vad är piezoresistiva töjningsmätare tryckgivare
Piezoresistiva töjningsmätare är bland de vanligaste typerna av tryckgivare. De använder förändringen i ett materials elektriska motstånd när de sträcker sig för att mäta trycket.
dessa sensorer är lämpliga för en mängd olika applikationer på grund av deras enkelhet och robusthet. De kan användas för absolut, mätare, relativ och differentialtrycksmätning, i både hög – och lågtrycksapplikationer.
i den här artikeln kommer vi att diskutera de olika typerna av piezoresistiva trycksensorer tillgängliga, hur de fungerar och deras relativa meriter.
arbetsprincip
grundprincipen för den piezoresistiva tryckgivaren är att använda en spänningsmätare Tillverkad av ett ledande material som ändrar sitt elektriska motstånd när det sträcker sig. Spänningsmätaren kan fästas på ett membran som känner igen en förändring i motstånd när sensorelementet deformeras. Förändringen i resistans omvandlas till en utsignal
det finns tre separata effekter som bidrar till förändringen i resistans hos en ledare. Dessa är:
- motståndet hos en ledare är proportionell mot dess längd så sträckning ökar motståndet
- när ledaren sträcks reduceras dess tvärsnittsarea, vilket också ökar motståndet
- den inneboende resistiviteten hos vissa material ökar när den sträcker sig
den sista av dessa, den piezoresistiva effekten, varierar mycket mellan material. Känsligheten specificeras av mätfaktorn, som definieras som den relativa motståndsförändringen dividerad med stammen:
där stam definieras som den relativa förändringen i längd:
Tryckavkänningselement
spänningsmätare kan vara gjorda av metall eller ett halvledande material.
motståndsförändringen i metallspänningsmätare beror främst på förändringen i geometri (längd och tvärsnittsarea) hos materialet. I vissa metaller, till exempel platinlegeringar, kan den piezoresistiva effekten öka känsligheten med en faktor av två eller flera.
i halvledande material dominerar den piezoresistiva effekten, som vanligtvis är storleksordningar större än bidraget från geometri.
 Piezoresistive stammätare mätningar görs med hjälp av en Wheatstone bridge krets |
funktion
förändringen i motstånd i sensorn mäts vanligtvis med hjälp av en Wheatstone bridge-krets (som visas nedan). Detta gör att små förändringar i sensorns motstånd kan omvandlas till en utspänning.
Piezoresistiva töjningsmätmätningar görs med hjälp av en Wheatstone-brokrets
en excitationsspänning måste tillhandahållas till bron. När det inte finns någon belastning och alla motstånd i bron är balanserade kommer utgången att vara noll volt. En förändring i tryck kommer att orsaka en förändring i motstånd i bron vilket resulterar i en motsvarande utspänning eller ström. Hur detta beräknas visas i formeln nedan.
prestanda kan förbättras genom att använda två eller fyra avkänningselement i bron, där elementen i varje par utsätts för lika och motsatt belastning. Detta ökar utsignalen och kan minimera effekterna av temperaturen på sensorelementen.
Konstruktion
metallavkänningselement
en eller flera töjningssensorer tillverkade av en trådlängd kan fästas på ytan av ett membran.
tryck på membranet kommer att sträcka ledningarna och ändra motståndet. Sensorelementen kan bindas på ytan med lim eller ledaren kan deponeras direkt på membranet genom förstoftning. Den senare metoden tar bort potentiella problem med lim som misslyckas vid höga temperaturer och gör det också lättare att konstruera små enheter.
en metalltrådsgivare kan också tillverkas genom att linda en tråd mellan stolpar som förskjuts genom att ändra tryck. Denna konstruktion kan också fungera vid högre temperaturer eftersom inget lim behövs för att fästa tråden på stolparna.
Halvledaravkänningselement
halvledande material, oftast kisel, kan också användas för att göra tryckgivare för tryckmätare. Egenskaperna hos avkänningselementet, särskilt storleken på den piezoresistiva effekten, kan justeras genom dopning; med andra ord genom att tillsätta noggrant kontrollerade mängder föroreningar (dopmedel) till halvledaren.
mer lätt dopad kisel resulterar i en högre resistivitet och en högre mätfaktor. Detta ökar emellertid också den termiska känsligheten hos både resistansen och mätfaktorn.
tillverkningsprocess
Halvledarsensorer kan konstrueras på ett liknande sätt som metalltrådssensorer, genom att sätta kiselspänningsmätarelementen på ett membran.
de kan också konstrueras direkt på en kiselyta genom att använda samma tillverkningsmetoder som används för tillverkning av elektroniska halvledaranordningar. Detta gör att mycket små sensorer kan tillverkas billigt med exakt kontrollerade egenskaper som känslighet, linjäritet och temperaturrespons.
elektroniska komponenter kan också tillverkas på samma kiselchip för att ge signalkonditionering och förenkla det elektriska gränssnittet. Sensorer baserade på dessa mikroelektroniska mekaniska system (MEMS) beskrivs mer detaljerat i .
