موضوع مقاله: حسگر پیزوالکتریک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # حسگر پیزوالکتریک | مقدمه: پیزوالکتریک پدیده ای است که در صورت اعمال تنش مکانیکی روی ماده، برق تولید می‌شود. | ## بخش 1: حسگر پیزوالکتریک | حسگری که از اثر پیزوالکتریک استفاده می‌کند، برای اندازه‌گیری تغییرات فشار، شتاب، دما، کشش و نیرو با تبدیل آنها به بار الکتریکی، حسگر پیزوالکتریک نامیده می‌شود. در فشار ثابت، سیگنال خروجی صفر خواهد بود از این رو حسگر پیزوالکتریک را نمی‌توان برای اندازه‌گیریِ فشار ثابت استفاده کرد. کارکرد حسگر 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. بنابراین، اثر بارها دیگر باهم حذف نشده و بار مثبت یا منفی خالص بر روی سمت مخالف کریستال پدیدار می‌شود. 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 مصرفیP. 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., حسگرهای فشار پیزومقاومتی این حسگرها برای اندازه‌گیریِ فشار دینامیک استفاده می‌شوند. تغییرات فشار در مایع‌ها و گازها در اندازه‌گیریِ فشار سیلندر و فرایند هیدرولیک را می‌توان با استفاده از اعمال نیرو به دیافراگم پیزوالکتریک اندازه‌گیری کرد؛ با اعمال نیرو، در دو سر کریستال بار الکتریکی تولید می‌شود. | ## بخش 2: حسگر پیزوالکتریک | فرستنده و گیرندهٔ فراصوت با کریستال‌های پیزوالکتریک حسگرهای فراصوت، موج‌های فراصوت تولید می‌کنند. وقتی فرستنده و گیرنده در یک دست قرار گرفته‌است، جایگاه آن تغییر کرده و موج فراصوت از بخش‌های بدنی که باید تحلیل و تجسم شوند عبور می‌کند. در اینجا، کریستال‌های پیزوالکتریک به قسمت جلویی فرستنده/گیرنده متصل است که کمک می‌کند موج‌های فراصوت تولید شوند. وقتی سیگنال الکتریکی به کریستال اعمال می‌شود، به دلیل ویبراسیون، موج فراصوتی با فرکانس‌های بین ۱٫۵ و ۸ مگاهرتز تولید می‌کند. حسگرهای پیزوالکتریک از نوع فعال می‌باشند، زیرا بار الکتریکی حاصل از عنصر هدایتی (یک جسم پیزوالکتریک) در پاسخ یک بار مکانیکی می‌تواند نمایان شود. اغلب حسگرهای دیگر از نوع غیرفعال هستند، یعنی به‌طور مستقیم یک خروجی ایجاد نمی‌کنند، در عوض خواص الکتریکی خود را (مقاومت، توان الکتریکی یا مقاومت القایی) نسبت به مولفه مورد اندازه‌گیری تغییر می‌دهند. چنین تغییری تنها می‌تواند با به‌کارگیری یک منبع توان خارجی که نمایانگر سیگنال خروجی است، به صورت تغییر در جریان الکتریکی یا ولتاژ حاصل شود. جدول زیر مقایسه مشخصات حسگر پیزو در مقابل انواع دیگر را ارائه می‌دهد: منبع هدایتحساسیت کرنش [V/µε]مقدار آستانه[µε]ظرفیت تا نسبت آستانهپیزوالکتریک۵٫۰۰٫۰۰۰۰۱۱۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰پیزومقاومتی۰٫۰۰۰۱۰٫۰۰۰۱۲٬۵۰۰٬۰۰۰القایی۰٫۰۰۱۰٫۰۰۰۵۲٬۰۰۰٬۰۰۰خازنی۰٫۰۰۵۰٫۰۰۰۱۷۵۰٬۰۰۰مقاومتی۰٫۰۰۰۰۰۵۰٫۰۱۵۰٬۰۰۰ مزیت‌های اصلی حسگر پیزوالکتریک استحکام بسیار بالا (انحراف اندازه‌گیری معمولاً در حدود میکرومتر است) فرکانس طبیعی بالا (تا بالای 500 کیلوهرتز) محدوده اندازه‌گیری بسیار گسترده (نسبت آستانهٔ اندازه‌گیری تا بیش از ۱۰۸) 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 حسگرهای پیزوالکتریک این است که به‌طور ذاتی قابلیت اندازه‌گیری در حالت ایستا را در طول یک دورهٔ زمان طولانی ندارند. علت این است که هیچ ماده ای با مقاومت عایقی نامحدود و لوله‌های خلأ یا نیم‌رساناهای کاملاً مستقل از جریان‌های نشتی وجود ندارد. (که از ملزومات اندازه‌گیری حقیقی استاتیک با حسگرهای پیزوالکتریک می‌باشند) حسگرهای غیرفعال این محدودیت را ندارند، زیرا تغییر خواص الکتریکی ناشی از اندازه‌گیری تا زمانی که مولفه با مقدار یکسان روی حسگر عمل‌کند، به‌طور ذاتی باقی خواهد ماند و در طول یک دوره زمانی نامحدود توسط منبع توان خارجی نمایان شود. برای حسگرهای فشار، از یک غشای نازک و یک پایه عظیم استفاده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که فشار وارد شده به‌طور خاص، عناصر را در یک جهت بارگیری می‌کند. وقتی شتاب سنج حرکتی را تجربه می‌کند، توده لرزه‌ای ثابت عناصر را طبق قانون دوم حرکت نیوتون بار می‌کند . | ## بخش 3: حسگر پیزوالکتریک | در یک حسگر فشار، یک غشای نازک نیرو را به عناصر منتقل می‌کند، درحالی‌که در شتاب سنج‌ها یک توده لرزه ای متصل، نیروها را اعمال می‌کند. حسگرهای فشار وقتی در معرض لرزش قرار می‌گیرند سیگنال کاذب را نشان می‌دهند؛ بنابراین حسگرهای پیچیده فشار علاوه بر عناصر سنجش فشار از عناصر جبران‌کننده شتاب نیز استفاده می‌کنند. با تطبیق دقیق آن عناصر، سیگنال شتاب (آزاد شده از عنصر جبران‌کننده) از سیگنال ترکیبی فشار و شتاب کم می‌شود تا اطلاعات فشار واقعی بدست آید. حسگرهای لرزش همچنین می‌توانند 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 می‌شود. مواد سنجش از سه گروه اصلی مواد برای حسگرهای پیزوالکتریک استفاده می‌شود: 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 می‌تواند با فرآیندهای ارزان تولید شود. اثر پیزو سرامیک «آموزش دیده» است، بنابراین حساسیت زیاد آنها با گذشت زمان تخریب می‌شود. 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 می‌دهند اما حداکثر دمای کار آنها پایین‌تر است و به دلیل چهار ترکیب در مقابل سه ماده مرکب PZT در حال حاضر ساخت آنها پیچیده‌تر است. مواد پیزوالکتریک فیلم نازک را می‌توان با استفاده از روش‌های پراکندگی، CVD (لایه‌نشانی بخار شیمیایی)، ALD (اپیتاکسی لایه اتمی) و غیره تولیدکرد. | ## جمع‌بندی | از مواد پیزوالکتریک فیلم نازک در مواردی استفاده می‌شود که در روش اندازه‌گیری از فرکانس بالا (> ۱۰۰ مگاهرتز) استفاده شده یا از اندازه کوچک در برنامه استفاده می‌شود.