شتاب‌سنج پیزوالکتریک

[Mehdi.Aref 26,769]

یک شتاب سنج پیزو الکترونیک از اثر پیزوالکترونیک (که در مواد خاصی وجود دارد) برای اندازه گیری پارامترهای دینامیکی سیستم‌های مکانیکی (از قبیل شتاب، نوسان و لرزه‌های مکانیکی) استفاده می کند. همانند سایر سنسورهای مبدل یک شتاب سنج پیزو الکترونیک نیز نوعی از انرژی را به نوع دیگری تبدیل کرده و یک سیگنال الکتریکی متانسب با مقدار، ویژگی یا حالتی که می خواهیم اندازه گیری کنیم، به ما می دهد. با استفاده از روش کلی sensing موجود برای تمامی شتاب سنج ها، شتاب یک جرم در حال نوسان که به فنر متصل شده یا جرم آویزان شده به پاندول را محاسبه کرده و این کمیت فیزیکی که از جنس نیرو است را به یک سیگنال الکترونیکی تبدیل می کنیم. قبل از اینکه کمیت شتاب بتواند به یک سیگنال الکترونیکی تبدیل شود باید آن را به جا به جایی یا نیرو تبدیل کنیم که روش انجام این کار در شکل 1 آمده است.

 

1. مقدمه

لغت پیزو الکترونیک از کلمه یونانی " piezein" گرفته شده است که به معنای فشاردادن یا له کردن است. وقتی یک نیروی فیزیکی به شتاب سنج اعمال می شود، در واقع جرم در حال نوسان طبق قانون دوم نیوتون(F = ma) نیرویی به جسم پیزو الکترونیک وارد می کند. این نیروی وارد شده به جسم پیزو الکترونیک خود را به صورت تغییر ولتاژ یا تغییر میدان الکترواستاتیکی حاصل از جسم پیزو الکترونیک نشان می دهد. باید توجه کرد که این‌ها ناشی از اثر مقاومتی اجسام پیزو الکترونیک نیست،. در اثر مقاومتی، اجسام پیزو الکترونیک مقاومت خود را بر اثر واکنش‌های خارجی تغییر می دهند و نه ولتاژ یا میدان را. نیروی وارد شده به جسم پیزو الکترونیک می تواند به یکی از دو صورت خمشی (bending) یا فشاری (compression) باشد. فشار وارد بر جسم پیزو الکترونیک در نوع فشاری (compression) در واقع نیرویی است که از یک طرف به جسم وارد شده در حالی که طرف دیگر جسم ثابت گردیده است. ولی در نوع خمشی (bending) نیروی از هر دو طرف به جسم وارد می گردد. اجسام پیزو الکترونیک که در شتاب سنج‌ها مورد استفاده قرار می گیرند به دو دسته تقسیم می شوند. دسته اول که بیشتر نیز مورد استفاده قرار می گیرد اجسام تک بلوره هستند(Single-Crystal) مانند کوارتز (Quartz) . علی رغم اینکه این مواد دارای طول عمر زیادی هستند یعنی مدت زمان زیادی حساس باقی می مامند و خاصیت پیزویی خود را حفظ می کنند اما حساسیت کمی نسبت به نوع دوم (سرامیک ها) دارند. سرامیک‌ها علاوه بر اینکه حساسیت بیشتری دارند ارزان تر نیز هستند. برای تولید مواد پیزو الکترونیکی سرامیکی از موادی از قبیل : باریم تیتانیوم (barium titanate)، سرب زیرکونیم و سرب تیتانیوم (lead-zirconate-lead-titanate) و سرب متانیوتیت (lead metaniobate) و سایر موادی که ساختار بسیاری از آن‌ها در حال حاضر فقط به طور اختصاصی در اختیار شرکت تولید کننده آن‌ها می باشد، استفاده می شود. ایراد مواد سرامیکی این است که از آن جاییکه حساسیت آن‌ها در گذر زمان کاهش می یابد طول عمر سنسورهایی مجهز به مواد سرامیکی کوتاه تر از سنسورهای دارای مواد تک بلوره می باشد. در عمل وقتی از مواد پیزو الکتریک با حساسیت پایین استفاده می گردد می توان دو یا سه بلور از این مواد را به هم وصل کرد تا سیگنال الکتریکی خروجی قوی تر گردد. مادهٔ پیزو الکترونیک مناسب برای کاربردی خاص را باید بر اساس حساسیت مورد نیاز، پاسخ فرکانسی، مقاومت ویژه مورد نیاز و پاسخ گرمایی (دمای مطلوب برای کارکرد) انتخاب کرد. از آن جا که در سنسورهای پیزو الکترونیک سیگنال الکتریکی تولید شده داراری ولتاژ بسیار پایین می‌باشد و مقاومت خروجی نیز بسیار زیاد است باید سیگنال تولید شده را تقویت و هم چنین مقاومت خروجی را کاهش داد (با مبدل امپدانس) . در گذشته این مشکل را با استفاده از یک تقویت کننده و مبدل امپدانسی جداگانه حل می کردند. این روش تقریبا در عمل قابل پیاده سازی نیست زیرا نویز بسیار زیادی در سیستم به وجود می آید و هم چنین پیاده سازی این روش محدودیت‌های محیطی و فیزیکی بسیاری را نیز به وجود می آورد. امروزه آی سی‌های برای تقویت و تبدیل امپدانس وجود دارند که به صورت تجاری تولید شده و داخل خود سنسور نصب می گردند.

