hva er piezoresistive trykksensorer trykksensorer
Piezoresistive trykksensorer er blant de vanligste typene trykksensorer. De bruker endringen i elektrisk motstand av et materiale når de strekkes for å måle trykket.
disse sensorene er egnet for en rekke applikasjoner på grunn av deres enkelhet og robusthet. De kan brukes til måling av absolutt, måle, relativ og differensialtrykk, både i høy – og lavtrykksapplikasjoner.
i denne artikkelen vil vi diskutere ulike typer piezoresistive trykksensorer tilgjengelig, hvordan de fungerer, og deres relative fordeler.
arbeidsprinsipp
det grunnleggende prinsippet i den piezoresistive trykksensoren er å bruke en spenningsmåler laget av et ledende materiale som endrer sin elektriske motstand når den strekkes. Spenningsmåleren kan festes til en membran som gjenkjenner en endring i motstand når sensorelementet deformeres. Endringen i motstand konverteres til et utgangssignal
det er tre separate effekter som bidrar til endringen i motstand av en leder. Disse er:
- motstanden til en leder er proporsjonal med lengden, slik at strekk øker motstanden
- når lederen strekkes, reduseres tverrsnittsarealet, noe som også øker motstanden
- den iboende resistiviteten til noen materialer øker når den strekkes
den siste av disse, den piezoresistive effekten, varierer sterkt mellom materialer. Følsomheten er spesifisert av målefaktoren, som er definert som den relative motstandsendringen dividert med stammen:
hvor stamme er definert som den relative endringen i lengde:
Pressure sensing elements
Strain gauge elementer kan være laget av metall eller et halvledende materiale.
motstandsendringen i metallspenningsmålere skyldes hovedsakelig materialets endring i geometri (lengde og tverrsnittsareal). I noen metaller, for eksempel platinlegeringer, kan den piezoresistive effekten øke følsomheten med en faktor på to eller flere.
i halvledende materialer dominerer den piezoresistive effekten, vanligvis er størrelsesordener større enn bidraget fra geometri.
 piezoresistive strekkmåler målinger er laget ved hjelp Av En Wheatstone bro krets |
Funksjon
endringen i motstand i sensoren måles vanligvis ved Hjelp Av En Wheatstone brokrets (som vist nedenfor). Dette gjør at små endringer i motstanden til sensoren kan konverteres til en utgangsspenning.
Piezoresistive strain gauge målinger er gjort ved hjelp Av En Wheatstone bro krets
en eksitasjon spenning må gis til broen. Når det ikke er noen belastning og alle motstandene i broen er balansert, vil utgangen være null volt. En endring i trykk vil føre til en endring i motstander i broen som resulterer i en tilsvarende utgangsspenning eller strøm. Hvordan dette beregnes er vist i formelen nedenfor.
Ytelsen kan forbedres ved å bruke to eller fire sensorelementer i broen, med elementene i hvert par som er utsatt for lik og motsatt belastning. Dette øker utgangssignalet og kan minimere effekten av temperatur på sensorelementene.
Konstruksjon
Metall sensorelementer
En eller flere spenningsmåler sensorer laget av en lengde av ledning kan festes til overflaten av en membran.
Trykk på membranen vil strekke ledningene og endre motstanden. Sensorelementene kan limes på overflaten med lim eller lederen kan avsettes direkte på membranen ved sputtering. Sistnevnte metode fjerner potensielle problemer med lim som svikter ved høye temperaturer, og gjør det også lettere å konstruere små enheter.
en metalltrådsensor kan også gjøres ved å pakke en ledning mellom innlegg som forskyves ved å endre trykk. Denne konstruksjonen kan også fungere ved høyere temperaturer fordi ingen lim er nødvendig for å feste ledningen til stolpene.
Semiconductor sensing elements
Halvledende materialer, oftest silisium, kan også brukes til å lage strekkmåler trykksensorer. Egenskapene til sensorelementet, spesielt størrelsen på den piezoresistive effekten, kan justeres ved doping; med andre ord ved å tilsette nøye kontrollerte mengder urenheter (dopanter) til halvlederen.
Mer lett dopet silisium resulterer i høyere resistivitet og høyere målefaktor. Dette øker imidlertid også den termiske følsomheten til både motstands-og målefaktoren.
Fabrikasjonsprosess
Halvledersensorer kan konstrueres på samme måte som metalltrådsensorer, ved å deponere silisiumspenningsmåleelementene på en membran.
De kan også bygges direkte på en silisiumoverflate ved å bruke de samme produksjonsmetodene som brukes til å lage elektroniske halvlederinnretninger. Dette gjør at svært små sensorer kan produseres billig med nøyaktig kontrollerte egenskaper som følsomhet, linearitet og temperaturrespons.
