حسگر پیزوالکتریک:
مقدمه :
پیزوالکتریک باری است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می‌شود (مخصوصاً در کریستال‌ها، بعضی سرامیک‌ها و اجسام زیستی مانند استخوان، DNA و پروتئین‌های مختلف) . لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته‌ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده و الکتریک نماد عنبر است .( یک منبع قدیمی جریان الکتریکی)
اثر پیزو الکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می‌شود. اثر پیزوالکتریک یک فرآیند قابل برگشت است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک(تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می‌کنند اثر پیزوالکتریک معکوس(تولید داخلی نیروی الکتریکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می‌کنند. به عنوان مثال سرامیک‌های PZT O۳ ۰≤x≤۱) اگر به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه‌گیری تولید خواهند کرد.
برعکس اگر میدان الکتریکی به آن‌ها اعمال شود به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد.
پیزوالکتریک استفاده‌های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الترونیکی، میکروبالانس‌ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن اشعه‌های نور در مقیاس بسیار بزرگ. این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک‌های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM، AFM، MTA انجام شد. SNOM همچنین استفاده‌های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگار اثر پیروالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط Carl مطالعه شد و با الهام از این موضوع ادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه‌ای وجود دارد گرچه آزمایش های آن‌ها نتیجه‌ی قاطعی نداد.
اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران آن‌ها دانششان را از پیزوالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش‌بینی رفتار کریستال‌ها شد و اثبات کردند کریستال‌های خاصیت پیزوالکتریک دارند و Rochelle salt بیش‌ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می‌کنند. اگرچه Curies اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش‌بینی نکرد، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط Gabriel Lippmann در سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. بلافاصله وجود اثر معکوس را تأیید کرد و به تحقیقات خود ادامه داد تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی- الاستیکی -مکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک را بدست آورد.
خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده‌ی رفتار الکتریکی ماده است
حسگرها ی پیزوالکتریک:
بعضی مواد طبیعی یا مصنوعی مانند کوارتز ، تورمالین ، لیتیم سولفات و ... هنگامی که تحت تغییر شکل یا بار مکانیکی قرار می گیرند ، بار الکتریکی تولید می کنند به این مواد ، مواد پیزو الکتریک گویند(اثر پیزو الکتریک). همچنین به عکس می توان با اعمال ولتاژ به این مواد تغییر شکل مکانیکی در آن ها ایجاد کرد(اثر پیزوالکتریک معکوس). کاربردهای آن: انواع سنسورهای پیزو الکتریک (شتاب) سنج(Accelerometer)، کرنش سنج(Strain gage) (سنسورهای نیرو وفشار ) ، شتاب دهنده های پیزوالکتریک(Actuators) نوسانگر پیزو الکتریک ، چشمه موج یا سنسور آلتراسونیک ، منبع با ولتاژ بالا و بسیاری دیگر... اصل مورد بحث در به کارگیری حسگرهای پیزوالکتریک این است که یک بعد فیزیکی که به یک نیرو تبدیل شده در دو جنبه متضاد از عنصر حسگر بودن عمل می‌کند.
بسته به طراحی یک حسگر، گونه‌های مختلفی می‌تواند برای بارگذاری پیزوالکتریک مورد استفاده قرار گیرد. تشخیص انواع فشار به شکل صدا معمول‌ترین نوع عمل حسگر است، به عنوان مثال میکروفن‌های پیزوالکتریک (امواج صوتی ماده پیزوالکتریک را مرتعش ساخته و باعث تغییر ولتاژ می‌شوند) و یا گیرنده‌های پیزوالکتریک در گیتارهای الکتریکی. حسگر پیزوالکتریک که به بدنه‌ی یک آلت (موسیقی) متصل شده باشد را میکروفن اتصال می‌خوانند. حسگرهای پیزوالکتریک به طور ویژه توأم با صداهای با فرکانس بالا در مبدل‌های مافوق صوت جهت عکسبرداری‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تحقيقي در اندازه گيري الكترونيكي حسگرهای پيزوالكتريك :
حسگرهای پيزوالكتريك بر پايه اصل پيزوالكتريسيته استوار هستند. به اين معنا كه اگر يك ماده به عنوان مثال يك سراميك، پيزوالكتريك باشد، وقتي تحت تاثير فشار قرار مي گيرد در سطح آن بار الكتريكي توليد ميشود يا وقتي در ميدان الكتريكي قرار ميگيرد تغيير شكل مكانيكي مي يابد. ميزان بار الكتريكي يا تغيير شكل مكانيكي به تركيب ماده بستگي دارد.
