Пьезорезистивные датчики: преобразование давления в точные электронные показания

Пьезорезистивный датчик — это устройство, которое использует изменения удельного сопротивления определенных полупроводниковых материалов при механическом напряжении для осуществления электронного действия. Это пьезорезистивное явление основано на склонности этих материалов претерпевать изменения в их латентных резистивных характеристиках при изгибе под воздействием давления или напряжения. Это вызывает соответствующее изменение любого электрического тока, проходящего через устройство, которое преобразуется в измерение или показание. Полупроводниковые материалы, обычно используемые в пьезорезистивных устройствах, в целом те же базовые металлические и кремниевые семейства, используемые в большинстве электронных компонентов. Эти компоненты доступны с широким диапазоном характеристик чувствительности для удовлетворения требований различных отраслей.

Принцип действия

Когда определенные полупроводниковые материалы подвергаются механическому напряжению, их удельное сопротивление, или базовая способность препятствовать прохождению электрического тока, меняется. Это изменение резистивного характера материала очевидно меняет его специфическое значение сопротивления. Это приводит к повышению или снижению любого тока, пропускаемого через устройство, который затем используется для индикации или измерения вовлеченного напряжения. Пьезорезистивный эффект используется для создания диапазона дефекточувствительных полупроводниковых устройств, используемых для записи и измерения напряжения, индуцирующего силы, такие как ускорение и давление.

Конструкция и материалы

Этот тип датчика обычно состоит из полупроводниковых подложек, таких как германий, поликристаллический кремний, аморфный кремний и однокристаллический кремний. Типичный датчик состоит из чувствительного к давлению полупроводникового диафрагмы с несколькими n+ и p+ контактами, присоединенными к нему. Электрический ток проходит через пластину со скоростью, зависящей от её сопротивления. Этот перенос тока и результирующее показание отличаются в соответствии с изменениями сопротивления в компоненте, когда диафрагма подвергается давлению. Эти датчики варьируются по сложности от простых пьезорезисторов с ограниченным диапазоном и температурной стабильностью до высокостабильных и точных Piezo-FETs.

Области применения

Пьезорезистивный датчик используется в широком спектре приложений, связанных с измерением механического напряжения. Автомобильная промышленность использует их как вакуумные и датчики давления или для индикации уровня масла и газа. Они также используются в медицине в таких приборах, как оборудование для измерения артериального давления. Глубиномеры, используемые дайверами для глубоководного погружения, также используют технологию пьезорезистивных датчиков для получения точных показаний глубины. Эти устройства также используются в авиационных высотомерах и барометрических приборах.

Применение в приборах и бытовой технике

Зависящие от давления датчики этого типа также часто используются в электронных измерительных приборах, которые используют схемы и компоненты, такие как мосточка Уитстона и биполярные транзисторы. Акселерометры, используемые для измерения пространственной ориентации, ускорения и вибрационных сил, также используют технологию пьезорезистивных датчиков для получения своих показаний. Эта технология также нашла применение в бытовой среде: многие производители посудомоечных машин, пылесосов и стиральных машин используют их в своих продуктах.