Trong lĩnh vực đo lường và tự động hóa, các yêu cầu căn bản như chuyển đổi chính xác các biến số cơ học như áp suất, lực, gia tốc hay rung động thành tín hiệu điện thường đặt ở mức chính xác cao nhất. Trên thị trường điện-điện tử ngày nay, các công nghệ về bộ chuyển đổi vô cùng đa dạng, trong đó bộ cảm biến áp điện (Piezoelectric Sensor) được xem là một giải pháp nổi bật trong việc đo lường động lực học. Điều này là do bộ cảm biến điện này có tốc độ phản hồi vô cùng nhanh, độ bền cơ học cao và khả năng tự phát tín hiệu điện mà không cần nguồn kích bên ngoài. Trong đó, thuật ngữ piezo mang ý nghĩa là nén hoặc ép, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, điều này đồng thời cũng phản ánh chính xác bản chất bên trong cấu trúc vật liệu thông qua quá trình tương tác giữa biến dạng cơ học và điện trường. 

Hiệu ứng áp điện trực tiếp và thuận nghịch

Theo nguyên lý hoạt động, bộ cảm biến áp điện được phát triển bởi hai anh em nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie vào năm 1880, dựa trên hiệu ứng áp điện trực tiếp. Để dễ hiểu, trọng tâm của các ion mang điện tích dương và các ion mang điện tích âm sẽ bị dịch chuyển tương đối so với nhau khi có một lực cơ học tác động làm biến dạng cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu áp điện. Việc này sẽ dẫn đến sự xuất hiện của các điện tích trái dấu tích tụ trên hai bề mặt đối diện của vật liệu do sự xuất hiện của các lưỡng cực điện thông qua quá trình mất cân bằng đối xứng. Công thức tính lượng điện tích sinh ra (q) được xác định bằng tỷ lệ giữa độ lớn lực cơ học tác dụng (F) và hệ số áp điện như sau:

q=d⋅F

Trong công thức trên, d là hệ số áp điện có đơn vị là Coulomb/Neuton (C/N), giá trị này thay đổi theo từng mức độ đặc trưng của từng loại vật liệu. Tuy nhiên, hiện tượng này cũng có thể coi là một hiệu ứng áp điện ngược do nó có tính thuận nghịch. Tại đó, cấu trúc tinh thể sẽ bị biến dạng cơ học tương ứng, có thể co lại hoặc giãn ra khi đặt một điện trường hoặc điện áp vào hai cực của vật liệu. Đây cũng là nguyên lý cốt lõi để phát triển các sản phẩm như loa gốm hay đầu phát thông qua cơ cấu chấp hành nano.

Cấu trúc vật liệu áp điện

Hiệu ứng áp điện chỉ xuất hiện trong các vật liệu có cấu trúc tinh thể không có tâm đối xứng (non-centrosymmetric). Về mặt thương mại và nghiên cứu, vật liệu áp điện thường được chia thành ba nhóm chính:

Theo các nghiên cứu, chỉ các vật liệu có cấu trúc tinh thể không có tâm đối xứng mới có hiện tượng áp điện. Do đó, vật liệu áp điện thương mại được chia thành ba nhóm chính theo mặt thương mại và nghiên cứu. Ba nhóm này bao gồm tinh thể tự nhiên, gốm áp điện nhân tạo và polyme áp điện, các nhó thành được phân tích cụ thể như sau:

• Về nhóm tinh thể tự nhiên: nhóm này thường bao gồm thạch anh và Tourmaline. Trong đó, thạch anh thường là lựa chọn tiêu chuẩn hàng đầu cho các bộ cảm biến đo áp suất và lực trong các môi trường có nhiệt độ cao hoặc yêu cầu độ chính xác tuyệt đối. Điều xuất phát từ việc thạch anh có độ ổn định nhiệt và cơ học vượt trội, chúng có dòng rò điện trở cách điện rất cao và thường không bị suy giảm theo thời gian.
• Về nhóm gốm áp điện nhân tạo: nhóm này đặc trưng bởi Lead Zirconate Titanate và Barium Titanate. Trong đó, Lead Zirconate Titanate được tổng hợp nhân tạo và trải qua quá trình phân cực điện trường cao ở nhiệt độ cao, từ đó định hướng các mômen lưỡng cực. Loại vật liệu này thường có độ nhạy tín hiệu rất cao, chi phí sản xuất thấp, mặc dù độ ổn định nhiệt thường bị giới hạn bởi điểm nhiệt độ Curie.
• Về nhóm polyme: vật liệu tiêu biểu cho nhóm này là Polyvinylidene Fluoride (PVDF). So với hai loại vật liệu phía trên, màng mỏng PVDF thường có tính dẻo dai, nhẹ và có thể uốn cong theo các bề mặt phức tạp. Điều này được xem là một điều kiện lý tưởng cho các cảm biến xúc giác, màng đo nhịp tim y sinh và các ứng dụng robot mềm.

Khâu đo điện tích và phối hợp trở kháng trong mạch xử lý tín hiệu

Theo nguyên lý, phần tử điện áp hoạt động giống như một máy phát điện mắc nối tiếp với một tụ điện và một điện trở rò có cường độ cực lớn. Do điện tích được sinh ra rất nhỏ, trong khi trở kháng đầu ra của cảm biến lại cực kỳ cao, vì vậy tín hiệu này thường được đi qua tầng khuếch đại trước khi kết nối trực tiếp với các bộ thu thập dữ liệu. Có hai phương pháp phối hợp chính để chuyển đổi tín hiệu, bao gồm mạch khuếch đại điện tích và mạch cảm biến tích hợp điện tử. Trong đó, mạch khuếch đại điện tích thường sử dụng một bộ khuếch đại thuật toán tích hợp tụ hồi tiếp để triệt tiêu hoàn toàn các tác động của điện dung ký sinh trên dây cáp truyền dẫn, từ đó giúp chuyển đổi lượng điện tích trực tiếp sang điện áp thông qua công thức:

Vout=-qCf

Đối với mạch cảm biến tích hợp điện tử, mạch này sử dụng cáp đồng trục 2 dây để thực hiện đồng thời hai việc: cấp dòng điện không đổi để nuôi mạch và truyền tải tín hiệu điện áp để giúp chống nhiễu vượt trội trong quá trình truyền dài.

Các ứng dụng trong công nghiệp và đời sống

Hiện nay, cảm biến điện thường xuất hiện rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau, điều này là nhờ các đặc tính vốn có của nó như dải đo rộng, độ tuyến tính cao, độ cứng vững cơ học và tốc độ phản ứng tức thì với các dao động vi mô. Một số lĩnh vực thường được ứng dụng nhiều nhất có thể kể đến như giám sát tình trạng máy móc, ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ, chẩn đoán y tế…. Bên cạnh đó, cảm biến điện cũng được ứng dụng trong các ứng dụng thu nhận năng lượng, khi chúng có thể tận dụng vật liệu áp điện để chuyển đổi các rung động xung quanh như đường xá, máy móc, bước chân của người đi bộ… để chuyển thành điện năng nhằm phục vụ cho các ứng dụng khác nhau.