سنسور فشار پیزوالکتریک

سنسور فشار پیزوالکتریک چیست؟

پیزو الکتریسیته (Piezoelectricity)، شارژ الکتریکی است که هنگام اعمال فشارهای مکانیکی در برخی از مواد خاص ایجاد می شود.
سنسورهای فشار پیزوالکتریک، از این اثر، با اندازه گیری ولتاژ تولید شده ناشی از اعمال فشار به یک عنصر پیزوالکتریک بهره برداری می کنند. آنها بسیار مقاوم هستند و در طیف گسترده ای از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.

هنگامی که یک نیرو به یک ماده پیزوالکتریک اعمال می شود، یک شارژ الکتریکی در سراسر سطح کریستالی آن ایجاد می شود که می تواند به عنوان یک ولتاژ متناسب با فشار اندازه گیری شود. (نمودار زیر)

هنگامی که یک نیرو به یک ماده پیزوالکتریک اعمال می شود، یک ولتاژ متناسب با فشار ایجاد می شود.

همچنین یک اثر پیزو الکتریکی معکوس نیز وجود دارد که با اعمال ولتاژ بر روی مواد خاص باعث تغییر شکل آن ها می شود.
یک نیروی استاتیک (ثابت) اعمال شده، منجر به ایجاد یک شارژ الکتریکی متقابل در سنسور می شود. اما این شارژ الکتریکی به مروز زمان در اثر عایق بندی نا مناسب، مقاومت داخلی سنسور و وجود تجهیزات الکترونیکی متصل شده به سنسور، نشت پیدا می کند. در نتیجه سنسورهای پیزوالکتریک معمولاً برای اندازه گیری فشارهای استاتیک مناسب نیستند. سیگنال خروجی به تدریج به صفر می رسد حتی در شرایطی که میزان فشار اعمال شونده ثابت نگه داشته شود. با این وجود، نسبت به تغییرات دینامیک فشار در طیف گسترده ای از فرکانس ها و فشارها حساس هستند. این حساسیت دینامیک بدین معنی است که آنها برای اندازه گیری تغییرات کوچک فشار حتی در محیط های با فشار بالا، مناسب هستند.

عملکرد سنسور فشار پیزوالکتریک

برخلاف ترانسدیوسر های پیزومقاومتی و خازنی ، عناصر حسگر پیزوالکتریک نیازی به منبع ولتاژ یا منبع جریان اضافی ندارند. آنها سیگنال خروجی را مستقیماً به واسطه نیروی وارد شده تولید می کنند.
خروجی عنصر پیزوالکتریک یک شارژ الکتریکی متناسب با فشار است. برای تشخیص میزان آن به یک تقویت کننده شارژ نیاز است تا این سیگنال را به ولتاژ تبدیل نماید.
برخی از سنسورهای فشار پیزوالکتریکی به منظور ساده تر کردن ارتباط الکتریکی و ارائه یک ولتاژ خروجی ، خود شامل یک تقویت کننده داخلی هستند. در این موارد، سنسور به یک منبع تغذیه احتیاج دارد.
به کارگیری از یک تقویت کننده داخلی باعث استفاده آسان تر از سنسور فشار می شود. به عنوان مثال، استفاده از کابل های انتقال سیگنال طولانی تر برای اتصال به سنسور امکان پذیر می شود. تقویت کننده همچنین می تواند شامل مدار بهینه سازی سیگنال (Signal conditioning) به منظور فیلتر کردن خروجی، تنظیم و جبران سازی دما و تغییر حساسیت عنصر حسگر باشد.
بنابراین وجود این گونه قطعات الکترونیکی اضافی، دمای عملکرد سنسور را به کمتر از 120 درجه سانتیگراد محدود می کند.
برای محیط های با دمای بالاتر ، می توان از سنسورهای Charge-mode استفاده کرد. این سنسورها شارژ الکتریکی تولید شده در اثر فشار را مستقیماً به عنوان یک سیگنال خروجی ارائه می دهند. بنابراین سنسور برای تبدیل این شارژ به ولتاژ به یک تقویت کننده شارژ خارجی نیاز دارد.
طراحی و ساخت قطعات الکترونیک خارجی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. دارا بودن خروجی با امپدانس بالا برای سنسور بدین معنی است که مدارات آن نسبت به نویز ناشی از اتصالات ضعیف، جابجایی کابل و تداخل الکترومغناطیسی (RFI یا EMI) حساس هستند.
پاسخ دهی فرکانس پایین سنسور توسط مدت زمان تخلیه تقویت کننده تعیین می شود.

