ピエゾ抵抗式ひずみゲージとは圧力センサ
ピエゾ抵抗式ひずみゲージは、最も一般的なタイプの圧力センサの一つです。 それらは圧力を測定するために伸ばされたとき材料の電気抵抗の変更を使用します。
これらのセンサーは簡易性および強さのためにいろいろな適用のために適している。 それらは高および低圧の適用で絶対的な、ゲージの、相対的なおよび差動圧力測定に、使用することができる。
この記事では、利用可能な様々なタイプのピエゾ抵抗圧力センサ、それらの動作方法、およびそれらの相対的なメリットについて説明します。
動作原理
ピエゾ抵抗圧力センサの基本原理は、伸びたときに電気抵抗を変化させる導電性材料から作られたひずみゲージを使用することです。 ひずみゲージは、センサ素子が変形したときの抵抗の変化を認識するダイヤフラムに取り付けることができます。 抵抗の変化は、出力信号に変換されます
導体の抵抗の変化に寄与する三つの別々の効果があります。 これらは:
- 導体の抵抗はその長さに比例するので、延伸は抵抗を増加させる
- 導体が延伸されると、その断面積が減少し、抵抗も増加させる
- いくつかの材料の固有の抵抗率は、延伸されると増加する
これらの最後の、ピエゾ抵抗効果は、材料間で大きく変化する。 感度はゲージ係数によって指定され、これは相対抵抗変化をひずみで割ったものとして定義されます:
ここで、ひずみは長さの相対的な変化として定義されます:
圧力感知素子
ひずみゲージ素子は、金属または半導体材料で作ることができます。
金属ひずみゲージの抵抗変化は、主に材料の形状（長さと断面積）の変化によるものです。 いくつかの金属、例えば白金合金では、ピエゾ抵抗効果は、2倍以上の感度を増加させることができる。
半導体材料では、ピエゾ抵抗効果が支配的であり、典型的には幾何学からの寄与よりも桁違いに大きい。
 圧抵抗ひずみゲージの測定はWheatstone橋回路を使用してなされる |
機能
センサの抵抗の変化は、通常、ホイートストンブリッジ回路を使用して測定されます（以下に示すように）。 これにより、センサの抵抗の小さな変化を出力電圧に変換することができます。
ピエゾ抵抗ひずみゲージ測定は、ホイートストンブリッジ回路を使用して行われます
ブリッジに励起電圧を供給する必要があります。 歪みがなく、ブリッジ内のすべての抵抗がバランスされている場合、出力はゼロボルトになります。 圧力が変化すると、ブリッジ内の抵抗が変化し、対応する出力電圧または電流が発生します。 これがどのように計算されるかは、以下の式に示されています。
性能は等しいおよび反対の緊張に応じて各組の要素が橋で2つか4つの感知要素を、使用することによって改善することができます。 これにより、出力信号が増加し、センサ素子に対する温度の影響を最小限に抑えることができます。
構造
金属感知要素
長さのワイヤから作られた一つ以上のひずみゲージセンサーをダイヤフラムの表面に取り付けることができます。
ダイヤフラムに圧力をかけると、ワイヤが伸び、抵抗が変化します。 センサーの要素は接着剤が付いている表面に結ぶことができますまたはコンダクターは放出させることによってダイヤフラムで直接沈殿させるこ 後者の方法は高温で失敗する接着剤の潜在的な問題を取除き、また小さい装置を組み立てることをもっと簡単にする。
圧力を変えることによって変位した支柱の間にワイヤを巻くことによっても金属ワイヤセンサを作ることができます。 この構造はまたより高い温度で接着剤がポストにワイヤーを付けるために必要ではないので働くことができる。
半導体検出素子
半導体材料、最も一般的にはシリコンもひずみゲージ圧力センサの製造に使用できます。 検出素子の特性、特にピエゾ抵抗効果の大きさは、ドーピングによって調整することができ、言い換えれば、慎重に制御された量の不純物（ドーパント）を半導体に添加することによって調整することができる。
より軽くドープされたシリコンは、より高い抵抗率とより高いゲージ係数をもたらす。 しかし、これはまた、抵抗係数とゲージ係数の両方の熱感度を増加させる。
製造プロセス