در ساختمان اين سراميك ها موادي نظير: اكسيد سرب، تيتانيا، زيركونيا و غيره وجود دارند كه بسته به نوع كاربرد اين مواد با نسبت هاي مختلف با هم مخلوط مي شوند. با تغيير تركيب و ابعاد قطعات مي توان پيزوسراميك ها را براي كاربردهاي مختلف طراحي كرد، از جمله شتاب سنج ها، مبدل هاي كوچك، حس گرهاي خودرو، سنسورهاي جريان سيالات و در بخش پزشكي در مبدل تصويرگرهاي تشخيصي و مانيتورهاي قلب جنين ، تفنگ هاي ليزري، چاقوهاي كوچك جراحي و كالبدشكافي، پاك كننده‌هاي دنداني، پمپ هاي IV ،پمپ هاي قلب و مبدل هاي كوچك در مجاري خون در جهت ثبت تغييرات متناوب ضربان قلب امروزه تحقيقات بزرگ و پيشرفت هاي عظيم بر پايه محاسبات جزيي و دقيق مهندسي بنا شده است. پايه اين محاسبات ، اندازه گيري هاي دقيقي است كه مي بايست انجام شود.
در دنـيـــاي امـــروز ايـــن انــدزه گـيــري هــا بــه روش‌هــاي مــدرن و بــا دستگـاه هـاي پيشـرفتـه مهندسي انجام مي گیرد.
اندازه گيري در حقيقت بـه مـعـنـاي پروسه مشخص كردن يا پيدا كردن انــدازه، زاويـه يـا در كـل كـمـيـت اسـت. وسـايـل انــدازه‌گـيـري وسـايلـي هستنـد كـه كميـت هـاي اندازه‌گيري را به اطلاعات آنالوگ يا ديجيتال تبديل مي كنند. يكي از اين وسايل اندازه گيري سنسورهاي پيزوالكتريك هستند كه براي سنس كـردن تـغـيـيـرات بـسـيـار جـزئـي به كار مي‌آيند. پيزوالكتريسيته توسط پيروژاك كوري در سال 1892 كشف شد و از واژه يوناني Piezin به معني "فشار" مشتق مي شود.
اعمال فشار به برخي كريستال ها مانند كوارتز يا برخي سراميك ها ، الكتريسيته توليد مي كند. فشار يا تنش مكانيكي وارد شده به برخي كريستال ها باعث جابه جايي دو قطبي هاي ايجاد شده و پديد آمدن ميدان الكتريكي مي شود. آرايش يون هاي مثبت و منفي، تعيين كننده ايجاد يا عدم ايجاد اثر پيزوالكتريسيته است. اين سنسورها كاربردهاي گسترده اي از صنعت خودرو سازي تا اندازه گيري فشار خون در رگ ها در جهت ثبت تغييرات متناوب ضربان قلب دارند
ساختار:
همانطور كه گفته شد سنسورهاي پيزوالكتريك بر پايه اصل پيزوالكتريسيته استوار هستند. به اين معنا كه اگر يك ماده به عنوان مثال يك سراميك، پيزوالكتريك باشد، وقتي تحت تاثير فشار قرار مي گيرد در سطح آن بار الكتريكي توليد مي شود؛ يا وقتي در ميدان الكتريكي قرار ميگيرد تغيير شكل مكانيكي مي يابد. اين جابجايي بارهاي الكتريكي را در شبكه اتمي يك كريستال پيزوالكتريك طبيعي، در پاسخ گويي به فشار را مي توان در شكل 1 مشاهده مي شود. دايره هاي بزرگ نشان دهنده اتم هاي سيليكون هستند.
