압전 센서

압전센서는 압전효과를 이용해 압전, 가속, 온도, 변형, 힘의 변화를 전기로 바꾸어 측정하는 장치다.피에조라는 접두사는 그리스어로 'press' 또는 'squeeze'^[1]를 의미한다.

적용들

압전 센서는 다양한 공정 측정을 위한 다용도 도구다.^[2]그것들은 품질 보증, 공정 관리, 그리고 많은 산업에서의 연구개발에 사용된다.피에르 퀴리는 1880년에 압전 효과를 발견했지만, 1950년대에 들어서야 제조업자들은 산업용 감지 애플리케이션에 압전 효과를 사용하기 시작했다.이후 이 측정 원리가 점점 더 많이 사용되었고, 고유의 신뢰성이 뛰어난 성숙한 기술이 되었다.

그것들은 의료, 항공우주, 원자력 계측기와 같은 다양한 용도에 성공적으로 사용되었고, 가전제품의^[3] 틸트 센서 또는 휴대 전화의 터치 패드의 압력 센서로 사용되었다.자동차 산업에서는 내연기관 개발 시 연소를 감시하기 위해 압전소자를 사용한다.센서는 실린더 헤드의 추가 구멍에 직접 장착되거나 스파크/글로우 플러그에는 소형 피에조전 센서가 내장되어 있다.^[4]

압전 기술의 상승은 일련의 내재적 장점들과 직접적인 관련이 있다.많은 압전소재의 높은 탄성계수는 많은 금속과 견줄 만하며 10⁶ N/m²까지 올라간다.^{[citation needed]}압전 센서는 압축에 반응하는 전자기계 시스템임에도 불구하고, 감지 요소는 거의 제로 처짐을 나타낸다.이것은 압전 센서의 견고성, 매우 높은 자연 주파수, 넓은 진폭 범위에 걸친 탁월한 선형성을 제공한다.또한 압전 기술은 전자기장과 방사선에 무감각하여 가혹한 조건에서 측정이 가능하다.사용되는 일부 재료(특히 갈륨 인산염 또는 투르말린)는 고온에서 매우 안정적이어서 센서의 작동 범위가 최대 1000 °C까지 가능하다.투르말린은 압전 효과 외에도 화력을 보여준다; 이것은 결정의 온도가 변할 때 전기 신호를 발생시키는 능력이다.이 효과는 피에조세라믹 소재에도 흔히 나타난다.압전센서스의 Gautschi(2002)는 다음과 같은 피에조센서 재료와 다른 유형의 특성을 비교한 표를 제공한다.^[5]

원리	변형률 감도 [V/µε]	임계값 [µε]	스팬 투 문턱비
압전기	5.0	0.00001	100,000,000
피에조리스틱	0.0001	0.0001	2,500,000
귀납적	0.001	0.0005	2,000,000
용량성	0.005	0.0001	750,000
저항성	0.000005	0.01	50,000

압전 센서의 한 가지 단점은 정적인 측정에 사용할 수 없다는 것이다.정적인 힘은 압전 물질에 일정한 양의 전하를 초래한다.기존 판독 전자장치에서는 불완전한 절연 재료와 내부 센서 저항 감소가 전자의 지속적인 손실을 초래하고 신호 감소를 초래한다.온도가 높아지면 내부 저항과 민감도가 추가로 떨어진다.압전 효과에 대한 주된 영향은 압력 부하와 온도가 증가하면 감도가 쌍둥이 형성에 의해 감소한다는 것이다.석영 센서는 300 °C 이상의 온도에서 측정하는 동안 냉각되어야 하는 반면, GaPO4 갈륨 인산염과 같은 특별한 유형의 결정체는 재료 자체의 용해 지점까지 쌍둥이 형성을 나타내지 않는다.

그러나 압전 센서가 매우 빠른 공정이나 주변 조건에서만 사용될 수 있다는 것은 사실이 아니다.실제로 수많은 압전 애플리케이션은 준정전기 측정을 생성하며, 다른 애플리케이션은 500 °C 이상의 온도에서 작동한다.

