 ve girdi-çıktı yukarı akış sera gazı emisyonları) KNN'nin aslında çevreye daha zararlı olduğunu göstermektedir. KNN ile ilgili endişelerin çoğu, özellikle de Nb₂O₅ bileşeni, üreticilere ulaşmadan önce yaşam döngüsünün erken aşamasındadır. Zararlı etkiler bu erken aşamalara odaklandığından, etkileri en aza indirmek için bazı önlemler alınabilir. Nb₂O₅ madenciliğinden sonra barajın yıkılması veya kullanılabilir toprak stokunun yerine konması yoluyla arazinin orijinal haline yakın bir şekilde geri döndürülmesi, herhangi bir çıkarma olayı için bilinen yardımcılardır. Hava kalitesi etkilerini en aza indirmek için, hangi hafifletme yöntemlerinin gerekli olduğunu tam olarak anlamak amacıyla modelleme ve simülasyon yapılması gerekmektedir. Kurşunsuz piezoseramik bileşenlerin çıkarılması şu anda önemli bir ölçeğe ulaşmamıştır, ancak ilk analizlere göre uzmanlar çevresel etkiler söz konusu olduğunda dikkatli olunmasını önermektedir. ⓘ

Kurşunsuz piezoseramiklerin imalatı, kurşun bazlı muadillerinin performans ve stabilitesini koruma zorluğuyla karşı karşıyadır. Genel olarak, ana üretim zorluğu, malzemenin sıcaklık kararlılığını azaltan "polimorfik faz sınırlarını (PPB'ler)" ortaya çıkarmadan malzemelere kararlı piezoelektrik özelliklerini sağlayan "morfotropik faz sınırlarını (MPB'ler)" oluşturmaktır. Yeni faz sınırları, faz geçiş sıcaklıklarının oda sıcaklığında birbirine yaklaşması için katkı maddesi konsantrasyonları değiştirilerek oluşturulur. MPB'nin eklenmesi piezoelektrik özellikleri iyileştirir, ancak bir PPB eklenirse, malzeme sıcaklıktan olumsuz etkilenir. Faz mühendisliği, yayılan faz geçişleri, alan mühendisliği ve kimyasal modifikasyon yoluyla eklenen faz sınırlarının türünü kontrol etmek için araştırmalar devam etmektedir. ⓘ

III-V ve II-VI yarı iletkenler

Grup III-V ve II-VI malzemeleri gibi merkezi olmayan simetriye sahip herhangi bir yığın veya nanoyapılı yarı iletken kristalde, uygulanan stres ve gerinim altında iyonların polarizasyonu nedeniyle bir piezoelektrik potansiyel oluşturulabilir. Bu özellik hem zincblende hem de wurtzite kristal yapıları için ortaktır. Birinci dereceden, çinkoblende e₁₄ olarak adlandırılan ve gerilmenin kayma bileşenlerine bağlı sadece bir bağımsız piezoelektrik katsayısı vardır. Wurtzite'de ise bunun yerine üç bağımsız piezoelektrik katsayısı vardır: e₃₁, e₃₃ ve e₁₅. En güçlü piezoelektriğin gözlemlendiği yarı iletkenler, yaygın olarak wurtzite yapısında bulunanlardır, yani GaN, InN, AlN ve ZnO (bkz. piezotronik). ⓘ

2006 yılından bu yana, kutupsal yarı iletkenlerde güçlü doğrusal olmayan piezoelektrik etkilere dair bir dizi rapor da bulunmaktadır. Bu tür etkilerin, birinci dereceden yaklaşımla aynı büyüklükte olmasa da en azından önemli olduğu genel olarak kabul edilmektedir. ⓘ

Polimerler

Polimerlerin piezo-tepkisi seramiklerin tepkisi kadar yüksek değildir; ancak polimerler seramiklerin sahip olmadığı özelliklere sahiptir. Son birkaç on yılda, toksik olmayan, piezoelektrik polimerler esneklikleri ve daha küçük akustik empedansları nedeniyle incelenmiş ve uygulanmıştır. Bu malzemeleri önemli kılan diğer özellikler arasında biyouyumlulukları, biyolojik olarak parçalanabilirlikleri, düşük maliyetleri ve diğer piezo malzemelere (seramikler vb.) kıyasla düşük güç tüketimleri yer almaktadır. Piezoelektrik polimerler ve toksik olmayan polimer kompozitler, farklı fiziksel özellikleri göz önüne alındığında kullanılabilir. ⓘ

