Piezoelektrik, Pyroelektrik ve Ferroelektrik Malzemeler Malzemenin elektriksel davranışları anlatılırken bazı malzemelerde ortaya çıkan ve bu özellikleri nedeni ile farklı uygulamalarda kullanılabilen önemli - özel bir takım malzeme karakteristiklerinden de bahsetmek gerekir. Piezoelektriklik Ferroelektriklik Pyroelektriklik Bu özellikler malzemenin kristal yapısı ile ilgilidir. Ferroelektrik malzemeler doğal olarak (kendiliğinden) elektriksel polarizasyona sahiptirler. Piezoelektriklik malzemeye bir basınç uygulanması ile malzemeye bir polarizasyonunun (elektriksel kutuplanmanın) indüklenmesi olayıdır. Pyroelektrik malzemelerde ise polarizasyon termal etki ile değiştirilebilir. 2 1
Piezoelektrik etki Piezo yunancada basınç anlamına gelmektedir. Piezo-elektrik basınç-elektrik Bir malzeme kutuplandığında malzemenin iyon çekirdekleri ve elektron bulutlarının yer değiştirmesi nedeni ile malzeme içinde bir mekanik şekil değiştirme gelişebilir. Bu olay elektrik alana maruz kalan bütün malzemelerde görülür. Ancak malzemenin kristal yapısı ortaya çıkacak davranışı belirler. Varolan toplam 32 kristal sınıfından 11 tanesi simetri merkezine sahiptir. Bunun anlamı bir mekanik kuvvete maruz kaldıklarında iyonların hareketleri simetrik olması nedeni ile bir elektriksel dipol momentinin ortaya çıkmayacağıdır. 3 Geri kalan 21 sınıfın 20 sinde simetri merkezi yoktur ve bir mekanik baskı altında dielektrik polarizasyon gelişir. Bu malzemeler piezoelektrik malzemeler olarak bilinirler. Kuartz kristalinde basınç etkisi ile ortaya çıkan piezoelektrik etki 4 2
Bu malzemelere bir mekanik kuvvete uygulandığında malzeme üzerinde bir potansiyel farkı gelişir. Böylece mekanik etki elektriksel büyüklüğe dönüşür. Bu davranış direk ya da motor piezoelektrik etki olarak adlandırılır. Bu özelliğe sahip malzemeler farklı amaçlar için kullanılan sensörlerde sıklıkla kullanılırlar. 5 Bir piezoelektrik malzemeye bir potansiyel farkı uygulandığında malzemede bir şekil değişimi ortaya çıkar. Bu potansiyel farkının büyüklüğüne ve polaritesine bağlı olarak malzeme uzayıp kısalabilir. Bu davranış ise ters (convers) ya da jeneratör (üretici) piezoelektrik etki olarak adlandırılır. Pek çok algılayıcı (aktuatör) da bu malzeme özelliğinden faydalanılmaktadır. Örneğin malzemede ortaya çıkan bu şekil değişiklikleri kullanılarak üretilen ultrasonik dalgalar tıbbi görüntüleme cihazlarında sıklıkla kullanılırlar. Benzer uygulama ultrasonik temizleyiciler ve diş fırçalarında da kullanılmaktadır. 6 3
7 Bir malzemenin piezoelektrik davranışı piezoelektrik katsayısı ile belirlenir. Direk piezoelektrik etki için piezoelektrik voltaj katsayısı malzemeye uygulanan gerilme (stress, σ) sonucunda ortaya çıkan elektrik alan arasındaki orantı katsayısıdır ve g ile sembolize edilir. Ters piezoelektrik etki için piezoelektrik sabiti malzemeye uygulanan elektrik alan ile bunun sonucunda oluşan mekanik şekil değiştirme (strain,ε) arasındaki orantı katsayısıdır ve d ile sembolize edilir. E = g. σ ε = d.e d ve g piezoelektrik katsayıları ile malzemenin dielektrik sabiti arasında d g = ε ε 0 r şeklinde bir bağıntı vardır. 8 4
