Capteurs de pression piézorésistifs

Que sont les capteurs de pression à jauge de contrainte piézorésistive

Les jauges de contrainte piézorésistives sont parmi les types de capteurs de pression les plus courants. Ils utilisent le changement de résistance électrique d’un matériau lorsqu’il est étiré pour mesurer la pression.

Ces capteurs sont adaptés à une variété d’applications en raison de leur simplicité et de leur robustesse. Ils peuvent être utilisés pour la mesure de pression absolue, manométrique, relative et différentielle, dans des applications haute et basse pression.

Dans cet article, nous discuterons des différents types de capteurs de pression piézorésistifs disponibles, de leur fonctionnement et de leurs avantages relatifs.

Principe de fonctionnement

Le principe de base du capteur de pression piézorésistif est d’utiliser une jauge de contrainte en matériau conducteur qui modifie sa résistance électrique lorsqu’il est étiré. La jauge de contrainte peut être fixée à un diaphragme qui reconnaît un changement de résistance lorsque l’élément capteur est déformé. Le changement de résistance est converti en un signal de sortie

Trois effets distincts contribuent au changement de résistance d’un conducteur. Ce sont:

• La résistance d’un conducteur est proportionnelle à sa longueur donc l’étirement augmente la résistance
• Lorsque le conducteur est étiré, sa section transversale est réduite, ce qui augmente également la résistance
• La résistivité inhérente de certains matériaux augmente lorsqu’il est étiré

Le dernier d’entre eux, l’effet piézorésistif, varie considérablement entre les matériaux. La sensibilité est spécifiée par le facteur de jauge, qui est défini comme le changement de résistance relatif divisé par la déformation:

Où la déformation est définie comme le changement relatif de longueur:

Éléments de détection de pression

Les éléments de jauge de contrainte peuvent être en métal ou en matériau semi-conducteur.

Le changement de résistance des jauges de contrainte métalliques est principalement dû au changement de géométrie (longueur et section transversale) du matériau. Dans certains métaux, par exemple les alliages de platine, l’effet piézorésistif peut augmenter la sensibilité d’un facteur deux ou plus.

Dans les matériaux semi-conducteurs, l’effet piézorésistif domine, étant généralement des ordres de grandeur supérieurs à la contribution de la géométrie.

Les mesures de jauge de contrainte piézorésistive sont effectuées à l’aide d’un circuit en pont de Wheatstone

Fonction

Le changement de résistance dans le capteur est généralement mesuré à l’aide d’un circuit en pont de Wheatstone (comme indiqué ci-dessous). Cela permet de convertir de petites modifications de la résistance du capteur en une tension de sortie.

Les mesures de jauge de contrainte piézorésistive sont effectuées à l’aide d’un circuit en pont de Wheatstone

Une tension d’excitation doit être fournie au pont. Lorsqu’il n’y a pas de contrainte et que toutes les résistances du pont sont équilibrées, la sortie sera de zéro volt. Un changement de pression entraînera un changement des résistances dans le pont, ce qui entraînera une tension ou un courant de sortie correspondant. La façon dont cela est calculé est indiquée dans la formule ci-dessous.

Les performances peuvent être améliorées en utilisant deux ou quatre éléments de détection dans le pont, les éléments de chaque paire étant soumis à une contrainte égale et opposée. Cela augmente le signal de sortie et peut minimiser les effets de la température sur les éléments du capteur.

Construction

Éléments de détection métalliques

Un ou plusieurs capteurs à jauge de contrainte fabriqués à partir d’une longueur de fil peuvent être fixés à la surface d’un diaphragme.

La pression sur le diaphragme étirera les fils et modifiera la résistance. Les éléments capteurs peuvent être collés sur la surface avec de la colle ou le conducteur peut être directement déposé sur le diaphragme par pulvérisation cathodique. Cette dernière méthode élimine les problèmes potentiels de défaillance des adhésifs à haute température et facilite également la construction de petits appareils.

Un capteur de fil métallique peut également être réalisé en enroulant un fil entre des poteaux déplacés par un changement de pression. Cette construction peut également fonctionner à des températures plus élevées car aucun adhésif n’est nécessaire pour attacher le fil aux poteaux.

Éléments de détection semi-conducteurs

Des matériaux semi-conducteurs, le plus souvent du silicium, peuvent également être utilisés pour fabriquer des capteurs de pression à jauge de contrainte. Les caractéristiques de l’élément de détection, notamment la taille de l’effet piézorésistif, peuvent être ajustées par dopage, c’est-à-dire en ajoutant au semi-conducteur des quantités d’impuretés (dopants) soigneusement contrôlées.

Un silicium plus légèrement dopé entraîne une résistivité plus élevée et un facteur de jauge plus élevé. Cependant, cela augmente également la sensibilité thermique de la résistance et du facteur de jauge.

