SVEUČILIŠTE U RIJECI

TEHNIČKI FAKULTET

ZAVOD ZA KONSTRUIRANJE U STROJARSTVU

ELEKTRONIČKE KOMPONENTE MEHATRONIČKIH SUSTAVA

Seminarski rad

PIEZOELEKTRIČNI SENZORI

Zlatko Butković

Rijeka, siječanj 2013. 0069044468

1

SADRŽAJ

1. UVOD .............................................................................................................. 2

2. PIEZOELEKTRIČNI EFEKT ............................................................................ 3

3. JEDNOSTAVNI PIEZOELEKTRIČNI SENZOR .............................................. 4

4. PREDNOSTI I NEDOSTACI ............................................................................ 6

5. MATERIJALI KOD PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA .................................... 7

6. PODRUČJA PRIMJENE PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA .............................. 8

6.1. PIEZOELEKTRIČNI SENZORI PRITISKA .......................................................... 9

6.2. PIEZOELEKTRIČNI AKCELEROMETAR ..........................................................12

LITERATURA ...................................................................................................... 14

POPIS SLIKA ....................................................................................................... 15

2

1. UVOD

Piezoelektrični senzori rade na principu piezoelektričnog efekta (grč. piezo -

gurati). Piezoelektrični efekt je pojava stvaranja električnog naboja na površini nekih

čvrstih tvari prilikom njihove mehaničke deformacije. Prisutan je i obrnuti efekt –

mehanička deformacija materijala kada je na njega primijenjen električni napon.

Otkrili su ga braća Pierre i Jacques Curie 1880. godine. Piezoelektrični efekt

pokazuju mnoge tvari, primjerice kvarc, topaz, minerali iz grupe turmalina, kost,

svila, drvo te umjetni materijali poput raznih vrsta keramike, plastike i kristala. Iako

je dugo nakon otkrića bio samo zanimljiv laboratorijski efekt, s vremenom je

pronašao primjenu u brojnim uređajima. [1]

Prva praktična primjena piezoelektričnog efekta bila je u sonarima tijekom Prvog

svjetskog rata. Nakon toga uslijedilo je detaljnije istraživanje efekta i njegova

primjena. Danas se piezoelektrične efekt koristi u mnogim područjima. Vjerojatno

najrasprostranjenija primjena je u džepnim upaljačima. Kada se upaljač pritisne,

okidač sa oprugom udara u komad piezoelektričnog kristala i uslijed njegove

deformacije stvara se električni potencijal koji izaziva iskru i pali plin. Piezoelektrični

efekt se koristi i u tintnim pisačima za stvaranje mikroskopskih kapljica tinte, zatim

u brizgaljkama common-rail dizelskih motora za precizno doziranje goriva, u

mikrofonima, pojačalima, transformatorima, generatorima itd. Piezoelektrični efekt

ovisi o temperaturi, pa taj efekt opada sa smanjenjem temperature i to cca. 0.3% po

Kelvinu. Curieva temperatura kada će materijal izgubiti svoja piezo svojstva je oko

150 ... 250 °C (upotrebljavaju se od 80 do 150 °C). [1]

3

2. PIEZOELEKTRIČNI EFEKT

Ako se na dielektrični materijal monokristalne strukture djeluje silom F kristalna

rešetka će se deformirati. Uslijed deformacije rešetke javlja se piezoelektricitet čiji

se napon mjeri na elektrodama postavljenim na površini kristala. Količina

elektriciteta zavisi od sile kojom se rešetka deformira:

Q = d∙F gdje je:

F – sila deformiranja

d – konstanta kristala

Napon između elektroda određen je izrazom :

U = Q/C gdje je:

Q – količina elektriciteta

C – kapacitativnost

Kako je p = F/A tada je je Q = d∙p∙A. Kapacitativnost je dana izrazom:

C = (ɛ∙A)/l gdje je ɛ linearna dilatacija. Tada je

� = � ∙ � ∙ �ɛ ∙ �� = � ∙ � ∙ �ɛ

Ako se uvede oznaka g = d/ɛ∙b tada je napon između elektroda:

U = g∙p∙l

Vrijednosti g i d su karakteristike kristala. Piezoelektrični senzori se najčešće koriste

za mjerenje mehaničkih vibracija (piezoelektrični akcelerometri) i kao senzori tlaka.

