Qué son los sensores de presión de galgas extensométricas piezorresistivos
Las galgas extensométricas piezorresistivos se encuentran entre los tipos más comunes de sensores de presión. Utilizan el cambio en la resistencia eléctrica de un material cuando se estira para medir la presión.
Estos sensores son adecuados para una variedad de aplicaciones debido a su simplicidad y robustez. Se pueden utilizar para la medición de presión absoluta, manométrica, relativa y diferencial, tanto en aplicaciones de alta como de baja presión.
En este artículo analizaremos los diversos tipos de sensores de presión piezorresistivos disponibles, cómo funcionan y sus méritos relativos.
Principio de funcionamiento
El principio básico del sensor de presión piezorresistivo es usar una galga extensométrica hecha de un material conductor que cambia su resistencia eléctrica cuando se estira. La galga extensométrica se puede acoplar a un diafragma que reconoce un cambio en la resistencia cuando el elemento sensor se deforma. El cambio en la resistencia se convierte en una señal de salida
Hay tres efectos separados que contribuyen al cambio en la resistencia de un conductor. Estos son:
- La resistencia de un conductor es proporcional a su longitud, por lo que el estiramiento aumenta la resistencia
- A medida que se estira el conductor, se reduce su área de sección transversal, lo que también aumenta la resistencia
- La resistividad inherente de algunos materiales aumenta cuando se estira
El último de estos, el efecto piezorresistivo, varía mucho entre los materiales. La sensibilidad se especifica por el factor de calibre, que se define como el cambio de resistencia relativo dividido por la deformación:
Donde la deformación se define como el cambio relativo de longitud:
Elementos sensores de presión
Los elementos de galgas extensométricas pueden estar hechos de metal o de un material semiconductor.
El cambio de resistencia en las galgas extensométricas metálicas se debe principalmente al cambio de geometría (longitud y área de sección transversal) del material. En algunos metales, por ejemplo aleaciones de platino, el efecto piezorresistivo puede aumentar la sensibilidad en un factor de dos o más.
En materiales semiconductores, el efecto piezorresistivo domina, siendo típicamente órdenes de magnitud mayores que la contribución de la geometría.
 Las mediciones de galgas extensométricas piezorresistivas se realizan utilizando un circuito de puente de Wheatstone |
Función
El cambio de resistencia en el sensor se mide generalmente utilizando un circuito de puente de Wheatstone (como se muestra a continuación). Esto permite que pequeños cambios en la resistencia del sensor se conviertan a una tensión de salida.
Las mediciones de galgas extensométricas piezorresistivas se realizan utilizando un circuito de puente de Wheatstone
Se debe proporcionar una tensión de excitación al puente. Cuando no hay tensión y todas las resistencias en el puente están equilibradas, la salida será de cero voltios. Un cambio en la presión causará un cambio en las resistencias en el puente que resultará en un voltaje de salida o corriente correspondiente. Cómo se calcula esto se muestra en la fórmula a continuación.
El rendimiento se puede mejorar mediante el uso de dos o cuatro elementos de detección en el puente, y los elementos de cada par están sujetos a una tensión igual y opuesta. Esto aumenta la señal de salida y puede minimizar los efectos de la temperatura en los elementos del sensor.
Construcción
Elementos de detección de metal
Se pueden unir a la superficie de un diafragma uno o más sensores de galgas extensométricas hechos de una longitud de cable.
La presión en el diafragma estirará los cables y cambiará la resistencia. Los elementos del sensor se pueden unir a la superficie con adhesivo o el conductor se puede depositar directamente en el diafragma mediante pulverización catódica. Este último método elimina los posibles problemas con los adhesivos que fallan a altas temperaturas y también facilita la construcción de dispositivos pequeños.
También se puede fabricar un sensor de alambre de metal envolviendo un cable entre postes que se desplazan al cambiar la presión. Esta construcción también puede funcionar a temperaturas más altas porque no se necesita adhesivo para sujetar el cable a los postes.
Elementos de detección de semiconductores
Los materiales semiconductores, más comúnmente silicio, también se pueden usar para fabricar sensores de presión de galgas extensométricas. Las características del elemento sensor, en particular el tamaño del efecto piezorresistivo, se pueden ajustar mediante dopaje; en otras palabras, agregando cantidades cuidadosamente controladas de impurezas (dopantes) al semiconductor.
El silicio ligeramente dopado da como resultado una mayor resistividad y un factor de calibre más alto. Sin embargo, esto también aumenta la sensibilidad térmica tanto de la resistencia como del factor de calibre.