Piezoelektrik polimerler; yığın polimerler, boşluklu yüklü polimerler ("piezoelektretler") ve polimer kompozitler olarak sınıflandırılabilir. Dökme polimerler tarafından gözlemlenen bir piezo-tepki çoğunlukla moleküler yapısından kaynaklanmaktadır. İki tür yığın polimer vardır: amorf ve yarı kristal. Yarı kristal polimerlere örnek olarak Poliviniliden Florür (PVDF) ve kopolimerleri, Poliamidler ve Parilen-C verilebilir. Poliimid ve Poliviniliden Klorür (PVDC) gibi kristal olmayan polimerler, amorf yığın polimerler kapsamına girer. Boşluklu yüklü polimerler, gözenekli bir polimerik filmin kutuplanmasıyla indüklenen yük nedeniyle piezoelektrik etki gösterir. Bir elektrik alanı altında, boşlukların yüzeyinde dipoller oluşturan yükler oluşur. Elektrik tepkileri bu boşlukların herhangi bir deformasyonundan kaynaklanabilir. Piezoelektrik etki, piezoelektrik seramik parçacıkların bir polimer filme entegre edilmesiyle polimer kompozitlerde de gözlemlenebilir. Bir polimerin, bir polimer kompozit için etkili bir malzeme olması için piezo-aktif olması gerekmez. Bu durumda, bir malzeme ayrı bir piezo-aktif bileşen ile inert bir matristen oluşabilir. ⓘ

PVDF, kuartzdan birkaç kat daha fazla piezoelektrik özellik gösterir. PVDF'den gözlemlenen piezo-yanıt yaklaşık 20-30 pC/N'dir. Bu, piezoelektrik seramik kurşun zirkonat titanattan (PZT) 5-50 kat daha az bir mertebedir. PVDF ailesindeki polimerlerin (yani viniliden florür ko-poli trifloroetilen) piezoelektrik etkisinin termal kararlılığı 125 °C'ye kadar çıkmaktadır. PVDF'nin bazı uygulamaları basınç sensörleri, hidrofonlar ve şok dalgası sensörleridir. ⓘ

Esneklikleri nedeniyle, piezoelektrik kompozitler enerji hasat cihazları ve nanojeneratörler olarak önerilmiştir. 2018 yılında Zhu ve arkadaşları tarafından PDMS/PZT nanokompozitten %60 gözeneklilikte yaklaşık 17 pC/N piezoelektrik yanıt elde edilebileceği bildirilmiştir. Başka bir PDMS nanokompoziti 2017 yılında rapor edilmiş, BaTiO₃ PDMS'ye entegre edilerek kendi kendine güç sağlayan fizyolojik izleme için gerilebilir, şeffaf bir nanojeneratör haline getirilmiştir. 2016 yılında, 244 pC/N'ye kadar yüksek tepkilerin rapor edildiği bir poliüretan köpüğün içine polar moleküller eklenmiştir. ⓘ

Diğer malzemeler

Çoğu malzeme en azından zayıf piezoelektrik tepkiler sergiler. Önemsiz örnekler arasında sükroz (sofra şekeri), DNA, bakteriyofajdan gelenler de dahil olmak üzere viral proteinler yer almaktadır. Selüloz lifleri olarak adlandırılan ahşap liflerine dayalı bir aktüatör rapor edilmiştir. Hücresel polipropilen için D33 tepkileri 200 pC/N civarındadır. Hücresel polipropilenin bazı uygulamaları müzikal anahtar pedleri, mikrofonlar ve ultrason tabanlı ekolokasyon sistemleridir. Son zamanlarda, β-glisin gibi tek bir amino asit de diğer biyolojik malzemelere kıyasla yüksek piezoelektrik (178 pmV-1) göstermiştir. ⓘ

