تبلیغات اینترنتیclose
سنسورهای فشار

سنسورهای فشار پیزو خازنی نسبت به سنسورهای پیزو مقاومتی حساستر و پایدارتر و کم متاثر نسبت به تغییرات درجه حرارت هستند.با وجود این تولید دومی ساده تر وارزانتر است.سنسورهای پیزو مقاومتی در مقایسه با سنسورهای خازنی یک مشخصه ی پاسخ تقریبا خطی ارائه می کنند.

اثر پیزو مقاومتی

اصطلاح ”اثرپیزو مقاومتی“ بیانگرتغییر در مقاومت الکتریکی ماده ای است که در معرض یک نیروی مکانیکی همچون کشش یا فشار قرار داده می شود.این پدیده در کریستالهائی که فاقد محورهای قطبی هستند رخ می دهد و به خوبی در نیمه هادی ها دیده می شود.

در طرز نمایش عددی ساده رابطه بین تغییرات نسبی در مقاوم ρ/Δρ (که در آن ρ مقاومت ویژه است)و نیروی مکانیکی اعمال شده توسط رابطه زیر داده می شود:

Δρ⁄ρ=лδ

که در آن л به نام ثابت پیزو مقاومتی است که وابسته به جهت دهی کریستال وشرایط اندازه گیری، برای مثال ثبات حجم، می باشد.

تنها دو نوع اثر پیزو مقاومتی وجود دارد یعنی طولی و عرضی. وجه تمایز در این است که در اثر طولی جریان الکتریکی در جهت نیروی مکانیکی جاری می شود، در حا لی که در نوع عرضی جریان عمود بر آن جاری می گردد.

دو ضریب مختلف وجود دارد که هر دو ضریب تا حد زیادی وابسته به جهت هستند.بنابراین جهت دهی عمدی عناصر مبدل پیزو مقاومتی و وابستگی آنها به جهت دهی کریستال برای کاربردهای تکنیکی که سنسور می تواند برای آن به کار برده شود دارای اهمیت زیادی است.

در عمل مقاومت پیزو غالبا برای عناصری به کار برده شده است که به یک جسم تغییر شکل دهنده به صورت یک مدار مقاومتی اعمال می شود. جسم تغییر شکل دهنده معمولا به فرم یک میله قابل انعطاف به ویژه درسنسورهای توان وشتاب یا به فرم یک دیافراگم مستطیلی یا مدور می باشد.مقاومت ها در نواحی تحت حداکثر نیروی مکانیکی به صورت پل بسته می شوند. به طور کلاسیکی یک وسیله ی سنجش فشار سیمی که از یک فلز مثلا کنستانتان درست می شود به جسم تغییر شکل دهنده متصل می شود. اتصال پل احتیاج به چهار مقاومت حتی الامکان شبیه به هم دارد. به طور ایده ال چنین امری به وسیله تکنیک های میکروالکترونیک عملی می شود که در آن چهار مقاومت در یک نیمه هادی با یک سطح تقویت معین برای مثال سیلیکان تک کریستالی نفوذ داده می شوند.

سنسورهای فشار پیزو مقاومتی

عنصر اندازه گیری کننده یک سنسور فشار پیزو مقاومتی مجتمع یک پارچه را به عنوان مثالی از کاربرد اثر پیزو مقاومتی در نظر بگیرید. غشائی بر روی یک زمینه ی سیلیکانی ایجاد می شود ضخامت این غشاء می تواند از چند میکرومتر تا میلی متر بسته به فشاری که اندازه گیری می شود تغییر نماید. این غشاء به عنوان یک دیافراگم داخلی عمل می کند. هنگامی که این غشاء تغییر شکل داده می شود، سطح آن کشیده و فشرده می شود. در این نقطه مقاومتها در اثر انتشار یا تزریق یون جمع می شوند ومتناظرا اینها کشیده شده و فشرده می شوند. آرایش واقعی این عناصر بر روی این غشاء بستگی به جهت دهی کریستال دارد.

علاوه بر عناصر پیزو مقاومتی، ساده ترین انواع سنسورهای پیزو مقاومتی که برای سالهای متمادی ساخته شده اند داری مقاومتهائی برای متعادل نمودن ولتاژ پل، برای متعادل کردن حساسیت سنسور و برای اندازه گیری درجه حرارت هستند. به این ترتیب تلرانس های ساخت از قبیل عدم تعادل در مقاومتهای پل، تلرانس های غشاء و ماده یا وابستگی های حرارتی جبران می شود.

سنسورهای فشار بر اساس سیلیکان تک کریستالی بخوبی برای کاربردهای زیادی که احتیاج به دقتی بیشتر از 0.5 درصد ندارد مناسب می باشد.