 

2. تاریخچه

نحوهٔ کار مواد پیزو الکترونیک به قوانینی بنیادین حاکم بر ساختارهای کریستالی باز می گردد. در سال 1880 میلادی دو دانشمد به نام‌های Pierre و Jacques Curieآزمایشات خود را منتشر کردند که نتایج آن آزمایشات اثبات می کرد که در یک بلور (Crystal) تناسبی بین ولتاژ روی سطح آن و فشار فیزیکی وارد بر آن وجود دارد. این پدیده اثر پیزوالکترونیک نامیده شد. پدیده دیگری که بسیار شبیه به این پدیده می‌باشد پدیده نقطه کیوری (Curie point) است که اسمش از نام فیزیکدان Pierre Curie گرفته شده است. نقطه کیوری نقطه ای است که از آن دما به بالا ماده پیزوالکترونیک قطبش خودبه خودی اتم هایش را از دست می دهد. پیشرفت شتاب سنج‌های پیزوالکترونیک باعث شد که تلاش‌های بیشتری برای یافتن مناسب‌ترین روش جهت اندازه گیری نوسانات سازه‌های بزرگی مانند پل و یا وسایل در حال حرکت بزرگی مانند هواپیما انجام پذیرد. یکی از این تلاش‌ها استفاده از یک دستگاه مقاومت کششی سنج برای ساخت شتاب سنج بود. برای اولین بار در حدود سال 1938 میلادی به Hans J. Meier از پروفسورهای دانشگاه MIT بودجه ای داده شد تا اولین شتاب سنج مبتنی بر مقاومت کششی را به صورت تجاری بسازد. این نوع شتاب سنج‌ها شکننده بوده، دارای فرکانس تشدید بسیار پایینی هستند و هم چنین پاسخ فرکانس آن‌ها نیز در فرکانس‌های پایین مطلوب است. این محدودیت‌های دینامیکی باعث شد که این نوع شتاب سنج‌ها تقریبا غیر قابل استفاده در هواپیماها باشند. از طرفی اثبات شده بود که سنسورهای پیزو الکترونیک بسیار ساده تر قابل پیاده سازی هستند. و طراحی ساده تری نسبت به سنسورهای مقاومت کششی سنج دارند. علاوه بر این خاصیت الاستیکی بسیار بالای مواد پیزو الکترونیک نیز می توانست بسیاری از مشکلات موجود در سنسورهای مقاومت کششی سنج را حل کند. به زبان ساده ویژگی‌های ذاتی سنسورهای پیزو الکترونیک از قبیل پاسخ فرکانسی مطلوب در فرکانس‌های بالا و قابلیت ایجاد تشدید در فرکانس‌های بالا باعث شد که آن‌ها جایگزین مناسبی برای سنسورهای مقاومت کششی سنج گردند. شتاب سنج‌های پیزو الکترونیک از لحاظ حجمی کوچکتر از نوع قبلی خود(مقاومت کششی سنج) بوده و نسبت به آن‌ها در g (شتاب استاندارد زمین)های بالاتری کارکرد مطلوب دارند. برای مقایسه می توان اشاره کرد که شتاب سنج مقاومت کششی دارای پاسخ فرکانسی مطلوب در محدوده 200 هرتز بوده ولی شتاب سنج پیزو الکترونیک دارای پاسخ فرکانسی مطلوب در محدوده 10000 هرتز می باشد. با این پیشرفت‌ها بود که اندازه گیری لرزه هایی با فرکانس بالا مانند تکان‌های سریع یا لرزه‌های کوتاه مدت هواپیماها که قبلا قابل اندازه گیری نبود، را ممکن کرد. از همان زمان‌ها مزایای سنسورهای پیزو الکترونیک برای همگان آشکار گردید و در اواخر دهه 1940 میلادی بود تولید صنعتی و گستردهٔ این نوع از سنسورها آغاز گردید. امروزه شتاب سنج‌های پیزو الکترونیک در وسایل اندازه گیری مهندسی، پزشکی، هوا فضا و بسیاری از صنعت‌های دیگر استفاده می شود.

