سنسور های پیزوالکتریک

سنسورهای پیزوالکتریک بر پایه اصل پیزوالکتریسیته استوار هستند. به این معنا که اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می ‌گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید می‌‌شود  یا وقتی در میدان الکتریکی قرار می‌‌گیرد تغییر شکل مکانیکی می ‌یابد. میزان بار الکتریکی یا تغییر شکل مکانیکی به ترکیب ماده بستگی دارد. در ساختمان این سرامیک ‌ها موادی نظیر: اکسید سرب، تیتانیا، زیرکونیا و غیره وجود دارند که بسته به نوع کاربرد این مواد با نسبت ‌های مختلف با هم مخلوط می ‌شوند. با تغییر ترکیب و ابعاد قطعات می ‌توان پیزوسرامیک ‌ها را برای کاربردهای مختلف طراحی کرد، از جمله شتاب سنج ها، مبدل های کوچک، حس گرهای خودرو، سنسورهای جریان سیالات و در بخش پزشکی در مبدل تصویرگرهای تشخیصی و مانیتورهای قلب جنین ‌، تفنگ ‌های لیزری، چاقوهای کوچک جراحی و کالبدشکافی، پاک کننده‌های دندانی، پمپ ‌های IV ‌،پمپ های قلب  و مبدل ‌های کوچک در مجاری خون در جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب  ‌امروزه تحقیقات بزرگ و پیشرفت های عظیم بر پایه محاسبات جزیی و دقیق مهندسی بنا شده است. پایه این محاسبات ، اندازه گیری های دقیقی است که می بایست انجام شود.

 در دنـیـــای امـــروز ایـــن انــدزه گـیــری هــا بــه روش‌هــای مــدرن و بــا دستگـاه هـای پیشـرفتـه مهندسی انجام می شود. اندازه گیری در حقیقت بـه مـعـنـای پروسه مشخص کردن یا پیدا کردن انــدازه، زاویـه یـا در کـل کـمـیـت اسـت. وسـایـل انــدازه‌گـیـری وسـایلـی هستنـد کـه کمیـت هـای اندازه‌گیری را به  اطلاعات آنالوگ یا دیجیتال تبدیل می کنند. یکی از این وسایل اندازه گیری سنسورهای پیزوالکتریک هستند که برای سنس کـردن تـغـیـیـرات بـسـیـار جـزئـی به کار می‌آیند. پیزوالکتریسیته توسط پیروژاک کوری در سال 1892 کشف شد و از واژه یونانی Piezin به معنی "فشار" مشتق می شود. اعمال فشار به برخی کریستال ها مانند کوارتز یا برخی سرامیک ها ، الکتریسیته تولید می کند. فشار یا تنش مکانیکی وارد شده به برخی کریستال ها باعث جابه جایی دو قطبی های ایجاد شده و پدید آمدن میدان الکتریکی می شود. آرایش یون های مثبت و منفی، تعیین کننده ایجاد یا عدم ایجاد اثر پیزوالکتریسیته است. این سنسورها کاربردهای گسترده ای از صنعت خودرو سازی تا اندازه گیری فشار خون در رگ ها در جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب دارند.

