Пьезорезистивный эффект это

Пьезорезистивные технологии на верном пути.

Автор Ханс В. Келлер, 03/2000

Будущее: У преобразователя давления, который будет доминировать на индустриальном рынке, будет кремниевый чип с интегрированной электроникой, произведенной с  использованием технологии IC (Integrated circuit -Интегральная схема, а сам он будет встроен в заполненный маслом корпус с заизолированной диафрагмой.

40 лет назад Автор издал свою первую работу в индустрии измерения давления, в то время стоимость типичного преобразователя давления была в диапазоне от 350$ к 600$. Преобладающей технологией, с помощью которой производились измерения давления тогда были тензометрические датчики (тензодатчики; тензиометры) от Белла (BELL) и Хауэлла (Howell) а также  тензодатчики от Хоттингера (Hottinger) и Болдуина (Baldwin). Компания Schaevitz также разработала технологию LVDT (англ. low-voltage differential signaling-низковольтная дифференциальная передача сигналов), емкостное сопротивление, потенциометр и электромагнитное сопротивление, на основе принципа отклоняющейся диафрагмы. Кроме того были десятки других систем измерения, также были представлены на рынке, но имели лишь небольшую долю.

Эти технологии в большинстве случаев были или слишком дороги или не обладали необходимой стабильностью.

В начале 60-ых «Statham» произвёл первые тонкоплёночные датчики с хорошей стабильностью и они сразу появились на рынке по приблизительно той же самой цене, как и уже существующие тензометрические датчики. Это и было началом прорыва для развития технологии этого типа. К большому снижению цен для массового рынка это, к сожалению, не привело.

Спрос на недорогие, устойчивые датчики, однако, не мог быть проигнорирован. В их исследовании и разработке также шло бурное развитие. Большинство было основано на пьезорезистивном эффекте, открытом и изданном «Pfann и Thursten». «Фактор Меры» (изменение сопротивления с изменением длины) для металлических проводов составляет ~ 2 и главным образом вызван расширением и «прореживанием» провода под напряжением с добавлением незначительного пьезорезистивного  эффекта (изменение удельного сопротивления с напряжением).

Однако, пьезорезистивный эффект в легированных резисторах полупроводника может быть до 50 раз больше, давая Факторы Меры ~100.

Было сделано множество улучшений по технологическому процессу преобразования хрупких материалов полупроводника в тонкие усики (и получения полупроводникового тензометрического датчика) и их связи с ходовой частью, такой как диафрагма или гибкая перекладина. Ряд компаний, которые справились с этой трудной проблемой, такие как Data Instruments, Sensometrics and Microgauge, все еще предлагают эту технологию сегодня.

Honeywell впервые предложил идею использовать кремниевый чип с диффузионными резисторами в качестве диафрагмы давления. Теперь крошечная хрупкая диафрагма должна быть связана с носителем, сделанного из стали или стекла.

Проблема связующих материалов, так сильно отличающихся, как кремний и сталь, была частично преодолена, потому что элементы датчика находились только косвенно под влиянием усилий корпуса, и большинство этих усилий могло быть устранено пространственным расположением резисторов на диафрагме. Тони Керц покинул Honeywell на этом этапе технологии и отдельно основал компанию Kulite. Драг, в Англии также основал их компанию на этой технологии.

Большой прорыв в области исследований пьезорезистивных технологий был сделан в связи с изобретением воспроизводимых, интегрированных, однородных измерительных ячеек кремния, на которые Honeywell обладает авторским правом и имеет оригинальный патент. Было сразу предсказано, что эти датчики давления могут производиться дешевле и в больших количествах. «Art Zias» перенял эту технологию Honeywell для компании National Semiconductor, которая ожидала, что эта технология выведет компанию на дорогу большого бизнеса. Первое крупное производство для этих измерительных ячеек, однако, было запущено компанией Delco для MAP датчиков (Manifold Pressure-измерение давления в коллекторе). В 1966 году американским Конгрессом был принят документ об экологическом мониторинге за автотранспортом (англ. Clean Air Bill), который ограничил максимальный разрешённый объём сброса загрязняющих веществ автомобилей. Специалисты с автомобильной промышленности потребовали отсрочки, потому что технологии, и прежде всего экономическими выгодные датчики всё еще не были доступны.

