Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες πίεσης λειτουργούν με βάση την αρχή του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει όταν ορισμένα διηλεκτρικά υλικά παραμορφώνονται υπό μια δύναμη σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, με αποτέλεσμα την εσωτερική πόλωση και την εμφάνιση αντίθετων φορτίων στις δύο αντίθετες επιφάνειές τους. Όταν αφαιρεθεί η δύναμη, το υλικό επιστρέφει στην αφόρτιστη κατάστασή του. αυτό το φαινόμενο ονομάζεται άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Όταν αλλάζει η κατεύθυνση της δύναμης, αλλάζει και η πολικότητα των φορτίων.
Αντίθετα, όταν εφαρμόζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος της κατεύθυνσης πόλωσης του διηλεκτρικού υλικού, αυτό παραμορφώνεται. όταν αφαιρεθεί το ηλεκτρικό πεδίο, η παραμόρφωση εξαφανίζεται. αυτό το φαινόμενο ονομάζεται αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες πίεσης διατίθενται σε πολλούς τύπους και μοντέλα και μπορούν να ταξινομηθούν σε τύπους διαφράγματος και εμβόλου με βάση τη μορφή του ελαστικού στοιχείου αίσθησης και του μηχανισμού που φέρει-δύναμη. Οι αισθητήρες τύπου διαφράγματος αποτελούνται κυρίως από ένα σώμα, ένα διάφραγμα και ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο. Το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο στηρίζεται στο σώμα και το διάφραγμα μεταδίδει τη μετρούμενη πίεση στο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο, το οποίο στη συνέχεια εξάγει ένα ηλεκτρικό σήμα που είναι ανάλογο της μετρούμενης πίεσης. Αυτός ο τύπος αισθητήρα χαρακτηρίζεται από το μικρό του μέγεθος, τα καλά δυναμικά χαρακτηριστικά και την υψηλή-αντοχή στη θερμοκρασία. Η σύγχρονη τεχνολογία μετρήσεων επιβάλλει ολοένα και μεγαλύτερες απαιτήσεις στην απόδοση του αισθητήρα.
Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείτε αισθητήρες πίεσης για τη μέτρηση και τη σχεδίαση του ενδεικτικού διαγράμματος κινητήρα εσωτερικής καύσης, δεν επιτρέπεται η ψύξη του νερού κατά τη μέτρηση και ο αισθητήρας πρέπει να αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες και να είναι μικρός σε μέγεθος. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι τα καλύτερα κατάλληλα για την ανάπτυξη τέτοιων αισθητήρων πίεσης. Ο χαλαζίας είναι ένα εξαιρετικό πιεζοηλεκτρικό υλικό και το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε σε αυτόν. Μια σχετικά αποτελεσματική μέθοδος είναι η επιλογή μιας μεθόδου κοπής κρυστάλλων χαλαζία κατάλληλη για συνθήκες υψηλής{3} θερμοκρασίας. για παράδειγμα, οι κομμένοι κρύσταλλοι χαλαζία XYδ ({4}} βαθμοί -+30 βαθμοί ) μπορούν να αντέξουν σε θερμοκρασίες έως και 350 βαθμούς . Οι μονοκρυστάλλοι LiNbO3 έχουν σημείο Κιουρί έως και 1210 μοίρες, γεγονός που τους καθιστά ιδανικό πιεζοηλεκτρικό υλικό για την κατασκευή αισθητήρων{10}υψηλής θερμοκρασίας.
Τύπος διάχυτου πυριτίου: Η πίεση του μετρούμενου μέσου δρα απευθείας στο διάφραγμα του αισθητήρα (ανοξείδωτο ή κεραμικό), προκαλώντας μια μικρο-μετατόπιση του διαφράγματος ανάλογη της μέσης πίεσης. Αυτό προκαλεί μια αλλαγή στην τιμή αντίστασης του αισθητήρα, η οποία ανιχνεύεται από το ηλεκτρονικό κύκλωμα και μετατρέπεται σε ένα τυπικό σήμα μέτρησης που αντιστοιχεί σε αυτήν την πίεση.
