Кіріспе
Заманауи зондтау технологиясы саласында пьезорезистивті қысым датчиктері өздерінің дәлдігімен, сенімділігімен және әмбебаптығымен ерекшеленеді. Бұл сенсорлар қысымның өзгеруін өлшеу үшін пьезорезистивті әсерді пайдаланады және өнеркәсіптік автоматтандырудан медициналық бақылауға дейінгі қолданбалардың кең ауқымында маңызды рөл атқарады. Бұл мақалада пьезорезистивті қысым датчиктерінің негіздері, оның ішінде олардың принциптері, түрлері, қолданулары, артықшылықтары және пайдалану туралы ойлар қарастырылады.
Пьезорезистивті қысым датчиктері туралы түсінік
Пьезорезистенттілік принципі
Пьезорезистивті әсер – механикалық кернеу әсерінен материалдың электр кедергісі өзгеретін физикалық құбылыс. Бұл әсер физикалық шамаларды электрлік сигналдарға түрлендіру арқылы жұмыс істейтін қысым сенсорлары, акселерометрлер, күш датчиктері және крутящий датчиктер сияқты әртүрлі сенсорларда кеңінен қолданылады. Олар жоғары сезімталдықты, кең өлшеу диапазонын, жылдам жиілікті реакцияны және қарапайым құрылымның артықшылықтарын және пьезорезистивті әсердің салыстырмалы түрде төмен құнын пайдаланады.
Компоненттер мен материалдар
Пьезорезистивті қысым сенсорлары негізінен олардың негізгі құрамдас бөлігі, сезімтал мембрана немесе монокристалды кремний, полисилиций немесе металл пленкалар сияқты материалдардан жасалған диафрагма арқылы жұмыс істейді. Мембрананың қысым астында деформациясы кезінде пайда болатын механикалық кернеу оның электрлік кедергісін өзгертіп, қысымның өзгеруін электрлік сигналдарға айналдырады. Материалды таңдау және мембрананың дизайны оның пішінін, қалыңдығын және құрылымын қоса, сенсордың сезімталдығына, өлшеу диапазонына, температура сипаттамаларына, сызықтылығына және тұрақтылығына айтарлықтай әсер етеді.
Монокристалды кремний жоғары температуралық сезімталдыққа қарамастан, жоғары пьезорезистивті коэффициенті мен сезімталдығы үшін кеңінен қолданылады; Полисилиций және металл пленкалар әлсіз температураға сезімталдығы немесе жақсы тұрақтылығы мен коррозияға төзімділігі үшін таңдалады. Өнімділікті оңтайландыру сонымен қатар Wheatstone көпір тізбегінің дизайнына және температура ауытқуларының және нөлдік нүктенің ауытқуының әсерін азайту, осылайша өлшеулердің дәлдігі мен тұрақтылығын арттыру үшін температура компенсациясы және нөлдік нүктелік калибрлеу сияқты компенсация технологияларын қолдануға негізделген. .
Пьезорезистивті сенсорлардың түрлері
Пьезорезистивті қысым датчиктері өлшеу тәсіліне қарай абсолютті, калибрлі және дифференциалды түрлерге бөлінеді. Абсолютті қысым датчиктері мінсіз вакуумға қатысты қысымды өлшеу үшін пайдаланылады, вакуумдық жүйелер мен метеорологиялық өлшемдер үшін жарамды, олардың жабық камера құрылымымен және өлшеу ауқымының кеңдігімен танымал. Манометр қысымды датчиктер гидравликалық және пневматикалық жүйелерде қолданылатын атмосфералық қысымға қатысты қысымды өлшейді, олардың қарапайым құрылымымен және төмен құнымен сипатталады. Дифференциалды қысым датчиктері ағын мен деңгейді өлшеуде кеңінен қолданылатын екі қысым көзі арасындағы айырмашылықты өлшейді және олардың жоғары дәлдігімен, бірақ күрделі құрылымымен ерекшеленеді.
Тиісті пьезорезистивті қысым сенсорын таңдау қолданбалы сценарий мен өлшеу қажеттіліктерін ескеруді қамтиды, мұнда абсолютті сенсорлар жоғары дәлдікті ұсынады, бірақ жоғары бағамен, өлшеуіш сенсорлар арзан, бірақ өлшеу диапазоны шектеулі, ал дифференциалды сенсорлар атмосфералық қысымға әсер етпейді, бірақ жоғары құны. Бұған қоса, нарық миниатюралық қысым датчиктері, жоғары температуралық қысым датчиктері және коррозияға төзімді қысым сенсорлары сияқты арнайы қажеттіліктерге арналған арнайы сенсорларды ұсынады, олардың әрқайсысы әртүрлі өлшеу орталары мен шарттарына бағытталған.