روش بکارگیری

امروزه بسیاری از سازنده گان سنسورهائی را برای فشارهای نامی بین mbar1تا bar 1000درست می کنند. که برای هر دو اندازه گیری فشار مطلق و تفاضلی مناسب هستند و در مقابل بارهای زیاد حساس نیستند. با وجود این هنگامی که فشاراز مقدار مجاز آن فراتر رود آنها به آسانی می شکنند و باید در مقابل گرد و غبارمحافظت شوند.برای استفاده در کاربردهای صنعتی این چیپ در یک محفظه ی ضد هوا با پوشش فلزی فرج دار مهر و موم می شود ودر درون یک لایه روغن قرار داده می شود. حداکثر درجه حرارت عملکرد تقریبا 120 درجه سلسیوس است زیرا در درجه حرارتهای بالاتر عایق بین با تقویت p و عنصر فنری با تقویت n شدیدا خراب می شود.

بسیاری از تولید کنندگان اکنون در حال کار به منظور بهبود دقت این نوع سنسور و کاهش فشار نامی حد پایین هستند. هر دو تکامل تقاضاهای تکنولوژیکی قابل ملاحظه ی را در اختیار سازندگان قرار می دهد.

علاوه برخود سنسور، اشکال سنسور فشار که مورد تقاضای بیشتری هستند شامل سیستم الکترونیکی برای آماده سازی سیگنال هستند. اینها می توانند یا مجزا باشند یا یک شکل مجتمع یکپارچه داشته باشند. مثالی از نوع مجزای به خوبی شناخته شده عبارت از نخستین سنسور فشار موسوم به ”باهوش“، ST3000 (Honeywell) می باشد.

از نقطه نظر تکنولوژیکی سنسور فشار Si –چندگانه یک سنسور فشار نسبتا جدید و جالب است که با استفاده از تکنولوژی سیلیکان بر روی عایق (SOI) ساخته می شود. در اصل این یک تکنولوژی لایه- نازک است در این تکنولوژی عنصر حساس از نظر الکتریکی از زمینه ی سیلیکانی جدا (عایق)می شود. این مزیات زیادی را نتیجه می دهد. از اتصالات ناپایدارحرارتی و زمانی اجتناب می کند بنابراین سنسورفشاردرطی زمانهای طولانی تر پایدارتر است محدوده ی حرارتی عملکرد آن حداکثر تا200درجه سلسیوس توسعه پیدا می کند و رانش حرارتی ولتاژ خروجی می تواند در مقایسه با سیلیکان تک کریستالی بطور قابل ملاحظه ی کاسته شود.

نخستین سنسورهای تجارتی در 1988 عرضه شدند. ماده ی سنسور پیزو مقاومتی عبارت از Si-چندگانه است. خواص آن می تواند بطور انتخابی بویسله تغییر دادن شرایط رسوب دهی و رفتارهای بعدی تغییر داده شود. درجه حرارت پردازشی کم به معنی آن است که رسوب دهی بر روی متنوع ترین مواد فنری از فلزات تا پلاستیک ها امکان پذیر است. این یک مزیت بزرگ است. سازگار نمودن چنین سنسورهائی به موارد زیادی از کارهای اندازه گیری امکان پذیر است.

بدست آوردن ضرایبk (این ضریب مقدار ثابت وابسته به ماده بکار برده شده است و در سیلیکان تنها تابعی از سطح تقویت نیست بلکه تابعی از جهت دهی کریستال نیز می باشد.) بزرگتر توسط سخت کردن Si-چند گانه امکان پذیر است. با وجود این اگر این کار انجام شود مزیت ذکر شده در بالا از دست می رود. سپس عملیات ذوب موضعی می تواند برای ایجاد کردن لا یه های سیلیکانی باز کریستال سازی شده با خواص پیزو مقاومتی مشابه خواص پیزو مقاومتی سیلیکان تک کریستالی به کار برده شود.

سنسورهای فشار خازنی

ظرفیت c یک خازن صفحه ای بستگی به ثابت دی الکتریک نسبی،فاصله d بین صفحات و مساحت صفحه A دارد: c= ε A/d

تغییرات ε،Aوd در کاربردهای سنسورداری استفاده ی عمده ای هستند. برای سنسورهای فشار بطور عمده تغییر در ظرفیت درنتیجه ی تغییرشکل یک غشاء، یعنی تغییر در فاصله،d، می باشد که به منظور ایجاد اثر حس کننده بکار برده می شود. بویژه سنسورهای خازنی کوچک می تواند با استفاده از تکنولوژی سیلیکان تولید شوند.

برای مثال، یک صفحه ی خازن می تواند از یک غشاء تشکیل شود در مقابل این قسمت یک صفحه ی شیششه ای که بخشی از آن فلزدار شده است قرار دارد. لایه ی فلزی الکترود دوم خازن را تشکیل می دهد. شیشه و سیلیکان بوسیله ی اتصال آندی به یکدیگر متصل می شوند. تغییرات خیلی کوچکی در ظرفیت رخ می دهد و آشکار نمودن الکترونیکی اینها مشکل است. به همین دلیل ترجیح داده می شود مدارات الکترونیکی پردازش کننده بر روی زمینه ی سیلیکانی مجتمع شود برای مثال به شکل یک نواسانگر RC. در این صورت ظرفیت متغیر نواسانگر مکانیزم حس کننده ی فشار می شود. یک سیگنال متناوب در خروجی ظاهر می شود.

