Amit mindig tudni szeretett volna a piezorezisztív nyomásmérő technológiáról

2019. december 04., szerda, 06:00

Címkék: Keller mérés méréstechnika nyomás nyomásmérés nyomásmérő piezoelektromos szelep piezoelektromosság szenzor szenzortechnika

A piezorezisztív technológiát gyakran említik egy mondatban a nyomásméréssel. De mi is pontosan a piezorezisztív hatás? És miért használják ezt a technológiát a nyomásméréshez?

A nyomás

A hőmérséklet mellett a nyomás is számos műszaki rendszer alapvető paraméterének számít. Ezen túlmenően számos ipari folyamat feltételez pontosan szabályozott nyomásviszonyokat. Ezért a hőmérséklet mérése mellett a nyomásmérés is a legfontosabb és leggyakrabban használt technológiák közé sorolható a gépek és berendezések ellenőrzésére és vezérlésére. Ezenkívül a légköri levegőnyomás fontos környezeti változó, és a folyadékoszlop gravitációs nyomásának mérésével például meg lehet határozni a talajvíz szintjét vagy a töltési szint értékét.

Az elektronikus nyomásméréshez olyan érzékelőt kell igénybe venni, amely felveszi a mért nyomást, és elektromos jellé alakítja azt. Az ellenállás-alapú nyomásmérés lényege egy olyan elektromos ellenállás, amelynek ellenállási értéke a mérendő nyomás függvényében változik.

Az ellenállás-alapú nyomásmérés

A legegyszerűbb esetben a klasszikus ellenállás-alapú nyomásmérés egy nyúlásmérővel működik, ami egy vékony fémcsík, amelynek ellenállási értéke az alakváltozástól függően változik. Nyúláskor a szalag hosszabbá és vékonyabbá válik, növelve ezzel annak elektromos ellenállását. Ha azonban a szalag összenyomódik, akkor rövidebbé is válik, keresztmetszete megnövekszik, és ezáltal csökken az ellenállás. Annak érdekében, hogy a mérendő nyomást ellenőrzött mechanikus deformációvá alakítsák, a nyúlásmérőt egy rugalmas membránra kell helyezni, ezt általában ragasztással oldják meg. Ha a nyomás e membrán egyik oldalán hat, akkor az deformálja azt, és a nyúlásmérő – a membránon elfoglalt helyétől függően – összenyomódik vagy kinyúlik (lásd az 1. ábrát). Minél nagyobb a nyomás, annál nagyobb mértékben deformálódik a membrán, ami azt jelenti, hogy az ellenállás változásának mértéke közvetlenül függ a nyomás amplitúdójától. A pontosabb mérés érdekében a Wheatstone hídáramkörbe több deformációmérőt is kombinálnak, és az ellenállás változását feszültségjelként mérik.

1. ábra: A nyúlásmérők elhelyezése egy nyomásérzékeny membránon

A piezorezisztív nyomásmérés

Az ókori görög piezein (jelentése: sajtolás vagy nyomás) szóból származó piezorezisztív elnevezés szervesen kapcsolódik a nyomás fogalmához. A piezorezisztív nyomásmérés alapelve lényegében az ellenállás-alapú nyomásmérés elvének felel meg. Ebben az esetben is a kinyúlás és az összenyomódás változtatja meg az ellenállást. A piezorezisztív anyagban ugyanakkor kinyúláskor és összenyomódáskor mechanikai feszültség is keletkezik, ami az elektromos vezetőképesség megváltozásához is vezet. A piezorezisztív hatás az atompozíciók elmozdulásán alapszik, ami közvetlenül befolyásolja az elektromos töltések szállítási képességét. Az elektromos vezetőképesség változásából adódó ellenállás-változás pedig jelentősen nagyobb lehet, mint a tiszta deformáció által okozott hatás.

A félvezetők tipikus piezorezisztív anyagok, amelyek erős piezorezisztív hatást mutatnak. Ezen anyagok elektromos vezetőképessége az elektromos vezetők (fémek, például ezüst, réz és alumínium) és a szigetelők (mint például az üveg) között helyezkedik el. A piezorezisztív nyomásmérő cellák alapvetően szilikonból készülnek, amelyet elektronikai áramkörök gyártásában is használnak. Ezeket az érzékelőket ezért néha érzékelő csipeknek is nevezik.

2. ábra: Különféle fémszerkezetet tartalmazó szilíciumlapka

A piezorezisztív érzékelő csipek alapja egy milliméternél is vékonyabb kristályos szilíciumkorong, amelyet wafer néven is emlegetnek (lásd a 2. ábrát). Az átitatásnak is nevezett eljárás során bizonyos pontokon idegen atomokat vezetnek be a korong felületébe, ami lokálisan befolyásolja annak vezetőképességét. Ezek az átitatott területek képezik a piezorezisztív ellenállásokat. Egy következő lépésben a szilíciumkorong bizonyos területeit olyan mértékben levékonyítják, hogy a membránok közvetlenül a szilíciumban alakuljanak ki, és a piezorezisztív ellenállások adott pozíciókban helyezkedjenek el (az 1. ábrán láthatóhoz hasonlóan). Ha a nyomás az egyik oldalon hat, a membrán ezen része deformálódik, ami mechanikai feszültséget okoz a piezorezisztív ellenállásokban. A pozíciótól függően az ellenállás értéke ekkor növekszik vagy csökken. Az érzékelő csip nyomásérzékenységét a megmaradó membrán vastagsága határozza meg.

