Пьезорезистивный датчик

Пьезорезистивный датчик — это тип сенсора, принцип действия которого основан на пьезорезистивном эффекте — изменении электрического сопротивления материала под воздействием механической деформации. Датчики этого класса относятся к категории электромеханических преобразователей и широко применяются для измерения давления, силы, ускорения, деформации и других механических величин.

История

История пьезорезистивных датчиков начинается с открытия пьезорезистивного эффекта в металлах и полупроводниках. В 1856 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) обнаружил, что механическое напряжение в металлических проводниках вызывает изменение их электрического сопротивления. Однако практическое применение этого эффекта стало возможным только в середине XX века.

Значительный прорыв произошел в 1950-х годах, когда были разработаны первые полупроводниковые тензорезисторы на основе кремния и германия. В 1954 году Чарльз Смит (Bell Labs) опубликовал работу, в которой описал значительный пьезорезистивный эффект в кремнии и германии — изменение сопротивления в таких материалах оказалось на порядки выше, чем в металлах.

С развитием микроэлектроники и технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС) в 1970-1980-х годах началось массовое производство интегральных пьезорезистивных датчиков. Первые коммерческие кремниевые датчики давления появились в конце 1970-х годов. В 1990-2000-х годах технология МЭМС позволила создавать миниатюрные, высокоточные и дешевые датчики, которые нашли применение в автомобильной промышленности, медицине, бытовой электронике и промышленности.

Принцип действия

Пьезорезистивный эффект заключается в изменении удельного электрического сопротивления материала при его механической деформации. В отличие от тензоэффекта в металлах, где изменение сопротивления связано преимущественно с изменением геометрических размеров проводника, в полупроводниках доминирующую роль играет изменение подвижности носителей заряда под действием механических напряжений в кристаллической решетке.

Механизм в полупроводниках

В кристаллическом кремнии, легированном примесями, приложенное механическое напряжение изменяет зонную структуру полупроводника. Это приводит к перераспределению носителей заряда между энергетическими долинами с различной подвижностью, что в итоге изменяет общее сопротивление материала. Величина пьезорезистивного коэффициента зависит от:

• типа проводимости (n- или p-тип);
• кристаллографической ориентации;
• концентрации легирующей примеси;
• температуры.

Измерительная схема

Для преобразования изменения сопротивления в электрический сигнал пьезорезистивные датчики обычно включаются в мостовую схему Уитстона. Мостовая схема позволяет:

• компенсировать температурные дрейфы;
• увеличить чувствительность;
• получить дифференциальный выходной сигнал.

В типичном датчике давления на кремниевой мембране формируются четыре пьезорезистора, соединенных в полный мост. Два резистора располагаются в области максимальных растягивающих напряжений, два — в области сжимающих. При приложении давления сопротивление одних резисторов увеличивается, других — уменьшается, что приводит к разбалансу моста и появлению выходного напряжения, пропорционального приложенному давлению.

Классификация

Пьезорезистивные датчики классифицируются по нескольким признакам.

По типу измеряемой величины

• Датчики давления — наиболее распространенный тип, измеряют абсолютное, избыточное или дифференциальное давление газов и жидкостей.
• Акселерометры — измеряют линейное ускорение, используются в системах навигации, подушек безопасности автомобилей.
• Датчики силы — измеряют приложенную механическую силу.
• Тензодатчики — измеряют деформацию (относительное удлинение) поверхности.
• Датчики крутящего момента — измеряют момент сил.

По материалу чувствительного элемента

• Металлические — на основе металлической фольги или проволоки (тензорезисторы). Отличаются низкой чувствительностью, но высокой стабильностью и широким температурным диапазоном.
• Полупроводниковые — на основе кремния, германия, арсенида галлия. Обладают высокой чувствительностью (в 50–100 раз выше металлических), но более сильной температурной зависимостью.
• Поликремниевые — на основе поликристаллического кремния, используются в МЭМС-датчиках.
• На основе композитных материалов — например, с использованием углеродных нанотрубок или графена (экспериментальные разработки).

По конструктивному исполнению

• Дискретные — отдельные тензорезисторы, наклеиваемые на исследуемую поверхность.
• Интегральные (МЭМС) — чувствительный элемент и измерительная схема выполнены на одном кристалле кремния.
• Мембранные — с упругой мембраной, на которой расположены пьезорезисторы.
• Балочные — с консольной балкой (кантилевером), используются в акселерометрах и датчиках силы.