در حالي‌كه دايره هاي كوچك، نشان دهنده اتم هاي اكسيژن هستند. كوارتز كريستالي ، هم نـوع كريستال طبيعي يا كيفيت بالا و هم نوع تغيير يافته آن، از جمله مهمترين مواد پيزوالكتريك مورد دسترس، حساس و پايدار هستند.
عـلاوه بـر كـريستـال هاي كوارتز مي توان، PCB هاي طراحي شده با به كارگيري تكنولوژي انساني، پلي كريستال ها و پيزو سراميك ها را نام برد. اين مواد با كاربرد ميدان الكتريكي گسترده اي، تحت فشار قرار گرفته اند، تا تبديل به مواد پيزوالكتريك شوند، يــك خــروجــي high-voltage قــوي را تــوليـد مـي كنـد. ايـن ويـژگـي بـراي استفـاده در سيستم‌هاي اندازه گيري كم نويز، يك ويژگي بسيار ايده آل است.
با ارزش سختي يكسان نسبت به Psi 6E15 كه مشابه بسياري از فلزات است، مواد پيزوالكتريك خروجي هاي بالا را به وسيله كرنش هاي كوچك كاهش مي دهند. به عبارت ديگر، مواد پيزوالكتريك موادي را سنجش مي كنند كه ضرورتا شكست و انكسار نداشته باشند و اغلب به حالت جامد باشند. اين به اين دليل است كه سنسورهاي پيزوالكتريك بسيار قوي هستند و اين ويژگي عالي، يك رابطه خطي با ميدان گسترده نوسان دارد. در حقيقت، وقتي سيگنال مناسب طراحي شده به طور صحيح به هم بپيـونـدنـد، سنسـورهـاي پيـزوالكتـريـك داراي يـك محـدوده نـوسـان پـويـا (براي مثال، محدوده اندازه گيري نسبت به نويز) دارند. نكته مهم نهايي درباره مواد پيزوالكتريك اين است كه آن ها تنها مي توانند اتفاقات پويا و در حال تغيير را اندازه بگيرند. سنسورهاي پيزوالكتريك قادر به اندازه گيري حوادث استاتيك پيوسته مانند: سيستم داخلي هدايت موشك، فشار هوا و اندازه گيري وزن نيستند، در حالي‌كه حوادث استاتيك دليل اوليه خروجي هستند؛ اين سيگنال به آهستگي ضعيف شده، بر اساس مواد پيزوالكتريك يا متعلق به الكترونيك زمان ثابت است. اين بار ثابت مطابق با مرتبه اول فيلتر بالاگذر است و براساس خازن و مقاومت دستگاه است. اين فيلتر بالا گذر در نهايت تعيين كننده فركانس قطع پائين يا اندازه گيري سطح دستگاه مي شود
دو نمونه از مواد پيزوالكتريك:
پيزوالكتريك: (PZT)
حساسيت شارژ بالا
كوارتز:
پايدار، پيزوالكتريك نشده
حساسيت شارژ پائين، اما حساسيت ولتاژ بالا
تئوري و مدل سازي:
تئوري پايه اي كه پشت پيزوالكتريسيته وجود دارد براساس دوقطبي الكتريكي است. در سطح ملكولي، ساختار مواد پيزوالكتريك به طور معمول، پيوند يوني كريستال است. در نتيجه دو قطبي ها به وسيله ي يون هاي مثبت و منفي كه همديگر را خنثي مي‌كنند و به علت تقارن، ساختار كريستال تشكيل مي شود و ميدان الكتريكي مشاهده نمي شود. وقتي تنش وارد مي شود، كريستال تغيير شكل مي دهد، تقارن از دست رفته و شبكه دو قطبي در يك لحظه تشكيل مي شود. اين دو قطبي لحظه اي يك ميدان الكتريكي در راستاي كريستال تشكيل مي دهد
در اين روش، توليد شارژ الكتريكي توسط مواد متناسب با فشار اعمال شده اگر نيروي رفت و برگشتي اعمال شود، ولتاژ AC در ترمينال دستگاه مشاهده مي شود. سنسورهاي نيروي الكتريك براي كاربردهاي DC و استاتيك مناسب نيستند زيرا شارژ الكتريكي توليد شده، بـه علـت امپـدانـس داخلـي سنسـور و امپـدانـس ورودي تـوسـط مـدار سـيـگـنـال مناسب، بازمان تـنــزل پـيــدا مــي كـنــد.بــا ايــن حـال، آن هـا بـراي كاربردهاي ديناميك و AC مناسب هستند
يك سنسور پيزوالكتريك به عنوان يك منبع شارژ با يك خازن موازي و مقاومت، و يا به عنوان منبـع با يك خازن سري و مقاومت، مدل شده اســــت. ايــــن مــــدل هـــا در شـكـــل 3 هـمـــراه بـــا عــلامـت‌هـاي شـمـاتـيـك رايـج نـشـان داده شـده اســـت.
