압전저항측정기술

압전저항기술은 종종 압력측정과 동일한 뜻으로 언급된다. 그러나 압전저항효과에 대한 정확한 의미와 압력측정에 해당 기술이 사용되는 이유에 대해서는 정확하지 않다.

by Dr. S?ren Boyn

압력

온도와 함께 압력은 많은 기술 시스템에서 필수적인 매개 변수입니다. 또한 다양한 산업 공정에는 정밀하게 제어 된 압력 조건이 필요합니다. 그렇기 때문에 온도 측정 외에도 압력 측정이 기계 및 설비 모니터링 및 제어에 가장 중요하고 가장 많이 사용되는 기술입니다. 또한, 대기압은 중요한 환경 변수이며, 액체 컬럼의 중력을 측정함으로써 지하수 또는 충진 레벨을 결정할 수 있습니다.

전자 압력 측정에는 측정 할 압력을 받아 전기 신호로 변환하는 센서가 필요합니다. 저항식 압력 측정은 저항 값이 측정 할 압력의 함수로 변하는 전기 저항을 중심으로 합니다.

저항식 압력측정

가장 단순한 경우 고전적인 저항 식 압력 측정은 변형률에 따라 저항 값이 변하는 얇은 금속 스트립 인 스트레인 게이지에서 작동합니다. 스트레치가 늘어 나면 스트립은 길어지고 얇아지고 전기 저항이 증가합니다. 압축 될 때, 스트립은 더 짧아지고 단면이 증가하여 저항이 감소한다. 측정되는 압력을 조절 된 기계적 변형으로 변환하기 위해 스트레인 게이지가 탄성 멤브레인에 적용됩니다. 일반적으로 접착제로 연결됩니다. 이 멤브레인의 한쪽면에서 압력이 작용하면 멤브레인의 위치에 따라 변형되고 스트레인 게이지가 압축되거나 늘어납니다. 압력이 높을수록 멤브레인이 변형되어 저항의 변화 범위가 압력 진폭에 직접적으로 좌우됩니다. 보다 정확한 측정을 위해 몇 개의 스트레인 게이지가 휘트 스톤 브리지 회로에 결합되어 저항 변화가 전압 신호로 측정됩니다.

압저항식 압력측정

고대 그리스 단어 piezein (짜내거나 누르는 것을 의미)에서 파생 된 piezoresistive 기술은 압력에 본질적으로 연결되어 있습니다. 압 저항 식 압력 측정의 기본 원리는 기본적으로 저항 식 압력 측정의 원리와 일치합니다. 여기에서도 - 신장 또는 단축은 저항의 변화를 일으킵니다. 그러나, 이에 더하여, 압 저항 재료에서, 그것이 신장되거나 압축 될 때 발생하는 기계적 인장은 또한 전기 전도도의 변화로 이어진다. 이 피에조 레지스티브 효과는 전기 전하 수송에 직접 영향을 미치는 원자 위치의 이동에 기반합니다. 전기 전도도의 변화로 인한 저항 변화는 순수 변형에 의한 저항 변화보다 상당히 클 수 있습니다.

반도체는 강한 압 저항 효과를 나타내는 전형적인 압전 저항 재료입니다. 이러한 재료의 전기 전도성은 전기 도체 (은, 구리 및 알루미늄과 같은 금속)와 절연체 (예 : 유리) 사이의 전기 전도도에 있습니다. 표준으로, piezoresistive 압력 세포는 전자 회로의 생산에도 사용되는 실리콘으로 만들어집니다. 따라서 이러한 센서는 센서 칩이라고도 합니다.

piezoresistive 센서 칩의 기초는 웨이퍼로 알려진 1 밀리미터 두께 미만의 결정 실리콘 디스크입니다. 도핑 (doping)이라고 불리는 과정에서 국부적으로 전도도에 영향을주는 특정 지점에서 외부 원자가 표면에 도입됩니다. 실리콘의 이러한 도핑 된 영역은 압 저항 레지스턴스를 형성한다. 후속 단계에서, 실리콘 웨이퍼의 특정 영역은 멤브레인이 실리콘 내에 직접 형성되고 압 저항 레지스턴스가도 1에 도시 된 것과 유사한 소정의 위치에 놓 이도록 얇아진다. 압력이 일측에 작용하면 이 멤브레인은 변형되어 압 저항 저항기에 기계적 응력을 유발합니다. 위치에 따라 저항 값이 증가하거나 감소합니다. 센서 칩의 압력 감도는 남아있는 멤브레인의 두께로 정의됩니다.