Пьезорезистивті қысым датчиктерінің жұмыс принципі
Пьезорезистенцияның артындағы ғылым
Пьезорезистивті қысым датчиктері механикалық кернеу кезінде материалдың электр кедергісі өзгеретін пьезорезистивті әсерге негізделген. Сезімтал мембранаға немесе диафрагмаға қысым түсіргенде, оның деформациялануына және механикалық кернеу тудыруына әкелетін болса, бұл кернеу мембрананың электрлік кедергісін өзгертеді. Содан кейін сенсор бұл қарсылықтың өзгеруін Уитстоун көпірі тізбегі арқылы электрлік сигналға түрлендіреді, ол күшейту және сүзуден кейін оқылатын қысым мәніне айналады. Бұл процесс материалдың кристалдық құрылымындағы өзгерістерді қамтиды, мұнда механикалық кернеу электрондардың қозғалғыштығына және тасымалдаушы концентрациясына әсер етеді, бұл кедергінің өзгеруіне әкеледі.
Пьезорезистивті қысым датчиктерінің жұмысына бірнеше факторлар әсер етеді, соның ішінде пьезорезистивті материалдың коэффициенті, температуралық коэффициенті, тұрақтылығы, мембрана пішіні, қалыңдығы, құрылымы және Уитстоун көпірі тізбегінің дизайны және температуралық компенсация және нөлдік қысым сияқты компенсация технологияларын қолдану. нүктені калибрлеу. Пьезорезистивті коэффициент материалдың пьезорезистивті әсерінің күшін көрсететін маңызды параметр болып табылады, ал Уитстоун көпірі қарсылық өзгерістерін кернеу сигналдарына дәл түрлендіру, өлшемдердің дәлдігі мен тұрақтылығын арттыру үшін маңызды схема болып табылады.
Пьезорезистивті қысым датчиктерінің қолданылуы
Пьезорезистивті қысым датчиктері жоғары сезімталдыққа, кең өлшеу диапазонына, жылдам жиілікке жауап беруге, қарапайым құрылымға және салыстырмалы түрде төмен құнына байланысты өнеркәсіптік басқару, медициналық аспаптар, автомобиль электроникасы және аэроғарыш сияқты әртүрлі салаларда кеңінен қолданылады. Бұл датчиктер өңдеу өнеркәсібіндегі гидравликалық және пневматикалық жүйелердегі қысымды бақылайды, роботты қосылыстардағы айналу моменті мен қысымды өлшейді, мұнай-химия, энергетика және металлургия салаларындағы өндірістік процестердің қауіпсіздігі мен тиімділігін қамтамасыз етеді.
Медицина саласында пьезорезистивті қысым сенсорлары қан қысымы, қан ағымы және тыныс алу қысымы сияқты маңызды параметрлерді бақылау үшін пайдаланылады, бұл қарыншалық қысымды, интракраниальды қысымды және көз қысымын диагностикалау үшін маңызды техникалық қолдауды қамтамасыз етеді. Олар сондай-ақ физикалық белсенділік пен ұйқы сапасын бақылау арқылы киілетін денсаулық технологияларында рөл атқарады. Автокөлік өнеркәсібінде бұл сенсорлар шиналар қысымын, қозғалтқыш қысымын және отын қысымын өлшейді, ал аэроғарышта олар ұшу биіктігін, әуе жылдамдығын және қозғалтқыш қысымын дәл өлшеуді қолдайды.
Осы аймақтардан басқа, пьезорезистивті қысым сенсорлары қоршаған ортаны бақылау мен ғылыми зерттеулерде, атмосфералық қысымды, су деңгейін және жел жылдамдығын өлшеуде және материал механикасы мен сұйықтық динамикасын зерттеу үшін нақты деректерді қамтамасыз етуде маңызды рөл атқарады. Бұл сенсорлардың әртүрлі қолданбалары олардың заманауи технологиялар мен өнеркәсіптік дамудағы негізгі орнын көрсетеді, бұл оларды тиімді, дәл бақылау және басқару үшін таптырмас технология етеді.
