Пьезоэлектрический датчик

Тип датчика

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

Пьезоэлектрический датчик — это устройство, которое использует пьезоэлектрический эффект для измерения изменений давления , ускорения , температуры , деформации или силы путем преобразования их в электрический заряд . Префикс piezo- по-гречески означает «нажимать» или «сжимать». ^[1]

Приложения

Пьезоэлектрические датчики являются универсальными инструментами для измерения различных процессов. ^[2] Они используются для обеспечения качества , управления процессами , а также для исследований и разработок во многих отраслях промышленности. Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект в 1880 году, ^[3] но только в 1950-х годах производители начали использовать пьезоэлектрический эффект в промышленных приложениях для измерения. С тех пор этот принцип измерения используется все чаще и стал зрелой технологией с превосходной присущей надежностью.

Они успешно использовались в различных приложениях, таких как медицина , ^[4] аэрокосмическая промышленность , ядерное приборостроение, а также в качестве датчика наклона в потребительской электронике ^[5] или датчика давления в сенсорных панелях мобильных телефонов. В автомобильной промышленности пьезоэлектрические элементы используются для контроля сгорания при разработке двигателей внутреннего сгорания . Датчики либо напрямую монтируются в дополнительные отверстия в головке блока цилиндров, либо свеча зажигания/накаливания оснащается встроенным миниатюрным пьезоэлектрическим датчиком. ^[6]

Развитие пьезоэлектрической технологии напрямую связано с набором неотъемлемых преимуществ. Высокий модуль упругости многих пьезоэлектрических материалов сопоставим с модулем упругости многих металлов и достигает 10 ⁶ Н/м ² . ^{[ необходима цитата ]} Несмотря на то, что пьезоэлектрические датчики представляют собой электромеханические системы, реагирующие на сжатие , чувствительные элементы демонстрируют почти нулевое отклонение. Это придает пьезоэлектрическим датчикам прочность, чрезвычайно высокую собственную частоту и превосходную линейность в широком диапазоне амплитуд . Кроме того, пьезоэлектрическая технология нечувствительна к электромагнитным полям и излучению , что позволяет проводить измерения в жестких условиях. Некоторые используемые материалы (особенно фосфат галлия или турмалин ) чрезвычайно стабильны при высоких температурах, что позволяет датчикам иметь рабочий диапазон до 1000 °C. Турмалин проявляет пироэлектричество в дополнение к пьезоэлектрическому эффекту; это способность генерировать электрический сигнал при изменении температуры кристалла. Этот эффект также характерен для пьезокерамических материалов. Гаучи в своей книге «Пьезоэлектрическая сенсорика» (2002) предлагает следующую сравнительную таблицу характеристик материалов пьезодатчиков по сравнению с другими типами:

Одним из недостатков пьезоэлектрических датчиков является то, что их нельзя использовать для действительно статических измерений. Статическая сила приводит к фиксированному количеству заряда на пьезоэлектрическом материале. В обычной считывающей электронике несовершенные изоляционные материалы и снижение внутреннего сопротивления датчика вызывают постоянную потерю электронов и дают уменьшающийся сигнал. Повышенные температуры вызывают дополнительное падение внутреннего сопротивления и чувствительности. Основное влияние на пьезоэлектрический эффект заключается в том, что с увеличением нагрузок давления и температуры чувствительность снижается из-за образования двойников . В то время как кварцевые датчики должны охлаждаться во время измерений при температурах выше 300 °C , специальные типы кристаллов, такие как фосфат галлия GaPO4, не показывают образования двойников вплоть до точки плавления самого материала.

Однако неверно, что пьезоэлектрические датчики можно использовать только для очень быстрых процессов или в условиях окружающей среды. На самом деле, многочисленные пьезоэлектрические приложения производят квазистатические измерения, а другие приложения работают при температурах выше 500 °C .

