حسگر پیزوالکتریک
حسگر پیزوالکتریک (به انگلیسی: piezoelectric sensor) حسگری است که براساس اثر پیزوالکتریک عمل می‌کند. پیزوالکتریک پدیده ای است که در صورت اعمال تنش مکانیکی روی ماده ، برق تولید می شود. سنسوری که از اثر پیزوالکتریک استفاده می کند، برای اندازه گیری تغییرات فشار، شتاب، دما، کشش و نیرو با تبدیل آنها به بار الکتریکی ، سنسور پیزوالکتریک نامیده می شود. پیشوند پیزو در زبان یونانی به معنای «پرس» یا «فشار» است.
عملکرد سنسور پیزوالکتریک
وقتی فشار یا شتاب به ماده‌ی پیزوالکتریک اعمال می‌شود، مقدار تعادلی از بار الکتریکی در دو سر کریستال ایجاد می‌شود. بار الکتریکی تولید شده با فشار اعمالی نسبت خواهد داشت. در فشار ثابت، سیگنال خروجی صفر خواهد بود از این رو سنسور پیزوالکتریک را نمی‌توان برای اندازه‌گیریِ فشار ثابت استفاده کرد. کارکرد سنسور پیزوالکتریک را می‌توان به این صورت خلاصه کرد:
- در کریستال پیزوالکتریک، تغییرات دقیقاً به صورت آرایش نامتقارن متوازن هستند.
- اثر بارها با همدیگر حذف شده و بنابراین، هیچ باری در دو سمت کریستال دیده نمی‌شود.
- وقتی کریستال فشرده می‌شود، تغییرات در کریستال نامتوازن می‌شود.
- بنابراین، اثر بارها دیگر باهم حذف نشده و بار مثبت یا منفی خالص بر روی سمت مخالف کریستال پدیدار می‌شود.
- بنابراین، با فشرده کردن کریستال، ولتاژ در دو سر سمت مخالف ایجاد می‌شود .[1]
کاربردها
حسگرهای پیزوالکتریک ابزاری متنوع برای اندازه‌گیری فرایندهای مختلف هستند. آنها برای تضمین کیفیت، کنترل فرایند و تحقیقات و توسعه در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. پیر کوری اثر پیزوالکتریک را در سال ۱۸۸۰ کشف کرد، امّا تنها در دهه ۱۹۵۰ تولیدکنندگان شروع به استفاده از اثر پیزوالکتریک در کاربردهای سنجش صنعتی کردند. از آن زمان، این اصل اندازه‌گیری به‌طور فزاینده‌ای مورد استفاده قرار گرفته و به یک فناوری تکامل یافته و با قابلیت اطمینان ذاتی عالی تبدیل شده‌است.
آنها با موفقیت در کاربردهای مختلفی از جمله در پزشکی، هوافضا، ابزار هسته‌ای و به عنوان یک حسگر شیب در لوازم الکترونیکی مصرفی[2] یا یک حسگر فشار در لنت‌های لمسی تلفن‌های همراه استفاده شده‌اند. در صنعت خودرو از عناصر پیزوالکتریک برای نظارت بر احتراق هنگام توسعه موتورهای احتراق داخلی استفاده می‌شود. این حسگرها مستقیماً در سوراخ‌های اضافی در داخل سیلندر سوار می‌شوند یا شمع جرقه/ شمع گرم‌کن به یک حسگر پیزوالکتریک مینیاتوری داخلی مجهز شده‌است.[3]
سنسورهای فشار پیزومقاومتی
این سنسورها برای اندازه‌گیریِ فشار دینامیک استفاده می‌شوند. اندازه‌گیری فشار دینامیک شامل توربولانس، احتراق موتور و غیره می‌شود. تغییرات فشار در مایع‌ها و گازها در اندازه‌گیریِ فشار سیلندر و فرآیند هیدرولیک را می‌توان با استفاده از اعمال نیرو به دیافراگم پیزوالکتریک اندازه‌گیری کرد؛ با اعمال نیرو، در دو سر کریستال بار الکتریکی تولید می‌شود. خروجی به صورت ولتاژ اندازه‌گیری می‌شود که با فشار اعمالی تناسب دارد.
