압전 가속도계
Piezoelectric accelerometer
압전 가속도계는 특정 물질의 압전 효과를 이용하여 기계적 변수(예: 가속, 진동, 기계적 충격)의 동적 변화를 측정하는 가속도계다.
모든 변환기와 마찬가지로 압전기는 한 형태의 에너지를 다른 형태로 변환하고 측정되는 수량, 특성 또는 조건에 반응하여 전기 신호를 제공한다. 모든 가속도계의 기초가 되는 일반적인 감지 방법을 사용하여 가속도는 스프링에 의해 억제되거나 캔틸레버 빔에 매달려 있는 지진 질량에 작용하여 물리적인 힘을 전기 신호로 변환한다. 가속도가 전기적 양으로 변환되기 전에 먼저 힘이나 변위로 변환되어야 한다. 이 변환은 오른쪽 그림에서 표시한 매스 스프링 시스템을 통해 수행된다.
소개
압전이라는 단어는 압착하거나 누르는 것을 의미하는 그리스어 피에진에서 그 뿌리를 찾는다. 가속도계에 물리적 힘이 가해질 때, 지진 질량은 뉴턴의 두 번째 운동 법칙(= F에 따라 압전 소자를 적재한다. 압전 재료에 가해지는 힘은 압전 재료에 의해 발생하는 정전력 또는 전압의 변화에서 관찰할 수 있다. 이것은 피에조리스틱 소재가 충전이나 전압의 변화보다는 재료의 저항의 변화를 경험한다는 점에서 피에조리스틱 효과와 다르다. 압전기에 가해지는 물리력은 구부림 또는 압축의 두 가지 유형 중 하나로 분류할 수 있다. 압축 유형의 응력은 반대쪽이 고정된 표면에 기대어 있는 동안 압전기의 한쪽에 가해지는 힘으로 이해할 수 있으며, 구부러지는 것은 양쪽에서 압전기에 가해지는 힘을 포함한다.
가속도계를 목적으로 사용되는 압전 재료는 단결정 재료와 세라믹 재료의 두 가지 범주로 나뉜다. 첫 번째와 더 널리 사용되는 것은 단결정 소재(보통 석영)이다. 이러한 재료들이 감도 면에서 긴 수명을 제공하긴 하지만, 그들의 단점은 일반적으로 일부 압전 세라믹에 비해 덜 민감하다는 것이다. 다른 범주인 세라믹 소재는 단결정 소재보다 피에조 상수(감성)가 높고, 생산 비용이 저렴하다. 세라믹은 티탄산바륨, 지르콘산 납-티탄산염, 메탄니오베이트, 그리고 그 밖의 다른 재료들을 사용하며, 이 재료들의 구성은 그들의 개발을 책임지는 회사가 소유하는 것으로 간주한다. 그러나 압전 도자기의 단점은 감도가 시간이 지날수록 저하되어 단결정 소재보다 기기의 수명이 짧아진다는 점이다.
저감도 피에조전자를 사용할 경우 출력 곱셈을 위해 2개 이상의 결정체를 함께 연결할 수 있다. 감도, 주파수 응답, 대량 저항 및 열 반응에 기초하여 특정 용도에 적합한 재료를 선택할 수 있다. 압전 가속도계가 갖고 있는 낮은 출력 신호와 높은 출력 임피던스 때문에 생성된 신호의 증폭과 임피던스 변환이 필요하다. 과거에 이 문제는 별도의 (외부) 앰프/임피던스 컨버터를 사용하여 해결되었다. 그러나 이 방법은 결과적으로 시스템에 가해지는 물리적 및 환경적 제약뿐만 아니라 도입되는 소음 때문에 일반적으로 비현실적이다. 오늘날 IC 앰프/임피던스 컨버터는 상업적으로 사용할 수 있으며 일반적으로 가속도계 자체의 경우 안에 포장되어 있다.
역사
압전 가속도계의 작동에 대한 미스터리 뒤에는 결정 구조물의 행동을 지배하는 몇 가지 아주 근본적인 개념들이 있다. 1880년에 피에르와 자크 퀴리는 크리스탈에 대한 기계적 응력과 표면 전하를 연결하는 실험적인 시범을 발표했다. 이 현상은 압전 효과로 알려지게 되었다. 이러한 현상과 밀접한 관련이 있는 것은 물리학자 피에르 퀴리(Pierre Curie)의 이름을 딴 퀴리(Curie) 포인트로 압전 물질이 원자의 자발적 양극화를 상실하는 온도다.