半導体センサは、シリコンひずみゲージ素子をダイヤフラムに堆積させることにより、金属線センサと同様の方法で構築することが
電子半導体デバイスの製造方法と同じ製造方法を用いて、シリコン表面に直接構築することもできます。 これは非常に小さいセンサーが感受性、直線性および温度の応答のような正確に管理された特性と安く製造されるようにする。
電子部品は、同じシリコンチップ上に製造することもでき、信号調節を提供し、電気的インタフェースを簡素化することができます。 これらのマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくセンサは、でより詳細に記載されている。
設計
最高の精度を確保するには、出力に影響を与える可能性のあるいくつかの要因を考慮する必要があります。 励起電圧の変動またはノイズは、センサ出力に対応する変化を引き起こします。 これが必要な測定精度よりも小さいことを確認する必要があります。
圧力がないときに出力電圧をゼロに設定するには、ブリッジ回路に調整可能なキャリブレーション抵抗を用意する必要がある場合があります。
測定にオフセットが発生して感度が低下しないように、センサーへのワイヤの抵抗を小さく保つ必要があります。 また、銅線の温度係数はセンサの温度係数よりも大きくてもよく、望ましくない熱感度を導入する可能性があります。
長い線もノイズを拾う可能性が高くなります。 これは、ツイストペアとシールドを使用することで最小限に抑えることができます。
より高い励起電圧を使用すると、センサ出力が増加し、信号対雑音比が向上します。 しかし、より高い電流は、センサの抵抗率および感度を変化させる検出素子の加熱を引き起こす可能性がある。
この自己発熱は、ひずみゲージをダイヤフラムに接着する接着剤にも影響を与え、誤差を生じさせ、時間の経過とともに精度が低下する可能性があります。 高抵抗ひずみゲージを使用することにより、自己加熱効果を低減することができます。
最適な電源電圧は、自己発熱を最小限に抑えることと良好な信号を得ることのバランスです。 これは実験的に決定できます。 たとえば、圧力がなく、センサ出力がゼロの場合、（自己発熱のために）出力が変化するまで励起電圧を増加させることができます。 その後、出力誤差がなくなるまで励起電圧を下げる必要があります。
可能であれば、接続長を最小限に抑え、出力信号をブーストし、信号対雑音比を向上させるために、センサの近くに増幅回路を使用する必要があります。 これはまた外的な騒音を取除くためにセンサーの出力のろ過をすることができる。
センサの励起電圧を監視し、センサ出力から減算するか、アナログ-デジタルコンバータ(ADC)の基準電圧として使用することにより、長いワイヤによる電圧降下など、励起電圧の変化の影響を最小限に抑えることができます。
仕様
一般的な金属ひずみゲージセンサーのゲージ係数は約2～4です。 典型的な最大ひずみは1000分の数の部品で、これは励起の各ボルトに対して約1mVの出力の変化を意味します。
シリコンベースのセンサは、通常、100から200のゲージ係数を提供するためにドープされており、感度と熱特性の間に良好な妥協点を与えます。 シリコンセンサからの出力は約10mV/Vになります。
長所と短所
ピエゾ抵抗ひずみゲージ圧力センサは、堅牢であるという利点があります。 性能および口径測定はまたそのうちに安定している。
これらのセンサの欠点の1つは、他の種類の圧力センサよりも多くの電力を消費することです。 これはそれらが電池式か携帯用システムのために適していないことを意味するかもしれません。
金属膜感知素子は、簡単な構造と耐久性の利点を持っています。 また、シリコンひずみゲージは100℃以下に制限されているシリコンひずみゲージよりも高い最高動作温度（最大約200℃）を持っています。
シリコンひずみゲージは、
MEMS圧力センサは、金属線センサよりもはるかに小さくすることができ、非線形性と温度依存性を制御することができる信号処理用の電子機器と統合
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