Uygulama

Şu anda, sanayi ve imalat piezoelektrik cihazlar için en büyük uygulama pazarıdır ve bunu otomotiv endüstrisi takip etmektedir. Tıbbi aletlerin yanı sıra bilgi ve telekomünikasyon sektörlerinden de güçlü talep gelmektedir. Piezoelektrik cihazlara yönelik küresel talep 2015 yılında yaklaşık 21,6 milyar ABD doları olarak gerçekleşmiştir. Piezoelektrik cihazlar için en büyük malzeme grubu piezoseramiklerdir ve piezopolimer düşük ağırlığı ve küçük boyutu nedeniyle en hızlı büyümeyi yaşamaktadır. ⓘ

Piezoelektrik kristaller artık çok çeşitli şekillerde kullanılmaktadır: ⓘ

Yüksek gerilim ve güç kaynakları

Kuvars gibi bazı maddelerin doğrudan piezoelektrik özelliği binlerce voltluk potansiyel farklar oluşturabilir.

• En iyi bilinen uygulama elektrikli çakmaktır: düğmeye basıldığında yaylı bir çekiç piezoelektrik kristale çarparak küçük bir kıvılcım aralığından akan yeterince yüksek voltajlı bir elektrik akımı üretir ve böylece gazı ısıtıp ateşler. Gaz sobalarını ateşlemek için kullanılan taşınabilir kıvılcımlar da aynı şekilde çalışır ve birçok gaz brülörü artık dahili piezo tabanlı ateşleme sistemlerine sahiptir.
• Benzer bir fikir, ABD'de DARPA tarafından, askerlerin botlarına yerleştirilen piezoelektrik jeneratörlerle savaş alanı ekipmanlarına güç sağlama girişimini içeren enerji hasadı adlı bir projede araştırılmaktadır. Ancak bu enerji hasadı kaynakları vücudu etkilemektedir. DARPA'nın yürürken sürekli ayakkabı darbelerinden 1-2 watt enerji elde etme çabası, pratik olmaması ve ayakkabıyı giyen bir kişinin harcadığı ek enerjiden kaynaklanan rahatsızlık nedeniyle terk edilmiştir. Diğer enerji toplama fikirleri arasında tren istasyonlarında veya diğer halka açık yerlerde insan hareketlerinden enerji toplamak ve bir dans pistini elektrik üretmek için dönüştürmek yer almaktadır. Endüstriyel makinelerden gelen titreşimler de piezoelektrik malzemelerle toplanarak yedek bataryaları şarj etmek ya da düşük güçlü mikroişlemciler ve kablosuz radyolara güç sağlamak için kullanılabilir.
• Piezoelektrik transformatör bir tür AC voltaj çarpanıdır. Giriş ve çıkış arasında manyetik kuplaj kullanan geleneksel bir transformatörün aksine, piezoelektrik transformatör akustik kuplaj kullanır. PZT gibi bir piezoseramik malzeme çubuğunun kısa bir uzunluğu boyunca bir giriş voltajı uygulanır, ters piezoelektrik etki ile çubukta alternatif bir stres yaratır ve tüm çubuğun titreşmesine neden olur. Titreşim frekansı, tipik olarak 100 kilohertz ila 1 megahertz aralığında olmak üzere bloğun rezonans frekansı olarak seçilir. Daha sonra piezoelektrik etki ile çubuğun başka bir bölümü boyunca daha yüksek bir çıkış voltajı üretilir. Step-up oranlarının 1.000:1'den fazla olduğu gösterilmiştir. Bu transformatörün ekstra bir özelliği de rezonans frekansının üzerinde çalıştırılarak endüktif bir yük gibi görünmesinin sağlanabilmesidir ki bu da kontrollü yumuşak başlatma gerektiren devrelerde kullanışlıdır. Bu cihazlar DC-AC invertörlerde soğuk katot floresan lambaları çalıştırmak için kullanılabilir. Piezo transformatörler en kompakt yüksek gerilim kaynaklarından bazılarıdır. ⓘ

Sensörler

Gitar manyetiği olarak kullanılan piezoelektrik disk ⓘ

Birçok roket güdümlü el bombasında piezoelektrik fünye kullanılmıştır. Resimde, bir Rus RPG-7 ⓘ

Bir piezoelektrik sensörün çalışma prensibi, bir kuvvete dönüştürülen fiziksel bir boyutun, algılama elemanının iki karşıt yüzüne etki etmesidir. Bir sensörün tasarımına bağlı olarak, piezoelektrik elemanı yüklemek için farklı "modlar" kullanılabilir: uzunlamasına, enine ve kesme. ⓘ

