Tecnología de sensores

Sensores de silicio piezoresistivos

La construcción de un sensor de silicio acabado es relativamente compleja. No hay tensión Se utilizan galgas extensométricas, como las descritas anteriormente. En cambio, la presión El elemento sensible a la presión consiste en un chip de silicio de unos pocos milímetros de tamaño.

La estructura cristalina de este chip corresponde funcionalmente a la de una galga extensométrica metálica, pero no es reconocible ópticamente como tal. Se produce por dopaje, es decir, por la introducción selectiva de átomos extraños. Las bandas extensométricas semiconductoras producidas de este modo reaccionan hasta 100 veces más sensiblemente a la deformación que las bandas extensométricas metálicas. El cambio en la resistencia no está causado por una deformación puramente geométrica, sino por el cambio resultante en la estructura de la red cristalina y, por tanto, en la movilidad o conductividad de los electrones. Los chips individuales de los sensores se fabrican en las llamadas obleas. Estas obleas de silicio, de unos 150 mm de tamaño, contienen varios cientos de chips.

Fig. 1 Oblea con sensores de silicio piezoresistivos

La estructura cristalina de este chip corresponde funcionalmente a la de una galga extensométrica metálica, pero no es reconocible ópticamente como tal. Se produce por dopaje, es decir, por la introducción selectiva de átomos extraños. Las bandas extensométricas semiconductoras producidas de este modo reaccionan hasta 100 veces más sensiblemente a la deformación que las bandas extensométricas metálicas. El cambio en la resistencia no está causado por una deformación puramente geométrica, sino por el cambio resultante en la estructura de la red cristalina y, por tanto, en la movilidad o conductividad de los electrones. Los chips individuales de los sensores se fabrican en las llamadas obleas. Estas obleas de silicio, de unos 150 mm de tamaño, contienen varios cientos de chips.

El chip individual del sensor se fija a una base de vidrio mediante adhesión anódica. En las versiones de presión relativa, la base de cristal está provista de un orificio continuo. La presión ambiental es conducida a través de este orificio a la parte posterior del chip. La base de cristal está pegada a la llamada cabecera TO. El cabezal dirige la presión ambiental a la base de cristal a través de un tubo de ventilación. En la parte posterior, junto con el tubo de ventilación y el tubo de llenado, se encuentran las clavijas de conexión, que se conectan al chip mediante cables de unión.


Fig. 2 Chip de silicio adherido al cabezal de la TO

Fig. 3 Célula de medición terminada

El elemento sensor es muy sensible a las influencias externas y, por lo tanto, no está directamente expuesto al medio a medir. El cabezal está soldado en una carcasa de acero inoxidable con un fino diafragma metálico soldado en la parte delantera. La elección de diferentes materiales de las membranas (acero inoxidable, Hastelloy C, titanio, etc.) permite que las células de medición puedan satisfacer los requisitos de diferentes medios.

A través del tubo de llenado en el cabezal, el interior se llena con un aceite sintético y luego se sella a presión. En la célula de medición así creada, la presión del proceso actúa indirectamente: a través de la membrana sobre el aceite de relleno y, por tanto, sobre el chip sensor (separación de medios).

Además de la versión descrita con separación de medios, también existe una versión sin membrana de separación y aceite de relleno. Se puede utilizar para medir medios inertes. En este caso, el chip sensor está en contacto directo con el medio y, por tanto, ofrece una mayor precisión de medición, ya que se eliminan las influencias de interferencia (aceite de relleno y membrana).

Debido al diseño de la célula de medición, la variación es mayor con esta tecnología de sensores. La elección del material de la membrana y de la carcasa es independiente del sistema de medición y la forma o el tamaño también pueden adaptarse a la aplicación específica. La célula de medición puede soldarse directamente a la conexión de proceso del transmisor de presión terminado (Fig. 3), por lo que no es necesario un sello adicional y, en última instancia, sólo es necesario un tipo de material compatible con el medio.



Fig. 4 Versión de alta temperatura

El aceite de relleno transfiere la presión de la membrana de separación al chip sensor. El aceite de relleno más utilizado es el aceite de silicona, que tiene buenas propiedades con respecto a la expansión relacionada con la temperatura. Para los procesos de la industria alimentaria, se prescriben aceites de relleno que son seguros para el consumo humano. Además de los aceites especialmente aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA), también se pueden utilizar los aceites blancos médicos. Los fluorocarbonos son adecuados para la medición de oxígeno. Al medir el cloro, el escape de aceites de silicona puede provocar una reacción explosiva; también en este caso los fluorocarbonos son un medio de relleno adecuado.

JUMO. Transmisor de presión de la serie dTRANS p31