ساختار
همانطور که گفته شد سنسورهای پیزوالکتریک بر پایه اصل پیزوالکتریسیته استوار هستند. به این معنا که اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید می شود؛ یا وقتی در میدان الکتریکی قرار می‌گیرد تغییر شکل مکانیکی می یابد. این جابجایی بارهای الکتریکی را در شبکه اتمی یک کریستال پیزوالکتریک طبیعی، در پاسخ گویی به فشار را می توان در شکل 1 مشاهده می شود. دایره های بزرگ نشان دهنده  اتم های سیلیکون هستند. در حالی‌که دایره های کوچک، نشان دهنده اتم های اکسیژن هستند. کوارتز کریستالی ، هم نـوع کریستال طبیعی یا کیفیت بالا و هم نوع تغییر یافته آن، از جمله مهمترین مواد پیزو‌الکتریک مورد دسترس، حساس و پایدار هستند.
عـلاوه بـر کـریستـال های کوارتز می توان، PCB های طراحی شده با به کارگیری تکنولوژی انسانی، پلی کریستال ها و پیزو سرامیک ها را نام برد. این مواد با کاربرد میدان الکتریکی گسترده ای، تحت فشار قرار گرفته اند، تا تبدیل به مواد پیزوالکتریک شوند، یــک خــروجــی high-voltage قــوی را تــولیـد مـی کنـد. ایـن ویـژگـی بـرای استفـاده در سیستم‌های اندازه گیری کم نویز، یک ویژگی بسیار ایده آل است.
با ارزش سختی یکسان نسبت به Psi 6E15 ، که مشابه بسیاری از فلزات است، مواد پیزوالکتریک خروجی های بالا را به وسیله کرنش های کوچک کاهش می دهند. به عبارت دیگر، مواد پیزوالکتریک موادی را سنجش می کنند که ضرورتا   شکست و انکسار نداشته باشند و اغلب به حالت جامد باشند. این به این دلیل است که سنسورهای پیزوالکتریک بسیار قوی هستند و این ویژگی عالی، یک رابطه خطی با  میدان گسترده نوسان دارد. در حقیقت، وقتی  سیگنال مناسب طراحی شده به طور صحیح به هم بپیـونـدنـد، سنسـورهـای پیـزوالکتـریـک دارای یـک محـدوده نـوسـان پـویـا (برای مثال، محدوده اندازه گیری نسبت به نویز) دارند. نکته مهم نهایی درباره مواد پیزوالکتریک این است که آن ها تنها می توانند اتفاقات پویا و در حال تغییر را اندازه بگیرند. سنسورهای  پیزوالکتریک قادر به اندازه گیری حوادث استاتیک پیوسته مانند: سیستم داخلی هدایت موشک، فشار هوا و اندازه گیری وزن نیستند، در حالی‌که حوادث استاتیک دلیل اولیه خروجی هستند؛ این سیگنال به آهستگی ضعیف شده، بر اساس مواد پیزوالکتریک یا متعلق به الکترونیک زمان ثابت است. این بار ثابت مطابق با مرتبه اول فیلتر بالاگذر است و براساس خازن و مقاومت دستگاه است. این فیلتر بالا گذر در نهایت تعیین کننده فرکانس قطع پائین یا اندازه گیری سطح دستگاه می شود.

دو نمونه از مواد پیزوالکتریک

پیزوالکتریک (PZT):
‌حساسیت شارژ بالا
کوارتز:پایدار، پیزوالکتریک نشده
‌حساسیت شارژ پائین، اما حساسیت ولتاژ بالا

تئوری و مدل سازی  تئوری پایه ای که پشت پیزوالکتریسیته وجود دارد براساس دوقطبی الکتریکی است. در سطح ملکولی، ساختار مواد پیزوالکتریک به طور معمول، پیوند یونی کریستال است. در نتیجه دو قطبی ها به وسیله ی یون های مثبت و منفی که همدیگر را خنثی می‌کنند و به علت تقارن، ساختار کریستال تشکیل می شود و میدان الکتریکی مشاهده نمی شود. وقتی تنش وارد می شود، کریستال تغییر شکل می دهد، تقارن از دست رفته و شبکه دو قطبی در یک لحظه تشکیل می شود. این دو قطبی لحظه ای یک میدان الکتریکی در راستای کریستال تشکیل می دهد.
در این روش، تولید شارژ الکتریکی توسط مواد متناسب با فشار اعمال شده اگر نیروی رفت و برگشتی اعمال شود، ولتاژ AC در ترمینال دستگاه مشاهده می شود. سنسورهای نیروی الکتریک برای کاربردهای DC و استاتیک مناسب نیستند زیرا شارژ الکتریکی تولید شده، بـه علـت امپـدانـس داخلـی سنسـور و امپـدانـس ورودی تـوسـط مـدار سـیـگـنـال مناسب، بازمان تـنــزل پـیــدا مــی کـنــد.بــا ایــن حـال، آن هـا بـرای کاربردهای دینامیک و AC مناسب  هستند.
یک سنسور پیزوالکتریک به عنوان یک منبع شارژ با یک خازن موازی و مقاومت، و یا به عنوان منبـع با یک خازن سری و مقاومت، مدل شده اســــت. ایــــن مــــدل هـــا در شـکـــل 3‌ هـمـــراه بـــا عــلامـت‌هـای شـمـاتـیـک رایـج نـشـان داده شـده اســـت. شـــارژ تــولـیــد شــده بـسـتـگــی بــه ثــابــت پیـزوالکتـریـک دستگـاه دارد. ظـرفیـت خازن به وســیــلــــه  مــســــاحــــت هـمـــان عـــرض و ثـــابـــت دی‌الکتریک مواد تعیین می‌شود. همانطور که قبلا ذکر شد محاسبه مقاومت برای اتلاف شارژ استاتیک است. 
نمایش یک نیروی معمولی، فشار و سنسور شتاب در شکل 4 نشان داده شده است.  الکترود سـیـاه جایی است که شارژ بلورها در آن مکان انـبـاشـتـه مـی شـود مـدار مـیکرو  و شتاب سنج، همچنین دارای جرم است  توجه داشته باشید که آن ها تفاوت خیلی کوچکی در تنظیمات داخلی دارنـــد. در شــتـــاب ســنـــج هـــا  کــه  حــرکــت را انـدازه‌گـیـری مـی کـنند، جرم ثابت،M ""، توسط کریستال‌ها، به سادگی و با استفاده از قانون دوم نـیـوتـون قـابـل مـحـاسـبـه اسـت: F=MA. فـشـار و نیروی سنسورها تقریبا ً یکسان است و متکی بر تغییر شکل نیروی خارجی کریستال ها  است. تفاوت بزرگ این است سنسورهای فشار برای جمع کردن فشار یک دیافراگم به کار می برند، که بـه سـادگی توسط نیروی خارج از محیط وارد می‌شود.