Τύπος Sapphire: Χρησιμοποιώντας την αρχή του μετρητή καταπόνησης, χρησιμοποιεί πυρίτιο-ζαφείρι ως αισθητήριο στοιχείο ημιαγωγών, με απαράμιλλα μετρολογικά χαρακτηριστικά.
Το Sapphire αποτελείται από ένα μόνο-κρύσταλλο μονωτικό στοιχείο, που δεν παρουσιάζει υστέρηση, κόπωση ή ερπυσμό. Το ζαφείρι είναι ισχυρότερο και σκληρότερο από το πυρίτιο και είναι ανθεκτικό στην παραμόρφωση. Το Sapphire έχει εξαιρετική ελαστικότητα και μονωτικές ιδιότητες (έως 1000 μοίρες). Επομένως, τα αισθητήρια στοιχεία ημιαγωγών που κατασκευάζονται με χρήση σιλικόνης-ζαφείρι δεν είναι ευαίσθητα στις αλλαγές θερμοκρασίας και διατηρούν εξαιρετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Το Sapphire έχει ισχυρή αντίσταση στην ακτινοβολία. Επιπλέον, τα στοιχεία ανίχνευσης ημιαγωγών από ζαφείρι πυριτίου-δεν έχουν p-n drift, απλοποιώντας ουσιαστικά τη διαδικασία κατασκευής, βελτιώνοντας την επαναληψιμότητα και εξασφαλίζοντας υψηλή απόδοση.
Οι αισθητήρες πίεσης και οι πομποί που κατασκευάζονται με στοιχεία ανίχνευσης ημιαγωγών από σιλικόνη-ζαφείρι μπορούν να λειτουργήσουν κανονικά κάτω από τις πιο σκληρές συνθήκες, επιδεικνύοντας υψηλή αξιοπιστία, υψηλή ακρίβεια, ελάχιστο σφάλμα θερμοκρασίας και υψηλή{1}}αποτελεσματικότητα κόστους.
Οι αισθητήρες και οι πομποί γαστρικής πίεσης αποτελούνται από σχεδιασμό διπλού-διαφράγματος: ένα διάφραγμα μέτρησης από κράμα τιτανίου και ένα διάφραγμα λήψης από κράμα τιτανίου. Μια γκοφρέτα ζαφείρι τυπωμένη με ένα ετερογενές κύκλωμα γέφυρας επιταξιακού μετρητή τάσης συγκολλάται σε ένα διάφραγμα μέτρησης από κράμα τιτανίου. Η μετρούμενη πίεση μεταδίδεται σε ένα διάφραγμα λήψης (το διάφραγμα λήψης και το διάφραγμα μέτρησης συνδέονται με ασφάλεια με μια ράβδο σύνδεσης). Υπό πίεση, το διάφραγμα υποδοχής κράματος τιτανίου παραμορφώνεται. Αυτή η παραμόρφωση γίνεται αισθητή από το στοιχείο ανίχνευσης του πυριτίου-ζαφείρι, προκαλώντας μια αλλαγή στην έξοδο της γέφυρας, το μέγεθος της οποίας είναι ανάλογο της μετρούμενης πίεσης.
Το κύκλωμα αισθητήρα διασφαλίζει την παροχή ρεύματος στο κύκλωμα γέφυρας μετρητή τάσης και μετατρέπει οποιοδήποτε σήμα ανισορροπίας από τη γέφυρα μετρητή τάσης σε ομοιόμορφη έξοδο ηλεκτρικού σήματος (0-5, 4-20 mA ή 0-5V). Σε αισθητήρες και πομπούς απόλυτης πίεσης, η γκοφρέτα ζαφείρι, συνδεδεμένη με γυάλινη συγκόλληση με κεραμική βάση, λειτουργεί ως ελαστικό στοιχείο, μετατρέποντας τη μετρούμενη πίεση σε παραμόρφωση μετρητή τάσης, επιτυγχάνοντας έτσι τη μέτρηση της πίεσης.