압전 센서는 공진과 캐패시턴스를 동시에 측정하여 공기 중의 아로마를 알아내는 데도 사용할 수 있다.컴퓨터가 제어하는 전자제품은 압전 센서의 잠재적인 응용 범위를 크게 증가시킨다.^[6]

압전 센서도 자연에서 볼 수 있다.뼈의 콜라겐은 압전기로, 일부 사람들에 의해 생물학적 힘 센서의 역할을 하는 것으로 생각된다.^[7][8]

작동 원리

압전 자재를 절단하는 방법은 다음과 같은 세 가지 주요 작동 모드 중 하나를 정의한다.

• 가로
• 세로 방향
• 전단하다.

가로 효과

중립 축(y)을 따라 가해진 힘은 힘의 선에 수직인 (x) 방향을 따라 전하를 대체한다.충전량(${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$ ${\$은 각 압전 소자의 기하학적 치수에 따라 달라진다.치수 $a{\displaystyle }$, ${\displaystyle b}$, ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle$ a$,b,d}$이(가) 적용될$$ 때,

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

$여기$서 ${\displaystyle a}$은(는) 중립 축에 따른 치수, $b{\displaystyle }$ ${\displaystyle b}$은(는) 전하 생성 축과 일직선이고 $d{\displaystyle }$ ${\displaystyle d}$은 해당하는 피에조 전기 계수다.[3]

종적 효과

변위된 전하의 양은 가해진 힘에 엄격히 비례하며 압전 소자의 크기와 형태와는 무관하다.기계적으로 여러 원소를 직렬로 배치하고 전기적으로 병렬로 배치하는 것만이 전하 출력을 높이는 방법이다.결과적으로 발생하는 요금은

${\displaystyle Q_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$= ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$ ${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\$

여기서 d ${\displaystyle x_{}}$ ${\$는 x 방향(pC/N)을 따라 가해지는 힘에 의해 방출되는 x 방향 전하의 압전 계수다$$.${\displaystyle F_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$ ${\$는 x 방향[N]으로 적용되는 힘이며 n ${\displaystyle n}$은 쌓인 원소의 수에 해당한다.

전단효과

발생하는 전하가 가해진 힘과 정확히 비례하며 힘과 직각으로 발생한다.전하가 원소의 크기와 모양과 무관하다.$기계적$으로 직렬로$$되어 있고 $전기적$으로 병렬로 $되어$ 있는 n {\displaystyle n$}$ 요소의$$ 경우 전하가

${\displaystyle Q_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$= ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$ ${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ x ${\displaystyle x_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle Q_{x}=2d_{xx}F_{x}n}$.

종적 효과와 전단 효과와 대조적으로 가로 효과는 적용된 힘과 요소 치수에 대한 민감도를 미세 조정할 수 있게 한다.

전기적 특성

압전 변환기는 DC 출력 임피던스가 매우 높으며 비례 전압 소스와 필터 네트워크로 모델링할 수 있다.소스의 전압 V는 인가된 힘, 압력 또는 변형률에 정비례한다.^[9]그러면 출력 신호는 등가 회로를 통과한 것처럼 이 기계적 힘과 관련된다.

상세 모델에는 센서의 기계적 구조와 기타 비이상성의 영향이 포함된다.^[10]인덕턴스 L은_m 센서 자체의 내진 질량과 관성에 기인한다.C는_e 센서의 기계적 탄성에 반비례한다.C는₀ 무한대의 관성 질량에 기인하는 변환기의 정적 캐패시턴스를 나타낸다.^[10]R은_i 변환기 요소의 절연 누설 저항이다.센서가 부하 저항과 연결되어 있는 경우 이는 절연 저항과 병렬로 작용하며, 두 가지 모두 하이패스 컷오프 주파수를 증가시킨다.

