Sensor piezoelétrico

Um sensor piezoelétrico é um sensor que usa o efeito piezoelétrico para medir grandezas físicas como pressão, aceleração ou qualquer outra grandeza física gerando tensões mecânicas ou deformações através de materiais ativos (magnéticos, elétricos, térmicos, mecânicos ...). Na verdade, o conceito de sensor piezoelétrico pode ser estendido a dispositivos que acoplam o uso de materiais piezoelétricos com o de um material ativo (material dentro do qual há um acoplamento físico entre várias quantidades físicas: material magnetostritivo , magnetoelétrico, por exemplo.).

Entre os sensores piezoelétricos, distingue-se entre os que exploram o efeito piezoelétrico em estática (excitação por tensão contínua) e os que utilizam o efeito piezoelétrico em dinâmica (excitação em frequência). Dentre estes últimos, podemos distinguir várias classes de acordo com os modos de vibração do material piezoelétrico utilizado, incluindo: sensores que usam os modos de vibração de volume ("bulk" em inglês), aqueles que usam modos de superfície (via ondas acústicas de superfície em particular) e, finalmente, aqueles que usam modos de placa ( ondas de Lamb, por exemplo ). Esses modos de vibração são específicos para os materiais piezoelétricos usados e ainda são objeto de pesquisa no momento.

Materiais

A escolha do material piezoelétrico com vistas ao desenvolvimento de um sensor piezoelétrico é fundamental, em termos das propriedades buscadas em termos de sensibilidade, compatibilidade com o ambiente em que irá operar (altas temperaturas, acidez do meio, etc. ) ou ainda em termos da complexidade dos processos de fabricação implementados, bem como dos custos envolvidos.Os materiais piezoelétricos mais utilizados atualmente são o quartzo, o niobato de lítio e o tantalato de lítio.

Quartzo

O quartzo é um material piezoelétrico naturalmente presente na Terra na rocha (cristais com gêmeos alterando essas propriedades). Por este motivo, é sintetizado por crescimento hidrotérmico em aplicações industriais (cristal de quartzo em eletrônica, wafer para micro-nano tecnologias, etc.). O quartzo possui diferentes modos de vibração dependendo do corte utilizado, tornando-o um material versátil. As principais seções cristalinas, bem como seu modo de vibração (modo de volume), estão resumidas na tabela a seguir:

Modo de vibração	Seção cristalográfica
Espessura de cisalhamento	AT, BT
Alongamento	5 ° X
Flexão	XY, NT
Diapasão	2 ° X
Cisalhamento de contorno	CT, DT, SL

O quartzo também é um material no qual as ondas acústicas de superfície podem se propagar. A natureza dessas ondas acústicas de superfície (polarização, velocidade de propagação, etc.) depende da seção cristalográfica usada. A tabela a seguir mostra algumas propriedades relacionadas a este ponto:

Seção cristalográfica	Polarização	Velocidade de propagação
Quartzo 36 ° YX + 90 °	Puramente transversal	5100 m / s
Quartzo -75 ° YX	Longitudinal	3950 m / s

Niobato de lítio (LiNbO 3 )

O niobato de lítio é um material piezoelétrico geralmente na forma de substrato (wafer). É amplamente utilizado em dispositivos de ondas acústicas de superfície (sensores, filtros) devido às suas excelentes propriedades eletromecânicas. As propriedades das ondas acústicas de superfície existentes neste material estão resumidas na seguinte tabela:

Seção cristalográfica	Polarização	Acoplamento eletromecânico	Velocidade de propagação
LiNbO 3 64 ° YX	Transversal	11,3%	4742 m / s
LiNbO 3 41 ° YX	Transversal	17,2%	4792 m / s
LiNbO 3 128 ° YX	Rayleigh	5,5%	3979 m / s
LiNbO 3 YZ	Longitudinal	4,9%	3488 m / s

Tantalato de lítio (LiTaO 3 )