В начале 70-х годов, первые автомобили появились на рынке с электронными системами управления и датчиками из кремния, выполненные на основе MAP-технологии (MAP-Sensor), нормы эксплуатации которых соответствовали вышеупомянутому документу Clean Air Bill.

Кремниевые датчики были встроены в автомобили либо без защиты, либо с защитой из силиконовой пленки. Такой способ защиты оказался не достаточен для применения их в промышленности и для измерений уровней веществ. Компания National Semiconductor оказалась в нерешительном состоянии в вопросе о том, как продукт должен быть доведен до промышленного рынка. Например, покрытие Parylene стало позиционироваться как отличный водонепроницаемый слой всего после 6 месяцев его успешного использования! Руководство по использованию преобразователей уровня от National Semiconductor было написано примерно следующее — “ Вы берете резиновую перчатку, заполняете её кремнием/силиконом или оливковым маслом, приделываете к перчатке кабель с датчиком и электронную схему, связываете всё это воедино и опускаете в соус». В реальности, однако, было много гениального в справочнике, и, в соответствии с заявлением ArtZias, доходы компании National Semiconductor некоторое время были выше от продажи книг, чем от продажи измерительных ячеек. Это ясно даёт представление о том, сколько пытливых умов было занято изучением измерения давления с использованием сенсорных технологий!

В последней отчаянной попытке, компания»National Semiconductor» начала рекламную кампанию под лозунгом: «Совершенно новый способ измерения давления: „голого“ датчика кремния для этого достаточно». Автор пародировал давнее высказывание: «Совершенно новый способ заниматься любовью: Голыми». Неспособность американских производителей разработать защитный корпус для кремниевых датчиков позволила новым технологиям развиваться в индустрии. Аналогичная тенденция наблюдалась также в автомобильной промышленности: емкостные керамические измерительные ячейки от «Kavlico», (которые также производятся сегодня «Texas Instruments») выпускались в количестве миллионов штук.

Европейцы и японцы были не намного умнее. В Европе, Magnetti-Marelli (Fiat) разработали керамические толстопленочные тензометрические измерительные ячейки, которые, однако, уступали по всем показателем емкостным измерительным  ячейкам. Технологически говоря, это происходит из-за неустойчивости, вызванной влиянием в точке сцепления керамики и чувствительного элемента, а также чрезвычайно высокого сопротивления моста. Здесь снова, опыт кремниевой технологий был не учтён. Из Японии поставлялся продукт от «NipponDenso», где давление на голый датчик кремния подаётся сзади, что позволяет защитить электронику и сам датчик слоем геля. Но в таком случае датчик по-прежнему будет подвергаться атмосферному давлению. Кроме факта, что датчики абсолютного давления могут едва ли быть произведены вообще, анализ автора по созданию преобразователей давления создает такое же впечатление беспомощности, как было показано «National Semiconductor».

Настоящее и будущее

В 1993 году, в статье «Маркетинг датчиков давления», специально изданной для торговой ярмарки «Trade Fair News» было предсказано следующее: «Рано или поздно, позиции на рынке будут определять конкуренция технологий. Мы считаем, что на рынке большинство промышленных измерительных приборов, работающих в  диапазоне от 10 Мбар до 1 бар, будет выпускаться на основе емкостных керамических ячеек. В диапазоне от 1 бар до 1000 бар будут доминировать приборы, выполненные на основе пьезорезистивных технологий монолитного кремния (IC). Другие технологии будут востребованы только на нишевых рынках, поскольку, например, технологический процесс, используемый при производстве тонкопленочных датчиков, экономически не выгоден для очень крупных проектов из-за своей дороговизны».

Это было написано в 1993 году! В некоторых областях — таких, как охлаждающая компрессорная техника — кремниевой пьезорезистивной технологии удалось сломить господство емкостной керамической технологии, которая ранее доминировала на рынке. Но, тем не менее, емкостные керамические датчики используются в большом объеме для разработки и внедрения различных автомобилестроительных проектов. Тем не менее, мы отвечаем за свои ранее сделанные обязательства и заявления.

Keller AG представляет новый кремниевый пьезорезистивный преобразователь (рис. 1), которые, на наш взгляд, имеет основные технологические преимущества по сравнению с емкостным керамическим сенсором. Возможно, в будущем эта технология сможет доказать своё превосходство, даже в сложной автомобильной промышленности.

