Пьезоэлектрический датчик - Piezoelectric sensor

Пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации (изменение формы сильно преувеличено)

А пьезоэлектрический датчик это устройство, которое использует пьезоэлектрический эффект измерить изменения в давление, ускорение, температура, напряжение, или же сила преобразовав их в электрический заряд. Префикс пьезо- в переводе с греческого означает «нажимать» или «сжимать».

Приложения

Пьезоэлектрические датчики - универсальные инструменты для измерения различных процессов. Они используются для гарантия качества, контроль над процессом, а также для исследований и разработок во многих отраслях. Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект в 1880 году, но только в 1950-х производители начали использовать пьезоэлектрический эффект в промышленных измерительных приложениях. С тех пор этот принцип измерения использовался все шире и стал зрелая технология с отличной присущей надежностью.

Они успешно используются в различных приложениях, например, в медицинский, аэрокосмический, ядерный измерительные приборы, и как датчик наклона в бытовой электронике^[1] или датчик давления в сенсорных панелях мобильных телефонов. в автоматизированная индустрия, пьезоэлементы используются для контроля горения при проявлении двигатель внутреннего сгорания. Датчики либо устанавливаются непосредственно в дополнительные отверстия в головке блока цилиндров, либо свеча зажигания / накаливания оснащается встроенным миниатюрным пьезоэлектрическим датчиком.^[2]

Развитие пьезоэлектрических технологий напрямую связано с рядом присущих им преимуществ. Высота модуль упругости многих пьезоэлектрических материалов сравнимо со многими металлами и достигает 10⁶ Н / м².^{[нужна цитата ]} Хотя пьезоэлектрические датчики - это электромеханические системы, которые реагируют на сжатие, чувствительные элементы показывают почти нулевой прогиб. Это обеспечивает прочность пьезоэлектрических датчиков, чрезвычайно высокую собственную частоту и отличную линейность в широком диапазоне частот. амплитуда классифицировать. Кроме того, пьезоэлектрическая технология нечувствительна к электромагнитные поля и радиация, что позволяет проводить измерения в суровых условиях. Некоторые использованные материалы (особенно фосфат галлия или же турмалин ) чрезвычайно стабильны при высоких температурах, что позволяет датчикам иметь рабочий диапазон до 1000 ° С. Турмалиновые шоу пироэлектричество помимо пьезоэффекта; это способность генерировать электрический сигнал при изменении температуры кристалла. Этот эффект также характерен для пьезокерамический материалы. Гаучи в Пьезоэлектрическая сенсорика (2002) предлагает эту сравнительную таблицу характеристик материалов пьезосенсоров и материалов других типов:^[3]

Принцип	Напряжение Чувствительность [В / µε]	Порог [µε]	Охватить пороговое отношение
Пьезоэлектрический	5.0	0.00001	100,000,000
Пьезорезистивный	0.0001	0.0001	2,500,000
Индуктивный	0.001	0.0005	2,000,000
Емкостный	0.005	0.0001	750,000
Резистивный	0.000005	0.01	50,000

Одним из недостатков пьезоэлектрических датчиков является то, что их нельзя использовать для истинно статических измерений. Статическая сила приводит к возникновению фиксированного заряда на пьезоэлектрическом материале. В обычной считывающей электронике несовершенные изоляционные материалы и уменьшение внутреннего датчика сопротивление вызывает постоянную потерю электроны и дает убывающий сигнал. Повышенные температуры вызывают дополнительное падение внутреннее сопротивление и чувствительность. Основное влияние на пьезоэлектрический эффект заключается в том, что с увеличением давления и температуры чувствительность снижается из-за двойное образование. Пока кварц датчики необходимо охлаждать во время измерений при температурах выше 300 ° С, специальные типы кристаллов, такие как GaPO4 фосфат галлия не показывают образования двойников вплоть до точки плавления самого материала.

Однако неверно, что пьезоэлектрические датчики могут использоваться только для очень быстрых процессов или в условиях окружающей среды. Фактически, многочисленные пьезоэлектрические приложения производят квазистатические измерения, а другие приложения работают при температурах выше 500 ° С.

Пьезоэлектрические датчики также могут использоваться для определения ароматов в воздухе путем одновременного измерения резонанса и емкости. Электроника с компьютерным управлением значительно расширяет диапазон потенциальных применений пьезоэлектрических датчиков.^[4]

Пьезоэлектрические датчики также встречаются в природе. Коллаген в кость является пьезоэлектрическим и, по мнению некоторых, действует как датчик биологической силы.^[5][6]

Принцип действия

Способ резки пьезоэлектрического материала определяет один из трех основных режимов его работы:

• Поперечный
• Продольный
• Сдвиг.

