Piezoelectric Ceramics: Past & Present

โดย...ศาสตราจารย์ ดร. ทวี ตันฆศิริ
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

1. ประวัติการค้นคว้าสารพิโซอิเล็กตริก

ค.ศ.1880-1882

Pierre and Jacques Curie ได้ทำการทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับความสัมพันธ์ปรากฏ
การณ์พิโซอิเล็กตริกกับโครงสร้างทางผลึกวิทยา การทดลองกระทำโดยการวัดประจุบน
ผิวของสารตัวอย่าง (สมัยนั้นคือ tourmaline, quartz, topaz, cane sugar และ
Rochelle salt) ซึ่งประจุดังกล่าวแปรผันกับแรงเค้น ซึ่งเครื่องมือที่วัดมีแต่เพียงแผ่น
ดีบุกบางๆ, กาว, เส้นลวดและแม่เหล็ก เมื่อพิจารณาด้านกระบวนการทางวิทยาศาสตร์
ในปัจจุบัน สมบัติดังกล่าวภายหลังถูกขนานนามว่าสมบัติพิโซอิเล็กตริก

พี่น้องนามสกุล Curie ทั้งสองยืน ยันว่ายังมีความสัมพันธ์ของสมบัติ ทางไฟฟ้า(ประจุบนผิว) กับการ เปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและแรง เค้นกับโครงสร้างของผลึก เขาทั้ง สองยังใช้สมบัตินี้เป็นการเลือกผลึก โครงสร้างต่างๆ โดยใช้แยกผลึก (จากรูปภายนอก) ไพโรอิเล็กตริก ซึ่งมักเกิดกับผลึกที่ไม่มีสมมาตร

แต่ Pierre และ Jacques ไม่ได้ศึกษาเกี่ยว กับสมบัติพิโซอิเล็กตริกโดยตรง (direct) และสมบัติส่วนกลับ (converse) ในทันที สมบัติดังกล่าวได้จากการเขียนสมการทาง เทอร์โมไดนามิกส์เบื้องต้น โดย Lippmann ในปี 1881

ค.ศ. 1882-1917

การประยุกต์ทางด้านพิโซอิเล็กตริกได้เกิดขึ้นโดย European scientific community
ใน 25 ปีต่อมา มีการทดลองมากมายเกิดขึ้น และทำให้มีการแบ่ง Crystal classes
ต่างๆ ออกเป็น 20 กลุ่ม ที่เกิดสมบัติพิโซอิเล็กตริก กลุ่มผลึก 32 กลุ่ม จึงถูกแบ่งออก
มาดังตารางที่ 1.1

ตารางที่ 1.1 แผนภาพของการแบ่งกลุ่มพิโซอิเล็กตริกและกลุ่มย่อย [1]
ผลึกสมมาตร 32 กลุ่ม

(ดัดแปลงจากหนังสือ Buchanan 1986)

ในการใช้ Mathematic treatment เป็นสิ่งที่ยุ่งยากมาก ซึ่งต้องใช้ Tensor มา
วิเคราะห์ การประยุกต์ทางด้านพิโซอิเล็กตริกเริ่มในสงครามโลกครั้งที่ 1 ในปี 1917 ซึ่ง
Langevin และคณะ ได้ใช้พิโซในการสืบหาเรือดำน้ำ เขาใช้ผลึก polycrystal บางๆ
ของ quartz เป็น transducers ต่อกับแผ่นเหล็กกล้าด้วยกาวธรรมดา และสามารถทำ
ให้เกิดการกำทอนในช่วง 50 kHz. หลังจากนั้นการวิจัยด้าน Sonar, วงจรระบบต่างๆ
เกิดขึ้นอย่างมากมาย

ค.ศ. 1920-1940

ความสำเร็จในการประยุกต์ Sonar จุดประกายของการวิจัยด้านพิโซอิเล็กตริก เช่น

• การใช้ผลึก quartz อย่างแพร่หลาย

• การค้นหาวัสดุอื่นๆ เพื่อเป็นตัวกลางให้คลื่นเหนือเสียงผ่าน ทำให้สามารถ
  detect รอยแตก, flow ในเนื้อสารได้

• การวัดความดันทำให้สามารถวัดการจุดระเบิดในเครื่องยนต์

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 นี้ การประยุกต์หลายอย่างได้เกิดขึ้นอย่างแพร่หลาย เช่น
ไมโครโฟน bender element actuators, signal filters…etc.

ค.ศ. 1940-1965

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ทั้ง สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และสหภาพโซเวียตรัสเซีย ได้
สร้างกลุ่มวิจัยในการพัฒนาสมบัติของ capacitors ในวัสดุเซรามิก (เตรียมจากการ
sinter) ที่มี dielectric constant >100 เท่าของผลึกธรรมดา

วิทยาศาสตร์ทางด้านวัสดุได้เริ่มเกิดขึ้นและส่วนใหญ่วิจัยในหัวข้อต่อไปนี้

• การพัฒนากลุ่ม BaTiO₃ ที่มีสมบัติพิโซอิเล็กตริก ซึ่งต่อมากลายเป็นกลุ่ม PZT

• การศึกษาและเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้าง perovskite ที่สามารถเปลี่ยนจาก
  พลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล

• การเจือสารต่างๆ ในทั้งสองกลุ่ม (BaTiO₃ และ PZT) เพื่อการปรับปรุง
  dielectric constant, stiffness, coupling contant การ pole … etc.

