Los sensores de presión piezoeléctricos funcionan según el principio del efecto piezoeléctrico. El efecto piezoeléctrico ocurre cuando ciertos materiales dieléctricos se deforman bajo una fuerza en una dirección específica, lo que resulta en una polarización interna y la aparición de cargas opuestas en sus dos superficies opuestas. Cuando cesa la fuerza, el material vuelve a su estado descargado; este fenómeno se llama efecto piezoeléctrico directo. Cuando cambia la dirección de la fuerza, también cambia la polaridad de las cargas.
Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico a lo largo de la dirección de polarización del material dieléctrico, éste se deforma; cuando se elimina el campo eléctrico, la deformación desaparece; este fenómeno se llama efecto piezoeléctrico inverso. Los sensores de presión piezoeléctricos vienen en muchos tipos y modelos, y se pueden clasificar en tipos de diafragma y pistón según la forma del elemento sensor elástico y el mecanismo de soporte de fuerza-. Los sensores de tipo diafragma constan principalmente de un cuerpo, un diafragma y un elemento piezoeléctrico. El elemento piezoeléctrico se apoya en el cuerpo y el diafragma transmite la presión medida al elemento piezoeléctrico, que luego emite una señal eléctrica que es proporcional a la presión medida. Este tipo de sensor se caracteriza por su pequeño tamaño, buenas características dinámicas y resistencia a altas-temperaturas. La tecnología de medición moderna plantea exigencias cada vez mayores al rendimiento de los sensores.
Por ejemplo, cuando se utilizan sensores de presión para medir y trazar el diagrama indicador de un motor de combustión interna, no se permite la refrigeración por agua durante la medición y el sensor debe poder soportar altas temperaturas y ser de tamaño pequeño. Los materiales piezoeléctricos son los más adecuados para desarrollar este tipo de sensores de presión. El cuarzo es un excelente material piezoeléctrico y en él se descubrió el efecto piezoeléctrico. Un método relativamente eficaz es seleccionar un método de corte de cristal de cuarzo adecuado para condiciones de alta-temperatura; por ejemplo, los cristales de cuarzo cortados en XYδ (+20 grados -+30 grados) pueden soportar temperaturas de hasta 350 grados. Los monocristales de LiNbO3 tienen un punto de Curie de hasta 1210 grados, lo que los convierte en un material piezoeléctrico ideal para fabricar sensores de alta-temperatura.
Tipo silicio difuso: La presión del medio medido actúa directamente sobre el diafragma del sensor (acero inoxidable o cerámica), provocando un micro-desplazamiento del diafragma proporcional a la presión del medio. Esto provoca un cambio en el valor de resistencia del sensor, que es detectado por un circuito electrónico y convertido en una señal de medición estándar correspondiente a esa presión.
Tipo zafiro: Utilizando el principio de galga extensométrica, emplea zafiro de silicio-como elemento sensor semiconductor, que posee características metrológicas incomparables.
El zafiro está compuesto por un elemento aislante de un solo-cristal, que no presenta histéresis, fatiga ni fluencia. El zafiro es más fuerte y duro que el silicio y resistente a la deformación. El zafiro tiene excelentes propiedades de elasticidad y aislamiento (hasta 1000 grados). Por lo tanto, los elementos sensores semiconductores fabricados con silicio-zafiro son insensibles a los cambios de temperatura y mantienen excelentes características operativas incluso a altas temperaturas. El zafiro tiene una fuerte resistencia a la radiación. Además, los elementos sensores semiconductores de silicio-zafiro no tienen deriva p-n, lo que simplifica fundamentalmente el proceso de fabricación, mejora la repetibilidad y garantiza un alto rendimiento.
Los sensores y transmisores de presión fabricados con elementos sensores semiconductores de silicio-zafiro pueden funcionar normalmente en las condiciones más duras, mostrando alta confiabilidad, alta precisión, mínimo error de temperatura y alta rentabilidad-.
Los sensores y transmisores de presión gástrica constan de un diseño de diafragma dual-: un diafragma de medición de aleación de titanio y un diafragma receptor de aleación de titanio. Una oblea de zafiro impresa con un circuito de puente de galga extensométrica epitaxial heterogénea se suelda a un diafragma de medición de aleación de titanio. La presión medida se transmite a una membrana receptora (la membrana receptora y la membrana de medición están unidas firmemente mediante un tirante). Bajo presión, la aleación de titanio que recibe el diafragma se deforma. Esta deformación es detectada por el elemento sensor de silicio-zafiro, lo que provoca un cambio en la salida del puente, cuya magnitud es proporcional a la presión medida.
El circuito del sensor garantiza el suministro de energía al circuito del puente del extensómetro y convierte cualquier señal de desequilibrio del puente del extensímetro en una salida de señal eléctrica uniforme (0-5, 4-20 mA o 0-5 V). En los sensores y transmisores de presión absoluta, la oblea de zafiro, conectada a una soldadura de vidrio de base cerámica, actúa como un elemento elástico, convirtiendo la presión medida en deformación extensométrica, logrando así la medición de presión.