Les capteurs de pression piézoélectriques fonctionnent selon le principe de l'effet piézoélectrique. L'effet piézoélectrique se produit lorsque certains matériaux diélectriques se déforment sous l'effet d'une force dans une direction précise, entraînant une polarisation interne et l'apparition de charges opposées sur leurs deux surfaces opposées. Lorsque la force est supprimée, le matériau revient à son état non chargé ; ce phénomène est appelé effet piézoélectrique direct. Lorsque la direction de la force change, la polarité des charges change également.
À l’inverse, lorsqu’un champ électrique est appliqué dans la direction de polarisation du matériau diélectrique, celui-ci se déforme ; lorsque le champ électrique est supprimé, la déformation disparaît ; ce phénomène est appelé effet piézoélectrique inverse. Les capteurs de pression piézoélectriques existent en de nombreux types et modèles, et peuvent être classés en types à diaphragme et à piston en fonction de la forme de l'élément de détection élastique et du mécanisme de support de force-. Les capteurs à membrane sont principalement constitués d'un corps, d'un diaphragme et d'un élément piézoélectrique. L'élément piézoélectrique repose sur le corps et le diaphragme transmet la pression mesurée à l'élément piézoélectrique, qui émet ensuite un signal électrique proportionnel à la pression mesurée. Ce type de capteur se caractérise par sa petite taille, ses bonnes caractéristiques dynamiques et sa résistance aux températures élevées. La technologie de mesure moderne impose des exigences de plus en plus élevées en matière de performances des capteurs.
Par exemple, lors de l'utilisation de capteurs de pression pour mesurer et tracer le diagramme indicateur d'un moteur à combustion interne, le refroidissement par eau n'est pas autorisé pendant la mesure et le capteur doit être capable de résister à des températures élevées et d'être de petite taille. Les matériaux piézoélectriques sont les mieux adaptés au développement de tels capteurs de pression. Le quartz est un excellent matériau piézoélectrique et c'est dans celui-ci que l'effet piézoélectrique a été découvert. Une méthode relativement efficace consiste à sélectionner une méthode de coupe de cristal de quartz adaptée aux conditions de température élevée ; par exemple, les cristaux de quartz coupés XYδ (+20 degrés -+30 degrés) peuvent résister à des températures allant jusqu'à 350 degrés. Les monocristaux LiNbO3 ont un point de Curie pouvant atteindre 1 210 degrés, ce qui en fait un matériau piézoélectrique idéal pour la fabrication de capteurs à haute température-.
Type silicium diffusé : La pression du milieu mesuré agit directement sur le diaphragme du capteur (acier inoxydable ou céramique), provoquant un micro-déplacement du diaphragme proportionnel à la pression du milieu. Cela provoque une modification de la valeur de résistance du capteur, qui est détectée par des circuits électroniques et convertie en un signal de mesure standard correspondant à cette pression.
Type saphir : utilisant le principe de la jauge de contrainte, il utilise du saphir de silicium- comme élément de détection semi-conducteur, possédant des caractéristiques métrologiques inégalées.
Le saphir est composé d'un élément isolant monocristallin-, ne présentant aucune hystérésis, fatigue ou fluage. Le saphir est plus solide et plus dur que le silicium et résiste à la déformation. Le saphir possède d'excellentes propriétés d'élasticité et d'isolation (jusqu'à 1000 degrés). Par conséquent, les éléments de détection semi-conducteurs fabriqués à partir de saphir de silicium - sont insensibles aux changements de température et conservent d'excellentes caractéristiques de fonctionnement même à des températures élevées. Le saphir a une forte résistance aux radiations. De plus, les éléments de détection semi-conducteurs en silicium-saphir n'ont pas de dérive p-n, ce qui simplifie fondamentalement le processus de fabrication, améliore la répétabilité et garantit un rendement élevé.
Les capteurs et transmetteurs de pression fabriqués avec des éléments de détection à semi-conducteurs en silicium-saphir peuvent fonctionner normalement dans les conditions les plus difficiles, présentant une fiabilité élevée, une haute précision, une erreur de température minimale et une rentabilité élevée-.
Les capteurs et transmetteurs de pression gastrique sont constitués d'une conception à double-diaphragme : un diaphragme de mesure en alliage de titane et un diaphragme de réception en alliage de titane. Une plaquette de saphir imprimée avec un circuit en pont de jauge de contrainte épitaxiale hétérogène est soudée sur un diaphragme de mesure en alliage de titane. La pression mesurée est transmise à une membrane réceptrice (la membrane réceptrice et la membrane de mesure sont solidement reliées par un tirant). Sous pression, le diaphragme récepteur en alliage de titane se déforme. Cette déformation est détectée par l'élément de détection en silicium-saphir, provoquant une modification de la sortie du pont, dont l'ampleur est proportionnelle à la pression mesurée.
Le circuit du capteur assure l'alimentation électrique du circuit du pont de jauge de contrainte et convertit tout signal de déséquilibre du pont de jauge de contrainte en une sortie de signal électrique uniforme (0-5, 4-20 mA ou 0-5 V). Dans les capteurs et transmetteurs de pression absolue, la plaquette de saphir, reliée à une soudure en verre à base de céramique, agit comme un élément élastique, convertissant la pression mesurée en déformation de la jauge de contrainte, réalisant ainsi une mesure de pression.