mik azok a piezorezisztív feszültségmérő nyomásérzékelők
a Piezorezisztív feszültségmérők a nyomásérzékelők leggyakoribb típusai közé tartoznak. A nyomás mérésére az anyag elektromos ellenállásának változását használják, amikor megnyújtják.
ezek az érzékelők egyszerűségük és robusztusságuk miatt sokféle alkalmazásra alkalmasak. Abszolút, nyomtávú, relatív és differenciális nyomásméréshez használhatók, mind a magas, mind az alacsony nyomású alkalmazásokban.
ebben a cikkben megvitatjuk a rendelkezésre álló piezorezisztív nyomásérzékelők különböző típusait, azok működését és relatív érdemeit.
működési elv
a piezorezisztív nyomásérzékelő alapelve olyan vezető anyagból készült feszültségmérő használata, amely megnyújtásakor megváltoztatja elektromos ellenállását. A feszültségmérő egy membránhoz csatlakoztatható, amely felismeri az ellenállás változását, amikor az érzékelő elem deformálódik. Az ellenállás változása kimeneti jellé alakul
három különálló hatás járul hozzá a vezető ellenállásának változásához. Ezek a következők:
- a vezető ellenállása arányos a hosszával, így a nyújtás növeli az ellenállást
- mivel a vezető meg van nyújtva, keresztmetszeti területe csökken, ami szintén növeli az ellenállást
- egyes anyagok eredendő ellenállása növekszik, ha megnyújtják
ezek közül az utolsó, a piezorezisztív hatás, nagymértékben változik az anyagok között. Az érzékenységet a mérőfaktor határozza meg, amelyet a relatív ellenállásváltozásként határozunk meg osztva a feszültséggel:
ahol a törzs meghatározása a hossz relatív változása:
nyomásérzékelő elemek
a feszültségmérő elemek fémből vagy félvezető anyagból készülhetnek.
a fém törzsmérők ellenállásváltozása elsősorban az anyag geometriájának (hosszának és keresztmetszetének) változásából adódik. Egyes fémekben, például platinaötvözetekben a piezorezisztív hatás két vagy több tényezővel növelheti az érzékenységet.
a félvezető anyagokban a piezorezisztív hatás dominál, jellemzően nagyságrendekkel nagyobb, mint a geometria hozzájárulása.
 a Piezorezisztív nyúlásmérő méréseket a Wheatstone híd áramkör |
funkció
az érzékelő ellenállásának változását általában Wheatstone híd áramkör segítségével mérik (az alábbiak szerint). Ez lehetővé teszi az érzékelő ellenállásának kis változásainak átalakítását kimeneti feszültségre.
a Piezorezisztív nyúlásmérő méréseket Wheatstone híd áramkör segítségével végezzük
gerjesztő feszültséget kell biztosítani a híd számára. Ha nincs feszültség, és a híd összes ellenállása kiegyensúlyozott, akkor a kimenet nulla volt lesz. A nyomásváltozás az ellenállások változását okozza a hídban, ami megfelelő kimeneti feszültséget vagy áramot eredményez. Ennek kiszámítását az alábbi képlet mutatja.
a teljesítmény javítható két vagy négy érzékelő elem használatával a hídban, az egyes párokban lévő elemek egyenlő és ellentétes feszültségnek vannak kitéve. Ez növeli a kimeneti jelet, és minimálisra csökkenti a hőmérséklet hatását az érzékelő elemekre.
Építés
fémérzékelő elemek
egy vagy több huzalhosszúságú feszültségmérő érzékelő csatlakoztatható a membrán felületéhez.
a membránra gyakorolt nyomás megnyújtja a vezetékeket és megváltoztatja az ellenállást. Az érzékelő elemek ragasztóval ragaszthatók a felületre,vagy a vezető porlasztással közvetlenül a membránra helyezhető. Ez utóbbi módszer kiküszöböli a magas hőmérsékleten meghibásodó ragasztók esetleges problémáit, és megkönnyíti a kis eszközök gyártását is.
fémhuzal-érzékelő úgy is elkészíthető, hogy huzalt tekerünk a nyomás megváltoztatásával elmozdított oszlopok közé. Ez a konstrukció magasabb hőmérsékleten is működhet, mivel nincs szükség ragasztóra a huzal rögzítéséhez az oszlopokhoz.
félvezető érzékelő elemek
félvezető anyagok, leggyakrabban Szilícium, szintén felhasználhatók feszültségmérő nyomásérzékelők készítésére. Az érzékelő elem jellemzői, különösen a piezorezisztív hatás mérete doppingolással állítható be; más szavakkal gondosan ellenőrzött mennyiségű szennyeződést (adalékanyagot) adva a félvezetőhöz.
az enyhén adalékolt Szilícium nagyobb ellenállást és nagyobb nyomtényezőt eredményez. Ez azonban növeli mind az ellenállás, mind a mérő tényező hőérzékenységét.
gyártási folyamat
a félvezető érzékelők a fémhuzalos érzékelőkhöz hasonló módon építhetők fel úgy, hogy a szilícium feszültségmérő elemeket egy membránra helyezik.
közvetlenül Szilícium felületen is előállíthatók az elektronikus félvezető eszközök gyártásához használt gyártási módszerek alkalmazásával. Ez lehetővé teszi a nagyon kicsi érzékelők olcsó gyártását olyan pontosan szabályozott tulajdonságokkal, mint az érzékenység, a linearitás és a hőmérséklet-válasz.
