تکنولوژی سنسور های فشار (خازنی، پیزومقاومتی، پیزوالکتریک، MEMS)

سنسورهای فشار الکترونیکی، واکنش فیزیکی به فشار اعمال شده را با تبدیل آن به یک سیگنال الکتریکی اندازه گیری می کنند. پدیده هایی که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند شامل تغییر در ظرفیت خازن یا تغییر در مقاومت اهمی یک استرین گیج (Strain gauge) یا عنصر پیزوالکتریک (Piezoelectric) هستند که با میزان انحراف ناشی از اعمال فشار متناسب هستند.

اصل سنجش استفاده شده در سنسور های فشار می تواند بر روی درستی (Accuracy)، قابلیت اطمینان (Reliability)، محدوده اندازه گیری (Measurement range) و سازگاری با محیط هدف تأثیر بگذارد. در این مقاله، ما به برخی از فن آوری های اصلی در دسترس برای مهندسان، نحوه کار و مزایا و معایب هر کدام می پردازیم.

سنسور فشار خازنی (Capacitive pressure sensor)

سنسورهای فشار خازنی، تجهیزی است که فشار را با تشخیص تغییر در ظرفیت الکتریکی ناشی از حرکت دیافراگم اندازه گیری می کند.

اصول کار سنسور فشار خازنی

یک خازن از دو صفحه رسانای موازی تشکیل شده است که با یک فاصله کوچک از هم جدا می شوند. ظرفیت

خازن از طریق معادله زیر بدست می آید:

εr	ثابت دی الکتریک ماده بین صفحات خازن (برای خلاء برابر است با 1)
ε0	ثابت الکتریکی (برابر است با 8.854 x 1012 F/m)
A	مساحت صفحات
d	فاصله بین صفحات

تغییر هر یک از متغیرها باعث تغییر متناظر در ظرفیت خازن می شود. ساده ترین راه برای تغییر ظرفیت خازن، تغییر فاصله بین صفحات است. این کار را می توان با ساختن یک یا هر دو صفحه به صورت دیافراگمی انجام داد. در اثر تغییر فشار، دیافراگم تغییر شکل می دهد (منحرف می شود) و در نتیجه ظرفیت خازن تغییر می کند.

معمولا، یکی از الکترودها (صفحات)، دیافراگم حساس به فشار و دیگری ثابت است. شکل زیر نمونه ای از یک سنسور فشار خازنی است.

یک روش آسان برای اندازه گیری تغییر در ظرفیت خازن، تبدیل آن به بخشی از یک مدار تنظیم شده است که به طور معمول متشکل از یک سنسور خازنی به همراه یک سلف است. این کار می تواند فرکانس یک نوسان ساز یا اتصال AC یک مدار رزونانس را تغییر دهد.

ساختار سنسور فشار خازنی

دیافراگم ها را می توان از مواد مختلفی از قبیل پلاستیک، شیشه، سیلیکون یا سرامیک ساخت تا مناسب برای کاربردهای مختلف باشند.
ظرفیت خازنی سنسور به طور معمول در حدود 50 تا 100 پیکوفاراد (pF) است و تغییراتی در حد چند پیکوفاراد دارد.
استحکام و مقاومت مواد را می توان به گونه ای انتخاب کرد تا طیف وسیعی از حساسیت ها و فشارهای عملیاتی را فراهم کند. برای دریافت یک سیگنال بزرگ، سنسور باید نسبتاً بزرگ باشد، که می تواند بازه فرکانس عملکرد را محدودتر نماید. با این حال، دیافراگم های کوچکتر حساس تر هستند و زمان پاسخ دهی (Response time) سریع تری دارند.
دیافراگم های بزرگ و نازک معمولا نسبت به نویز ناشی از لرزش، به خصوص در فشار های پایین حساس هستند (همان اصولی که برای ساخت میکروفون های کندانسور استفاده می شود).
از دیافراگم های ضخیم تر در سنسورهای فشار بالا و برای اطمینان از استحکام مکانیکی استفاده می شود. با کنترل ضخامت دیافراگم، امکان ساخت سنسورهایی با رنج فشار تا psi5000 فراهم می شود.
با انتخاب موادی با ضریب انبساط حرارتی پایین برای صفحات خازن، می توان سنسورهایی با حساسیت بسیار کم در برابر تغییرات دما تولید کرد. همچنین به منظور اطمینان از میزان درستی (Accuracy) و تکرارپذیری (Repeatability) اندازه گیری ها، لازم است که مواد به کار رفته در ساختار آن ها دارای هیسترزیس (Hysteresis) پایین باشد.
از آنجایی که دیافراگم، خود عنصر حسگر است، مشکلی وجود ندارد که قطعات اضافی به دیافراگم متصل شوند، بنابراین سنسورهای خازنی نسبت به برخی دیگر از سنسورها قادر به عملکرد در دماهای بالاتر هستند.
سنسورهای فشار خازنی همچنین می توانند به طور مستقیم بر روی تراشه سیلیکونی با همان تکنیک های طراحی ساخته شوند که در ساخت وسایل الکترونیکی نیمه هادی از آن ها استفاده می شوند (شکل زیر). این امر اجازه می دهد تا عناصر حسگر بسیار کوچکی ساخته شده و با قطعات الکترونیکی به منظور بهینه سازی سیگنال (Signal conditioning) و گزارش گیری ترکیب شوند. در این صفحه به معرفی کامل سنسورهای فشاری که از سیستمهای مکانیکی میکروالکترونیک (microelectronic mechanical systems (MEMS)) در ساختار آن ها استفاده شده خواهیم پرداخت.

سطح مقطع ساختار یک سنسور خازنی

نحوه عملکرد سنسور فشار خازنی

با وصل کردن سنسور به یک مدار وابسته به فرکانس مانند یک اسیلاتور یا مدار LC(شامل سلف و خازن)، می توان تغییر در ظرفیت خازن را اندازه گیری کرد. در هر دو حالت ، فرکانس رزونانسی مدار در اثر تغییر خازن توسط فشار تغییر می کند.
یک اسیلاتور به برخی از قطعات الکترونیکی اضافی و منبع تغذیه نیاز دارد. یک مدار LC رزونانسی می تواند بدون منبع تغذیه، خود به عنوان یک سنسور پسیو استفاده شود.
ثابت دی الکتریک مواد بین صفحات ممکن است تحت تاثیر فشار یا دما تغییر کند که موضوع همچنین می تواند یک منبعی از خطا باشد. نفوذپذیری هوا و بیشتر گازهای دیگر با وجود فشار افزایش می یابد بنابراین این کار تغییرات در ظرفیت خازن را به تدریج افزایش می دهد. سنسورهای فشار مطلق (Absolute)، که بین صفحات آن ها وکیوم می باشد، از این نظر ایده آل رفتار می کنند.
می توان یک سنسور خطی تر با استفاده از “حالت لمسی” ساخت که در آن دیافراگم سنسور با صفحه مخالف (با یک لایه عایق نازک در بین) در سراسر محدوده کاری عادی (همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است) در تماس باشد. طراحی این ساختار منجر به سیگنال خروجی خطی تر می شود.

این نوع سنسور دارای استحکام بیشتری بوده و توانایی مقابله با فشار مازاد (Overpressure) بیش از حد را دارد. این موضوع باعث می شود برای محیط های صنعتی مناسب تر باشد. با این حال، این ساختار به دلیل اصطکاک موجود بین دو سطح، مستعد پدیده هیسترزیس است.

طراحی سنسور فشار خازنی

به منظور به حداقل رساندن تأثیرات خازنی ناخواسته، قطعات الکترونیکی برای اندازه گیری و بهینه سازی سیگنال باید نزدیک به عنصر حسگر قرار گیرند.
از آنجایی که سنسور های فشار خازنی می توانند به عنوان یک تجهیز در مدارهای فرکانس بالا به کار گرفته شوند، آن ها برای اندازه گیری های بی سیم مناسب هستند.
در مورد سنسورهای پسیو می توان از یک آنتن خارجی برای تامین سیگنال به منظور تحریک مدار تنظیم شده استفاده کرد و بنابراین تغییر در فرکانس رزونانسی را اندازه گیری نمود (شکل زیر). این امر باعث می شود که آنها برای برخی از دستگاه های پزشکی بسیار مناسب باشند.
در روش دیگر، برای یک سنسور اکتیو ، فرکانس ایجاد شده توسط نوسان ساز می تواند به وسیله یک آنتن گرفته شود.

کاربردهای سنسور فشار خازنی

سنسورهای فشار خازنی اغلب برای اندازه گیری فشار گاز یا مایع در موتورهای جت، لاستیک اتومبیل، بدن انسان و بسیاری از مکان های دیگر استفاده می شوند. اما آنها همچنین می توانند به عنوان سنسورهای لمسی در وسایل قابل پوشیدن یا اندازه گیری فشار وارد شده به سوئیچ یا صفحه کلید استفاده شوند.
آنها با توجه به سادگی مکانیکی بسیار متنوع هستند، بنابراین می توانند در انواع محیط های سخت مورد استفاده قرار گیرند.
از سنسورهای خازنی می توان برای اندازه گیری فشار مطلق (Absolute)، گیج یا نسبی (Gauge or Relative) و تفاضلی (Differential) استفاده کرد.

