حسگر فشار سرامیکی: روند غالب توسعه حسگرهای فشار

حسگر فشار سرامیکی یک حسگر فشار از نوع پیزورزیستیف است ک […]

حسگر فشار سرامیکی یک حسگر فشار از نوع پیزورزیستیف است که از مواد سرامیکی ویژه و با فرایند خاصی به‌دقت ساخته می‌شود. سرامیک ماده‌ای شناخته‌شده با کشسانی بالا و مقاومت در برابر خوردگی، سایش، ضربه و ارتعاش است. پایداری گرمایی سرامیک و مقاومت‌های لایه‌نازک مجاز آن دامنه دمای کاری را تا ۴۰- تا ۱۲۵+ درجه سانتی‌گراد گسترش می‌دهد و دقت و پایداری اندازه‌گیری بالایی فراهم می‌کند. درجه عایق الکتریکی آن بیش از ۲ کیلوولت است، سیگنال خروجی قوی دارد و پایداری بلندمدت آن خوب است.

حسگرهای سرامیکی با مشخصات بالا و قیمت پایین، جهت‌گیری توسعه حسگرهای فشار خواهند بود؛ در اروپا و آمریکا حسگرهای سرامیکی رو به جایگزینی کامل سایر انواع حسگرها دارند و در چین نیز کاربران بیشتری آن‌ها را جایگزین حسگر فشار سیلیکون نفوذی می‌کنند.

دسته‌بندی حسگرهای فشار سرامیکی

بستر همه حسگرهای فشار سرامیکی، سرامیک Al₂O₃ است و بر اساس اصل کارکرد به حسگر فشار خازنی و حسگر فشار پیزورزیستیف تقسیم می‌شوند.

① حسگر فشار خازنی سرامیکی

حسگر فشار خازنی سرامیکی از ساختار پایه سرامیکی ثابت و غشای سرامیکی متحرک تشکیل شده و غشای متحرک با روش‌هایی مانند خمیر شیشه بر روی پایه آب‌بندی و ثابت می‌شود. روی سطوح داخلی دو طرف، طرح الکترود چاپ می‌شود تا یک خازن متغیر شکل گیرد؛ با تغییر فشار محیط روی غشا، ظرفیت خازنی میان دو الکترود تغییر می‌کند و تراشه شرط‌دهنده این سیگنال را تبدیل و تنظیم کرده و به مرحله بعد تحویل می‌دهد. فناوری خازنی سرامیکی مزایایی مانند هزینه متعادل، گستره اندازه‌گیری وسیع، مشخصه دمایی مناسب، همگنی و پایداری بلندمدت دارد.

▲نمای شماتیک ساختار عنصر حساس خازنی سرامیکی

از آنجا که لبه‌های غشای سرامیکی روی پایه سرامیکی تکیه‌گاه ثابت دارد و از پیرامون نگه داشته می‌شود، هنگام اعمال نیرو، تغییر شکل در مرکز بزرگ و در لبه‌ها کوچک است؛ این امر غیرخطی بودن ظرفیت خازنی ایجاد کرده و حس را پایین می‌آورد. برای کاهش اثر دما و اثر لبه، در طراحی روی غشای سرامیکی یک الکترود دایره‌ای منفرد به‌عنوان الکترود مشترک و روی صفحه سرامیکی دو الکترود با سطح برابر قرار می‌گیرد تا حسگر دوخازنی حلقوی هم‌محور شکل گیرد.

▲اصل حسگر فشار خازنی سرامیکی

در مرکز، خازن اندازه‌گیری Cp و در حاشیه حلقه‌ای، خازن مرجع Cr قرار دارد و بیرون Cr تکیه‌گاه گیردار است. مدار شرط‌دهنده بعدی اختلاف دو خازن را پردازش می‌کند؛ با استفاده از سیگنال تحریک موج مربعی، تغییرات Cp و Cr به‌طور جداگانه به ولتاژ مستقیم تبدیل می‌شود و از سیگنال اختلاف دو ولتاژ خروجی، مقدار فشار اعمال‌شده اندازه‌گیری می‌گردد.

ساختار دوخازنی خطای غیرخطی سیستم حسگر را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد؛ هنگام تغییر دمای محیط، هر دو خازن یک تغییر دمایی واحد را تجربه می‌کنند و اثر دمایی بر آن‌ها یکسان است؛ به این ترتیب خطای ناشی از تغییر دما خنثی شده و جبران خودکار دما محقق می‌شود.

▲حسگر فشار خازنی سرامیکی (تصویر از اینترنت)

حسگر فشار خازنی سرامیکی به‌واسطه مزایایی مانند مقاومت خوردگی، مقاومت ضربه، نبود هیسترزیس و سازگاری بالا با محیط‌ها، به‌طور گسترده در تشخیص فشار آب، گاز و انواع سیالات به‌کار می‌رود و به‌ویژه برای کار در محیط‌های خشن سیستم‌های خودرویی مناسب است. در بازارهای نوظهور مانند اینترنت اشیا و لوازم خانگی، مزیت ضربه‌پذیری خازنی سرامیکی در اندازه‌گیری فشار شبکه‌های توزیع آب به‌کار می‌آید و با اثر ضربه قوچ به‌خوبی مقابله می‌کند؛ در کاربرد زودپزهای با فشار متغیر نیز ساختار غشای تخت خازن سرامیکی از گرفتگی جلوگیری می‌کند.

② حسگر فشار پیزورزیستیف سرامیکی

حسگر فشار پیزورزیستیف سرامیکی عمدتاً از سه بخش حلقه سرامیکی، غشای سرامیکی و درپوش سرامیکی تشکیل شده است. غشای سرامیکی به‌عنوان جسم کشسان حساس‌کننده نیرو، با فناوری لایه‌نازک، پل وتستون را روی خود شکل می‌دهد که مدار حسگر است و به‌واسطه اثر پیزورزیستیف (تغییر شکل) مقاومت‌ها، سیگنال ولتاژ ایجاد می‌شود.

▲حسگر فشار پیزورزیستیف سرامیکی (تصویر از اینترنت)

مقاومت‌های لایه‌نازک روی پشت غشای سرامیکی چاپ و به‌صورت پل وتستون (پل بسته) به هم متصل می‌شوند. در فشار صفر، پل در حالت تعادل است و ولتاژ پایه خروجی صفر است؛ با اعمال فشار به پل، غشا تغییر شکل می‌دهد و مقاومت چهار بازوی پل تغییر می‌کند؛ پل از تعادل خارج شده و سیگنال ولتاژی بسیار خطی و متناسب با فشار و نیز متناسب با ولتاژ تحریک تولید می‌کند. به‌واسطه اثر پیزورزیستیف (تغییر شکل) مقاومت‌ها، سیگنال ولتاژ ایجاد می‌شود. سیگنال استاندارد بسته به بازه فشار، به مقادیر 2.0/3.0/3.3mV/V و غیره کالیبره می‌شود و با حسگرهای کرنجی سازگار است. با کالیبراسیون لیزری، حسگر دارای پایداری دمایی و زمانی بسیار بالاست، جبران دمایی ۰ تا ۷۰ درجه سانتی‌گراد دارد و می‌تواند مستقیماً با اغلب محیط‌ها تماس یابد.