Piezoresistiva sensorer, som en vanlig fysisk kvantitetssensor, används i stor utsträckning inom tryck-, töjnings-, temperatur- och andra mätfält, och har blivit en nyckelkomponent inom många industriella, medicinska och vetenskapliga forskningsområden på grund av deras enkla struktur, snabba svarshastighet och enkla bearbetning av utsignaler. Prestandan hos piezoresistiva sensorer, särskilt känsligheten och stabiliteten, påverkar dock direkt noggrannheten hos mätresultaten och sensorns långsiktiga tillförlitlighet. Därför är en djupgående analys av piezoresistiva sensorers känslighet och stabilitet för att förstå deras påverkande faktorer och optimeringsmetoder av stor betydelse för att förbättra sensorernas prestanda.
Låt oss börja förstå!
Katalog
piezoresistiv sensors funktionsprincip
Piezoresistiva sensorer utnyttjar den piezoresistiva effekten av material (Piezo-resistiv effekt), det vill säga materialets motstånd förändras med applicering av tryck eller töjning. Dess grundläggande struktur består vanligtvis av ett lager av känsliga material (såsom kisel, nickel, volfram, etc.), genom applicering av externt tryck eller töjning, genomgår gitterstrukturen i de känsliga materialen en liten förändring, vilket leder till en förändring av materialets resistansvärde, och genom mätning av förändringen i motståndet kan du få information om yttre tryck eller belastning.
I praktiska tillämpningar används piezoresistiva sensorer vanligtvis för tryckavkänning, accelerationsavkänning, töjningsmätning och så vidare. Deras utsignal är vanligtvis en förändring av motståndsvärdet, som omvandlas till en mätbar spännings- eller strömsignal efter bearbetning av en bryggkrets och förstärkning. Styrkan och stabiliteten hos dessa signaler påverkas direkt av sensorns känslighet och stabilitet.
Känslighetsanalysmetoder
Sensitivity is the ability of the sensor output signal to respond to changes in the input physical quantity. In piezoresistive sensors, sensitivity is usually defined as the amount of resistance change caused by a change in the unit physical quantity. Högre känslighet innebär att sensorn kan ge en större utsignal under en liten ingångsändring, vilket i sin tur förbättrar mätnoggrannheten.
2.1. Faktorer som påverkar känsligheten
The sensitivity of piezoresistive sensors is affected by a variety of factors, mainly including the following aspects:
Materialets piezoresistiva koefficient: Materialets piezoresistiva effekt är kärnfaktorn för att bestämma känsligheten. Den piezoresistiva koefficienten (vanligtvis betecknad med G) är en fysikalisk konstant som beskriver förhållandet mellan förändringar i materialresistans och applicerad spänning eller töjning. Material med höga piezoresistiva koefficienter kan producera stora resistansförändringar vid applicering av små tryck eller spänningar, vilket ökar sensorns känslighet, vanliga högkänsliga material som kisel, koppar-nickellegeringar och så vidare.
Strukturell design: sensorns struktur har en mycket stor inverkan på känsligheten. I allmänhet kommer det sensorkänsliga elementets längd, bredd, tjocklek och andra valbara parametrar att direkt påverka dess reaktion på yttre tryck eller belastning. Till exempel, när tjockleken på sensorn är tunnare, är den mer känslig för responsen på yttre påfrestning, så det kan förbättra känsligheten.
Kretsdesign: piezoresistiva sensorer resistansförändring genom bryggkretsen eller annan förstärkningskrets för mätning, kretsdesign och inställning kommer också att påverka storleken på känsligheten. Speciellt vid stora temperaturförändringar eller långvarig användning är kretsens stabilitet och optimeringen av förstärkningseffekten särskilt viktig.
2.2. Mätning av känslighet
Mätning av känslighet görs vanligtvis genom experimentella metoder, följande vanliga mätmetoder:
Statisk testmetod: känsligheten beräknas genom att applicera ett känt yttre tryck eller töjning och mäta sensorns resistansförändring. Denna metod är enkel och intuitiv och lämpar sig för grundläggande prestationsmätningar.
Testmetod för dynamisk respons: Genom att applicera en variabel yttre spänning och mäta sensorns momentana resistansförändring utvärderas sedan känsligheten. This method is suitable for scenarios with high demands on sensor response time and dynamic characteristics.
Benchmark Comparison Method: Mäter indirekt känsligheten hos en sensor genom att jämföra den med en standardsensor med känd känslighet, denna metod används vanligtvis i kalibrerings- och verifieringsexperiment.
