budowa, zasada działania

KRZEMOWE SENSORY PIEZOREZYSTANCYJNE

Budowa gotowego krzemowego czujnika ciśnienia jest stosunkowo złożona. Nie stosuje się tu tensometrów, jak w przypadku celek cienko- i grubowarstwowych. Wykorzystuje się natomiast zjawiska typowe dla półprzewodników.

Budowa sensora piezorezystancyjnego

Element czuły na nacisk to krzemowy chip o wielkości zaledwie kilku milimetrów. Poszczególne chipy są elementami tzw. membrany czujnika. Te krzemowe płytki mają rozmiar około 150 mm i zawierają po kilkaset chipów.


Rys. 1 Płytka z piezorezystancyjnymi czujnikami krzemowymi

Zasada pomiaru krzemowych sensorów ciśnienia

Struktura krystaliczna tego układu spełnia taką samą funkcję jak czujnik tensometryczny, co może nie być oczywiste, gdy się na niego spojrzy. Produkowany jest przy zastosowaniu domieszkowania, tj. poprzez celowe wprowadzanie obcych atomów do sieci krystalicznej. Półprzewodnikowe tensometry produkowane w ten sposób są do 100 razy bardziej wrażliwe na odkształcenia od tensometrów metalowych.

Zmiana rezystancji nie jest tu spowodowana czysto geometryczną deformacją, lecz wynikającą z tego zmianą struktury siatki krystalicznej, a co za tym idzie - odpowiednią ruchliwością elektronów i przewodnością.

Montaż sensora piezorezystancyjnego
w głowicy TO

Pojedynczy sensor mocowany jest do szklanego gniazda (Rys. 2). W przypadku wersji dedykowanej dla pomiarów ciśnienia względnego, gniazdo szklane ma wywiercony otwór na całej długości. Ciśnienie otoczenia doprowadzane jest do tylnej części chipa poprzez ten właśnie otwór.

Natomiast szklana podstawa montowana jest do głowicy TO. Ciśnienie atmosferyczne doprowadzane jest przez gniazdo szklane za pomocą rurki wentylacyjnej. Obok niej i rurki do napełniania,
z tyłu znajdują się również kołki przyłączeniowe. Są one połączone z chipem dzięki procesowi wiązania anodowego.


Rys. 2 Wiązany chip silikonowy na głowicy TO

Rys. 3 Gotowa komora pomiarowa

Gotowa celka pomiarowa – budowa i elementy składowe

Krzemowy sensor ciśnienia jest bardzo wrażliwy na wpływy środowiskowe i nie powinien wchodzić w bezpośredni kontakt z mierzonym medium. Głowica przyspawana jest do obudowy ze stali nierdzewnej, która jest wyposażona z przodu w cienką metalową membranę. Poprzez dobór różnych materiałów membrany (stal nierdzewna, Hastelloy C, tytan, itp.), komory pomiarowe mogą być przystosowane do pracy w różnych mediach bez narażania sensora na zniszczenie.

Wnętrze piezorezystancyjnej celki pomiarowej ciśnienia wypełnia się olejem syntetycznym poprzez rurkę wlewową w głowicy, a następnie uszczelnia się. Ciśnienie procesowe oddziałuje na komórkę pomiarową pośrednio: poprzez membranę na olej wypełniający, a tym samym na sensor.

Różne wykonania krzemowych celek ciśnienia

Dostępna jest również wersja sensora piezorezystancyjnego bez membrany i oleju wypełniającego oraz wariant z separacją mediów , dedykowany do pomiaru mediów obojętnych. W tym przypadku sensor ma bezpośredni kontakt z medium i oferuje znacznie lepszą dokładność pomiaru, gdyż eliminuje zakłócenia wynikające z wpływu oleju wypełniającego i membrany.

Ze względu na konstrukcję celki pomiarowej wyróżnia się wiele rodzajów sensorów. Materiał, z którego wykonana jest membrana i obudowa, dobierany jest dla konkretnego systemu pomiarowego, a kształt i rozmiar mogą być również dostosowane do konkretnego zastosowania.

Celka pomiarowa może być przyspawana bezpośrednio do przyłącza procesowego gotowego przetwornika ciśnienia, co eliminuje potrzebę stosowania dodatkowego uszczelnienia i wymaga tylko jednego rodzaju materiału kompatybilnego z medium.


Rys. 4 Wersja wysokotemperaturowa

Olej wypełniający dla krzemowych czujników piezorezystancyjnych

Olej wypełniający celkę przenosi ciśnienie z membrany na sensor. Najczęściej stosowanym olejem napełniającym jest olej silikonowy, który posiada dobre właściwości związane z rozszerzalnością termiczną.

Przemysł spożywczy

W przemyśle spożywczym wymagane jest stosowanie olejów nieszkodliwych dla ludzi. Oprócz olejów specjalnie zatwierdzonych przez Amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA), można również stosować tzw. oleje białe klasy medycznej.

Oleje wypełniające dla innych pomiarów fizykochemicznych

Fluoropochodne węglowodorów są odpowiednie do pomiaru tlenu. W przypadku pomiarów zawartości chloru wyciek olejów silikonowych może spowodować reakcję wybuchową. Fluoropochodne węglowodorów są również alternatywnym środkiem wypełniającym w takich przypadkach.


Przetwornik ciśnienia JUMO dTRANS p30
z celką piezorezystancyjną

Przetwornik ciśnienia JUMO dTRANS p31 przeznaczony jest do pomiaru ciśnienia cieczy i gazów w aplikacjach higienicznych. Najważniejszą cechą urządzenia jest wysokotemperaturowa cela pomiarowa, dzięki której możliwy jest pomiar ciśnienia w mediach o stale wysokiej lub silnie wahającej się temperaturze w zakresie: -30 do +200°C. Więcej informacji na temat tej serii przetworników znajdziecie tutaj


Zdjęcie: JUMO. Przetwornik ciśnienia serii dTRANS p31