ฟิสิกส์สาร
3ฉบับที่ 34
E-Magazine

หน้าแรก

บรรณาธิการ

?บอกกล่าว

E-mail

+จากผู้อ่าน

ข่าวประจำฉบับ

FETจากท่อนาโน
ตัวนำระดับโมเลกุล
การย้อนศรเวลา
ลูกบอลตัวนำยิ่งยวด
QTTตัวนำยิ่งยวด

บทความ

4ฟิสิกส์กับบอล
ยูโร2000

4
สุญญากาศฤๅ
คือความว่าง (1)

4พิโซอิเล็กตริก
เซรามิกส์: อดีด &
ปัจจุบัน
4ฟิสิกส์ของเขื่อน

คอลัมน์

โจทย์ฟิสิกส์ฝึกคิด

เก็บมาฝาก

รหัสพันธุกรรม
บทวิเคราะห์หนีบ๊วย
อ่านฉบับย้อนหลัง

__________
คณะผู้จัดทำและ
ที่ปรึกษา

ฟิสิกส์สาร ปีที่ 1 ฉบับที่ 3 เดือน กรกฎาคม, สิงหาคม พ.ศ. 2543
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 สมบัติดังกล่าวภายหลังถูกขนานนามว่า
สมบัติพิโซอิเล็กตริก

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]

1824
1880
1945
1952
1954
1961
1969
1970
1973
1980
1983
1992
1997
Pyroelectricity discovered in Rochella salt.
Piezoelectricity discovered in Rochelle salt,quartz and other minerals
BaTiO3 reported as useful piezo transducers.
PZT reported as FE solid-solution system, phase diagram established
PZT reported as useful piezo transducer.
PMN relaxor materials reported.
Optical transparency achieved in hot-pressed PLZT ceramics.
PLZT compositional phase diagram established.
Oxygen / atmosphere sintering of PLZT to fully transparency.
Electrostrictive relaxor PMN devices developed.
Photostrictive effects reported in PLZT and PZT.
Piezo bending actuators developed.
Relaxor single-crystal materials developed for piezo transducers.

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 sE 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
er = dielectric constant (relative permittivity)
e0 = permittivity in free space (8.854 10-12 F/m)

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

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

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

สำหรับ kp (planar coupling coeffecient) เป็นสัมประสิทธิ์ที่เกี่ยวกันกับความถี่ที่
maximum impedance parallel antiresonance, fa และ minimum series
resonance, fr) 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]

Generators
(millivolts to kilovolts)

Motor/Generators
(combination devices)

Hydrophones
Microphones
Gas ignitor
Power supplies
Photoflash actuators
Sensors
Piezoelectric pens

Sonar
Ranging transducers
Medical ultrasound
Piezo transformers

Motors
(microns to millimeters)

Resonant Devices
(kilohertz to megahertz)

Actuators
Loud speakers
Camera shutter
Buzzers
Ink jet printers
Fish finder
Ultrasonic motors

Ultrasonic cleaners
Ultrasonic welders
Filters (SAW)
Delay lines

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.

PHYSICS NEWS UPDATE

IoP

PhysicsWorld

 
ปรับปรุงครั้งล่าสุด
8 สิงหาคม 2543

2543 ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
โทร.
+66 (0)53 943367 หรือ 943369, 74, 77 แฟกซ์ +66 (0)53 892271

webmaster

 


  หนังสืออิเล็กทรอนิกส์ 

ฟิสิกส์ 1(ภาคกลศาสตร์) 

 ฟิสิกส์ 1 (ความร้อน)

ฟิสิกส์ 2  กลศาสตร์เวกเตอร์
โลหะวิทยาฟิสิกส์ เอกสารคำสอนฟิสิกส์ 1
ฟิสิกส์  2 (บรรยาย) แก้ปัญหาฟิสิกส์ด้วยภาษา c  
ฟิสิกส์พิศวง สอนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต
ทดสอบออนไลน์ วีดีโอการเรียนการสอน
หน้าแรกในอดีต  

   การทดลองเสมือน 

บทความพิเศษ  ตารางธาตุ(ไทย1)   2  (Eng)
พจนานุกรมฟิสิกส์ 

 ลับสมองกับปัญหาฟิสิกส์

ธรรมชาติมหัศจรรย์ 

 สูตรพื้นฐานฟิสิกส์

การทดลองมหัศจรรย์  ดาราศาสตร์ราชมงคล

  แบบฝึกหัดกลาง 

แบบฝึกหัดโลหะวิทยา  

 แบบทดสอบ

ความรู้รอบตัวทั่วไป 

 อะไรเอ่ย ?

ทดสอบ(เกมเศรษฐี) 

คดีปริศนา

ข้อสอบเอนทรานซ์ เฉลยกลศาสตร์เวกเตอร์
คำศัพท์ประจำสัปดาห์  

  ความรู้รอบตัว

การประดิษฐ์แของโลก ผู้ได้รับโนเบลสาขาฟิสิกส์
นักวิทยาศาสตร์เทศ นักวิทยาศาสตร์ไทย
ดาราศาสตร์พิศวง  การทำงานของอุปกรณ์ทางฟิสิกส์
การทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ  

กลับเข้าหน้าแรก

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

ภาพประจำสัปดาห์