Создание корпусов с разделительной диафрагмой было центральной темой KELLER AG с момента своего основания 40 лет назад. Сегодня «Keller»наладил процессы по изготовлению корпусов для кремниевых датчиков, затраты на изготовление которых сопоставимы с затратами на производство керамических корпусов. В запатентованном процессе, непрерывный, ленточный конвейер печи припаивает последовательно за одну операцию латунный корпус, стальную вставку и никелевую диафрагму. Этот процесс может быть полностью автоматизирован.

Что касается электроники и её регулирования, ни одно ценовое преимущество не может быть определено ни для какой-либо технологии. Точность электроники также больше не имеет значение. Высокая стабильность и использование специфических пользовательских схем ASIC (аббревиатура от англ. application-specific integrated circuit, «интегральная схема для специфического применения») может компенсировать неточности.

Преимущества и недостатки, поэтому определяется только расходами, связанными с производством самих датчиков и корпусов для них.

Тем не менее, в то время как 5000 кремниевых датчиков может поместиться на одной 6-дюймовой кремниевой пластине, 10 больших лотков необходимо для 5000 керамический ячеек. 5000 кремниевых датчиков проходят через различные процессы скрининга (тщательная проверка, сортировка, фильтрация, отбор) одновременно и вместе, в то время, 5000 керамических датчиков должны пройти эти процессы индивидуально.

Монтаж кремниевых датчиков на заголовке TO5 с проходными стеклянными вводами завариваются в корпус, аналогично упаковки транзисторов. Все процессы автоматизированы, при этом используются машины из полупроводниковой промышленности, такие как «DieBonding» и «automatic Wire Bonding», которые улучшаются с каждым годом. Окончательная сборка осуществлялась с помощью сварки, которая проводилась ниже слоя масляного наполнения. Целесообразность такой технологии была доказана на протяжении 25 лет. В итоге кремниевый датчик защищён от всех неблагоприятных воздействий герметичной камерой с маслом. Единственные материалы, находящиеся в контакте с измерительной средой — это металл (нерж. Сталь, Титан, Хастеллой).

В настоящее время, большая часть материальных затрат на производство преобразователя связана с использованием соответствующей высокоточной и высокотехнологичной электроники. Тем не менее, дальнейшее сокращение затрат можно предвидеть с вводом пьезорезистивной технологии. Сегодня уже есть пьезорезистивный датчики от «Bosch и Fuji», с регулируемой интегрированной электроникой в пьезорезистивный кремниевый чип. Регулировка осуществляется путем лазерной подгонки на поверхности чипа. В настоящее время ведётся работа над подобными схемами, где адаптация микросхемы осуществляется через интерфейс выводов изнутри самой масляной камеры.Суммарная плотность IC технологии растет так быстро, что, по нашим оценкам, через 10 лет датчик давления, усилители и цифровые компенсации с A / D и D / A конвертерами могут быть интегрированы на пьезорезистивный кремниевый чип с затратами в размере всего $1 на единицу экземпляра. Тогда полный собранный преобразователь с электроникой будет оптимально защищен в масляном корпусе и емкостные вводы из стекла автоматически гарантируют отличную защиту по EMC.

40 лет назад мы были нацелены на получение датчика с точностью 2% и себестоимостью  $10

В течение следующих 10 лет наша цель это получение датчика с точностью 0,1% и себестоимостью $5

Цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Пьезо – это греческий термин, обозначающий «пресс» или «сжатие». Пьезоэлектричество (также называемое пьезоэлектрическим эффектом) – это наличие электрического потенциала по бокам кристалла, когда механическое напряжение прикладывается путем его сжатия. В работающей системе кристалл действует как крошечная батарея с положительным зарядом на одной стороне и отрицательным зарядом на противоположной стороне. Чтобы сформировать целостную цепь, две грани соединены вместе, и через эту цепь проходит ток.

В качестве примера пьезоэффекта можно вспомнить зажигалки. В них генерируется электрический импульс из-за силы, возникающей при внезапном воздействии спускового механизма на материал внутри.

Эффект пьезоэлектричества обратимый. Всякий раз, когда электрическое поле прикладывается к клеммам кристалла, пьезодатчик испытывает механическое напряжение, что приводит к изменению формы. Это известно как обратный пьезоэлектрический эффект.

