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 . Приставка пьезо- по-гречески означает «нажимать» или «сжимать». ^[1]

Приложения

Пьезоэлектрические датчики — универсальные инструменты для измерения различных процессов. ^[2] Они используются для обеспечения качества , контроля процессов , 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 сенсорных приложениях. С тех пор этот принцип измерения стал использоваться все чаще и стал зрелой технологией с превосходной надежностью.

Они успешно используются в различных приложениях, таких как медицина , ^[4] аэрокосмическая промышленность , ядерное приборостроение, а также в качестве датчика наклона в бытовой 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 устанавливаются непосредственно в дополнительные отверстия в головке блока цилиндров, либо свеча зажигания/накаливания оснащается встроенным миниатюрным пьезоэлектрическим датчиком. ^[6]

Развитие пьезоэлектрических технологий напрямую связано с рядом присущих им преимуществ. Высокий модуль упругости многих пьезоэлектриков сравним с модулем многих металлов и достигает 10 ⁶ Н/м ² . ^{[ нужна ссылка ]} Несмотря на то, что пьезоэлектрические датчики представляют собой электромеханические системы, которые реагируют на сжатие , чувствительные элементы показывают почти нулевое отклонение. Это обеспечивает надежность пьезоэлектрических датчиков, 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 суровых условиях. Некоторые используемые материалы (особенно фосфат галлия или турмалин ) чрезвычайно стабильны при высоких температурах, что позволяет датчикам иметь рабочий диапазон до 1000 °C. Турмалин помимо пьезоэлектрического эффекта проявляет пироэлектричество ; это способность генерировать электрический сигнал при изменении температуры кристалла. Этот эффект также характерен для пьезокерамических материалов. Гаучи в «Пьезоэлектрической сенсорике» (2002) предлагает сравнительную таблицу характеристик материалов пьезодатчиков по сравнению с другими типами:

Одним из недостатков пьезоэлектрических датчиков является то, что их нельзя использовать для по-настоящему 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 приводят к уменьшению сигнала. 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 необходимо охлаждать во время измерений при температуре выше 300 °C , специальные типы кристаллов, такие как фосфат галлия GaPO4 , не образуют двойников вплоть до температуры плавления самого материала.

Однако неверно, что пьезоэлектрические датчики можно использовать 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 °C .

Пьезоэлектрические датчики также можно использовать для определения ароматов в воздухе путем одновременного измерения резонанса и емкости. Электроника с компьютерным управлением значительно расширяет диапазон потенциальных применений пьезоэлектрических датчиков. ^[7]

Пьезоэлектрические датчики также встречаются в природе. Коллаген в кости является пьезоэлектрическим и, как полагают некоторые, действует как датчик биологической 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 в направлении (x), перпендикулярном силовой линии. Величина заряда ( ) зависит от геометрических размеров соответствующего пьезоэлектрического элемента. Если применимы размеры , ${\displaystyle Q_{x}}$ ${\displaystyle a,b,d}$

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

где размер соответствует нейтральной оси, соответствует оси генерации заряда и соответствует соответствующему пьезоэлектрическому коэффициенту.[3] ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle d}$

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 — единственный способ увеличить выходную мощность заряда. 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 ). — это приложенная Сила в направлении x [Н] и соответствует количеству сложенных элементов. ${\displaystyle d_{xx}}$ ${\displaystyle F_{x}}$ ${\displaystyle n}$

Эффект сдвига

Создаваемый заряд точно пропорционален приложенной силе и создается под прямым углом к ​​силе. Заряд не зависит от размера и формы элемента. Для элементов, механически включенных 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 настроить чувствительность к приложенной силе и размеру элемента.

Электрические свойства

Схематическое обозначение и электронная модель пьезоэлектрического датчика.

Пьезоэлектрический преобразователь имеет очень высокий выходной импеданс и может быть смоделирован как пропорциональный источник напряжения и сеть фильтров . Напряжение V в источнике прямо пропорционально приложенной силе, давлению или деформации. ^[11] Выходной сигнал связан с этой механической силой, как если бы он прошел через эквивалентную схему.

Частотная характеристика пьезоэлектрического датчика; зависимость выходного напряжения от приложенной силы в зависимости от частоты

Подробная модель включает в себя влияние механической конструкции датчика и другие неидеальности. ^[12] Индуктивность L _m обусловлена ​​сейсмической массой и инерцией самого датчика. C _e обратно пропорциональна механической эластичности датчика. C ₀ представляет собой статическую емкость преобразователя, возникающую из-за инерционной массы бесконечного размера. ^[12] R _{i —} сопротивление утечки изоляции преобразовательного элемента. Если датчик подключен к нагрузочному сопротивлению , оно также действует параллельно с сопротивлением изоляции, увеличивая частоту среза верхних частот.

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

Для использования в качестве датчика обычно используется плоская область графика частотной характеристики между границей среза верхних частот и резонансным пиком. Сопротивление нагрузки и утечки должно быть достаточно большим, чтобы не терялись интересующие низкие частоты. В этой области можно использовать упрощенную модель эквивалентной схемы, в которой C _s представляет собой емкость самой поверхности датчика, определяемую по стандартной формуле для емкости параллельных пластин . ^{[12] [13]}

Его также можно смоделировать как источник заряда, работающий параллельно с емкостью 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 позволяет измерять различные физические величины, чаще всего давление и ускорение. Для датчиков давления используется тонкая мембрана и массивное основание, благодаря чему приложенное давление целенаправленно нагружает элементы в одном направлении. В акселерометрах к кристаллическим элементам прикреплена сейсмическая масса . Когда акселерометр испытывает движение, инвариантная сейсмическая масса нагружает элементы в соответствии со вторым законом движения Ньютона . ${\displaystyle F=ma}$

Основное различие в принципе работы этих двух случаев заключается в способе приложения усилий к чувствительным элементам. В датчике давления тонкая мембрана передает силу элементам, а в акселерометрах эту силу передает прикрепленная сейсмическая масса. Датчики часто имеют тенденцию быть чувствительными к более чем одной физической величине. Датчики давления подают ложный сигнал, когда они подвергаются вибрации. Поэтому в сложных датчиках давления помимо чувствительных элементов давления используются элементы компенсации ускорения. Путем тщательного сопоставления этих элементов сигнал ускорения (выдаваемый компенсационным элементом) вычитается из комбинированного сигнала давления и ускорения для получения истинной информации о давлении.

