Piezoresistieve Sensoren: Omzetten van Druk in Precieze Elektronische Metingen

Een piezoresistieve sensor is een apparaat dat gebruikmaakt van veranderingen in de resistiviteit van bepaalde halfgeleidermaterialen wanneer ze aan mechanische spanning worden blootgesteld, om een elektronische actie te bewerkstelligen. Dit piezoresistieve fenomeen is gebaseerd op de neiging van deze materialen om veranderingen in hun latente resistieve kenmerken te ondergaan wanneer ze buigen door blootstelling aan druk of spanning. Dit veroorzaakt een corresponderende verandering in elke elektrische stroom die door het apparaat passeert, wat vertaalt in een meting of aflezing. Halfgeleidermaterialen die gemeenschappelijk in piezoresistieve apparaten worden gebruikt, zijn over het algemeen dezelfde basismetalen en siliciumfamilies die in de meeste elektronische componenten worden gebruikt. Deze componenten zijn beschikbaar met een breed scala aan gevoeligheidskenmerken om te voldoen aan de eisen van diverse industrieën.

Werkingsprincipe

Wanneer bepaalde halfgeleidermaterialen blootgesteld worden aan mechanische spanning, verandert hun resistiviteit, of basale vermogen om elektrische stroom te weerstaan. Deze verandering in het resistieve karakter van het materiaal verandert onmiskenbaar zijn specifieke weerstandswaarde. Dit resulteert in een stijging of daling van elke stroom die door het apparaat wordt geleid, wat vervolgens wordt gebruikt om de betrokken spanning aan te geven of te meten. Het piezoresistieve effect wordt benut om een reeks buiggevoelige halfgeleiderapparaten te creëren die gebruikt worden om krachtinducing krachten zoals versnelling en druk te registreren en te meten.

Constructie

Deze sensoren worden typisch geconstrueerd van halfgeleidersubstraten zoals germanium, polycristallijn silicium, amorf silicium, en einkristallijn silicium. Een typische sensor bestaat uit een drukgevoelige halfgeleidermembraan met diverse n+ en p+ contacten eraan bevestigd. Elektrische stroom wordt door de wafer geleid met een snelheid afhankelijk van zijn weerstand. Deze stroomoverdracht en resulterende aflezing verschilt volgens de weerstandsveranderingen in het component wanneer het membraaan blootgesteld wordt aan druk. Deze sensoren variëren in complexiteit van eenvoudige piezoweerstanden met beperkt bereik en temperatuurstabiliteit tot uiterst stabiele en nauwkeurige Piezo-FETs.

Toepassingen

De piezoresistieve sensor wordt gebruikt in een grote verscheidenheid aan toepassingen die betrekking hebben op mechanische spanningsmeting. De auto-industrie zet ze in als vacuüm- en druksensoren of om aan te geven olie- en gasniveaus. Ze worden ook in het medische veld gebruikt in apparaten zoals bloeddrukmeetapparaten. Dieptemeters die door diepzeeduikers worden gebruikt, emploeyeren ook piezoresistieve sensortechnologie om nauwkeurige dieptemetingen te produceren. Deze apparaten worden ook gebruikt in vliegtuighoogtemeters en barometrische drukinstrumenten.

Verder Toepassingen

Druk afhankelijke sensoren van dit type worden ook vaak gebruikt in elektronische meetinstrumenten die circuits en componenten zoals de Wheatstone-brug en bipolaire transistors gebruiken. Versnellingsmeters die gebruikt worden om positionele oriëntatie, versnelling en trillingskrachten te meten, gebruiken ook piezoresistieve sensortechnologie om hun aflezingen te produceren. Deze technologie heeft ook haar weg gevonden naar de huishoudelijke omgeving, met veel vaatwassen, stofzuigers en wasmachinefabrikanten die ze in hun producten gebruiken.