2.3. Metoder för att förbättra känsligheten
In order to improve the sensitivity of piezoresistive sensors, the following methods can be considered:
Optimera materialval: Att välja material med högre piezoresistiva koefficienter, såsom högrent kisel eller tunnfilmsmetallmaterial, kan förbättra känsligheten avsevärt.
Förbättra strukturell design: Genom att optimera sensorns känsliga elementstorlek, tjocklek och andra designparametrar kan sensorn göras mer känslig för de önskade känslighetskraven.
Förbättra kretsförstärkning: Att designa högpresterande bryggkretsar eller använda högprecisionsförstärkare kan effektivt förbättra förstärkningseffekten av sensorsignalen och därmed förbättra känsligheten.
Stabilitetsanalysmetoder
Stability is the ability of a sensor to maintain unchanged performance over a long period of time. Stabilitet är särskilt viktigt vid tillämpning av piezoresistiva sensorer, som krävs för att fungera under långa tidsperioder under en mängd olika miljöförhållanden utan prestandaförsämring eller fel. Stability is directly related to the reliability and service life of the sensor.
3.1. Stabiliteten hos de faktorer som påverkar
The stability of piezoresistive sensors is affected by a variety of factors, including:
Termisk stabilitet av material: Piezoresistiva sensormaterial under användning, särskilt i högtemperaturmiljöer, termisk expansion, termisk instabilitet och andra fenomen kan uppstå, vilket resulterar i en icke-linjär ökning av motståndsändringen, vilket påverkar sensorns långsiktiga stabilitet, valet av material med god termisk stabilitet kan förbättra sensorns stabilitet.
Miljöfaktorer: yttre temperatur, luftfuktighet, lufttryck och andra miljöfaktorer har stor inverkan på sensorns stabilitet. Temperaturförändringar kan till exempel leda till förändringar i sensormotståndet, vilket resulterar i mätfel. Därför bör sensorn ha ett starkt motstånd mot miljöstörningar.
Långvarig belastnings- och utmattningseffekt: en viss mängd externt tryck eller belastning som appliceras under en lång tidsperiod kommer att göra att sensormaterialet gradvis åldras, skadas, vilket resulterar i att motståndsvärdet avviker, vilket påverkar sensorns stabilitet.
3.2. Metoder för stabilitetstestning
Stability testing is usually achieved through accelerated aging test and environmental testing:
Accelererat åldringstest: genom att påskynda åldringsprocessen för sensorn i hög temperatur, hög luftfuktighet, högt tryck och andra extrema förhållanden, för att observera förändringarna i dess prestanda. This method is able to simulate the stability changes of the sensor in long-term use.
Miljöstabilitetstest: Utvärdera sensorns stabilitet genom upprepade tester under olika miljöförhållanden som temperatur, fuktighet och lufttryck.
Long-term use test: put the sensor into the actual working environment for a long time to observe the use, analyze the stability trend.
3.3.Förbättra metodens stabilitet
In order to improve the stability of piezoresistive sensors, the following methods can be referred to:
Val av lämpliga förpackningsmaterial: användningen av utmärkt termisk stabilitet och korrosionsbeständighet hos förpackningsmaterialen, kan effektivt skydda sensorns inre komponenter för att minska påverkan från den yttre miljön.
Temperaturkompensationsdesign: Lägg till en temperaturkompensationsmekanism till sensordesignen, som att använda material med negativa temperaturkoefficienter (NTC) för att kompensera effekterna av temperaturförändringar på motståndet.
Användning av mycket stabila material: Att välja material med mer stabil långsiktig prestanda, såsom kiselbaserade material eller aluminiumbaserade material, kan avsevärt förbättra sensorns långsiktiga stabilitet.
Förbättra utmattningsmotståndet hos sensorn: genom att optimera den strukturella designen, välja höghållfasta material, stärka förpackningen och andra sätt att minska utmattningseffekten av sensorn vid långvarig användning.
Slutsats:
Piezoresistiva sensorer, som en allmänt använd sensor för tryck- och töjningsmätning, har känslighet och stabilitet som nyckelfaktorer som påverkar deras prestanda. Känslighet påverkar sensorns förmåga att reagera på små förändringar, medan stabilitet avgör sensorns tillförlitlighet och noggrannhet vid långvarig användning. Genom att optimera materialet, strukturell design, kretsdesign och andra aspekter, kan effektivt förbättra sensorns känslighet och stabilitet. För den faktiska tillämpningen av piezoresistiva sensorer kan förbättringens känslighet och stabilitet inte bara förbättra mätnoggrannheten, utan också förlänga sensorns livslängd för att säkerställa dess tillförlitlighet i en mängd olika komplexa miljöer.