9 Piezoelektrik dönüştürücülerin mühendislik uygulamalarında kullanımında elektriksel ve mekanik enerjiler arasındaki elektromekanik bağlaşım önemli bir mühendislik faktörüdür. elektromekanik bağlaşım faktörü,k k 2 olarak mekanik enerjiye çevrilen elektriksel enerji k 2 = Verilen elektriksel enerji şeklinde ya da elektriksel enerjiye çevrilen mekanik enerji k 2 = Verilen mekanik enerji şeklinde tanımlanır. 10 5
Piezoelektrik Dönüştrücüler(transducers) Kaynak: Photo by SOK 11 Dönüştürücüler (Transducers) Bir formdaki enerjiyi bir başka forma dönüştüren cihazlardır Sensörler Fiziksel giriş Algılayıcılar (Actuators) Elektriksel giriş Elektriksel çıkış Fiziksel çıkış 12 6
Kurşun-zirkonyum-titanyum (PZT) piezoseramikler en yayın kullanılan piezoelektrik malzemelerdir. Piezoseramik malzemeler elektriksel etkiyi mekanik büyüklüğe, mekanik etkiyi elektriksel büyüklüğe dönüştüren simetri merkezi olmayan kristallerdir. Yaygın olarak kullanılan piezoseramik malzemeler; Kuartz(SiO 2 ), Baryum titanat (BaTiO 3 ) (Pb,La)(Ti,Zr)O 3 alaşımı (PLZT) PbZrO 3 -PbTiO 3 alaşımı (PZT), Kuartz piezoelektrik davranış gösteren malzemeler arasında en büyük piezoelektrik katsayıya sahip olan malzemelerden biri olmasada ucuz ve bol olması nedeni ile piezoelektrik özellikli sensörlerde sıklıkla kullanılır. 13 Piezoelektrik özellikli algılayıcılarda kuartz (quartz), roşel (rochelle) tuzu, baryum ve kurşun titanatları, turmalin gibi kristal yapılı maddeler kullanılır. Bu elemanlar üzerlerine gelen basınca göre küçük değerli bir elektrik gerilimi ve akımı üretir. Bu elektrik akımının değeri basıncın değeri ile doğru orantılıdır. Piezoelektrik özellikli elemanlar hızlı tepki verdiklerinden ani basınç değişikliklerini ölçmede yaygın olarak kullanılır. Piezoelektrik kıvılcım üreteçleri, ultrasonik dönüştürücüler, mikrofonlar, ivme ölçerler sıklıkla kullanıldıkları yerler arasında sayılabilir. 14 7
Piezoelektrik malzemelerin kullanım alanları enerji dönüşüm yönüne göre 3 bölümde incelenebilir. Mekanik Enerji Elektrik Enerjisi Dönüşümü; Pikap kartujları Mikrofonlar Titreşim algılayıcıları Hız ölçerler Gaz ateşleyiciler Sigortalar Piezoelektrik kıvılcım üreteçleri 16 8
Elektrik Enerjisi Mekanik Enerji Dönüşümü Valfler Mikro pompalar Kulaklıklar Ultrasonik temizleyiciler Sonik dönüştürücüler Elektrik - Mekanik Elektrik Enerjisi Dönüşümü Yüzey akustik dalga ölçerler Sonarlar (deniz araştırmalarında) Osilatörler Transformatörler Hidrofon ve Mikrofonlar Hidrofonlar: Su altındaki akustik enerjiyi algılamayı, dinlemeyi sağlayan cihazlardır. Denizaltılarda ve farklı su altı uygulamalarında kullanılırlar Gemilerde derinlik ve hedef bulmaya yarayan sonar cihazlar 18 9
Pyroelektrik etki Bazı malzemeler ısıtıldığında ya da soğutulduğunda uçları arasında bir potansiyel parkı üretme özelliğine sahiptirler. Bu tür malzemeler pyroelektrik malzemeler olarak adlandırılır. Bütün polar kristaller pyroelektriktir, bu nedenle varolan 10 polar kristal sınıfı pyroelektrik sınıf olarak da adlandırılır. O halde bir dt sıcaklık değişimi malzemede bir dp polarizasyon değişimi indüklüyor ise bu olay pyroelektrik etki olarak tanımlanır ve bu etkinin büyüklüğü p = dp dt şeklinde tanımlanan p, pyroelektrik katsayısı ile verilir. Pyr yunancadaateş-fireanlamına gelmektedir. 19 Pyroelektrik malzemeler ile yüzlerce derecede bile küçük bir sıcaklık değişimi algılanabilir. Bu nedenle pyroelektrik kristaller kırmızı altı algılayıcılarda yaygın olarak kullanılırlar. Yangın ve hırsız alarmları da bunlardandır. A pyroelectric detector based on LiTaO3 Courtesy of MolectronDetector Inc. A 70 MHz pyroelectric detector Courtesy of MolectronDetector Inc. 20 10
