microsisteme mecatronice vi

7/24/2019 Microsisteme Mecatronice Vi

1/8

VI. Principii de baza in functionarea microsenzorilor

Principii de baz n funcionarea microsenzorilor

Interaciunea sistemelor mecatronice cu mediul nconjurtor se realizeaz prin intermediul a doutipuri distincte de subsisteme: senzori pentru funcia de percepie i actuatori pentru funcia deexecuie. La nivelul microsistemelor mecatronice funcia de percepie este realizat de microsenzori iarfuncia de execuie este realizat de microactuatori.

Scematic! senzorul transform o mrime ne"electric #presiune! for! temperatur! debit! acceleraie!vitez! etc.$ ntr"un semnal electric! n timp ce actuatorul transform un semnal electric ntr"o mrime

ne"electric #deplasare! vitez! lucru mecanic! for etc.$.%uncionarea microsenzorilor se bazeaz pe o serie de efecte de natur fizic sau cimic prin careunele mrimi ne"electrice se transform n mrimi electrice sau produc modificri n circuitele electricen care sunt le&ai microsenzorii'

1. Efectul de piezorezistivitate

Piezorezistivitatea este o caracteristic a unor materiale de a"i scimba rezistena electric atunci c(ndasupra lor se exercit o presiune. )uv(ntul piezorezistivitate deriv din cuv(ntul &recesc piezincarenseamn a presa.*fectul a fost descoperit pentru prima dat de Lord +elvin n anul ,-/ c(nd a observat c rezisten

electric a firelor de cupru i de oel crete atunci c(nd firele sunt supuse unot tensiuni de traciune.

0ac se consider o bar #fi&. ,$ de seciune dreptun&iular de lime w! nlimeyi lun&ime l! atuncirezistena electric a acestei bare este dat de relaia1

yw

lR

=

#,$

unde reprezint rezistivitatea materialului #exprimat n m $.

,


2/8


%i&. ,

)(nd bara este solicitat la traciune se produce o alun&ire dl iar limea i nlimea barei se reduc!respectiv cu dwi dy.2elaia #, $ se difereniaz i rezult1

dywy

ldw

yw

ldl

wyd

wy

ldR

22

+= #3$

0in rel.#3$ i #,$ rezult1

y

dy

w

dw

l

dld

R

dR+=

#4$

Semnificaia termenilor din relaia #4$ este urmtoarea1

" lldl

=

i reprezint alun&irea specific5

" lww

dw == i reprezint reducerea specific a limii barei5

" lyy

dy == i reprezint reducerea specific a nlimii barei.

unde reprezint coeficientul Poisson cu valori in jur de 6!4.2elaia #4$ conduce la urmtoarea relaie1

)21(/dR/dR

ll

++= #7$

8ermenull

R/dR

reprezint factorul de sensibilitate i este format din dou componente1 efectul de

piezorezistivitate #l

/d

$ i factorul &eometric # 21( + $.

*fectul de piezorezistivitate st la baza msurrii tensiunilor cu ajutorul mrcilor tensometrice.%actorul de sensibilitate variaz n funcie de materialul utilizat pentru construcia mrcilortensometrice1

" fire din metall

R/dR

9 3 :5

3


3/8


" monocristal de siliciul

R/dR

9 ",3 :.3665

" polisiliciul

R/dR

9 "46:..;46

Semnul < la factorul de sensibilitate su&ereaz c rezistena scade odat cu solicitarea n resistor.

2. Efectul piezoelectric

*fectulpiezoelectrica fost descoperit n anul ,--6 de ctre fraii Pierre i =ac>ue )urie i a fost pus neviden prin apariia unei diferene de potenial electric la capetele unui dielectric sau feroelectric!atunci c(nd asupra lui acioneaz o for de compresie mecanic. 0iferena de potenial se datoreazpolarizrii electrice a materialului piezoelectric sub aciunea deformatoare a solicitrii mecaniceexterne. Polarizarea electric const n apariia unor sarcini electrice pe suprafaa materialelorpiezoelectrice supuse aciunii forelor de compresie sau de ntindere. ?aterialele monocristaline saupolicristaline supuse aciunii unei presiuni mecanice &enereaz o tensiune electric! acesta este efectulpiezoelectric direct! iar sub aciunea unui c(mp electric sufer o deformare mecanic #distorsiunemecanic numit electrostriciune$ acesta corespunde efectului piezoelectric indirect #fi&.3.$.Piezoelectricitatea este caracterizat printr"o relaie direct ntre cauz i efect.

%i&. 31 *fectul piezoelectric direct # a$ i efectul piezoelectric invers #b$

Pentru structurile cristaline reprezentate bidimensional n planulxOy #fi&.4.a.$! lipsa aciunii mecaniceexterioare! pune n eviden polarizarea rezultant cu valoare nul ca urmare a structurii simetrice acristalului.

@n cazul n care se acioneaz din exterior asupra cristalului! are loc deformarea structurii interne areelei #fi&.4.b$! ionii se deplaseaz! polarizare intern nu mai este n ecilibru i are loc polarizareacristalului prin efect direct! deci polarizarea rezultant este diferit de zero.@n fi&ura 4. efectul de polarizare este pus n eviden prin momentul dipolar al celulelor unitare!

moment ncadrat cu linie punctat.

4


4/8


%i&. 4Sarcina electric A indus n materialul cristalin este direct proporional cu tensiunea mecanic

Baplicat din exterior conform relaiei #/.,.$! care reprezint expresia efectului piezoelectric direct.