سیگنال مناسببعد از اینکه عنصر حسگر، خروجی احتمالا مطلوب را تولید کرد، این سیگنال باید به گونه ای پردازش شود تا بتوان آن را توسط اسیلسکوپ، آنــالـیــز کـنـنــده، رکــوردر و ســایـر دستگـاه هـای بازخوان تحلیل کرد. همانطوری‌که در شکل 5 مشاهده می شود، این پردازش سیگنال می تواند به وسیله دو روش مختلف انجام شود:
1.داخلی توسط سنسور مدار میکروالکترونیک (ICP)
2.خارجی توسط سنسور داخل "جعبه سیاه (Charge Mode)
ایـن مـدارات پـردازش آنـالـوگ، بـرای تـوابـع عمـومـی مشـابهـی مـورد استفـاده قرار می‌گیرند که شامل موارد زیر است :
1.قابل تبدیل به یک امپدانس پائین، سیگنال ولتاژ مفید باشد.
2.تقویت سیگنال و تضعیف سیگنال
3.فیلترکردن
 ‌با این حال نکته قابل توجه این است که نحوه قرارگیری مدارات  در سیستم های اندازه گیری برای عملیات صحیح محاسباتی، مهم باشد.
در اینجابه بررسی سنسور ICP می پردازیم. پیشرفت های فنی گسترده این روش در سال 1967 روی داده است، که عبارتند از؛ کوچکتر شدن مدارها، کاهش قیمت اجزا و افـرایـش ظـرفیـت سیگنـال پـردازش یافته که نهایتا  منجر به ایجاد مدارهای یکپارچه مینیاتوری و مقاومت های micro hi megمی شود. حتی با این پیشرفت ها، هدف اصلی این ایده، که سادگی و سهولت استفاده آن بوده است ،پیشرفت چندانی نداشت. این سیستم از دو سیم استفاده می کند. هادی مشترک برای قدرت/ سیگنال و هادی های اضافی برای سیگنال زمین. شارژ مینیاتوری یا تقویت کننده های ولتاژکه در داخل مدار ساخته شده اند.   بستگی به نوع عنصر حسگر دارند. قدرت این قطعات معمولا  از 30-17 ولت ،2 میلی آمپر جریان ثابت می آید. گذشته از قیمت، راحتی یا ویژگی، هیچ مزیت فنی از داشتن یک منبع جریان ثابت، که به صورت خارجی یا د اخلی در یک دستگاه بازخوان است، وجود ندارد. جزئیات شماتیک سیستم در شکل 6‌ نشان داده شده است.
ویژگی این سیستم شامل: (1) میکروالکترونیک هایی که  برای تولید امپدانس کم ساخته شده است. (2) تنها نیاز ساده به یک تصحیح کننده برای استفاده مداوم جریان ثابت سیگنال مناسب، که منجر به کاهش هزینه درهر کانال می شود.(3) قادر بودن سیگنال برای انتقال از طریق کابل های بلند،در میان محیط های خشن ،بدون از دست دادن کیفیت سیگنال. (4)دمای عملیاتی مدار که معمولا محدود بهc121  است. (5) کار کردن به وسیله دو هادی هم محور یا یک جفت سیم پیچ خورده  و (6) ویژگی های سنسور (حساسیت و محدودیت فرکانس) به وسیله سنسور ثابت شده و مستقل از ولتاژ تغذیه می شوند.
سنسـورهـای حـالـت شـارژ بـا استفـاده از همـان سـاختـار حسگـر مکانیکی به عنوان سنسورهای سنسورهای ICP عمل می کند. با این حال پردازش الکترونیکی سیگنال در خارج قرار داده شده است. این سیستم های شارژ اغلب به سختی به طور صحیح عمل می‌کنند و به صورت سنتی پرهزینه است. که در نتیجه به صورت تقویت کننده شارژ خارجی پیچیده است (به صورت جایگزین پایین آوردن هزینه ها  در خط دستگاه  رایج تر است.) امروزه سیستم های حالت شارژ معمولا فقط در محیط هایی استفاده می‌شوند که دما، استفاده از سنسورها با الکترونیک ساخته شده در داخل را منع می کند. آن‌طور که یک نفر ممکن است انتطار داشته باشد، سیستم های حالت شارژ مزایا و معایب مختلفی دارند که عبارتند از :
1.خروجی های سنسور یک سیگنال امپدانس بالا است که برای آنالیز کردن نیازبه پیش- تصحیح سازی دارد.
2.نیـاز بـه اصـلاح کننـده سیگنـال خـارجـی (آزمـایشگـاه تقـویـت کننـده شـارژ، منبع هدایت‌کننده خطی و غیره...)
3.سیگنال امپدانس بالا دارای این پتانسیل  است  که به وسیله حرکت کابل ها ، تداخل فرکانس رادیویی و سیگنال های الکترو مغناطیس، آلودگی را به محیط منتقل می کند. 
4.تــا زمــانــی کــه قـسـمــت هـای الکتـرونیکـی بـه‌صـورت خـارجـی هـسـتـند، مدل های معین،  توانایی عمل کردن در دمای 1000F را دارند. 
5.نـیـاز بـه کـابل کشی مخصوص با نویز کم دارند.
6.ویژگی های سنسور ( حساسیت ومحدوده فـرکـانـس) مـتـغـیـر هـسـتـنـد و مـی تـوانـنـد وسیله تـعـویـض قـطـعـات در تـصـحـیـح کـنـنده سیگنال خارجی،  محدود شود.