مزایا و معایب سنسور فشار خازنی

سنسورهای فشار خازنی دارای چندین مزیت نسبت به سایر سنسورهای فشار هستند.

آنها می توانند توان مصرفی بسیار کمی داشته باشند زیرا هیچ جریان DC از عنصر حسگر عبور نمی کند. جریان فقط هنگامی عبور می کند که سیگنالی مدار را تحریک کرده تا ظرفیت خازن را اندازه گیری کند. سنسورهای پسیو به منبع تغذیه احتیاجی ندارد، این ویژگی ها آنها را برای کاربردهای با توان مصرفی پایین مانند سنسورهای از راه دور یا IoT ایده آل می سازد.
این سنسورها از نظر مکانیکی ساده هستند، بنابراین می توانند با خروجی پایدار و قوی ساخته شوند، و این باعث می شود آنها برای استفاده در محیط های سخت مناسب باشند. سنسورهای خازنی معمولاً مقاومت بسیار خوبی در برابر فشار های مازد (Over-pressure) موقت دارند.
آنها هیسترزیس کم و تکرارپذیری خوبی دارند و نسبت به تغییرات دما بیش از حد حساس نیستند.
از طرف دیگر، سنسورهای خازنی دارای خروجی غیر خطی هستند، گرچه این امر در تجهیزات لمسی قابل کاهش است اما با این حال ممکن است باعث افزایش هیسترزیس شود.
به علت امپیدانس خروجی بالای سنسور و به منظور به حداقل رساندن اثرات پارازیت ظرفیت خازن، طراحی بسیار دقیق مدار برای وسایل الکترونیکی رابط مورد نیاز است.

سنسور فشار پیزومقاومتی

Piezoresistive pressure sensor

سنسور فشار استرین گیج (Strain Gauge) پیزومقاومتی چیست؟

سنسور های فشار استرین گیج های پیزومقاومتی از رایج ترین انواع سنسورهای فشار هستند می باشند. آنها برای اندازه گیری فشار، از تغییر مقاومت الکتریکی مواد در هنگام کشش استفاده می کنند.

این سنسورها به دلیل سادگی و استحکام برای انواع کاربرد های مختلف مناسب هستند. آنها می توانند برای اندازه گیری فشارهای مطلق (Absolute)، گیج یا نسبی (Gauge or Relative) و تفاضلی (Differential)، در هر دو کاربرد فشار بالا (High pressure) و فشار پایین (Low pressure) مورد استفاده قرار گیرند.

در این مقاله به معرفی انواع سنسورهای فشار پیزومقاومتی موجود، نحوه کار و توانایی های نسبی آنها خواهیم پرداخت.

اصول کار سنسور فشار پیزومقاومتی

اساس کار سنسور فشار پیزومقاومتی استفاده از یک استرین گیج (Strain gauge) ساخته شده از مواد رسانا است که مقاومت الکتریکی آن هنگام کشش تغییر می کند. استرین گیج (Strain gauge) می تواند به یک دیافراگم متصل شود و هنگام تغییر شکل عنصر حسگر ، تغییرات مقاومت را تشخیص دهد. تغییر مقاومت به یک سیگنال خروجی تبدیل می شود.

سه نمونه از تاثیرات جداگانه ای که به تغییر مقاومت یک جسم رسانا کمک می کنند عبارتند از:

مقاومت یک رسانا متناسب با طول آن است، بنابراین کشش، مقاومت آن را افزایش می دهد.
با کشش یک رسانا، سطح مقطع آن کاهش می یابد و همین امر باعث افزایش مقاومت آن می شود.
مقاومت ذاتی برخی مواد هنگام کشش افزایش می یابد.

در نهایت، اثر پیزومقاومتی بین مواد مختلف، بسیار متفاوت است.

یک پارامتر مهم و اساسی برای استرین گیج ها حساسیت (Sensitivity) آن ها نسب به کشش است که به عنوان عامل گیج (Gauge Factor) یا GF شناخته می شود و برابر با نسبت تغییرات در مقاومت الکتریکی بر تغییرات طول (کشش) می باشد.

به عبارت میزان حساسیت یک استرین گیج نسبت به کشش از رابطه زیر محاسبه می شود.

GF	Gauge Factor عامل گیج (حساسیت استرین گیج)
R	مقاومت اولیه استرین گیج
ΔR	تغییرات مقاومت استرین گیج
L	طول اولیه استرین گیج
ΔL	تغییرات طول استرین گیج
ε	میزان کشش

عناصر حسگر فشار

عناصر استرین گیج (Strain gauge) می توانند از فلز یا یک ماده نیمه رسانا ساخته شوند.

تغییر مقاومت در استرین گیج های فلزی عمدتاً ناشی از تغییر در هندسه (طول و سطح مقطع) مواد است. در بعضی از فلزات، به عنوان مثال آلیاژهای پلاتین ، اثر پیزومقاومتی می تواند حساسیت را به میزان دو یا چند برابر افزایش دهد.

در مواد نیمه رسانا، اثر پیزومقاومتی غالب است. به عبارت دیگر خاصیت نیمه رسانا بودن، تاثیر بیشتری نسبت به تغییر در هندسه (تغییر طول و سطح مقطع)، به منظور تغییر مقاومت دارد.

عملکرد سنسور فشار پیزومقاومتی

تغییر مقاومت در سنسور معمولاً با استفاده از یک مدار پل وتسون (Wheatstone bridge) مطابق شکل زیر اندازهگیری می شود. این امر اجازه می دهد تا تغییرات کوچک در مقاومت سنسور به ولتاژ خروجی تبدیل شود.

اندازه گیری های استرین گیج پیزومقاومتی با استفاده از یک مدار پل وتسون (Wheatstone bridge) انجام می شود.

مدار پل به یک ولتاژ تحریک احتیاج دارد. وقتی هیچ کششی وجود نداشته باشد و تمام مقاومتهای موجود در پل متعادل باشند، خروجی صفر ولت خواهد بود. تغییر فشار باعث تغییر مقاومت در پل و در نتیجه تغییر ولتاژ یا جریان خروجی مربوطه می شود. نحوه محاسبه آن در فرمول زیر نشان داده شده است.

با استفاده از دو یا چهار عنصر حسگر در پل می توان عملکرد را بهبود بخشید (به طور مثال: استفاده از عناصر حسگر به صورت جفت که در معرض کشش یکسان ولی معکوس قرار می گیرند). این امر باعث افزایش سیگنال خروجی شده و می تواند اثرات دما بر روی عناصر حسگر را به حداقل برساند.

ساختار سنسور فشار پیزومقاومتی

عناصر حسگر فلزی (Metal sensing elements)

یک یا چند سنسور استرین گیج ساخته شده از سیم فلزی را می توان به سطح یک دیافراگم متصل نمود.

اعمال فشار به دیافراگم باعث کشش سیم ها و تغییر مقاومت می شود. عناصر حسگر را می توان به وسیله چسب و یا مستقیماً با روش اسپاترینگ (Sputtering) روی دیافراگم متصل نمود.

روش اسپاترینگ (Sputtering) مشکلات احتمالی مربوط به عدم چسبندگی در دماهای بالا را رفع و همچنین ساخت تجهیزات کوچک را آسان تر می کند.

همچنین می توان یک حسگر سیمی فلزی را به روش بیچاندن سیم بین نقاطی که با تغییر فشار جابجا می شوند نیز طراحی کرد. این ساختار می تواند در دماهای بالاتری نیز کار کند زیرا برای اتصال سیم به نقاط مرتبط به چسب نیازی نیست.

عناصر حسگر نیمه رسانا (Semiconductor sensing elements)

از مواد نیمه رسانا، معمولاً سیلیکون نیز می توان برای ساخت سنسورهای استرین گیج استفاده نمود. مشخصات عنصر حسگر، به ویژه اندازه اثر پیزومقاومتی به وسیله دوپینگ قابل تنظیم است.

منظور از دوپینگ، اضافه کردن مقادیر دقیق ناخالصی (دوپانت) به یک ماده نیمه رسانا به منظور دستیابی به ویژگی های الکتریکی مطلوب می باشد.

کمتر دوپینگ شدن سیلیکون منجر به افزایش مقاومت و عامل گیج (Gauge Factor) بالاتر می شود. با این حال ، این امر باعث افزایش حساسیت حرارتی مقاومت و عامل گیج (Gauge Factor) می شود.

فرآیند ساخت سنسور فشار پیزومقاومتی

سنسورهای نیمه رسانا را می توان با قرار دادن عناصر استرین گیج سیلیکونی بر روی دیافراگم ، به روش مشابه سنسورهای سیم فلزی ساخت.