FdAdQ == #$

undeAeste aria seciunii materialului pe direcia forei de compresiuneF! iar deste factorul deproporionalitate dintre sarcina electric i fora de comprimare! se exprim np/!i poart numeledepiezomodulcu valori ce depind de natura materialului piezoelectric.8ensiunea electric ce apare ntre cele dou suprafee supuse compresiunii este dat de relaia1

"A

Fd

Q#

r

==

6

#V$ #/$

unde ) este capacitatea electric ntre cele dou suprafee! 6 este permitivitatea electric a vidului# 6 9 -!-7 ,6",3%'m$ ! r este permitivitatea relativ a materialului iar este &rosimea de materialcuprins ntre cele dou suprafee.

0e exemplu! pentru o plcu din material ceramic piezoelectric tip PC8! cu dimensiunile de ,6x,6mm i cu &rosimea de , mm! dac se aplic o for de compresiune de ,66 D pe direcia nlimii seobine o tensiune electric de 33!/ voli. Estfel! la materialul ceramic PC8 permitivitatea relativa r 9 4666! iar piezomodulul d 9 /66 p)'D.

/!33

66,!6

6,!66,!64666,6-!-.7

,66,6/66,3"

,3

=

=

$

Valori pentru piezomodulul di pentru permitivitatea relativ r la diverse materiale piezoelectricesunt prezentate n tabelul ,.8abelul ,?aterialul Piezomodulul d! p)'D Permitivitatea relativ! r

Auartz 3 7Polimer PV0% 36 ,3Fxid de zinc ,3 ,38itanat de bariu # material ceramic$ ,G6 3666PC8 # material ceramic$ 466 " /66 766 " 4666

7


5/8


%enomenul piezoelectric are i un efect invers prin aceea c asi&urarea unei polarizri electrice amaterialului cristalin determin la acesta o deformare elasticx. 0eformareax este direct proporionalcu polarizarea%prin intermediul unui coeficient piezoelectric& ! conform relaiei #H$.

%&x = #H$Intre polarizare i c(mpul electric * exist relaia1

'% $,#6 = #-$

unde r = 6 .0in rel. #H$ i #-$ rezult expresia piezomodulului d care depinde de mrimea coeficientuluipiezoelectric & ! permitivitatea electric absolut a vidului 6 i permitivitatea relativ electric amaterialului piezoelectric ) #care depinde de permitivitatea electric relativ a materialuluipiezoelectric! )r.

'd'&%&x === $,#6 #G$2ezult1

$,#6 = d #,6$In cazul unei solicitri complexe a unui cristal! cu trei tensiuni de compresiune < traciune zyx !!

i cu trei solicitri deforfecare zyx !! ! fi&. 7! pe fiecare suprafa se definesc polarizrile%x %y%z ! polarizri care apar n urmasolicit*rilor mecanice la care este supus monocristalul #fi&. 7.$.

%i&.7

)oeficienii piezoelectrici di+! din cadrul relaiilor #,,$ se determin experimental pentru fiecare cristaln funcie de materialul care se afl la baza compoziiei sale. Pentru principalele materiale

piezoelectrice! valoarea piezomodulului este dat n tabelul 3.8abelul 3

#,,$


6/8


3. Microsenzori capacitiviSe bazeaz pe modificarea capacitii electrice ntre 3 suprafee atunci c(nd se modifica distana dintresuprafee! aria comun celor dou suprafee sau dielectricul dintre cele do suprafee! n conformitatecu relaia1

d

A

r

=

6 J%K #,3$

unde1 6 este permitivitatea electric a vidului # 6 9 -!-7 ,6",3%'m$ ! r este permitivitatea relativa dielectricului introdus ntre plci! d este distana dintre cele dou suprafee iar E este aria comuncelor dou suprafee.In fi&. sunt prezentate cele 4 variante de modificare a capacitii1 modificarea distanei dintrearmturi #a$! modificarea ariei comune #b$ i modificarea permitivitii electrice prin introducerea unuidielectric r #c$.

%i&. 4. Microsenzori optici

Lumina! ca und electroma&netic poate influena un senzor prin urmtoarele marimi caracteristice1"Intensitate5"Poziie spaial5"%az5"%recven5

/


7/8


"Lun&ime de und5"Polarizare.

ntensitatea luminoaspoate fi sesizat cu ajutorul unor detectori optici # fotodiode! fototransistori$.Sursa de lumina poate fi o dioda emitoare de lumin #L*0$ fi&. /! raz de laser sau lumin de la unbec cu incandescen. Principalul dezavantaj al utilizrii intensitii luminoase const n variaiaintensitii luminoase ca urmare a numeroi factori # timp! temperatur etc.$.

%i&. /

Poziia spaial !sau metoda triun"#iulaiei$ se bazeaz pe utilizarea razelor de lumin reflectate can fi&. H. Eceast metod prezint avantajul c nu depinde de intensitatea luminoas.

%i&. H

$ariaiile de faza undelor luminoase nu pot fi sesizate direct de ctre fotodetector. Pentru sesizareavariaiilor de faz se utilizeaz un interferomentru care combin razele luminoase ce au interacionatcu microsenzorul cu raze luminoase care nu au interacionat cu microsenzorul.Modificarea frecveneirazei de lumin poate fi utilizat pentru microsenzori pentru sesizarea vitezeide deplasare a unui obiect. Estfel! conform efectului 0opler! frecvena unei raze de lumin reflectate deun obiect aflat n micare cu viteza ,este dat de relaia1

,

, $,#

=

c

,ff #,4$

H


8/8


udef1este frecvena luminii reflectate!f este frecvena luminii incidente iar c este viteza luminii n vid.

-

microsisteme mecatronice vi

Documents