O tantalato de lítio também é amplamente utilizado em dispositivos de ondas acústicas de superfície. Abaixo estão as propriedades das ondas acústicas de superfície existentes neste material:

Seção cristalográfica	Polarização	Acoplamento eletromecânico	Velocidade de propagação
LiTaO 3 X-112 ° Y	Longitudinal	0,75%	3300 m / s
LiTaO 3 36 ° YX	Transversal	5%	4212 m / s

Formulários

Sensores de onda de volume

Microbalança de quartzo

Uma microbalança de quartzo é um ressonador de quartzo que tem a forma de um disco de quartzo com aproximadamente 330 μm de espessura (frequência de ressonância geralmente entre 5 e 6 MHz) e aproximadamente 1 cm de diâmetro que é usado para medir massas muito baixas. O princípio de medição baseia-se na variação da frequência de ressonância do quartzo devido à adição de uma espessura de material à sua superfície e esta, de forma proporcional (equação de Sauerbrey). Isso é definido da seguinte forma:

${\ displaystyle \ Delta f = {\ frac {2f_ {0} ^ {2}} {A {\ sqrt {\ rho _ {q} \ mu _ {q}}}}} \ Delta m}$

f_0

- Frequência de ressonância de quartzo (Hz)

{\ displaystyle \ Delta f}

- Variação de frequência (Hz)

{\ displaystyle \ Delta m}

- Variação de massa (g)

NO

- Superfície piezoelétrica ativa do quartzo (superfície dos eletrodos, cm 2 )

{\ displaystyle \ rho _ {q}}

- Densidade de quartzo ( = 2.648)

{\ displaystyle \ rho _ {q}}

{\ displaystyle \ mu _ {q}}

- Módulo de cisalhamento de quartzo (corte AT) ( = 2.947 × 10 11 g cm −1 s −2 )

{\ displaystyle \ mu _ {q}}

Quando o quartzo ressoa sob o efeito de uma excitação por um sinal alternado (ou quando montado em um oscilador), nasce uma onda estacionária na espessura do disco. Quando este é modificado por um depósito de material, o comprimento de onda da onda estacionária é modificado, modificando assim a frequência do modo de vibração do quartzo. Normalmente, uma variação de alguns nanogramas por centímetro quadrado pode ser detectada devido ao fator de qualidade muito grande do quartzo (aproximadamente 10 6 ), garantindo estabilidade de frequência muito alta (da ordem de alguns ppm).

As aplicações das microbalanças de quartzo são numerosas: monitoramento e medição da espessura do depósito de material em camadas finas (em particular por pulverização catódica ou evaporação a vácuo ), monitoramento de processos do tipo eletroquímico (corrosão), biológico (sensor de DNA), físico-químico. ..

Sensores de onda acústica de superfície

Por vários anos, os sensores de ondas acústicas de superfície têm experimentado um interesse crescente devido à miniaturização cada vez maior de dispositivos eletrônicos, em particular por meio de sistemas microeletromecânicos .

Sensor de campo magnético

Os sensores de campo magnético de onda acústica de superfície baseiam-se em um princípio simples: a interação entre as ondas acústicas de superfície e um material magnetostritivo por meio de acoplamento magneto-elástico. Eletrodos de pente interdigitados são depositados em camadas finas em um material piezoelétrico. O comprimento de onda (e, portanto, a frequência de excitação) é fixado pelo passo da rede de eletrodos de pente inter-digitalizados. Quando estes são excitados por um sinal senoidal, ondas acústicas de superfície são geradas pelo efeito piezoelétrico e se propagam na superfície do substrato. Um material magnetostritivo (Ni, FeGa, FeCoSiB, TbCo 2 / FeCo ...) tendo a particularidade de se deformar sob o efeito de um campo magnético é depositado na superfície do substrato piezoelétrico no caminho da onda acústica da superfície (geralmente por pulverização catódica ). As tensões geradas pelo material magnetostritivo durante sua deformação sob o efeito do campo magnético modificam localmente a elasticidade do material piezoelétrico, modificando assim a velocidade de propagação da onda acústica no substrato. Este fenômeno é denominado efeito ΔE (E representa o módulo de elasticidade do material).