شـــارژ تــولـيــد شــده بـسـتـگــي بــه ثــابــت پيـزوالكتـريـك دستگـاه دارد. ظـرفيـت خازن به وســيــلــــه مــســــاحــــت هـمـــان عـــرض و ثـــابـــت دي‌الكتريك مواد تعيين ميشود. همانطور كه قبلا ذكر شد محاسبه مقاومت براي اتلاف شارژ استاتيك است.
نمايش يك نيروي معمولي، فشار و سنسور شتاب در شكل 4 نشان داده شده است. الكترود سـيـاه جايي است كه شارژ بلورها در آن مكان انـبـاشـتـه مـي شـود مـدار مـيكرو و شتاب سنج، همچنين داراي جرم است توجه داشته باشيد كه آن ها تفاوت خيلي كوچكي در تنظيمات داخلي دارنـــد. در شــتـــاب ســنـــج هـــا كــه حــركــت را انـدازه‌گـيـري مـي كـنند، جرم ثابت،M ""، توسط كريستال‌ها، به سادگي و با استفاده از قانون دوم نـيـوتـون قـابـل مـحـاسـبـه اسـت: F=MA.
فـشـار و نيروي سنسورها تقريبا ً يكسان است و متكي بر تغيير شكل نيروي خارجي كريستال ها است. تفاوت بزرگ اين است سنسورهاي فشار براي جمع كردن فشار يك ديافراگم به كار مي برند، كه بـه سـادگي توسط نيروي خارج از محيط وارد ميشود.
مقدمه :
پیزوالکتریک باری است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می‌شود (مخصوصاً در کریستال‌ها، بعضی سرامیک‌ها و اجسام زیستی مانند استخوان، DNA و پروتئین‌های مختلف) . لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته‌ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده و الکتریک نماد عنبر است .( یک منبع قدیمی جریان الکتریکی)
اثر پیزو الکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می‌شود. اثر پیزوالکتریک یک فرآیند قابل برگشت است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک(تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می‌کنند اثر پیزوالکتریک معکوس(تولید داخلی نیروی الکتریکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می‌کنند. به عنوان مثال سرامیک‌های PZT O۳ ۰≤x≤۱) اگر به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه‌گیری تولید خواهند کرد.
برعکس اگر میدان الکتریکی به آن‌ها اعمال شود به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد.
پیزوالکتریک استفاده‌های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الترونیکی، میکروبالانس‌ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن اشعه‌های نور در مقیاس بسیار بزرگ. این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک‌های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM، AFM، MTA انجام شد. SNOM همچنین استفاده‌های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگار اثر پیروالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط Carl مطالعه شد و با الهام از این موضوع ادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه‌ای وجود دارد گرچه آزمایش های آن‌ها نتیجه‌ی قاطعی نداد.
اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران آن‌ها دانششان را از پیزوالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش‌بینی رفتار کریستال‌ها شد و اثبات کردند کریستال‌های خاصیت پیزوالکتریک دارند و Rochelle salt بیش‌ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می‌کنند. اگرچه Curies اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش‌بینی نکرد، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط Gabriel Lippmann در سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. بلافاصله وجود اثر معکوس را تأیید کرد و به تحقیقات خود ادامه داد تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی- الاستیکی -مکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک را بدست آورد.
خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده‌ی رفتار الکتریکی ماده است
حسگرها ی پیزوالکتریک:
بعضی مواد طبیعی یا مصنوعی مانند کوارتز ، تورمالین ، لیتیم سولفات و ... هنگامی که تحت تغییر شکل یا بار مکانیکی قرار می گیرند ، بار الکتریکی تولید می کنند به این مواد ، مواد پیزو الکتریک گویند(اثر پیزو الکتریک). همچنین به عکس می توان با اعمال ولتاژ به این مواد تغییر شکل مکانیکی در آن ها ایجاد کرد(اثر پیزوالکتریک معکوس). کاربردهای آن: انواع سنسورهای پیزو الکتریک (شتاب) سنج(Accelerometer)، کرنش سنج(Strain gage) (سنسورهای نیرو وفشار ) ، شتاب دهنده های پیزوالکتریک(Actuators) نوسانگر پیزو الکتریک ، چشمه موج یا سنسور آلتراسونیک ، منبع با ولتاژ بالا و بسیاری دیگر... اصل مورد بحث در به کارگیری حسگرهای پیزوالکتریک این است که یک بعد فیزیکی که به یک نیرو تبدیل شده در دو جنبه متضاد از عنصر حسگر بودن عمل می‌کند.
بسته به طراحی یک حسگر، گونه‌های مختلفی می‌تواند برای بارگذاری پیزوالکتریک مورد استفاده قرار گیرد. تشخیص انواع فشار به شکل صدا معمول‌ترین نوع عمل حسگر است، به عنوان مثال میکروفن‌های پیزوالکتریک (امواج صوتی ماده پیزوالکتریک را مرتعش ساخته و باعث تغییر ولتاژ می‌شوند) و یا گیرنده‌های پیزوالکتریک در گیتارهای الکتریکی. حسگر پیزوالکتریک که به بدنه‌ی یک آلت (موسیقی) متصل شده باشد را میکروفن اتصال می‌خوانند. حسگرهای پیزوالکتریک به طور ویژه توأم با صداهای با فرکانس بالا در مبدل‌های مافوق صوت جهت عکسبرداری‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تحقيقي در اندازه گيري الكترونيكي حسگرهای پيزوالكتريك :
حسگرهای پيزوالكتريك بر پايه اصل پيزوالكتريسيته استوار هستند. به اين معنا كه اگر يك ماده به عنوان مثال يك سراميك، پيزوالكتريك باشد، وقتي تحت تاثير فشار قرار مي گيرد در سطح آن بار الكتريكي توليد ميشود يا وقتي در ميدان الكتريكي قرار ميگيرد تغيير شكل مكانيكي مي يابد. ميزان بار الكتريكي يا تغيير شكل مكانيكي به تركيب ماده بستگي دارد.
در ساختمان اين سراميك ها موادي نظير: اكسيد سرب، تيتانيا، زيركونيا و غيره وجود دارند كه بسته به نوع كاربرد اين مواد با نسبت هاي مختلف با هم مخلوط مي شوند. با تغيير تركيب و ابعاد قطعات مي توان پيزوسراميك ها را براي كاربردهاي مختلف طراحي كرد، از جمله شتاب سنج ها، مبدل هاي كوچك، حس گرهاي خودرو، سنسورهاي جريان سيالات و در بخش پزشكي در مبدل تصويرگرهاي تشخيصي و مانيتورهاي قلب جنين ، تفنگ هاي ليزري، چاقوهاي كوچك جراحي و كالبدشكافي، پاك كننده‌هاي دنداني، پمپ هاي IV ،پمپ هاي قلب و مبدل هاي كوچك در مجاري خون در جهت ثبت تغييرات متناوب ضربان قلب امروزه تحقيقات بزرگ و پيشرفت هاي عظيم بر پايه محاسبات جزيي و دقيق مهندسي بنا شده است. پايه اين محاسبات ، اندازه گيري هاي دقيقي است كه مي بايست انجام شود.
در دنـيـــاي امـــروز ايـــن انــدزه گـيــري هــا بــه روش‌هــاي مــدرن و بــا دستگـاه هـاي پيشـرفتـه مهندسي انجام مي گیرد.
