Cosa sono i sensori di pressione per estensimetri piezoresistivi
Gli estensimetri piezoresistivi sono tra i tipi più comuni di sensori di pressione. Usano il cambiamento nella resistenza elettrica di un materiale quando allungato per misurare la pressione.
Questi sensori sono adatti per una varietà di applicazioni a causa della loro semplicità e robustezza. Possono essere utilizzati per la misurazione della pressione assoluta, manometrica, relativa e differenziale, sia in applicazioni ad alta che a bassa pressione.
In questo articolo discuteremo i vari tipi di sensori di pressione piezoresistivi disponibili, come funzionano e i loro meriti relativi.
Principio di funzionamento
Il principio di base del sensore di pressione piezoresistivo è quello di utilizzare un estensimetro fatto da un materiale conduttivo che cambia la sua resistenza elettrica quando è allungato. L’estensimetro può essere collegato a un diaframma che riconosce un cambiamento nella resistenza quando l’elemento sensore è deformato. Il cambiamento di resistenza viene convertito in un segnale di uscita
Ci sono tre effetti separati che contribuiscono al cambiamento di resistenza di un conduttore. Questi sono:
- La resistenza di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza in modo che lo stretching aumenta la resistenza
- Come il direttore d’orchestra è allungata, la sua area della sezione trasversale è ridotto, il che aumenta anche la resistenza
- inerente resistività di alcuni materiali aumenta quando si è allungato
L’ultimo di questi, l’effetto piezoresistivo, varia notevolmente tra i materiali. La sensibilità è specificata dal fattore di gauge, che è definito come la variazione di resistenza relativa divisa per lo sforzo:
Dove la deformazione è definita come la variazione relativa della lunghezza:
Elementi di rilevamento della pressione
Gli elementi dell’estensimetro possono essere fatti di metallo o di un materiale semiconduttore.
La variazione di resistenza degli estensimetri metallici è dovuta principalmente al cambiamento della geometria (lunghezza e sezione trasversale) del materiale. In alcuni metalli, ad esempio le leghe di platino, l’effetto piezoresistivo può aumentare la sensibilità di un fattore due o più.
Nei materiali semiconduttori, l’effetto piezoresistivo domina, in genere essendo ordini di grandezza più grandi del contributo della geometria.
 Piezoresistivo strain gauge misurazioni vengono effettuate mediante un circuito a ponte di Wheatstone |
Funzione
La variazione di resistenza del sensore è di solito misurata utilizzando un circuito a ponte di Wheatstone (come mostrato sotto). Ciò consente di convertire piccoli cambiamenti nella resistenza del sensore in una tensione di uscita.
Le misurazioni dell’estensimetro piezoresistivo vengono effettuate utilizzando un circuito a ponte di Wheatstone
È necessario fornire una tensione di eccitazione al ponte. Quando non c’è tensione e tutti i resistori nel ponte sono bilanciati, l’uscita sarà zero volt. Un cambiamento di pressione causerà un cambiamento nelle resistenze nel ponte con conseguente corrispondente tensione di uscita o corrente. Come viene calcolato è mostrato nella formula seguente.
Le prestazioni possono essere migliorate utilizzando due o quattro elementi sensibili nel ponte, con gli elementi di ciascuna coppia soggetti a sollecitazioni uguali e opposte. Ciò aumenta il segnale di uscita e può ridurre al minimo gli effetti della temperatura sugli elementi del sensore.
Costruzione
Elementi di rilevamento metallici
Alla superficie di un diaframma possono essere fissati uno o più sensori estensimetrici costituiti da una lunghezza di filo.
La pressione sul diaframma allungherà i fili e cambierà la resistenza. Gli elementi del sensore possono essere incollati sulla superficie con adesivo o il conduttore può essere depositato direttamente sul diaframma mediante sputtering. Quest’ultimo metodo rimuove i potenziali problemi con gli adesivi che non riescono a temperature elevate e rende anche più facile la costruzione di piccoli dispositivi.
Un sensore di filo metallico può anche essere realizzato avvolgendo un filo tra i montanti che vengono spostati cambiando la pressione. Questa costruzione può funzionare anche a temperature più elevate perché non è necessario alcun adesivo per collegare il filo ai montanti.
Elementi di rilevamento a semiconduttore
I materiali semiconduttori, più comunemente silicio, possono anche essere utilizzati per realizzare sensori di pressione dell’estensimetro. Le caratteristiche dell’elemento sensibile, in particolare la dimensione dell’effetto piezoresistivo, possono essere regolate dal doping; in altre parole aggiungendo quantità accuratamente controllate di impurità (droganti) al semiconduttore.
Il silicio più leggermente drogato si traduce in una maggiore resistività e un fattore di gauge più elevato. Tuttavia, questo aumenta anche la sensibilità termica sia della resistenza che del fattore di gauge.