[1]

4

3. JEDNOSTAVNI PIEZOELEKTRIČNI SENZOR

Jednostavni piezoelektrični senzori se grade u obliku: prizme, diska, cilindra ili

dijela cilindra (slika 1.).

a) b) c) d)

Slika 1. Jednostavni piezoelektrični senzor

a) traka, b) disk, c) cilindar, d) uzdužni segment cilindra [1]

Izlazni napon je pozitivan kada je prizma podvrgnuta sabijanju. Najveća osjetljivost

je kada je maksimalan odnos l/d, tj. kada je piezoelektrik u obliku trake. Traka ima

malu čvrstoću pa se lako lomi pod uzdužnim opterećenjem.

Oblik diska je povoljniji u pogledu čvrstoće. Površina diska se posrebruje kako bi

kontakt između piezoelektrika i priključnih vodova bio što bolji.

Najbolju čvrstoću ima senzor u obliku cilindra, ali ga je tehnološki najteže proizvesti.

Potrebno je da poprečni presjek što manje odstupa od kružnog prstena i da debljina

bude jednaka po cijelom obujmu. Uzdužni segment cilindra ima sva dobra svojstva

cilindra i zbog zakrivljenosti je čvršći od trake.

Nedostaci jednostavnih piezoelektričnih senzora su mali izlazni napon i slaba

mehanička čvrstoća pa se grade višestruki ili složeni senzori (paralelno – serijsko

spajanje više jednostavnih piezoelektričnih senzora slika 2.). [1]

5

a) b) c)

Slika 2. Višestruki piezoelektrični senzor

a) lamelni, b)diskoidni, c) trosegmentni [1]

6

4. PREDNOSTI I NEDOSTACI

Prednosti piezoelektričnih senzora:

• pomak (linearni) ovisi o naponu

• visoke razlučivosti (izmjereno čak 0,01 nm)

• ponovljivosti od oko 1 nm

• visoka opteretivost

• veliki dinamički raspon primjene

• bez mehaničke zračnosti, habanja, i stick-slipa (prekida)

• pomak kod v ≈ 0 zbog karakteristike trenja

• mogu se koristiti u vakuumu.

Nedostaci piezoelektričnih senzora:

• raspon pomaka je ograničen (μm)

• histereza + puzanje→ feedback

• keramički materijal → krhak (lomovi)

• opterećenje na vlak – često su prednapregnuti da bi mogli raditi push-pull

(vlak 5 ... 10% tlaka) – na savijanje, torziju ili tangencijalno)

• stack aktuatori se i savijaju dovodeći do parazitnih pomaka

• 1 ... 12% snage kod dinamičkih aplikacija se gubi u toplini

• svojstva degradiraju s vremenom

• visoka osjetljivost na promjene temperature (kod Curieve temperature

neupotrebljivi)

• potrebni (veliki) amplifikatori

• cijena

7

5. MATERIJALI KOD PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA

Dvije važne grupe materijala se koriste kod piezoelektričnih senzora:

piezoelektrične keramike i specijalni kristali. Keramike se proizvode sinteriranjem i

posjeduju piezoelektričnu konstantu, koja može biti dva reda veličine veća nego kod

kristalnih materijala. Nažalost, ova visoka osjetljivost je propraćena lošom

dugotrajnom stabilnošću. Piezoelektrična keramika može se promatrati kao

magnetizirana željezna šipka. Magnetizam se naknadno „unosi“ u materijal i može

se mijenjati s vremenom. Monokristali (kao što su turmalin, kvarc, galijum fosfat –

GaPO4) su drugačiji. U njihovom slučaju je specifična struktura kristalne rešetke

odgovorna za piezo efekt. U principu su kristali manje osjetljivi, ali imaju značajno

višu, gotovo beskonačnu dugotrajnu stabilnost. Neki od materijala koji se koriste –

naročito galijum fosfat i turmalin – imaju izuzetnu stabilnost u širokom

temperaturnom rasponu tako da se mogu koristiti na temperaturama do 1000°C.

