أجهزة استشعار الضغط piezoresistive

ما هي أجهزة استشعار ضغط السلالة piezoresive

piezoresistive تعد مقاييس الإجهاد واحدة من أكثر أنواع مستشعرات الضغط شيوعًا. فهي تستخدم التغير في المقاومة الكهربائية للمادة حيث تم تمديدها لقياس الضغط.هذه المستشعرات مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات بسبب بساطتها وحقتها.

أنواع مختلفة من أجهزة استشعار الضغط piezoresistive المتاحة ، وكيف تعمل ، ومزاياها النسبية.

مبدأ العمل

المبدأ الأساسي لمستشعر الضغط piezoresistive هو استخدام مقياس سلالة مصنوع من مادة موصلة تغير مقاومتها الكهربائية عندما يتم تمديدها. يتم تحويل التغيير في المقاومة إلى إشارة الخرج

هناك ثلاثة آثار مستقلة تسبب تغييرًا في مقاومة الموصل. هؤلاء هم:

• مقاومة الموصل تتناسب مع طولها ، لذلك يزيد التمدد من المقاومة.

• مع امتداد الموصل ، تنخفض مساحته المستعرضة ، مما يزيد من المقاومة.

• تزداد المقاومة الجوهرية لبعض المواد عند امتدادها.

المصطلح الأخير هو التأثير piezoresistive ، والذي يختلف اختلافًا كبيرًا من مادة إلى مادة.

عناصر استشعار الضغط

يمكن تصنيع عناصر مقياس السلالة من مواد المعادن أو أشباه الموصلات.يرجع التغير المقاومة في مقاييس سلالة المعادن بشكل رئيسي إلى تغيير الهندسة (الطول والمساحة المستعرضة) للمادة. في بعض المعادن ، مثل سبائك البلاتين ، يمكن أن يزيد التأثير piezoresive من الحساسية بعامل اثنين أو أكثر .في مواد أشباه الموصلات ، يهيمن التأثير piezoresive ، وغالبًا ما يكون حجمه أكبر من مساهمة الهندسة.

دور

عادةً ما يتم قياس التغير في المقاومة في المستشعر باستخدام دائرة جسر Wheatstone. وهذا يسمح بتحويل تغييرات صغيرة في مقاومة المستشعر إلى جهد إخراج.يتم إجراء قياسات مقياس سلالة piezoresistive باستخدام دائرة جسر Wheatstoneيجب تزويد جهد الإثارة إلى الجسر. عندما لا توجد سلالة وجميع المقاومات في الجسر متوازنة ، سيكون الناتج صفرًا. الجهد أو التيار.

بناء

عناصر استشعار المعادن:

الضغط على السلك ويغير المقاومة. يمكن ربط عنصر المستشعر بالسطح باستخدام مادة لاصقة ، أو يمكن ترسيب الموصل مباشرة على الحجاب الحاجز عن طريق الضعف. يزيل النهج الأخير المشكلة المحتملة لفشل المواد اللاصقة في درجات الحرارة العالية ، كما يجعل من الأسهل بناء أجهزة صغيرة.يمكن أيضًا إجراء أجهزة استشعار الأسلاك عن طريق لف سلكًا بين المنشورات التي يتم تهجيرها عن طريق تغييرات الضغط. يمكن أن يعمل هذا الهيكل أيضًا في درجات حرارة أعلى لأنه لا يلزم وجود مادة لاصقة لتوصيل الأسلاك بالوظائف.

عناصر استشعار أشباه الموصلات:

يتم استخدام مواد أشباه الموصلات ، الأكثر شيوعًا السيليكون ، لجعل أجهزة استشعار ضغط مقياس الإجهاد. يمكن ضبط خصائص عنصر الاستشعار ، وخاصة حجم التأثير piezoresistive ، عن طريق المنشطات ؛ بمعنى آخر ، عن طريق إضافة كميات محكومة بعناية من الشوائب (المنشطات) إلى أشباه الموصلات.أكثر من السيليكون المخدر بشكل خفيف يؤدي إلى مقاومة أعلى وعامل قياس أعلى. ومع ذلك ، فإن هذا يزيد أيضًا من الحساسية الحرارية للمقاومة وعامل المقياس.التأثير piezoresive هو التغير في المقاومة الكهربائية لأشباه الموصلات أو المعدن عند تطبيق سلالة ميكانيكية. على النقيض من التأثير الكهروضوئي ، فإن التأثير piezoresistive لا يسبب سوى تغيير في المقاومة ، وليس الإمكانات.

