पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर

विकृत होने पर एक पीजोइलेक्ट्रिक डिस्क एक वोल्टेज उत्पन्न करती है (आकार में परिवर्तन बहुत ही अतिरंजित है)

एक पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर एक उपकरण है जो दबाव, त्वरण, तापमान, तनाव (सामग्री विज्ञान), या बल को विद्युत आवेश में परिवर्तित करके परिवर्तन को मापने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग करता है। उपसर्ग पीजो-'प्रेस' या 'स्क्वीज़' के लिए ग्रीक है।

अनुप्रयोग

पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर विभिन्न प्रक्रियाओं के मापन के लिए बहुमुखी उपकरण हैं। उनका उपयोग गुणवत्ता आश्वासन, प्रक्रिया नियंत्रण और कई उद्योगों में अनुसंधान और विकास के लिए किया जाता है। पियरे क्यूरी ने 1880 में पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज की, किन्तु केवल 1950 के दशक में निर्माताओं ने औद्योगिक संवेदी अनुप्रयोगों में पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग करना प्रारंभ किया था। तब से, इस मापने के सिद्धांत का तेजी से उपयोग किया गया है, और उत्कृष्ट अंतर्निहित विश्वसनीयता के साथ एक परिपक्व विधि बन गई है।

वे विभिन्न अनुप्रयोगों, जैसे चिकित्सा में, एयरोस्पेस, नाभिकीय अभियांत्रिकी इंस्ट्रूमेंटेशन और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में टिल्ट सेंसर के रूप में या मोबाइल फोन के टच पैड में प्रेशर सेंसर में सफलतापूर्वक उपयोग किए गए हैं। मोटर वाहन उद्योग में, आंतरिक दहन इंजन विकसित करते समय दहन की निगरानी के लिए पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों का उपयोग किया जाता है। सेंसर या तो सीधे सिलेंडर हेड में अतिरिक्त छेद में लगाए जाते हैं या स्पार्क/ग्लो प्लग एक बिल्ट-इन मिनिएचर पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर से लैस होता है।

पीजोइलेक्ट्रिक प्रौद्योगिकी का उदय सीधे निहित लाभों के एक सेट से संबंधित है। कई पीजोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की लोच का उच्च मापांक कई धातुओं के बराबर होता है और 10⁶ N/m² तक जाता है। चाहे पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर इलेक्ट्रोमेकैनिकल प्रणाली हैं जो संपीड़न (भौतिक) पर प्रतिक्रिया करते हैं, संवेदन तत्व लगभग शून्य विक्षेपण दिखाते हैं। यह पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर को मजबूती, अत्यधिक उच्च प्राकृतिक आवृत्ति और व्यापक आयाम रेंज में उत्कृष्ट रैखिकता प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, पीजोइलेक्ट्रिक विधि विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र और विकिरण के प्रति असंवेदनशील है, जो कठोर परिस्थितियों में माप को सक्षम करती है। इसमें उपयोग की जाने वाली कुछ सामग्रियां (विशेष रूप से गैलियम फॉस्फेट या टूमलाइन) उच्च तापमान पर अधिक स्थिर होती हैं, जिससे सेंसर 1000 डिग्री सेल्सियस तक काम कर सकते हैं। टूमलाइन पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के अतिरिक्त तापविद्युत् दिखाता है; यह क्रिस्टल के तापमान में परिवर्तन होने पर विद्युत संकेत उत्पन्न करने की क्षमता है। यह प्रभाव पाईज़ोसिरामिक सामग्री के लिए भी सामान्य है। पीजोइलेक्ट्रिक सेंसरिक्स (2002) में गौत्ची पीजो सेंसर सामग्री बनाम अन्य प्रकारों की विशेषताओं की तुलना तालिका प्रदान करता है:

सिद्धांत	छानना संवेदनशीलता [V/µε]	सीमा [µε]	तक अवधि सीमा अनुपात
पीजोइलेक्ट्रिक	5.0	0.00001	100,000,000
पीजोरेसिस्टिव	0.0001	0.0001	2,500,000
प्रेरक	0.001	0.0005	2,000,000
संधारित्र	0.005	0.0001	750,000
प्रतिरोधक	0.000005	0.01	50,000

पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की हानि यह है कि उनका उपयोग वास्तविक में स्थिर माप के लिए नहीं किया जा सकता है। एक स्थिर बल के परिणामस्वरूप पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री पर एक निश्चित मात्रा में आवेश होता है। परंपरागत रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स में, अपूर्ण इन्सुलेट सामग्री और आंतरिक सेंसर में कमी विद्युत प्रतिरोध इलेक्ट्रॉनों के निरंतर हानि का कारण बनता है और घटते संकेत उत्पन्न करता है। ऊंचा तापमान आंतरिक प्रतिरोध और संवेदनशीलता में अतिरिक्त गिरावट का कारण बनता है। पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव पर मुख्य प्रभाव यह है कि बढ़ते दबाव भार और तापमान के साथ, जुड़वां गठन के कारण संवेदनशीलता कम हो जाती है। जबकि क्वार्ट्ज सेंसर को 300 °C से ऊपर के तापमान पर माप के समय ठंडा किया जाना चाहिए , GaPO4 गैलियम फॉस्फेट जैसे विशेष प्रकार के क्रिस्टल सामग्री के पिघलने बिंदु तक कोई जुड़वां गठन नहीं दिखाते हैं।

चूंकि, यह सच नहीं है कि पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर का उपयोग केवल बहुत तेज प्रक्रियाओं या परिवेशी परिस्थितियों में ही किया जा सकता है। वास्तविक में, कई पीजोइलेक्ट्रिक अनुप्रयोग अर्ध-स्थैतिक माप उत्पन्न करते हैं, और अन्य अनुप्रयोग 500 °C से अधिक तापमान में काम करते हैं।

पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर का उपयोग प्रतिध्वनि और समाई को एक साथ मापकर हवा में सुगंध को निर्धारित करने के लिए भी किया जा सकता है। कंप्यूटर नियंत्रित इलेक्ट्रॉनिक्स पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर के लिए संभावित अनुप्रयोगों की सीमा में अधिक वृद्धि करते हैं।

पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर प्रकृति में भी देखे जाते हैं। हड्डी में कोलेजन पीजोइलेक्ट्रिक है, और कुछ लोगों का मानना है कि यह एक जैविक बल संवेदक के रूप में कार्य करता है। पीज़ोइलेक्ट्रिकिटी को स्नायुजाल, महाधमनी की दीवारों और हृदय वाल्व जैसे नरम ऊतक के कोलेजन में भी दिखाया गया है।

संचालन का सिद्धांत

जिस प्रकार से एक पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री को काटा जाता है, वह इसके तीन मुख्य परिचालन मोडों में से एक को परिभाषित करता है:

• अनुप्रस्थ
• अनुदैर्ध्य
• शियर

अनुप्रस्थ प्रभाव

एक तटस्थ अक्ष (y) के साथ लगाया गया बल (x) दिशा के साथ, बल की रेखा के लंबवत आवेशों को विस्थापित करता है। आवेश की मात्रा ($Q_{x}$) संबंधित पीजोइलेक्ट्रिक तत्व के ज्यामितीय आयामों पर निर्भर करता है। जब आयाम $a,b,d$ प्रायुक्त होते हैं,

$Q_{x}=d_{xy}F_{y}b/a$,

जहाँ $a$ तटस्थ अक्ष के अनुरूप आयाम है, $b$ आवेश जनरेटिंग एक्सिस के अनुरूप है और $d$ संबंधित पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक है। [3]

अनुदैर्ध्य प्रभाव

विस्थापित आवेश की मात्रा प्रायुक्त बल के समानुपाती होती है और पीजोइलेक्ट्रिक तत्व के आकार और आकार से स्वतंत्र होती है। कई तत्वों को यांत्रिक रूप से श्रृंखला में और विद्युत रूप से श्रृंखला और समानांतर सर्किट में रखना आवेश आउटपुट को बढ़ाने का एकमात्र तरीका है। परिणामी प्रभार है

$Q_{x}=d_{xx}F_{x}n~$,

जहाँ $d_{xx}$ एक्स-दिशा (कूलम्ब/न्यूटन (इकाई) में) के साथ प्रायुक्त बलों द्वारा जारी एक्स-दिशा में आवेश के लिए पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक है। $F_{x}$ एक्स-दिशा [एन] और में प्रायुक्त बल है $n$ ढेर तत्वों की संख्या से मेल खाती है।

कतरनी प्रभाव

उत्पन्न आवेश प्रायुक्त बल के समानुपाती होता है और बल के समकोण पर उत्पन्न होता है। आवेश तत्व के आकार और आकार से स्वतंत्र है। के लिए $n$ यांत्रिक रूप से श्रृंखला में तत्व और विद्युत रूप से समानांतर में आवेश होता है

$Q_{x}=2d_{xx}F_{x}n$.