그 후, 실리콘의 뒷면이 유리에 결합됩니다. 절대 압력 센서의 경우 이 단계는 진공 상태에서 닫힌 참조 공간을 만듭니다. 상대 압력을 측정 할 때 후면 유리에 기준 구멍이 있습니다.

압 저항식 압력 측정 셀의 경우 스트레인 게이지와 달리 측정 저항기가 멤브레인에 통합되어 있습니다. 따라서이 기술은 접착의 필요성을 없애고 시간과 온도에 대한 안정성뿐만 아니라 히스테리시스의 자유 (히스테리시스 = 이전 변형 상태의 영향)를 위한 중요한 전제 조건 인 약점, 즉 접착제를 제거합니다. 또한 피에조 저항 효과는 금속 변형률 게이지로 얻을 수 있는 것보다 최대 50 배의 저항 변화를 초래합니다.

매체에서 센서 칩을 분리하기 위해 오일로 채워진 얇은 멤브레인으로 전면에 밀폐 된 내압 금속 하우징에 장착됩니다. 그런 다음이 멤브레인과 오일을 전송 매체로하여 압력이 센서 칩에 작용합니다. 이 격리 측정 셀은 또한 공격적인 액체 및 가스의 압력 측정을 가능하게합니다.

압력 측정에서 압저항 기술을 사용하는 이유

큰 출력 신호 및 확립 된 제조 공정으로 인해 압전 저항 기술이 압력 측정에서 확립되었습니다. 또 다른 중요한 점은 안정성을 위해 중요한 스트레인 게이지를 붙일 필요가 없다는 것입니다.

센서 칩의 결정 실리콘은 작동 중에 순수하게 탄성적인 방식으로 변형되어 많은 압력 사이클 후에도 피로 또는 안정성 문제를 방지합니다. 센서 칩은 기존의 반도체 기술 공정에서 생산 될 수 있으며 압력 측정을 위해 관련 멤브레인을 센서 칩에 통합하여 매우 작고 장기적인 안정한 압력 측정 셀을 제조 할 수 있습니다. 압전 저항 형 압력 트랜스 듀서는 움직이는 부품 없이 제작되므로 충격과 가속에 대해 매우 탄력적입니다. 압전 저항 측정 셀의 저항 변화는 기존의 금속 변형률 게이지와 비교할 때 큰 출력 신호를 발생 시키므로 고해상도의 저노이즈 전자 변환이 가능합니다. 아날로그 또는 디지털 보정 솔루션과 함께 매우 정밀한 온도 독립 압력 신호를 사용할 수 있습니다.

격리 된 압전 저항 식 압력 측정 셀은 다양한 매체와 호환되며 넓은 압력 범위를 다룰 수 있는 다목적 성으로 구별됩니다. 하우징의 특정 구조는 심지어 중요한 환경에서도 많은 산업 어플리케이션에 큰 유연성을 제공합니다. Dilckmesstechnik을위한 KELLER AG가 눈에 띄는 것은 격리 된 측정 셀을 설계하고 제조하는 데 필수적인 지식입니다. piezoresistive 압력 측정에서 45 년간의 경험 덕분에 이 회사는 특수한 어플리케이션을 구현할 수도 있습니다. KELLER AG f?r Druckmesstechnik의 절연 압 저항 식 압력 셀은 까다로운 산업 분야 및 연구에 사용됩니다.

피에조 저항기술의 장점과 단점

+ 압전 저항 센서칩 생산 공정 확립, 압전 저항 기술에 대한 오랜 경험

+ 광범위한 압력 범위

+ 매우 좋은 장기 안정성

+ 수 많은 압력 주기 후에도 피로 징후가 없음

+ 높음 과부하 저항

+ 히스테리시스가 없음

+ 소형 압력 측정 셀

+ 우수한 충격 및 진동 저항

+ 상대 압력 및 절대 압력 측정에 적합

+ 광범위한 미디어 호환성을 위한 절연 측정 셀

+ 다양한 산업 분야에 응용 가능

+ 큰 출력 신호로 고해상도의 간단한 판독 전자 장치 가능

? 온도 보상 필요

? 절연 측정 셀의 설계 및 제조에 전문 지식 필요

? 미압 측정에 제한이 있음 (< 0,01 mbar)

? 매우 높은 온도의 미디어 측정에 추가적인 조치가 필요(> 200 °C)