Zaloguj się
Wszystkie
27 maja 2024
235
Zasada działania czujników ciśnienia
Efekt piezorezystywny
Podstawowa zasada działania elektronicznego czujnika ciśnienia opiera się na tak zwanym „efekcie piezorezystywnym”. Stwierdzono, że w niektórych rzadkich metalach i półprzewodnikach ruchliwość i koncentracja swobodnych nośników ładunku jest częściowo zależna od naprężenia wywieranego na materiał. Im mniej jest wolnych nośników ładunku i im mniejsza jest ich ruchliwość, tym wyższa jest rezystywność materiału. Istnieje zatem pewna zależność między naciskiem wywieranym na płytkę wykonaną z takiego materiału a rezystancją, którą można zmierzyć między dwom końcami płytki. Zjawisko to nazywane jest efektem piezorezystancyjnym.
Progi energii
W półprzewodnikach zjawisko to można wyjaśnić faktem, że progi energii atomów zmieniają się pod wpływem zwiększonego ciśnienia. Ciśnienie sprawia, że materiał jest lekko ściśnięty lub rozciągnięty. Wpływ ciśnienia można zatem w rzeczywistości zdefiniować jako minimalną zmianę wymiarów materiału.
W zależności od rodzaju materiału półprzewodnikowego i substancji, którą ten półprzewodnik został domieszkowany, może się okazać, że rezystancja wzrasta lub maleje wraz ze wzrostem ciśnienia.
Współczynnik K
Stopień zmiany rezystancji w funkcji zmiany ciśnienia jest wyrażany przez tak zwany współczynnik K. Jest on definiowany jako względna zmiana rezystancji ΔR/R w porównaniu do względnej zmiany długości ΔL/L.
Dla materiałów półprzewodnikowych współczynniki K wynoszą od 50 do 100, podczas gdy dla materiałów czysto metalicznych wynoszą one około 2. Z tego powodu preferuje się pracę z półprzewodnikami, ponieważ są one znacznie bardziej czułe.
Budowa czujnika ciśnienia
Podstawową strukturę czujnika ciśnienia przedstawiono na poniższym rysunku. Mała, prostokątna komora (komora próżniowa) jest uszczelniona od dołu sztywną płytką (podstawką), a od góry membraną. Membrana składa się z bardzo cienkiej płytki krzemowej, na którą nałożone są cztery półprzewodniki piezorezystywne. Widok z góry (poniżej) pokazuje, jak te cztery części są wytrawione na membranie. Membrana jest bardzo cienka, tak cienka, że może się z łatwością odginać. Membrana ta odkształci się, jeśli na jej górną powierzchnię zostanie wywarte ciśnienie różniące się od ciśnienia w komorze.
Jeśli ciśnienie nad membraną jest większe niż ciśnienie w komorze, membrana stanie się wklęsła. Jeśli jednak ciśnienie nad membraną jest mniejsze niż ciśnienie w komorze, membrana wybrzuszy się. Te odkształcenia membrany są przenoszone na cztery półprzewodniki piezorezystywne poprzez specjalną konstrukcję membrany. Te również ulegają odkształceniu, czego logiczną konsekwencją jest wzrost lub spadek ich rezystancji. Ponieważ komora nie jest kwadratowa, lecz prostokątna, nie wszystkie cztery półprzewodniki ulegną jednakowemu odkształceniu. W końcu ugięcie w kierunku wzdłużnym jest większe niż w poprzek, po prostu dlatego, że komora jest znacznie dłuższa niż wynosi jej szerokość. Nawiasem mówiąc, komora jest bardzo mała. Na przykład w przypadku KP100A, czujnika ciśnienia opracowanego przez firmę Philips, wymiary komory wynoszą zaledwie 1,2 mm na 2,4 mm.
Obwód elektryczny
Elementy piezorezystywne są elektrycznie połączone ze sobą jako mostek Wheatstone’a, patrz rysunek poniżej. Cztery półprzewodniki piezorezystywne są połączone w kwadrat, podobnie jak cztery diody mostka prostowniczego. Należy podłączyć napięcie zasilania Ub przez jedną przekątną CD tego mostka. Jeśli wszystkie cztery rezystory byłyby tej samej wielkości, to na wszystkich rezystorach występowałyby jednakowe napięcia. W dwóch pozostałych wierzchołkach mostka występowałyby napięcia o wartości dokładnie ½Ub. Nie byłoby różnicy napięć między drugą przekątną AB.
Jeśli jednak rezystory różnią się wartością z powodu odkształcenia membrany, to równość napięć nie będzie już spełniona. W zależności od stosunku między lewym i prawym rezystorem mostka, między punktami A i B pojawi się niewielkie napięcie różnicowe. To właśnie to napięcie tworzy napięcie wyjściowe U z czujnika i jest miarą wielkości ciśnienia wywieranego na membranę.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
