Тензорезистивные сенсоры и датчики давления на их основе
Тензорезистивные сенсоры и датчики давления на их основе
Сенсор представляет собой резистор, проводник которого наклеен, напылён или нанесён другим способом на подложку, способную деформироваться под действием приложенной силы. Вместе с подложкой деформируется и жёстко связанный с ней проводник резистора. При деформации проводника изменяется его длина и поперечное сечение. Соответственно, будет изменяться и его сопротивление. Измеряя сопротивление тензорезистора можно определить приложенное к подложке давление.
Классический пример тензорезистора можно увидеть на следующей фотографии:
Типовая схема подключения тензорезистора показана на данном рисунке:
Обычно, в реальных устройствах, тензорезистор наклеивается на пружинную диафрагму. Под воздействием приложенного давления диафрагма деформируется, вместе с ней деформируется и тензорезистор.
Классическая система тензорезистивного сенсора, представленная на предыдущей иллюстрации, сделана из металла, проводника и подложки.
При деформации в упругих пределах применяемого металла можно многократно нагружать сенсор без увеличения погрешности. Металлы, однако, подлежат усталости при повторных циклах нагружения, и они начинают «течь», если напряженность выше их упругого предела. Это общий источник ошибки металлических тензорезистивных сенсоров: если приложено давление выше нормы, они имеют тенденцию потерять точность из-за пластической деформации подложки и резистора.
Современные технологии производства сделали возможным изготовление подложки из кремния вместо металла. Кремний показывает высокие линейные упругие свойства в узком диапазоне деформаций и высокое сопротивление к усталости. Когда кремниевый тензорезистивный сенсор перенапрягается, он разрушается полностью, а не «течёт», как металлический сенсор. Это считают лучшим результатом, поскольку это ясно указывает на потребность в замене сенсора, тогда как металлический тензорезистивный сенсор продолжает функционировать после перенапряжения. Чтобы определить его неисправность, датчик давления необходимо демонтировать и проверить на установке для калибровки.
Упрощенная иллюстрация диафрагма / тензорезистор показана здесь:
Перемещение и изгиб диафрагмы под действием входного давления деформирует тензорезистор. На выходе появляется напряжение, пропорциональное измеряемому давлению. Это напряжение можно усилить и преобразовать в стандартные сигналы: аналоговый 4 — 20 ма или цифровые типа HART, FOUNDATION Fieldbus или другие.
В некоторых проектах, единственный кремниевый композит служит в качестве и диафрагмы и подложки тензорезистора. Так, практически полностью, используются превосходные механические свойства кремния (высокая линейность и низкая усталость).
Однако, кремний химически несовместим со многими средами процесса, и поэтому давление должно быть передано кремниевой диафрагме/тензорезистору через химически инертную среду. Для этой цели устанавливают гибкую неупругую разделительную диафрагму, на которую действует измеряемое давление. Пространство между разделительной диафрагмой и кремниевой диафрагмой заполняют жидкостью (обычно на основе силикона или фторуглерода).
Разделительная диафрагма передает давление процесса заполняющей жидкости, которая в свою очередь передает давление кремниевой диафрагме/тензорезистору.
Ниже приведена схема такого прибора:
Разделительная диафрагма разработана так, чтобы быть намного более гибкой, чем кремниевая диафрагма, потому что ее цель состоит в том, чтобы передать без изменений давление процесса до заполняющей жидкости, чтобы не действовать как упругий элемент. Таким образом, кремниевый датчик испытывает то же самое давление, что и приложенное к разделительной диафрагме, не входя в непосредственный контакт с жидкостью или газом технологического процесса.
Это использование заполняющей жидкости, чтобы передать давление от диафрагмы изоляции до чувствительной диафрагмы используется в большинстве, если не во всех, современных датчиках давления.
Пример датчика дифференциального давления, использующего тензорезистор на кремниевой подложке — модель Foxboro IDP10, показан на следующей фотографии:
Как работает тензорезисторный датчик? Способы диагностики тензорезисторных датчиков.
