سنسورهای فشار پیزوالکتریک بر اساس اصل اثر پیزوالکتریک کار می کنند. اثر پیزوالکتریک زمانی اتفاق میافتد که مواد دیالکتریک خاصی تحت نیرویی در جهت خاصی تغییر شکل میدهند و در نتیجه قطبش داخلی و ظاهر شدن بارهای مخالف بر روی دو سطح متضاد آنها ایجاد میشود. هنگامی که نیرو حذف می شود، ماده به حالت بدون بار خود باز می گردد. این پدیده اثر پیزوالکتریک مستقیم نامیده می شود. هنگامی که جهت نیرو تغییر می کند، قطبیت بارها نیز تغییر می کند.
برعکس، هنگامی که یک میدان الکتریکی در امتداد جهت قطبش ماده دی الکتریک اعمال می شود، تغییر شکل می دهد. هنگامی که میدان الکتریکی حذف می شود، تغییر شکل ناپدید می شود. این پدیده اثر پیزوالکتریک معکوس نامیده می شود. سنسورهای فشار پیزوالکتریک انواع و مدلهای زیادی دارند و میتوانند بر اساس شکل عنصر حسگر الاستیک و مکانیسم تحمل نیرو به انواع دیافراگمی و پیستونی طبقهبندی شوند. سنسورهای نوع دیافراگمی عمدتاً از یک بدنه، یک دیافراگم و یک عنصر پیزوالکتریک تشکیل شدهاند. عنصر پیزوالکتریک روی بدنه پشتیبانی میشود و دیافراگم فشار اندازهگیری شده را به عنصر پیزوالکتریک منتقل میکند و سپس سیگنال الکتریکی متناسب با فشار اندازهگیری شده را تولید میکند. این نوع سنسور با اندازه کوچک، ویژگی های دینامیکی خوب و مقاومت در برابر حرارت بالا مشخص می شود. فناوری اندازه گیری مدرن تقاضاهای فزاینده ای را برای عملکرد سنسور ایجاد می کند.
به عنوان مثال، هنگام استفاده از سنسورهای فشار برای اندازه گیری و رسم نمودار نشانگر موتور احتراق داخلی، خنک کننده آب در طول اندازه گیری مجاز نیست و سنسور باید بتواند دمای بالا را تحمل کند و اندازه کوچکی داشته باشد. مواد پیزوالکتریک برای توسعه چنین سنسورهای فشاری مناسب هستند. کوارتز یک ماده پیزوالکتریک عالی است و اثر پیزوالکتریک در آن کشف شد. یک روش نسبتا موثر انتخاب روش برش کریستال کوارتز مناسب برای شرایط دمای بالا است. برای مثال، کریستالهای کوارتز برش خورده XYδ ({4}} درجه -+30 درجه) میتوانند تا دمای 350 درجه را تحمل کنند. تک کریستال های LiNbO3 دارای نقطه کوری تا 1210 درجه هستند که آنها را به یک ماده پیزوالکتریک ایده آل برای تولید حسگرهای دمای{10}بالا تبدیل می کند.
نوع سیلیکون پراکنده: فشار محیط اندازهگیری شده مستقیماً روی دیافراگم سنسور (فولاد ضد زنگ یا سرامیک) تأثیر میگذارد و باعث جابجایی میکرو-دیافراگم متناسب با فشار متوسط میشود. این باعث تغییر در مقدار مقاومت سنسور می شود که توسط مدارهای الکترونیکی شناسایی شده و به سیگنال اندازه گیری استاندارد مربوط به آن فشار تبدیل می شود.
نوع یاقوت کبود: با استفاده از اصل کرنش سنج، از سیلیکون-یاقوت کبود به عنوان عنصر حسگر نیمه هادی استفاده می کند که دارای ویژگی های اندازه شناسی بی نظیری است.
یاقوت کبود از یک عنصر عایق-کریستالی تشکیل شده است که هیسترزیس، خستگی یا خزش ندارد. یاقوت کبود قوی تر و سخت تر از سیلیکون است و در برابر تغییر شکل مقاوم است. یاقوت کبود دارای خاصیت ارتجاعی و عایق عالی (تا 1000 درجه) است. بنابراین، عناصر حسگر نیمه هادی که با استفاده از یاقوت کبود سیلیکونی ساخته شده اند، نسبت به تغییرات دما حساس نیستند و ویژگی های عملیاتی عالی را حتی در دماهای بالا حفظ می کنند. یاقوت کبود دارای مقاومت تابشی قوی است. بعلاوه، عناصر حسگر نیمه هادی سیلیکونی{8}}حساس کننده p-n ندارند، که اساساً فرآیند تولید را ساده میکند، تکرارپذیری را بهبود میبخشد و بازده بالا را تضمین میکند.
سنسورهای فشار و فرستندههای ساخته شده با عناصر حسگر نیمهرسانای سیلیکونی-یاقوت کبود میتوانند به طور معمول تحت سختترین شرایط کار کنند، قابلیت اطمینان بالا، دقت بالا، حداقل خطای دما و کارایی{1}}هزینه بالا را نشان میدهند.
سنسورها و فرستندههای فشار معده از طراحی دیافراگم دوگانه تشکیل شدهاند: دیافراگم اندازهگیری آلیاژ تیتانیوم و دیافراگم گیرنده آلیاژ تیتانیوم. یک ویفر یاقوت کبود چاپ شده با یک مدار پل کرنش سنج اپیتاکسیال ناهمگن روی دیافراگم اندازه گیری آلیاژ تیتانیوم لحیم می شود. فشار اندازه گیری شده به دیافراگم گیرنده منتقل می شود (دیافراگم گیرنده و دیافراگم اندازه گیری به طور ایمن توسط یک میله اتصال به هم متصل می شوند). تحت فشار، آلیاژ تیتانیوم دریافت کننده دیافراگم تغییر شکل می دهد. این تغییر شکل توسط عنصر حسگر سیلیکونی-یاقوت کبود حس میشود و باعث تغییر در خروجی پل میشود که بزرگی آن متناسب با فشار اندازهگیری شده است.
مدار سنسور منبع تغذیه مدار پل کرنش سنج را تضمین می کند و هرگونه سیگنال عدم تعادل از پل کرنش سنج را به خروجی سیگنال الکتریکی یکنواخت تبدیل می کند (0-5، 4-20mA، یا 0-5V). در سنسورها و فرستندههای فشار مطلق، ویفر یاقوت کبود که به یک لحیم کاری شیشهای بر پایه سرامیک متصل است، به عنوان یک عنصر الاستیک عمل میکند و فشار اندازهگیری شده را به تغییر شکل گیج کرنش تبدیل میکند و در نتیجه اندازهگیری فشار را به دست میآورد.