ساختار سنسور فشار پیزوالکتریک

اثر پیزوالکتریک به موادی با عدم تقارن خاص در ساختار کریستالی احتیاج دارد. این مواد شامل برخی از کریستال های طبیعی مانند کوارتز یا تورمالین می شود.
همچنین سرامیک های فرموله شده خاص می توانند با قطبیت مناسب تولید شوند تا خاصیت پیزوالکتریک پیدا کنند. این سرامیک ها نسبت به کریستال های طبیعی حساسیت بالاتری دارند. با استفاده از تغییر شکل دادن به کوچکی 0.1 %، می توان یک خروجی قابل استفاده و مناسب تولید کرد.
از آنجا که مواد پیزو الکتریک سفت و سخت هستند، فقط یک انحراف بسیار کمی از مواد برای به دست آوردن سیگنال خروجی قابل استفاده مورد نیاز است. این باعث می شود که سنسورها در برابر شرایط فشار مازاد (Over-pressure) بیش از حد، مقاوم و مستحکم باشند. همچنین این بدین معنی است که آنها به سرعت به تغییرات فشار پاسخ می دهند.
سنسور فشار می تواند تحت تأثیر هر نیروی خارجی اعمال شونده بر روی عنصر پیزوالکتریک قرار گیرد، به عنوان مثال نیروهایی که در اثر شتاب یا نویز ایجاد می شوند.
میکروسنسورها را می توان با استفاده از فیلم های نازک ساخت. زینک اکساید (Zinc oxide) اولین ماده مورد استفاده برای این منظور بود. این ماده تا حد زیادی توسط سرامیک های ساخته شده از موادی مانند تیتانات زیرکونات سرب (Lead zirconate titanate (PZT)) به دلیل اثر پیزوالکتریک بزرگتر جایگزین شده است.

سیستمهای مکانیکی میکروالکترونیک (microelectronic mechanical systems (MEMS) با ترکیب فیلم های نازک پیزوالکتریک و دیافراگم های سیلیکونی میکروماشین شده ایجاد می شوند.
همچنین از مواد پیزوالکتریک در برخی دیگر از سنسورهای MEMS استفاده می شود. به عنوان مثال ، اثر پیزو الکتریک معکوس برای تولید امواج صوتی سطحی توسط دیافراگم استفاده می شود. کج شدن سطح تحت فشار را می توان با تغییرات به وجود آمده در موجی که توسط عنصر پیزوالکتریک دیگر دریافت می شود تشخیص داد.

طراحی سنسور فشار پیزوالکتریک

سنسورهای فشار پیزوالکتریک غالباً در یک محفظه لوله ای شکل دارای رزوه ساخته می شوند (همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است) تا امکان نصب آسان آن ها در تجهیزاتی که فشار در آن ها مانیتور می شود را میسر سازد. در هنگام نصب این سنسورها احتیاط لازم است زیرا سفت شدن بیش از حد می تواند روی حساسیت خروجی تأثیر بگذارد.

در برخی از کاربردهای معمولی، ممکن است سنسورهای فشار پیزوالکتریک در معرض شوک های حرارتی (تغییر ناگهانی دما) ناشی از گرمای تابشی یا جریان گازها و مایعات داغ قرار گیرند.
به علت گرم شدن کریستال، دیافراگم یا بدنه سنسور، ممکن تغییراتی در خروجی ایجاد شود. اما باید توجه داشت که این مورد با حساسیت دمای استاتیک سنسور یکی نیست.
اثرات شوک حرارتی را می توان با طراحی محفظه مناسب و نصب سنسور در محیط ایزوله به حداقل رساند.