Пьезоэлектрические датчики также могут использоваться для определения ароматов в воздухе путем одновременного измерения резонанса и емкости. Электроника, управляемая компьютером, значительно расширяет диапазон потенциальных применений пьезоэлектрических датчиков. ^[7]

Пьезоэлектрические датчики также встречаются в природе. Коллаген в костях является пьезоэлектриком и, как полагают некоторые, действует как биологический датчик силы. ^{[8] [9]} Пьезоэлектричество также было обнаружено в коллагене мягких тканей, таких как ахиллово сухожилие , стенки аорты и сердечные клапаны . ^[10]

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 вдоль направления (x), перпендикулярного линии силы. Количество заряда ( ) зависит от геометрических размеров соответствующего пьезоэлектрического элемента. Когда применяются размеры, ${\displaystyle Q_{x}}$ ${\displaystyle a,b,d}$

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

где — измерение, совпадающее с нейтральной осью, — совпадающее с осью генерации заряда, — соответствующий пьезоэлектрический коэффициент.[3] ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle d}$

Продольный эффект

Количество вытесненного заряда строго пропорционально приложенной силе и не зависит от размера и формы пьезоэлектрического элемента. Единственный способ увеличить выход заряда — это механически последовательное и электрически параллельное соединение нескольких элементов . Результирующий заряд

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

где — пьезоэлектрический коэффициент для заряда в направлении x, высвобождаемого силами, приложенными вдоль направления x (в пКл / Н ). — приложенная сила в направлении x [Н], которая соответствует числу уложенных друг на друга элементов. ${\displaystyle d_{xx}}$ ${\displaystyle F_{x}}$ ${\displaystyle n}$

Эффект сдвига

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

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

В отличие от продольного и сдвигового эффектов, поперечный эффект позволяет точно настраивать чувствительность к приложенной силе и размеру элемента.

Электрические свойства

Рисунок 1. Частотная характеристика пьезоэлектрического датчика; выходное напряжение в зависимости от приложенной силы в зависимости от частоты.

Пьезоэлектрический преобразователь можно смоделировать как источник напряжения с фильтром . Напряжение V на источнике прямо пропорционально приложенной силе, давлению или деформации. ^[11] Выходной сигнал связан с этой механической силой так, как если бы он прошел через фильтр, что дает преобразователю очень высокий и частотно-зависимый выходной импеданс , что приводит к частотной характеристике, аналогичной рисунку 1.

Механико-электрическая аналогия

Рисунок 2. Схематическое обозначение и цепь, включающие механико-электрическую аналогию для пьезоэлектрического датчика.

Подробная модель на рисунке 2 включает эффекты механической конструкции датчика и другие неидеальности. ^[12] Индуктивность L _m обусловлена ​​сейсмической массой и инерцией самого датчика. C _e обратно пропорциональна механической упругости датчика. C ₀ представляет статическую емкость преобразователя, возникающую из-за инерционной массы бесконечного размера. ^[12] Эти индуктивности и емкости не являются реальными электрическими элементами преобразователя, а скорее действуют как механико-электрическая аналогия .

Однако R _i — это фактическое электрическое сопротивление, представляющее собой сопротивление утечки изоляции преобразователя. Если датчик подключен к сопротивлению нагрузки , оно также действует параллельно с сопротивлением изоляции, увеличивая частоту среза верхних частот. На этой схеме также не показана фактическая емкость самой поверхности датчика.

Упрощенная модель

Рисунок 3. В плоской области датчик можно смоделировать как источник напряжения последовательно с емкостью датчика или источник заряда параллельно с емкостью.

Пьезодатчики обычно используют плоскую область частотной характеристики («полезная область» на рисунке 1) между верхним срезом и резонансным пиком. Сопротивление нагрузки и утечки должно быть достаточно большим, чтобы не терялись низкие частоты, представляющие интерес. В этой области можно использовать упрощенную эквивалентную модель схемы (вверху рисунка 3), в которой C _s представляет собой емкость самой поверхности датчика, определяемую стандартной формулой для емкости параллельных пластин . ^{[12] [13]} Эквивалент Нортона этой упрощенной модели (внизу рисунка 3) представляет собой источник заряда , параллельный емкости источника, причем заряд прямо пропорционален приложенной силе. ^{[11] [14]}

Конструкция датчика

Металлические диски с пьезоматериалом, используемые в зуммерах или в качестве контактных микрофонов.