Sve piezokeramike i turmalin nisu samo piezoelektrici, oni su i piroelektrici. To znači

da se signal naboja ne oslobađa samo sa promjenom opterećenja, nego i sa

promjenom temperature. Ova karakteristika nije svojstvena kvarcu i galijum fosfatu,

zbog čega su ovi kristali posebno pogodni za mjerenja. [2]

8

6. PODRUČJA PRIMJENE PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA

Ovaj princip mjerenja se koristi od 1940-tih, a danas je to sofisticirana tehnologija

sa izuzetnom pouzdanošću tako da se danas piezoefekt uspješno primjenjuje u

mnogim kritičnim aplikacijama, kao što su medicinske, avio i nuklearne tehnologije.

Uspon piezoelektrične tehnologije je zasnovan na brojnim prednostima. Iako su

piezoelektrični senzori elektromehanički sistemi koji reagiraju na pritisak, mjerni

element gotovo da ne trpi nikakvu deformaciju (obično dolazi do savijanja od

nekoliko mikrometara). To je jedan od razloga zašto su ovi senzori toliko robusni i

zašto imaju tako visoku vlastitu frekvenciju i linearnost, čak i u najtežim uvjetima.

Piezoelektrična tehnologija je neosjetljiva na elektromagnetna i radioaktivna

zračenja. Jedan od nedostataka piezoelektričnih senzora je njihova primjena kod

statičkih mjerenja. Statičke sile proizvode određenu količinu naboja na površini

piezoelektričnog materijala. Prilikom rada sa uobičajenim elektronikama i

materijalima koji nisu savršeno izolirani, dolazi do kontinuiranog gubitka naboja, što

proizvodi stalni gubitak signala. Bilo bi pogrešno kada bi pretpostavili da se

piezoelektrični senzori mogu koristiti samo za veoma brze procese pod određenim

uvjetima. Postoje brojne aplikacije gdje se mjerenja odvijaju u kvazi-statičkim

uvjetima, iako je to u svakom slučaju područje tehnologije mjernih traka. Svakako

način na koji se koriste mjerni elementi je veoma različit kod primjene senzora sile

na bazi mjernih traka i kod piezoelektričnih senzora sile. Mjerne trake se instaliraju

na mjerna tijela koja se deformiraju kada se izlažu sili. Tako cjelokupno opterećenje

prolazi kroz tijelo, a samo dio kroz mjerne trake. Zbog krutosti kristala, piezo

tehnologija je zasnovana na činjenici da kompletna sila prolazi kroz sam senzor i

tako imamo pravi mehatronički element. Visoka stabilnost monokristala omogućava

da piezo senzori budu veoma kompaktni. Ova minimalna deformacija kristala pri

nominalnom opterećenju je također idealna za linearnost senzora, budući da mali

pomaci veoma malo utječu na promjenu toka sile. Kada se to kombinira sa

stabilnošću mjernog elementa dobije se senzor sa odgovarajućim stupnjem

sigurnosti od preopterećenja i dugotrajnom stabilnošću. [2]

9

6.1. PIEZOELEKTRIČNI SENZORI PRITISKA

Piezoelektrični senzori tlaka mogu se izvesti u minijaturnom mjerilu, imaju

izvrsne dinamičke značajke te zahvaljujući linearnoj statičkoj karakteristici

omogućuju precizno umjeravanje i veliku točnost mjerenja.

Zasnivaju se na svojstvu nekih kristala na kojima pod djelovanjem sile dolazi do

razdvajanja naboja (slika 3.). Kristal je u biti dielektrik pa se formira naboj

(kapacitet). Kristali moraju biti rezani u točno određenom smjeru sa plohama

kristalizacije. Za točnije mjerenje često se koriste kvarc kao element piezo senzora

jer je vrlo stabilan.[3]

Slika 3. Djelovanje sile na kristal [3]

� = � ∙ �

Q – količina elektriciteta

d – konstanta kristala

Način mjerenja U0 (idealni slučaj): U0 = Q/ C0

C0 – vlastiti kapacitet senzora

Ck – vlastiti kapacitet vodova koje priključujemo da bi mjerili naboj ili napon

nadomjesnoj shemi

Specifični otpor kvarca je velik, ali se zbog R/C (paralelne veze) zanemaruje.

10

Shematski prikaz kapaciteta je prikazan na slici 4.

Slika 4. Shematski prikaz kapaciteta [3]

Na slici 5. prikazan je piezoelektrični senzor tlaka.

