Áp điện là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu và khái niệm cơ bản

Hiện tượng áp điện (piezoelectricity) là khả năng sinh ra hiệu điện thế khi vật liệu chịu ứng suất cơ học và ngược lại là biến dạng cơ khi đặt vào điện trường. Hiệu ứng này chỉ xuất hiện trong các tinh thể hoặc gốm không có tâm đối xứng và polymer có cấu trúc phân cực như quartz, tourmaline, PZT và PVDF.

Áp điện là hiện tượng đa năng: khi chịu tác động cơ học, vật liệu tích tụ điện tích trên hai bề mặt, cho phép đo lực, áp suất, rung động; ngược lại, khi đặt điện áp vào, vật liệu biến dạng với độ chính xác cao, ứng dụng cho cơ cấu chấp hành siêu âm, đầu dò siêu âm y tế.

Ứng dụng áp điện trải dài từ ngành công nghiệp (cảm biến gia tốc, van siêu âm, hiệu chỉnh vị trí micro) đến y sinh (đầu dò siêu âm chẩn đoán), vi cơ–điện tử (MEMS) và thu năng lượng (harvester). Việc hiểu rõ cơ chế áp điện và tính chất cơ–điện của từng vật liệu giúp thiết kế thiết bị với độ nhạy, độ bền và hiệu suất tối ưu.

Lịch sử và phát hiện

Năm 1880, anh em Pierre và Jacques Curie lần đầu tiên quan sát hiệu ứng áp điện trong quartz và tourmaline, ghi nhận điện tích tỉ lệ thuận với lực tác dụng. Phát hiện này mở ra thời kỳ nghiên cứu vật liệu áp điện và dẫn đến việc chế tạo các máy dò âm thanh đầu tiên.

Những năm 1917–1920, Walter G. Cady phát triển mạch dao động quartz, đặt nền móng cho đồng hồ tinh thể và thiết bị điều tần tần số cao. Đầu thế kỷ 20, áp điện được ứng dụng trong radar và sonar thời chiến, cải thiện khả năng phát hiện mục tiêu dưới biển.

Thập niên 1950, gốm áp điện PZT (lead zirconate titanate) ra đời, với hệ số áp điện lớn gấp 10–20 lần quartz, mở rộng ứng dụng cho công nghiệp và y tế. Thập niên 1970, polymer PVDF xuất hiện, cho phép màng mỏng linh hoạt và ứng dụng trong cảm biến bề mặt và thu năng lượng.

Nguyên lý lý thuyết và công thức cơ bản

Hiệu ứng áp điện được mô tả bởi các phương trình kết hợp giữa điện trường, ứng suất cơ và biến dạng. Phương trình trực tiếp:

$D_i = d_{ij}\,T_j$ Trong đó D_i là mật độ điện dịch (C/m²), T_j là ứng suất cơ học (N/m²), và d_ij là hệ số áp điện (C/N).

Phương trình ngược lại:

$S_j = d_{ij}\,E_i$ Trong đó S_j là biến dạng (không đơn vị) và E_i là điện trường (V/m). Ma trận d_ij cho biết mối quan hệ giữa các thành phần vector điện và tensor ứng suất, thường chỉ ra 6×3 hệ số độc lập với tinh thể áp điện.

Hệ số coupling electromechanical k là tham số biểu thị hiệu suất biến đổi năng lượng cơ–điện, được tính theo:

$k^2 = \frac{d^2}{\varepsilon^T \, s^E}$ Trong đó ε^T là độ điện dung (F/m) khi biến dạng tự do và s^E là mô-đun đàn hồi (m²/N) khi điện trường không đổi.

Các loại vật liệu áp điện

• Tinh thể tự nhiên: quartz, tourmaline, Rochelle salt – ổn định về nhiệt độ, hệ số d thấp (quartz d₁₁ ~2.3 pC/N), dùng trong đo tần số cao (NIST Quartz Data).
• Gốm công nghiệp: PZT (lead zirconate titanate), BaTiO₃, KNbO₃ – hệ số áp điện cao (PZT d₃₃ đến 300 pC/N), ứng dụng rộng rãi trong cảm biến và actuator.
• Polymer: PVDF (polyvinylidene fluoride) và copolymer P(VDF–TrFE) – nhẹ, dẻo, dễ kéo mỏng, d₃₁ ~20–30 pC/N, dùng trong cảm biến bề mặt và thu năng lượng.

Vật liệu	d33 (pC/N)	Ứng dụng tiêu biểu
Quartz	2–3	Dao động tần số, đồng hồ tinh thể
PZT	200–300	Cảm biến lực, đầu dò siêu âm
PVDF	20–30	Màng cảm biến bề mặt, harvester

Hiệu ứng áp điện trực tiếp và ngược

Hiệu ứng áp điện trực tiếp mô tả quá trình biến ứng suất cơ học thành điện áp. Khi vật liệu áp điện chịu nén hoặc kéo, điện tích tách biệt tập trung trên bề mặt, tạo điện trường và điện áp đặc trưng. Hiệu ứng này cho phép đo lực, áp suất và rung động với độ nhạy cao.

Hiệu ứng ngược xảy ra khi đặt điện trường lên vật liệu, sinh ra biến dạng cơ học. Biến dạng này có thể tính toán trước thông qua hệ số d_ij và điện áp đầu vào, cho phép điều khiển độ dịch chuyển hoặc lực sinh ra trong các actuator siêu âm, van vi mô và cơ cấu chấp hành chính xác.

