Co to jest czujnik piezorezystancyjny?

Czujnik piezorezystancyjny to urządzenie, które wykorzystuje zmiany rezystywności niektórych materiałów półprzewodnikowych poddanych obciążeniom mechanicznym w celu wywołania działania elektronicznego. To zjawisko piezorezystancyjne opiera się na tendencji tych materiałów do ulegania zmianom ich ukrytych właściwości rezystancyjnych, gdy są one zginane przez wystawienie na działanie ciśnienia lub naprężenia. Powoduje to odpowiednią zmianę prądu elektrycznego przepływającego przez urządzenie, co przekłada się na pomiar lub odczyt. Materiały półprzewodnikowe powszechnie stosowane w urządzeniach piezorezystancyjnych to na ogół te same podstawowe rodziny metali i silikonów, które są stosowane w większości komponentów elektronicznych. Te elementy są dostępne z szerokim zakresem charakterystyk czułości, aby spełnić wymagania różnych branż.

Gdy niektóre materiały półprzewodnikowe są narażone na obciążenia mechaniczne, ich rezystywność lub podstawowa zdolność do przeciwdziałania przepływowi prądu elektrycznego zmienia się. Ta zmiana w charakterystyce rezystancyjnej materiałów zmienia oczywiście jego specyficzną wartość rezystancji. Powoduje to wzrost lub spadek prądu przepływającego przez urządzenie, które jest następnie używane do wskazywania lub mierzenia naprężenia. Efekt piezorezystancyjny wykorzystuje się do stworzenia szeregu czułych na ugięcie urządzeń półprzewodnikowych używanych do rejestrowania i pomiaru sił wywołujących naprężenia, takich jak przyspieszenie i ciśnienie.

Ten rodzaj czujnika jest zwykle zbudowany z podłoży półprzewodnikowych, takich jak german, silikon polikrystaliczny, silikon amorficzny i silikon monokrystaliczny. Typowy czujnik składa się z czułej na nacisk półprzewodnikowej membrany z kilkoma przyłączonymi do niej stykami n + i p +. Prąd elektryczny przepływa przez płytkę z szybkością zależną od jej rezystancji. Ten transfer prądu i wynikowy odczyt różnią się w zależności od zmian rezystancji w elemencie, gdy membrana jest poddawana działaniu ciśnienia. Zakres czujników waha się od prostych piezorezystorów o ograniczonym zakresie stabilności stabilności i temperatury do wysoce stabilnych i dokładnych piezo-FET.

Czujnik piezorezystancyjny jest stosowany w wielu różnych aplikacjach obejmujących pomiar naprężeń mechanicznych. Przemysł motoryzacyjny wykorzystuje je jako czujniki próżni i ciśnienia lub do wskazywania poziomów oleju i gazu. Są również stosowane w medycynie w urządzeniach takich jak urządzenia do pomiaru ciśnienia krwi. Głębokościomierze używane przez nurków głębinowych wykorzystują również technologię czujników piezorezystancyjnych do uzyskania dokładnych odczytów głębokości. Urządzenia te są również stosowane w wysokościomierzach samolotów i przyrządach do pomiaru ciśnienia barometrycznego.

Tego rodzaju czujniki zależne od ciśnienia są również często stosowane w elektronicznych przyrządach pomiarowych, które wykorzystują obwody i komponenty, takie jak mostek Wheatstone'a i tranzystory bipolarne. Akcelerometry używane do pomiaru orientacji pozycyjnej, przyspieszenia i wibracji również wykorzystują technologię czujników piezorezystancyjnych do generowania odczytów. Technologia ta znalazła również zastosowanie w środowisku domowym dzięki wielu zmywarkom do naczyń, odkurzaczom i producentom pralek używającym ich w swoich produktach.