سنسور فشار استرین گیج (Strain Gauge) پیزومقاومتی چیست؟
سنسور های فشار استرین گیج های پیزومقاومتی از رایج ترین انواع سنسورهای فشار هستند می باشند. آنها برای اندازه گیری فشار، از تغییر مقاومت الکتریکی مواد در هنگام کشش استفاده می کنند.
این سنسورها به دلیل سادگی و استحکام برای انواع کاربرد های مختلف مناسب هستند. آنها می توانند برای اندازه گیری فشارهای مطلق (Absolute)، گیج یا نسبی (Gauge or Relative) و تفاضلی (Differential)، در هر دو کاربرد فشار بالا (High pressure) و فشار پایین (Low pressure) مورد استفاده قرار گیرند.
در این مقاله به معرفی انواع سنسورهای فشار پیزومقاومتی موجود، نحوه کار و توانایی های نسبی آنها خواهیم پرداخت.
اصول کار سنسور فشار پیزومقاومتی
اساس کار سنسور فشار پیزومقاومتی استفاده از یک استرین گیج (Strain gauge) ساخته شده از مواد رسانا است که مقاومت الکتریکی آن هنگام کشش تغییر می کند. استرین گیج (Strain gauge) می تواند به یک دیافراگم متصل شود و هنگام تغییر شکل عنصر حسگر ، تغییرات مقاومت را تشخیص دهد. تغییر مقاومت به یک سیگنال خروجی تبدیل می شود.
سه نمونه از تاثیرات جداگانه ای که به تغییر مقاومت یک جسم رسانا کمک می کنند عبارتند از:
- مقاومت یک رسانا متناسب با طول آن است، بنابراین کشش، مقاومت آن را افزایش می دهد.
- با کشش یک رسانا، سطح مقطع آن کاهش می یابد و همین امر باعث افزایش مقاومت آن می شود.
- مقاومت ذاتی برخی مواد هنگام کشش افزایش می یابد.
در نهایت، اثر پیزومقاومتی بین مواد مختلف، بسیار متفاوت است.
یک پارامتر مهم و اساسی برای استرین گیج ها حساسیت (Sensitivity) آن ها نسب به کشش است که به عنوان عامل گیج (Gauge Factor) یا GF شناخته می شود و برابر با نسبت تغییرات در مقاومت الکتریکی بر تغییرات طول (کشش) می باشد.
به عبارت میزان حساسیت یک استرین گیج نسبت به کشش از رابطه زیر محاسبه می شود.
| GF | Gauge Factor عامل گیج (حساسیت استرین گیج) |
| R | مقاومت اولیه استرین گیج |
| ΔR | تغییرات مقاومت استرین گیج |
| L | طول اولیه استرین گیج |
| ΔL | تغییرات طول استرین گیج |
| ε | میزان کشش |
عناصر حسگر فشار
عناصر استرین گیج (Strain gauge) می توانند از فلز یا یک ماده نیمه رسانا ساخته شوند.
تغییر مقاومت در استرین گیج های فلزی عمدتاً ناشی از تغییر در هندسه (طول و سطح مقطع) مواد است. در بعضی از فلزات، به عنوان مثال آلیاژهای پلاتین ، اثر پیزومقاومتی می تواند حساسیت را به میزان دو یا چند برابر افزایش دهد.
در مواد نیمه رسانا، اثر پیزومقاومتی غالب است. به عبارت دیگر خاصیت نیمه رسانا بودن، تاثیر بیشتری نسبت به تغییر در هندسه (تغییر طول و سطح مقطع)، به منظور تغییر مقاومت دارد.
عملکرد سنسور فشار پیزومقاومتی
تغییر مقاومت در سنسور معمولاً با استفاده از یک مدار پل وتسون (Wheatstone bridge) مطابق شکل زیر اندازه¬گیری می شود. این امر اجازه می دهد تا تغییرات کوچک در مقاومت سنسور به ولتاژ خروجی تبدیل شود.
اندازه گیری های استرین گیج پیزومقاومتی با استفاده از یک مدار پل وتسون (Wheatstone bridge) انجام می شود.
مدار پل به یک ولتاژ تحریک احتیاج دارد. وقتی هیچ کششی وجود نداشته باشد و تمام مقاومتهای موجود در پل متعادل باشند، خروجی صفر ولت خواهد بود. تغییر فشار باعث تغییر مقاومت در پل و در نتیجه تغییر ولتاژ یا جریان خروجی مربوطه می شود. نحوه محاسبه آن در فرمول زیر نشان داده شده است.
اندازه گیری های استرین گیج پیزومقاومتی با استفاده از یک مدار پل وتسون (Wheatstone bridge) انجام می شود.