Здравствуйте, друзья! Немного расскажу о тензорезисторных датчиках и о том как проверить тензодатчик на исправность. Часто случается ситуация, когда приходится менять неисправные тензодатчики в весах, и когда мы отдаем неисправный тензодатчик клиенту, клиент искренне не понимает, что с датчиком не так, спрашивает: “Что в нем сгорело?” Мы отвечаем, что ничего, датчик деформирован. Клиент смотрит на деталь, но никакой деформации не видит, думает: может обмануть хотят? Но мы не обманываем, датчик действительно неисправен. Просто на глаз неисправность тензодатчика не определить. И вот почему.
Начнем с того, что тензорезисторный датчик представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразует механическое воздействие в электрический сигнал.
Механическая часть состоит из тела, которое подвергается нагрузке.
Измерительная часть — это тензорезисторный мост.
Чаще всего тензорезисторные датчики изготавливают из стали или алюминия.
Формы тензорезисторных датчиков могут быть различными, одна из самых популярных — консольная балка.
При изготовлении балочного тензодатчика металлическая балка обрабатывается таким образом, что в теле балки создаются технологические прослабления — полости.
В местах, где создается меньшая толщина материала балка более чувствительна к механической деформации.
В этих участках создается наибольшее механическое напряжение при прикладывании силы к балке. Механическое напряжение — это мера деформации упругого тела. Если сильно упростить скажем так — там где тонко, там гнется сильнее.
Для примера возьмем консольные балочные датчики, которые используются в торговых весах.
Вот алюминиевая балка с полостью. Где больше всего выбрано материала, там и создаются наиболее чувствительные к деформации участки. На этих участки и наклеиваются тензорезисторы.
Тензорезистор — это тонкопленочный резистор, который растягивается или сжимается вместе с материалом на который этот резистор приклеен. Когда тензорезистор растягивается, то сечение его проводника уменьшается, а длина увеличивается, представьте резинку, если ее растянуть — она становится тоньше, но длинее. Так и в тензорезисторе при растяжении или сжатии меняется сечение проводника и длина, в следствии чего меняется и электрическое сопротивление тензорезистора.
Как мы знаем, чем тоньше и длиннее проводник, тем току будет сложнее по нему пройти, чем толще и короче проводник, тем току проще пройти. Это как с водой в трубе, чем труба длиннее и тоньше, тем воде сложнее пройти, чем труба короче и толще, тем воде проще через нее пройти.
Подытожим:
Тензорезистор наклеивается на материал
Материал получает упругую деформацию
Тензорезистор вместе с материалом растягивается или сжимается
Тензорезистор изменяет сопротивление
В свою очередь изменяется и ток, который протекает по тензорезистору
Так мы переходим ко второй части тензодатчика — измерительной. Как я уже сказал измерительная часть состоит из резисторов, которые соединены в мостовую схему.
Изображу схему резисторного моста. Наиболее простая схема состоит из четырех резисторов.
Такое соединение имеет диагональ питания. И сигнальную диагональ. На диагональ питания подается напряжение, и ток потечет от одного полюса к другому, через ветви моста, назовем их левая и правая ветви для наглядности. Тензорезисторы подобраны таким образом, что левая и правая ветвь имеет одинаковое электрическое сопротивление.
Давайте упростим схему. Сложим сопротивление резисторов R1+R2 и сопротивление резисторов R3+R4 по правилу последовательного соединения. Теперь мы получили два резистора, которые соединены параллельно. Когда эти два параллельных сопротивления одинаковы, то ток будет протекать по ним одинаковый — это так называемый делитель тока. Поскольку ток при равных сопротивлениях ветвей моста будет протекать одинаковый, то в точках измерительной диагонали разности потенциалов возникать не будет. В таком случае мост называют сбалансированным.
Как только к тензодатчику прилагается усилие, сопротивление ветвей меняется, мост получает разбаланс, по ветвям начинает протекать разный ток, в следствии перекоса тока, в точках измерительной диагонали появится разность потенциалов, которую можно измерить мультиметром.
Перейдем к нашим образцам. Это два консольных балочных датчика. Они имеют одинаковые формы, размеры и электрические параметры, но при этом один из них исправен, а другой — нет, он был подвержен необратимой деформации.
Но по внешнему виду невозможно понять, где же исправный датчик, а где деформированный.