Piezoelektrik mikrofonlar (ses dalgaları piezoelektrik malzemeyi bükerek değişen bir voltaj oluşturur) ve akustik-elektrik gitarlar için piezoelektrik manyetikler gibi ses biçimindeki basınç değişimlerinin algılanması en yaygın sensör uygulamasıdır. Bir enstrümanın gövdesine takılan bir piezo sensör, temaslı mikrofon olarak bilinir. ⓘ

Piezoelektrik sensörler özellikle tıbbi görüntüleme ve endüstriyel tahribatsız muayene (NDT) için ultrasonik dönüştürücülerde yüksek frekanslı ses ile kullanılır. ⓘ

Birçok algılama tekniği için sensör hem sensör hem de aktüatör olarak hareket edebilir - cihaz bu ikili kapasitede hareket ettiğinde genellikle transdüser terimi tercih edilir, ancak çoğu piezo cihaz, kullanılsa da kullanılmasa da bu tersine çevrilebilirlik özelliğine sahiptir. Örneğin ultrasonik dönüştürücüler vücuda ultrason dalgaları enjekte edebilir, geri dönen dalgayı alabilir ve bunu bir elektrik sinyaline (voltaj) dönüştürebilir. Çoğu tıbbi ultrason dönüştürücüsü piezoelektriktir. ⓘ

Yukarıda belirtilenlere ek olarak, çeşitli sensör ve dönüştürücü uygulamaları da bulunmaktadır:

• Piezoelektrik elemanlar sonar dalgalarının algılanması ve üretilmesinde de kullanılır.
• Piezoelektrik malzemeler tek eksenli ve çift eksenli eğim algılamada kullanılır.
• Yüksek güç uygulamalarında güç izleme (örneğin tıbbi tedavi, sonokimya ve endüstriyel işleme).
• Piezoelektrik mikrobalanslar çok hassas kimyasal ve biyolojik sensörler olarak kullanılır.
• Piezolar bazen gerinim ölçerlerde kullanılır.
• Huygens Probu üzerindeki penetrometre aletinde bir piezoelektrik dönüştürücü kullanılmıştır.
• Piezoelektrik dönüştürücüler, davulcunun sopalarının etkisini tespit etmek için elektronik davul pedlerinde ve tıbbi akseleromiyografide kas hareketlerini tespit etmek için kullanılır.
• Otomotiv motor yönetim sistemleri, belirli hertz frekanslarında patlama olarak da bilinen Motor vuruntusunu (Knock Sensor, KS) tespit etmek için piezoelektrik dönüştürücüler kullanır. Piezoelektrik dönüştürücü ayrıca yakıt enjeksiyon sistemlerinde motor yükünü belirlemek için manifold mutlak basıncını (MAP sensörü) ve nihayetinde yakıt enjektörlerinin milisaniye açık kalma süresini ölçmek için kullanılır.
• Ultrasonik piezo sensörler, akustik emisyon testlerinde akustik emisyonların tespitinde kullanılır.
• Piezoelektrik dönüştürücüler geçiş zamanlı ultrasonik akış ölçerlerde kullanılabilir. ⓘ

Aktüatörler

Bir buzzerde kullanılan piezoelektrik disk takılı metal disk ⓘ

Çok yüksek elektrik alanları kristalin genişliğinde sadece küçük değişikliklere karşılık geldiğinden, bu genişlik µm'den daha iyi bir hassasiyetle değiştirilebilir, bu da piezo kristalleri nesneleri aşırı hassasiyetle konumlandırmak için en önemli araç haline getirir, dolayısıyla aktüatörlerde kullanılırlar. Çok katmanlı seramikler, 100 µm'den daha ince katmanlar kullanarak, 150 V'tan daha düşük voltajla yüksek elektrik alanlarına ulaşmayı sağlar. Bu seramikler iki tür aktüatörde kullanılır: doğrudan piezo aktüatörler ve güçlendirilmiş piezoelektrik aktüatörler. Doğrudan aktüatörün stroku genellikle 100 µm'den düşükken, güçlendirilmiş piezo aktüatörler milimetrik stroklara ulaşabilir.