Slika 5. Piezoelektrični senzor tlaka [3]

11

Na slici 6. prikazan je visoko osjetljiv senzor pritiska koji se koristi u akustici, kod

dinamičkih ventila, zrakoplovstvu itd. Na slici 7. prikazane su njegove karakteristike

poput osjetljivosti, razlučivosti, maksimalnog tlaka itd.

Slika 6. Visoko osjetljiv senzor pritiska (model 106B) [4]

Slika 7. Karakteristike visoko osjetljivog senzora (model 106B) [4]

12

6.2. PIEZOELEKTRIČNI AKCELEROMETAR

Piezoelektrični senzori koji se koriste za mjerenje mehaničkih vibracija zovu se

piezoelektrični akcelerometri (slika 8.).

Slika 8. Piezoelektrični akcelerometar [3]

Pod utjecajem ubrzanja masa (m0) djeluje na podlogu silom.

�0 = � ��0

fo – vlastita frekvencija

k – konstanta elastičnosti

Piezoelektrični akcelerometri nemaju pokretnih dijelova, osjetljivi su na visoke

temperature i imaju manju preciznost kod niskih frekvencija. [3]

13

Na slici 9. prikazan je minijaturni piezoelektrični akcelerometar.

Slika 9. Minijaturni piezoelektrični akcelerometar (modeli 6061 i 6062) [5]

Na slici 10. prikazane su karakteristike piezoelektričnog akcelerometra (model

6061 i 6062).

Slika 10. Karakteristike piezoelektričnog akcelerometra (model 6061 6062) [5]

14

LITERATURA

[1] Zaimović-Uzunović N., (2006) Mjerna tehnika,

<http://www.unze.ba/download/SkriptaMetrologija.pdf>, Pristupljeno 17. siječnja

2013.

[2] Ličen H., (Datum nepoznat) Piezo efekat i njegova primena,

<http://www.trcpro.rs/dokumentacija/PDF/clanci/PiezoTehnologija.pdf>,

Pristupljeno 17. siječnja 2013.

[3] Antić G., (2009) Piezoelektrični pretvarači i senzori,

<http://sr.scribd.com/doc/119068796/Piezoelektri%C4%8Dni-pretvara%C4%8Di-i-

senzori>, Pristupljeno 17. siječnja 2013.

[4] SENZOR ZINE, (Datum nepoznat), Catalog of Piezoelectric Pressure Sensors

for Dynamic Measurement, < http://www.sensorzine.com/catalog-of-piezoelectric-

pressure-sensors-for-dynamic-measurement-130.html>, Pristupljeno 29. siječnja

2013.

[5] Columbia Research Laboratories, Inc., (Datum nepoznat) Miniature

Acceleromeers,

<http://pdf.directindustry.com/pdf/columbia-research-laboratories/piezoelectric-

accelerometers/37510-82153.html>, Pristupljeno 29. siječnja 2013.

15

POPIS SLIKA

SLIKA 1. JEDNOSTAVNI PIEZOELEKTRIČNI SENZOR A) TRAKA, B) DISK, C) CILINDAR, D) UZDUŽNI

SEGMENT CILINDRA [1] ................................................................................................. 4

SLIKA 2. VIŠESTRUKI PIEZOELEKTRIČNI SENZOR A) LAMELNI, B)DISKOIDNI, C) TROSEGMENTNI [1]5

SLIKA 3. DJELOVANJE SILE NA KRISTAL [3] ............................................................................ 9

SLIKA 4. SHEMATSKI PRIKAZ KAPACITETA [3] .......................................................................10

SLIKA 5. PIEZOELEKTRIČNI SENZOR TLAKA [3]......................................................................10

SLIKA 6. VISOKO OSJETLJIV SENZOR PRITISKA (MODEL 106B) [4] ..........................................11

SLIKA 7. KARAKTERISTIKE VISOKO OSJETLJIVOG SENZORA (MODEL 106B) [4] ........................11

SLIKA 8. PIEZOELEKTRIČNI AKCELEROMETAR [3] ..................................................................12

SLIKA 9. MINIJATURNI PIEZOELEKTRIČNI AKCELEROMETAR (MODELI 6061 I 6062) [5] .............13

SLIKA 10. KARAKTERISTIKE PIEZOELEKTRIČNOG AKCELEROMETRA (MODEL 6061 6062) [5] ....13