Was sind piezoresistive Dehnungsmessstreifen-Drucksensoren
Piezoresistive Dehnungsmessstreifen gehören zu den häufigsten Arten von Drucksensoren. Sie nutzen die Änderung des elektrischen Widerstands eines Materials, wenn es gedehnt wird, um den Druck zu messen.
Diese Sensoren sind aufgrund ihrer Einfachheit und Robustheit für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet. Sie können zur Absolut-, Manometer-, Relativdruck- und Differenzdruckmessung in Hoch- und Niederdruckanwendungen eingesetzt werden.
In diesem Artikel werden die verschiedenen Arten von verfügbaren piezoresistiven Drucksensoren, ihre Funktionsweise und ihre relativen Vorteile erläutert.
Funktionsprinzip
Das Grundprinzip des piezoresistiven Drucksensors besteht darin, einen Dehnungsmessstreifen aus einem leitfähigen Material zu verwenden, der seinen elektrischen Widerstand ändert, wenn er gedehnt wird. Der Dehnungsmessstreifen kann an einer Membran angebracht werden, die bei einer Verformung des Sensorelements eine Widerstandsänderung erkennt. Die Widerstandsänderung wird in ein Ausgangssignal umgewandelt
Es gibt drei separate Effekte, die zur Widerstandsänderung eines Leiters beitragen. Dies sind:
- Der Widerstand eines Leiters ist proportional zu seiner Länge, so dass das Dehnen den Widerstand erhöht
- Wenn der Leiter gedehnt wird, verringert sich seine Querschnittsfläche, was auch den Widerstand erhöht
- Der spezifische Eigenwiderstand einiger Materialien nimmt zu, wenn er gedehnt wird
Der letzte davon, der piezoresistive Effekt, variiert stark zwischen den Materialien. Die Empfindlichkeit wird durch den Messfaktor angegeben, der als relative Widerstandsänderung dividiert durch die Dehnung definiert ist:
Wobei die Dehnung als relative Längenänderung definiert ist:
Drucksensorelemente
Dehnungsmessstreifen-Elemente können aus Metall oder einem halbleitenden Material bestehen.
Die Widerstandsänderung bei metallischen Dehnungsmessstreifen ist hauptsächlich auf die Änderung der Geometrie (Länge und Querschnittsfläche) des Materials zurückzuführen. In einigen Metallen, beispielsweise Platinlegierungen, kann der piezoresistive Effekt die Empfindlichkeit um den Faktor zwei oder mehr erhöhen.
In halbleitenden Materialien dominiert der piezoresistive Effekt, der typischerweise um Größenordnungen größer ist als der Beitrag der Geometrie.
 Piezoresistive Dehnungsmessstreifen-Messungen werden unter Verwendung einer Wheatstone-Brückenschaltung durchgeführt |
Funktion
Die Widerstandsänderung im Sensor wird üblicherweise mit einer Wheatstone-Brückenschaltung gemessen (siehe unten). Dadurch können kleine Änderungen im Widerstand des Sensors in eine Ausgangsspannung umgewandelt werden.
Piezoresistive Dehnungsmessstreifen-Messungen werden mit einer Wheatstone-Brückenschaltung durchgeführt
Die Brücke muss mit einer Erregerspannung versorgt werden. Wenn keine Dehnung vorliegt und alle Widerstände in der Brücke ausgeglichen sind, beträgt der Ausgang null Volt. Eine Druckänderung bewirkt eine Änderung der Widerstände in der Brücke, was zu einer entsprechenden Ausgangsspannung oder einem entsprechenden Ausgangsstrom führt. Wie dies berechnet wird, zeigt die folgende Formel.
Die Leistung kann durch die Verwendung von zwei oder vier Sensorelementen in der Brücke verbessert werden, wobei die Elemente in jedem Paar einer gleichen und entgegengesetzten Belastung ausgesetzt sind. Dies erhöht das Ausgangssignal und kann die Auswirkungen der Temperatur auf die Sensorelemente minimieren.
Konstruktion
Metallsensorelemente
An der Oberfläche einer Membran können ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen-Sensoren aus einem Drahtstück angebracht werden.
Durch Druck auf die Membran werden die Drähte gedehnt und der Widerstand verändert. Die Sensorelemente können mit Klebstoff auf die Oberfläche aufgeklebt oder der Leiter durch Sputtern direkt auf der Membran abgeschieden werden. Die letztere Methode beseitigt potenzielle Probleme mit Klebstoffen, die bei hohen Temperaturen versagen, und erleichtert auch die Konstruktion kleiner Geräte.
Ein Metalldrahtsensor kann auch hergestellt werden, indem ein Draht zwischen Pfosten gewickelt wird, die durch Druckänderung verschoben werden. Diese Konstruktion kann auch bei höheren Temperaturen arbeiten, da kein Klebstoff benötigt wird, um den Draht an den Pfosten zu befestigen.
Halbleiter-Sensorelemente
Halbleitermaterialien, am häufigsten Silizium, können auch zur Herstellung von Dehnungsmessstreifen-Drucksensoren verwendet werden. Die Eigenschaften des Sensorelements, insbesondere die Größe des piezoresistiven Effekts, können durch Dotierung eingestellt werden, d.h. durch Zugabe sorgfältig kontrollierter Mengen an Verunreinigungen (Dotierstoffen) zum Halbleiter.
Leichter dotiertes Silizium führt zu einem höheren spezifischen Widerstand und einem höheren Messfaktor. Dies erhöht jedoch auch die thermische Empfindlichkeit sowohl des Widerstands- als auch des Messfaktors.