Такой эффект можно наблюдать в кварцевых часах. В повседневной работе наручные часы используют кварцевый резонатор, который работает как генератор. Используемый элемент – диоксид кремния. Когда на кристалл подается электрический сигнал, кристалл вибрирует, что помогает периодически регулировать механизм внутри часов. Также хорошим примером являются пьезо-зуммеры. В данном случае определенное количество напряжения со значением величины и частоты прикладывается к кристаллу, что заставляет кристалл вибрировать. Вибрация превращается в звук.

Когда датчик работает по принципу пьезоэлектричества, он называется пьезоэлектрическим датчиком. Пьезоэлектричество – это явление, при котором электричество генерируется, если к материалу прикладывается механическое напряжение. Датчик, который использует пьезоэлектрический эффект для измерения изменений ускорения, деформации, давления и силы путем преобразования их в электрический заряд, называется пьезоэлектрическим датчиком. Это произведенное пьезоэлектричество пропорционально напряжению, приложенному к подложкам из прочного пьезоэлектрического кристалла.

Когда к пьезоматериалу применяется давление или ускорение, на гранях кристалла генерируется эквивалентное количество электрического заряда. Электрический заряд будет пропорционален приложенному давлению. Пьезоэлектрический датчик нельзя использовать для измерения статического давления. При постоянном давлении выходной сигнал будет нулевым. Работу пьезоэлектрического датчика можно обобщить следующим образом.

Схема пьезоэлектрического датчика показана далее. Она состоит из внутреннего сопротивления Ri, которое также известно как сопротивление изолятора. Дроссель генерирует индуктивность из-за инерции датчика. Значение емкости Се обратно пропорционально упругости материала датчика. Для получения полного отклика датчика сопротивление нагрузки и утечки должно быть достаточно большим, чтобы поддерживать низкую частоту.

Пьезоэлектрические датчики используются для измерения динамического давления. Измерение динамического давления предусматривается в таких областях, как измерение турбулентности, сгорания в двигателя и т. д. Изменения давления жидкостей и газов при измерениях давления в цилиндрах гидравлического процесса можно измерять с помощью пьезорезистивных датчиков давления.

Когда сила прикладывается к пьезоэлектрической диафрагме, она генерирует электрический заряд на гранях кристалла. Выход измеряется как напряжение, которое пропорционально приложенному давлению.

Эффект применяется и в ультразвуковых датчиках. Ультразвуковые датчики генерируют ультразвуковые волны. Это свойство применяется, например, в медицине. Звуковые волны передаются через ткани тела. Волны отражаются назад, чтобы создать образ ткани. Это принцип работы ультразвуковой системы визуализации. При этом пьезоэлектрические кристаллы прикрепляются к передней части преобразователя, что помогает генерировать ультразвуковые волны. Электроды действуют как связующий узел между кристаллами и машиной. Когда электрический сигнал подается на кристалл, он из-за вибрации генерирует ультразвуковую волну с частотами от 1,5 до 8 МГц.

Помимо этого пьезоэлектрический датчик используется в датчиках детонации двигателя, датчиках давления, в дизельных топливных инжекторах, оптической настройке, ультразвуковой очистке и сварке, в музыкальных инструментах и приборах, таких как звукосниматели и микрофоны и т.п.

Датчик давления

Датчик давления (преобразователь давления) — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный.

Класификация

В настоящее время основная масса датчиков давления выпускаются на основе чувствительных элементов, принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др. Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления. Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.

Пьезорезистивный датчик давления

Практически все производители датчиков проявляют интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур. Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания. Принцип действия сенсора для пьезорезистивного датчика давления, как следует из названия, основан на пьезорезистивном эффекте – изменении сопротивления при наложении механического давления. Резисторы размещают на мембрае таким образом, чтобы продольные и поперечные коэффициенты тензочувствительности были разных знаков, тогда и изменения сопротивлений резисторов будут противоположными. Основным преимуществом пьезорезистивных дачткиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

Ёмкостной датчик давления

Емкостный датчик давления представляет собой конденсатор, составленный из двух пластин, разделенных диэлектриком. Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости. В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью.

Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

Резонансный датчик давления

Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора. Частным примером может служить кварцевый резонатор. При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля – частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают — наступает резонанс.

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала.

К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

Индуктивный датчик давления

Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

Преимуществом такой системы, является возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная зависимость.

Однако датчик чувствителен к магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.

Ионизационный датчик давления

В основе работы датчика лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды. Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, — а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов. Корпус лампы выполнен из высококачественного стекла. Преимуществом таких лам является возможность регистрировать низкое давление – вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Помимо прочего, ионизационные лампы должны оснащаться дополнительными приборами, поскольку зависимость сигнала от давления является логарифмической.

Достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал

высоком давлении (низкий вакуум является порогом)

Еще одним важным параметром является цена датчиков, которые используют тот или иной принцип преобразования давления. Поэтому при выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант – соотношение цены к возможностям прибора. Очевидно там, где требуется только какой-либо определенный параметр датчика (например, точность или возможность измерять вакуум) соотношение цены к предъявляемым требованиям высокое. В основном это касается резонансных, индукционных, емкостных и ионизационных датчиков.

В отличие от датчика давления, манометр — прибор, предназначенный для измерения (а не преобразования) давления. В манометре от давления зависят показания прибора, которые могут быть считаны с его шкалы, дисплея или аналогичного устройства.

В отличие от , пьезорезистивный эффект вызывает изменение только электрического сопротивления, но не

В проводящих и полупроводниковых материалах изменения межатомного расстояния в результате деформации влияют на , облегчая (или зависимости от материала и деформации) Это приводит к изменению удельного сопротивления материала. В пределах определенного диапазона деформации эта зависимость является линейной, так что пьезорезистивный коэффициент

Обычно изменение сопротивления металлов в основном связано с изменением геометрии в результате приложенного механического напряжения. Однако, даже если пьезорезистивный эффект в этих случаях невелик, им нельзя пренебречь. В тех случаях, когда это так, его можно рассчитать, используя простое уравнение сопротивления, полученное из

Некоторые металлы демонстрируют пьезорезистивность, которая намного больше, чем изменение сопротивления из-за геометрии. В платиновых сплавах, например, пьезорезистивность более чем в два раза больше, что в сочетании с геометрическими эффектами дает чувствительность тензодатчика более чем в три раза выше, чем за счет только геометрических эффектов. Пьезорезистивность чистого никеля в -13 раз больше, полностью затмевая и даже меняя знак изменения сопротивления, вызванного геометрией.

Пьезорезистивный эффект полупроводниковых материалов может быть на несколько порядков больше, чем геометрический эффект, и присутствует в таких материалах, как , поликристаллический кремний, аморфный кремний, карбид кремния и монокристаллический кремний. Следовательно, можно построить полупроводниковые тензодатчики с очень высоким коэффициентом чувствительности. Для прецизионных измерений с ними труднее обращаться, чем с металлическими тензодатчиками, поскольку полупроводниковые тензодатчики обычно чувствительны к условиям окружающей среды (особенно к температуре).

В проводящих и полупроводниковых материалах изменения межатомного расстояния в результате деформации влияют на , облегчая (или зависимости от материала и деформации) Это приводит к изменению удельного сопротивления материала. В определенном диапазоне деформации это соотношение является линейным, так что пьезорезистивный коэффициент

Обычно изменение сопротивления металлов в основном происходит из-за изменения геометрии в результате приложенного механического напряжения. Однако, хотя пьезорезистивный эффект в таких случаях невелик, им нельзя пренебречь. В тех случаях, когда это так, его можно рассчитать, используя простое уравнение сопротивления, полученное из

Некоторые металлы демонстрируют пьезорезистивность, которая намного больше, чем изменение сопротивления из-за геометрии. В платиновых сплавах, например, пьезосопротивление более чем в два раза больше, в сочетании с геометрическими эффектами, что дает чувствительность тензодатчика более чем в три раза выше, чем из-за одних только геометрических эффектов. Пьезорезистивность чистого никеля в -13 раз больше, что полностью затмевает и даже меняет знак изменения сопротивления, вызванного геометрией.

МЭМСы. Как устроены современные датчики?