Датчики вибрации также могут собирать бесполезную энергию механических вибраций. Это достигается за счет использования пьезоэлектрических материалов для преобразования механического напряжения в полезную электрическую энергию . ^[15]

Чувствительные материалы

Для пьезоэлектрических датчиков используются три основные группы материалов: пьезоэлектрическая керамика, монокристаллические материалы и тонкопленочные пьезоэлектрические материалы. Керамические материалы (такие как керамика ЦТС ) имеют пьезоэлектрическую постоянную/чувствительность примерно на два порядка выше, чем у природных монокристаллических материалов, и их можно производить с помощью недорогих процессов спекания . Пьезоэффект в пьезокерамике «тренированный», поэтому их высокая чувствительность со временем ухудшается. Эта деградация тесно связана с повышением температуры.

Менее чувствительные, природные, монокристаллические материалы ( фосфат галлия , кварц , турмалин ) обладают более высокой – при бережном обращении, практически неограниченной – долговременной стабильностью. Имеются также новые монокристаллические материалы, коммерчески доступные, такие как свинец-ниобат-магний-титанат свинца (PMN-PT). Эти материалы обладают улучшенной чувствительностью по сравнению с ЦТС , но имеют более низкую максимальную рабочую температуру и в настоящее время более сложны в производстве из-за четырехсоставного материала ЦТС по сравнению с трехкомпонентным.

Тонкопленочные пьезоэлектрические материалы могут быть изготовлены с использованием методов распыления , CVD ( химическое осаждение из паровой фазы ), ALD ( атомно-слоевая эпитаксия ) и т. д. Тонкопленочные пьезоэлектрические материалы используются в приложениях, где в методе измерения используется высокая частота (> 100 МГц) и/или в приложении предпочтителен малый размер.

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Платт, Чарльз (2012). Энциклопедия электронных компонентов. Том 1, [Источники питания и преобразования: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, переключатели, энкодеры, реле, транзисторы]. Севастополь, Калифорния: О'Рейли/Мейк. п. 258. ИСБН 978-1-4493-3387-4. ОКЛК  824752425.
2. Цзяо, Пэнчэн; Эгбе, король-Джеймс I; Се, Ивэй; Матин Назар, Али; Алави, Амир Х. (03 июля 2020 г.). «Методы пьезоэлектрического зондирования в мониторинге состояния конструкций: современный обзор». Датчики . 20 (13): 3730. Бибкод : 2020Senso..20.3730J. дои : 10.3390/s20133730 . ISSN  1424-8220. ПМЦ 7374461 . ПМИД  32635286. 
3. Кюри, Жак; Кюри, Пьер. «Развитие сжатия полярного электричества в полукруглых кристаллах на наклонных лицах». Бюллетень Минералогического общества Франции . 3 (4): 90–93.
4. «Исследования и разработки». Команда по уходу за лицом. 15 ноября 2021 г. Проверено 20 февраля 2023 г.
5. П. Мубарак и др., Самокалибровающаяся математическая модель прямого пьезоэлектрического эффекта нового датчика наклона MEMS, Журнал IEEE Sensors, 12 (5) (2011) 1033–1042.
6. [1], [2] Архивировано 3 декабря 2008 г., в Wayback Machine.
7. Вали, Р. Пол (октябрь 2012 г.). «Электронный нос для различения ароматических цветов с использованием богатого информационными данными измерения пьезоэлектрического резонанса в реальном времени». Процедия химии . 6 : 194–202. дои : 10.1016/j.proche.2012.10.146 .
8. Лейкс, Родерик (8 июля 2013 г.). «Электрические свойства костей - обзор». Университет Висконсина . Проверено 1 сентября 2013 г.
9. Беккер, Роберт О.; Марино, Эндрю А. «Пьезоэлектричество». Кафедра ортопедической хирургии Центра медицинских наук Университета штата Луизиана. Архивировано из оригинала 2 августа 2009 года . Проверено 1 сентября 2013 г.
10. Рини, Маттео (2019). «Мягкие биологические ткани могут быть пьезоэлектрическими». Физика . 12 . Бибкод : 2019PhyOJ..12S.138.. doi : 10.1103/Physics.12.s138. S2CID  240900893.
11. «Взаимодействие пьезопленки с электроникой» (PDF) . Измерительные специальности . Март 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 26 апреля 2012 г. Проверено 2 декабря 2007 г.
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) . Инструменты Техаса . Проверено 2 декабря 2007 г.
14. Кейм, Роберт (15 октября 2018 г.). «Понимание и моделирование пьезоэлектрических датчиков». Все о схемах . Архивировано из оригинала 2 декабря 2022 г. Проверено 2 декабря 2022 г.
15. Ладлоу, Крис (май 2008 г.). «Сбор энергии с помощью пьезоэлектрических датчиков» (PDF) . Технология Миде . Проверено 21 мая 2008 г.

Внешние ссылки

• Материальные константы фосфата галлия
• Основной принцип работы пьезоэлектрического акселерометра.