Proceso de fabricación
Los sensores semiconductores se pueden construir de manera similar a los sensores de alambre metálico, depositando los elementos de galgas extensométricas de silicio en un diafragma.
También pueden construirse directamente sobre una superficie de silicio utilizando los mismos métodos de fabricación utilizados para fabricar dispositivos semiconductores electrónicos. Esto permite fabricar sensores muy pequeños a bajo costo con propiedades controladas con precisión, como sensibilidad, linealidad y respuesta a la temperatura.
Los componentes electrónicos también se pueden fabricar en el mismo chip de silicio para proporcionar acondicionamiento de señal y simplificar la interfaz eléctrica. Los sensores basados en estos sistemas mecánicos microelectrónicos (MEMS) se describen con más detalle en .
Diseño
Para garantizar la máxima precisión, deberá considerar varios factores que podrían afectar la salida. Cualquier variación o ruido en la tensión de excitación causará un cambio correspondiente en la salida del sensor. Tendrá que asegurarse de que esto sea inferior a la precisión de medición requerida.
Es posible que necesite proporcionar una resistencia de calibración ajustable en el circuito del puente para ajustar el voltaje de salida a cero cuando no hay presión.
Deberá mantener la resistencia de los cables al sensor pequeña para evitar introducir un desplazamiento en la medición y reducir la sensibilidad. Además, el coeficiente de temperatura de los cables de cobre puede ser mayor que el del sensor, lo que puede introducir una sensibilidad térmica indeseable.
Los cables más largos también son más propensos a captar ruido. Esto se puede minimizar mediante el uso de pares trenzados y blindaje.
El uso de un voltaje de excitación más alto aumenta la salida del sensor y mejora la relación señal / ruido. Sin embargo, la corriente más alta puede causar calentamiento del elemento de detección, lo que cambiará la resistividad y la sensibilidad del sensor.
Este autocalentamiento también puede afectar a la unión adhesiva de la galga extensométrica al diafragma, lo que puede introducir errores y provocar que la precisión se degrade con el tiempo. Los efectos de autocalentamiento se pueden reducir utilizando una galga extensométrica de mayor resistencia.
La tensión de alimentación óptima es un equilibrio entre minimizar el autocalentamiento y obtener una buena señal. Puedes determinar esto experimentalmente. Por ejemplo, sin presión y con la salida del sensor cero, puede aumentar la tensión de excitación hasta que se vea que la salida cambia (debido al autocalentamiento). La tensión de excitación debe reducirse hasta que desaparezca el error de salida.
Si es posible, debe utilizar un circuito amplificador cerca del sensor para minimizar las longitudes de conexión, aumentar la señal de salida y mejorar la relación señal-ruido. Esto también puede hacer un filtrado de la salida del sensor para eliminar el ruido externo.
Puede minimizar los efectos de cualquier cambio en la tensión de excitación, como una caída de tensión causada por cables largos, monitorizando la tensión de excitación en el sensor y sustrayéndola de la salida del sensor o utilizándola como tensión de referencia para el convertidor analógico a digital (ADC).
Especificaciones
Los sensores de galgas extensométricas de metal típicos tienen un factor de galga de alrededor de 2 a 4. Con una tensión máxima típica de unas pocas partes por mil, esto significa un cambio en la salida de alrededor de 1 Mv por cada voltio de excitación.
Los sensores basados en silicio generalmente están dopados para proporcionar un factor de calibre de alrededor de 100 a 200, lo que proporciona un buen compromiso entre sensibilidad y características térmicas. La salida de un sensor de silicio puede ser de alrededor de 10 mV/V.
Ventajas y desventajas
Los sensores de presión de galgas extensométricas piezorresistivas tienen la ventaja de ser robustos. Su rendimiento y calibración también son estables a lo largo del tiempo.
Una desventaja de estos sensores es que consumen más energía que otros tipos de sensores de presión. Esto puede significar que no son adecuados para sistemas con pilas o portátiles.
Los elementos de detección de película metálica tienen la ventaja de una construcción simple y durabilidad. También tienen una temperatura máxima de funcionamiento más alta (hasta aproximadamente 200°C) que las galgas extensométricas de silicio, que están limitadas a menos de 100°C.
Las galgas extensométricas de silicio proporcionan una señal de salida mucho más grande, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de baja presión, hasta alrededor de 2 kPa.
Los sensores de presión MEMS se pueden hacer mucho más pequeños que los sensores de alambre de metal y se pueden integrar con la electrónica para el procesamiento de señales, que puede controlar la no linealidad y la dependencia de la temperatura.
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