Время на прочтение

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. Сейчас довольно трудно встретить системы в которых не используются датчики, выполненные по данной технологии. Но как устроены современные датчики и какие преобразователи используются для работы с ними? Постараемся детально разобраться в этом вопросе, основываясь на работе современных МЭМС-акселерометров.

Простейший акселерометр, как он работает?

Акселерометр — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Принцип работы можно объяснить с помощью простой модели.

Модель устройства механического акселерометра (оригинал)

При увеличении ускорения, масса будет растягивать пружину. По закону Гука из школьной программы физики можно с легкостью найти ускорение системы:

, где k -коэффициент упругости пружины,

– ее растяжение и m – масса груза.

Используя три перпендикулярно расположенных датчика, можно узнать ускорение предмета по 3-м осям, и зная начальные условия определить положение тела в пространстве.

Эта незамысловатая модель представляет собой основу работы большинства акселерометров, которые можно поделить на 3 основные подгруппы:

Есть еще термальные и оптические, однако их рассматривать не будем. Если с механическими все понятно (по сути, их работу отражает модель сверху), то с электронными и пьезоэлектрическими немного поинтереснее.

Пьезоэлектрический акселерометр

Основывается данный тип датчиков на пьезорезистивном эффекте, который был открыт в 1954 году Смитом в таких полупроводниках как германий и кремний. В отличие от пьезоэлектрического эффекта, пьезорезистивный эффект вызывает изменение только электрического сопротивления, но не электрического потенциала.

Анимация пьезоэффекта (оригинал)

При увеличении ускорения, инертная масса увеличивает/уменьшает давление на пьезоэлемент. Благодаря пьезоэффекту происходит генерация сигнала, который зависит от внешнего ускорения.

Устройство пьезоэлектрического акселерометра (оригинал)

Датчики такого типа требуют дополнительного усилителя, который увеличивает амплитуду сигнала, и создает низкоимпедансный выход для работы с внешними устройствами. Для калибровки нулевого значения ускорения используется Preload Bolt, масса которого рассчитана так, чтобы соответствовать нулевой точки ускорения в системе.

Датчики такого типа до сих пор сильно распространены, и в основном применяются в системах, требующих высокую надежность — automotive. Для коммерческой электроники зачастую используют электронные акселерометры, которые имеют меньший размер и цену.

Электронные акселерометры

Принцип работы электронных датчиков основан на изменении емкости конденсаторов при изменении ускорения. Простейшая модель работы представлена на картинке.

Устройство 2-х осевого электро-механического акселерометра

При изменении ускорения, масса изменяет расстояние между обкладками конденсатора. Из простейшей формулы емкости конденасатора

следует, что при изменении d расстояния между обкладками емкость конденсатора будет также изменяться. Широкое применение данный метод получил, благодаря развитию МЭМС (MEMS)– микроэлектромеханических систем.

МЭМС технологии позволяют создавать конденсаторы с подвижными обкладками на кремниевой подложке, что существенно уменьшает размер устройства, и что не маловажно – его стоимость.

Устройство 2-х осевого электро-механического акселерометра (оригинал из книги «Introductory MEMS». Дальнейшие иллюстрации тоже взяты из этой книги)

У читателя наверняка возник вопрос: “как именно детектировать изменение емкости конденсатора?” Постараюсь дать на этот вопрос исчерпывающий ответ.

Устройство МЭМС акселерометра. Как превратить изменение емкости в сигнал?

Итак прежде, чем описывать работу самого датчика, обратимся к довольно популярной схеме в схемотехнике – емкостному полумосту (Capacitive half-bridge).

являются входными, а

– выходной сигнал для последующего преобразования. Емкости обоих конденсаторов зависят от внешнего ускорения, и изменяются на величину x(t). При x = 0, заряды на емкостях являются идентичными, и при этом

. При условии, что x <<d найдем как зависит изменение емкости конденсаторов от изменения положения обкладки.

