Capteurs de pression piézorésive

Quels sont les capteurs de pression de jauge de contrainte piézorésie

Piézorésistif Les jauges de contrainte sont l'un des types les plus courants de capteurs de pression. Ils ont utilisé le changement de résistance électrique du matériau lorsqu'il a été étiré pour mesurer la pression.Ces capteurs conviennent à une variété d'applications en raison de leur simplicité et de leur robustesse. Ils peuvent être utilisés pour des mesures de pression absolues, de jauge, relatives et différentielles dans des applications à haute pression et basse pression.

Divers types de capteurs de pression piézorésive disponibles, comment ils fonctionnent et leurs avantages relatifs.

Principe de fonctionnement

Le principe de base d'un capteur de pression piézorésistant est d'utiliser une jauge de déformation faite d'un matériau conducteur qui modifie sa résistance électrique lorsqu'il est étiré. Des jauges contraignantes peuvent être attachées à un diaphragme qui reconnaît un changement de résistance à mesure que l'élément de capteur se déforme. Le changement de résistance est converti en un signal de sortie

Il existe trois effets indépendants qui provoquent un changement dans la résistance d'un conducteur. ceux-ci sont:

• La résistance d'un conducteur est proportionnelle à sa longueur, donc l'étirement augmente la résistance.

• Lorsque le conducteur est étiré, sa zone transversale diminue, ce qui augmente également la résistance.

• La résistivité intrinsèque de certains matériaux augmente lorsqu'elle est étirée.

Le dernier terme est l'effet piézorénétif, qui varie considérablement d'un matériau au matériau. La sensibilité est spécifiée par le facteur de jauge, qui est définie comme le changement relatif de résistance divisé par la souche:

Éléments de détection de pression

Les éléments de jauge de déformation peuvent être fabriqués en métal ou en matériaux semi-conducteurs.Le changement de résistance des jauges de contrainte métallique est principalement dû au changement de la géométrie (longueur et zone transversale) du matériau. .Dans les matériaux semi-conducteurs, l'effet piézorésistif domine, souvent des ordres de grandeur plus grands que la contribution de géométrie.

Fonction

Le changement de résistance dans un capteur est généralement mesuré à l'aide d'un circuit de pont de Wheatstone.Les mesures de jauge de déformation piézorésistes sont effectuées à l'aide d'un circuit de pont de WheatstoneUne tension d'excitation doit être fournie au pont. Lorsqu'il n'y a pas de déformation et que toutes les résistances dans le pont sont équilibrées, la sortie sera nulle. Un changement de pression provoque un changement de résistance dans le pont, qui produit une sortie correspondante tension ou courant.

Construction

Éléments de détection des métaux:

La pression sur le fil et modifie la résistance. L'élément du capteur peut être lié à la surface avec un adhésif, ou le conducteur peut être déposé directement sur le diaphragme par pulvérisation. La dernière approche élimine le problème potentiel des adhésifs échouant à des températures élevées, et facilite également la construction de petits appareils.Les capteurs de fil peuvent également être fabriqués en emballant un fil entre les poteaux déplacés par des changements de pression. Cette structure peut également fonctionner à des températures plus élevées car aucun adhésif n'est nécessaire pour fixer les fils aux poteaux.

Éléments de détection des semi-conducteurs:

Les matériaux semi-conducteurs, le plus souvent du silicium, sont également utilisés pour fabriquer des capteurs de pression de jauge de déformation. Les propriétés de l'élément de détection, en particulier l'ampleur de l'effet piézorésistif, peuvent être réglées par dopage; En d'autres termes, en ajoutant des quantités soigneusement contrôlées d'impuretés (dopants) au semi-conducteur.Un silicium plus légèrement dopé entraîne une résistivité plus élevée et un facteur de jauge plus élevé. Cependant, cela augmente également la sensibilité thermique de la résistance et du facteur de jauge.L'effet piézorésistif est le changement de résistivité électrique d'un semi-conducteur ou d'un métal lorsque la déformation mécanique est appliquée. Contrairement à l'effet piézoélectrique, l'effet piézorésistif ne fait qu'un changement de résistance, et non de potentiel.

Dispositifs en silicium piézorésistif:

L'effet piézorésistif des semi-conducteurs a été exploité dans des dispositifs de capteurs utilisant divers matériaux semi-conducteurs tels que le germanium, le polysilicon, le silicium amorphe et le silicium monocristallant. Étant donné que le silicium est le matériau de choix pour les circuits numériques et analogiques intégrés aujourd'hui, l'utilisation de dispositifs de silicium piézorésive a suscité un grand intérêt. Il intègre facilement les capteurs de déformation aux circuits bipolaires et CMOS.Cela permet une grande variété de produits qui utilisent l'effet piézorésistant. Développement de tous les autres dispositifs utilisant du silicium monocristallé. Par exemple, les capteurs de la salle semi-conducteurs ne peuvent atteindre leur précision actuelle que si des méthodes sont utilisées pour éliminer les influences du signal en raison de la contrainte mécanique appliquée.

Concevoir

Pour garantir la précision la plus élevée, vous devez prendre en compte plusieurs facteurs qui peuvent affecter la sortie. Tout changement ou bruit dans la tension d'excitation entraînera un changement correspondant dans la sortie du capteur, devra s'assurer que cela est inférieur à la précision de mesure requise.Peut avoir besoin de fournir une résistance d'étalonnage réglable dans le circuit de pont pour régler la tension de sortie à zéro lorsqu'il n'y a pas de contrainte,Besoin de maintenir la résistance des fils connectés au capteur petit pour éviter d'introduire un décalage dans la mesure et de réduire la sensibilité. également, le coefficient de température du fil de cuivre peut être supérieur à celui du capteur, qui introduit une sensibilité thermique indésirable.Les fils plus longs sont également plus susceptibles de ramasser le bruit.L'utilisation d'une tension d'excitation plus élevée augmente la sortie du capteur et améliore le rapport signal / bruit. Cependant, les courants plus élevés font chauffer l'élément de détection, modifiant la résistivité et la sensibilité du capteur.Cette auto-chauffage affecte également l'adhésif qui lie la jauge de déformation au diaphragme, qui introduit les erreurs et provoque la dégradation de la précision.La tension d'alimentation optimale est un équilibre entre minimiser l'auto-chauffage et obtenir un bon signal. Vous pouvez déterminer cela expérimentalement. Par exemple, sans pression et une sortie du capteur de zéro, vous pouvez augmenter la tension d'excitation jusqu'à ce que vous voyiez un changement de sortie ( En raison de l'auto-chauffage). La tension d'excitation doit ensuite être réduite jusqu'à ce que l'erreur de sortie disparaisse.Lorsque cela est possible, vous devez utiliser le circuit d'amplificateur près du capteur pour minimiser la longueur de la connexion, améliorer le signal de sortie et améliorer le rapport signal / bruit. Peut minimiser l'effet de toute variation de tension d'excitation, telle que la chute de tension causée par de longs fils, en surveillant la tension d'excitation sur le capteur et en le soustrayant de la sortie du capteur ou en l'utilisant comme tension de référence pour le convertisseur numérique analogique (ADC) .