آنها همچنین می توانند با استفاده از همان روش های تولید که برای ساخت وسایل نیمه رسانا الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند، بطور مستقیم بر روی سطح سیلیکون ساخته شوند. این اجازه می دهد تا سنسورهای بسیار کوچک و ارزان قیمت با ویژگی های به دقت کنترل شده مانند حساسیت (Sensitivity)، خطی بودن (Linearity) و پاسخ دهی دما (Temperature Response) تولید شوند.

همچنین اجزای الکترونیکی می توانند به منظور بهینه سازی سیگنال (Signal conditioning) و فراهم نمودن ارتباط الکتریکی ساده بر روی همان تراشه سیلیکونی ساخته شوند. در این مقاله به معرفی سنسورهای فشاری که از سیستمهای مکانیکی میکروالکترونیک (microelectronic mechanical systems (MEMS)) در ساختار آن ها استفاده شده خواهیم پرداخت.

طراحی سنسور فشار پیزومقاومتی

برای اطمینان از بالاترین درستی (Accuracy)، باید چندین عامل که می توانند بر روی خروجی تاثیر بگذارند در نظر گرفته شوند. هر گونه تغییر و یا نویز در ولتاژ تحریک باعث تغییر متناظر در خروجی سنسور می شود. بنابراین باید اطمینان حاصل شود که این مقدار کمتر از درستی اندازه گیری مورد نیاز است.
ممکن است لازم باشد که از یک مقاومت کالیبراسیون قابل تنظیم در مدار پل استفاده شود تا در مواقعی که فشاری اعمال نمی شود، ولتاژ خروجی را بر روی صفر ست کند.
به منظور جلوگیری از تغییر آفست در فرآیند اندازه گیری و کاهش حساسیت، باید مقاومت سیم های متصل به سنسور پایین باشند. همچنین ضریب دمایی سیمهای مسی ممکن است بیشتر از سنسور باشد که می تواند حساسیت حرارتی نامطلوبی ایجاد کند.
سیم های طولانی تر تاثیر پذیری بیشتری در برابر نویز دارند. با استفاده از جفت سیم های بهم پیچیده شده و شیلد می توان اثر نویز را به حداقل رساند.
استفاده از ولتاژ تحریک بالاتر منجربه افزایش خروجی سنسور شده و نسبت سیگنال به نویز را بهبود می بخشد. با این وجود جریان بالاتر می تواند منجر به گرم شدن عنصر حسگر شده و مقاومت و حساسیت سنسور را تغییر دهد.
خود-گرمایشی همچنین می تواند بر روی اتصال چسبی استرین گیج به دیافراگم تأثیر گذار باشد و باعث ایجاد خطاهایی شود که باعث کاهش درستی سنسور در طول زمان می شود. با استفاده از یک استرین گیج با مقاومت بالاتر می توان اثرات خود-گرمایشی را کاهش داد.
منبع ولتاژ بهینه باعث ایجاد تعادل میان به حداقل رساندن اثر خود-گرمایشی و به دست آوردن سیگنال مطلوب می شود. می توان به صورت آزمایشی بدون اعمال فشار (هنگامی که خروجی سنسور صفر است)، ولتاژ تحریک را افزایش داد تا زمانی که خروجی تغییر کند (به دلیل اثر خود-گرمایشی). بنابراین ولتاژ تحریک باید کاهش یابد تا خطای خروجی ناپدید شود.
در صورت امکان، باید به منظور کاهش طول سیم های اتصال، تقویت سیگنال خروجی و بهبود سیگنال نسبت به نویز، از مدار تقویت کننده نزدیک به سنسور استفاده شود. این امر همچنین می تواند خروجی سنسور را برای از بین بردن نویز های خارجی فیلتر کند.
می توان با نظارت بر ولتاژ تحریک در سنسور یا دور کردن آن از خروجی سنسور و یا استفاده از آن به عنوان ولتاژ مرجع برای مبدل آنالوگ به دیجیتال، اثرات هر گونه تغییر در ولتاژ تحریک مانند افت ولتاژ ناشی از سیم های طولانی را به حداقل رساند.

مشخصات فنی سنسور فشار پیزومقاومتی

در سنسورهای فشار استرین گیج فلزی معمولی، عامل گیج (Gauge Factor) حدودا برابر با 2 تا 4 است. با حداکثر کشش در حد چند هزارم ، این به معنای تغییر در خروجی سنسور در حدود 1 mV برای هر ولت تحریک (1 mV/V) است.

سنسورهای مبتنی بر سیلیکون معمولاً دوپینگ می شوند تا بتوانند عامل گیج (Gauge Factor) از 100 تا 200 ارائه دهند. آن ها سازش خوبی میان حساسیت و خصوصیات حرارتی ایجاد می کنند. خروجی یک سنسور سیلیکونی می تواند حدود 10 میلی ولت برای هر ولت تحریک (10 mV/V) باشد.

مزایا و معایب سنسور فشار پیزومقاومتی

یکی از مزیت های سنسور فشار استرین گیج پیزومقاومتی، دارا بودن استحکام بالا می باشد. عملکرد و کالیبره بودن آنها با گذشت زمان پایدار می ماند.
یکی از معایب این سنسورها این است که آنها نسبت به برخی دیگر از سنسورهای فشار توان بیشتری مصرف می کنند. این ممکن است بدین معنی باشد که آنها برای سیستم هایی که با باطری تغذیه می شوند و یا سیستم های قابل حمل مناسب نیستند.
عناصر حسگر متشکل از فیلم های فلزی از مزایای تولید آسان و دوام بالا برخوردار هستند. آنها همچنین دارای حداکثر دمای عملکرد بالاتر (تا حدود 200 درجه سانتیگراد) نسبت به استرین گیج های سیلیکونی هستند که به کمتر از 100 درجه سانتیگراد محدود می شوند.
استرین گیج های سیلیکونی سیگنال خروجی بسیار بزرگتری را ارائه می دهند که آنها را برای کاربردهای فشار پایین، حداقل حدود kPa 2 مناسب می سازد.
سنسورهای فشار MEMS می توانند بسیار کوچکتر از سنسورهای سیم فلزی ساخته شوند و می توانند با تجهیزات الکترونیکی به منظور پردازش سیگنال به کارگیری شوند و می تواند میزان غیر خطی بودن (Non-linearity) و وابستگی دمایی (Temperature Dependence) را کنترل کند.

سنسور فشار پیزوالکتریک

Piezoelectric pressure sensor

سنسور فشار پیزوالکتریک چیست؟

پیزو الکتریسیته (Piezoelectricity)، شارژ الکتریکی است که هنگام اعمال فشارهای مکانیکی در برخی از مواد خاص ایجاد می شود.

سنسورهای فشار پیزوالکتریک، از این اثر، با اندازه گیری ولتاژ تولید شده ناشی از اعمال فشار به یک عنصر پیزوالکتریک بهره برداری می کنند. آنها بسیار مقاوم هستند و در طیف گسترده ای از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.

اصول عملکرد سنسور فشار پیزوالکتریک

هنگامی که یک نیرو به یک ماده پیزوالکتریک اعمال می شود، یک شارژ الکتریکی در سراسر سطح کریستالی آن ایجاد می شود که می تواند به عنوان یک ولتاژ متناسب با فشار اندازه گیری شود. (نمودار زیر)

هنگامی که یک نیرو به یک ماده پیزوالکتریک اعمال می شود، یک ولتاژ متناسب با فشار ایجاد می شود.

همچنین یک اثر پیزو الکتریکی معکوس نیز وجود دارد که با اعمال ولتاژ بر روی مواد خاص باعث تغییر شکل آن ها می شود.

یک نیروی استاتیک (ثابت) اعمال شده، منجر به ایجاد یک شارژ الکتریکی متقابل در سنسور می شود. اما این شارژ الکتریکی به مروز زمان در اثر عایق بندی نا مناسب، مقاومت داخلی سنسور و وجود تجهیزات الکترونیکی متصل شده به سنسور، نشت پیدا می کند. در نتیجه سنسورهای پیزوالکتریک معمولاً برای اندازه گیری فشارهای استاتیک مناسب نیستند. سیگنال خروجی به تدریج به صفر می رسد حتی در شرایطی که میزان فشار اعمال شونده ثابت نگه داشته شود. با این وجود، نسبت به تغییرات دینامیک فشار در طیف گسترده ای از فرکانس ها و فشارها حساس هستند. این حساسیت دینامیک بدین معنی است که آنها برای اندازه گیری تغییرات کوچک فشار حتی در محیط های با فشار بالا، مناسب هستند.

عملکرد سنسور فشار پیزوالکتریک

برخلاف ترانسدیوسر های پیزومقاومتی و خازنی ، عناصر حسگر پیزوالکتریک نیازی به منبع ولتاژ یا منبع جریان اضافی ندارند. آنها سیگنال خروجی را مستقیماً به واسطه نیروی وارد شده تولید می کنند.

خروجی عنصر پیزوالکتریک یک شارژ الکتریکی متناسب با فشار است. برای تشخیص میزان آن به یک تقویت کننده شارژ نیاز است تا این سیگنال را به ولتاژ تبدیل نماید.