Processo di fabbricazione
I sensori a semiconduttore possono essere costruiti in modo simile ai sensori a filo metallico, depositando gli elementi dell’estensimetro al silicio su un diaframma.
Possono anche essere costruiti direttamente su una superficie di silicio utilizzando gli stessi metodi di produzione utilizzati per la fabbricazione di dispositivi elettronici a semiconduttore. Ciò consente di produrre sensori molto piccoli a basso costo con proprietà controllate con precisione come sensibilità, linearità e risposta alla temperatura.
I componenti elettronici possono anche essere fabbricati sullo stesso chip di silicio per fornire il condizionamento del segnale e semplificare l’interfaccia elettrica. I sensori basati su questi sistemi meccanici microelettronici (MEMS) sono descritti più dettagliatamente in .
Design
Per garantire la massima precisione, è necessario considerare diversi fattori che potrebbero influenzare l’output. Qualsiasi variazione o rumore nella tensione di eccitazione causerà un corrispondente cambiamento nell’uscita del sensore. È necessario assicurarsi che questo sia inferiore alla precisione di misurazione richiesta.
Potrebbe essere necessario fornire una resistenza di calibrazione regolabile nel circuito del ponte per impostare la tensione di uscita a zero quando non c’è pressione.
È necessario mantenere piccola la resistenza dei fili al sensore per evitare di introdurre un offset alla misurazione e ridurre la sensibilità. Inoltre, il coefficiente di temperatura dei fili di rame può essere maggiore di quello del sensore, che può introdurre una sensibilità termica indesiderata.
Anche i fili più lunghi hanno maggiori probabilità di rilevare il rumore. Questo può essere ridotto al minimo utilizzando coppie intrecciate e schermatura.
Utilizzando una maggiore tensione di eccitazione aumenta l’uscita del sensore e migliora il rapporto segnale rumore. Tuttavia, la corrente più alta può causare il riscaldamento dell’elemento sensibile, che cambierà la resistività e la sensibilità del sensore.
Questo auto-riscaldamento può anche influenzare l’incollaggio dell’estensimetro al diaframma, che può introdurre errori e causare la degradazione della precisione nel tempo. Gli effetti di autoriscaldamento possono essere ridotti utilizzando un estensimetro ad alta resistenza.
La tensione di alimentazione ottimale è un equilibrio tra minimizzare l’autoriscaldamento e ottenere un buon segnale. Puoi determinarlo sperimentalmente. Ad esempio, senza pressione e l’uscita del sensore pari a zero, è possibile aumentare la tensione di eccitazione fino a quando l’uscita è visto per cambiare (a causa di auto-riscaldamento). La tensione di eccitazione dovrebbe quindi essere ridotta fino a quando l’errore di uscita scompare.
Se possibile, utilizzare un circuito amplificatore vicino al sensore per ridurre al minimo le lunghezze di connessione, aumentare il segnale di uscita e migliorare il rapporto segnale / rumore. Questo può anche fare un po ‘ di filtraggio dell’uscita del sensore per rimuovere il rumore esterno.
È possibile ridurre al minimo gli effetti di eventuali variazioni della tensione di eccitazione, come una caduta di tensione causata da cavi lunghi, monitorando la tensione di eccitazione al sensore e sottraendola dall’uscita del sensore o utilizzandola come tensione di riferimento per il convertitore analogico-digitale (ADC).
Specifiche
I tipici sensori per estensimetri metallici hanno un fattore di gauge di circa 2-4. Con un tipico sforzo massimo di poche parti per mille, questo significa un cambiamento in uscita di circa 1mV per ogni volt di eccitazione.
I sensori a base di silicio sono solitamente drogati per fornire un fattore di gauge di circa 100 a 200, che fornisce un buon compromesso tra sensibilità e caratteristiche termiche. L’uscita da un sensore al silicio può essere di circa 10 mV/V.
Vantaggi e svantaggi
I sensori di pressione per estensimetri piezoresistivi hanno il vantaggio di essere robusti. Anche le loro prestazioni e la loro calibrazione sono stabili nel tempo.
Uno svantaggio di questi sensori è che consumano più energia rispetto ad altri tipi di sensori di pressione. Ciò potrebbe significare che non sono adatti per sistemi alimentati a batteria o portatili.
Elementi di rilevamento pellicola metallica hanno il vantaggio di costruzione semplice e durata. Hanno anche una temperatura massima di esercizio più elevata (fino a circa 200°C) rispetto agli estensimetri al silicio, che sono limitati a meno di 100°C.
Gli estensimetri al silicio forniscono un segnale di uscita molto più grande, che li rende adatti per applicazioni a bassa pressione, fino a circa 2 kPa.
I sensori di pressione MEMS possono essere molto più piccoli dei sensori a filo metallico e possono essere integrati con l’elettronica per l’elaborazione del segnale, che può controllare la non linearità e la dipendenza dalla temperatura.
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