Поперечный эффект

Сила, приложенная вдоль нейтральной оси (y), смещает заряды в направлении (x), перпендикулярном силовой линии. Сумма заряда (${\displaystyle Q_{x}}$) зависит от геометрических размеров соответствующего пьезоэлемента. Когда размеры ${\displaystyle a,b,d}$ подать заявление,

${\displaystyle Q_{x}=d_{xy}F_{y}b/a}$,

куда ${\displaystyle a}$ - размер по нейтральной оси, ${\displaystyle b}$ совпадает с осью генерации заряда и ${\displaystyle d}$ - соответствующий пьезоэлектрический коэффициент.[3]

Продольный эффект

Величина смещенного заряда строго пропорциональна приложенной силе и не зависит от размера и формы пьезоэлектрического элемента. Соединение нескольких элементов механически последовательно и электрически параллельно это единственный способ увеличить выход заряда. Итоговый заряд

${\displaystyle Q_{x}=d_{xx}F_{x}n~}$,

куда ${\displaystyle d_{xx}}$ - пьезоэлектрический коэффициент для заряда в направлении x, высвобождаемого силами, приложенными вдоль направления x (в ПК /N ). ${\displaystyle F_{x}}$ приложенная сила в направлении оси x [N] и ${\displaystyle n}$ соответствует количеству уложенных друг на друга элементов.

Эффект сдвига

Произведенный заряд точно пропорционален приложенной силе и генерируется под прямым углом к ​​силе. Заряд не зависит от размера и формы элемента. За ${\displaystyle n}$ элементов механически последовательно и электрически параллельно, заряд

${\displaystyle Q_{x}=2d_{xx}F_{x}n}$.

В отличие от продольных и поперечных эффектов, поперечный эффект позволяет точно настроить чувствительность по приложенной силе и размеру элемента.

Электрические свойства

Схематическое обозначение и электронная модель пьезоэлектрического датчика

Пьезоэлектрический преобразователь имеет очень высокий постоянный ток. выходное сопротивление и может быть смоделирована как пропорциональная источник напряжения и сеть фильтров. Напряжение V в источнике прямо пропорциональна приложенной силе, давлению или деформации.^[7] Выходной сигнал затем связан с этой механической силой, как если бы он прошел через эквивалентную схему.

Амплитудно-частотная характеристика пьезоэлектрического датчика; выходное напряжение выше приложенной силы в зависимости от частоты

Подробная модель включает эффекты механической конструкции датчика и другие неидеальности.^[8] Индуктивность L_м связано с сейсмическими масса и инерция самого датчика. C_е обратно пропорциональна механической эластичность датчика. C₀ представляет собой статическую емкость преобразователя, возникающую из-за инерционной массы бесконечного размера.^[8] р_я изоляция сопротивление утечке преобразователя. Если датчик подключен к сопротивление нагрузки, это также действует параллельно с сопротивлением изоляции, увеличивая частоту отсечки высоких частот.

В плоской области датчик может быть смоделирован как источник напряжения, подключенный последовательно с емкостью датчика, или как источник заряда, подключенный параллельно емкости.

Для использования в качестве датчика обычно используется плоская область графика частотной характеристики между отсечкой высоких частот и резонансным пиком. Нагрузка и сопротивление утечки должны быть достаточно большими, чтобы не пропадать интересующие низкие частоты. В этой области может использоваться упрощенная модель эквивалентной схемы, в которой C_s представляет собой емкость самой поверхности сенсора, определяемую стандартом формула емкости параллельных пластин.^[8][9] Его также можно смоделировать как источник заряда, параллельный емкости источника, причем заряд прямо пропорционален приложенной силе, как указано выше.^[7]

Конструкция датчика

Металлические диски с пьезоэлементом, используемые в зуммерах или в качестве контактные микрофоны

На основе пьезоэлектрической технологии можно измерять различные физические величины, наиболее распространенными из которых являются давление и ускорение. За датчики давления, тонкий мембрана и используется массивное основание, гарантирующее, что приложенное давление специфически нагружает элементы в одном направлении. За акселерометры, а сейсмическая масса крепится к кристаллическим элементам. Когда акселерометр испытывает движение, инвариантная сейсмическая масса нагружает элементы в соответствии со вторым законом движения Ньютона. ${\displaystyle F=ma}$.