• Hoparlörler: Voltaj, metalik bir diyaframın mekanik hareketine dönüştürülür.
• Ultrasonik temizleme genellikle sıvı içinde yoğun ses dalgaları üretmek için piezoelektrik elemanlar kullanır.
• Piezoelektrik motorlar: Piezoelektrik elemanlar bir aksa yönlü bir kuvvet uygulayarak dönmesine neden olur. Son derece küçük mesafeler söz konusu olduğundan, piezo motor step motor için yüksek hassasiyetli bir yedek olarak görülmektedir.
• Piezoelektrik elemanlar, bazı lazer aynalarını elektronik olarak hizalamak için mikroskobik mesafeler boyunca büyük bir kütleyi (ayna montajı) hareket ettirme yeteneklerinden yararlanılan lazer ayna hizalamasında kullanılabilir. Aynalar arasındaki mesafeyi hassas bir şekilde kontrol ederek lazer elektroniği, ışın çıkışını optimize etmek için lazer boşluğu içindeki optik koşulları doğru bir şekilde koruyabilir.
• İlgili bir uygulama, piezoelektrik elemanlar tarafından üretilen bir kristaldeki ses dalgalarından ışık saçan bir cihaz olan akusto-optik modülatördür. Bu, bir lazerin frekansını ince ayarlamak için kullanışlıdır.
• Atomik kuvvet mikroskopları ve taramalı tünelleme mikroskopları, algılama iğnesini numuneye yakın tutmak için ters piezoelektrik kullanır.
• Mürekkep püskürtmeli yazıcılar: Birçok mürekkep püskürtmeli yazıcıda piezoelektrik kristaller, mürekkebin mürekkep püskürtmeli baskı kafasından kağıda doğru fırlatılmasını sağlamak için kullanılır.
• Dizel motorlar: Yüksek performanslı common rail dizel motorlar, daha yaygın olan solenoid valf cihazları yerine ilk olarak Robert Bosch GmbH tarafından geliştirilen piezoelektrik yakıt enjektörlerini kullanır.
• Güçlendirilmiş aktüatörler kullanılarak aktif titreşim kontrolü.
• X-ışını kepenkleri.
• Kızılötesi kameralarda kullanılan mikro tarama için XY aşamaları.
• Güçlü radyasyon veya manyetizmanın elektrik motorlarını engellediği aktif CT ve MRI tarayıcıları içinde hastayı hassas bir şekilde hareket ettirmek.
• Kristal kulaklıklar bazen eski veya düşük güçlü radyolarda kullanılır.
• Lokalize ısıtma veya lokalize bir kavitasyon oluşturmak için yüksek yoğunluklu odaklanmış ultrason, örneğin hastanın vücudunda veya endüstriyel bir kimyasal işlemde elde edilebilir.
• Yenilenebilir braille ekran. Küçük bir kristal, tek tek braille hücrelerini yükseltmek için bir kolu hareket ettiren bir akım uygulanarak genişletilir.
• Piezoelektrik aktüatör. Tek bir kristal veya bir dizi kristal, bir mekanizmayı veya sistemi hareket ettirmek ve kontrol etmek için bir voltaj uygulanarak genişletilir.
• Piezoelektrik aktüatörler sabit disk sürücülerinde ince servo konumlandırma için kullanılır. ⓘ

Frekans standardı

Kuvarsın piezoelektrik özellikleri bir frekans standardı olarak kullanışlıdır.

• Kuvars saatler, zamanı işaretlemek için kullanılan düzenli zamanlanmış bir dizi elektrik darbesi üretmek için hem doğrudan hem de ters piezoelektrik kombinasyonunu kullanan bir kuvars kristalinden yapılmış bir kristal osilatör kullanır. Kuvars kristali (herhangi bir elastik malzeme gibi) salınım yapmayı tercih ettiği (şekli ve boyutundan kaynaklanan) kesin olarak tanımlanmış bir doğal frekansa sahiptir ve bu, kristale uygulanan periyodik bir voltajın frekansını stabilize etmek için kullanılır.
• Aynı prensip bazı radyo vericileri ve alıcılarında ve saat darbesi oluşturan bilgisayarlarda da kullanılır. Bunların her ikisi de gigahertz aralıklarına ulaşmak için genellikle bir frekans çarpanı kullanır. ⓘ

