Sensores de presión piezoresistiva

¿Cuáles son los sensores de presión de calibre de tensión piezoresistiva?

Piezoresistivo Los medidores de tensión son uno de los tipos más comunes de sensores de presión. Utilizaron el cambio en la resistencia eléctrica del material a medida que se estiraba para medir la presión.Estos sensores son adecuados para una variedad de aplicaciones debido a su simplicidad y robustez. Se pueden usar para mediciones de presión absoluta, calibre, relativa y diferencial en aplicaciones de alta y baja presión.

Varios tipos de sensores de presión piezoresistiva disponibles, cómo funcionan y sus ventajas relativas.

Principio de funcionamiento

El principio básico de un sensor de presión piezoresistivo es usar un medidor de tensión hecho de un material conductor que cambie su resistencia eléctrica cuando se estira. Los medidores de tensión se pueden unir a un diafragma que reconoce un cambio de resistencia a medida que el elemento sensor se deforma. El cambio en la resistencia se convierte en una señal de salida

Hay tres efectos independientes que causan un 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 el conductor se estira, su área de sección transversal disminuye, lo que también aumenta la resistencia.

• La resistividad intrínseca de algunos materiales aumenta cuando se estira.

El último término es el efecto piezoresistivo, que varía ampliamente de material a material. La sensibilidad se especifica por el factor de medidor, que se define como el cambio relativo en la resistencia dividido por la tensión:

Elementos de detección de presión

Los elementos de calibre de tensión pueden estar hechos de materiales de metal o semiconductores.El cambio de resistencia de los medidores de deformación del metal se debe principalmente al cambio de la geometría (longitud y área de sección transversal) del material. En algunos metales, como las aleaciones de platino, el efecto piezoresistivo puede aumentar la sensibilidad en un factor de dos o más .En los materiales semiconductores, el efecto piezoresistivo domina, a menudo órdenes de magnitud mayores que la contribución de la geometría.

Función

El cambio en la resistencia en un sensor generalmente se mide usando un circuito de puente de piedra de trigo. Esto permite que pequeños cambios en la resistencia del sensor se conviertan en un voltaje de salida.Las mediciones de medidor de tensión piezoresistiva se realizan utilizando un circuito de puente de piedra de trigoSe debe suministrar un voltaje de excitación al puente. Cuando no hay tensión y todas las resistencias en el puente están equilibradas, la salida será cero voltios. Un cambio en la presión provoca un cambio de resistencia en el puente, lo que produce una salida correspondiente voltaje o corriente.

Construcción

Elementos de detección de metal:

La presión sobre el cable y cambia la resistencia. El elemento del sensor se puede unir a la superficie con un adhesivo, o el conductor se puede depositar directamente en el diafragma al pulverizar. Este último enfoque elimina el problema potencial de los adhesivos que fallan a altas temperaturas, Y también hace que sea más fácil construir dispositivos pequeños.Los sensores de alambre también se pueden hacer envolviendo un cable entre postes que están desplazados por los cambios de presión. Esta estructura también puede funcionar a temperaturas más altas porque no se requiere adhesivo para unir los cables a los postes.

Elementos de detección de semiconductores:

Los materiales semiconductores, más comúnmente silicio, también se usan para hacer sensores de presión de calibre de tensión. Las propiedades del elemento de detección, especialmente la magnitud del efecto piezoresistivo, se pueden ajustar por dopaje; En otras palabras, agregando cantidades cuidadosamente controladas de impurezas (dopantes) al semiconductor.El silicio más ligeramente dopado da como resultado una mayor resistividad y un factor de mayor calibre. Sin embargo, esto también aumenta la sensibilidad térmica del factor de resistencia y calibre.El efecto piezoresistivo es el cambio en la resistividad eléctrica de un semiconductor o metal cuando se aplica la tensión mecánica. En contraste con el efecto piezoeléctrico, el efecto piezoresistivo solo causa un cambio en la resistencia, no el potencial.

Dispositivos de silicio piezoresistivo:

El efecto piezoresistivo de los semiconductores ha sido explotado en dispositivos de sensores que emplean varios materiales semiconductores como germanio, polisilicio, silicio amorfo y silicio de cristal único. Dado que Silicon es el material de elección para los circuitos digitales y analógicos integrados hoy en día, el uso de dispositivos de silicio piezoresistivo ha atraído un gran interés. Integra fácilmente los sensores de deformación con circuitos bipolares y CMOS.Esto permite una amplia variedad de productos que utilizan el efecto piezoresistivo. Muchos dispositivos comerciales, como sensores de presión y sensores de aceleración, explotan el efecto piezoresistivo en silicio. Pero debido a su tamaño, el efecto piezoresistivo en el silicio también ha llamado la atención para la investigación y Desarrollo de todos los demás dispositivos utilizando silicio de cristal único. Por ejemplo, los sensores de la sala de semiconductores solo pueden lograr su precisión actual si se utilizan métodos para eliminar las influencias de la señal debido al estrés mecánico aplicado.

Diseño

Para garantizar la mayor precisión, debe considerar varios factores que pueden afectar la salida. Cualquier cambio o ruido en el voltaje de excitación causará un cambio correspondiente en la salida del sensor, deberá asegurarse de que esto sea menor que la precisión de medición requerida.Puede necesitar proporcionar una resistencia de calibración ajustable en el circuito del puente para establecer el voltaje de salida en cero cuando no hay estrés,Necesita mantener la resistencia de los cables conectados al sensor pequeño para evitar introducir un desplazamiento en la medición y reducir la sensibilidad. También, el coeficiente de temperatura del cable de cobre puede ser mayor que el del sensor, que introduce sensibilidad térmica indeseable.Los cables más largos también tienen más probabilidades de retomar el ruido. Esto se puede minimizar mediante el uso de pares retorcidos y blindaje.El uso de un mayor voltaje de excitación aumenta la salida del sensor y mejora la relación señal / ruido. Sin embargo, las corrientes más altas hacen que el elemento de detección se caliente, cambiando la resistividad y la sensibilidad del sensor.Este autocalentamiento también afecta al adhesivo que une el medidor de tensión al diafragma, que introduce errores y hace que la precisión se degrade con el tiempo. Usar los medidores de tensión de mayor resistencia puede reducir los efectos de autocalación.El voltaje de suministro óptimo es un equilibrio entre minimizar el autocalecimiento y obtener una buena señal. Puede determinar esto experimentalmente. Por ejemplo, sin presión y una salida del sensor de cero, puede aumentar el voltaje de excitación hasta que vea un cambio en la salida ( Debido a la auto-comiendo). El voltaje de excitación debe reducirse hasta que el error de salida desaparezca.Cuando sea posible, debe usar el circuito de amplificador cerca del sensor para minimizar la longitud de la conexión, mejorar 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 el efecto de cualquier variación en el voltaje de excitación, como la caída de voltaje causada por cables largos, al monitorear el voltaje de excitación en el sensor y restarlo de la salida del sensor o usarlo como voltaje de referencia para el convertidor digital analógico (ADC) .