Пьезоэлектрическая технология может измерять различные физические величины, чаще всего давление и ускорение. Для датчиков давления используется тонкая мембрана и массивное основание, гарантируя, что приложенное давление специально нагружает элементы в одном направлении. Для акселерометров сейсмическая масса прикреплена 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 способе приложения сил к чувствительным элементам. В датчике давления тонкая мембрана передает силу к элементам, тогда как в акселерометрах силы прилагает прикрепленная сейсмическая масса. Датчики часто имеют тенденцию быть чувствительными к более чем одной физической величине. Датчики давления показывают ложный сигнал, когда они подвергаются вибрации. Поэтому сложные датчики давления используют элементы компенсации ускорения в дополнение к элементам, чувствительным к давлению. Благодаря тщательному сопоставлению этих элементов сигнал ускорения (высвобождаемый элементом компенсации) вычитается из объединенного сигнала давления и ускорения для получения истинной информации о давлении.

Датчики вибрации также могут собирать энергию, которая иначе тратилась бы впустую, из механических вибраций. Это достигается с помощью пьезоэлектрических материалов для преобразования механической деформации в полезную электрическую энергию . ^[15]

Чувствительные материалы

Для пьезоэлектрических датчиков используются три основные группы материалов: пьезокерамика, монокристаллические материалы и тонкопленочные пьезоэлектрические материалы. Керамические материалы (например, керамика PZT ) имеют пьезоэлектрическую постоянную/чувствительность, которая примерно на два порядка выше, чем у природных монокристаллических материалов, и могут быть получены недорогими процессами спекания . Пьезоэффект в пьезокерамике «обучается», поэтому их высокая чувствительность со временем ухудшается. Эта деградация тесно связана с повышением температуры.

Менее чувствительные, природные, монокристаллические материалы ( галлийфосфат , кварц , турмалин ) имеют более высокую – при аккуратном обращении, почти неограниченную – долгосрочную стабильность. Существуют также новые монокристаллические материалы, доступные на рынке, такие как свинцово-магниево-титанатный (PMN-PT). Эти материалы предлагают улучшенную чувствительность по сравнению с PZT, но имеют более низкую максимальную рабочую температуру и в настоящее время более сложны в производстве из-за четырехкомпонентного материала по сравнению с трехкомпонентным PZT.

Тонкопленочные пьезоэлектрические материалы могут быть изготовлены с использованием методов распыления , химического осаждения из паровой фазы (CVD ), атомно-слоевой эпитаксии (ALD ) и т. д. Тонкопленочные пьезоэлектрические материалы используются в приложениях, где в методе измерения используется высокая частота (> 100 МГц) и/или в приложении предпочтительны малые размеры.

Самочувствующие материалы с алюминиевой матрицей и встроенными пьезоэлектрическими фазами, такими как PZT (цирконат-титанат свинца) ^[16] или титанат бария ^[17] , могут быть получены с помощью обработки трением с перемешиванием (FSP) ^[18] . В этом процессе пьезоэлектрические частицы диспергируются в алюминиевой матрице, создавая композитный материал, способный выполнять как структурные, так и сенсорные функции. Пьезоэлектрические частицы генерируют электрический сигнал в ответ на механическое напряжение или деформацию ^[19] , что позволяет материалу контролировать свое собственное состояние. FSP обеспечивает тонкую дисперсию пьезоэлектрической фазы и усиливает связь между частицами и матрицей, что приводит к улучшенным механическим и сенсорным свойствам.