Почему так происходит? Дело в том, что тензорезисторный датчик при допустимой механической нагрузке испытывает обратимые (упругие) деформации — это значит, что когда с датчика нагрузку убирают, то он возвращается к первоначальной форме. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов тела от положения равновесия (другими словами, атомы не выходят за пределы межатомных связей).
Если же к датчику приложить разрушающую нагрузку, то он выйдет за предел упругости, это значит, что когда нагрузку уберут, то датчик уже не вернется в первоначальное состояние. В основе необратимых деформаций лежат необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия (то есть выход за рамки межатомных связей, после снятия нагрузки переориентация в новое равновесное положение).
Т.е. деформация в тензодатчике проходит на атомно-молекулярном уровне и поэтому невозможно увидеть деформацию невооруженным взглядом.
Но по каким критериям можно определить работоспособность тензорезисторного датчика? Работоспособность тензоресисторного датчика выявляют по показаниям тензорезисторного моста. Для этого используют два критерия:
Замер сопротивлений тензомоста
Замер выходного сигнала тензомоста (замер начального разбаланса)
Замер сопротивлений тензомоста в большинстве случаев не дает стопроцентного результата в определении исправности датчика, а помогает выявить наличие/отсутствие обрыва в цепи тензомоста. Ну, если датчик очень сильно деформирован, тогда да, по сопротивлению будет понятно исправен датчик или нет. Но зачастую так бывает, что сопротивления тензомоста в норме и близки к паспортным значениям, а весы с таким датчиком не работают.
Как я уже рассказывал выше, тензорезисторный мост сбалансирован, когда по его ветвям протекает одинаковый ток, в таком случае в точках сигнальной диагонали напряжение будет нулевым. Как только датчик подвергается нагрузке, мост получает разбаланс, сопротивление ветвей начинает отличаться, ток по ветвям потечет разный, и в точках измерительной диагонали появляется напряжение.
Это напряжение тем больше, чем больше нагрузку получает датчик. Если вообще все очень сильно упростить, то весы это вольтметр, который замеряет напряжение на сигнальной диагонали тензомоста и пересчитывает милливольты в единицы массы.
Какая допустимая величина начального разбаланса тензомоста? Как определить порог, после которого величина выходного сигнала тензодатчика считается завышенной, а датчик неисправным.
Нулевой выходной сигнал — это идеальный уровень сигнала ненагруженного исправного тензодатчика (0 милливольт).
Уровень выходного сигнала ненагруженного тензодатчика, замерив который можно смело отбраковать датчик рассчитывается так:
Берется напряжение питание тензодатчика, к примеру 5 вольт
Перемножается на коэффициент чувствительности тензодатчика (РКП), для настольных весов это чаще всего 1.2 милливольта/вольт.
Получаем 6 милливольт — это тот сигнал, который будет выдавать тензодатчик при полной нагрузке (полный сигнал).
Начальный разбаланс моста тензодатчика не должен превышать 10% от полного сигнала. Т.е. в нашем случае 0.6 милливольта.
По результатам измерений параметров дву датчиков выявляем неисправный.
Неисправный тнзодатчик хоть и имеет завышенный почти в четыре раза начальный сигнал, но тем не менее продолжает реагировать на нагрузку. Несмотря на это, в весах его использовать уже нельзя.
Но почему так делается, ведь датчик реагирует на нагрузку и при большей деформации? Почему весы уже не могут работать с таким тензодатчиком, ведь мультиметр замеряет сигнал и мы можем его видеть?
Дело в том, что производитель должен гарантировать линейность показаний тензодатчика, стабильность показаний тензодатчика, и верность показаний. Если в промышленности допускать применение тензодатчиков, с начальной деформацией более 10%, то цена ошибки может быть высокой. А предсказать, как себя поведет такой деформированный датчик и что он наизмеряет никто не сможет.
Пьезорезистивный эффект в преобразователях и сенсорах| Блог системного анализа
Ключевые выводы
Изменение электрического сопротивления при механическом напряжении называется пьезорезистивным эффектом.
Преобразователи и датчики, работающие на принципе пьезорезистивного эффекта, используются в автомобилях и коммерческих устройствах для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот.