หลังสงครามโลกครั้งที่ 2 การวิจัยด้านเซรามิกเปลี่ยนเป็นการดำเนินกิจการในทาง
อุตสาหกรรม โดยสหรัฐอเมริกา เช่น การผลิต

• Powerful sonar ในรูปเรขาคณิตอื่นๆ เช่น ทรงกลม, ทรงกระบอก ที่เกิดจาก
  casting ของ ceramics

• Piezo ignitors

• Sensitive hydrophones listening เพื่อควบคุมการเคลื่อนของเรือในทะเล

• Small sensitive microphones

• Ceramic audio tone transducer, เป็นประเภท small, low power,low
  voltage ประกอบด้วย ceramic disc ติดกับแผ่นโลหะ

ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1965 จนถึงปัจจุบันมีการค้นคว้าวิจัยมากมาย ดังสรุปในตารางที่ 1.2

ตารางที่ 1.2 Notable Events in the History of Piezoelectricity Materials [2]

2. หลักการทำงาน

จากการแบ่งผลึก 32 กลุ่ม ออกเหลือเพียง 20 กลุ่มเท่านั้นที่มีสมบัติพิโซอิเล็กตริก
สาเหตุเพราะความไม่สมมาตรกับจุดศูนย์กลางของ unit cell ดังนั้นเมื่อมีแรงกดจึงมี
dipole เกิดขึ้น และผลที่ตามมาจึงมีสนามไฟฟ้าคร่อมและ effect นี้เกิดในทำนองกลับ
กัน ปรากฏการณ์ piezoelectricity นี้แสดงในรูปที่ 2.1

รูปที่ 2.1 แสดงปรากฎการณ์ Piezoelectricity [3]

จากรูปที่ 2.1 จะเห็นว่าเมื่อ voltage ประยุกต์บนพิโซอิเล็กตริกเซรามิก ตัวเซรามิกจะ
หดและขยายหรือนัยหนึ่งสารจะเป็นตัวเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานกลและใน
ทำนองกลับกัน พิโซอิเล็กตริกจะมี polarization ตามธรรมชาติ ซึ่งแตกต่างจาก
ferroelectric สารพิโซหลังจากการ sinter ใหม่ๆ dipoles ที่มีอยู่ใน grains ต่างๆ นั้น
ไม่ได้เรียงไปในแนวทางเดียวกัน ดังนั้นจึงต้องมีกระบวนการ poling เพื่อให้ dipoles
ต่างๆ เรียงไปในทิศทางเดียวกัน ดังรูปที่ 2.2

รูปที่ 2.2 poling of piezoelectric ceramics [4]
(จาก Catalog ของบริษัท Murata)

หากปราศจากกระบวนการ poling แล้ว สารพิโซจะไม่แสดงสมบัติพิเศษใดๆ เลย การ
poling มักจะกระทำที่อุณหภูมิคูรี

สมการที่อธิบายเกี่ยวกับ effects ของ piezoelectric อาจเขียนได้ดังนี้

.…..……..…..…..…..….. (2.1)

.…..……..…..…..…..….. (2.2)

เมื่อ D = electric displacement
T = stress
E = Electric field
S = strain
d = piezoelectric coefficient
e = dielectric constant
s = material compliance (modulus of elasticity)

สำหรับค่า e ^T หมายถึงค่า e เมื่อ stress คงที่ หมายความว่าไม่มีแรงกดใดๆ บนสาร
และ s^E ค่า compliance ขณะที่สนามไฟฟ้าคงที่

สมการ (2.1) และ (2.2) อยู่ในรูป Matrix อธิบายเกี่ยวกับชุดของสมการที่เกี่ยวข้องกับ
สมบัติของสารในทิศทางต่างๆ ของวัสดุ เพื่อให้สะดวกในการอธิบายทิศทางต่างๆ ของ
สารพิโซถูกกำหนดไว้ในรูปที่ 2.3

รูปที่ 2.3 แสดงเครื่องหมายของแกนสำหรับ poled เซรามิก [3]

ทิศทาง 3 ถูกเลือกให้เป็นทิศทางที่ใช้ในการ pole shear planes แสดงด้วย 4, 5
และ 6 ซึ่งตั้งฉากกับ 1, 2 และ 3 ตามลำดับ

d₃₃ แสดง polarization ที่เกิดขึ้นในทิศทาง 3 เมื่อแรงกดกระทำบนทิศทาง 3 ด้วย

d₃₁ แสดง polarization ที่เกิดขึ้นในทิศทาง 3 เมื่อแรงกระทำในทิศทาง 1

สมการ d₃₃ อาจเขียน ดังนี้

(direct effect) .…..……..….. (2.3)