अनुदैर्ध्य और कतरनी प्रभावों के विपरीत, अनुप्रस्थ प्रभाव प्रायुक्त बल और तत्व आयाम पर संवेदनशीलता को ठीक करना संभव बनाता है।

विद्युत गुण

एक पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर का योजनाबद्ध प्रतीक और इलेक्ट्रॉनिक मॉडल

एक पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर में बहुत अधिक डीसी आउटपुट प्रतिबाधा होती है और इसे आनुपातिक वोल्टेज स्रोत और इलेक्ट्रॉनिक फिल्टर के रूप में तैयार किया जा सकता है। स्रोत पर वोल्टेज वी प्रायुक्त बल, दबाव या तनाव के सीधे आनुपातिक है। आउटपुट सिग्नल तब इस यांत्रिक बल से संबंधित होता है जैसे कि यह समतुल्य सर्किट से होकर निकला हो।

पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की आवृत्ति प्रतिक्रिया; प्रायुक्त बल बनाम आवृत्ति पर आउटपुट वोल्टेज

एक विस्तृत मॉडल में सेंसर के यांत्रिक निर्माण और अन्य गैर-आदर्शताओं के प्रभाव सम्मिलित हैं। इंडक्शन L_m भूकंपीय द्रव्यमान और संवेदक की जड़ता के कारण ही है। C_e सेंसर की यांत्रिक लोच (भौतिकी) के व्युत्क्रमानुपाती है। C₀ ट्रांसड्यूसर के स्थिर समाई का प्रतिनिधित्व करता है, जिसके परिणामस्वरूप अनंत आकार का जड़त्वीय द्रव्यमान होता है। R_i ट्रांसड्यूसर तत्व का इन्सुलेशन रिसाव (इलेक्ट्रॉनिक्स) है। यदि सेंसर लोड प्रतिरोध से जुड़ा है, तो यह भी इन्सुलेशन प्रतिरोध के साथ समानांतर में कार्य करता है, दोनों उच्च-पास कटऑफ आवृत्ति को बढ़ाते हैं।

समतल क्षेत्र में, संवेदक को संवेदक की समाई के साथ श्रृंखला में एक वोल्टेज स्रोत के रूप में या समाई के समानांतर एक आवेश स्रोत के रूप में तैयार किया जा सकता है

एक संवेदक के रूप में उपयोग के लिए, उच्च-पास कटऑफ़ और गुंजयमान शिखर के बीच, आवृत्ति प्रतिक्रिया प्लॉट के समतल क्षेत्र का सामान्यतः उपयोग किया जाता है। भार और रिसाव प्रतिरोध इतना बड़ा होना चाहिए कि ब्याज की कम आवृत्तियां नष्ट न हों। इस क्षेत्र में एक सरलीकृत समतुल्य परिपथ मॉडल का उपयोग किया जा सकता है, जिसमें C_s सेंसर सतह की समाई का प्रतिनिधित्व करता है, जो समानांतर प्लेटों की धारिता के लिए मानक सूत्र द्वारा निर्धारित होता है। इसे स्रोत कैपेसिटेंस के समानांतर आवेश स्रोत के रूप में भी तैयार किया जा सकता है, जैसा कि ऊपर प्रायुक्त बल के सीधे आनुपातिक आवेश के साथ होता है।

सेंसर डिजाइन

पीजो सामग्री के साथ धातु डिस्क, बजर में या संपर्क माइक्रोफोन के रूप में उपयोग किया जाता है

पीजोइलेक्ट्रिक विधि के आधार पर विभिन्न भौतिक मात्राओं को मापा जा सकता है, जिनमें सबसे सामान्य दबाव और त्वरण हैं। दबाव संवेदकों के लिए, एक पतली कृत्रिम झिल्ली और एक विशाल आधार का उपयोग किया जाता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि एक प्रायुक्त दबाव विशेष रूप से तत्वों को एक दिशा में लोड करता है। त्वरणमापी के लिए, एक भूकंपीय द्रव्यमान क्रिस्टल तत्वों से जुड़ा होता है। जब एक्सेलेरोमीटर गति का अनुभव करता है, तो अपरिवर्तनीय भूकंपीय द्रव्यमान तत्वों को न्यूटन के गति के दूसरे नियम $F=ma$ के अनुसार लोड करता है।