مدار پل به یک ولتاژ تحریک احتیاج دارد. وقتی هیچ کششی وجود نداشته باشد و تمام مقاومتهای موجود در پل متعادل باشند، خروجی صفر ولت خواهد بود. تغییر فشار باعث تغییر مقاومت در پل و در نتیجه تغییر ولتاژ یا جریان خروجی مربوطه می شود. نحوه محاسبه آن در فرمول زیر نشان داده شده است.
با استفاده از دو یا چهار عنصر حسگر در پل می توان عملکرد را بهبود بخشید (به طور مثال: استفاده از عناصر حسگر به صورت جفت که در معرض کشش یکسان ولی معکوس قرار می گیرند). این امر باعث افزایش سیگنال خروجی شده و می تواند اثرات دما بر روی عناصر حسگر را به حداقل برساند.
ساختار سنسور فشار پیزومقاومتی
-
عناصر حسگر فلزی (Metal sensing elements)
یک یا چند سنسور استرین گیج ساخته شده از سیم فلزی را می توان به سطح یک دیافراگم متصل نمود.
اعمال فشار به دیافراگم باعث کشش سیم ها و تغییر مقاومت می شود. عناصر حسگر را می توان به وسیله چسب و یا مستقیماً با روش اسپاترینگ (Sputtering) روی دیافراگم متصل نمود.
روش اسپاترینگ (Sputtering) مشکلات احتمالی مربوط به عدم چسبندگی در دماهای بالا را رفع و همچنین ساخت تجهیزات کوچک را آسان تر می کند.
همچنین می توان یک حسگر سیمی فلزی را به روش بیچاندن سیم بین نقاطی که با تغییر فشار جابجا می شوند نیز طراحی کرد. این ساختار می تواند در دماهای بالاتری نیز کار کند زیرا برای اتصال سیم به نقاط مرتبط به چسب نیازی نیست.
-
عناصر حسگر نیمه رسانا (Semiconductor sensing elements)
از مواد نیمه رسانا، معمولاً سیلیکون نیز می توان برای ساخت سنسورهای استرین گیج استفاده نمود. مشخصات عنصر حسگر، به ویژه اندازه اثر پیزومقاومتی به وسیله دوپینگ قابل تنظیم است.
منظور از دوپینگ، اضافه کردن مقادیر دقیق ناخالصی (دوپانت) به یک ماده نیمه رسانا به منظور دستیابی به ویژگی های الکتریکی مطلوب می باشد.
کمتر دوپینگ شدن سیلیکون منجر به افزایش مقاومت و عامل گیج (Gauge Factor) بالاتر می شود. با این حال ، این امر باعث افزایش حساسیت حرارتی مقاومت و عامل گیج (Gauge Factor) می شود.
فرآیند ساخت سنسور فشار پیزومقاومتی
سنسورهای نیمه رسانا را می توان با قرار دادن عناصر استرین گیج سیلیکونی بر روی دیافراگم ، به روش مشابه سنسورهای سیم فلزی ساخت.
آنها همچنین می توانند با استفاده از همان روش های تولید که برای ساخت وسایل نیمه رسانا الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند، بطور مستقیم بر روی سطح سیلیکون ساخته شوند. این اجازه می دهد تا سنسورهای بسیار کوچک و ارزان قیمت با ویژگی های به دقت کنترل شده مانند حساسیت (Sensitivity)، خطی بودن (Linearity) و پاسخ دهی دما (Temperature Response) تولید شوند.
همچنین اجزای الکترونیکی می توانند به منظور بهینه سازی سیگنال (Signal conditioning) و فراهم نمودن ارتباط الکتریکی ساده بر روی همان تراشه سیلیکونی ساخته شوند. در این مقاله به معرفی سنسورهای فشاری که از سیستمهای مکانیکی میکروالکترونیک (microelectronic mechanical systems (MEMS)) در ساختار آن ها استفاده شده خواهیم پرداخت.
طراحی سنسور فشار پیزومقاومتی
- برای اطمینان از بالاترین درستی (Accuracy)، باید چندین عامل که می توانند بر روی خروجی تاثیر بگذارند در نظر گرفته شوند. هر گونه تغییر و یا نویز در ولتاژ تحریک باعث تغییر متناظر در خروجی سنسور می شود. بنابراین باید اطمینان حاصل شود که این مقدار کمتر از درستی اندازه گیری مورد نیاز است.
- ممکن است لازم باشد که از یک مقاومت کالیبراسیون قابل تنظیم در مدار پل استفاده شود تا در مواقعی که فشاری اعمال نمی شود، ولتاژ خروجی را بر روی صفر ست کند.