상업용 압전 가속도계의 개발은 브리지와 같은 대형 구조물과 항공기 같은 이동 중인 차량의 진동을 측정하는 가장 효과적인 방법을 찾기 위한 여러 시도를 통해 이루어졌다. 저항 변형률 게이지를 가속도계 구축 장치로 사용하는 시도가 한 번 있었다. 우연히, MIT에서의 연구를 통해 상업용 변형률 게이지 가속도계(Circu 1938년)를 최초로 건설한 사람으로 인정받는 사람은 한스 J. 마이어였다.[1] 그러나 변형률 게이지 가속도계는 취약하여 공명 주파수가 낮을 뿐 아니라 저주파 응답도 보였다. 동적 범위의 이러한 제한으로 인해 해군 항공기 구조 시험에는 적합하지 않았다. 반면에 압전 센서는 가속도계를 설계할 때 변형률 게이지보다 훨씬 나은 선택으로 입증되었다. 압전 재료의 높은 탄성 계수는 압전 센서를 변형 게이지 가속도계에 식별된 문제에 대한 보다 실행 가능한 해결책으로 만든다.
간단히 말해, 압전 가속도계의 고유 특성은 주파수 응답이 높고 공명 주파수를 많이 발생시킬 수 있기 때문에 변형률 게이지 유형에 대한 훨씬 더 나은 대안으로 만들었다. 압전 가속도계는 제조 수준에서 물리적 크기를 줄일 수 있었고 변형률 게이지 유형에 비해 더 높은 g(표준 중력) 성능을 제공했다. 이에 비해 변형률 게이지 타입은 200Hz 이상의 평판 주파수 응답을 보인 반면 압전 타입은 최대 10,000Hz의 평판 응답을 제공했다.[1] 이러한 개선으로 이전에는 변형률 게이지 유형으로는 불가능했던 항공기의 빠른 이동 및 짧은 지속시간 충격과 관련된 고주파 진동을 측정할 수 있게 되었다. 머지않아 압전 가속도계의 기술적 이점이 명백해졌고 1940년대 후반에 압전 가속도계의 대규모 생산이 시작되었다. 오늘날, 압전 가속도계는 공학, 보건, 의학, 항공 및 다른 많은 다른 산업 분야에서 계측에 사용된다.
제조업
가속도계를 제조하는 데는 두 가지 일반적인 방법이 있다. 하나는 피에조레저항의 원리에 기초하고 다른 하나는 피에조레스의 원리에 기초하고 있다. 두 방법 모두 원하지 않는 직교 가속 벡터가 검출에서 제외되도록 보장한다.
피에조레저항을 사용하는 가속도계 제조는 우선 두꺼운 산화층에 의해 손잡이 웨이퍼에 부착된 반도체 층부터 시작한다. 그런 다음 반도체 층을 가속도계의 기하학적 구조로 패턴화한다. 이 반도체 레이어는 하나 이상의 간극이 있어 기저 질량에는 상응하는 간극이 있다. 다음으로 반도체 층은 밑바닥의 두꺼운 산화물의 충치를 에칭하는 마스크로 사용된다. 캐비티의 질량은 반도체층의 피에조레스틱 암에 의해 캔틸레버 방식으로 지지된다. 가속도계의 기하학적 바로 아래에는 공동의 질량이 가속도계의 표면에 직교하는 방향으로 굴곡되거나 움직일 수 있도록 하는 굴곡진 공동이 있다.
압전도에 기초한 가속도계는 두 개의 압전 변환기로 구성된다. 이 장치는 양쪽 끝의 압전 변환기에 의해 밀봉된 텅 빈 튜브로 구성된다. 변환기는 정반대로 극성이며 특정 직렬 캐패시턴스를 갖도록 선택된다. 그 다음 튜브는 무거운 액체로 부분적으로 채워지고 가속도계는 흥분된다. 흥분한 상태에서 총 출력 전압을 연속적으로 측정하고 원하는 출력 전압을 얻을 때까지 무거운 액체의 부피를 마이크로로드로 조정한다. 마지막으로 개별 변환기의 출력을 측정하고, 잔류 전압 차이를 표로 표시하며, 지배적인 변환기를 식별한다.
1943년에 덴마크 회사인 Brüel & Kjær는 세계 최초의 충전 가속도계인 타입 4301을 출시했다.
압전 가속도계의 적용
압전 가속도계는 많은 다른 산업, 환경 및 응용 분야에서 사용된다. 압전 측정 장치는 오늘날 실험실과 생산 현장에서, 그리고 충격과 진동을 포함한 기계적 변수의 동적 변화를 측정하고 기록하기 위한 원래의 장비로서 널리 사용되고 있다.
일부 가속도계에는 전자장치가 내장돼 있어 기록장치에 전송하기 전에 신호를 증폭시킨다. 이러한 장치는 일반적으로 IEPE 표준 또는 이에 상응하는 독점적 ICP를 준수한다(통합 회로 압전 센서 참조).
참조
- 노턴, 해리 N. (1989년). 변환기 핸드북. 프렌티스 홀 PTR. ISBN0-13-382599-X'PDF 링크'