Смотрите также

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

Ссылки

1. Платт, Чарльз (2012). Энциклопедия электронных компонентов. Том 1, [Источники питания и преобразования: резисторы, конденсаторы, индукторы, переключатели, энкодеры, реле, транзисторы]. Севастополь, Калифорния: O'Reilly/Make. стр. 258. ISBN 978-1-4493-3387-4. OCLC  824752425.
2. Цзяо, Пэнчэн; Эгбе, Кинг-Джеймс И.; Сье, Ивэй; Матин Назар, Али; Алави, Амир Х. (2020-07-03). «Пьезоэлектрические методы измерения в мониторинге состояния конструкций: обзор современного уровня техники». Датчики . 20 (13): 3730. Bibcode : 2020Senso..20.3730J. doi : 10.3390/s20133730 . ISSN  1424-8220. PMC 7374461. PMID 32635286  . 
3. Кюри, Жак; Кюри, Пьер (1880). «Развитие сжатия полярного электричества в полукруглых кристаллах на наклонных лицах». Бюллетень Минералогического общества Франции . 3 (4): 90–93. дои : 10.3406/bulmi.1880.1564.
4. "Исследования и разработки". Facialteam. 15 ноября 2021 г. Получено 20 февраля 2023 г.
5. П. Мубарак и др., Самокалибрующаяся математическая модель для прямого пьезоэлектрического эффекта нового датчика наклона MEMS, IEEE Sensors Journal, 12 (5) (2011) 1033 – 1042.
6. [1], [2] Архивировано 3 декабря 2008 г. на Wayback Machine
7. Вали, Р. Пол (октябрь 2012 г.). «Электронный нос для дифференциации ароматических цветов с использованием измерения пьезоэлектрического резонанса в реальном времени с богатой информацией». Procedia Chemistry . 6 : 194–202. doi : 10.1016/j.proche.2012.10.146 .
8. Лейкс, Родерик (8 июля 2013 г.). «Электрические свойства кости — обзор». Университет Висконсина . Получено 1 сентября 2013 г.
9. Беккер, Роберт О.; Марино, Эндрю А. «Пьезоэлектричество». Отделение ортопедической хирургии в Медицинском центре Университета штата Луизиана. Архивировано из оригинала 2 августа 2009 г. Получено 1 сентября 2013 г.
10. Рини, Маттео (2019). «Мягкие биологические ткани могут быть пьезоэлектрическими». Физика . 12. Bibcode : 2019PhyOJ..12S.138.. doi : 10.1103/Physics.12.s138. S2CID  240900893.
11. "Interfacing Piezo Film to Electronics" (PDF) . Measurement Specialties . Март 2006. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-04-26 . Получено 2 декабря 2007 .
12. Альфредо Васкес Карасо (январь 2000 г.). «Новые пьезоэлектрические преобразователи для измерения высокого напряжения» (Документ). Политехнический университет Каталонии. п. 242.
13. Карки, Джеймс (сентябрь 2000 г.). "Пьезоэлектрические датчики формирования сигнала" (PDF) . Texas Instruments . Получено 2 декабря 2007 г. .
14. Кейм, Роберт (2018-10-15). "Понимание и моделирование пьезоэлектрических датчиков". Все о схемах . Архивировано из оригинала 2022-12-02 . Получено 2022-12-02 .
15. Ладлоу, Крис (май 2008 г.). "Сбор энергии с помощью пьезоэлектрических датчиков" (PDF) . Mide Technology . Получено 21 мая 2008 г.
16. Феррейра, Педро М.; Мачадо, Мигель А.; Карвальо, Марта С.; Виласа, Педро; Зоргер, Гонсалу; Пинто, Жоана Вас; Дюэрмайер, Йонас; Видаль, Катарина (ноябрь 2023 г.). «Самочувствительный металлический материал на основе частиц ЦТС, полученный методом трения с перемешиванием, предназначенный для мониторинга состояния конструкций». Характеристика материалов . 205 : 113371. doi : 10.1016/j.matchar.2023.113371.
17. Феррейра, Педро М.; Мачадо, Мигель А.; Карвальо, Марта С.; Видал, Катарина (февраль 2023 г.). «Придание сенсорных свойств металлическим деталям посредством обработки трением с перемешиванием». Измерение . 207 : 112405. Bibcode : 2023Meas..20712405F. doi : 10.1016/j.measurement.2022.112405.
18. Феррейра, Педро М; Касадор, Дэвид; Мачадо, Мигель А; Карвальо, Марта С; Виласа, Педро; Зоргер, Гонсалу; Фариас, Франсиско Верли Сиприано; Фигейредо, Артур Рибейро; Видаль, Катарина (01 июня 2024 г.). «Обеспечение электрического отклика за счет интеграции пьезоэлектрических частиц в алюминиевые детали AA2017-T451 с использованием технологии FSP». Умные материалы и конструкции . 33 (6): 065037. Бибкод : 2024SMaS...33f5037F. дои : 10.1088/1361-665X/ad4d45. ISSN  0964-1726.
19. Феррейра, Педро М.; Мейрелеш, Афонсу; Видаль, Катарина; Карвальо, Марта С.; Мачадо, Мигель А. (июль 2024 г.). «Оценка самочувствительного поведения материала: результаты испытаний на циклическую и импульсную нагрузку». Измерение . 234 : 114878. Бибкод : 2024Meas..23414878F. doi : 10.1016/j.measurement.2024.114878.

Внешние ссылки

• Константы материалов фосфата галлия
• Основной принцип действия пьезоэлектрического акселерометра