Piezoelektrik motorlar

Bir çubuk-kayma aktüatörü ⓘ

Piezoelektrik motor türleri şunları içerir:

• Refleks kameralarda otomatik odaklama için kullanılan Ultrasonik motor
• Doğrusal hareket için sonsuz vida motorları
• Yüksek güç yoğunluğuna (2,5 W/cm³) ve 10 nm/s ila 800 mm/s arasında değişen hıza sahip dikdörtgen dört kadranlı motorlar.
• Çubuk kayma etkisi kullanan kademeli piezo motor. ⓘ

Stepping stick-slip motor dışında tüm bu motorlar aynı prensiple çalışır. Faz farkı 90° olan çift ortogonal titreşim modları tarafından tahrik edilen iki yüzey arasındaki temas noktası, eliptik bir yolda titreşerek yüzeyler arasında bir sürtünme kuvveti oluşturur. Genellikle bir yüzey sabittir ve diğerinin hareket etmesine neden olur. Piezoelektrik motorların çoğunda piezoelektrik kristal, motorun rezonans frekansında bir sinüs dalgası sinyali ile uyarılır. Rezonans etkisi kullanılarak, yüksek bir titreşim genliği üretmek için çok daha düşük bir voltaj kullanılabilir. ⓘ

Bir çubuk-kayma motoru, bir kütlenin ataletini ve bir kelepçenin sürtünmesini kullanarak çalışır. Bu tür motorlar çok küçük olabilir. Bazıları kamera sensörünün yer değiştirmesi için kullanılır, böylece bir sarsıntı önleme işlevine izin verir. ⓘ

Titreşimlerin ve gürültünün azaltılması

Farklı araştırmacı ekipleri, malzemeye piezo elemanlar ekleyerek malzemelerdeki titreşimleri azaltmanın yollarını araştırıyor. Malzeme bir yönde titreşimle büküldüğünde, titreşim azaltma sistemi bükülmeye yanıt veriyor ve diğer yönde bükülmesi için piezo elemanına elektrik gücü gönderiyor. Bu teknolojinin gelecekteki uygulamalarının otomobillerde ve evlerde gürültüyü azaltması beklenmektedir. Kabuklar ve plakalar gibi esnek yapılara yönelik diğer uygulamalar da yaklaşık otuz yıldır incelenmektedir. ⓘ

Kasım 2005'te Frankfurt'taki Material Vision Fuarı'nda yapılan bir gösteride, Almanya'daki TU Darmstadt'tan bir ekip, lastik bir tokmakla vurulan birkaç panel gösterdi ve piezo elemanlı panel hemen sallanmayı bıraktı. ⓘ

Piezoelektrik seramik fiber teknolojisi bazı HEAD tenis raketlerinde elektronik sönümleme sistemi olarak kullanılmaktadır. ⓘ

Tüm piezo dönüştürücülerin temel bir rezonans frekansı ve birçok harmonik frekansı vardır. Piezo tahrikli Drop-On-Demand akışkan sistemleri, piezo yapısında azaltılması veya ortadan kaldırılması gereken ekstra titreşimlere karşı hassastır. Bir inkjet şirketi olan Howtek, Inc bu sorunu cam (sert) inkjet nozullarını Tefzel (yumuşak) inkjet nozulları ile değiştirerek çözmüştür. Bu yeni fikir, tek nozullu inkjetleri popüler hale getirdi ve artık içleri temiz tutulduğu ve aşırı ısınmadığı takdirde yıllarca çalışan 3D Inkjet yazıcılarda kullanılıyorlar (Tefzel çok yüksek sıcaklıklarda basınç altında sürünüyor) ⓘ

Kısırlık tedavisi

Daha önce total fertilizasyon başarısızlığı olan kişilerde, intrasitoplazmik sperm enjeksiyonu (ICSI) ile birlikte oositlerin piezoelektrik aktivasyonu fertilizasyon sonuçlarını iyileştiriyor gibi görünmektedir. ⓘ

Cerrahi müdahale

Piezocerrahi Piezocerrahi, komşu dokulara çok az zarar vererek hedef dokuyu kesmeyi amaçlayan minimal invaziv bir tekniktir. Örneğin Hoigne ve ark. 25-29 kHz aralığında frekanslar kullanarak 60-210 μm'lik mikro titreşimlere neden olur. Nörovasküler dokuyu ve diğer yumuşak dokuları kesmeden mineralize dokuyu kesme yeteneğine sahiptir, böylece kansız bir çalışma alanı, daha iyi görünürlük ve daha fazla hassasiyet sağlar. ⓘ