Пьезорезистивті қысым сенсорларының артықшылықтары
Пьезорезистивті қысым датчиктері өзінің жоғары сезімталдығы мен дәлдігімен, көп функциялылығымен және кең өлшеу диапазонымен, қарапайым құрылымымен және арзан құнымен әртүрлі салаларда таптырмас рөл атқарады. Бұл сенсорлар қысымның өте аз өзгерістерін анықтай алады, бұл оларды медициналық бақылаудағы қан қысымы мен қан ағынын бақылау сияқты жоғары дәлдіктегі өлшеу қолданбаларына қолайлы етеді. Олар сондай-ақ өнеркәсіптік басқару жүйелерінде, автомобиль электроникасында, аэроғарыш саласында және басқа салаларда кең қолдану мүмкіндігін көрсете отырып, микро паскальдан мегапаскальға дейінгі әртүрлі қысым диапазондарының қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін жобалануы мүмкін.
Пьезорезистивті қысым датчиктерін өндіру процесі қарапайым және салыстырмалы түрде арзан, олардың ықшам өлшемімен, жылдам жиілігімен, ұзақ мерзімді тұрақтылығымен және күшті кедергіге қарсы қабілетімен үйлеседі, бұл оларды күтуді және ауыстыруды жеңілдетеді, сонымен бірге динамикалық өлшеуге және күрделілікке жарамды. қоршаған орта қысымын бақылау. Бұл сипаттамалар жалпы операциялық шығындарды азайтып қана қоймай, жүйенің тиімді және сенімді жұмысын қамтамасыз етеді.
Шектеулер мен қарастырулар
Пьезорезистивті қысым датчиктері жоғары сезімталдыққа, кең өлшеу диапазонына, қарапайым құрылымына және үнемділігіне байланысты әртүрлі салаларда кеңінен қолданылғанымен, оларды пайдалану практикалық қолдануда ескерілуі керек бірқатар шектеулермен бірге келеді. Температура, ылғалдылық және діріл сияқты қоршаған орта факторлары сенсордың жұмысына айтарлықтай әсер етеді, бұл сезімталдықтың өзгеруіне, нөлдік нүктенің ауытқуына және өлшеу дәлдігінің төмендеуіне әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, пьезорезистивті сенсорлардың жоғары сезімталдығы қысымның минуттық өзгерістерін анықтауға мүмкіндік берсе де, оларды шу кедергілеріне сезімтал етеді.
Осы қиындықтарды шешу үшін тиісті температураны өтеу шараларын қабылдау, дірілді болдырмау стратегиялары және тұрақты калибрлеу датчиктердің өлшеу дәлдігі мен тұрақтылығын айтарлықтай жақсартады. Пьезорезистивті қысым датчиктерінде өлшеу диапазонында және медиа үйлесімділігінде белгілі шектеулер болса да, сәйкес сенсор түрі мен үлгісін таңдау және нақты қолданбалы орталар үшін сенсорларды жобалау бұл шектеулерді тиімді түрде азайта алады. Сонымен қатар, жоғары дәлдіктегі пьезорезистивті қысым датчиктері салыстырмалы түрде қымбат болса да, дұрыс сенсорларды инвестициялау және сәйкес оңтайландыру шараларын қабылдау ұзақ мерзімді перспективада жүйенің жалпы өнімділігі мен сенімділігін арттыруы мүмкін.
Қорытындылай келе, кейбір шектеулерге қарамастан, пьезорезистивті қысым датчиктері ұтымды таңдау және нақты қолдану дизайны арқылы олардың артықшылықтарын барынша арттырып, әртүрлі күрделі қолданбалардың қажеттіліктерін қанағаттандыра алады. Бұл пайдаланушылардан таңдау және пайдалану кезінде қоршаған орта факторлары, өлшеу диапазоны және медиа үйлесімділігі сияқты негізгі параметрлерді толығымен ескеруді және сенсорлардың дәлдігі мен тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін тиісті шараларды қабылдауды талап етеді.
Пьезорезистивті қысымды сезіну технологиясындағы инновациялар
Материалдар мен технологияның жетістіктері
Материалдық ғылым мен технологиядағы үздіксіз прогресс пьезорезистивті қысым датчиктерінің дамуын түбегейлі өзгертеді, негізінен жаңа пьезорезистивті материалдарды әзірлеуде, микрофабрикациялық технологияны қолдануда, өтемақы және сымсыз технологияларды біріктіруде және интеллектуалды технологияларды енгізуде көрініс тапты. Наноматериалдар және жартылай өткізгіш материалдар сияқты жаңа пьезорезистивті материалдар жоғары пьезорезистивті коэффициенттерді және төмен температуралық коэффициенттерді қамтамасыз етіп қана қоймайды, сонымен қатар сенсордың сезімталдығы мен дәлдігін айтарлықтай жақсарта отырып, сенсордың тұрақтылығын арттырады.