- به منظور جلوگیری از تغییر آفست در فرآیند اندازه گیری و کاهش حساسیت، باید مقاومت سیم های متصل به سنسور پایین باشند. همچنین ضریب دمایی سیمهای مسی ممکن است بیشتر از سنسور باشد که می تواند حساسیت حرارتی نامطلوبی ایجاد کند.
- سیم های طولانی تر تاثیر پذیری بیشتری در برابر نویز دارند. با استفاده از جفت سیم های بهم پیچیده شده و شیلد می توان اثر نویز را به حداقل رساند.
- استفاده از ولتاژ تحریک بالاتر منجربه افزایش خروجی سنسور شده و نسبت سیگنال به نویز را بهبود می بخشد. با این وجود جریان بالاتر می تواند منجر به گرم شدن عنصر حسگر شده و مقاومت و حساسیت سنسور را تغییر دهد.
- خود-گرمایشی همچنین می تواند بر روی اتصال چسبی استرین گیج به دیافراگم تأثیر گذار باشد و باعث ایجاد خطاهایی شود که باعث کاهش درستی سنسور در طول زمان می شود. با استفاده از یک استرین گیج با مقاومت بالاتر می توان اثرات خود-گرمایشی را کاهش داد.
- منبع ولتاژ بهینه باعث ایجاد تعادل میان به حداقل رساندن اثر خود-گرمایشی و به دست آوردن سیگنال مطلوب می شود. می توان به صورت آزمایشی بدون اعمال فشار (هنگامی که خروجی سنسور صفر است)، ولتاژ تحریک را افزایش داد تا زمانی که خروجی تغییر کند (به دلیل اثر خود-گرمایشی). بنابراین ولتاژ تحریک باید کاهش یابد تا خطای خروجی ناپدید شود.
- در صورت امکان، باید به منظور کاهش طول سیم های اتصال، تقویت سیگنال خروجی و بهبود سیگنال نسبت به نویز، از مدار تقویت کننده نزدیک به سنسور استفاده شود. این امر همچنین می تواند خروجی سنسور را برای از بین بردن نویز های خارجی فیلتر کند.
- می توان با نظارت بر ولتاژ تحریک در سنسور یا دور کردن آن از خروجی سنسور و یا استفاده از آن به عنوان ولتاژ مرجع برای مبدل آنالوگ به دیجیتال، اثرات هر گونه تغییر در ولتاژ تحریک مانند افت ولتاژ ناشی از سیم های طولانی را به حداقل رساند.
مشخصات فنی سنسور فشار پیزومقاومتی
در سنسورهای فشار استرین گیج فلزی معمولی، عامل گیج (Gauge Factor) حدودا برابر با 2 تا 4 است. با حداکثر کشش در حد چند هزارم ، این به معنای تغییر در خروجی سنسور در حدود 1 mV برای هر ولت تحریک (1 mV/V) است.
سنسورهای مبتنی بر سیلیکون معمولاً دوپینگ می شوند تا بتوانند عامل گیج (Gauge Factor) از 100 تا 200 ارائه دهند. آن ها سازش خوبی میان حساسیت و خصوصیات حرارتی ایجاد می کنند. خروجی یک سنسور سیلیکونی می تواند حدود 10 میلی ولت برای هر ولت تحریک (10 mV/V) باشد.
مزایا و معایب سنسور فشار پیزومقاومتی
- یکی از مزیت های سنسور فشار استرین گیج پیزومقاومتی، دارا بودن استحکام بالا می باشد. عملکرد و کالیبره بودن آنها با گذشت زمان پایدار می ماند.
- یکی از معایب این سنسورها این است که آنها نسبت به برخی دیگر از سنسورهای فشار توان بیشتری مصرف می کنند. این ممکن است بدین معنی باشد که آنها برای سیستم هایی که با باطری تغذیه می شوند و یا سیستم های قابل حمل مناسب نیستند.
- عناصر حسگر متشکل از فیلم های فلزی از مزایای تولید آسان و دوام بالا برخوردار هستند. آنها همچنین دارای حداکثر دمای عملکرد بالاتر (تا حدود 200 درجه سانتیگراد) نسبت به استرین گیج های سیلیکونی هستند که به کمتر از 100 درجه سانتیگراد محدود می شوند.
- استرین گیج های سیلیکونی سیگنال خروجی بسیار بزرگتری را ارائه می دهند که آنها را برای کاربردهای فشار پایین، حداقل حدود kPa 2 مناسب می سازد.
- سنسورهای فشار MEMS می توانند بسیار کوچکتر از سنسورهای سیم فلزی ساخته شوند و می توانند با تجهیزات الکترونیکی به منظور پردازش سیگنال به کارگیری شوند و می تواند میزان غیر خطی بودن (Non-linearity) و وابستگی دمایی (Temperature Dependence) را کنترل کند.