Устройство и характеристики

Основные элементы

Типичный интегральный пьезорезистивный датчик давления (МЭМС) включает:

• Кремниевую мембрану — упругий элемент, деформирующийся под действием давления. Толщина мембраны определяет диапазон измерений: от единиц микрометров (для низких давлений) до сотен микрометров (для высоких).
• Пьезорезисторы — легированные области в кремнии, сформированные методом диффузии или ионной имплантации.
• Металлические контакты — для подключения к измерительной схеме.
• Корпус — герметичный корпус (металлический, керамический или пластиковый) с портом для подвода измеряемой среды.
• Схема обработки сигнала — часто интегрируется на том же кристалле или в корпусе датчика (усилитель, аналого-цифровой преобразователь, компенсация температуры).

Основные характеристики

• Диапазон измерений — от нескольких паскалей до тысяч мегапаскалей (в зависимости от конструкции).
• Чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к изменению измеряемой величины. Для полупроводниковых датчиков может достигать десятков милливольт на вольт питания на единицу давления.
• Точность — определяется классом датчика, обычно от 0,1% до 5% от полной шкалы.
• Температурный диапазон — от -40°C до +125°C для стандартных датчиков, до +200°C для специализированных.
• Выходной сигнал — аналоговый (напряжение, ток) или цифровой (I²C, SPI, CAN).
• Погрешность — включает нелинейность, гистерезис, повторяемость, температурный дрейф.

Применение

Пьезорезистивные датчики находят применение в широком спектре отраслей.

Автомобильная промышленность

• Измерение давления в шинах (системы TPMS).
• Давление масла, топлива, тормозной жидкости.
• Давление во впускном коллекторе двигателя (MAP-датчики).
• Датчики ускорения для подушек безопасности и систем стабилизации.
• Датчики давления в системах кондиционирования.

Промышленность

• Контроль давления в гидравлических и пневматических системах.
• Измерение уровня жидкости (через гидростатическое давление).
• Мониторинг давления в трубопроводах и резервуарах.
• Датчики силы в прессах, робототехнике, весоизмерительном оборудовании.

Медицина

• Измерение артериального давления (тонометры).
• Мониторинг внутричерепного и внутриглазного давления.
• Датчики давления в аппаратах ИВЛ и наркозных аппаратах.
• Катетеры с датчиками давления для инвазивных измерений.

Бытовая электроника

• Барометры в смартфонах и фитнес-браслетах (для определения высоты).
• Датчики давления в стиральных машинах, кофеварках, пылесосах.
• Микрофоны (МЭМС-микрофоны на пьезорезистивном принципе).

Авиация и космонавтика

• Измерение высоты и скорости полета (барометрические высотомеры).
• Контроль давления в топливных и гидравлических системах.
• Датчики перегрузок.

Научные исследования

• Измерение давления в вакуумных камерах.
• Микроскопия атомных сил (кантилеверы с пьезорезисторами).
• Геофизические измерения (сейсмометры).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая чувствительность (особенно у полупроводниковых датчиков).
• Малые габариты и масса (возможность интеграции в МЭМС).
• Низкое энергопотребление.
• Высокая надежность и долговечность (отсутствие движущихся частей).
• Возможность работы в широком диапазоне давлений и температур.
• Относительно низкая стоимость при массовом производстве.
• Хорошая совместимость с электронными схемами.

Недостатки

• Температурная зависимость (требуется компенсация).
• Нелинейность выходной характеристики (особенно при больших деформациях).
• Чувствительность к вибрациям и ударам (для некоторых конструкций).
• Ограниченный срок службы при циклических нагрузках (усталость материала).
• Для полупроводниковых датчиков — зависимость от легирования и кристаллографической ориентации.

Интересные факты

• Пьезорезистивный эффект в кремнии примерно в 100 раз сильнее, чем в металлах, что позволило создавать сверхчувствительные датчики.
• Первые кремниевые МЭМС-датчики давления были разработаны в Стэнфордском университете в начале 1970-х годов.
• Современные МЭМС-датчики давления могут иметь размер чувствительного элемента менее 1 мм².
• Датчики на основе пьезорезистивного эффекта используются в некоторых моделях тонометров для измерения артериального давления, обеспечивая точность, сравнимую с ртутными манометрами.
• В 2020-х годах ведутся активные исследования по созданию пьезорезистивных датчиков на основе графена и углеродных нанотрубок, которые могут обеспечить еще более высокую чувствительность и гибкость.

Источники

• Smith, C. S. (1954). Piezoresistance effect in germanium and silicon. Physical Review, 94(1), 42-49.
• Kanda, Y. (1982). A graphical representation of the piezoresistance coefficients in silicon. IEEE Transactions on Electron Devices, 29(1), 64-70.
• Barlian, A. A., et al. (2009). Review: Semiconductor piezoresistance for microsystems. Proceedings of the IEEE, 97(3), 513-552.
• Fraden, J. (2016). Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications (5th ed.). Springer.
• Bao, M. H. (2005). Analysis and Design Principles of MEMS Devices. Elsevier.
• Гориш, А. В., и др. (2015). Микроэлектромеханические системы: датчики давления. Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана.