Wat zijn piëzoresistive strain gauge druksensoren
Piëzoresistive strain gauges behoren tot de meest voorkomende soorten druksensoren. Ze gebruiken de verandering in elektrische weerstand van een materiaal wanneer uitgerekt om de druk te meten.
deze sensoren zijn geschikt voor verschillende toepassingen vanwege hun eenvoud en robuustheid. Ze kunnen worden gebruikt voor absolute, gauge, relatieve en verschildrukmeting, in zowel hoge als lage druk toepassingen.
In dit artikel bespreken we de verschillende soorten piëzoresistieve druksensoren die beschikbaar zijn, hoe ze werken en hun relatieve verdiensten.
werkingsprincipe
het basisprincipe van de piëzoresistieve druksensor is het gebruik van een rekspanning gemaakt van een geleidend materiaal dat de elektrische weerstand verandert wanneer deze wordt uitgerekt. De spanningsmeter kan worden bevestigd aan een diafragma dat een verandering in de weerstand herkent wanneer het sensorelement wordt vervormd. De verandering in weerstand wordt omgezet in een uitgangssignaal
er zijn drie afzonderlijke effecten die bijdragen tot de verandering in weerstand van een geleider. Deze zijn:
- de weerstand van een geleider is evenredig met zijn lengte, zodat het strekken de weerstand
- verhoogt naarmate de geleider wordt uitgerekt, wordt het oppervlak van de dwarsdoorsnede verminderd, waardoor ook de weerstand
- toeneemt de inherente weerstand van sommige materialen neemt toe wanneer hij wordt uitgerekt
de laatste hiervan, het piëzoresistieve effect, varieert sterk tussen materialen. De gevoeligheid wordt bepaald door de meetfactor, die wordt gedefinieerd als de relatieve weerstandsverandering gedeeld door de spanning:
waarbij de stam wordt gedefinieerd als de relatieve verandering in lengte:
Druksensorelementen
Rekdiameterelementen kunnen vervaardigd zijn van metaal of Van halfgeleidend materiaal.
de verandering in de weerstand van metalen rekmeters is voornamelijk het gevolg van de verandering in de geometrie (lengte en doorsnede oppervlak) van het materiaal. In sommige metalen, bijvoorbeeld platina legeringen, kan het piëzoresistieve effect de gevoeligheid met een factor twee of meer verhogen.
in halfgeleidende materialen domineert het piëzoresistieve effect, meestal groter dan de bijdrage van de meetkunde.
 Piëzoresistive strain gauge metingen worden uitgevoerd met behulp van een Wheatstone brug circuit |
functie
de verandering in de weerstand in de sensor wordt meestal gemeten met behulp van een Wheatstone bridge circuit (zoals hieronder afgebeeld). Hierdoor kunnen kleine veranderingen in de weerstand van de sensor worden omgezet in een uitgangsspanning.
Piëzoresistive strain gauge metingen worden uitgevoerd met behulp van een Wheatstone brug circuit
een excitatie spanning moet worden verstrekt aan de brug. Wanneer er geen spanning is en alle weerstanden in de brug gebalanceerd zijn, zal de uitgang nul volt zijn. Een verandering in druk zal een verandering in weerstanden in de brug veroorzaken wat resulteert in een overeenkomstige uitgangsspanning of-stroom. Hoe dit wordt berekend, wordt weergegeven in de onderstaande formule.
de prestaties kunnen worden verbeterd door gebruik te maken van twee of vier sensorelementen in de brug, waarbij de elementen in elk paar onderworpen zijn aan gelijke en tegengestelde spanning. Dit verhoogt het uitgangssignaal en kan de effecten van temperatuur op de sensorelementen minimaliseren.
constructie
metaaldetectieelementen
aan het oppervlak van een membraan kunnen een of meer spanningsmeters van een draadlengte worden bevestigd.
druk op het membraan zal de draden rekken en de weerstand veranderen. De sensorelementen kunnen met lijm op het oppervlak worden geplakt of de geleider kan door sputteren direct op het membraan worden afgezet. Deze laatste methode verwijdert potentiële problemen met lijmen die falen bij hoge temperaturen en maakt het ook gemakkelijker om kleine apparaten te bouwen.
een metaaldraadsensor kan ook worden gemaakt door een draad te wikkelen tussen palen die door drukverandering worden verplaatst. Deze constructie kan ook bij hogere temperaturen werken omdat er geen lijm nodig is om de draad aan de palen te bevestigen.
sensorelementen voor halfgeleiders
halfgeleidermaterialen, meestal silicium, kunnen ook worden gebruikt om drukmeters te maken. De eigenschappen van het sensorelement, in het bijzonder de grootte van het piëzoresistieve effect, kunnen worden aangepast door doping, met andere woorden door zorgvuldig gecontroleerde hoeveelheden onzuiverheden (dopanten) toe te voegen aan de halfgeleider.
licht gedoteerd silicium resulteert in een hogere weerstand en een hogere ijkfactor. Dit verhoogt echter ook de thermische gevoeligheid van zowel de weerstand als de ijkfactor.
fabricageprocédé
Halfgeleidersensoren kunnen op soortgelijke wijze worden geconstrueerd als metaaldraadsensoren, door de elementen van de silicium spanningsmeter op een membraan af te zetten.
zij kunnen ook rechtstreeks op een siliciumoppervlak worden geconstrueerd met behulp van dezelfde fabricagemethoden die worden gebruikt voor de vervaardiging van elektronische halfgeleiderelementen. Hierdoor kunnen zeer kleine sensoren goedkoop worden vervaardigd met nauwkeurig gecontroleerde eigenschappen zoals gevoeligheid, lineariteit en temperatuurrespons.
elektronische componenten kunnen ook op dezelfde siliciumchip worden vervaardigd om signaalconditionering te bieden en de elektrische interface te vereenvoudigen. Sensoren op basis van deze micro-elektronische mechanische systemen (MEMS) worden in meer detail beschreven in .
ontwerp
om de hoogste nauwkeurigheid te garanderen, moet u rekening houden met verschillende factoren die de uitvoer kunnen beïnvloeden. Elke variatie of ruis in de excitatiespanning zal een overeenkomstige verandering in de sensoruitgang veroorzaken. U moet ervoor zorgen dat dit minder is dan de vereiste meetnauwkeurigheid.
mogelijk moet u een instelbare kalibratieweerstand in het brugcircuit leveren om de uitgangsspanning op nul in te stellen wanneer er geen druk is.
u moet de weerstand van de draden tegen de sensor klein houden om te voorkomen dat de meting wordt gecompenseerd en de gevoeligheid wordt verminderd. Ook kan de temperatuurcoëfficiënt van de koperdraden groter zijn dan die van de sensor, wat ongewenste thermische gevoeligheid kan introduceren.
ook langere draden vertonen een grotere kans om lawaai op te vangen. Dit kan worden geminimaliseerd door gebruik te maken van gedraaide paren en afscherming.
door gebruik te maken van een hogere excitatiespanning wordt de uitgang van de sensor verhoogd en wordt de signaal-ruisverhouding verbeterd. De hogere stroom kan echter verwarming van het sensorelement veroorzaken, wat de weerstand en gevoeligheid van de sensor zal veranderen.
deze zelfverhitting kan ook van invloed zijn op de kleefstof die de spanningsmeter aan het diafragma hecht, wat fouten kan veroorzaken en de nauwkeurigheid in de loop van de tijd kan aantasten. De zelfverhittende effecten kunnen worden verminderd met behulp van een spanningsmeter met een hogere weerstand.
de optimale voedingsspanning is een balans tussen het minimaliseren van zelfverwarming en het verkrijgen van een goed signaal. Je kunt dit experimenteel bepalen. Bijvoorbeeld, met geen druk en de sensoruitgang nul, kunt u de excitatiespanning verhogen totdat de uitgang wordt gezien om te veranderen (vanwege zelfverwarming). De excitatiespanning moet dan worden verminderd totdat de outputfout verdwijnt.
indien mogelijk moet u een versterkercircuit in de buurt van de sensor gebruiken om de aansluitlengtes te minimaliseren, het uitgangssignaal te versterken en de signaal-ruisverhouding te verbeteren. Dit kan ook wat filteren van de sensoruitgang doen om externe ruis te verwijderen.
u kunt de effecten van veranderingen in de excitatiespanning, zoals een spanningsdaling veroorzaakt door lange draden, tot een minimum beperken door de excitatiespanning aan de sensor te controleren en deze van de sensoruitgang af te trekken of te gebruiken als referentiespanning voor de analoog naar digitaal converter (ADC).
SPECIFICATIES
typische metalen spanningsmeters hebben een meetfactor van ongeveer 2 tot 4. Met een typische maximale spanning van een paar delen per duizend, betekent dit een verandering in de output van ongeveer 1mV voor elke volt van excitatie.
sensoren op siliciumbasis worden gewoonlijk gedoteerd om een meetfactor van ongeveer 100 tot 200 te leveren, wat een goed compromis vormt tussen gevoeligheid en thermische eigenschappen. De output van een silicium sensor kan ongeveer 10 mV/V.
voor-en nadelen
Piëzoresistive strain gauge druksensoren hebben het voordeel dat ze robuust zijn. Hun prestaties en kalibratie zijn ook stabiel in de tijd.Een nadeel van deze sensoren is dat ze meer vermogen verbruiken dan sommige andere druksensoren. Dit kan betekenen dat ze niet geschikt zijn voor op batterijen of draagbare systemen.Metaalfilm sensorelementen hebben het voordeel van eenvoudige constructie en duurzaamheid. Zij hebben ook een hogere maximale bedrijfstemperatuur (tot ongeveer 200°C) dan silicium spanningsmeters, die beperkt zijn tot minder dan 100°C.
silicium spanningsmeters bieden een veel groter uitgangssignaal, waardoor ze zeer geschikt zijn voor lagedruktoepassingen, tot ongeveer 2 kPa.MEMS-druksensoren kunnen veel kleiner worden gemaakt dan metaaldraadsensoren en kunnen worden geïntegreerd met elektronica voor signaalverwerking, die niet-lineariteit en temperatuurafhankelijkheid kan regelen.
wilt u meer weten over de andere kerntechnologieën die in druksensoren worden gebruikt? Klik op de onderstaande links om naar de sectie te gaan waarin u geïnteresseerd bent.
- Capacitief vs. piëzoresistief vs. piëzo-elektrische druksensoren
- Capacitieve druksensoren
- piëzo-elektrische druksensoren
- MEMS druksensoren
- Optische druksensoren
op zoek naar meer over druksensortechnologie? Bekijk de verdere hoofdstukken van deze handleiding hieronder, of als je tijd nodig hebt kun je het hier downloaden in een PDF-formaat.