Potansiyel uygulamalar

2015 yılında Cambridge Üniversitesi araştırmacıları, Ulusal Fizik Laboratuvarı ve Cambridge merkezli dielektrik anten şirketi Antenova Ltd'den araştırmacılarla birlikte piezoelektrik malzemelerden ince filmler kullanarak, belirli bir frekansta bu malzemelerin sadece verimli rezonatörler değil, aynı zamanda verimli radyatörler haline geldiğini, yani potansiyel olarak anten olarak kullanılabileceklerini keşfetti. Araştırmacılar, piezoelektrik ince filmleri asimetrik bir uyarıma tabi tutarak, sistemin simetrisinin benzer şekilde kırıldığını, bunun da elektrik alanının simetrisinin kırılmasına ve elektromanyetik radyasyonun oluşmasına neden olduğunu buldular. ⓘ

Yürüyen yayalardan kinetik enerji elde etmek için piezoelektrik teknolojisinin makro ölçekte uygulanmasına yönelik çeşitli girişimler ortaya çıkmıştır. ⓘ

Bu durumda, trafiğin yoğun olduğu alanların belirlenmesi, enerji hasadı verimliliğinin optimizasyonu için kritik öneme sahiptir ve karo kaplamanın yönü, hasat edilen enerjinin toplam miktarını önemli ölçüde etkiler. Birim zamandaki yaya geçidi sayısına bağlı olarak göz önünde bulundurulan alanın piezoelektrik güç hasadı potansiyelini niteliksel olarak değerlendirmek için bir yoğunluk akışı değerlendirmesi önerilmektedir. X. Li'nin çalışmasında, Avustralya'nın Sidney kentindeki Macquarie Üniversitesi'nde bulunan merkezi bir binada ticari bir piezoelektrik enerji hasat makinesinin potansiyel uygulaması incelenmiş ve tartışılmıştır. Piezoelektrik karo dağıtımının optimizasyonu yaya hareketliliğinin sıklığına göre sunulmuş ve en yüksek yaya hareketliliğine sahip toplam zemin alanının %3,1'inin piezoelektrik karolarla kaplandığı bir model geliştirilmiştir. Modelleme sonuçları, önerilen optimize edilmiş karo kaplama modeli için toplam yıllık enerji hasadı potansiyelinin 1,1 MW h/yıl olarak tahmin edildiğini ve bunun binanın yıllık enerji ihtiyacının yaklaşık %0,5'ini karşılamak için yeterli olacağını göstermektedir. İsrail'de işlek bir otoyolun altına piezoelektrik malzemeler yerleştiren bir şirket bulunmaktadır. Üretilen enerji yeterli olup sokak lambalarına, reklam panolarına ve tabelalara güç sağlamaktadır. ⓘ

Lastik şirketi Goodyear, içinde piezoelektrik malzeme bulunan elektrik üreten bir lastik geliştirmeyi planlıyor. Lastik hareket ettikçe deforme oluyor ve böylece elektrik üretiliyor. ⓘ

Piezoelektrik malzemeler içeren hibrit bir fotovoltaik hücrenin verimliliği, sadece ortam gürültüsü veya titreşim kaynağının yakınına yerleştirilerek artırılabilir. Bu etki, çinko oksit nanotüplerin kullanıldığı organik hücrelerle gösterilmiştir. Piezoelektrik etkinin kendisi tarafından üretilen elektrik, toplam çıktının ihmal edilebilir bir yüzdesidir. Ses seviyesinin 75 desibel kadar düşük olması verimliliği %50'ye kadar artırmıştır. Verimlilik nanotüplerin rezonans frekansı olan 10 kHz'de zirve yapmıştır. Titreşen nanotüpler tarafından oluşturulan elektrik alanı, organik polimer tabakasından göç eden elektronlarla etkileşime giriyor. Bu süreç, elektronların enerjilendiği ancak elektron kabul eden ZnO katmanına göç etmek yerine bir deliğe geri yerleştiği rekombinasyon olasılığını azaltıyor. ⓘ