برخی از سنسورهای فشار پیزوالکتریکی به منظور ساده تر کردن ارتباط الکتریکی و ارائه یک ولتاژ خروجی ، خود شامل یک تقویت کننده داخلی هستند. در این موارد، سنسور به یک منبع تغذیه احتیاج دارد.

به کارگیری از یک تقویت کننده داخلی باعث استفاده آسان تر از سنسور فشار می شود. به عنوان مثال، استفاده از کابل های انتقال سیگنال طولانی تر برای اتصال به سنسور امکان پذیر می شود. تقویت کننده همچنین می تواند شامل مدار بهینه سازی سیگنال (Signal conditioning) به منظور فیلتر کردن خروجی، تنظیم و جبران سازی دما و تغییر حساسیت عنصر حسگر باشد.

بنابراین وجود این گونه قطعات الکترونیکی اضافی، دمای عملکرد سنسور را به کمتر از 120 درجه سانتیگراد محدود می کند.

برای محیط های با دمای بالاتر ، می توان از سنسورهای Charge-mode استفاده کرد. این سنسورها شارژ الکتریکی تولید شده در اثر فشار را مستقیماً به عنوان یک سیگنال خروجی ارائه می دهند. بنابراین سنسور برای تبدیل این شارژ به ولتاژ به یک تقویت کننده شارژ خارجی نیاز دارد.

طراحی و ساخت قطعات الکترونیک خارجی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. دارا بودن خروجی با امپدانس بالا برای سنسور بدین معنی است که مدارات آن نسبت به نویز ناشی از اتصالات ضعیف، جابجایی کابل و تداخل الکترومغناطیسی (RFI یا EMI) حساس هستند.

پاسخ دهی فرکانس پایین سنسور توسط مدت زمان تخلیه تقویت کننده تعیین می شود.

ساختار سنسور فشار پیزوالکتریک

اثر پیزوالکتریک به موادی با عدم تقارن خاص در ساختار کریستالی احتیاج دارد. این مواد شامل برخی از کریستال های طبیعی مانند کوارتز یا تورمالین می شود.

همچنین سرامیک های فرموله شده خاص می توانند با قطبیت مناسب تولید شوند تا خاصیت پیزوالکتریک پیدا کنند. این سرامیک ها نسبت به کریستال های طبیعی حساسیت بالاتری دارند. با استفاده از تغییر شکل دادن به کوچکی 0.1 %، می توان یک خروجی قابل استفاده و مناسب تولید کرد.

از آنجا که مواد پیزو الکتریک سفت و سخت هستند، فقط یک انحراف بسیار کمی از مواد برای به دست آوردن سیگنال خروجی قابل استفاده مورد نیاز است. این باعث می شود که سنسورها در برابر شرایط فشار مازاد (Over-pressure) بیش از حد، مقاوم و مستحکم باشند. همچنین این بدین معنی است که آنها به سرعت به تغییرات فشار پاسخ می دهند.

سنسور فشار می تواند تحت تأثیر هر نیروی خارجی اعمال شونده بر روی عنصر پیزوالکتریک قرار گیرد، به عنوان مثال نیروهایی که در اثر شتاب یا نویز ایجاد می شوند.

میکروسنسورها را می توان با استفاده از فیلم های نازک ساخت. زینک اکساید (Zinc oxide) اولین ماده مورد استفاده برای این منظور بود. این ماده تا حد زیادی توسط سرامیک های ساخته شده از موادی مانند تیتانات زیرکونات سرب (Lead zirconate titanate (PZT)) به دلیل اثر پیزوالکتریک بزرگتر جایگزین شده است.

سیستمهای مکانیکی میکروالکترونیک (microelectronic mechanical systems (MEMS)) با ترکیب فیلم های نازک پیزوالکتریک و دیافراگم های سیلیکونی میکروماشین شده ایجاد می شوند.

همچنین از مواد پیزوالکتریک در برخی دیگر از سنسورهای MEMS استفاده می شود. به عنوان مثال ، اثر پیزو الکتریک معکوس برای تولید امواج صوتی سطحی توسط دیافراگم استفاده می شود. کج شدن سطح تحت فشار را می توان با تغییرات به وجود آمده در موجی که توسط عنصر پیزوالکتریک دیگر دریافت می شود تشخیص داد.

طراحی سنسور فشار پیزوالکتریک

سنسورهای فشار پیزوالکتریک غالباً در یک محفظه لوله ای شکل دارای رزوه ساخته می شوند (همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است) تا امکان نصب آسان آن ها در تجهیزاتی که فشار در آن ها مانیتور می شود را میسر سازد. در هنگام نصب این سنسورها احتیاط لازم است زیرا سفت شدن بیش از حد می تواند روی حساسیت خروجی تأثیر بگذارد.

در برخی از کاربردهای معمولی، ممکن است سنسورهای فشار پیزوالکتریک در معرض شوک های حرارتی (تغییر ناگهانی دما) ناشی از گرمای تابشی یا جریان گازها و مایعات داغ قرار گیرند.

به علت گرم شدن کریستال، دیافراگم یا بدنه سنسور، ممکن تغییراتی در خروجی ایجاد شود. اما باید توجه داشت که این مورد با حساسیت دمای استاتیک سنسور یکی نیست.

اثرات شوک حرارتی را می توان با طراحی محفظه مناسب و نصب سنسور در محیط ایزوله به حداقل رساند.

حساسیت سنسور فشار پیزوالکتریک

خروجی در یک محدوده وسیع خطی است، به طور معمول از kPa 0.7 تا MPa 70 یا (0.1 … 1000 psi) و درستی (Accuracy) حدودا برابر % 0.1 می باشد.

سنسورهای سرامیکی با گذشت زمان در معرض از دست دادن حساسیت قرار می گیرند. اما این امر معمولاً بسیار ناچیز است. معمولاً کمتر از % 1 در سال.

همچنین ممکن است حساسیت آن ها هنگامی که برای اولین بار در معرض فشار و دما زیاد قرار گیرند، کمی کاهش یابد. می توان با به کارگیری سنسور در حداکثر فشار و درجه حرارت مورد انتظار، قبل از استقرار آنها از این اثرات جلوگیری کرد.

پاسخ فرکانسی سنسورهای فشار پیزوالکتریک در فرکانسهای پایین کاهش پیدا می کند زیرا شارژ الکتریکی تولید شده قابل نگه داشتن نیست.

در فرکانس های بالا یک قله وجود دارد که مربوط به فرکانس رزونانس عنصر پیزوالکتریک است. سنسور معمولاً در ناحیه مسطح منحنی پاسخ، میان دو ناحیه مشخص شده مورد استفاده قرار می گیرد (شکل زیر)

کاربردها سنسور فشار پیزوالکتریک

استحکام، فرکانس بالا و زمان پاسخ دهی سریع سنسورهای فشار پیزوالکتریک به این معنی است که می توانند در طیف گسترده ای از کاربردهای صنعتی و هوافضا مورد استفاده قرار گیرند (در معرض دما و فشارهای بالا قرار گیرند).

آنها اغلب برای اندازه گیری فشار دینامیکی، به عنوان مثال اندازه گیری فشار تلاطم ها، انفجار و احتراق موتور ها استفاده می شوند. همه این موارد نیاز به پاسخ دهی سریع ، استحکام و طیف گسترده ای از محدوده عملکرد دارند.

همچنین میزان حساسیت و توان مصرفی کم آنها باعث می شود که برای برخی از کاربردهای پزشکی مفید باشند. به عنوان مثال، می توان از یک سنسور پلاستیکی فیلم نازک به منظور اتصال به پوست و نظارت بر نبض شریان استفاده نمود.

مزایا و معایب

یکی از مهمترین مزایای سنسورهای فشار پیزو الکتریک مستحکم بودن آنها است. این امر باعث می شود آنها برای استفاده در انواع محیط های خشن مناسب باشند.
بدون استفاده از سایر قطعات الکترونیکی، سنسورهای پیزوالکتریک در دماهای بالا قابل استفاده هستند. برخی از مواد تا 1000 درجه سانتیگراد می توانند تحمل کنند. حساسیت ممکن است با درجه حرارت تغییر کند اما با انتخاب مواد مناسب می تواند به حداقل برسد.
سیگنال خروجی توسط خود عنصر پیزو الکتریک تولید می شود، بنابراین آنها ذاتا تجهیزات کم مصرف با توان پایین هستند.
عنصر حسگر در برابر تداخل الکترومغناطیسی و تابش غیر حساس است. تقویت کننده شارژ الکتریکی و سایر تجهیزات الکترونیکی به منظور کاهش نویز و سایر خطاهای سیگنال باید با دقت هر چه بیشتر نزدیک به سنسور قرار گیرند.
سنسورهای فشار پیزوالکتریک می توانند به راحتی و با استفاده از مواد ارزان قیمت (به عنوان مثال کوارتز یا تورمالین) ساخته شوند، بنابراین می توانند یک راه حل کم هزینه برای اندازه گیری فشار صنعتی ارائه دهند.

