KELLER Nieuwsbrief

Communicatie wordt steeds belangrijker. Zowel tussen producten als tussen mensen. Met onze nieuwsbrief ontvang je iedere twee maanden onze nieuwsbrief. Kort en krachtig op de hoogte van wat onze zintuigen in de markt opgemerkt hebben.

Piëzoresistieve drukmeettechnologie

4 Plaatje WaferPiëzoresistieve technologie wordt vaak in één adem genoemd met drukmeting. Maar wat precies is het piëzoresistieve effect? En waarom wordt deze technologie gebruikt bij drukmeting? - Vrij naar Dr. Sören Boyn.
Samen met temperatuur is druk een essentiële parameter in veel technische systemen. Een brede verscheidenheid aan industriële processen vereist bovendien nauwkeurig gecontroleerde drukken. Daarom is - naast temperatuurmeting - drukmeting de belangrijkste en meest gebruikte technologie voor monitoring en besturing van machines en fabrieken.

 

De atmosferische luchtdruk is hierbij een belangrijke omgevingsvariabele. Door het meten van de zwaartekracht van de vloeistofkolom kunnen bijvoorbeeld grondwaterstanden of vulniveaus worden bepaald. Voor een elektronische drukmeting heb je een sensor nodig die de druk meet en die vervolgens omzet in een elektrisch signaal. Resistieve drukmeting is gebaseerd op een elektrische weerstand. Waardeveranderingen van die weerstand kunnen worden gemeten en omgerekend naar druk.

Resistieve drukmeting

In het eenvoudigste geval wordt bij klassieke resistieve drukmeting een dunne strook metaal vervormd. Hierdoor wijzigt de weerstandswaarde van die strook. Als de strook wordt uitgerekt, wordt de strip langer en dunner en neemt de elektrische weerstand toe. Als de strook wordt gecomprimeerd, wordt de strip korter en breder en neemt de weerstandswaarde juist weer af. Om de vertaling te maken van druk naar een gecontroleerde mechanische vervorming, wordt een rekstrookje op een elastisch membraan bevestigd, normaal gesproken met een lijmverbinding. Als er druk wordt uitgeoefend op één kant van dit membraan, dan vervormt het. Afhankelijk van de positie van de spanningsmeter op het membraan, wordt hij gecomprimeerd of uitgerekt. Hoe groter de druk, hoe groter de vervorming, de mate van de weerstandverandering is lineair met de druk. Voor een nauwkeuriger meting worden verschillende rekstrookjes gecombineerd in een brugcircuit. De verandering van de weerstand wordt geregistreerd als een spanningssignaal.

4 tekstvak piezienPiëzoresistieve drukmeting

Piëzoresistieve technologie werkt op basis van druk. Het basisprincipe van piëzoresistieve drukmeting komt overeen met die van resistieve drukmeting. Ook hier veroorzaakt verlenging of verkorting van het piëzoresistief materiaal een verandering in elektrische weerstand.

Dit effect wordt veroorzaakt door verschuivingen in de atomaire posities, die rechtstreeks van invloed zijn op het transport van de elektrische lading. De verandering in weerstand door de verandering in elektrische geleidbaarheid kan aanzienlijk groter zijn dan de verandering veroorzaakt door pure vervorming. Typische materialen die een sterk piëzoresistief effect vertonen zijn halfgeleiders. De elektrische geleidbaarheid van deze materialen ligt tussen die van elektrische geleiders (metalen zoals zilver, koper en aluminium) en niet-geleiders (zoals glas) in. Het meest gebruikt voor de productie van piëzoresistieve drukcellen is silicium, dat ook wordt gebruikt voor computerchips. Dergelijke sensoren worden daarom ook wel aangeduid als sensorchips. De basis voor deze sensorchips zijn kristallijne siliciumschijven van minder dan een millimeter dik, ook wel bekend als ‘wafers’.

In het oppervlak van deze wafers worden op bepaalde punten ‘vreemde’ atomen geïntroduceerd. Deze ‘vreemde’ atomen hebben lokaal invloed op de geleidbaarheid. Dit proces noemen we doping en deze gedoteerde gebieden in het silicium vormen de piëzoresistieve weerstanden.

De volgende stap in het proces is het gelokaliseerd verdunnen van de siliciumwafer zodat de membranen direct in het silicium worden gevormd en de piëzoresistieve weerstanden in bepaalde posities liggen. Als op één zijde van dit membraan druk wordt uitgeoefend, vervormt het membraan. Dit veroorzaakt een mechanische spanning in de piëzoresistieve weerstanden. Afhankelijk van de positie neemt de weerstandswaarde toe of af. De gevoeligheid van de sensorchip kan worden aangepast door de totale dikte van het membraan.