فرستنده و گیرنده‌ی فراصوت با کریستال‌های پیزوالکتریک
سنسورهای فراصوت، موج‌های فراصوت تولید می‌کنند. وقتی فرستنده و گیرنده در یک دست قرار گرفته است، جایگاه آن تغییر کرده و موج فراصوت از بخش‌های بدنی که باید تحلیل و تجسم شوند عبور می‌کند. موج‌های صوتی از بافت بدن ارسال می‌شوند. موج‌ها منعکس شده و تصویری از بافت ایجاد می‌شود. این اصول کار یک سیستم تصویر‌برداری فراصوت است. در اینجا، کریستال‌های پیزوالکتریک به قسمت جلویی فرستنده/گیرنده متصل است که کمک می‌کند موج‌های فراصوت تولید شوند. الکترودهایی نیز به عنوان گره اتصال بین کریستال‌ها و ماشین وجود دارد. وقتی سیگنال الکتریکی به کریستال اعمال می‌شود، به دلیل ویبراسیون، موج فراصوتی با فرکانس‌های بین ۱٫۵ و ۸ مگاهرتز تولید می‌کند.
مقایسه با دیگر حسگرها
به طورکلی دو نوع سنسور وجود دارد: سنسورهای فعال و غیرفعال. سنسوری فعال نامیده می شود که هیچ منبع توان خارجی برای اندازه‌گیری لازم نباشد . سنسور های پیزوالکتریک از نوع فعال می باشند، زیرا بار الکتریکی حاصل از المان هدایتی (یک جسم پیزوالکتریک) در پاسخ یک بار مکانیکی می تواند نمایان شود. اغلب سنسور های دیگر از نوع غیر فعال هستند، یعنی به طور مستقیم یک خروجی ایجاد نمی کنند، در عوض خواص الکتریکی خود را (مقاومت، توان الکتریکی یا مقاومت القایی) نسبت به مولفه مورد اندازه‌گیری تغییر می دهند. چنین تغییری تنها می تواند با به کارگیری یک منبع توان خارجی که نمایانگر سیگنال خروجی است، به صورت تغییر در جریان الکتریکی یا ولتاژ حاصل شود. جدول زیر مقایسه مشخصات سنسور پیزو در مقابل انواع دیگر را ارائه می دهد:[4]
| منبع هدایت | حساسیت
کرنش [V/µε] |
مقدار آستانه [µε] |
ظرفیت تا
نسبت آستانه |
|---|---|---|---|
| پیزوالکتریک | 5.0 | 0.00001 | 100,000,000 |
| پیزومقاومتی | 0.0001 | 0.0001 | 2,500,000 |
| القایی | 0.001 | 0.0005 | 2,000,000 |
| خازنی | 0.005 | 0.0001 | 750,000 |
| مقاومتی | 0.000005 | 0.01 | 50,000 |
مزیت های اصلی سنسور پیزوالکتریک
- استحکام بسیار بالا (انحراف اندازه‌گیری معمولا در حدود μm است.)
- فرکانس طبیعی بالا (تا بالای 500kHz)
- محدوده اندازه‌گيري بسيار گسترده (نسبت آستانه‌ي اندازه‌گیری تا بیش از 8^10)
- قابلیت تکثیر بسیار بالا
- خطیت بالای وابستگی خروجی به مولفه مورد اندازه‌گیری
- محدوده دمای عملیاتی گسترده
- عدم حساسیت به میدان الکتریکی و مغناطیسی و تشعشعی
تنها مشکل سنسور های پیزوالکتریک این است که به طور ذاتی قابلیت اندازه‌گیری در حالت ایستا را در طول یک دوره ی زمان طولانی ندارند. علت این است که هیچ ماده ای با مقاومت عایقی نامحدود و لوله های خلا یا نیمه رساناهای کاملا مستقل از جریان های نشتی وجود ندارد.(که از ملزومات اندازه‌گیری حقیقی استاتیک با سنسورهای پیزوالکتریک می باشند.) سنسور های غیرفعال این محدودیت را ندارند، زیرا تغییر خواص الکتریکی ناشی از اندازه‌گیری تا زمانی که مولفه با مقدار یکسان روی سنسور عمل کند، به طور ذاتی باقی خواهد ماند و در طول یک دوره زمانی نامحدود توسط منبع توان خارجی نمایان شود.[5]
طرح سنسور
براساس فناوری پیزوالکتریک می توان کمیت های مختلف فیزیکی را اندازه گیری کرد که متداول ترین آنها فشار و شتاب است. برای حسگرهای فشار، از یک غشای نازک و یک پایه عظیم استفاده می شود تا اطمینان حاصل شود که فشار وارد شده به طور خاص، عناصر را در یک جهت بارگیری می کند. برای شتاب سنج ها، یک جرم (توده) لرزه ای به عناصر کریستال متصل است. وقتی شتاب سنج حرکتی را تجربه می کند، توده لرزه ای ثابت عناصر را طبق قانون دوم حرکت نیوتون بار می کند .