센서로 사용하기 위해, 고패스 컷오프와 공명 피크 사이에 일반적으로 주파수 응답도의 평평한 영역이 사용된다.부하 및 누출 저항은 낮은 관심 주파수가 손실되지 않을 정도로 커야 한다.이 영역에는 단순화된 등가 회로 모델을 사용할 수 있으며, 여기서 C는_s 병렬 플레이트의 정전용량 표준식에 의해 결정되는 센서 표면 자체의 정전용량을 나타낸다.^[10][11]또한 상기와 같이 인가된 힘에 정비례하는 전하를 소스 캐패시턴스와 병행하여 충전원으로 모델링할 수 있다.^[9]

센서 설계

압전 기술에 기초하여 다양한 물리적 양을 측정할 수 있는 것은 압력과 가속력이다.압력 센서의 경우 가느다란 막과 거대한 베이스가 사용되어, 가해진 압력이 특별히 원소를 한 방향으로 적재하도록 한다.가속도계의 경우, 내진 질량이 결정 요소에 부착된다.가속도계가 움직임을 경험할 때 불변 지진 질량은 뉴턴의 두 번째 운동 $법칙$인${\displaystyle F}$ = ${\displaystyle m}$ a ${\displaystyle F=ma$}에 따라 원소를 적재한다$.$

이 두 경우 사이의 작동 원리의 주요 차이는 감지 요소에 힘을 가하는 방법이다.압력 센서에서는 얇은 막이 힘을 원소로 전달하고 가속도계에서는 부착된 지진 질량이 힘을 가한다.센서는 둘 이상의 물리적 양에 민감한 경향이 있다.압력 센서는 진동에 노출되면 잘못된 신호를 나타낸다.따라서 정교한 압력 센서는 압력 감지 요소 외에도 가속 보상 요소를 사용한다.그러한 요소들을 주의 깊게 일치시킴으로써, 가속 신호(보상 요소에서 해제됨)를 압력과 가속도의 결합 신호에서 빼내어 진정한 압력 정보를 도출한다.

진동 센서는 또한 기계적 진동으로부터 낭비되는 에너지를 수집할 수 있다.이것은 압전 재료를 사용하여 기계적 변형을 사용 가능한 전기 에너지로 변환함으로써 달성된다.^[12]

센싱 소재

압전 센서에는 압전 세 가지 주요 재료 그룹이 사용된다: 압전 세라믹, 단결정 재료, 박막 압전 재료.세라믹 재료(PZT 세라믹 등)는 압전 상수/감도를 가지며, 천연 단일 결정 재료보다 약 2배 높은 크기이며, 값싼 소결 공정에 의해 생산될 수 있다.피에조세라믹스의 피에조효과는 "훈련"되기 때문에, 그들의 높은 민감도는 시간이 지남에 따라 저하된다.이 열화는 온도 상승과 높은 상관관계가 있다.

민감도가 낮고 자연적인 단결정 소재(갈륨 인산염, 석영, 투르말린)는 조심스럽게 취급할 경우 거의 무제한으로 장기간 안정성이 높다.납 마그네슘 니오베이트-리드 타이타네이트(PMN-PT)와 같은 새로운 단결정 소재도 상용화되고 있다.이들 소재는 PZT에 비해 감도가 개선됐지만 최대 작동온도는 낮고 현재 3가지 복합소재 PZT 대비 4가지 복합재료로 인해 제조가 더 복잡하다.

박막 압전소재는 스퍼터링, CVD(화학 증기 증착), ALD(원자층 상피) 등을 이용해 제조할 수 있다.박막 압전소재는 고주파(> 100 MHz)를 측정방법에 활용하고/또는 소형 크기를 응용에서 선호하는 용도에 사용된다.

참고 항목

• 충전 증폭기
• 센서 목록
• 압전성
• 압전 스피커
• 피에조리스틱 효과
• 초음파 균질화제
• 초음파 변환기
• 박막 벌크 음향 공명기

참조

외부 링크

• 갈륨 인산염의 재료 상수