Herstellungsprozess
Halbleitersensoren können ähnlich wie Metalldrahtsensoren aufgebaut werden, indem die Silizium-Dehnungsmessstreifen-Elemente auf einer Membran abgeschieden werden.
Sie können auch direkt auf einer Siliziumoberfläche aufgebaut werden, indem die gleichen Herstellungsverfahren verwendet werden, die zur Herstellung elektronischer Halbleiterbauelemente verwendet werden. Dadurch lassen sich sehr kleine Sensoren kostengünstig mit genau gesteuerten Eigenschaften wie Empfindlichkeit, Linearität und Temperaturverhalten herstellen.
Elektronische Komponenten können auch auf demselben Siliziumchip hergestellt werden, um eine Signalkonditionierung bereitzustellen und die elektrische Schnittstelle zu vereinfachen. Sensoren, die auf diesen mikroelektronisch-mechanischen Systemen (MEMS) basieren, sind in .
Design
Um die höchste Genauigkeit zu gewährleisten, müssen Sie mehrere Faktoren berücksichtigen, die die Ausgabe beeinflussen können. Jede Variation oder jedes Rauschen der Erregerspannung führt zu einer entsprechenden Änderung des Sensorausgangs. Sie müssen sicherstellen, dass dies geringer ist als die erforderliche Messgenauigkeit.
Möglicherweise müssen Sie einen einstellbaren Kalibrierungswiderstand in der Brückenschaltung bereitstellen, um die Ausgangsspannung auf Null zu setzen, wenn kein Druck anliegt.
Sie müssen den Widerstand der Drähte zum Sensor klein halten, um einen Versatz der Messung und eine Verringerung der Empfindlichkeit zu vermeiden. Auch kann der Temperaturkoeffizient der Kupferdrähte größer sein als der des Sensors, was zu einer unerwünschten thermischen Empfindlichkeit führen kann.
Längere Drähte nehmen auch eher Geräusche auf. Dies kann durch verdrillte Paare und Abschirmung minimiert werden.
Die Verwendung einer höheren Erregerspannung erhöht die Sensorleistung und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis. Der höhere Strom kann jedoch zu einer Erwärmung des Sensorelements führen, wodurch sich der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Sensors ändern.
Diese Selbsterwärmung kann sich auch auf die Verklebung des Dehnungsmessstreifen mit der Membran auswirken, was zu Fehlern führen und dazu führen kann, dass sich die Genauigkeit im Laufe der Zeit verschlechtert. Die Eigenerwärmungseffekte können durch die Verwendung eines Dehnungsmessstreifen mit höherem Widerstand reduziert werden.
Die optimale Versorgungsspannung ist ein Gleichgewicht zwischen Minimierung der Eigenerwärmung und Erhalt eines guten Signals. Sie können dies experimentell bestimmen. Zum beispiel, mit keine druck und die sensor ausgang null, sie können erhöhen die anregung spannung, bis die ausgang ist gesehen zu ändern (wegen der selbst-heizung). Die Erregerspannung sollte dann reduziert werden, bis der Ausgangsfehler verschwindet.
Wenn möglich, sollten Sie eine Verstärkerschaltung in der Nähe des Sensors verwenden, um die Verbindungslängen zu minimieren, das Ausgangssignal zu verstärken und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Dies kann auch eine Filterung des Sensorausgangs bewirken, um externes Rauschen zu entfernen.
Sie können die Auswirkungen von Änderungen der Erregerspannung, wie z. B. einem Spannungsabfall durch lange Leitungen, minimieren, indem Sie die Erregerspannung am Sensor überwachen und entweder vom Sensorausgang subtrahieren oder als Referenzspannung für den Analog-Digital-Wandler (ADC) verwenden.
Spezifikationen
Typische Metall-Dehnungsmessstreifen-Sensoren haben einen Messfaktor von etwa 2 bis 4. Bei einer typischen maximalen Dehnung von einigen Promille bedeutet dies eine Leistungsänderung von etwa 1mV für jedes Erregervolt.
Sensoren auf Siliziumbasis sind üblicherweise dotiert, um einen Messfaktor von etwa 100 bis 200 bereitzustellen, was einen guten Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und thermischen Eigenschaften ergibt. Der Ausgang eines Siliziumsensors kann etwa 10 mV / V betragen.
Vor- und Nachteile
Piezoresistive Dehnungsmessstreifen-Drucksensoren haben den Vorteil, robust zu sein. Ihre Leistung und Kalibrierung ist auch im Laufe der Zeit stabil.
Ein Nachteil dieser Sensoren ist, dass sie mehr Strom verbrauchen als einige andere Arten von Drucksensoren. Dies kann bedeuten, dass sie nicht für batteriebetriebene oder tragbare Systeme geeignet sind.
Metallfilm-Sensorelemente haben den Vorteil einer einfachen Konstruktion und Langlebigkeit. Sie haben auch eine höhere maximale Betriebstemperatur (bis zu etwa 200 ° C) als Silizium-Dehnungsmessstreifen, die auf unter 100 ° C begrenzt sind.
Silizium-Dehnungsmessstreifen liefern ein viel größeres Ausgangssignal, wodurch sie sich gut für Niederdruckanwendungen bis zu etwa 2 kPa eignen.
MEMS-Drucksensoren können viel kleiner als Metalldrahtsensoren hergestellt und in eine Elektronik zur Signalverarbeitung integriert werden, die Nichtlinearität und Temperaturabhängigkeit steuern kann.
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- Kapazitiv vs. piezoresistiv vs. piezoelektrische Drucksensoren
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