اندازه گيري در حقيقت بـه مـعـنـاي پروسه مشخص كردن يا پيدا كردن انــدازه، زاويـه يـا در كـل كـمـيـت اسـت. وسـايـل انــدازه‌گـيـري وسـايلـي هستنـد كـه كميـت هـاي اندازه‌گيري را به اطلاعات آنالوگ يا ديجيتال تبديل مي كنند. يكي از اين وسايل اندازه گيري سنسورهاي پيزوالكتريك هستند كه براي سنس كـردن تـغـيـيـرات بـسـيـار جـزئـي به كار مي‌آيند. پيزوالكتريسيته توسط پيروژاك كوري در سال 1892 كشف شد و از واژه يوناني Piezin به معني "فشار" مشتق مي شود.
اعمال فشار به برخي كريستال ها مانند كوارتز يا برخي سراميك ها ، الكتريسيته توليد مي كند. فشار يا تنش مكانيكي وارد شده به برخي كريستال ها باعث جابه جايي دو قطبي هاي ايجاد شده و پديد آمدن ميدان الكتريكي مي شود. آرايش يون هاي مثبت و منفي، تعيين كننده ايجاد يا عدم ايجاد اثر پيزوالكتريسيته است. اين سنسورها كاربردهاي گسترده اي از صنعت خودرو سازي تا اندازه گيري فشار خون در رگ ها در جهت ثبت تغييرات متناوب ضربان قلب دارند
ساختار:
همانطور كه گفته شد سنسورهاي پيزوالكتريك بر پايه اصل پيزوالكتريسيته استوار هستند. به اين معنا كه اگر يك ماده به عنوان مثال يك سراميك، پيزوالكتريك باشد، وقتي تحت تاثير فشار قرار مي گيرد در سطح آن بار الكتريكي توليد مي شود؛ يا وقتي در ميدان الكتريكي قرار ميگيرد تغيير شكل مكانيكي مي يابد. اين جابجايي بارهاي الكتريكي را در شبكه اتمي يك كريستال پيزوالكتريك طبيعي، در پاسخ گويي به فشار را مي توان در شكل 1 مشاهده مي شود. دايره هاي بزرگ نشان دهنده اتم هاي سيليكون هستند.
در حالي‌كه دايره هاي كوچك، نشان دهنده اتم هاي اكسيژن هستند. كوارتز كريستالي ، هم نـوع كريستال طبيعي يا كيفيت بالا و هم نوع تغيير يافته آن، از جمله مهمترين مواد پيزوالكتريك مورد دسترس، حساس و پايدار هستند.
عـلاوه بـر كـريستـال هاي كوارتز مي توان، PCB هاي طراحي شده با به كارگيري تكنولوژي انساني، پلي كريستال ها و پيزو سراميك ها را نام برد. اين مواد با كاربرد ميدان الكتريكي گسترده اي، تحت فشار قرار گرفته اند، تا تبديل به مواد پيزوالكتريك شوند، يــك خــروجــي high-voltage قــوي را تــوليـد مـي كنـد. ايـن ويـژگـي بـراي استفـاده در سيستم‌هاي اندازه گيري كم نويز، يك ويژگي بسيار ايده آل است.
با ارزش سختي يكسان نسبت به Psi 6E15 كه مشابه بسياري از فلزات است، مواد پيزوالكتريك خروجي هاي بالا را به وسيله كرنش هاي كوچك كاهش مي دهند. به عبارت ديگر، مواد پيزوالكتريك موادي را سنجش مي كنند كه ضرورتا شكست و انكسار نداشته باشند و اغلب به حالت جامد باشند. اين به اين دليل است كه سنسورهاي پيزوالكتريك بسيار قوي هستند و اين ويژگي عالي، يك رابطه خطي با ميدان گسترده نوسان دارد. در حقيقت، وقتي سيگنال مناسب طراحي شده به طور صحيح به هم بپيـونـدنـد، سنسـورهـاي پيـزوالكتـريـك داراي يـك محـدوده نـوسـان پـويـا (براي مثال، محدوده اندازه گيري نسبت به نويز) دارند. نكته مهم نهايي درباره مواد پيزوالكتريك اين است كه آن ها تنها مي توانند اتفاقات پويا و در حال تغيير را اندازه بگيرند. سنسورهاي پيزوالكتريك قادر