Пьезорезистивный эффект отличается от пьезоэлектрического тем, что пьезоэлектрический — это свойство материала генерировать напряжение при приложении силы, тогда как пьезорезистивный эффект относится к сопротивлению материала изменению.
Производители автомобилей используют пьезорезистивные акселерометры в автомобильных системах безопасности
Датчики и преобразователи используются в коммерческих устройствах для измерения или преобразования одной формы энергии, такой как сила, ускорение и давление, в другую форму энергии . Пьезорезистивные датчики и преобразователи используют пьезорезистивный принцип для обнаружения или преобразования механических входных сигналов. Изменение электрического сопротивления металла или полупроводникового материала при механическом напряжении является основным принципом, определяющим пьезоэлектрический эффект.
Давайте подробнее рассмотрим пьезорезистивный эффект и то, как механическая деформация влияет на электрическое сопротивление в металлах и полупроводниках.
Электрическое сопротивление металлов и полупроводников
Электрическое сопротивление R металла прямо пропорционально его удельному сопротивлению и длине l материала. Он находится в обратной зависимости от площади поперечного сечения а металла. Всякий раз, когда есть какое-либо изменение в геометрических размерах, электрическое сопротивление будет меняться.
Например, электрическое сопротивление увеличивается при увеличении длины металла, когда все остальные параметры остаются постоянными. Когда площадь поперечного сечения увеличивается, сопротивление уменьшается. Удельное сопротивление является свойством материала, и изменение удельного сопротивления увеличивает электрическое сопротивление.
В полупроводниках перераспределение дырок в валентной зоне при механическом напряжении вызывает изменение сопротивления.
Когда полупроводник подвергается механической деформации, дырки перескакивают с более высокой энергии на более низкую энергию, и энергетические зоны деформируются. Подвижность дырок и деформация энергетических зон увеличивает удельное сопротивление, что увеличивает сопротивление.
Пьезорезистивный эффект
Когда к металлу или полупроводнику прикладывается внешняя сила или напряжение, его электрическое сопротивление изменяется, изменение электрического сопротивления при механическом напряжении называется пьезорезистивным эффектом. Изменение сопротивления из-за внешнего воздействия более заметно в полупроводниках по сравнению с металлами.
Пьезорезистивный эффект отличается от пьезоэлектрического эффекта. При пьезоэлектрическом эффекте механическое напряжение или приложенная внешняя сила создают напряжение на устройстве. Это отличается от пьезорезистивного эффекта тем, что эффект вызывает только изменение сопротивления.
Пьезорезистивные преобразователи
Пьезоэлектрические преобразователи используют пьезорезистивный эффект для преобразования физических величин в электрические величины.
Пьезорезистивный преобразователь используется, когда необходимо измерить изменение механического воздействия на конструкцию. Изменение механической величины является входом пьезорезистивного преобразователя. В пьезорезистивном преобразователе используются пьезорезисторы для преобразования входного сигнала в электрический выходной.
Обычно пьезорезисторы подключаются с помощью моста Уитстона с постоянным источником питания постоянного тока. Когда механический вход пьезорезистивного преобразователя равен нулю, мост Уитстона уравновешен, и выходной сигнал преобразователя равен нулю.
При механическом воздействии на пьезорезистивный преобразователь электрическое сопротивление пьезорезистора также изменяется. Это изменение делает мост Уитстона неуравновешенным. Неуравновешенный мост генерирует электрическое напряжение, пропорциональное механическому входу пьезорезистивного преобразователя.
Применение пьезорезистивного эффекта
Пьезорезистивный эффект применяется как в преобразователях, так и в датчиках.
Некоторые из этих применений включают пьезорезистивные датчики давления, пьезорезистивные преобразователи с кремниевыми чипами и пьезорезистивные акселерометры.
Пьезорезистивные датчики давления
Пьезорезистивные датчики давления выгодны своей высокой чувствительностью и линейностью. Они находят применение в биомедицинских устройствах, автомобилях, бытовой электронике и аэрокосмической промышленности.