سنسور فشار MEMS

MEMS Pressure Sensor

سنسور فشار MEMS چیست؟

تجهیزات (Microelectromechanical systems (MEMS)) اجزای کوچک مکانیکی و الکترونیکی را روی یک تراشه سیلیکونی با یکدیگر ترکیب و به کار می گیرند.

همچنین می توان از تکنیک های ساخت استفاده شده برای تولید ترانزیستور، اتصال دهنده ها و سایر اجزای سازنده در آی سی ها (IC)، برای ساخت قطعات مکانیکی مانند فنرها، غشاهای قابل تغییر شکل، سازه های ارتعاش، ولو ها، دنده ها و اهرم ها استفاده کرد.

از این فناوری می توان برای ساخت انواع سنسورها از جمله چندین نوع سنسور فشار استفاده کرد. این فناوری، ترکیب سنسورهای دقیق، پردازش قدرتمند و ارتباط بی سیم (به عنوان مثال Wi-Fi یا بلوتوث) را در یک IC واحد امکان پذیر می کند.

عملکرد سنسور فشار MEMS

چندین نوع سنسور فشار با استفاده از تکنیک های MEMS ساخته می شود. در اینجا دو مورد از متداول ترین آن ها را مورد بحث قرار می دهیم:

سنسور فشار پیزومقاومتی (Piezoresistive)
سنسور فشار خازنی (Capacitive)

در هر دو سنسور، یک لایه انعطاف پذیر ایجاد می شود که به عنوان یک دیافراگم عمل می کند و تحت فشار تغییر شکل می دهد اما از روش های مختلفی برای اندازه گیری این جابجایی استفاده می شود.

سنسور فشار خازنی MEMS

MEMS Capacitive Pressure Sensors

برای ایجاد یک سنسور فشار خازنی، لایه های رسانا روی دیافراگم و کف یک حفره قرار می گیرند تا یک خازن ایجاد شود. ظرفیت آن معمولاً حدود چند پیکوفراد است.

تغییر شکل دیافراگم، فاصله بین صفحات رسانا و در نتیجه ظرفیت رو خازن را تغییر می دهد (عکس زیر). این تغییر را می توان با وارد کردن سنسور در یک مدار تنظیم شده اندازه گیری کرد که فرکانس آن با تغییر فشار تغییر می کند.

این سنسور را می توان با استفاده از قطعات الکترونیکی روی تراشه برای ایجاد یک نوسان ساز استفاده نمود که باعث تولید سیگنال خروجی می شود. به دلیل مشکل در ایجاد اندوکتانس بزرگ بر روی سیلیکون، این سیستم معمولاً بر پایه یک مدار RC عمل می کند.

این روش برای کاربرد های بی سیم بسیار مناسب است زیرا سیگنالی با فرکانس بالا تولید می کند که با یک آنتن خارجی مناسب قابل تشخیص است.

از طرف دیگر، می توان با اندازه گیری زمان لازم برای شارژ شدن خازن توسط یک منبع جریان، مستقیماً ظرفیت خازن را اندازه گیری نمود. در این مورد می توان با مقایسه با یک خازن مرجع اثرات حرارتی را کاهش داد.

در هر دو مورد، نزدیکی قطعات الکترونیکی و عنصر حسگر، خطاهای ناشی از تاثیرات خازن و نویز را به حداقل می رساند.

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد سنسورهای فشار خازنی به این مقاله مراجعه کنید.

سنسور فشار استرین گیج پیزوالکتریک MEMS

MEMS Piezoresistive Strain Gauge Sensor

سنسور استرین گیج پیزوالکتریک اولین سنسور فشار MEMS موفقیت آمیز بوده و به طور گسترده ای در کاربردهایی مانند خودرو سازی، لوازم پزشکی و لوازم خانگی مورد استفاده قرار می گیرد.

عناصر حسگر رسانا مستقیماً روی دیافراگم قرار می گیرند. تغییرات در مقاومت این رساناها، اندازه گیری فشار اعمال شده را به همراه دارد. تغییر مقاومت متناسب با استرین است که در واقع تغییر نسبی در طول رسانا است.

مقاومت ها در یک شبکه پل Wheatstone متصل می شوند، که امکان اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات در مقاومت را فراهم می کند. عناصر پیزومقاومتی می توانند به گونه ای تنظیم شوند که فشار متضاد را تجربه کنند (نیمی از آن کشیده شده و نیمی دیگر فشرده می شوند) تا سیگنال خروجی را برای فشار داده شده به حداکثر برساند (شکل زیر).

دو روش نصب عناصر پیزومقاومتی

Vex = ولتاژ تحریک

Vo= ولتاژ خروجی متناسب با تغییر مقاومت

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد سنسورهای فشار استرین گیج پیزومقاومتی به این مقاله مراجعه کنید.

سایر سنسورهای فشار MEMS

روش های دیگری نیز برای ساخت سنسورهای فشار MEMS وجود دارد.

به عنوان مثال، می توان یک ساختار مکانیکی با یک فرکانس رزونانس ایجاد کرد که تابعی از فشار اعمال شده است (مانند تنظیم پیانو). یک سیگنال برای ایجاد ارتعاش در ساختار اعمال می شود و سپس تغییر در فرکانس رزونانس اندازه گیری می شود. چنین وسایلی می توانند بسیار دقیق باشند اما ساخت آنها دشوار است و نسبت به سایر عوامل محیطی مانند دما حساس هستند و باعث تغییر فرکانس رزونانس می شوند.

سنسور موج صوتی سطحSAW) ) با ارسال ارتعاش به درون یک فیلم نازک از مواد پیزوالکتریک کار می کند. امواج توسط ترانسدیوسر دیگری جمع می شوند و دوباره به سیگنال الکتریکی تبدیل می شوند. می توان با اندازه گیری تغییرات دامنه یا فاز سیگنال صوتی (ناشی از تغییر شکل سطح) فشار را اندازه گیری نمود.

ساختار سنسور فشار MEMS

از سنسورهای فشار MEMS می توان برای اندازه گیری پارامترهای فیزیکی مانند شتاب، دما و فشار استفاده کرد. برای اندازه گیری خروجی سنسورها، پردازش سیگنال و ارائه ارتباط بی سیم می توان قطعات الکترونیکی مرتبط را بر روی همان تراشه قرار داد.

از طرف دیگر، سنسور و قطعات الکترونیک می توانند در دستگاه های جداگانه ای باشند که در یک بسته چند تراشه ای واحد به هم متصل هستند.

ساخت سنسور فشار MEMS

تکنیک های ساخت MEMS مبتنی بر روش هایی است که برای ساخت نیمه رسانا ها استفاده می شود.

تولید با قطعه سیلیکونی با خلوص بالا شروع می شود. برای ایجاد سازه های چند لایه و اجزاء و اتصالات بین آنها از ترکیبی از الگوی چاپی با استفاده از لاک نوری، قلم زنی و رسوب مواد استفاده می شود.

اجزای مکانیکی را می توان با از بین بردن مواد اطراف آن برای ساختاری که حرکت کردن آزاد نیاز دارد ایجاد کرد. این روش برای ساخت دستگاه هایی مانند شتاب سنج، نازل های جوهر افشان و حتی تکمیل سیستم های “lab on a chip”استفاده می شود.

سرانجام، قطعه سیلیکونی به قالب های تکی برش داده می شود، که می تواند اندازه آن از یک میلی متر تا چند میلی متر باشد. در هر قطعه می تواند هزاران قالب باشد. سپس اینها بسته بندی شده و سیمهای اتصال دهنده به هم متصل می شوند. هزینه نهایی می تواند از 10 پنس تا چند پوند باشد.

یک قطعه سیلیکونی واحد می تواند برای ایجاد انواع تراشه های مختلف به طور همزمان استفاده شود و هزینه های تولید را در چندین محصول یا مشتری پخش کند. این ویژگی همچنین سنسورهای نیمه سفارشی با هزینه نسبتاً کم را امکان پذیر می کند که پارامترهای خاصی از یک دستگاه استاندارد برای یک کاربرد خاص اختصاصی شود.

ماده نیمه رسانایی که معمولاً از آن استفاده می شود سیلیکون است. این ماده ممکن است با سایر مواد برای کاربردهای خاص ترکیب شود. به عنوان مثال، برای لوازم الکترونیکی پر سرعت و کم مصرف، ساختارهای سیلیکون ممکن است بر روی یک ماده عایق مانند یاقوت کبود یا دی اکسید سیلیکون ساخته شوند تا سیلیکون روی دستگاههای عایق یا SoL ایجاد شود.

