پیزومقاومتی (Piezoresistive Sensor)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
پیزومقاومتی (Piezoresistive Sensor) :
اثر پیزومقاومتی به تغییر مقاومت الکتریکی یک ماده در اثر اعمال تنش مکانیکی (فشار یا کرنش) گفته می شود. این اثر در نیمه هادی ها (مانند سیلیکون) بسیار قوی تر از فلزات است. سنسورهای پیزومقاومتی بر اساس این اصل کار می کنند: با اعمال فشار به دیافراگم، کرنش ایجاد شده و مقاومت نواحی دوپ شده (که نقش کرنش سنج را دارند) تغییر می کند. این تغییر مقاومت با استفاده از پل وتستون به ولتاژ تبدیل می شود.
ضریب پیزومقاومتی (
\[ \pi \]) بیانگر تغییر مقاومت نسبی بر حسب تنش است:
\[ \frac{\Delta R}{R} = \pi \sigma \]که
\[ \sigma \]تنش مکانیکی است. برای سیلیکون، این ضریب به جهت کریستالوگرافی و نوع ناخالصی (n یا p) وابسته است. کرنش سنج های پیزومقاومتی معمولا به صورت نواحی نفوذی (diffused) یا رسوب داده شده (deposited) روی یک دیافراگم نازک سیلیکونی ساخته می شوند.
\[ \frac{\Delta R}{R} = \pi_l \sigma_l + \pi_t \sigma_t \]که
\[ \pi_l \]و
\[ \pi_t \]ضرایب پیزومقاومتی طولی و عرضی و
\[ \sigma_l \]و
\[ \sigma_t \]تنش های طولی و عرضی هستند. معمولا چهار کرنش سنج به صورت پل وتستون (Wheatstone bridge) چیده می شوند تا حساسیت افزایش یافته و اثرات دمایی جبران شود. ولتاژ خروجی پل به صورت
\[ \Delta V = V_{in} \cdot \frac{\Delta R}{R} \](برای پل متعادل) تقریب زده می شود.
مزایای اصلی سنسورهای پیزومقاومتی: حساسیت بالا، خطی بودن خوب، هزینه ساخت پایین با فناوری MEMS، و اندازه کوچک. آنها پرکاربردترین سنسورهای فشار در صنعت هستند. معایب: حساسیت به دما (نیاز به جبران سازی) و پایداری طولانی مدت پایین تر نسبت به برخی فناوری ها (مثل خازنی).
کاربردها: سنسورهای فشار خودرو (فشار روغن، فشار سوخت، فشار تایر)، سنسورهای فشار خون یکبار مصرف در پزشکی، ارتفاع سنج ها، سنسورهای فشار صنعتی، و میکروفون های سیلیکونی. سنسورهای پیزومقاومتی MEMS امروزه در میلیاردها دستگاه در سال تولید می شوند.
طراحی دیافراگم برای دستیابی به حساسیت مطلوب و جلوگیری از شکست بسیار مهم است. رابطه فشار-تغییرشکل دیافراگم دایره ای نازک:
\[ y_{max} \approx \frac{3(1-\nu^2)P R^4}{16 E t^3} \]که
\[ y_{max} \]خمش مرکزی،
\[ P \]فشار،
\[ R \]شعاع دیافراگم،
\[ t \]ضخامت،
\[ E \]مدول یانگ و
\[ \nu \]نسبت پواسون است. تنش ماکزیمم در لبه ها رخ می دهد.
پیشرفت در مواد (مانند سیلیکون روی عایق - SOI) امکان کار در دماهای بالاتر را فراهم کرده است. جبران سازی دمایی می تواند با مدارهای آنالوگ یا دیجیتال (با استفاده از سنسور دمای مجتمع) انجام شود.