أجهزة السيليكون piezoresistive:

تم استغلال التأثير piezoresive لأشباه الموصلات في أجهزة الاستشعار التي تستخدم مواد أشباه الموصلات المختلفة مثل الجرمانيوم والبوليسيليكون والسيليكون غير المتبلور والسيليكون البلوري الفردي. نظرًا لأن السيليكون هو المادة المفضلة للدوائر الرقمية والتناظرية المتكاملة اليوم ، فإن استخدام أجهزة السيليكون piezoresistive قد اجتذب اهتمامًا كبيرًا. يدمج بسهولة أجهزة استشعار الإجهاد مع دوائر ثنائي القطب و CMOS.يتيح ذلك مجموعة واسعة من المنتجات التي تستخدم التأثير piezoresive. تطوير جميع الأجهزة الأخرى باستخدام السيليكون الكريستالي المفرد. على سبيل المثال ، يمكن لمستشعرات قاعة أشباه الموصلات تحقيق دقتها الحالية فقط إذا تم استخدام الطرق لإزالة تأثيرات الإشارة بسبب الإجهاد الميكانيكي التطبيقي.

تصميم

لضمان أعلى دقة ، تحتاج إلى النظر في العديد من العوامل التي يمكن أن تؤثر على الإخراج. أي تغيير أو ضوضاء في جهد الإثارة سوف يتسبب في حدوث تغيير مماثل في خرج المستشعر ، سوف يحتاج إلى التأكد من أن هذا هو أقل من دقة القياس المطلوبة.قد تحتاج إلى توفير مقاوم معايرة قابل للتعديل في دائرة الجسر لتعيين جهد الخرج على الصفر عندما لا يكون هناك ضغط ،تحتاج إلى الحفاظ على مقاومة الأسلاك المتصلة بمستشعر صغير لتجنب إدخال إزاحة في القياس وتقليل الحساسية. معامل درجة حرارة السلك النحاسي قد يكون أكبر من المستشعر ، الذي يقدم الحساسية الحرارية غير المرغوب فيها.من المرجح أيضًا أن تلتقط الأسلاك الأطول ضوضاء. يمكن تقليل ذلك باستخدام أزواج ملتوية ودرع.يؤدي استخدام جهد الإثارة العالي إلى زيادة ناتج المستشعر ويحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء. ومع ذلك ، فإن التيارات الأعلى تتسبب في تسخين عنصر الاستشعار ، مما يغير مقاومة وحساسية المستشعر.يؤثر هذا التسخين الذاتي أيضًا على المادة اللاصقة التي تربط مقياس الإجهاد بالجهاز الحاجز ، الذي يقدم أخطاء ويؤدي إلى تدهور الدقة بمرور الوقت. يمكن أن يؤدي استخدام مقاييس سلالة المقاومة العالية إلى تقليل تأثيرات التسخين الذاتي.جهد الإمداد الأمثل هو توازن بين تقليل التسخين الذاتي والحصول على إشارة جيدة. يمكنك تحديد هذا بشكل تجريبي. على سبيل المثال ، مع عدم وجود ضغط وإخراج مستشعر من الصفر ، يمكنك زيادة جهد الإثارة حتى ترى تغيير في الإخراج ( بسبب التسخين الذاتي). يجب تقليل الجهد الإثارة حتى يختفي خطأ الإخراج.عندما يكون ذلك ممكنًا ، يجب عليك استخدام دائرة مكبر للصوت القريبة من المستشعر لتقليل طول الاتصال ، وتعزيز إشارة الخرج ، وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء. يمكن أن يقلل من تأثير أي تباين في جهد الإثارة ، مثل انخفاض الجهد الناتج عن الأسلاك الطويلة ، من خلال مراقبة جهد الإثارة على المستشعر وطرحه من خرج المستشعر أو استخدامه كجهد مرجعي للمحول الرقمي التماثلي (ADC) .