wykład9, zintegrowane systemy pomiarowe wielkości nieelektrycznych
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Wydłużenie, naprężenie – wykres
wydłużenie – zmiana rezystancji po przyłożeniu naprężenia (zazwyczaj dodatnia, Ni – początkowa
zmiana ujemna)
GF
=
R
/
RG
dla metali od 1 do 5
półprzewodniki od 80 do ok. 150
czujniki naprężeń na folii
zawijanie rezystora – żeby przyrost rezystancji był jak największy
zmiany rezystancji mierzone są najczęściej w układzie mostkowym
aby w układzie wyeliminować czynnik temperaturowy stosuje się dwa piezorezystory połączone
pod kątem prostym
jeden zgodnie z kierunkiem działania naprężeń – temperatura + naprężenia
drugi prostopadle – temperatura
Mostek Wheatstone'a
Przykładowe zastosowania
•
belka w MEMS
•
mierzenie naprężeń na wałach – 4 piezorezystory
•
pomiar naprężeń w samolocie
•
pomiar naprężeń na kości – czujniki muszą być bardzo małe, rezystory dyfuzyjne (1kOhm
na kwadrat)
Rezystory polikrzemowe 1kΩ/
R
=
⋅
l
s
materiał półprzewodnikowy – na krótkim odcinku duża rezystancja
współczynnik odpowiedzialny za zmianę rezystancji jest duży, ale czujnik jest też wrażliwy na
zmiany temperatury, należy monitorować temperaturę i wprowadzać do układu odpowiednie
poprawki
Elektrody do badania mózgu
•
rejestracja zmian potencjału
•
elektroda może się złamać
•
pomiar naprężeń
Czujnik ciśnienia w technologii MEMS
R
R
=
l
l
t
t
współczynniki piezorezystancyjne wyznacza się z rachunku tensorowego
na membranie rezystory w każdym kierunku
R
1
R
1
=67,56∗10
−11
1
R
2
R
2
=−61,7∗10
−11
2
Przy naprężeniu wewnętrznym rezystancje R
1
i R
3
rosną, a R
2
i R
4
maleją
napięcie niezrównoważenia mostka
U
0
=
U
S
R
1
R
3
–R
2
R
4
R
1
R
2
R
3
R
4
Czujnik MAP firmy Motorola
Xducer
warstwa epitaksjalna, w której umieszczono piezorezystor
maska od spodu trawienie
→
warstwa zagrzebana
izolacja studni od podłoża
studnia w studni XD
zmiany potencjału zależą od naprężeń
piezorezystor pod kątem 45°
uproszczony schemat elektroniki odczytu do czujnika MAP
wzmacniacz nieodwracający wzmacniacz odwracający
→
czujnik ciśnienia wraz z obudową przekrój
żel silikonowy – chroni czujnik przed uszkodzeniami
Przykładowy zakres mierzonego ciśnienia od 15 do 115 kPa
funkcja przejścia
U
0
=
U
s
0,0009⋅
P–
0,095
jeśli P w kPa, a Us 5 V – napięcie na wyjściu 0,2 – 4,8 V max. błąd 1,5% w zakresie temperatur 0-85
°
C czas odpowiedzi 10 ms
masa 1,5 g
inne techniki rejestracji ugięcia membrany
•
zmiana pojemności
•
czujnik o dużej rozdzielczości (20% 1 cent)
•
czujnik o mniejszej rozdzielczości – na poziomie mm albo poniżej
Inny przykład
ugięcie membrany mierzone metodą optyczną, czujnik miniaturowy (przechodzi przez ucho igły)
Mikrofon – czujnik ciśnienia
[ Pobierz całość w formacie PDF ]