جدید ترین تکنیک های میکرو ساخت از سیلیکان بر روی اتصالات سیلیکانی استفاده می کند. این به معنی آن است که این سنسور می تواند تنها از سیلیکان ساخته شود. قسمت های اصلی سنسور فشار براساس سیلیکان مجتمع عبارت اند از :

1) لایه ی برن نفوذ داده شده

2) پوشش سیلیکانی با فسفر نفوذ داده شده

3) حفره ی مرجع

4) دیافراگم

اصول سنسور فشار جدید

تجمع یک MOSFET و یک الکترت (یک قطعه ماده ی دی الکتریت که بطور دائمی پلاریزه شده است،برای ایجاد آن ماده را گرم می کنند و در ضمن خنک کردن آن را دریک میدان الکتریکی قوی قرار می دهند.) منجر به ظهور انواع زیادی از سنسورهای جدید شده است، که تعدادی از آنها سنسورهای فشار هستند. برای مثال عنوان جدید PRESSFET به یک سنسور فشار اطلاق شده است که از یک دیافراگم هادی نازک، یک فاصله ی هوایی، الکتریت( در این مورد خاص تفلون بکار برده میشود.) یک لایه SiO2 و زمینه ی سیلیکانی تشکیل می شود.

PRESSFET می تواند به عنوان یک نوع جدید از آرایش FET با یک لایه ی ساندویچی دی الکتریت بین گیت (دیافراگم هادی ) و سیلیکان در نظر گرفته شود. جریان در کانال درین – سورس علاوه بر سایر چیزها، بستگی به ظرفیت بین گیت و سیلیکان دارد. بنابراین آن یک وظیفه ی شناسایی فشار اعمال شده را دارد. فشار عکس العملی در گستره ی 20-400 kPa می تواند آشکار شود.

یک نوسانگر Reed(رید) سیلیکانی، که با استفاده از روش های میکرو مکانیکی ساخته شده است می تواند به عنوان یک سنسور فشار بکار برده شود. یک پدال سیلیکانی که ابعاد آن در محدوده ی میلی متر قرار دارد، و وادار به نوسان شده است در دامنه ی ارتعاش خود یک تغییر وابسته به فشار نشان می دهد. این اصل می تواند برای اندازه گیری فشارهائی بین 10mPaو100kPa بکار برده شود.

سنسورهایی نیز که برای اندازه گیری خلاء با استفاده از روش های میکرومکانیکی تولید می شوند لیکن بر اساس اصول حرارتی کارمی کنند اصول کارشان مشابه اصول بکار برده شده دردستگاه سنجش خلاء پیرانی است. این به معنی آن است که فشار خلاء از تغییر اندازه گیری شده در هدایت حرارتی گاز استنتاج می شود. دو نوع آن عبارت انداز: سنسور رید حرارتی و سنسور غشاء شناور مجتمع. در نوع اول، یک ترموپیل مجتمع بر روی بازوی رید یا نگهدارنده قرار داده می شود.چنین سنسورهائی میتوانند برای فشارهای بین 10mPa و10Pa بکار برده شوند.

در نوع دوم، ترموپیل ها بر روی بازوهای قطعه ی معلق، یک غشاء شناور، قرار داده می شود. این ترموپیلها افزایش درجه حرارت غشاء را نسبت به درجه حرارت محیط اندازه گیری می کنند. افزایش درجه حرارت توسط مقاومت هائی که در محل اتصال بازوها و غشاء قرار داده شده است ایجاد می شود. توان الکتریکی لازم به منظور برقراری یک درجه حرارت ثابت در حضور یک گاز خنک کننده توسط یک مقاومت فراهم می شود که کل غشاء را می پوشاند. این توان بطور خطی وابسته به فشار P است. اندازه گیری دامنه فشاری از 10mPa تا10kPa امکان پذیر است.

در بسیاری از کاربردهای صنعتی یا آزمایشگاهی مواجه شدن با درجه حرارت هائی بالاتر از 100 درجه سلسیوس معمول است. بنابراین استفاده کردن از سنسورهای پیزو مقاومتی که با استفاده از تکنولوژی سیلیکان برروی یاقوت کبود (SOS )تولید می شوند ضروری است.این سنسورهای فشار از دو قسمت تشکیل می شوند:

1) یاقوت کبود 2) پایه

یاقوت کبود (Al2O3 ) مشتمل بر دیافراگم و مقاومت ها، و پایه، که می تواند برای مثال از شیشه درست شود.

این سنسورها می تواند در درجه حرارت هایی حداکثر تا 425 درجه سلسیوس و فشارهائی حداکثر تا Pa10 بکار برده شود.

صفحه قبل صفحه بعد
نظر شما
نام : *
پست الکترونیک :
وب سایت/بلاگ :
*
:) :( ;) :D
;)) :X :? :P
:* =(( :O @};-
:B /:) =D> :S
کد امنیتی : *


برچسب ها: ,
موضوع : | لينك ثابت
نوشته شده در تاريخ سه شنبه 28 شهريور 1391 توسط حميد تلك آبادي