Design
för att säkerställa högsta noggrannhet måste du överväga flera faktorer som kan påverka produktionen. Varje variation eller brus i excitationsspänningen kommer att orsaka en motsvarande förändring i sensorutgången. Du måste se till att detta är mindre än den nödvändiga mätnoggrannheten.
du kan behöva tillhandahålla ett justerbart kalibreringsmotstånd i brokretsen för att ställa utspänningen till noll när det inte finns något tryck.
du måste hålla motståndet hos ledningarna till sensorn liten för att undvika att införa en förskjutning till mätningen och minska känsligheten. Temperaturkoefficienten för koppartrådarna kan också vara större än sensorns, vilket kan införa oönskad termisk känslighet.
längre ledningar är också mer benägna att ta upp ljud. Detta kan minimeras genom att använda tvinnade par och avskärmning.
med en högre excitationsspänning ökar sensorutgången och förbättrar signal-brusförhållandet. Den högre strömmen kan emellertid orsaka uppvärmning av avkänningselementet, vilket kommer att förändra sensorns resistivitet och känslighet.
denna självuppvärmning kan också påverka limbindningen av spänningsmätaren till membranet, vilket kan införa fel och orsaka att noggrannheten försämras över tiden. Självuppvärmningseffekterna kan minskas genom att använda en spänningsmätare med högre motstånd.
den optimala matningsspänningen är en balans mellan att minimera självuppvärmning och få en bra signal. Du kan bestämma detta experimentellt. Till exempel, utan tryck och sensorns utgång noll, kan du öka excitationsspänningen tills utgången ses förändras (på grund av självuppvärmning). Excitationsspänningen bör sedan minskas tills utgångsfelet försvinner.
om möjligt bör du använda en förstärkarkrets nära sensorn för att minimera anslutningslängder, öka utsignalen och förbättra signal-brusförhållandet. Detta kan också göra en del filtrering av sensorutgången för att ta bort externt brus.
du kan minimera effekterna av eventuella förändringar i excitationsspänningen, till exempel ett spänningsfall som orsakas av långa ledningar, genom att övervaka excitationsspänningen vid sensorn och antingen subtrahera den från sensorutgången eller använda den som referensspänning för analog till digital omvandlare (ADC).
SPECIFIKATIONER
typiska metallspänningssensorer har en mätfaktor på cirka 2 till 4. Med en typisk maximal stam av några delar per tusen, Detta innebär en förändring i produktionen av omkring 1mV för varje volt av excitation.
kiselbaserade sensorer dopas vanligtvis för att ge en mätfaktor på cirka 100 till 200, vilket ger en bra kompromiss mellan känslighet och termiska egenskaper. Utgången från en kiselsensor kan vara runt 10 mV/V.
fördelar och nackdelar
Piezoresistive töjningsmätare trycksensorer har fördelen av att vara robust. Deras prestanda och kalibrering är också stabil över tiden.
en nackdel med dessa sensorer är att de förbrukar mer ström än vissa andra typer av tryckgivare. Detta kan innebära att de inte är lämpliga för batteridrivna eller bärbara system.
Metallfilmavkänningselement har fördelen av enkel konstruktion och hållbarhet. De har också en högre maximal Driftstemperatur (upp till ca 200 CCB) än kiselspänningsmätare, som är begränsade till under 100 CCB.
Kiselspänningsmätare ger en mycket större utsignal, vilket gör dem väl lämpade för lågtrycksapplikationer, ner till cirka 2 kPa.
MEMS trycksensorer kan göras mycket mindre än metalltrådssensorer och kan integreras med elektronik för signalbehandling, som kan styra för icke-linjäritet och temperaturberoende.
vill du lära dig mer om andra kärntekniker som används i trycksensorer? Klicka på länkarna nedan för att hoppa till det avsnitt du är intresserad av.
- kapacitiv vs. piezoresistiv vs. piezoelektriska tryckgivare
- kapacitiva tryckgivare
- piezoelektriska tryckgivare
- MEMS tryckgivare
- optiska tryckgivare
letar du efter mer om trycksensorteknik? Kolla in de ytterligare kapitlen i den här guiden nedan, eller om du har ont om tid kan du ladda ner den i PDF-format här.