Преобразователи на пьезорезистивных кремниевых микросхемах
Пьезорезистивные кремниевые микросхемы используют пьезорезистивный эффект в кремниевых полупроводниках. Преобразователь с кремниевым чипом преобразует приложенное давление в пропорциональное электрическое напряжение с помощью моста Уитстона. К преимуществам пьезорезистивных кремниевых преобразователей относятся:
- Линейность из-за отсутствия гистерезиса
- Высокое разрешение
- Частотная характеристика до 100 кГц
Пьезорезистивные акселерометры
По сравнению с пьезоэлектрическими акселерометрами пьезорезистивные акселерометры способны измерять ускорение до 0 Гц.
Эта низкочастотная способность делает пьезорезистивные акселерометры подходящими для статического измерения ускорения. В результате производители автомобилей используют пьезорезистивные акселерометры в автомобильных системах безопасности, таких как подушки безопасности и антиблокировочная система тормозов.
Преобразователи и датчики, работающие на принципе пьезорезистивного эффекта, используются в автомобилях и коммерческих устройствах для преобразования одной формы энергии в другую и имеют влияние во многих различных отраслях промышленности. Программное обеспечение Cadence предлагает инструменты проектирования и обширные библиотеки компонентов, которые помогают проектировать платы с преобразователями и датчиками.
Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы быть в курсе последних обновлений. Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, поговорите с нами и нашей командой экспертов.
Свяжитесь с нами
Решение задач электромагнитного, электронного, теплового и электромеханического моделирования, чтобы ваша система работала в широком диапазоне условий эксплуатации.
Посетите вебсайт Больше контента от Cadence System Analysis
Доступ к электронной книге Емкостные и пьезорезистивные датчики давления— отличия
Датчики давления считаются одним из наиболее часто используемых типов датчиков, поскольку они отвечают за измерение любой силы, приложенной к газам или жидкостям, которая затем выражается в виде электрического сигнала. Они могут иметь различные применения, например, в медицинских приборах и здравоохранении, автоматизации, гидравлике, а также в аэронавтике. Большинство датчиков давления, установленных в настоящее время в полевых условиях, основаны на технологии MEMS и используют либо пьезорезистивный или емкостной принцип измерения . В этой статье мы обсудим их основные отличия и выделим преимущества каждого из них.
Принцип измерения пьезорезистивной технологии Термин пьезорезистив состоит из греческого слова «пьезо» (означающего сжимать или давить) и сопротивляться.
В пьезорезистивных датчиках четыре резистора размещены на кремниевой диафрагме для измерения результата деформации или физического давления, приложенного к ним. Любое заметное изменение сопротивления преобразуется через мостовую схему Уитстона в выходное напряжение. Пьезорезистивный принцип измерения давления является одним из первых, разработанных в технологии MEMS, и он был разработан за много лет до емкостного. В результате он используется чаще всего. Пьезорезистивные датчики давления благодаря широкому распространению и низкой себестоимости находят широкое применение в бытовой электронике и автомобилестроении, а также в бытовой технике.
Дополнительная литература : Лучшие датчики давления для промышленного применения и автоматизации
Две параллельные и электрически изолированные пластины необходимы для обеспечения эффективной работы емкостного датчика давления .
Нижняя пластина зафиксирована, а верхняя чувствительна к изменениям давления. При приложении давления верхняя пластина (или мембрана) изгибается и создается емкость Δ. Это изменение емкости затем преобразуется в электрический сигнал, который может быть прочитан и обработан ASIC или микроконтроллером.
Где лучше всего применяется емкостная технология МЭМС?
Емкостная технология MEMS лучше всего подходит для приложений, где точность, надежность и безопасность имеют первостепенное значение. Это связано с техническими преимуществами, обусловленными свойствами элементов МЭМС, которые аналогичны свойствам стандартных пассивных компонентов (резисторы, конденсаторы), а также различиями в конструкции и методах изготовления.
Сравнение технологий, емкостные и пьезорезистивные датчики По сравнению с пьезорезистивными датчиками , емкостные датчики давления имеют много преимуществ.