Вывод формулы для изменения емкости

Запишем изменение каждой емкости при сдвиге обкладки на x:

Запишем через формулу емкости:

Упростив данные формулы, получаем следующее:

Учитывая условие, что x <<d, а xd несущественно по сравнению с d^2 можем записать формулу изменения емкости конденсатора, в зависимости от смещения обкладки:

Итак часть пути пройдена, мы получили как зависит значение изменения емкости от изменения положения обкладки (то есть внешнего ускорения). Пора это изменение детектировать: вводим дополнительные токи —

Емкостной полумост — токи

Вывод формулы зависимости выходного тока от изменения емкости

По правилу Кирхгофа для токов получаем следующее уравнение:

Учитывая тот факт, что ток является производной заряда dq/dt, а заряд q=CU, преобразуем данное уравнение в следующий вид:

Итак если использовать одинаковые потенциалы входных напряжений

Результат получился довольно странный: выходной ток никак не зависит от изменения емкости. Для того, чтобы детектировать изменение емкости, необходимо задавать на обкладках напряжения разной полярности, то есть:

. Тогда переделаем уравнение с учетом данной модификации.

Зависимость тока от изменения положения обкладки с учетом разной полярности входных напряжений

Перепишем уравнение 1.3:

Учитывая уравнение 1.2 для изменения емкости, получаем:

Из этого уравнения видны следующие факты:

Для эффективной работы емкостного полумоста необходимо использовать переменные входные сигналы e1 и e2, смещение фаз между которыми будет равно 180 градусов (для того, чтобы потенциалы имели разный знак). Поэтому получаем следующий вид сигналов:

– частота переменного сигнала (определяется на этапе разработки, в зависимости от полосы пропускания системы и нормальной работы механических емкостей).

Просто добавь усилитель

Добавим в нашу систему усилитель (будем считать, что коэффициент усиления —

Емкостной полумост + интегратор

Итак теперь найдем зависимость выходного напряжения усилителя от изменения емкости.

Выходное напряжение усилителя

Запишем уравнение Кирхгофа для этой системы:

Ток через конденсатор

Данное уравнение показывает, что выходной сигнал зависит не только от положения обкладки x, но и от ее скорости движения (что не желательно). Для того чтобы компонента, вносимая скоростью, была незначительной, необходимо использовать высокочастотный входной сигнал (обычно такую частоту выбирают в районе 1 ГГц). Запишем компоненты уравнения как гармонические сигналы:

Выбираем частоту достаточно высокую, чтобы

Учитывая, что сигналы

В итоге мы получили зависимость выходного сигнала усилителя от изменения положения обкладки конденсатора. Внимательный читатель должен сразу обратить внимание – это же амплитудная модуляция! Действительно, в данной системе мы имеем сигнал x(t), который перемножается с сигналом

и усиливается на величину

. Следующий шаг – убрать несущую частоту

, и мы получим усиленный сигнал x(t) – который пропорционален ускорению. Долгий путь вычислений привел нас к пониманию архитектуры МЭМС-акселерометра.

Архитектура МЭМС акселерометра

Рассмотрим сначала функциональную схему датчика:

Функциональная схема МЭМС-акселерометра

Изначально у нас есть сигнал x(t) – который отражает изменение ускорения. Далее мы перемножаем его с несущим сигналом

и усиливаем с помощью операционного усилителя (в режиме интегратора). Далее происходит демодуляция – простейшая схема – диод и RC фильтр (в реальности используют усложненную схему, синхронизируя процесс модуляции и демодуляции одной несущей частотой

). После чего остатки шума фильтруются с помощью фильтра низких частот.

В качестве примера приведу один из первых МЭМС акселерометров компании Analog Devices – ADXL50:

Структурная схема ADXL50

Наверное, приведя структурную схему датчика в начале статьи многим читателям не было бы понятно назначения некоторых блоков. Теперь завеса приоткрыта, и можем обсудить каждый из них:

Какой преобразователь выбрать для работы с датчиками?

Выбор преобразователя для работы с датчиками зависит от точности, которую вы хотите получить. Для работы с датчиками подойдут АЦП с архитектурой SAR или Delta-Sigma с высокой разрядностью. Однако современные датчики обладают встроенными преобразователями. Лидерами этого направления являются STMicroelectronics, Analog Devices и NXP. В качестве примера, можно привести новую микросхему с 3-х осевым акселерометром и встроенным АЦП – ADXL362.

Структурная схема ADXL362

Для работы с АЦП в схему добавлены антиэлайзинговые фильтры, чтобы исключить попадания в спектр дополнительных гармоник.

Где достать такие технологии?

