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INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

Dispositivos piezoeléctricos

Los dispositivos piezoeléctricos, producen una carga eléctrica entre las caras opuestas de un cristal cuando el cristal se deforma por una fuerza que los hace aptos para su uso como sensor de fuerza. Muchos cristales exhiben el efecto piezoeléctrico. Algunos cristales comunes son los siguientes:

  • Cuarzo
  • Sal de La Rochelle
  • Sulfato de litio
  • Turmalina

Los dispositivos de cuarzo tienen buena sensibilidad pero tienen una alta impedancia de salida. El voltaje de salida se desvía con poca carga debido a los efectos del ruido y la temperatura, pero es adecuado para medir fuerzas que cambian rápidamente, así como fuerzas estáticas.

Las fuerzas de tracción y compresión se miden con galgas extensiométricas; una galga extensiométrica puede utilizar un material piezorresistivo u otro tipo de material que cambia su resistencia bajo tensión.La figura a muestra el uso de una galga extensiométrica para medir la deformación en un cuerpo sólido bajo el estrés de una fuerza de tracción, en este caso el material bajo tensión se elonga y se estrecha. Los medidores de tensión, como se muestra, se utilizan para medir la tensión en un material apartir del cual se pueden calcular las propiedades del material. Se puede usar una galga extensiométrica para medir la tensión de las fuerzas de compresión como se muestra en la Fig. b en tema relacionado. Un objeto bajo fuerzas de compresión se acortará y expandirá y se puede medir la deformación.

Figura : Ejemplos de (a) un objeto sólido bajo tensión de tracción, (b) un cuerpo sólido bajo compresión y (c) una celda de carga capacitiva.

Las mediciones de peso se realizan con celdas de carga que pueden ser capacitivas, electromagnéticas, utilizar elementos piezoeléctricos o galgas extensiométricas. Una celda de carga capacitiva se muestra en la Fig. c. La capacitancia se mide entre una placa fija y un diafragma. El diafragma se mueve hacia la placa fija cuando se aplica fuerza o presión, dando un cambio capacitivo proporcional a la fuerza.

Sensores de presión piezoresistivos

Un sensor piezo-resistivo es un dispositivo que hace uso de cambios en la resistividad de ciertos materiales semiconductores cuando éstos se someten a una tensión mecánica para efectuar una acción electrónica. Este fenómeno piezorresistivo se basa en que estos materiales tienden a sufrir cambios en sus características de resistencia latentes cuando se flexionan por la exposición a la presión o al estrés. Esto provoca un cambio correspondiente en cualquier corriente eléctrica que pasa a través del dispositivo, que se traduce en una medición o lectura. Los materiales semiconductores usados ​​comúnmente en dispositivos piezoresistivos son generalmente las mismas familias metálicas básicas y de silicio utilizados en la mayoría de los componentes electrónicos. Estos componentes están disponibles con una amplia gama de características de sensibilidad para adaptarse a los requisitos de diversas industrias.

El material de detección en un sensor de presión piezoresistivo es un diafragma formado sobre un sustrato de silicio, que se dobla con la presión aplicada. Una deformación se produce en la red cristalina de la membrana debido a dicha flexión. Esta deformación provoca un cambio en la estructura de bandas de los piezoresistores que se colocan en el diafragma, produciéndose un cambio en la resistividad del material. Este cambio puede ser un aumento o una disminución de acuerdo con la orientación de las resistencias.

Fig: Ejemplo de sensor de presión piezoresistivo, con diafragma de silicio monolítico. Proporciona salida de tensión lineal proporcional a la presión aplicada.

Cuando ciertos materiales semiconductores están expuestos a esfuerzos mecánicos, su resistividad, o la capacidad básica para oponerse a la corriente eléctrica cambia. Este cambio en las características materiales de resistencia, obviamente, cambia su valor de resistencia específica. Esto da lugar a un aumento o disminución de cualquier corriente que pasa a través del dispositivo que se utiliza para indicar o medir la tensión relacionada. El efecto piezoresistivo se aprovecha para crear una gama de dispositivos semiconductores sensibles utilizados para registrar y medir las fuerzas que inducen al estrés tales como la aceleración y la presión.

Este tipo de sensor se construye típicamente de sustratos semiconductores tales como germanio, silicio policristalino, silicio amorfo, y de silicio de cristal único.  Estos sensores varían en complejidad desde piezoresistores simples con rango limitado y estabilidad de la temperatura hasta piezo-FETs altamente estables y precisos.

El sensor piezorresistivo se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones que implican la medición de tensión mecánica. La industria del automóvil los emplea como sensores de presión y vacío o para dar indicación de los niveles de aceite y gas. También se utilizan en el campo de la medicina en dispositivos tales como equipos de medición de la presión arterial. Los profundímetros utilizados por los buzos de aguas profundas también emplean la tecnología de sensor piezoresistivo para producir lecturas precisas de la profundidad. Estos dispositivos también se utilizan en los altímetros de aviones y los instrumentos de presión barométrica.