حساسیت سنسور فشار پیزوالکتریک

خروجی در یک محدوده وسیع خطی است، به طور معمول از kPa 0.7 تا MPa 70 یا (0.1 … 1000 psi) و درستی (Accuracy) حدودا برابر % 0.1 می باشد.
سنسورهای سرامیکی با گذشت زمان در معرض از دست دادن حساسیت قرار می گیرند. اما این امر معمولاً بسیار ناچیز است. معمولاً کمتر از % 1 در سال.
همچنین ممکن است حساسیت آن ها هنگامی که برای اولین بار در معرض فشار و دما زیاد قرار گیرند، کمی کاهش یابد. می توان با به کارگیری سنسور در حداکثر فشار و درجه حرارت مورد انتظار، قبل از استقرار آنها از این اثرات جلوگیری کرد.
پاسخ فرکانسی سنسورهای فشار پیزوالکتریک در فرکانسهای پایین کاهش پیدا می کند زیرا شارژ الکتریکی تولید شده قابل نگه داشتن نیست.

در فرکانس های بالا یک قله وجود دارد که مربوط به فرکانس رزونانس عنصر پیزوالکتریک است. سنسور معمولاً در ناحیه مسطح منحنی پاسخ، میان دو ناحیه مشخص شده مورد استفاده قرار می گیرد (شکل زیر)

کاربردها سنسور فشار پیزوالکتریک

استحکام، فرکانس بالا و زمان پاسخ دهی سریع سنسورهای فشار پیزوالکتریک به این معنی است که می توانند در طیف گسترده ای از کاربردهای صنعتی و هوافضا مورد استفاده قرار گیرند (در معرض دما و فشارهای بالا قرار گیرند).
آنها اغلب برای اندازه گیری فشار دینامیکی، به عنوان مثال اندازه گیری فشار تلاطم ها، انفجار و احتراق موتور ها استفاده می شوند. همه این موارد نیاز به پاسخ دهی سریع ، استحکام و طیف گسترده ای از محدوده عملکرد دارند.
همچنین میزان حساسیت و توان مصرفی کم آنها باعث می شود که برای برخی از کاربردهای پزشکی مفید باشند. به عنوان مثال، می توان از یک سنسور پلاستیکی فیلم نازک به منظور اتصال به پوست و نظارت بر نبض شریان استفاده نمود.

مزایا و معایب

•  یکی از مهمترین مزایای سنسورهای فشار پیزو الکتریک مستحکم بودن آنها است. این امر باعث می شود آنها برای استفاده در انواع محیط های خشن مناسب باشند.
• بدون استفاده از سایر قطعات الکترونیکی، سنسورهای پیزوالکتریک در دماهای بالا قابل استفاده هستند. برخی از مواد تا 1000 درجه سانتیگراد می توانند تحمل کنند. حساسیت ممکن است با درجه حرارت تغییر کند اما با انتخاب مواد مناسب می تواند به حداقل برسد.
• سیگنال خروجی توسط خود عنصر پیزو الکتریک تولید می شود، بنابراین آنها ذاتا تجهیزات کم مصرف با توان پایین هستند.
• عنصر حسگر در برابر تداخل الکترومغناطیسی و تابش غیر حساس است. تقویت کننده شارژ الکتریکی و سایر تجهیزات الکترونیکی به منظور کاهش نویز و سایر خطاهای سیگنال باید با دقت هر چه بیشتر نزدیک به سنسور قرار گیرند.
• سنسورهای فشار پیزوالکتریک می توانند به راحتی و با استفاده از مواد ارزان قیمت (به عنوان مثال کوارتز یا تورمالین) ساخته شوند، بنابراین می توانند یک راه حل کم هزینه برای اندازه گیری فشار صنعتی ارائه دهند.