Các ứng dụng tiêu biểu tận dụng song song hai hiệu ứng: trong đầu dò siêu âm y tế, áp điện ngược tạo sóng siêu âm, áp điện trực tiếp thu tín hiệu phản hồi; trong micropositioning, áp điện ngược tạo dịch chuyển nhỏ, áp điện trực tiếp kiểm tra vị trí.

Phương pháp đặc trưng và đo lường

Hệ số áp điện d_ij được đo bằng phương pháp Berlincourt, sử dụng tải trọng dao động ở tần số thấp và đo điện áp sinh ra. Thiết bị đo cấp độ lực dao động và điện áp theo chuẩn IEEE Std 176 cho cảm biến gốm áp điện.

Phân tích tần số cộng hưởng thông qua phổ impedance cơ-điện: đặt điện áp quét tần số, đo biên độ dòng điện và điện áp, xác định tần số cộng hưởng f_r và tần số khử cộng hưởng f_a. Từ đó suy ra hệ số coupling k theo:

$k = \sqrt{1 - \frac{f_a^2}{f_r^2}}$

• RIA/ELISA: chỉ dùng trong phân tích mẫu sinh học, không phổ biến với vật liệu gốm.
• PFM (Piezoresponse Force Microscopy): dùng cho vật liệu mỏng và nano, đo cục bộ hệ số áp điện với độ phân giải <10 nm.
• Khối phổ Laser Doppler Vibrometry: đo biến dạng và vận tốc bề mặt dưới tác động điện trường, cho thông tin động học.

Ứng dụng trong cảm biến và cơ cấu chấp hành

Cảm biến áp suất công nghiệp dùng gốm PZT để phát hiện áp suất khí hoặc chất lỏng, chuyển đổi biến động áp thành tín hiệu điện. Độ nhạy cao và dải đo rộng (0–1000 bar) phù hợp cho hệ thống điều khiển tự động.

Gia tốc kế MEMS tích hợp cấu trúc silicon áp điện cho phép đo gia tốc với độ phân giải tới µg, kích thước chip vài mm². Thiết bị này dùng trong điện thoại thông minh, máy bay không người lái và xe ô tô tự lái để theo dõi chuyển động và ổn định.

Actuator áp điện cung cấp dịch chuyển cực nhỏ (từ vài nanomet đến vài trăm micromet) với lực lên đến vài trăm N. Ứng dụng trong siêu âm y tế (vật liệu PZT tạo tần số 1–15 MHz), van điều khiển chính xác trong vi cơ điện tử và micropositioning trong quang học.

Ứng dụng thu năng lượng

Thiết bị harvest năng lượng dao động cơ học (energy harvester) dùng polymer PVDF hoặc gốm PZT để chuyển động rung động môi trường thành điện năng. Ứng dụng cho cảm biến không dây, IoT và đo lường không cần pin, kéo dài tuổi thọ hệ thống.

Cấu trúc phổ biến là dải mỏng cantilever kẹp một đầu, khi rung sẽ tạo điện áp qua lớp áp điện. Nhiều module nối tiếp hoặc song song để đạt mức điện áp và dòng điện mong muốn, đủ cấp nguồn cho MCU và truyền không dây.

Loại ứng dụng	Vật liệu	Điện áp tạo ra	Công suất
Harvest rung động	PVDF	1–5 V	µW–mW
Harvest áp suất chất lỏng	PZT	5–20 V	mW–tens mW

Công nghệ chế tạo và tích hợp

Cảm biến và actuator áp điện lớp mỏng trên nền silicon chế tạo bằng sputtering hoặc sol–gel, tăng khả năng tích hợp với vi mạch và giảm chi phí sản xuất. Lớp mỏng dày 1–10 µm cho phép tần số cộng hưởng cao đến vài MHz.

In phun (inkjet printing) và ép nóng (hot-press) dùng cho polymer PVDF, tạo lớp mỏng linh hoạt trên giấy, vải hoặc màng nhựa. Thiết bị này có khả năng uốn cong, kéo dài, phù hợp cho cảm biến mặc và thu năng lượng di động.

Thách thức và xu hướng nghiên cứu

Giảm thiểu môi trường độc hại: gốm PZT chứa chì, xu hướng chuyển sang vật liệu lead-free như KNN (K_0.5Na_0.5NbO₃) và BNT (Bi_0.5Na_0.5TiO₃) với hệ số áp điện cạnh tranh.

Phát triển piezoelectric meta-material và multi-field coupling (áp điện–điện–nhiệt) để mở rộng dải tần số, tăng hiệu suất chuyển đổi và tích hợp cảm biến đa chức năng. Ứng dụng AI trong tối ưu microstructure nhằm nâng cao hệ số coupling và độ bền lâu dài.

Tài liệu tham khảo

• Damjanovic, D. (1998). “Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics.” Reports on Progress in Physics, 61(9), 1267–1324.
• IEEE. (1987). IEEE Standard on Piezoelectricity (IEEE Std 176-1987).
• NIST. (2024). “Piezoelectric Properties of Quartz.” nist.gov.
• Safari, A., & Akdogan, E. K. (2008). Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications. Springer.
• Park, S.-E., & Shrout, T. R. (1997). “Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor based ferroelectric single crystals.” Journal of Applied Physics, 82(4), 1804–1811.
• Yoshikawa, S. (2005). “Piezoelectric Ceramics.” Japanese Journal of Applied Physics, 44(11), 8036–8044.
• Wang, Z. L. (2006). “Piezotronics and Piezo-phototronics with Third-generation Semiconductor Nanowires.” Advanced Materials, 28(50), 9886–9910.