حساسات الضغط البيزورسيستف

تعريف ظاهرة البيزو كهربائية :

هي عبارة عن ظاهرة تحدث في المواد العازلة مثل الكوارتز ( أكسيد السيليكون البللوري ) SiO2 حيت تستقطب كهربائيا إذا تم ضغطها ميكانيكيا و تظهر شحنات كهربائية على سطحها كما هو مبين في الشكل
يبين الشكل انفعال البلورة عند تطبيق قوة عليها و تولد شحنات سطحية . و نفس البلورة سوف تبدي انفعال ميكانيكي عند التأثير عليها بحقل كهربائي و هذين الأثرين يعبران عن الظاهرة البيزو كهربائية .
إن حساسات البيزورسيستف ( المعروفة أيضا باسم حساسات قياس الإجهاد ) ( strain-gage sensors) هي النوع الأكثر شيوعا
من بين حساسات الضغط هذه الأيام . إن اثر البيزورسيستف يعود إلى تغير المقاومة الكهربائية لمادة ما نتيجة تطبيق إجهاد ما عليها .
مواد البيزورسيستف يمكن إن تستخدم من اجل تحقيق مقياس الإجهاد و الذي (و ذلك عندما يدمج مع الغشاء ) فهو ملائم لتحسس الجهد المتحرض و الناتج عن انحرف الغشاء الناتج عن تطبيق ضغط ما . إن حساسية معيار الإجهاد و التي يعبر عنها بما يسمى بعامل المقياس (Gage factor)و الذي هو التغير الجزئي للمقاومة (ΔR/R) لكل واحدة إجهاد
Gage factor = (ΔR/ R)/ ε
حيث الإجهاد ε يعرف على انه ΔL/L أو التمدد لكل واحدة طول .
و هذا العامل أساسي من اجل التمييز بين حالتين مختلفتين :
1 – الإجهاد متفرع باتجاه التيار المتدفق ( على طول تغير المقاومة و التي تكون مراقبة )
2 – الإجهاد عامودي على اتجاه التيار
عوامل المقياس تكون مرتبطة بهاتين الحالتين و اللذان يعرفان على أنهما عامل المقياس الطولي و عامل مقياس العرضي على التوالي . بشكل عام إن العاملين السابقين يكونان متفقان في المقدار و مختلفان في الإشارة .
بسبب كبر تأثير مقاومة البيزو , لذلك يعتبر السيليكون من أكثر المواد استخداما و شيوعا و ذلك من اجل معايير الإجهاد . هنالك عدة طرق من اجل دمج معايير الإجهاد في أغشية التحسس للضغط , على سبيل المثال يمكن أن تلصق مقاييس الإجهاد مباشرة على رقاقة معدنية ( غشاء معدني ) .بدلا عن ذلك , إن مادة مقياس الإجهاد يمكن أن توضع كفيلم رقيق على الغشاء . في هذه الأيام إن أغلبية حساسات الضغط ذات مقاومة البيزو تحقق عن طريق دمج مقاييس الإجهاد في أغشية السيليكون و ذلك باستخدام تقنية صناعة الدارات المتكاملة .

حدود حساسات الضغط ذات مقاومة البيزو :

على الرغم من التأثير الكبير نسبيا لمقاومة البيزو في معايير الإجهاد السيليكونية, فان التغير الكلي للمقاومة يكون من 1% إلى 2% من مقاومة مقياس الإجهاد ( الذي ينتج جهد خرج غير ضخم ما بين 10 mv/v و 20 mv/v ) . و من اجل بلوغ إجمالي الدقة 0.1% من كامل المجال, على سبيل المثال, التأثيرات المشتركة لقابلية الإعادة ( repeatability ) الميكانيكية و الكهربائية و التباطؤ و الخطية بالإضافة للاستقرار يجب التحكم بها أو تعويضها و ذلك بالنسبة لمقاومة المعيار ( gage resistance ) .
كما أن مقياس الإجهاد( ( strain السيليكوني حساس جدا لدرجة الحرارة, فهنالك مصدرين أساسيين لتدفق درجة الحرارة به :
1 – معامل درجة الحرارة لمقاومة مقياس الإجهاد ( وهو من 0.06%/c ํ إلى 0.24%/c ํ )
2 – معامل درجة الحرارة لعوامل المقياس ( gage factors ) ( وهو من -0.06%/c ํ إلى -0.24%/c ํ ) و الذي سوف يسبب نقصان في حساسية الضغط في حال ارتفاع درجة الحرارة .
هنالك حد رئيسي آخر في حساسات الضغط السيليكونية و هو عدم الخطية في الاستجابة للضغط و الذي يظهر عادة نتيجة إهمال السلوك الغير خطي لميكانيكية الغشاء و خصائص مقاومة البيزو السيليكونية . إن عدم الخطية في الاستجابة للضغط يمكن إن تعوض عن طريق استخدام عناصر دارة تشابهية . ومن ناحية أخرى من اجل دقة حساسات الضغط السيليكونية, يتم استخدام التعويض الرقمي الذي يستخدم المعالج المصغر بمعاملات تصحيح مخزنة في الذاكرة و التي تستخدم غالبا من اجل تعويض كل درجات الحرارة و خصائص عدم الخطية المتنبأ بها .
إن أفضل حساسات الضغط السيليكونية هذه الأيام تبلغ دقتها 0.08% من كامل المجال و استقرار على المدى البعيد يبلغ 0.1% من كامل المجال كل سنة . يكون مجال درجة الحرارة المعوضة نموذجيا من -40 ํc إلى 85 ํc , بوجود أخطاء تعويضية في كلا المدى و الانزياح ( offset ) يبلغ 1% من كامل المجال .
إن المنتجات التجارية المتوفرة حاليا لكامل مجال الضغط هي من المجال 10 Kpa إلى 70 Mpa .

حساسات الضغط

حساسات قياس التدفق