Entenda o princípio, as características e os tipos de aplicação do sensor piezoresistivo

Sensor piezoresistivo é um dispositivo feito de resistência de difusão no substrato de material semicondutor de acordo com o efeito piezoresistivo do material semicondutor. O substrato pode ser usado diretamente como um elemento sensor de medição, e a resistência de difusão é conectada a uma ponte dentro do substrato.

Tipo de resistência à pressãoPrincípio do sensor

 Sensor piezoresistente tipo piezoresistente transdutor refere-se ao sensor feito do efeito piezoresistente do material de silício monocristalino e tecnologia de circuito integrado. Após a força do material de silício monocristalino, a resistividade muda, e a eletricidade proporcional à mudança de força pode ser obtida medindo o circuitosinalsaída. Sensores piezoresistivos são usados para medição e controle de pressão, tensão, diferença de pressão e outras grandezas físicas que podem ser convertidas em mudanças de força (como nível de fluido, aceleração, peso, tensão, fluxo, vácuo).

Um sensor piezoresistivo é um dispositivo feito de resistência de difusão no substrato de um material semicondutor de acordo com o efeito piezoresistivo de um material semicondutor. O substrato pode ser usado diretamente como um elemento de detecção de medição, e a resistência de difusão é conectada a uma ponte dentro do substrato. Quando o substrato é deformado pela força externa, o valor da resistência mudará, e a ponte produzirá a saída desbalanceada correspondente. O substrato (ou diafragma) usado como sensor de piezorresistência é principalmente wafer de silício e wafer de germânio. O sensor de piezorresistência de silício feito de wafer de silício como material sensível recebe cada vez mais atenção, especialmente o sensor de piezorresistência sólido que mede pressão e velocidade é a aplicação mais comum.

Aplicação de sensores piezoresistivos

 Sensores polezoresistivos são amplamente utilizados em aeroespacial, aviação, navegação, indústria petroquímica, máquinas de energia, engenharia biomédica, meteorologia, geologia, medição sísmica e outros campos. A pressão é um parâmetro crítico nas indústrias aeroespacial e de aviação, exigindo alta precisão para medições de pressão estática e dinâmica, pressão local e todo o campo de pressão. O sensor piezoresistivo é o sensor ideal para esse aspecto. Por exemplo, para medir a distribuição da pressão do fluxo de ar da asa do helicóptero, testando a distorção dinâmica da entrada do motor, a pressão pulsante da grade e o jitter da asa. Na medição da pressão central do motor a jato da aeronave, é usado silício especialmente projetadocaptação de pressão, Sua temperatura operacional é superior a 500℃. O sensor de pressão de silício correspondente com precisão de até 0,05% é usado no sistema de medição de dados atmosféricos da Boeing. No teste do modelo de túnel de vento reduzido, o sensor de resistência à pressão pode ser densamente instalado na entrada do túnel de vento e no modelo do duto de admissão do motor.

O sensor único tem apenas 2,36 mm de diâmetro, a frequência natural é de até 300 kHz, e a não linearidade e histerese são ambas ± 0,22% da faixa completa. Em aspectos biomédicos, o sensor de piezorresistência também é uma ferramenta de detecção ideal. Sensor de pressão piezoestática do tipo agulha de injeção com filme de silício de difusão tão fino quanto 10 mícrons e apenas 0,5 mm de diâmetro externo e sensores que medem a pressão nas áreas cardiovascular, intracraniana, urinária, uterina e ocular. A Figura 3 é um diagrama estrutural de um sensor usado para medir a pressão cerebral. O sensor de piezorresistência também é usado efetivamente na medição de pressão de explosão e onda de choque, medição de vácuo, monitoramento e controle do desempenho do motor do carro, como medição da pressão na câmara da arma, disparo de onda de choque e outras armas. Além disso, os sensores de piezorresistência são amplamente usados na medição de pressão de poços de petróleo, detecção de direção de perfuração e localização de cabos selados subterrâneos, bem como medição de fluxo e nível de líquido. Com o desenvolvimento da tecnologia microeletrônica e da computação, a aplicação de sensores piezoresistivos se desenvolverá rapidamente.

 Quais são as características típicas dos sensores piezoresistivos

① O coeficiente de sensibilidade do sensor piezoresistivo é 50-100 vezes maior do que o do sensor de pressão de deformação de metal. Às vezes, a saída do sensor piezoresistivo pode ser medida diretamente sem um amplificador.

② Como ele usa o processamento do processo de circuito integrado, o tamanho da estrutura é pequeno e leve.

③ Alta resolução de pressão, pode detectar uma pequena micropressão, como pressão arterial.

④ A resposta de frequência é boa e pode medir a pressão de pulso de várias dezenas de kHz.

⑤ Como o elemento sensor de força e o elemento de detecção do sensor são feitos na mesma pastilha de silício, ele funciona de forma confiável, com alta precisão abrangente e tem uma longa vida útil.

⑥ Devido ao uso de produção de material semicondutor de silício, o sensor é mais sensível à temperatura. Se a compensação de temperatura não for usada, seu erro de temperatura será grande.

 Por que o sensor piezoresistivo produz um erro de temperatura? Como compensar?

 Existem dois tipos de sensor piezostático: um é o extensômetro adesivo feito a partir da resistência do corpo do material semicondutor para formar a resistência de difusão feita no substrato do material semicondutor, que é chamado de sensor piezostático de difusão.

 O sensor piezoresistivo é bastante afetado pela temperatura, o que produzirá desvio de bit zero e desvio de sensibilidade, resultando em erro de temperatura.

 No sensor piezoresistivo, o coeficiente de temperatura da resistência de difusão é grande, e o valor da resistência muda com a mudança de temperatura, o que causa o desvio zero do sensor.

 A deriva de temperatura da sensibilidade do sensor é devida ao coeficiente de pieresistência com a temperatura. Quando a temperatura aumenta, o coeficiente de piezoresistência se torna menor, e a sensibilidade do sensor é reduzida; caso contrário, a sensibilidade é aumentada.

 O desvio de temperatura zero pode ser compensado por resistência em série e em paralelo.

 O desvio de sensibilidade da temperatura é compensado pelo uso de diodos em série no circuito de potência da ponte.

 Além disso, o sensor piezoresistivo também pode conectar as quatro resistências de difusão à ponte inteira, a fim de reduzir a influência da temperatura, podendo usar fonte de alimentação de corrente constante.

 Pode-se observar que a saída da ponte é proporcional à mudança de resistência, ou seja, é proporcional à medida e também proporcional à corrente de alimentação. A tensão de saída está relacionada ao tamanho e à precisão da corrente da fonte de corrente constante, mas não tem nada a ver com a temperatura, portanto, a fonte de corrente constante tem um bom efeito de compensação de temperatura.

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