Elektroniske komponenter kan også fremstilles på samme silisiumbrikke for å gi signalkondisjonering og forenkle det elektriske grensesnittet. Sensorer basert på disse mikro-elektroniske mekaniske systemer (MEMS) er beskrevet i mer detalj i .
Design
for å sikre den høyeste nøyaktigheten må du vurdere flere faktorer som kan påvirke utdataene. Enhver variasjon eller støy i eksitasjonsspenningen vil føre til en tilsvarende endring i sensorutgangen. Du må sørge for at dette er mindre enn den nødvendige målenøyaktigheten.
Du må kanskje gi en justerbar kalibreringsmotstand i brokretsen for å sette utgangsspenningen til null når det ikke er noe trykk.
du må holde motstanden til ledningene til sensoren liten for å unngå å innføre en forskyvning til målingen og redusere følsomheten. Også temperaturkoeffisienten til kobbertrådene kan være større enn sensorens, noe som kan introdusere uønsket termisk følsomhet.
Lengre ledninger er også mer sannsynlig å plukke opp støy. Dette kan minimeres ved hjelp av tvunnet par og skjerming.
Ved å Bruke en høyere eksitasjonsspenning øker sensorutgangen og forbedrer signal til støyforhold. Den høyere strømmen kan imidlertid forårsake oppvarming av sensorelementet, noe som vil forandre resistiviteten og følsomheten til sensoren.
denne selvoppvarmingen kan også påvirke limbindingen av spenningsmåleren til membranen, noe som kan føre til feil og føre til at nøyaktigheten nedbrytes over tid. Selvoppvarmingseffektene kan reduseres ved å bruke en spenningsmåler med høyere motstand.
den optimale forsyningsspenningen er en balanse mellom å minimere selvoppvarming og oppnå et godt signal. Du kan bestemme dette eksperimentelt. For eksempel, uten trykk og sensorutgangen null, kan du øke eksitasjonsspenningen til utgangen er sett for å endres (på grunn av selvoppvarming). Eksitasjonsspenningen skal da reduseres til utgangsfeilen forsvinner.
hvis det er mulig, bør du bruke en forsterkerkrets nær sensoren for å minimere tilkoblingslengder, øke utgangssignalet og forbedre signal-til-støy-forholdet. Dette kan også gjøre noe filtrering av sensorutgangen for å fjerne ekstern støy.
du kan minimere effektene av eventuelle endringer i eksitasjonsspenningen, for eksempel et spenningsfall forårsaket av lange ledninger, ved å overvåke eksitasjonsspenningen ved sensoren og enten trekke den fra sensorutgangen eller bruke den som referansespenning for den analoge til digitale omformeren (ADC).
Spesifikasjoner
Typiske metall strekkmåler sensorer har en målefaktor på rundt 2 til 4. Med en typisk maksimal belastning på noen få deler per tusen, dette betyr en endring i utgang på rundt 1mV for hver volt eksitasjon.
Silisiumbaserte sensorer er vanligvis dopet for å gi en målefaktor på rundt 100 til 200, noe som gir et godt kompromiss mellom følsomhet og termiske egenskaper. Utgangen fra en silisiumsensor kan være rundt 10 mV / V.
Fordeler og ulemper
Piezoresistive strekkmåler trykksensorer har fordelen av å være robuste. Deres ytelse og kalibrering er også stabil over tid.
en ulempe med disse sensorene er at de bruker mer strøm enn noen andre typer trykksensor. Dette kan bety at de ikke er egnet for batteridrevne eller bærbare systemer.
Metall film sensing elementer har fordelen av enkel konstruksjon og holdbarhet. De har også en høyere maksimal driftstemperatur (opp til ca. 200°C) enn silisiumspenningsmålere, som er begrenset til under 100°C.
Silisiumspenningsmålere gir et mye større utgangssignal, noe som gjør Dem godt egnet til lavtrykksapplikasjoner, ned til rundt 2 kPa.
MEMS trykksensorer kan gjøres mye mindre enn metalltrådsensorer og kan integreres med elektronikk for signalbehandling, som kan styre for ikke-linearitet og temperaturavhengighet.
Vil du lære mer om de andre kjerneteknologiene som brukes i trykksensorer? Klikk på linkene nedenfor for å gå til delen du er interessert i.
- Kapasitiv vs. piezoresistiv vs. piezoelektriske trykksensorer
- Kapasitive trykksensorer
- Piezoelektriske trykksensorer
- MEMS trykksensorer
- Optiske trykksensorer
leter du etter mer om trykksensorteknologi? Sjekk ut de ytterligere kapitlene i denne veiledningen nedenfor, eller hvis du er presset for tiden, kan du laste den ned i ET PDF-format her.