4 Absolute versus relatieve meetcelOp de achterkant van het silicium wordt een glasplaatje bevestigd. Bij een druksensor die absolute druk meet, wordt met behulp van dit glasplaatje een gesloten referentieruimte onder vacuüm gecreëerd. Bij een sensor die relatieve druk zal meten, wordt in dit glasplaatje een referentiegat geboord. Anders dan bij rekstrookjes zijn in piëzoresistieve drukmeetcellen de meetweerstanden geïntegreerd in het membraan. Er is geen lijmverbinding nodig en daardoor is er een hoge resistentie tegen veroudering, temperatuur en hysteresis (= nawerkingen van de vorige vervormingtoestand). Het piëzoresistieve effect geeft bovendien een tot vijftig keer grotere verandering in weerstand dan met metalen rekstrookjes mogelijk is.

Om de sensorchips te isoleren van het te meten medium, zijn ze gemonteerd in een drukdichte metalen behuizing, gevuld met olie en aan de voorkant afgedicht met een dun membraan. Via dit membraan werkt de druk op de sensorchip, waarbij de olie de mediumdruk overbrengt. Dankzij dit ontwerp is het ook mogelijk druk te meten in agressieve vloeistoffen en gassen.

Waarom piëzoresistieve technologie gebruiken in drukmeting?

Het grote uitgangssignaal en de beproefde fabricageprocessen hebben ervoor gezorgd dat piëzoresistieve technologie zijn positie heeft veroverd in drukmeting. Een ander belangrijk pluspunt is dat de rekstrook niet gelijmd hoeft te worden, wat van cruciaal belang is voor de stabiliteit. Het kristallijne silicium van de sensorchip vervormt tijdens het gebruik op een puur elastische manier, zonder tekenen van vermoeidheid of stabiliteitsproblemen. Zelfs niet na veel drukcycli. De sensorchips worden geproduceerd in de bestaande halfgeleidertechnologieprocessen, en dankzij de integratie van het drukmeetmembraan in de sensorchip zijn extreem compacte en langdurig stabiele druk-meetcellen mogelijk.4 Opbouw pizoresistieve druksensor

Omdat piëzoresistieve druktransducers geen bewegende delen bevatten (solid state) zijn ze zeer goed bestand tegen schokken en versnellingen. In verhouding tot conventionele rekstrookjes is de fluctuatie in weerstandswaarde veel groter. Het hoge uitgangssignaal maakt een ruisarme elektronische evaluatie met hoge resolutie mogelijk. In combinatie met analoge of digitale compensatieoplossingen ontstaat een extreem nauwkeurig, temperatuuronafhankelijk druksignaal. De geïsoleerde piëzoresistieve drukmeetcel valt op dankzij zijn veelzijdigheid: hij is compatibel met verschillende media en bestrijkt een breed gebied aan drukbereiken. De specifieke constructie geeft een bijzondere flexibiliteit in industriële toepassingen, zelfs in kritieke omgevingen.

KELLER AG für Druckmesstechnik onderscheidt zich door de enorme kennis in het ontwerpen en produceren van geïsoleerde drukmeetcellen. Dankzij 45 jaar ervaring in piëzoresistieve drukmeting kan het bedrijf ook vakkundig speciale toepassingen implementeren. Geïsoleerde piëzoresistieve drukmeetcellen van KELLER AG für Druckmesstechnik worden gebruikt in veeleisende industriële toepassingen en in onderzoeksomgevingen.

Voor- en nadelen van piëzoresistieve technologie

+ Beproefde processen in de productie van piëzoresistieve sensorchips, lange ervaring met piëzoresistieve technologie

+ Brede dekking van drukbereiken

+ Zeer goede stabiliteit op lange termijn

+ Geen tekenen van vermoeidheid, zelfs niet na vele drukcycli

+ Hoge overbelastbaarheid

+ Geen hysterese van de siliciumsensorchip

+ Compacte drukmeetcellen

+ Goede schok- en trillingsbestendigheid

+ Geschikt voor het meten van relatieve en absolute druk

+ Geïsoleerde meetcel geeft uitstekende mediacompatibiliteit

+ Toepassing in verschillende industriële processen

+ Hoog uitgangssignaal maakt eenvoudige uitleeselektronica met hoge resolutie mogelijk

  • Temperatuurcompensatie vereist
  • Ontwerpen en produceren van de geïsoleerde meetcel vereist veel expertise

− Meting van zeer kleine druk beperkt (<0,01 mbar)

− Aanvullende maatregelen vereist bij zeer hoge mediatemperaturen (> 200 °C)

Nieuwsbriefarchief