تعمل أجهزة استشعار الضغط الكهرضغطية على مبدأ التأثير الكهرضغطي. يحدث التأثير الكهرضغطي عندما تتشوه بعض المواد العازلة تحت قوة في اتجاه معين، مما يؤدي إلى الاستقطاب الداخلي وظهور شحنات متضادة على سطحيها المتعارضين. عندما تتم إزالة القوة، تعود المادة إلى حالتها غير المشحونة؛ وتسمى هذه الظاهرة التأثير الكهرضغطي المباشر. وعندما يتغير اتجاه القوة، تتغير قطبية الشحنات أيضًا.
على العكس من ذلك، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي على طول اتجاه استقطاب المادة العازلة، فإنها تتشوه؛ عند إزالة المجال الكهربائي، يختفي التشوه. وتسمى هذه الظاهرة التأثير الكهروضغطي العكسي. تأتي مستشعرات الضغط الكهرضغطية في العديد من الأنواع والنماذج، ويمكن تصنيفها إلى أنواع غشائية ومكبس بناءً على شكل عنصر الاستشعار المرن وآلية تحمل القوة-. تتكون أجهزة الاستشعار من النوع الغشائي بشكل أساسي من جسم، وحجاب حاجز، وعنصر كهرضغطية. يتم دعم العنصر الكهرضغطي على الجسم، ويقوم الحجاب الحاجز بنقل الضغط المقاس إلى العنصر الكهرضغطي، والذي يقوم بعد ذلك بإخراج إشارة كهربائية تتناسب مع الضغط المقاس. يتميز هذا النوع من أجهزة الاستشعار بصغر حجمه وخصائصه الديناميكية الجيدة ومقاومته العالية لدرجات الحرارة. تضع تكنولوجيا القياس الحديثة متطلبات أعلى بشكل متزايد على أداء أجهزة الاستشعار.
على سبيل المثال، عند استخدام حساسات الضغط لقياس ورسم المخطط المؤشري لمحرك الاحتراق الداخلي، لا يسمح بتبريد الماء أثناء القياس، ويجب أن يكون الحساس قادرًا على تحمل درجات الحرارة العالية وأن يكون صغير الحجم. تعتبر المواد الكهرضغطية هي الأنسب لتطوير أجهزة استشعار الضغط هذه. يعتبر الكوارتز مادة كهرضغطية ممتازة، وقد تم اكتشاف التأثير الكهرضغطي فيه. إحدى الطرق الفعالة نسبيًا هي اختيار طريقة قطع بلورات الكوارتز المناسبة لظروف درجات الحرارة العالية-؛ على سبيل المثال، يمكن لبلورات الكوارتز المقطوعة XYδ (+20 درجة -+30 درجة) أن تتحمل درجات حرارة تصل إلى 350 درجة. تتمتع بلورات LiNbO3 المفردة بنقطة كوري تصل إلى 1210 درجة، مما يجعلها مادة كهرضغطية مثالية لتصنيع أجهزة استشعار درجات الحرارة العالية.
نوع السيليكون المنتشر: يؤثر ضغط الوسط المقاس مباشرة على غشاء المستشعر (الفولاذ المقاوم للصدأ أو السيراميك)، مما يتسبب في إزاحة -صغيرة للحجاب الحاجز بما يتناسب مع ضغط الوسط. ويؤدي ذلك إلى تغيير في قيمة مقاومة المستشعر، والتي يتم اكتشافها بواسطة الدوائر الإلكترونية وتحويلها إلى إشارة قياس قياسية تتوافق مع هذا الضغط.
نوع الياقوت: باستخدام مبدأ قياس الضغط، فإنه يستخدم الياقوت السيليكون- كعنصر استشعار لأشباه الموصلات، ويمتلك خصائص مترولوجية لا مثيل لها.
يتكون الياقوت من -عنصر عازل بلوري واحد، ولا يظهر أي تباطؤ أو تعب أو زحف. الياقوت أقوى وأصلب من السيليكون، ومقاوم للتشوه. يتمتع الياقوت بمرونة ممتازة وخصائص عزل (تصل إلى 1000 درجة). ولذلك، فإن عناصر استشعار أشباه الموصلات المصنوعة باستخدام صفير السيليكون- غير حساسة للتغيرات في درجات الحرارة وتحافظ على خصائص تشغيل ممتازة حتى في درجات الحرارة المرتفعة. يتمتع الياقوت بمقاومة قوية للإشعاع. علاوة على ذلك، لا تحتوي عناصر استشعار أشباه الموصلات المصنوعة من الياقوت السيليكون- على انحراف -، مما يؤدي إلى تبسيط عملية التصنيع بشكل أساسي، وتحسين التكرار، وضمان إنتاجية عالية.
يمكن لأجهزة استشعار الضغط وأجهزة الإرسال المصنوعة من عناصر استشعار أشباه الموصلات- المصنوعة من السيليكون الياقوت أن تعمل بشكل طبيعي في ظل أقسى الظروف، مما يظهر موثوقية عالية ودقة عالية وأدنى حد من الخطأ في درجة الحرارة وفعالية عالية من حيث التكلفة-.
تتكون أجهزة استشعار وأجهزة إرسال ضغط المعدة من تصميم مزدوج للغشاء-: عبارة عن سبيكة تيتانيوم لقياس الحجاب الحاجز وسبائك تيتانيوم تستقبل الحجاب الحاجز. يتم لحام رقاقة الياقوت المطبوعة بدائرة جسر قياس الضغط الفوقي غير المتجانسة على غشاء قياس من سبائك التيتانيوم. يتم نقل الضغط المقاس إلى الحجاب الحاجز المستقبل (يتم توصيل الحجاب الحاجز المستقبلي وحجاب القياس بشكل آمن بواسطة قضيب التعادل). تحت الضغط، تتشوه سبائك التيتانيوم التي تستقبل الحجاب الحاجز. يتم استشعار هذا التشوه بواسطة عنصر استشعار الياقوت السيليكوني-، مما يتسبب في تغيير في خرج الجسر، والذي يتناسب حجمه مع الضغط المقاس.
تضمن دائرة المستشعر إمداد الطاقة إلى دائرة جسر قياس الضغط وتحول أي إشارة خلل من جسر قياس الضغط إلى خرج إشارة كهربائية موحدة (0-5، 4-20 مللي أمبير، أو 0-5 فولت). في أجهزة استشعار وأجهزة إرسال الضغط المطلق، تعمل رقاقة الياقوت، المتصلة بلحام زجاجي قائم على السيراميك، كعنصر مرن، حيث تحول الضغط المقاس إلى تشوه في مقياس الضغط، وبالتالي تحقيق قياس الضغط.