Technika sensorowa. Czujniki piezorezystancyjne. dr inż. Wojciech Maziarz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel

Transkrypt

1 Technika sensorowa Czujniki piezorezystancyjne dr inż. Wojciech Maziarz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel

2 Czujniki działające w oparciu o efekt Tensometry, czujniki ciśnienia piezorezystancyjny Przyłożone naprężenie powoduje zmianę rezystancji = F/A = x/x / naprężenie odkształcenie zmiana rezystancji (stress) (strain) W zakresie odkształceń sprężystych obowiązuje prawo Hooke`a. Dla pręta: x x 1 E F A E - moduł sprężystości podłużnej (Younga) 2

3 Tensometr drutowy - teoria Mamy drut metalowy o długości x, polu przekroju A, rezystywności Zmiana pod wpływem naprężenia : d x dx da A d dx A x A 2 da x A A x d Ponieważ d dx x da A d A r 2 da 2 rdr stąd d dx x 2dr r d 3

4 Tensometr drutowy - teoria Po wprowadzeniu liczby Poissona : Otrzymuje się: d 2 d dr r dx x dr r Definicja stałej czułości tensometrycznej k t (ang. gauge factor GF): k t d d Jest to stała materiałowa Dla większości metali k t ε = Δ/ jest bardzo małe, rzędu 0.2%. 4

5 Tensometry metalowe - charaktrystyki Wymagania stawiane tensometrom metalowym: duże duży wsp. czułości tensometr. k t niski TW duża wytrzymałość mechaniczna Charakterystyki dla: manganinu (linia ciągła), k t = 2 konstantanu (linia przerywana), k t = 0.8 Manganin stop o składzie: 84%Cu + 12%Mn + 4%Ni Konstantan: 60%Cu + 40%Ni 5

6 Tensometry metalowe - przykłady Drutowy (początkowy etap w rozwoju technologii tensometrów) wężykowy zygzakowaty 6

7 Tensometry metalowe - przykłady Foliowe (trawiona folia metaliczna na nośniku) ozetowe Cienkowarstwowe 7

8 Półprzewodnikowe czujniki piezorezystancyjne óżnią się od tensometrów metalicznych wielkością k t, który jest ok. 50 razy większy niż dla metali (typowa wartość 100). Wady: nieliniowość, k t zależy od silna zależność od temp. mniejszy zakres. Zasada działania: Współczynnik k t dla danego półprzewodnika zależy od orientacji krystalograficznej, rodzaju domieszkowania. W tym przypadku istotne są zmiany / k t d d 1 d 8

9 Półprzewodnikowe czujniki piezorezystancyjne Naprężenia powodują zmianę struktury pasmowej, a tym samym zmianę koncentracji nośników i ich ruchliwości. ezystywność ulega zmianie, a ponadto wektor gęstości prądu j i pola elektrycznego E przestają być równoległe (anizotropia opis tensorowy). E j ( 1 ) j ( 1 ) П- tensor współcz. piezorezystywności σ - naprężenie 9

10 Tensometry półprzewodnikowe - przykłady Tensometr półprzewodnikowy Si Tensometry nadrukowane na belce 10

11 Tensometry półprzewodnikowe Zaletą krzemu jest zmiana znaku efektu w zależności od rodzaju domieszkowania. W zależności od kierunku działania naprężenia względem kierunku gęstości prądu rozróżnia się efekt podłużny i poprzeczny. 11

12 Tensometry półprzewodnikowe Efekt poprzeczny Efekt podłużny 12 T 11 L Współczynniki 11 i 12 zależą od rodzaju półprzewodnika i położenia piezorezystora na płytce krystalicznej. 12

13 Mostkowe układy pomiarowe piezorezystorów Mostek z dwoma ramionami aktywnymi ε t - rozciąganie ε c - ściskanie 13

14 Mostkowe układy pomiarowe piezorezystorów Mostek z czterema ramionami aktywnymi (zwiększenie czułości, kompensacja wpływu temperatury) mech therm 14

15 Piezorezystory półprzewodnikowe - kompensacja nieliniowości Piezorezystory n-si oraz p-si Pełny mostek skompensowany 15

16 Membranowe czujniki ciśnienia Zaletą membran krzemowych jest liniowa zależność odkształcenia od naprężenia aż do granicy pękania (w praktyce odkształcenia są rzędu 0.1%). Przyłożenie ciśnienia (różnicy ciśnień) daje charakterystyczny rozkład naprężeń w membranie 16

17 Membranowe czujniki ciśnienia Efekt ten wykorzystuje się w konstrukcji piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia. Poprzez dyfuzję lub implantację wytwarza się mostkowy układ piezorezystorów na membranie (np. krzemowej). 17

18 Czujniki piezorezystancyjne - źródła J.W. Gardner, V.K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Microsensors, MEMS and Smart Devices, John Wiley & Sons, LTD, 2001 W. Göpel, J. Hesse, J.N. Zemel, Sensors A Comprehensive Survey, VCH Verlagsgesellschaft mbh, 1989 Piezoelectric sensors: Akcelerometry: How does a piezo accel work: %20work.pdf An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering: Nadim-Maluf-and-Kirt-Williams Internet 18