Сейчас для fabless компаний доступно множество фабрик, которые предлагают технологии МЭМС. Однако для создания современных микросхем требуется интегрировать емкости с подвижными пластинами в стандартный маршрут проектирования, ведь помимо такой емкости необходимо спроектировать дополнительные блоки (генератор, демодулятор, ОУ и тд) на одном чипе. В качестве примера можно привести фабрики TSMC и XFab, которые предлагают технологию для реализации МЭМС датчика вместе со всей обвязкой. На картинке представлены емкости, которые позволяют создать трехосевой акселерометр:

Трехосевой емкостной полумост от TSMC

В России также существует фабрика по выпуску МЭМС датчиков – “Совтест”, однако предприятие не обладает технологией интегрирования дополнительных схемотехнических блоков, которые необходимы для создания конечного устройства и единственный выход — применять технологию микросборки.

МЭМС-акселерометр разработки Совтест

Какие наработки есть у нашей компании в этом направлении?

У нас есть несколько преобразователей, которые предназначены для работы с датчиками. Из новых продуктов это:

Как я писал в предыдущей статье, период ожидания пластин с фабрики может занять довольно долгий промежуток времени. После первого тестового запуска АЦП 400МГц, время прихода пластин и дальнейших измерений заняло более полугода. За это время наша команда успела сделать ПНЧ 1316НХ035 (развитие предыдущей схемы 1316ПП1У), о котором могу немного рассказать.

Преобразователь напряжение-частота

Для преобразования данных с датчика обычно используются SAR или delta-sigma АЦП, однако существует еще один тип преобразователей — интегрирующие ПНЧ, которые имеют существенные преимущества:

Микросхема 1316НХ035 представляет собой четырехканальный преобразователь напряжения в частоту и цифровой код, к трем основным высокоточным каналам подключаются выходы трехосевого акселерометра. 4-ый канал имеет входной 4-канальный мультиплексор, к которому можно подключать дополнительные датчики системы: температуры, влажности и др. Под микроскопом схема выглядит так:

ПНЧ под микроскопом

Каждый из трех основных каналов преобразует входное напряжение в диапазоне ± 4В в частоту до 1250кГц на 3-х выходах, соответствующих положительному и отрицательному входным напряжениям. Также микросхема имеет в каждом канале 16 битный реверсивный счетчик, для подсчета частотных импульсов. SPI интерфейс служит для управления режимами преобразования и выборки содержимого счетчиков импульсов каналов. Основными требованиями к параметрам ПНЧ являлись:

Для обеспечения требований 1 и 2 используется аналоговая автокалибровка, которая выполняется автоматически при включении схемы, а также может запускаться в любой момент по команде через SPI интерфейс. Требование 3 обеспечено и гарантируется схемотехническими решениями. Удалось достичь довольно приличных параметров точности: типовая нелинейность преобразования составила 30 ppm, а смещение нуля менее 0.1 Hz при коэффициенте преобразования 200 kHz/V. Динамический диапазон преобразования: fmax/fmin = 2*1.25МГц / 0.3Гц ∿ 8.33млн., что соответствует более 23 битам.

Есть только одно “но” – биполярное питание. Для обеспечения хорошей стабильности нуля (напряжение, которое соответствует ускорению 0g) необходимо использовать биполярное питание. Такое решение довольно эффективное – ведь когда 0g соответсвует “земля”, система априори будет стабильной. Также это улучшает проектирование системы. В современных датчиках в качестве нуля используют половину питания Vdd/2, однако если значение напряжения на преобразователе будет отличаться от напряжения на датчике – мы автоматически получаем смещение, которое нужно дополнительно калибровать.

Наверное, для многих потребителей биполярное напряжение немного отпугивает, и мы как разработчики это понимаем. Возможно, в дальнейшем сделаем коммерческий вариант для МЭМСов (или интегрируем датчик в ПНЧ). Пока, конечно, это всего лишь планы, но уверен они увидят свет.

P.S. Нашел бонусные фотографии с процесса исследования образцов. Вообще это, как по мне, самое интересное в процессе разработки. Тебе дают в руки твое детище с пылу жару с завода, ты подаешь на него питание и скрестив пальцы ждешь – “работает или нет?”.

P.P.S. Кому понравилась тема датчиков, в будущем коллега из центра проектирования аппаратуры хотел бы рассказать про создаваемую инерциальную систему на основе МЭМС датчиков — БИНС.