इन दो स्थितियों के बीच कार्य सिद्धांत में मुख्य अंतर यह है कि वे संवेदन तत्वों पर बल कैसे लगाते हैं। एक दबाव संवेदक में, एक पतली झिल्ली बल को तत्वों में स्थानांतरित करती है, जबकि एक्सेलेरोमीटर में एक संलग्न भूकंपीय द्रव्यमान बलों को प्रायुक्त करता है।

सेंसर अधिकांश एक से अधिक भौतिक मात्रा के प्रति संवेदनशील होते हैं। दबाव संवेदक कंपन के संपर्क में आने पर गलत संकेत दिखाते हैं। परिष्कृत दबाव संवेदक इसलिए दबाव संवेदन तत्वों के अतिरिक्त त्वरण क्षतिपूर्ति तत्वों का उपयोग करते हैं। उन तत्वों का सावधानीपूर्वक मिलान करके, त्वरण संकेत (मुआवजा तत्व से जारी) को सही दबाव की जानकारी प्राप्त करने के लिए दबाव और त्वरण के संयुक्त संकेत से घटाया जाता है।

कंपन संवेदक भी यांत्रिक कंपन से अन्यथा व्यर्थ ऊर्जा को काट सकते हैं। यह यांत्रिक तनाव को प्रयोग करने योग्य विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का उपयोग करके पूरा किया जाता है।

संवेदन सामग्री

पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर के लिए सामग्री के तीन मुख्य समूहों का उपयोग किया जाता है: पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक, सिंगल क्वार्ट्ज और पतली फिल्म पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री। सिरेमिक सामग्री (जैसे पीजेडटी सिरेमिक) में एक पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक / संवेदनशीलता होती है जो प्राकृतिक एकल क्रिस्टल सामग्री की तुलना में परिमाण के लगभग दो क्रम अधिक होती है और इसे सस्ती सिंटरिंग प्रक्रियाओं द्वारा उत्पादित किया जा सकता है। पीजोसिरेमिक में पीजो प्रभाव प्रशिक्षित होता है, इसलिए समय के साथ उनकी उच्च संवेदनशीलता कम हो जाती है। यह गिरावट अत्यधिक तापमान में वृद्धि के साथ सहसंबद्ध है।

कम संवेदनशील, प्राकृतिक, एकल-क्रिस्टल सामग्री (गैलियम फॉस्फेट, क्वार्ट्ज, टूमलाइन) में उच्च - जब सावधानी से संभाला जाता है, लगभग असीमित - दीर्घकालिक स्थिरता होती है। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नई सिंगल-क्रिस्टल सामग्री भी हैं जैसे लीड मैग्नीशियम निओबेट-लेड टाइटेनेट (पीएमएन-पीटी)। ये सामग्रियां पीजेडटी की तुलना में बेहतर संवेदनशीलता प्रदान करती हैं, किन्तु इनका अधिकतम ऑपरेटिंग तापमान कम होता है और वर्तमान में चार यौगिक बनाम तीन मिश्रित सामग्री पीजेडटी के कारण निर्माण के लिए अधिक जटिल हैं।

स्पटरिंग, सीवीडी (रासायनिक वाष्प जमाव), एएलडी (परमाणु परत एपिटॉक्सी) आदि विधियों का उपयोग करके पतली फिल्म पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का निर्माण किया जा सकता है। पतली फिल्म पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का उपयोग उन अनुप्रयोगों में किया जाता है जहां माप पद्धति में उच्च आवृत्ति (> 100 मेगाहर्ट्ज) का उपयोग किया जाता है और/या आवेदन में छोटे आकार का पक्ष लिया जाता है।

यह भी देखें

• आवेश एम्पलीफायर
• सेंसर की सूची
• पीजोइलेक्ट्रिसिटी
• पीजोइलेक्ट्रिक स्पीकर
• पीज़ोरेसिस्टिव प्रभाव
• अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र
• अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर
• पतली फिल्म थोक ध्वनिक गुंजयमान यंत्र

बाहरी संबंध

• Material constants of gallium phosphate