Procédé de fabrication

Les capteurs à semi-conducteurs peuvent être construits de la même manière que les capteurs à fil métallique, en déposant les éléments de jauge de contrainte en silicium sur un diaphragme.

Ils peuvent également être construits directement sur une surface de silicium en utilisant les mêmes procédés de fabrication utilisés pour la fabrication de dispositifs électroniques à semi-conducteurs. Cela permet de fabriquer de très petits capteurs à moindre coût avec des propriétés contrôlées avec précision telles que la sensibilité, la linéarité et la réponse en température.

Des composants électroniques peuvent également être fabriqués sur la même puce de silicium pour assurer le conditionnement du signal et simplifier l’interface électrique. Les capteurs basés sur ces systèmes mécaniques micro-électroniques (MEMS) sont décrits plus en détail dans.

Conception

Pour assurer la plus grande précision, vous devrez tenir compte de plusieurs facteurs qui pourraient affecter la sortie. Toute variation ou bruit de la tension d’excitation entraînera une modification correspondante de la sortie du capteur. Vous devrez vous assurer que cela est inférieur à la précision de mesure requise.

Vous devrez peut-être prévoir une résistance d’étalonnage réglable dans le circuit en pont pour régler la tension de sortie à zéro lorsqu’il n’y a pas de pression.

Vous devrez maintenir la résistance des fils au capteur petite pour éviter d’introduire un décalage dans la mesure et de réduire la sensibilité. De plus, le coefficient de température des fils de cuivre peut être supérieur à celui du capteur, ce qui peut introduire une sensibilité thermique indésirable.

Les fils plus longs sont également plus susceptibles de capter le bruit. Cela peut être minimisé en utilisant des paires torsadées et un blindage.

L’utilisation d’une tension d’excitation plus élevée augmente la sortie du capteur et améliore le rapport signal sur bruit. Cependant, le courant plus élevé peut provoquer un échauffement de l’élément de détection, ce qui modifiera la résistivité et la sensibilité du capteur.

Cet auto-échauffement peut également affecter le collage de la jauge de contrainte sur le diaphragme, ce qui peut introduire des erreurs et dégrader la précision avec le temps. Les effets d’auto-échauffement peuvent être réduits en utilisant une jauge de contrainte à résistance supérieure.

La tension d’alimentation optimale est un équilibre entre la minimisation de l’auto-échauffement et l’obtention d’un bon signal. Vous pouvez le déterminer expérimentalement. Par exemple, sans pression et avec la sortie du capteur nulle, vous pouvez augmenter la tension d’excitation jusqu’à ce que la sortie change (en raison de l’auto-échauffement). La tension d’excitation doit alors être réduite jusqu’à ce que l’erreur de sortie disparaisse.

Si possible, vous devez utiliser un circuit amplificateur proche du capteur pour minimiser les longueurs de connexion, amplifier le signal de sortie et améliorer le rapport signal sur bruit. Cela peut également effectuer un filtrage de la sortie du capteur pour éliminer le bruit externe.

Vous pouvez minimiser les effets de toute modification de la tension d’excitation, telle qu’une chute de tension causée par de longs fils, en surveillant la tension d’excitation au niveau du capteur et en la soustrayant de la sortie du capteur ou en l’utilisant comme tension de référence pour le convertisseur analogique-numérique (CAN).

Spécifications

Les capteurs de jauge de contrainte métalliques typiques ont un facteur de jauge d’environ 2 à 4. Avec une contrainte maximale typique de quelques parties pour mille, cela signifie un changement de sortie d’environ 1mV pour chaque volt d’excitation.

Les capteurs à base de silicium sont généralement dopés pour fournir un facteur de jauge de l’ordre de 100 à 200, ce qui donne un bon compromis entre sensibilité et caractéristiques thermiques. La sortie d’un capteur en silicium peut être d’environ 10 mV/V.

Avantages et inconvénients

Les capteurs de pression à jauge de contrainte piézorésistive ont l’avantage d’être robustes. Leurs performances et leur étalonnage sont également stables dans le temps.

Un inconvénient de ces capteurs est qu’ils consomment plus d’énergie que certains autres types de capteurs de pression. Cela peut signifier qu’ils ne conviennent pas aux systèmes alimentés par batterie ou portables.

Les éléments de détection de film métallique ont l’avantage d’une construction simple et d’une durabilité. Elles ont également une température de fonctionnement maximale plus élevée (jusqu’à environ 200 ° C) que les jauges de contrainte en silicium, qui sont limitées à moins de 100 ° C.

Les jauges de contrainte en silicium fournissent un signal de sortie beaucoup plus important, ce qui les rend bien adaptées aux applications à basse pression, jusqu’à environ 2 kPa.

Les capteurs de pression MEMS peuvent être beaucoup plus petits que les capteurs à fil métallique et peuvent être intégrés à des composants électroniques pour le traitement du signal, qui peuvent contrôler la non-linéarité et la dépendance à la température.

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