Пьезоэлектрический датчик

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 областях, например, в медицине , ^[4] аэрокосмическая промышленность , ядерное приборостроение и датчик наклона в бытовой электронике. ^[5] или датчик 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, реагирующие на сжатие , чувствительные элементы практически не отклоняются. 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 проявляет пироэлектричество помимо пьезоэлектрического эффекта ; 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:

Принцип	Напряжение чувствительность [В/мкε]	Порог [с]	охват до пороговое соотношение
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 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 нагрузки 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 демонстрируют образования 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 работы

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 начисления ( $Q_{x}$ ) зависит от геометрических размеров соответствующего пьезоэлектрического элемента. Когда размеры $a,b,d$ применять,

Q_{x}=d_{xy}F_{y}b/a

,

где

a

- размер, соответствующий нейтральной оси,

b

находится на одной линии с осью генерации заряда и

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 – единственный способ увеличить выходную мощность заряда. Результирующий заряд

Q_{x}=d_{xx}F_{x}n~

,

где

d_{xx}

— пьезоэлектрический коэффициент для заряда в направлении x, высвобождаемого силами, приложенными вдоль направления x (в пКл / Н ).

F_{x}

- приложенная сила в направлении x [Н] и

n

соответствует количеству сложенных элементов.

Эффект сдвига

Создаваемый заряд точно пропорционален приложенной силе и создается под прямым углом к силе. Заряд не зависит от размера и формы элемента. Для $n$ элементы механически соединены последовательно, а электрически параллельно, заряд равен

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

Пьезоэлектрический преобразователь можно смоделировать как источник напряжения с фильтром . 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 фильтр, что придает преобразователю очень высокий и зависящий от частоты выходной импеданс , что приводит к частотной характеристике, аналогичной рис. 1.

Механико-электрическая аналогия

Подробная модель на рисунке 2 включает влияние механической конструкции датчика и других 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] Эти индуктивности и емкости не являются реальными электрическими элементами преобразователя, а скорее действуют как механо-электрическая аналогия .

Однако R _i представляет собой фактическое электрическое сопротивление , представляющее сопротивление утечки изоляции преобразователя. Если датчик подключен к нагрузочному сопротивлению , 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

Пьезодатчики обычно используют плоскую область частотной характеристики («полезная область» на рисунке 1) 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 (верхняя часть рисунка 3), в которой C _s представляет собой емкость самой поверхности датчика, определяемую стандартной формулой для емкости параллельных пластин . ^[12]^[13] этой упрощенной модели Эквивалент Нортона (нижняя часть рисунка 3) представляет собой источник заряда, подключенный параллельно с емкостью источника, при этом заряд прямо пропорционален приложенной силе. ^[11]^[14]

Конструкция датчика

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 сейсмическая масса к кристаллическим элементам прикреплена . Когда акселерометр испытывает движение, инвариантная сейсмическая масса нагружает элементы в соответствии со вторым законом движения Ньютона. $F=ma$ .

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 объединенного 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: пьезокерамика, 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 их сложнее производить 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.

См. также

Ссылки

^ 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 . OCLC 824752425 .
^ 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 . PMID 32635286 .
^ Кюри, Жак; Кюри, Пьер. «Развитие сжатия полярного электричества в полуэдрических кристаллах с наклоненными гранями» . Бюллетень Минералогического общества Франции . 3 (4): 90–93.
^ «Исследования и разработки» . Команда по уходу за лицом. 15 ноября 2021 г. Проверено 20 февраля 2023 г.
^ П. Мубарак и др., Самокалибровающаяся математическая модель прямого пьезоэлектрического эффекта нового датчика наклона MEMS, Журнал IEEE Sensors, 12 (5) (2011) 1033–1042.
^ [1] , [2] Архивировано 3 декабря 2008 г., в Wayback Machine.
^ Вали, Р. Пол (октябрь 2012 г.). «Электронный нос, позволяющий различать ароматические цветы с использованием богатого информационными данными измерения пьезоэлектрического резонанса в реальном времени» . Процедия химии . 6 : 194–202. дои : 10.1016/j.proche.2012.10.146 .
^ Лейкс, Родерик (8 июля 2013 г.). «Электрические свойства костей – обзор» . Университет Висконсина . Проверено 1 сентября 2013 г.
^ 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.
^ Рини, Маттео (2019). «Мягкие биологические ткани могут быть пьезоэлектрическими» . Физика . 12 . Бибкод : 2019PhyOJ..12S.138. . дои : 10.1103/Physics.12.s138 . S2CID 240900893 .
^ Jump up to: ^а ^б «Взаимодействие пьезопленки с электроникой» (PDF) . Измерительные специальности . Март 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 26 апреля 2012 г. Проверено 2 декабря 2007 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Альфредо Васкес Карасо (январь 2000 г.). «Новые пьезоэлектрические преобразователи для измерения высокого напряжения» (Документ). Политехнический университет Каталонии. например 242.
^ Карки, Джеймс (сентябрь 2000 г.). «Пьезоэлектрические датчики формирования сигнала» (PDF) . Техасские инструменты . Проверено 2 декабря 2007 г.
^ Кейм, Роберт (15 октября 2018 г.). «Понимание и моделирование пьезоэлектрических датчиков» . Все о схемах . Архивировано из оригинала 02 декабря 2022 г. Проверено 2 декабря 2022 г.
^ 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

[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 . OCLC 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 . PMID 32635286 .

[3] Кюри, Жак; Кюри, Пьер. «Развитие сжатия полярного электричества в полуэдрических кристаллах с наклоненными гранями» . 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.

[PROCHE245-7] Вали, Р. Пол (октябрь 2012 г.). «Электронный нос, позволяющий различать ароматические цветы 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. . дои : 10.1103/Physics.12.s138 . S2CID 240900893 .

[interfacing-11] Jump up to: ^а ^б «Взаимодействие пьезопленки с электроникой» (PDF) . Измерительные специальности . Март 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 26 апреля 2012 г. Проверено 2 декабря 2007 г.

[novel-12] Jump up to: ^а ^б ^с Альфредо Васкес Карасо (январь 2000 г.). «Новые пьезоэлектрические преобразователи для измерения высокого напряжения» (Документ). Политехнический университет Каталонии. например 242.

[13] Карки, Джеймс (сентябрь 2000 г.). «Пьезоэлектрические датчики формирования сигнала» (PDF) . Техасские инструменты . Проверено 2 декабря 2007 г.

[14] Кейм, Роберт (15 октября 2018 г.). «Понимание и моделирование пьезоэлектрических датчиков» . Все о схемах . Архивировано из оригинала 02 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.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]