منبع ویکیپدیا

[Mehdi.Aref 26,769]

3. ساخت و تولید :

از دو روش رایج برای ساخت شتاب سنج‌ها استفاده می شود. یکی بر مبنای مبانی مقاومت مواد پیزو (piezoresistance) است و دیگری بر مبنای خاصیت الکتریکی آنها (piezoelectricity) است. هر دو روش اطمینان می دهند که بردارهای شتاب قائم تاثیری در ردیابی نمی گذارند و آشکار نمی شوند. در روش اول ساخت، ابتدا یک لایه نیمه رسانا توسط یک لایهٔ ضخیم اکسید به ویفر نگهدارنده وصل می شئد. لایهٔ نیمه رسانا سپس به شکل هندسهٔ شتاب سنج در می آید. این لایهٔ نیمه رسانا یک یا تعداد بیشتری روزنه دارد و همینطور جرم زیر آن نیز روزنه‌های متناظری دارد. سپس لایهٔ نیمه رسانا به عنوان پوشش برای ایجاد حفره در لایهٔ اکسید زیرین استفاده می شود. جرم واقع در حفره توسط بازوهای لایه نیمه رسانا که خاصیت مقاومتی پیزو دارند نگه داشته می شوند. درست پایین شتاب سنج یک فضای خالی انعطاف پذیری است که اجازه می دهد جرم واقع در محفظه انعطاف داشته باشد و یا در جهت عمود بر سطح شتاب سنج حرکت کند. شتاب سنج هایی که بر مبنای خاصین الکتریکی مواد پیزو کار می کنند(روش دوم) توسط مبدل‌های پیزو الکتریک ساخته می شوند. واحد متشکل از یک لولهٔ توخالی است که دو سر آن توسط مبدل پیزو الکتریک بسته شده است. مبدلها به صورت مخالف پلاریزه می شوند و به گونه ای انتخاب می شوند که دارای خازن سری خاصی باشند. سپس لوله به صورت جزئی توسط مایع سنگینی پر می‌شود و شتاب سنج فعال می شود. در این حالت ولتاژ خروجی به صورت پبوسته اندازه گیری می‌شود و حجم مایع سنگین به گونه ای تنظیم می‌شود تا ولتاژ خروجی دلخواه به دست آید. در نهایت خروجی هر کدام از مبدل‌ها اندازه گرفته می‌شود و ولتاژ تفاضلی آن دو جدول بندی می‌شود و مبدل غالب شناسایی می شود.

4. کاربردهای شتاب سنج‌های پیزو الکتریک :

شتاب سنج‌های پیزو الکتریک در صنایع، محیط‌ها و کاربردهای مختلفی استفاده می شوند. ابزار اندازه گیری پیزو الکتریک امروزه به طور وسیعی در آزمایشگاهها، واحدهای تولیدی استفاده می شوند و همچنین به عنوان ابزار اصلی برای اندازه گیری و ضبط تغییرات دینامیکی متغیرهای مکانیکی مثل لرزش و ضربه کاربرد دارند.