az elektronikus alkatrészek ugyanazon a szilícium chipen is előállíthatók a jel kondicionálása és az elektromos interfész egyszerűsítése érdekében. Az ezen mikroelektronikai mechanikai rendszereken (MEMS) alapuló érzékelőket részletesebben a .
tervezés
a legnagyobb pontosság érdekében számos tényezőt figyelembe kell vennie, amelyek befolyásolhatják a kimenetet. A gerjesztési feszültség bármilyen változása vagy zajja megfelelő változást okoz az érzékelő kimenetében. Biztosítani kell, hogy ez kisebb legyen, mint a szükséges mérési pontosság.
lehet, hogy állítható kalibrációs ellenállást kell biztosítania a híd áramkörében, hogy a kimeneti feszültséget nullára állítsa, ha nincs nyomás.
a vezetékeknek az érzékelővel szembeni ellenállását kicsiben kell tartania, hogy elkerülje a mérés eltolását és csökkentse az érzékenységet. Ezenkívül a Rézhuzalok hőmérsékleti együtthatója nagyobb lehet, mint az érzékelőé, ami nemkívánatos hőérzékenységet eredményezhet.
a hosszabb vezetékek szintén nagyobb valószínűséggel veszik fel a zajt. Ez minimálisra csökkenthető sodrott Párok és árnyékolás alkalmazásával.
nagyobb gerjesztési feszültség használata növeli az érzékelő kimenetét és javítja a jel-zaj arányt. A nagyobb áram azonban az érzékelő elem felmelegedését okozhatja, ami megváltoztatja az érzékelő ellenállását és érzékenységét.
ez az önmelegedés befolyásolhatja a törzsmérőnek a membránhoz való ragasztását is, ami hibákat okozhat, és idővel a pontosság romlását okozhatja. Az önmelegedési hatások csökkenthetők egy nagyobb ellenállású törzsmérővel.
az optimális tápfeszültség az önmelegedés minimalizálása és a jó jel elérése közötti egyensúly. Ezt kísérletileg meghatározhatja. Például nyomás nélkül és az érzékelő kimenete nulla, növelheti a gerjesztési feszültséget, amíg a kimenet megváltozik (az önmelegedés miatt). A gerjesztési feszültséget ezután csökkenteni kell, amíg a Kimeneti hiba eltűnik.
ha lehetséges, az érzékelőhöz közeli erősítő áramkört kell használni a csatlakozási hossz minimalizálása, a kimeneti jel növelése és a jel-zaj arány javítása érdekében. Ez az érzékelő kimenetének szűrését is elvégezheti a külső zaj eltávolítása érdekében.
minimalizálhatja a gerjesztési feszültség változásainak hatásait, például a hosszú vezetékek által okozott feszültségesést, ha figyeli az érzékelő gerjesztési feszültségét, és kivonja azt az érzékelő kimenetéből, vagy referenciafeszültségként használja az analóg-digitális átalakítóhoz (ADC).
MŰSZAKI ADATOK
a tipikus fém nyúlásmérő érzékelők mérő tényezője körülbelül 2-4. A tipikus maximális feszültség néhány rész / ezer, ez azt jelenti, hogy a kimenet minden gerjesztési feszültségre körülbelül 1 mV-os változást jelent.
a szilícium alapú érzékelőket általában adalékolják, hogy 100-200 körüli nyomtényezőt biztosítsanak, ami jó kompromisszumot jelent az érzékenység és a termikus jellemzők között. A Szilícium-érzékelő kimenete körülbelül 10 mV/V lehet.
előnyök és hátrányok
a Piezorezisztív törzsmérő nyomásérzékelők előnye, hogy robusztusak. Teljesítményük és kalibrálásuk is stabil az idő múlásával.
ezeknek az érzékelőknek az egyik hátránya, hogy több energiát fogyasztanak, mint néhány más típusú nyomásérzékelő. Ez azt jelentheti, hogy nem alkalmasak akkumulátoros vagy hordozható rendszerekhez.
a fémfólia érzékelő elemek előnye az egyszerű felépítés és a tartósság. Magasabb maximális üzemi hőmérsékletük is van (körülbelül 200cc-ig), mint a szilícium alakváltozásmérők, amelyek 100cc alatt vannak korlátozva.
A Szilícium alakváltozásmérők sokkal nagyobb kimeneti jelet szolgáltatnak, így jól alkalmazhatók alacsony nyomású alkalmazásokhoz, körülbelül 2 kPa-ig.
a MEMS nyomásérzékelők sokkal kisebbek lehetnek, mint a fémhuzal érzékelők, és integrálhatók az elektronikával a jelfeldolgozáshoz, amely képes szabályozni a nemlinearitást és a hőmérsékletfüggést.
szeretne többet megtudni a nyomásérzékelőkben használt egyéb alapvető technológiákról? Az alábbi linkekre kattintva ugorhat az érdeklődő szakaszra.
- kapacitív vs. piezorezisztív vs. piezoelektromos nyomásérzékelők
- kapacitív nyomásérzékelők
- piezoelektromos nyomásérzékelők
- MEMS nyomásérzékelők
- optikai nyomásérzékelők
többet keres a nyomásérzékelő technológiáról? Nézze meg az alábbi útmutató további fejezeteit, vagy ha időre szorul, itt letöltheti PDF formátumban.