(converse effect) .……..….. (2.4)

ค่า d จะเท่ากันทั้งสองสมการ ในเชิงตัวเลขมีหน่วยเป็น 10^-12 c/N (สำหรับ direct
effect) และมีหน่วยเป็น 10^-12 m/V (สำหรับ converse effect)

สำหรับ Sonar หรือเครื่องกำเนิดเสียง ต้องการค่า d สูงๆ

สัมประสิทธิ์พิโซอิเล็กตริกจะเกี่ยวพันกับสนามไฟฟ้าที่เกิดจากแรงเค้น อาจจะเขียน
ในรูปของ voltage หรือค่า g มีหน่วยเป็นโวลต์ต่อนิวตันต่อตารางเมตร เทอมของ g อยู่
ในรูป

….……..….(2.5)

ค่า g เป็นค่าที่ (กรณีวงจรเปิด) มีค่า เกี่ยวกันกับ d ดังนี้

….…….……..……..…….. (2.6)

เมื่อ e = permittivity
e_r = dielectric constant (relative permittivity)
e₀ = permittivity in free space (8.854 ด 10^-12 F/m)

ดังนั้น ถ้า e_r ต่ำ g, d จะสูง ซึ่งมักจะเป็นเซรามิกที่ไม่ switch polarization ทันทีทันใด
ทำให้ค่า e_r ต่ำ กลุ่มสารเหล่านี้ใช้ใน gas ignitors หรือ lighters

สัมประสิทธิ์อีกตัวหนึ่ง ที่ใช้ประเมินค่าความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า
เป็นพลังงานกล หรือในทางกลับกัน ได้แก่ piezoelectric coupling factor (k₃₃, k₃₁
และ k_p) ค่า k นิยามว่า

สำหรับ direct effect และในทางกลับกันสำหรับ converse effect ทั้งสองกรณี k จะ
มีค่าน้อยกว่า 1 เสมอ

สำหรับ k_p (planar coupling coeffecient) เป็นสัมประสิทธิ์ที่เกี่ยวกันกับความถี่ที่
maximum impedance parallel antiresonance, f_a และ minimum series
resonance, f_r) แล้วคำนวณตามสูตร (กรณีสารอยู่ในรูป disc)

….…..…..…... (2.7)

เนื่องจากความยุ่งยากสูตรในสมการที่ 2.6 ลดรูปเป็น *

……..…..….... (2.8)

* for disc only

3. ตัวอย่างของการประยุกต์ [5]

สาร piezoelectric ที่ใช้ในปัจจุบันมักอยู่ในกลุ่มของ BaTiO₃, PZT, PbN₂O₆, PT,
PLZT, PMN และยังเปลี่ยนสารเจือทำให้ขอบเขตของสาร piezoelectric นี้กว้างขวาง
มากขึ้นในด้านการประยุกต์นั้น ในปัจจุบันได้มีการใช้อย่างกว้างขวาง เช่น

• piezoelectric buzzers เป็นแผ่นเซรามิกติดกับแผ่นโลหะบาง เมื่อมีสัญญาณ
  ไฟฟ้าประยุกต์ แผ่นเซรามิกก็จะสั่นเกิดเสียงขึ้น ใช้ใน alarms, sound
  producing calculators และ electronic watches

• Blood pressure sensors แผ่น piezoelectric จะรับสัญญาณของความดัน
  โลหิตแล้วเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้า

• Ultrasonic sensors แผ่นเซรามิกอาจใช้ในการ sensor โดยไว้ที่หลังของรถเมื่อ
  เวลารถถอยหลังมี Voltage แผ่น ceramics จะสั่น ส่งคลื่นเหนือเสียงออกไป
  เมื่อคลื่นวิ่งชนวัตถุด้านหลังรถจะสะท้อนกลับแล้ว detect ด้วย ceramics ส่ง
  สัญญาณบอกเป็นเสียงหรือแสงเตือน

• Filters การสั่น piezoelectric ceramics ขึ้นกับขนาดของตัวสาร ดังนั้น
  สัญญาณที่มีความถี่เท่ากับความถี่ธรรมชาติของตัวสารเท่านั้น จะทำให้ตัวสาร
  สั่นอย่างแรง ด้วยสมบัติดังกล่าว จะสามารถกรองคลื่น Surface Acoustic ใน
  บางความถี่ผ่านตัวสารเท่านั้น Wave

ยังมีการประยุกต์หลายอย่าง ดังแสดง [2]

บรรณานุกรม

[1] Buchanan, R. C., Ceramics Materials for Electronics, Marcel Dekker,
.......1986.
[2] Haertling, G. H., J. Am. Ceram. Soc. 82[4] 797-818(1999).
[3] Moulson, A. J. and Herbert., J. M., Electroceramics Materials Properties
.......Application, Chapman and Hall, London. 1990.
[4] Catalog, Murata Manufacturing Company, Limited.
[5] http://www.piezo.com/edu.html.