به اندازه گيري حوادث استاتيك پيوسته مانند: سيستم داخلي هدايت موشك، فشار هوا و اندازه گيري وزن نيستند، در حالي‌كه حوادث استاتيك دليل اوليه خروجي هستند؛ اين سيگنال به آهستگي ضعيف شده، بر اساس مواد پيزوالكتريك يا متعلق به الكترونيك زمان ثابت است. اين بار ثابت مطابق با مرتبه اول فيلتر بالاگذر است و براساس خازن و مقاومت دستگاه است. اين فيلتر بالا گذر در نهايت تعيين كننده فركانس قطع پائين يا اندازه گيري سطح دستگاه مي شود
دو نمونه از مواد پيزوالكتريك:
پيزوالكتريك: (PZT)
حساسيت شارژ بالا
كوارتز:
پايدار، پيزوالكتريك نشده
حساسيت شارژ پائين، اما حساسيت ولتاژ بالا
تئوري و مدل سازي:
تئوري پايه اي كه پشت پيزوالكتريسيته وجود دارد براساس دوقطبي الكتريكي است. در سطح ملكولي، ساختار مواد پيزوالكتريك به طور معمول، پيوند يوني كريستال است. در نتيجه دو قطبي ها به وسيله ي يون هاي مثبت و منفي كه همديگر را خنثي مي‌كنند و به علت تقارن، ساختار كريستال تشكيل مي شود و ميدان الكتريكي مشاهده نمي شود. وقتي تنش وارد مي شود، كريستال تغيير شكل مي دهد، تقارن از دست رفته و شبكه دو قطبي در يك لحظه تشكيل مي شود. اين دو قطبي لحظه اي يك ميدان الكتريكي در راستاي كريستال تشكيل مي دهد
در اين روش، توليد شارژ الكتريكي توسط مواد متناسب با فشار اعمال شده اگر نيروي رفت و برگشتي اعمال شود، ولتاژ AC در ترمينال دستگاه مشاهده مي شود. سنسورهاي نيروي الكتريك براي كاربردهاي DC و استاتيك مناسب نيستند زيرا شارژ الكتريكي توليد شده، بـه علـت امپـدانـس داخلـي سنسـور و امپـدانـس ورودي تـوسـط مـدار سـيـگـنـال مناسب، بازمان تـنــزل پـيــدا مــي كـنــد.بــا ايــن حـال، آن هـا بـراي كاربردهاي ديناميك و AC مناسب هستند
يك سنسور پيزوالكتريك به عنوان يك منبع شارژ با يك خازن موازي و مقاومت، و يا به عنوان منبـع با يك خازن سري و مقاومت، مدل شده اســــت. ايــــن مــــدل هـــا در شـكـــل 3 هـمـــراه بـــا عــلامـت‌هـاي شـمـاتـيـك رايـج نـشـان داده شـده اســـت.
شـــارژ تــولـيــد شــده بـسـتـگــي بــه ثــابــت پيـزوالكتـريـك دستگـاه دارد. ظـرفيـت خازن به وســيــلــــه مــســــاحــــت هـمـــان عـــرض و ثـــابـــت دي‌الكتريك مواد تعيين ميشود. همانطور كه قبلا ذكر شد محاسبه مقاومت براي اتلاف شارژ استاتيك است.
نمايش يك نيروي معمولي، فشار و سنسور شتاب در شكل 4 نشان داده شده است. الكترود سـيـاه جايي است كه شارژ بلورها در آن مكان انـبـاشـتـه مـي شـود مـدار مـيكرو و شتاب سنج، همچنين داراي جرم است توجه داشته باشيد كه آن ها تفاوت خيلي كوچكي در تنظيمات داخلي دارنـــد. در شــتـــاب ســنـــج هـــا كــه حــركــت را انـدازه‌گـيـري مـي كـنند، جرم ثابت،M ""، توسط كريستال‌ها، به سادگي و با استفاده از قانون دوم نـيـوتـون قـابـل مـحـاسـبـه اسـت: F=MA.
فـشـار و نيروي سنسورها تقريبا ً يكسان است و متكي بر تغيير شكل نيروي خارجي كريستال ها است. تفاوت بزرگ اين است سنسورهاي فشار براي جمع كردن فشار يك ديافراگم به كار مي برند، كه بـه سـادگي توسط نيروي خارج از محيط وارد ميشود.