مناسب سازی سیگنال
ولـتاژهای معمولی خروجی از سنسورهای پیزوالکتریک می تواند از میکرو ولت ها تا صدها ولت باشد و مدار سیگنال نیازمند تفاوت قابل ملاحظه ای باشد. مواردی که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از:
‌فرکانس عملیاتی
‌دامنه سیگنال
‌امپدانس ورودی
‌نحوه عملکرد

فرایند تولید
فـرایـنـد سـاخـت پـیـزوسـرامـیـک هـا شامل 16 مرحله است که با وزن کردن، مخلوط کردن و آسـیـاب کـردن مـوادی مـانـنـد زیـرکـونـیا، اکسید سرب، تیتانیا، نیوبیا و اکسید استرانسیم و غیره شــروع مــی شـونـد. سـپـس مـواد مـخـلـوط شـده کلسینه شده و واکنش انجام می دهند تا ترکیب تیتانات-زیرکونات سرب تشکیل شود. ترکیب تیتانات-زیرکونات سرب تشکیل شده که دارای مقداری رطوبت است به اندازه ذرات خیلی ریز آسیاب می‌شود. سپس چسب‌ها و روان‌سازها افـــزوده مـــی‌شـــونــد و مــاده بــه دســت آمــده در اسپـریـدرایـر خشـک می‌شود تا یک پودر آماده برای تراکم حاصل شود. 
بعـد از آمـاده سـازی مـواد اولیه، فرایندی که برای شکل دادن سرامیک به کار گرفته می شود، استفاده از پرس خشک یا ایزواستاتیک با فشار اعمالی بین 6 تا 100 تن است. اجزا شکل داده شده در دمای 1300 درجه فارنهایت در شرایط کنترل شـده اتمسفـری پخـت بیسکـویـت مـی شـوند تا چسـب هـا و روان‌کننـده‌هـای لازم بـرای عمـل شکل دهی در این مرحله سوخته و خارج شود. قـطـعـات بـیـسـکـویـت در بـوتـه های مخصوص "آلومینا بالا" قرار داده شده و برای پخت در دمای بـالا در داخـل کـوره قرار داده می شوند. کوره الکتریکی تا حدود دمای 2300 درجه فانهایت گرم می‌شود و به مدت سه ساعت در این دما نگه داشته می شود (قطعات سرامیکی برای کنترل تـبـخـیـر احتمالی اکسید سرب در خلال فرایند پخت در دمای بالا در بوته های آلومینا بالا قرار داده می شوند.)
سپس سرامیک پخته شده با دقت زیادی به اندازه های معین ماشین کاری می شود. بعد از مـرحـلـه انـدازه‌بـنـدی، قـطعات سرامیک متالیزه می‌شود؛ یعنی یک پوشش فلزی روی سطح آن هـا نـشـانـده مـی شود. این کار به کمک تکنیک  "silk  screening" انجام می شود و از الکترودهای نـقـره، طـلا، نیکل یا پلاتینیوم-پالادیوم استفاده مـی‌شـود. الـکـتـرودهـای مـتالیزه شده روی یک شبکه توری شکل که از سیم های فلزی نسوز تشکیل شده است قرار گرفته و به داخل کوره حمل می شوند و در دمایی در حدود 700 درجه سانتی‌گراد پخته می شوند. 
بعد از این مرحله، نوبت به عمل قطبی کردن قـطـعه های سرامیکی می رسد. در عمل قطبی کردن ولتاژ جریان مستقیم )DC(به سرامیکی که در یک روغن دیا الکتریک گرم شده و مقاوم قرار دارد، اعمال می شود تا دوقطبی های آن در یک سـمـت جـهـت گـیـری کـنـند. قطعات سرامیکی قـطبی شده اکنون پیزوالکتریک هستند. بعد از قـطـبـی کـردن، نـوبـت بـه کـنـتـرل کـیـفی خواص می‌رسد. قطعات جهت تضمین و تامین کردن خواص الکتریکی متناسب با نوع کاربردشان، آزمـایـش و بـررسـی مـی شوند. قطعات آزموده شده آماده بسته بندی و ارسال و استفاده هستند. 

