Áp điện (piezoelectricity) là hiện tượng cơ điện ghép đôi thuận nghịch trong một số vật liệu điện môi dị hướng không có tâm đối xứng, thể hiện qua khả năng sinh ra điện tích phân cực trên bề mặt khi chịu ứng suất cơ học (hiệu ứng áp điện thuận) và biến dạng cơ học khi đặt trong điện trường ngoài (hiệu ứng áp điện nghịch).
Cơ sở tinh thể học và phương trình cấu tạo
Hiện tượng áp điện xuất phát từ sự bất đối xứng trong cấu trúc mạng tinh thể (thuộc các nhóm điểm tinh thể không có tâm đối xứng). Khi chịu lực nén hoặc kéo, trọng tâm điện tích dương của các cation và trọng tâm điện tích âm của các anion bị lệch nhau, tạo nên mômen lưỡng cực điện cảm ứng tổng cộng trên toàn khối tinh thể.
Mối quan hệ định lượng giữa đại lượng cơ học và đại lượng điện được biểu diễn bằng hệ phương trình áp điện tuyến tính chuẩn:
Trong hệ phương trình trên, là cảm ứng điện dịch, là ứng suất cơ học tác dụng, là độ biến dạng đàn hồi, là cường độ điện trường, và là tenxơ hệ số áp điện đặc trưng cho vật liệu.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cơ điện được định lượng qua hệ số ghép cơ điện :
k^2 = rac{d^2}{ arepsilon^T \, s^E}
Trong kỹ thuật cộng hưởng đo lường, hệ số được xác định thực nghiệm qua tần số cộng hưởng và phản cộng hưởng :
k = \sqrt{1 - rac{f_a^2}{f_r^2}}
| Hiệu ứng | Nguyên nhân đầu vào | Kết quả đầu ra | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|---|
| Thuận | Lực cơ học / Ứng suất | Điện áp / Điện tích phân cực | Cảm biến lực, đầu dò siêu âm |
| Nghịch | Điện áp / Điện trường | Biến dạng cơ học vi mô | Cơ cấu chấp hành vi định vị |
Các nhóm vật liệu áp điện tiêu biểu
Các vật liệu áp điện được phân loại thành ba nhóm vật liệu chính:
- Tinh thể đơn tinh thể tự nhiên và nhân tạo: Thạch anh (Quartz, ), muối Rochelle, Topaz, GaPO4. Thạch anh có độ ổn định nhiệt và tần số rất cao, được ứng dụng làm bộ dao động chuẩn trong đồng hồ và vi mạch điện tử.
- Gốm áp điện đa tinh thể (PZT): Dung dịch rắn chì zirconat titanat với cấu trúc tinh thể perovskite. PZT có hệ số áp điện và hệ số ghép cơ điện rất lớn, là vật liệu chủ lực trong công nghiệp đầu dò.
- Polymer áp điện hữu cơ: Polyvinylidene fluoride (PVDF) và các đồng trùng hợp của nó, có tính mềm dẻo, trọng lượng nhẹ, trở kháng âm học gần với mô sống, lý tưởng cho cảm biến sinh học dẻo và da nhân tạo.
Ứng dụng công nghệ của hiệu ứng áp điện
Vật liệu áp điện đóng vai trò sống còn trong kỹ thuật hiện đại:
- Cảm biến đo lường và đầu dò âm học: Đầu dò siêu âm y khoa (chẩn đoán hình ảnh siêu âm 2D/3D), cảm biến gia tốc, cảm biến áp suất động học, máy quét địa chấn sonar dưới nước.
- Cơ cấu chấp hành và vi định vị chính xác: Bơm vi lưu tử, kim quét kính hiển vi quét đầu dò (STM, AFM) với độ phân giải cấp độ dưới nanomet.
- Thu hồi năng lượng tự cấp nguồn (Energy Harvesting): Biến đổi các rung động cơ học môi trường thành điện năng để cấp nguồn cho các nút cảm biến IoT không dây.