سیلیکون برای سنسورهای فشار دما بالا مناسب نیست زیرا خواص مکانیکی و الکتریکی آن در دمای حدود 500 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. برای کاربردهای با درجه حرارت بالا ، سنسور ممکن است از کاربید سیلیکون (SiC) ساخته شود. این ماده مقاومت و استحکام بیشتری در برابر فرسودگی دارد و همچنین در برابر سایش، اکسیداسیون و خوردگی بهتر از سیلیکون مقاومت می کند. این امر باعث می شود ماده ای بهتری برای تولید سنسورهای فشار پایدار برای محیط های خشن باشد.

پیکره بندی سنسور فشار MEMS

پیکره بندی یک سنسور فشار باید با توجه به سازگاری با محیطی که دستگاه در آن استفاده می شود، طراحی شود. یک چالش اصلی برای سنسورهای فشار، قرار گرفتن موثر در معرض شرایط محیطی است که بتواند علاوه بر اندازه گیری فشار، در برابر میدان مغناطیسی، دما، شوک، مایعات و گازها نیز محافظت کافی داشته باشد.

جنبه مهم فرآیند پیکره بندی برای سنسورهای فشار، آب بندی و مهر و موم مناسب آن است، به ویژه برای سنسورهای فشار مطلق، که به منظور دستیابی به ثبات بلند مدت نیاز به حفظ یک محفظه خلاء در زیر سنسور دارند.

سنسور فشار اغلب بر روی یک بستر شیشه ای پیرکس متصل می شود زیرا خصوصیات حرارتی آن بسیار شبیه سیلیکون است.

کاربردهای سنسور فشار MEMS

سنسورهای فشار از دیرباز در پزشکی مورد استفاده قرار گرفته اند، در كاربردهای (non-invasive) مانند كنترل فشار هوا در تجهیزات تنفسی و اندازه گیری فشار خون. اخیراً، قابلیت نظارت ارائه شده توسط دستگاههای MEMS، امکان استفاده از آن ها در اکثر کاربردهای (invasive) مانند سنسورهای نوک سوند و دستگاه های ایمپلنت مانند فشار خون و ضربان قلب را فراهم کرده است.

برای کاربردهای پزشکی چالش پیکره بندی (ساخته شدن از مواد سفت و سخت با لبه های تیز) سازگار با محیط زیست وجود دارد. اين امر با محصور كردن تجهیز در پلاستيك سازگار با زيست يا سيم ميسر مي شود.

اندازه كوچك، مصرف كم و ثبات طولاني مدت دستگاه هاي MEMS نيز باعث مي شود كه آنها به خوبي در بازارهايي مانند هوافضا در جايي كه ماندگاري و قابليت اطمينان از اهميت ويژه اي برخوردار هستند ، مناسب باشند. آنها در برنامه های مختلفی از جمله مانیتورینگ فشار کابین ، کنترل موتور و ابزارهایی مانند ارتفاع سنج و فشارسنج استفاده می شوند.

مزایا و معایب سنسور فشار MEMS

سنسورهای MEMS به دلیل کوچک بودن و نزدیکی به قطعات الکترونیکی، می توانند توان مصرفی بسیار کمی داشته باشند. در برخی موارد، آنها می توانند توسط باطری کوچکی که چندین سال دوام می آورد، تغذیه شوند. برخی حتی می توانند بدون باطری یا با استفاده از انرژی اخذ شده از محیط یا انرژی تامین شده توسط دستگاه دیگری که داده های سنسور را می خواند، کار کنند.

سنسورهای خازنی دارای مزایای مصرف کمتر انرژی، حساسیت بیشتر و عدم وابستگی دمایی هستند.

مهمترین مزیت سنسورهای پیزومقاومتی، خطی بودن و پایداری بالای آنهاست.

سنسورهای MEMS از مزیت دارا بودن اندازه بسیار کوچک برخوردارند. این به این معنی است که آنها می توانند به سرعت به تغییرات کوچک فشار پاسخ دهند. همچنین این امر امکان استفاده از آن ها را در کاربردهای جدید، مانند دستگاههای پزشکی قابل ایمپلنت فراهم می کند.

سنسور فشار نوری

Optical pressure sensors

سنسور فشار نوری چیست؟

سنسورهای فشار نوری از طریق تأثیر نور، تغییر فشار را تشخیص می دهند.

در ساده ترین حالت این سنسور می تواند یک سیستم مکانیکی باشد که با افزایش فشار، عبور نور را مسدود می کند. در سنسورهای پیشرفته تر، اندازه گیری اختلاف فاز، امکان اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات فشار کوچک را فراهم می آورد.

اصول کاری سنسور فشار نوری

در یک سنسور فشار نوری مبتنی بر شدت، افزایش فشار باعث می شود منبع نور به تدریج مسدود شود. سپس سنسور تغییر میزان نور دریافتی را اندازه گیری می کند.

به عنوان مثال، در مکانیسم ساده ای که در زیر نشان داده شده است، اعمال فشار، یک دیافراگم را جابجا می کند و تیغه مات متصل به آن، نوری که از LED می تابد را مسدود می کند. افت شدت نور توسط فتودیود تشخیص داده می شود و اندازه گیری مستقیمی از فشار را نشان می دهد.

یک سنسور فشار نوری ساده

یک سنسور فشار نوری ساده، نیاز به یک فتودیود مرجع دارد (همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است) که هرگز توسط تیغه مات مسدود نمی شود. این ویژگی به سنسور این اجازه را می دهد تا تغییرات در نور خروجی ناشی از عوامل دیگر مانند: فرسوده شدن منبع نور، تغییر در ولتاژ تغذیه و غیره را اصلاح کند.

این سیستم های مکانیکی نسبتاً بزرگ هستند. نسخه های بسیار کوچکتر با یک غشای بازتابنده و دو فیبر نوری ساخته می شوند، یکی به عنوان منبع نور و دیگری برای دریافت نور منعکس شده در نظر گرفته می شوند. اعمال فشار، غشاء (دیافراگم) را خم می کند و مقدار نور بازتاب شده به دتکتور (تشخیص دهنده) را تغییر می دهد (شکل زیر).

سایر سنسورهای فیبر نوری از تداخل سنج برای اندازه گیری تغییرات طول مسیر و فاز نور ناشی از تغییر فشار استفاده می کنند. در ادامه این مقاله بیشتر بر روی سنسور های فشار فیبر نوری تمرکز می کنیم.

عملکرد سنسور فشار نوری

سنسورهای فشار فیبر نوری را می توان به عنوان بیرونی، جایی که حس کردن در خارج از فیبر انجام می شود، یا ذاتی و درونی، جایی که فیبر خودش در پاسخ به فشار تغییر می کند، دسته بندی کرد.

با استفاده از تداخل سنج می توان اندازه گیری نوری بسیار حساسی را انجام داد، اندازه گیری تغییر فاز بین نوری که دو مسیر متفاوت را طی کرده است، این کار می تواند تغییرات در فاصله مربوط به کسری از طول موج نور را تشخیص دهد.

دو نوع سنسور فشار وجود دارد که از تداخل سنجی (Interferometry) استفاده می کنند که عبارتند از:

Fabry-Pérot interferometer (FPI)
fibre Bragg grating (FBG)

FPI یک سنسور از نوع بیرونی است که از تداخل بین چندین پرتوی نوری منعکس شده بین دو سطح در یک حفره استفاده می کند. با تغییر فاصله بین آنها، تداخل میزان نور دریافت شده از یک طول موج خاص را تغییر می دهد. این یکی از بهترین فن آوری های سنسورهای فشار نوری است. ساده، دقیق و بسیار راحت برای تنظیم اندازه ها و محدوده های فشار مختلف هستند.

FBG یک سنسور ذاتی است که دارای یک سری منظم از ساختارهای بازتابنده در فیبر است که در اثر کشش یا منعطف شدن فیبر تحت تأثیر قرار می گیرند. این باعث می شود طول موج نور منعکس شده تغییر کند.

ساختار سنسور فشار نوری

سطح مقطع یک حفره Fabry-Prot در نوک فیبر نوری

حفره Fabry-Prot با دو سطح منعکس کننده موازی را می توان در نوک فیبر نوری (همانطور که نشان داده شده است) ایجاد نمود.

یک سطح نیمه بازتابنده به فیبر (M1) متصل شده و یک غشای بازتابنده در انتهای مخالف حفره (M2) ایجاد می شود. این غشاء یک دیافراگم را تشکیل می دهد که با اعمال فشار حرکت می کند.

تغییر فاصله بین آینه ها باعث ایجاد اختلاف در مسیر طی شده توسط هر پرتوی نور (E1 و E2) می شود و از این رو تغییر فاز نسبی بین آنها ایجاد می شود. تداخل حاصل باعث تقویت یا کاهش طول موجهای خاص نور می شود.

وجود بازتاب های چندگانه و تعداد زیاد پرتوهای مداخله کننده، منجر به اندازه گیری با وضوح بسیار بالا می شود.

با استفاده از یک سری از تغییرات دوره ای در ضریب شکست فیبر، می توان یک توری براگ در یک فیبر ایجاد نمود. این باعث می شود طول موج خاصی از نور منعکس شود یا منتقل شود (بر اساس نسبت بین طول موج و فاصله) و در نتیجه طیف نور بازتاب شده همچنان که فیبر و فاصله کشیده می شود، تغییر کند.