‌کاربردهای سنسورهای پیزو الکتریک در پزشکی
در بــخـــش مـــراقــبــت هــای پــزشـکــی نـیــز از پــیـــزوســرامـیــک‌هــا در مـبــدل تـصــویــرگــرهــای تـشـخـیـصـی و مـانـیـتـورهای  fetal heartاستفاده می‌شود که هزینه پایین و ایمنی بالا نشان کارایی این فراورده است. کاربرد‌های دیگر، شامل تفنگ های لیزری برای درمان آب مروارید چشم، چاقوهای کوچک جراحی و کـالبـدشکـافـی، پـاک کننـده‌هـای دنـدانـی، پمـپ هـای  IV و پمپ های قلب می شود. مبدل‌های کوچک که در مجاری خون جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب بیمار قـرار داده می شوند نیز از سنسورهای پیزوالکتریک ساخته می شوند. یکی دیگر از کـاربـردهـای مهـم ایـن سنسـورهـا در تـولیـد امـواج فـراصـوت است . انتشار امواج در بافت‌های بدن به صورت امواج طولی است. از این رو در پزشکی با اینگونه امواج سر و کار داریم که یکی از این روش های تولید امواج فراصوت ، روش پیزوالکتریسیته است. اثر پیزو الکتریسیته فقط در بلورهایی که دارای تقارن مرکزی نیستند، وجود دارد. بلور کوارتز از این دسته مواد است و اولین ماده‌ای بود که برای ایجاد امواج فراصوت از آن استفـاده مـی‌شـد که اکنون هم استفاده می‌شود.اگر چه مواد متبلور طبیعی که دارای خـاصیـت پیزو الکتریسیته باشند، فراوان هستند. ولی در کاربرد امواج فراصوت در پزشکی از کریستال هایی استفاده می‌شود که سرامیکی بوده و به طور مصنوعی تهیه مـی‌شـونـد. از نمـونـه ایـن نـوع کریستال ها ، مخلوطی از زیرکونیت و تیتانیت سرب  Lead titanat( ِ )Lead zirconat است که به شدت دارای خاصیت پیزوالکتریسیته هستند. به این مواد که واسطه‌ای برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس هستند، مبدل یا تراسدیوسر  )transuscer(می‌گویند. یک ترانسدیوسر اولتراسونیک به کار می‌رود که علامت الکتریکی را به انرژی فراصوت تبدیل کند که به داخل بافت بدن نفوذ و انرژی فراصوت انعکاس یافته را به علامت الکتریکی تبدیل کند

منابع

[1]  Petrin Drumea, Marian Blejan, Ioana Ilie, "DIGITAL INTERFRACE FOR PIEZOELECTIC FORCE SENSOR"  International conference, 6th workshop on Europen and Industrial Collaboration,  Bucharest, 25-26 september 2008
[2] Jeffry Dosch, Bill Hynd, "PCB PIEZOTRONIC journal" Depew NY, IMAC XXV February 19-22, 2007
[3] James Karki, " TEXAS Instrument journal , application report- SLOA033A -SEPTEMBER 2000"
[4] Wikkipedia