تفاوت اصلی در اصل کار بین این دو حالت نحوه اعمال نیرو بر عناصر حسگر است. در یک سنسور فشار، یک غشای نازک نیرو را به عناصر منتقل می کند، در حالی که در شتاب سنج ها یک توده لرزه ای متصل، نیروها را اعمال می کند. حسگرها اغلب به بیش از یک کمیت فیزیکی حساس هستند. سنسورهای فشار وقتی در معرض لرزش قرار می گیرند سیگنال کاذب را نشان می دهند. بنابراین سنسورهای پیچیده فشار علاوه بر عناصر سنجش فشار از عناصر جبران کننده شتاب نیز استفاده می کنند. با تطبیق دقیق آن عناصر، سیگنال شتاب (آزاد شده از عنصر جبران کننده) از سیگنال ترکیبی فشار و شتاب کم می شود تا اطلاعات فشار واقعی بدست آید.
حسگرهای لرزش همچنین می توانند انرژی هدر رفته در اثر ارتعاشات مکانیکی را برداشت کنند. این امر با استفاده از مواد پیزوالکتریک برای تبدیل کرنش مکانیکی به انرژی الکتریکی قابل استفاده محقق می شود.[6]
مواد سنجش
از سه گروه اصلی مواد برای حسگرهای پیزوالکتریک استفاده می شود: سرامیک پیزوالکتریک، مواد تک بلوری و مواد پیزوالکتریک فیلم نازک. مواد سرامیکی (مانند سرامیک PZT) دارای ثابت/حساسیت پیزوالکتریک هستند که تقریباً دو مرتبه بزرگتر از مواد طبیعی تک بلوری است و می تواند با فرآیندهای ارزان تولید شود. اثر پیزو سرامیک "آموزش دیده" است، بنابراین حساسیت زیاد آنها با گذشت زمان تخریب می شود. این تخریب با افزایش دما ارتباط زیادی دارد.
مواد کم حساس، طبیعی و تک بلوری(فسفات گالیم، کوارتز، تورمالین) از ثبات طولانی مدت - درصورت دقت زیاد، تقریباً نامحدود - برخوردار هستند. همچنین مواد تک بلوری جدیدی مانند سرب منیزیم نیوبات-تیتانات سرب (PMN-PT) در دسترس هستند. این مواد حساسیت بهتری نسبت به PZT ارائه می دهند اما حداکثر دمای کار آنها پایین تر است و به دلیل چهار ترکیب در مقابل سه ماده مرکب PZT در حال حاضر ساخت آنها پیچیده تر است.
مواد پیزوالکتریک فیلم نازک را می توان با استفاده از روش های پراکندگی، CVD (رسوب بخار شیمیایی)، ALD (اپیتاکسی لایه اتمی) و غیره تولید کرد. از مواد پیزوالکتریک فیلم نازک در مواردی استفاده می شود که در روش اندازه گیری از فرکانس بالا (> 100 مگاهرتز) استفاده شده و یا از اندازه کوچک در برنامه استفاده می شود.
جستارهای وابسته
- پیزوالکتریکی
- مبدل التراسونیک
- بلندگوی پیزوالکتریک
- لیست حسگرها
منابع
- «What is Piezoelectric Sensor – Construction, Working & Applications».
- P. Moubarak, et al. , A Self-Calibrating Mathematical Model for the Direct Piezoelectric Effect of a New MEMS Tilt Sensor, IEEE Sensors Journal, 12 (5) (2011) 1033 – 1042.
- , بایگانی‌شده در دسامبر ۳, ۲۰۰۸ توسط Wayback Machine
- گاوچی، گوستاف. سنسورهای پیزوالکتریک. بوکان-انتشارات زانکو. ص. ۱۶.
- Gautschi, G. (2002). Piezoelectric sensorics. Springer Berlin, Heidelberg, New York. p. 3. ISBN 9783540422594 – via Google Books.
- Ludlow, Chris (May 2008). "Energy Harvesting with Piezoelectric Sensors" (PDF). Mide Technology. Archived from the original (PDF) on 16 February 2012. Retrieved May 21, 2008.