Основное различие в принципе работы между этими двумя случаями заключается в том, как они прикладывают силу к чувствительным элементам. В датчике давления тонкая мембрана передает силу элементам, в то время как в акселерометрах приложенная сейсмическая масса прикладывает силы. Датчики часто имеют тенденцию быть чувствительными к более чем одной физической величине. Датчики давления показывают ложный сигнал при воздействии вибрации. Поэтому в сложных датчиках давления в дополнение к чувствительным элементам давления используются элементы компенсации ускорения. Путем тщательного согласования этих элементов сигнал ускорения (выпущенный компенсирующим элементом) вычитается из объединенного сигнала давления и ускорения для получения истинной информации о давлении.

Датчики вибрации также могут собирать энергию, потерянную в противном случае из-за механических колебаний. Это достигается за счет использования пьезоэлектрических материалов для преобразования механической деформации в полезную электрическую энергию.^[10]

Сенсорные материалы

Для пьезоэлектрических датчиков используются три основные группы материалов: пьезокерамика, одиночная хрустальные материалы и тонкопленочные пьезоэлектрические материалы. керамические материалы (например, PZT керамика) имеют пьезоэлектрическую постоянную / чувствительность, примерно равную двум порядки величины выше, чем у природных монокристаллических материалов, и может производиться недорогими спекание процессы. Пьезоэффект в пьезокерамике «тренируется», поэтому их высокая чувствительность со временем ухудшается. Это разложение тесно связано с повышением температуры.

Менее чувствительные, натуральные, монокристаллические материалы (фосфат галлия, кварц, турмалин ) имеют более высокую - при осторожном обращении, почти неограниченную - долгосрочную стабильность. Существуют также новые коммерчески доступные монокристаллические материалы, такие как свинец, ниобат магния-свинец титанат (PMN-PT). Эти материалы обладают повышенной чувствительностью по сравнению с PZT но иметь более низкий максимум Рабочая Температура и в настоящее время более сложны в производстве из-за четырех составных материалов по сравнению с тремя составными материалами PZT.

Тонкая пленка пьезоэлектрические материалы могут быть изготовлены с использованием распыление, CVD (Химическое осаждение из паровой фазы ), ALD (атомно-слойная эпитаксия ) и др. методы. Тонкопленочные пьезоэлектрические материалы используются в тех случаях, когда в методе измерения используется высокая частота (> 100 МГц) и / или в этом случае предпочтение отдается небольшому размеру.

Смотрите также

• Усилитель заряда
• Список датчиков
• Пьезоэлектричество
• Пьезоэлектрический динамик
• Пьезорезистивный эффект
• Ультразвуковой гомогенизатор
• Ультразвуковой преобразователь
• Тонкопленочный объемный акустический резонатор

Рекомендации

1. П. Мубарак и др., Самокалибрующаяся математическая модель для прямого пьезоэлектрического эффекта нового датчика наклона MEMS, IEEE Sensors Journal, 12 (5) (2011) 1033-1042.
2. [1], [2] В архиве 3 декабря 2008 г. Wayback Machine
3. Гаучи, Г. (2002). Пьезоэлектрическая сенсорика. Springer Berlin, Гейдельберг, Нью-Йорк. п. 3. ISBN  9783540422594 - через Google Книги.
4. Вали, Р. Пол (октябрь 2012 г.). «Электронный нос, позволяющий различать ароматические цветы с помощью измерения пьезоэлектрического резонанса в реальном времени, богатого информацией». Химия процедур. 6: 194–202. Дои:10.1016 / j.proche.2012.10.146.
5. Озера, Родерик (8 июля 2013 г.). «Электрические свойства кости - обзор». Университет Висконсина. Получено 1 сентября, 2013.
6. Беккер, Роберт О.; Марино, Андрей А. «Пьезоэлектричество». Отделение ортопедической хирургии Центра медицинских наук Университета штата Луизиана. Архивировано из оригинал 2 августа 2009 г.. Получено 1 сентября, 2013.
7. «Подключение пьезопленки к электронике» (PDF). Специальности измерения. Март 2006 г.. Получено 2 декабря, 2007.
8. Альфредо Васкес Карасо (январь 2000 г.). «Новые пьезоэлектрические преобразователи для измерений высокого напряжения». Политехнический университет Каталонии: 242.
9. Карки, Джеймс (сентябрь 2000 г.). «Пьезоэлектрические датчики формирования сигнала» (PDF). Инструменты Техаса. Получено 2 декабря, 2007.
10. Ладлоу, Крис (май 2008 г.). «Сбор энергии с помощью пьезоэлектрических датчиков» (PDF). Mide Technology. Получено 21 мая, 2008.

внешняя ссылка

• Материальные константы фосфат галлия