Микрофабрикациялық технологияны қолдану миниатюралық, жоғары дәлдіктегі қысым датчиктерін өндіруге, шығындарды азайтуға және өндіріс тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді, бұл сенсорларды қолдану сценарийлерінің кең ауқымында орналастыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, температура компенсациясы және нөлдік нүктелік дрейф өтемі сияқты озық компенсация технологиялары өлшемдердің дәлдігі мен тұрақтылығын одан әрі арттырады. Сымсыз технологияны біріктіру сонымен қатар деректерді тасымалдауды ыңғайлы етеді, орнату мен пайдалану икемділігін айтарлықтай арттырады және жүйе қауіпсіздігін арттырады.
Қысымды анықтау технологиясының болашақ бағыты
Зерделеу технологиясын, микроэлектроника технологиясын және компьютерлік технологияны біріктіретін интеллектуалды технологиялар пьезорезистивті қысым датчиктерін интеллектуалды дамуға бағыттайды. Бұл интеллектуалды өлшеу, деректерді талдау және ақауларды анықтау функцияларын жүзеге асырып қана қоймайды, сонымен қатар практикалық қолданбаларда сенсорлардың тиімділігі мен құндылығын айтарлықтай арттырады. Мысалы, наноматериалдарды қолдану сезімталдық пен өлшеу диапазонын айтарлықтай жақсартады, MEMS технологиясы сенсорды миниатюризациялауды және шығындарды азайтуды жүзеге асырады, цифрлық сигналды өңдеу технологиясы өлшеу дәлдігі мен тұрақтылығын айтарлықтай арттырады, ал сымсыз зондтау технологиясы сенсорлар үшін сымсыз деректерді беру мүмкіндігін қамтамасыз етеді. Бұл жетістіктер ұжымдық түрде пьезорезистивті қысым датчигі технологиясына арналған қосымшалардың жылдам дамуы мен кеңеюіне ықпал етеді.
Сәйкес пьезорезистивті қысым сенсорын таңдау
Таңдау критерийлері
Пьезорезистивті қысым сенсорын таңдаған кезде өлшеу диапазоны, сезімталдық және қоршаған орта жағдайлары сияқты негізгі факторлар өте маңызды. Таңдалған сенсордың өлшеу диапазонының қажетті қысым ауқымын қамтуын қамтамасыз ету оның өнімділік шектерінен асып кетпеу және өлшеу қателіктерін тудырмау үшін маңызды. Сезімталдық - өлшеу дәлдігіне тікелей әсер ететін тағы бір шешуші фактор; осылайша, қолданбаның дәлдік талаптарына сәйкес сезімталдығы бар сенсорды таңдау қажет. Оған қоса, температура, ылғалдылық және діріл сияқты қоршаған орта факторлары да сенсордың жұмысына әсер етуі мүмкін, бұл арнайы қолданбалы қоршаған орта жағдайларына бейімделе алатын сенсорларды таңдауды маңызды етеді.
Белгілі бір қолданбаға жарамды пьезорезистивті қысым сенсорын таңдау өлшем, салмақ және құны сияқты басқа факторларды да ескеруді қажет етеді. Мысалы, өнеркәсіптік басқару қолданбалары әдетте кең өлшеу диапазоны, жоғары сезімталдығы және күшті кедергіге қарсы қабілеті бар сенсорларды қажет етеді, ал медициналық құралдар жоғары өлшеу дәлдігін, жақсы тұрақтылықты және тамаша биоүйлесімділікті бірінші орынға қояды. Автокөлік электроника саласына арналған сенсорлар ықшам, жеңіл, жоғары температураға төзімді және дірілге төзімді болуы керек, ал аэроғарыштық өріске арналған сенсорлар өте жоғары өлшеу дәлдігін, тұрақтылықты және радиацияға төзімділікті қажет етеді. Сондықтан әрбір қолданбаның нақты қажеттіліктерін түсіну және бағалау және ең қолайлы пьезорезистивті қысым сенсорының үлгісін таңдау оңтайлы жүйе өнімділігі мен ұзақ мерзімді сенімділікті қамтамасыз ету үшін өте маңызды.
Хабарлама уақыты: 12 наурыз 2024 ж