Figura: Transmisor de presión piezoresistivo Haenni.

Figura: Transmisor de presión piezoresistivo ENDEVCO

Los sensores dependientes de la presión de este tipo también se utilizan a menudo en los instrumentos de medición electrónicos que utilizan circuitos y componentes, tales como el puente de Wheatstone y transistores bipolares. Acelerómetros utilizados para medir la orientación de posición, aceleración, y las fuerzas de vibración también utilizan la tecnología de sensor piezorresistivo para producir sus lecturas. Esta tecnología también ha encontrado su camino en el entorno doméstico, con muchos lavavajillas, aspiradoras, y los fabricantes de máquinas de lavado que utilizan en sus productos.

 ÁREAS DE APLICACIÓN

  • Electrodomésticos: lavadoras, lavavajillas, aspiradoras;
  • Aplicaciones en Automotores: Nivel de aceite, nivel de gas, detección de presión de aire;
  • Aplicaciones Biomédicas: medición de la presión arterial, etc ..

VENTAJAS

  • Oportunidad de fabricación de sensor de bajo costo
  • Tecnología madura de procesamiento
  • Diferentes niveles de presión pueden ser alcanzados de acuerdo a la aplicación.
  • Además, se pueden obtener diversas sensibilidades.
  • Circuitos de lectura puede ser tanto integrado al chip o discreto.

Los sensores de presión de silicio monocristalinos se han comenzado a utilizar ampliamente en los últimos años. Aunque fabricados con tecnología de semiconductores, estos también operan sobre el principio resistivo. El cambio de resistencia en un semiconductor monocristalino (un efecto piezoeléctrico) es sustancialmente mayor que aquel en los medidores de deformación estándar, cuya resistencia cambia con los cambios geométricos en la estructura. La conductividad en un semiconductor dopado está influenciada por un cambio (de compresión o estiramiento de la red del cristal) que puede ser producido por una muy pequeña deformación mecánica. El uso de un circuito integrado acondicionador de señal para compensar la temperatura y amplificar la señal ofrece un rendimiento superior por encima de los circuitos discretos.

Los elementos semiconductores que utilizan nuevas técnicas de procesamiento de señal para sensores de presión piezoresistivos han permitido compensación electrónica precisa, automática y de bajo costo de los parámetros de error estándar. La simplificación y la comodidad que resulta han abierto un amplio campo de nuevas aplicaciones, incluyendo el uso de sensores en puente para las otras propiedades que no sean de presión.

Debido a que la mayoría de los sistemas de control operan con señales eléctricas, la presión o la fuerza deben ser convertidas a corriente o tensión eléctrica antes de su procesamiento o análisis posterior. Transductores capacitivos y resistivos de señal se utilizan comúnmente para este propósito. Los sensores capacitivos detectan la presión como una capacitancia asociada con la distancia entre dos (o más) diafragmas, lo que cambia en respuesta a un cambio en la presión. Para proporcionar una salida útil, esta variación de la capacidad se expresa generalmente como la atenuación de una señal de corriente alterna o como un desplazamiento de frecuencia en un circuito resonante.

En sensores resistivos, la presión cambia la resistencia mediante la deformación mecánica del sensor, permitiendo a las resistencias en un circuito puente, por ejemplo, detectar la presión como una tensión eléctrica diferencial proporcional a través del puente. Los dispositivos de medición de  presión resistivos convencionales incluyen resistencias de película, galgas medidoras de tensión (“strain gauges”), aleaciones de metales y semiconductores policristalinos.

Los sensores de presión de silicio monocristalinos han entrado en uso amplio en los últimos años. Aunque fabricados con tecnología de semiconductores, también operan sobre el principio resistivo. El cambio de resistencia en un semiconductor monocristalino (un efecto piezoeléctrico) es sustancialmente mayor que la variación en los medidores de deformación estándar, cuya resistencia cambia con los cambios geométricos en la estructura. La conductividad en un semiconductor dopado está influenciada por un cambio (de compresión o estiramiento de la red de cristal) que puede ser producido por una muy pequeña deformación mecánica. Como resultado, la sensibilidad de los sensores monocristalinos es mayor que la de la mayoría de los otros tipos. Las ventajas específicas son:

  • Alta sensibilidad,> 10 mV / V
  • Buena linealidad a temperatura constante
  • Capacidad para realizar un seguimiento de los cambios de presión sin histéresis de la señal, hasta el límite destructivo

Las desventajas son:

  • Fuerte dependencia no lineal de la señal a plena escala de la temperatura (hasta el 1% / kelvin)
  • Gran desviación inicial (hasta el 100% de la escala completa o más)
  • Fuerte deriva de desplazamiento con la temperatura

Dentro de ciertos límites, estas desventajas se pueden compensar con los circuitos electrónicos.

 

 

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