فیبر را می توان به دیافراگمی متصل کرد که هنگام اعمال فشار ، فیبر را می کشاند. فشرده سازی فیبر همچنین اثرات ساینده را تغییر می دهد و دو قله در طیف ایجاد می کند.

یک توری براگ ایجاد شده در یک فیبر نوری ، که در آن n0 ، n1 ، n2 و n3 نشان دهنده تغییرات دوره ای در ضریب شکست فیبر است.

خروجی هر دو نوع سنسور را می توان به دو روش اندازه گیری کرد. در صورت استفاده از منبع تک رنگ یا باند باریک، تغییرات در دامنه سیگنال خروجی ایجاد خواهد شد (همچنان که طول حفره (یا فاصله یا گریتینگ) مقدار طول موج منعکس شده را تصحیح می کند.)

همچنین می توان از یک منبع نور با باند وسیع مانند نور سفید نیز استفاده کرد. در این حالت، فرکانس هایی که در آن تداخل سازنده یا مخرب رخ می دهد با فشار تغییر می کنند. این را می توان با یک آنالایزر طیف اندازه گیری کرد.

این سازه ها، به ویژه حفره های Fabry-Prot، همچنین برای تکنیک های ساخت سیلیکون مناسب هستند که اجازه می دهد سنسورهای نوری حتی کوچکتر نیز به عنوان تجهیزات میکرو الکترومکانیکی (MEMS) ساخته شوند.

موج بَرها (Waveguides )، معادل الیاف نوری و اجزای مکانیکی مانند غشاها می توانند در مقیاس میکرومتر ساخته شوند.

این سنسورها به دلیل کوچک بودن می توانند خیلی سریع به تغییرات فشار پاسخ دهند. دیودهای ساطع کننده نور ، لیزرهای حالت جامد ، تشخیص دهنده های فتودیود و اجزاء الکترونیک همه در یک تجهیز کوچک می توانند قرار داده شوند.

کاربردهای سنسور فشار نوری

به دلیل عدم تاثیر پذیری از تداخل الکترومغناطیسی، سنسورهای فشار فیبر نوری برای محیط های سخت صنعتی بسیار مناسب هستند (برای مثال در صنعت نفت و گاز، داخل یک چاه که به راحتی فشار به 20 kpsi و دما تا 185 °C می رسد). سنسورهای نوری در این شرایط سخت همچنان عملکرد خوبی دارند.

اندازه کوچک، انعطاف پذیری، عدم وجود ولتاژهای خطرناک بالقوه و ساخته شدن سنسورها از مواد غیر سمی، باعث می شود تا این سنسور ها برای کاربردهای پزشکی بسیار مناسب باشند.

قسمت های زیادی در بدن وجود دارد که اندازه گیری فشار آن ها می تواند برای تشخیص، نظارت طولانی مدت یا در طول درمان مهم باشد.

و همچنین اندازه گیری های واضح تر مانند فشار در رگ های خونی و ریه ها، اغلب برای اندازه گیری فشار در دستگاه گوارش، مثانه، مغز، استخوان ها و مفاصل مفید است. سنسورهای فیبر نوری این امکان را می دهند که این موارد با روشی بهتر و حداقل آسیب زننده انجام شود.

الزامات سنسور فشار بسته به دلیل اندازه گیری، مکان اندازه گیری، دامنه مقادیر اندازه گیری و اینکه آیا این یک اندازه گیری تکی یا نظارت طولانی مدت است، متفاوت است. همچنین استانداردهای مختلفی برای تجهیزات پزشکی تعریف شده است که سنسورهای فشار فیبر نوری طیف گسترده ای از این الزامات را برآورده می کنند.

مزایا و معایب سنسور فشار نوری

سنسورهای فشار مبتنی بر شدت، نسبت به تغییرات دما بسیار حساس نیستند زیرا اندازه گیری و تشخیص دهندهای مرجع به همان اندازه تحت تأثیر قرار دما می گیرند. از آنجا که میزان حرکت مورد نیاز بسیار اندک است، خطاهای هیسترزیس و تکرارپذیری بسیار کم است.

اندازه کوچک و انعطاف پذیری سنسورهای فیبر نوری بدان معنی است که می توان آنها را در مکان هایی مستقر نمود که استفاده از روش های دیگر دشوار باشد.

عدم احتیاج عنصر حسگر به هیچ منبع تغذیه باعث می شود تا این سنسورها در طیف گسترده ای از کاربرد ها مورد استفاده قرار گیرند که در آن تغذیه کردن سنسور می تواند مشکل باشد. این ویژگی همچنین مشکلات انتقال سیگنال را به دلیل پارازیت خازنی، تداخل الکترومغناطیسی و غیره از بین می برد.

از طرف دیگر، اندازه کوچک آنها می تواند به این معنی باشد که آنها مانند سایر سنسورهای دیگر مستحکم نیستند. حساسیت بالای آنها همچنین می تواند آنها را در برابر لرزش های صوتی یا مکانیکی حساس تر کند.

مقایسه سنسورهای فشار پیزو الکتریکی ، پیزومقاومتی و خازنی

Capacitive vs Piezo resistive vs Piezoelectric pressure sensors

اولین گیج های فشار کاملاً مکانیکی بودند. آنها از مکانیزم هایی مانند دیافراگم یا “لوله بوردون” استفاده می کردند که تحت فشار شکل آن ها تغییر می کرد و سبب می شد یک نشانگر بر روی صفحه عقربه ایی حرکت کند.

از آن زمان تکنیک های مختلفی برای تبدیل جابجایی های مکانیکی به سیگنال های الکتریکی ایجاد شده است. در اینجا مزایای نسبی سنسورهای فشار پیزومقاومتی، خازنی و پیزوالکتریک را بررسی خواهیم کرد.

اصول کاری

در یک سنسور فشار استرین گیج پیزومقاومتی، تغییر مقاومت الکتریکی یک یا چند مقاومت نصب شده بر روی دیافراگم اندازه گیری می شود. تغییر مقاومت مستقیماً با کشش ایجاد شده توسط فشار روی دیافراگم متناسب است. مقاومت ها در یک مدار پل Wheatstone متصل می شوند، که روشی بسیار حساس برای تبدیل تغییرات کوچک به یک ولتاژ خروجی است.
سنسورهای فشار خازنی تغییرات در ظرفیت یک خازن الکتریکی ناشی از حرکت یک دیافراگم را اندازه گیری می کنند. یک خازن از دو صفحه رسانای موازی که توسط یک فاصله کوچک از هم جدا شده اند تشکیل شده است. یکی از صفحات به عنوان دیافراگمی عمل می کند که در اثر فشار جابجا می شود و ظرفیت خازن را تغییر می دهد. تغییرات فرکانس رزونانس یک مدار (ناشی از تغییر ظرفیت) قابل اندازه گیری است. همچنین در یک سیستم دیجیتال می توان زمان لازم برای شارژ و دشارژ خازن را به یک سری پالس تبدیل نمود.
سنسورهای فشار پیزوالکتریک از موادی مانند کریستال های کوارتز یا سرامیک مخصوص فرموله شده استفاده می کنند که هنگام اعمال فشار، یک شارژ الکتریکی را در سراسر سطح ایجاد می کنند. یک تقویت کننده این شارژ را به یک ولتاژ خروجی متناسب با فشار تبدیل می کند. به عبارت دیگر یک نیروی اعمال شده منجر به ایجاد یک شارژ الکتریکی متقابل در طول یک عنصر حسگر می شود. با این حال، این شارژ الکتریکی به مرور زمان از بین می رود و به این معنی که نمی توان از سنسور ها برای اندازه گیری فشار استاتیک استفاده نمود.

هر سه سنسور را می توان با استفاده از تکنیک های ساخت سیلیکون کوچک سازی (مینیاتوری سازی) کرد و به عنوان سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) با تجهیزات الکترونیکی ترکیب نمود. این امر اجازه می دهد تا عناصر حسگر بسیار کوچک ساخته شده و با یک سری از لوازم الکترونیکی به منظور بهینه سازی (Signal conditioning) و خوانش سیگنال ترکیب شوند.

از سنسور های فشار پیزوالکتریکی (Piezoresistive) و خازنی (Capacitive) می توان برای اندازه گیری فشارهای مطلق (Absolute) ، گیج یا نسبی (Gauge or Relative) یا تفاضلی Differential)) استفاده نمود.

سنسورهای فشار پیزوالکتریک نسبت به تغییرات فشار حساس هستند بنابراین خروجی معمولاً به عنوان یک اندازه گیری فشار نسبی (Relative) در نظر گرفته می شود که به حالت اولیه مواد پیزوالکتریک مربوط می شود.