Несмотря на то, что для них могут потребоваться более сложные схемы формирования сигнала и алгоритмы калибровки, они имеют более высокую точность и более низкую общую полосу ошибок . Кроме того, емкостные датчики давления имеют низкое энергопотребление, так как постоянный ток не протекает через чувствительный элемент из-за его природы. Таким образом, могут быть спроектированы и реализованы системы датчиков с очень низким энергопотреблением, которые требуют лишь небольшого смещения цепи от внешнего считывателя, что делает их идеальными для удаленных или имплантированных медицинских приложений. В таблице ниже приведены плюсы и минусы емкостных датчиков давления МЭМС по сравнению с пьезорезистивными.
| Плюсы | Минусы |
| Прочность и разрывное давление | Сложность калибровки |
| Точность, общий диапазон ошибок | Стоимость производства |
| Потребляемая мощность | |
| Долговременная стабильность |
Емкостные датчики давления МЭМС также обеспечивают превосходную долговременную стабильность.
Это атрибут дизайна. Как показано выше, типичный элемент емкостного датчика давления MEMS имеет два измерительных и два эталонных конденсатора. Эталонные конденсаторы не чувствительны к изменениям давления. Расчет давления выполняется по следующему алгоритму.
На долговременную стабильность в основном влияет старение чувствительных элементов и, следовательно, снижение точности измерения с течением времени.
Из-за расположения емкостных кристаллов измерительный и эталонный конденсаторы подвергаются воздействию одной и той же среды. Это означает, что они подвергаются воздействию тех же условий и раздражителей, которые вызывают старение сенсоров и, следовательно, долгосрочный дрейф. Поскольку считывающие и эталонные конденсаторы работают в одних и тех же условиях и изготавливаются с использованием одних и тех же материалов и процедур, они стареют с одинаковой скоростью. Таким образом, используя алгоритм расчета давления и компоновку кристалла МЭМС, эффект долговременного дрейфа сводится к минимуму и, следовательно, достигается превосходная долговременная стабильность.
И последнее, но не менее важное: основное преимущество емкостной МЭМС-технологии по сравнению с пьезорезистивной — устойчивость к избыточному давлению (испытательное давление и разрывное давление). Благодаря своей конструкции емкостные датчики MEMS могут выдерживать до 100-кратного номинального давления . Это происходит из-за того, что архитектура датчика состоит из неподвижной нижней пластины и подвешенной мембраны, которая деформируется под давлением. При приложении избыточного давления деформация достигает нижней мембраны и неизбежно прекращается, не разрушаясь. При этом за счет пройденного пути и приложенных напряжений пластические деформации отсутствуют. Это приводит к неизменной работе датчика после сброса избыточного давления.
Дополнительная литература : Все о избыточном давлении и способах его предотвращения
Пример сенсорного режима В таблице и на следующих рисунках вы можете увидеть пример характеристик избыточного давления датчика с абсолютной калибровкой 2 бар.
Максимальное ожидаемое рабочее давление (MEOP) датчика составляет 2 бара. Датчик измеряется при эталонном давлении 1,2 бар абс., а затем подвергается давлению со следующими шагами давления, как указано ниже.
| Давление [бар абс.] | Коэффициент избыточного давления [x MEOP] | Измерение [бар a] / Комментарии |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
| 2 | 1 х MEOP | Выход насыщен |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
| 4 | 2 x MEOP | Выход насыщен |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
| 8 | 4 МЕОП | Выход насыщен |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
| 20 | 10 x MEOP | Выход насыщен |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
| 40 | 20 x MEOP | Выход насыщен |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1. 201 |
| 80 | 40 x MEOP | Выход насыщен |
| 1,2 | 0,6 x MEOP | 1.201 |
Является ли емкостная технология идеальной для избыточного давления?
Как объяснялось выше, всякий раз, когда избыточное давление применяется к оборудованию автоматизации, обычные датчики давления могут быть повреждены. По этой причине датчики на базе можно использовать кремниевую емкостную технологию . Понимание преимуществ емкостной технологии и различных способов ее применения к датчикам давления имеет важное значение и может привести к повышению производительности и снижению затрат на техническое обслуживание. Компания ES Systems разработала датчики давления с емкостной технологией, которые могут обеспечить высокую производительность и точность наряду с высокой эффективностью и надежностью по конкурентоспособной цене.