3. ábra: A piezorezisztív érzékelő csip felépítése

Ezután a szilícium hátlapját üveghez ragasztják (lásd a 3. ábrát). Abszolút nyomásérzékelőknél ez a lépés egy zárt referenciateret hoz létre vákuumban. A relatív nyomás mérésekor a hátsó üveg referencialyukat tartalmaz. A piezorezisztív nyomásmérő cellákban – a nyúlásmérőktől eltérően – a mérőellenállásokat ezért a membránba építik be. Ez a technológia tehát kiküszöböli a ragasztás szükségességét, és ezáltal magát a gyenge pontot, nevezetesen a ragasztót, ami kulcsfontosságú a hosszú távú és a hőmérséklettől független stabilitás, valamint a hiszterézis elkerülésének (hiszterézis = az előző deformációs állapot utóhatásai) szempontjából. A piezorezisztív hatás ezenkívül az ellenállás 50-szer nagyobb változását eredményezi, mint ami a fémes deformációmérőkkel elérhető.

Annak érdekében, hogy az érzékelő csipeket a közegtől elszigetelhessék, azokat nyomásálló fémházba helyezik, amelyet olajjal töltenek fel, és elöl vékony membránnal zárnak le (lásd a 4. ábrát). A nyomás ezen a membránon keresztül hat az érzékelő csipre, és az olaj számít az átadó közegnek. A szigetelt mérőcellák agresszív folyadékokban és gázokban is lehetővé teszik a nyomás mérését.

4. ábra: Szigetelt, olajjal töltött piezorezisztív nyomásérzékelő felépítése

 

A piezorezisztív technológia előnyei és hátrányai

+ Bevezetett folyamatok a piezorezisztív érzékelő csipek gyártásában, széles körű tapasztalat a piezorezisztív technológiában

+ Széles nyomástartomány lefedése

+ Hosszú távú stabilitás

+ Még sok nyomásciklus után sincs jele a kifáradásnak

+ Nagy túlterhelés-rezisztancia

+ A szilíciumérzékelő csipnek nincs hiszterézise

+ Kompakt nyomásmérő cellák

+ Jó ütés- és rezgésállóság

+ Relatív és abszolút nyomás mérésére is alkalmas

+ A szigetelt mérőcellák a közegek széles skálájához kompatibilisek

+ Számos ipari alkalmazáshoz használható

+ A nagy kimeneti jel lehetővé teszi az egyszerű, nagy felbontású és könnyen kiolvasható adatmegjelenítést

 

• Hőmérséklet-kompenzáció szükséges

• A szigetelt mérőcellák megtervezéséhez és legyártásához átfogó szakértelem szükséges

 

− A nagyon kis nyomások (<0,01 mbar) mérése csak korlátozottan végezhető el

− Nagyon magas közeghőmérsékleten (> 200 °C) további mérések szükségesek

Miért érdemes piezorezisztív technológiát alkalmazni a nyomásmérésben?

A nagy kimeneti jel és a bevált gyártási folyamatok miatt a piezorezisztív technológia teret hódított a nyomásmérésben. Az eljárás másik nagy előnye az, hogy nincs szükség a nyúlásmérő leragasztására, ami a stabilitás szempontjából kulcsfontosságú tényező.

Az érzékelő csip kristályos szilíciuma működés közben tisztán rugalmasan deformálódik, megakadályozva minden kifáradást vagy stabilitási problémát, még sok nyomásciklus után is. Az érzékelő csipek a jól ismert félvezetőgyártási folyamatokban is előállíthatók, és a nyomásméréshez szükséges membránnak az érzékelő csipbe történő integrálása rendkívül kompakt, és hosszú távon stabil nyomásmérő cellák gyártását teszi lehetővé. Mivel a piezorezisztív nyomásátalakítókat mozgó alkatrészek nélkül építik fel, nagyon magas az ütésekkel és gyorsulásokkal szembeni ellenálló képességük. A piezorezisztív mérőcellákban az ellenállás sokkal nagyobb változása a hagyományos fém nyúlásmérőkhöz képest nagyobb kimeneti jelet eredményez, ami egyszerű, nagy felbontású és könnyen kiolvasható adatmegjelenítést tesz lehetővé. Az analóg vagy digitális kompenzációs megoldásokkal kombinálva rendkívül pontos, hőmérséklettől független nyomásjel érhető el.

5. ábra: Szigetelt, piezorezisztív nyomásérzékelő univerzális alkalmazásokhoz

A szigetelt piezorezisztív nyomásmérő cellát annak sokoldalúsága emeli hagyományos társai fölé: különféle közegekkel kompatibilis és széles nyomástartományt fed le. A ház speciális kialakítása nagy rugalmasságot kínál számos ipari alkalmazáshoz, még kritikus működési környezetben is. A KELLER AG für Druckmesstechnik egyik fő ismérve a szigetelt mérőcellák megtervezésében és legyártásában gyűjtött kompetencia. A piezorezisztív nyomásmérés terén felhalmozott 45 éves tapasztalatának köszönhetően a cég speciális alkalmazásokat is létre tud hozni. A KELLER AG für Druckmesstechnik szigetelt piezorezisztív nyomásmérő celláit igényes ipari alkalmazásokban és a kutatásban is felhasználják.

dr. Sören Boyn

www.keller-druck.com

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Austria transfers

Média Partnerek