Pyroelektrik malzemeler aynı zamanda piezoelektriktir, bu nedenle mekanik etkilere karşı duyarlıdırlar. Ancak bütün piezoelektrik malzemeler pyroelektrik değildir. 21 Ferroelektrik malzemeler Bir dış elektrik alan etkisine maruz kalmadan kendiliğinden, kalıcı polarizasyona sahip bir grup malzeme Ferroelektrikler olarak adlandırılır. Bunlar kalıcı manyetik davranışa sahip ferromanyetik malzemelere benzeyen dielektriklerdir. Ferroelektrik malzemelerde uygulanan elektrik alan ile indüklenen polarizasyon arasında doğrusal bir bağıntı yoktur. Elektrik alan ile polarizasyon arasındaki ilişki bir histerisis döngüsü ile tanımlanır. Bu eğri içinde kalan alan bir döngü boyunca elektriksel dipol momentleri döndürmek için harcanan enerjiyi verir. Dielektrik kayıp diye adlandırılan bu enerji ısı enerjisi olarak harcanır. 22 11
Ferroelektrik davranış kristal yapısının bir sonucu olarak ortaya çıkar. Baryum titanat (BaTiO 3 ) en iyi bilinen ferroelektrik malzemelerden biridir. Kalıcı polarizasyon tetragonal yapıya sahip birim hücrede Ba +2, Ti +4 veo -2 iyonlarınınkonumlanmasındankaynaklanır. 23 Ancak bu tür malzemeler için malzemeye özgü kritik bir sıcaklık değeri olan ve Curie sıcaklığı olarak bilinen sıcaklık değeri aşıldığında birim hücre simetrik hale gelir ve ferroelektrik davranış ortadan kalkar. Ferroelektrik davranışın silindiği bu durumda malzeme perovskit kristal yapısı kazanır. Bu yapı önemli elektromekanik özelliklere sahiptir. 24 12
Ferroelektrikler nisbeten düşük dış elektrik alan frekanslarında oldukça yüksekdielektriksabiti(ε r )değerinesahiptirler. Örneğin oda sıcaklığı civarında baryum titanat için dielektrik sabiti 5000 dir. Bu nedenle kapasitörlerde sıklıkla kullanılırlar. Çünkü bu tür malzemeler kullanılarak üretilen kapasitörler diğer dielektrik malzemeler kullanılarak üretilenler ile kıyaslandığında önemli ölçüde küçüktürler. dp de = ε0( εr 1) Ferroelektrik malzemelerde daha küçük elektrik alan değişimleri ile daha büyük polarizasyon değişimleri indüklenebilir. Bu da daha büyük dielektrik sabiti değeri anlamına gelir. 25 Elektretler Electret electronic-magnet Elektretler kalıcı mıknatısların elektriksel benzerleridirler. Uygun bir dielektrik malzemenin erime sıcaklığının üstünde bir değere kadar ısıtılıp sonrada kuvvetli bir elektrik alan içerisinde kontrollü olarak soğutulması ile üretilirler. Böylece malzeme içinde kalıcı bir polarizasyon sağlanır. Elektretlerde manyetik zıt kutuplar yerine bağlı zıt yüklerin oluşturduğu elektriksel zıt kutuplar mevcuttur. Sonuç olarak dipolar elektretin zıt yüklü iki ucu arasında sabit bir elektriksel potansiyel oluşur. Bu tür malzemeler elektrostatik mikrofonlar, fotokopi cihazları, hava filtreleri (toz parçacıklarının elektrostatik olarak toplanması) gibi pek çok teknik ve ticari alanda kullanılmaktadır. 26 13