Application of Piezoelectric Ceramics in Pressure Sensor

Применение пьезокерамики в датчиках давления

1. Принципы работы и классификация датчиков давления

1.1. Определение и назначение

Датчик давления — это измерительное устройство, преобразующее механическое воздействие силы газа или жидкости на чувствительный элемент в электрический сигнал для последующего мониторинга, контроля или анализа. Данные устройства находят применение в различных отраслях: промышленной автоматике, автомобилестроении, медицинской технике и потребительской электронике.

1.2. Типы измеряемого давления

Конструкция датчика определяется типом измеряемого давления:

• Абсолютное давление: Измерение относительно абсолютного вакуума.
• Избыточное (манометрическое) давление: Измерение относительно атмосферного давления.
• Дифференциальное давление: Измерение разницы давлений в двух точках.
• Давление вакуума: Измерение давлений ниже атмосферного.

1.3. Технологии sensing-элементов

В основе работы лежат различные физические принципы, определяющие технологию чувствительного элемента:

• Пьезорезистивная
• Емкостная
• Пьезоэлектрическая
• Оптическая
• Резонансная

2. Принцип работы и конструкция датчика давления

Независимо от технологии, общий принцип работы заключается в многоступенчатом преобразовании физического воздействия в стандартизированный электрический сигнал.

2.1. Чувствительный элемент (Sensing Element)

Это первичный преобразователь, который непосредственно воспринимает давление и трансформирует его в промежуточный сигнал (механическое смещение, изменение сопротивления, электрического заряда или ёмкости). Типичные исполнения:

• Мембрана (диафрагма): Наиболее распространённый элемент, деформирующийся под давлением.
• Пьезоэлектрический кристалл: Генерирует электрический заряд при механической деформации.
• Пьезорезистивный элемент: Изменяет электрическое сопротивление при деформации.
• Емкостные пластины: Расстояние между пластинами изменяется под давлением, modulating ёмкость.

2.2. Преобразователь (Transducer)

Вторая ступень преобразования. Конвертирует выходной сигнал от чувствительного элемента в удобную для обработки электрическую величину (напряжение, ток). Для этого используются:

• Мостовая схема Уитстона: Для пьезорезистивных и тензометрических элементов.
• Усилитель заряда: Для пьезоэлектрических элементов, преобразующих заряд в напряжение.
• Специализированные ASIC-микросхемы (Application-Specific Integrated Circuit).

2.3. Усилитель и схема обработки сигнала (Signal Conditioner)

Финальная ступень. Обрабатывает электрический сигнал от преобразователя для передачи в систему управления:

• Усиление слабого сигнала до стандартного уровня (например, 0–5 В, 0–10 В, 4–20 мА).
• Фильтрация от помех и компенсация температурного дрейфа.
• Линеаризация характеристики (часто цифровая).
• Цифровое преобразование и вывод данных по стандартным протоколам (I2C, SPI, HART).

3. Пьезоэлектрические материалы в датчиках давления

Пьезоэлектрики используются в качестве чувствительных элементов в датчиках, работающих по принципу генерации электрического заряда при механической деформации.

3.1. Критерии выбора материала

Выбор конкретного пьезоэлектрического материала является компромиссом между требованиями application:

• Диапазон измеряемых давлений
• Требуемая чувствительность и точность
• Рабочий температурный диапазон
• Стабильность параметров во времени и при изменении температуры
• Стоимость и возможность миниатюризации

3.2. Классификация пьезоматериалов

3.2.1. Природные кристаллы

• Кварц (SiO₂): Обладает выдающейся стабильностью параметров, низким гистерезисом и высокой резонансной частотой. Применяется в высокоточных и эталонных датчиках, где важна стабильность, а не максимальная чувствительность.

3.2.2. Пьезокерамики

• Цирконат-титанат свинца (PZT, ЦТС): Наиболее распространённый материал. Обладает высоким пьезоэлектрическим коэффициентом (d33), что обеспечивает высокую чувствительность. Широко используется в промышленных и автомобильных датчиках среднего ценового сегмента.
• Титанат свинца (PbTiO₃): Отличается очень высокой температурой Кюри, что делает его предпочтительным выбором для датчиков, работающих в высокотемпературных средах (например, в двигателях внутреннего сгорания, турбинах).

3.2.3. Пьезополимеры

• Поливинилиденфторид (PVDF, ПВДФ): Гибкий полимерный материал. Обладает меньшей, чем у керамики, чувствительностью, но выдающейся ударной вязкостью и возможностью формования в сложные геометрические shapes. Идеален для недорогих, гибких и миниатюрных датчиков, а также для измерений в условиях вибраций.

3.2.4. Специализированные монокристаллы

• Фосфат галлия (GaPO₄): Объединяет высокую чувствительность (близкую к PZT) с высокой стабильностью и устойчивостью к высоким температурам. Находит применение в demanding applications, таких как датчики для нефтегазовой отрасли и мониторинга сложных технологических процессов.