Sensores de campo magnético de onda acústica de superfície vêm principalmente em duas formas:

uma linha de retardo que compreende dois eletrodos de pente interdigitalizados (um emissor e um receptor) entre os quais o material magnetostritivo é depositado. A variação na velocidade de propagação da onda acústica de superfície devido ao efeito ΔE gera um deslocamento de fase (além do deslocamento de fase devido à propagação entre o emissor e o receptor) dependendo do campo magnético externo. A medição do campo magnético com tal sensor é, portanto, realizada em transmissão. Este tipo de estrutura pode ser utilizado em configuração interferométrica para, em particular, contornar variações de temperatura.
um ressonador que compreende um eletrodo em pentes interdigitados (transmissor e receptor combinados) rodeado por refletores de metal em curto-circuito ou em circuito aberto. A medição do campo magnético com tal sensor é realizada em reflexão. Nessa configuração, a frequência de ressonância varia em função do campo magnético ao redor do sensor. A sensibilidade de tal sensor depende principalmente do fator de qualidade do ressonador (o último dependendo do projeto do ressonador, do material dos eletrodos, do substrato piezoelétrico usado, da polarização da onda acústica de superfície, etc.). Mais precisamente, a figura de mérito relevante é o produto de freqüência do fator de qualidade. Normalmente, é da ordem de 10 13 para o mais sensível dos sensores (10 4 a 1 GHz ).

Sensor de gás

O princípio dos sensores de gás de onda acústica de superfície é baseado na absorção de moléculas de gás por meio de uma fina película de polímero. Isso é colocado no caminho da onda acústica de superfície em uma estrutura do tipo linha de atraso. Uma matriz de filmes finos de polímero, cada um tendo uma sensibilidade a uma molécula química particular, pode ser produzida no mesmo substrato, a fim de detectar moléculas químicas de natureza diferente e, assim, constituir uma estrutura do tipo "lab-on-chip" permitindo uma resolução de 1. ordem de algumas partes por trilhão (ppt).

Referências

(em) " Unidade de Cristal "
(in) " Filtros de ondas acústicas de superfície: com aplicações em eletrônicos "
(em) " Propriedades do cristal de niobato de lítio "
(in) 3 -Properties.html " Propriedades de tantalato de lítio "
(in) " Teoria e calibração da microbalança de cristal de quartzo " (acessado em 22 de abril de 2019 )
(em) Yi Fu, e Harry O. Finklea, " Quartz Crystal Microbalance Sensor for Organic Vapor Detection Molecularly Imprinted Polymers Based on " , Analytical Chemistry ,2003
(em) Michio Kadota e al., " SAW magnéticos sensores compostos por vários eletrodos de Ni em estruturas de quartzo " , IEEE International Ultrasonics Symposium ,2011
(em) Weiyang Li e outros, " Surface Acoustic Wave Magnetic Sensor using Galfenol Thin Film " , IEEE Transactions on Magnetics ,2012
(em) Anne Kittman e al., " Wide Band Low Noise Love Wave Magnetic Field Sensor System " , Scientific Reports, Nature ,2018
(in) Huan Zhou e al., " Multilayer structure based magnetostrictive Surface acoustic wave devices " , Appl. Phys. Lett. 104, 114101 ,2014
(in) Michio Kadota e al., " Resonator Filters Using Shear Horizontal-Type Leaky Surface Acoustic Wave Consisting of Heavy-Metal Electrode Substrate and Quartz " , IEEE Transactions on Ultrasonic Ferroelectrics and Frequency Control ,2004
(in) Zdravko P.Khlebarov, Any I.Stoyanova e Diana I.Topalova, " sensores de onda acústica de gás de superfície " , Sensores e Atuadores B: Químico ,1992