Types de capteurs de pression

Les dispositifs capables de mesurer la pression et de fournir des signaux électriques à distance sont collectivement appelés capteurs de pression. Le capteur de pression est une partie importante de l'instrument de détection de pression, et ses types de structure sont variés, les types courants étant le type à jauge de contrainte, le type piézorésistif, le type capacitif, le type piézoélectrique, et le capteur de pression à fréquence de vibration, etc. De plus, il existe des capteurs de pression photoélectriques, à fibre optique, ultrasoniques, etc. Le capteur de pression peut convertir directement la pression mesurée en diverses formes de signaux électriques, ce qui facilite la satisfaction des exigences de détection centralisée et de contrôle des systèmes d'automatisation, il est donc largement utilisé dans la production industrielle.

Types de capteurs de pression :

1. Capteur de pression à jauge de contrainte

Une jauge de contrainte capteur de pression est un capteur qui mesure indirectement la pression en mesurant la déformation de divers éléments élastiques. Selon les matériaux différents, les éléments de contrainte peuvent être divisés en deux catégories : métaux et semi-conducteurs. Le principe de fonctionnement des éléments de contrainte est basé sur « l'effet de contrainte » des conducteurs et semi-conducteurs, c'est-à-dire que lorsque les matériaux conducteurs et semi-conducteurs subissent une déformation mécanique, leur valeur de résistance change.

Lorsque le fil est soumis à une force externe, sa longueur et sa section transversale changent, et sa valeur de résistance change. Si le fil est étiré par une force externe, sa longueur augmente, tandis que la section transversale diminue, et la valeur de résistance augmente considérablement. Lorsque le fil est comprimé par une force externe, la longueur diminue et la section augmente, et la valeur de résistance diminue. Tant que le changement de la tension appliquée aux bornes de la résistance est mesuré, la déformation du fil soumis à contrainte peut être obtenue.

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2. Capteurs de pression piézorésistifs

Un capteur de pression piézorésistif désigne un capteur fabriqué en utilisant l'effet piézorésistif du matériau en silicium monocristallin et la technologie des circuits intégrés. Après que le matériau en silicium monocristallin est soumis à une force, la résistivité change et un signal électrique proportionnel au changement de force peut être obtenu via le circuit de mesure. Il est également connu sous le nom de capteur de pression piézorésistif en silicium diffusé. Il diffère de la jauge de contrainte adhésive, qui doit ressentir indirectement la force externe via l'élément sensible élastique, mais ressent directement la pression mesurée via la membrane en silicium.

Les capteurs de pression piézorésistifs sont principalement basés sur l'effet piézorésistif. L'effet piézorésistif décrit le changement de résistance d'un matériau sous contrainte mécanique. Contrairement à l'effet piézoélectrique, l'effet piézorésistif ne produit que des changements d'impédance et ne génère pas de charges électriques.

L'effet piézorésistif a été observé dans la plupart des matériaux métalliques et semi-conducteurs. Parmi eux, l'effet piézorésistif dans les matériaux semi-conducteurs est beaucoup plus important que dans les métaux. Puisque le silicium est la matière première principale des circuits intégrés actuels, l'application des éléments piézorésistifs en silicium devient très significative. Le changement de résistance du silicium provient non seulement de la déformation géométrique liée à la contrainte, mais aussi de la résistance liée à la contrainte du matériau lui-même, ce qui rend son facteur de degré des centaines de fois supérieur à celui des métaux. Le changement de résistance du silicium de type N est principalement dû à la redistribution des porteurs entre les vallées de bande de conduction de différentes mobilités causée par le déplacement de ses trois paires de vallées de bande de conduction, ce qui modifie à son tour la mobilité des électrons dans différentes directions de flux. Le second est dû au changement de la masse effective associé au changement de forme de la vallée de bande de conduction. Dans le silicium de type P, ce phénomène devient plus complexe et conduit également à un changement de masse équivalente et à une conversion des trous.

Les capteurs de pression piézorésistifs sont généralement connectés à un pont de Wheatstone via des fils. Habituellement, il n'y a pas de pression externe sur le noyau sensible, et le pont est en état d'équilibre (appelé position zéro). Lorsque le capteur est soumis à une pression, la résistance de la puce change et le pont perd son équilibre. Si une alimentation en courant constant ou en tension est appliquée au pont, celui-ci délivrera un signal de tension correspondant à la pression, de sorte que le changement de résistance du capteur soit converti en un signal de pression via le pont. Le pont détecte le changement de la valeur de résistance, après amplification, puis par conversion de tension et de courant, il est converti en un signal de courant correspondant, et le signal de courant est compensé par la boucle de correction non linéaire, c'est-à-dire que la tension d'entrée a une relation linéaire correspondante avec un signal de sortie standard de 4 ~ 20mA.

Afin de réduire l'influence du changement de température sur la valeur de résistance du noyau et d'améliorer la précision de mesure, le capteur de pression adopte des mesures de compensation de température pour maintenir un niveau élevé d'indicateurs techniques tels que la dérive zéro, la sensibilité, la linéarité et la stabilité.