مزایا و معایب:

سنسورهای فشار استرین گیج پیزومقاومتی

Piezoresistive strain gauge sensors

این دسته از سنسورها اولین و پرکاربردترین نوع سنسورهای فشار هستند.
ساختار ساده به معنی کم هزینه بودن و دوام بالای آنهاست. این سنسورها استحکام خوبی دارند و در برابر شوک، لرزش و تغییرات فشار دینامیک مقاوم هستند.
مدارهای خوانش آن بسیار ساده هستند و اندازه گیری فشار با وضوح بالا را امکان پذیر می کنند.
تغییرات خروجی با فشار به صورت خطی است و زمان پاسخ دهی به طور معمول زیر یک میلی ثانیه است.
آنها می توانند برای طیف گسترده ای از اندازه گیری های فشار، از 3 psi تا حدود 20000 psi (kPa 21 تاMPa 150) استفاده شوند. خروجی نیز با گذشت زمان پایدار می ماند.
مقاومت ها را می توان به دیافراگم متصل نمود. این یک روش استاندارد است که مدت طولانی مورد استفاده قرار گرفته، اما برای سیال های چسبناک در دمای بالا و فشار بیش از حد می تواند مشکل ساز باشد.
از طرف دیگر، مقاومت های فیلم نازک (Thin film resistors) می توانند بطور مستقیم بر روی دیافراگم ساخته شوند. این دسته از سنسور ها می توانند در دماهای بالاتر کار کنند و برای استفاده در محیط های خشن مناسب تر هستند.
نقطه ضعف اصلی این سنسور ها این است که به تغذیه نیازمندند . این باعث می شود آنها برای سیستم های کم مصرف یا دارای باطری مناسب نباشند. کاهش اندازه سنسور باعث کاهش مقاومت و افزایش توان مصرفی می شود.
همچنین در مقیاس بندی محدودیت هایی وجود دارد زیرا متعادل کردن فشار باعث کاهش حساسیت سنسور می شود. با این حال ، سنسورهای بسیار کوچک می توانند به عنوان تجهیزات MEMS ساخته شوند.
خروجی سنسور وابسته به دما است. این ویژگی می تواند برای برنامه هایی مانند اندازه گیری فشار تایر در جایی که تغییرات درجه حرارت زیادی در چرخه عملیاتی وجود دارد، یک عیب بزرگ باشد.
استرین گیج های سیلیکونی بسیار حساس هستند و می توانند حداقل تا فشار 2 Kpa را اندازه گیری کنند.
درستی تجهیزات MEMS با نشت جریان کاهش می یابد. با استفاده از فن آوری سیلیکون روی عایق SoI می توان این نقص را کاهش داد، اما این فناوری باعث افزایش هزینه ها می شود.

سنسورهای فشار خازنی

Capacitive sensors

عنصر خازنی از نظر مکانیکی ساده و مقاوم است.
سنسورهای خازنی قادر به عملکرد در طیف وسیعی از دما هستند و نسبت به شرایط فشار مازاد (Over-pressure) بیش از حد کوتاه مدت، تحمل بسیار بالایی دارند.
آنها می توانند برای اندازه گیری طیف گسترده ای از فشار، از خلاء ( 2.5 mbarیا 250 Pa) تا فشارهای بالا، حدوداً 10000 psi (70 MPa) مورد استفاده قرار گیرند. آنها هم برای کاربردهای فشار پایین و هم برای محیط های نسبتاً خشن ایده آل هستند.
از آنجا که هیچ جریان DC از خازن عبور نمی کند، این سنسور ها ذاتاً کم مصرف هستند.
تجهیزات وابسته (Passive) ممکن است به هیچ وجه به منبع تغدیه احتیاج نداشته باشند. سیگنال تحریک می تواند توسط Reader های خارجی فراهم شود. این باعث می شود آنها برای دستگاه های پزشکی پوشیدنی یا ایمپلنت مناسب باشند. این کاربردها می توانند با فن آوری های جدیدی که امکان ساخت سنسورهایی با قابلیت انعطاف پذیری یا تغییر حالت را دارند، توسعه یابند.
سنسورهای فشار خازنی، هیسترزیس پایین و تکرارپذیری خوب در اندازه گیری ها از خود نشان می دهند. آنها همچنین حساسیت پایین نسبت به درجه حرارت دارند.
زمان پاسخگویی در حد چند میلی ثانیه است (و حتی در دستگاه های MEMS سریعتر است).
از آنجا که آنها ذاتاً تجهیزات AC نیستند، سنسورهای خازنی برای کاربرد های بی سیم مناسب هستند. می توان از آنها در مدارات نوسان ساز برای تولید سیگنال با فرکانس متناسب با فشار استفاده کرد که می تواند به صورت بی سیم دریافت شود.
از طرف دیگر Reader می تواند از اتصال القایی برای اندازه گیری تغییر در فرکانس رزونانس استفاده کند، این مخصوصاً برای دستگاه های وابسته (Passive) که نیازی به منبع تغذیه ندارند مناسب است.
یکی از معایب اصلی سنسورهای فشار خازنی، غیرخطی بودن (Non-linearity) است چون خروجی به طور معکوس با فاصله بین الکترودهای موازی، متناسب است. این امر می تواند با استفاده از سنسور در حالت لمسی بهبود یابد، جایی که دیافراگم با یک لایه عایق بر روی الکترود پایینی متصل است. با این حال، این روش می تواند حساسیت را کاهش داده و هیسترزیس را افزایش دهد. آنها همچنین در برابر لرزش حساس هستند.
اختشاشات خازنی را می توان با قرار دادن تجهیزات الکترونیکی در نزدیک ترین فاصله به سنسور به حداقل رساند. این یکی دیگر از مزایای فناوری MEMS است.

سنسورهای پیزوالکتریک

Piezoelectric sensors

مهمترین مزیت سنسورهای فشار پیزوالکتریک استحکام بالا و توان مصرفی پایین می باشد.
عناصر حسگر از مواد سفت و سخت ساخته می شوند که می توانند کریستال های طبیعی مانند کوارتز یا سرامیک مخصوص فرموله شده باشند. برای تولید یک خروجی نیاز به یک تغییر شکل بسیار کوچک است، بنابراین به هیچ وجه از قطعات متحرک در ساختار آن ها استفاده نمی شود.
این سنسورها بسیار قوی و مناسب برای استفاده در طیف وسیعی از محیط های بسیار خشن هستند. آنها همچنین می توانند درجه حرارت بسیار بالا را تحمل کنند. برخی از مواد می تواند در دمای بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد استفاده شوند. این امر باعث می شود تا سنسورهای فشار پیزوالکتریک برای کاربرد هایی مانند اندازه گیری فشار در موتورهای جت مناسب باشند.
عناصر حسگر از طریق خودشان تغذیه می شوند بنابراین به طور ذاتی دستگاه های کم مصرفی هستند. همچنین این بدین معنی است که آنها در برابر تداخل الکترومغناطیسی حساس نیستند. با این حال، طراحی رابط الکترونیکی پیچیده تر از انواع دیگر سنسور هاست. یک تقویت کننده شارژ الکتریکی برای تبدیل خروجی شارژ الکتریکی با امپدانس بالا به سیگنال ولتاژی نیاز است. این تقویت کننده باید نزدیک به عنصر حسگر قرار داشته باشد.
برخی از سنسورها شامل قطعات الکترونیکی یکپارچه هستند که استفاده از سنسور را ساده تر می کند اما محدوده دمای عملکرد قابل استفاده را کاهش می دهند.
با مواد سرامیکی می توان یک خروجی قابل استفاده با جابجایی های بسیار کمی بدست آورد. این بدین معنی است که می توان از آنها برای اندازه گیری فشار در محدوده وسیعی، بین psi 0.1 و

10000 psi (0.7 kPa to 70 MPa) با درستی (Accuracy) بسیار عالی استفاده کرد.

عناصر پیزوالکتریک می توانند بسیار کوچک و با سرعت پاسخ دهی بسیار سریع به نسبت به تغییرات فشار باشند. برخی از دستگاه ها می توانند زمان های افزایش فشار را تا 1 میلیونیوم ثانیه اندازه گیری کنند. در نتیجه از سنسورهای پیزوالکتریک برای اندازه گیری تغییرات فشار در انفجارها استفاده می شود.
سنسورها از نظر ساخت ساده هستند و می توانند از مواد ارزان قیمت ساخته شوند.
محدودیت اصلی سنسورهای فشار پیزوالکتریک این است که از آنها فقط می توان برای اندازه گیری فشارهای دینامیک استفاده نمود.
این سنسورها در برابر لرزش یا شتاب حساس هستند، که این ممکن است در کاربردهایی که در آن استفاده می شوند، معمول باشد. این امر می تواند با استفاده از یک سنسور اضافی “جبران کننده” متصل به یک جرم ساختگی به حداقل برسد. از این خروجی برای تصحیح شتاب تجربه شده توسط سنسور استفاده می شود.

در کل، این سه نوع سنسور فشار، کم هزینه و مقاوم هستند. آنها در محدوده گسترده ای از فشارها و دماهای مختلف عمل می کنند، بنابراین سنسورهای مناسبی برای تقریباً همه کاربردها وجود دارد.