Piezorezistif Basınç Ölçüm Teknolojisi

Basınç ölçümünde piezorezistif teknoloji nedir?
Neden bu teknoloji kullanılır?                                                                                                            Dr. Sören Boyn

Basınç

Basınç, sıcaklıkla birlikte endüstriyel işlemlerde makineleri ve tesisleri izlemek ve kontrol etmek için kullanılan önemli bir parametredir. Bu nedenle hassas bir şekilde kontrolü gereklidir. 
Elektronik basınç ölçümü, basıncı algılayan ve bunu elektriksel sinyale dönüştüren bir yapıdır.
Piezorezistif teknolojide yapı, basınca göre elektriksel direnç değerini değiştiren sistem etrafında şekillenir.

Rezistif Basınç Ölçümü

En basit hali ile rezistif basınç ölçümü, şekli değiştiğinde direnç değeri değişen ince metal bir şerit ile çalışır.Gerildiğinde şerit uzar ve incelir, elektriksel direnç artar. Sıkıştığında şerit kısalır ve kalınlaşır, direnç azalır.
Ölçülecek basıncı kontrollü mekanik deformasyona çevirmek için elastik zara gerilim uygulanır. Eğer basınç, gerilmiş haldeki zarın yalnızca bir tarafına etki ederse, o kısım deforme olur ve zardaki gerilim ölçerin pozisyonuna bağlı olarak, zar sıkışır veya gerilir (Bkz. Şekil 1).
Basınç ne kadar yüksek olursa, zar o kadar deforme olur. Bu da rezistif değişimin derecesinin, doğrudan basınca bağlı olduğu anlamına gelir. Daha doğru bir ölçüm için, birkaç gerilim ölçer, bir köprü devresinde birleştirilir ve direnç değişimi voltaj sinyali olarak kaydedilir.

Piezorezistif Basınç Ölçümü

Antik Yunan dilindeki sıkmak veya basmak anlamına gelen piezein kelimesinden türetilen piezorezistif teknoloji, basınç kullanılarak çalışan bir süreçtir. Piezorezistif basınç ölçümünün temel prensibi, rezistif basınç ölçümü ile aynıdır. 
Burada da uzama veya kısalma, dirençte değişikliğe neden olur. Ek olarak, piezorezistif bir malzemede, gerildiğinde veya sıkıştığında meydana gelen mekanik gerilim elektriksel iletkenlikte değişikliğe yol açar. Bu piezorezistif etki, elektrik yükü taşınmasını doğrudan etkileyen atomik konum kaymalarına dayanmaktadır. Elektriksel iletkenlikteki değişiklikten kaynaklanan rezistif değişim, deformasyonun neden olduğundan daha büyüktür. 
Yarı iletken malzemeler üçlü piezorezistif etki gösterir. Bunlar; elektriksel iletkenliği, iletken (gümüş, bakır ve alüminyum gibi metaller) ve iletken olmayan (cam gibi) malzemeler arasında yer alırlar. Silisyum, piezoresistif basınç hücrelerin yapımı ve elektronik devrelerin üretiminde kullanılır.
Piezoresistif sensörlerin temeli, bir milimetreden daha ince olan silikon disklerdir.(Bkz. Şekil 2)

Yabancı atomlar, yüzeyde iletkenliği lokal olarak etkileyen belirli noktalarda bulunur. Bu sürece doping adı verilir ve silikondaki bu alanlar, piezorezistif dirençleri oluşturur. Bir sonraki adımda, zarın doğrudan silikon disklerde oluşturacağı piezorezistif direnç, Şekil 1'de gösterildiği gibi,belirli pozisyonlarda uzanacak şekilde lokalize  olarak incelir. Zarın bir tarafına etki eder, deformasyon yaratır mekanik bir gerilime neden olur.
Zarın bir tarafına etki eder, deformasyon yaratır ve mekanik bir gerilime neden olur. Lokasyonuna bağlı olarak  direnç değeri artar veya azalır. Sensörün basınca duyarlılığı, zarın kalınlığı ile ayarlanabilir. Daha sonra, silikonun  arka kısmı bir cama sıkıca bağlanır (Bkz. Şekil 3). Bu durum, absolute basınç sensörleri için vakumda bir referans  alan yaratır. Relatif basınç ölçülürken, arka camda referans deliği bulunur.

Piezorezistif basınç ölçüm hücrelerinde, gerilim ölçümlerinden farklı olarak, ölçüm dirençleri zara entegre edilmiştir. Bu teknoloji sayesinde yapıştırma ihtiyacı ortadan kalkar. Ek olarak; piezorezistif etki, dirençte metalik gerginlik ölçer ile elde edilebileceğinden 50 kat daha fazla değişikliğe yol açar. Sensör çiplerinin ölçüm ortamından izole edilmesi için, yağ dolu ince bir zarla kapatılmış ve basıncı sızdırmaz metal bir tabakaya monte edilirler.
(Bkz. Şekil 4). 
Basınç, önce yağ dolguya, daha sonra piezorezistif sensöre etki eder.

Basınç ölçümünde neden piezorezistive teknoloji kullanılır?

Çıkış sinyalleri ve belirli üretim prosesleri sayesinde, basınç ölçümünde pizorezistif teknoloji kullanılmaya başlanmıştır. Bir başka önemli nokta ise, stabilizasyon için kritik önem taşıyan gerilim ölçerin, yapıştırılarak  kullanımına gerek olmamasıdır. Sensörde kristal halde bulunan silikonun, işlem sırasında uğradığı deformasyon, elastik bir şekilde meydana gelir. Bu nedenle çok sayıda basınç ölçümü sonrasında bile, stabilizasyonda bir değişim görülmez. Sensörler, yerleşik yarı iletken teknolojisiyle üretilir ve uzun vadede, sürekli basınç ölçümü yapılabilir.
Piezorezistif basınç transdüserleri hareket eden parçalar değildir. Bu nedenle şok ve akselerasyona dayanıklıdır.  Piezorezistif ölçüm hücrelerindeki direnç, yüksek çözünürlüklü elektronik çıkışa izin verir. Analog veya dijital  kompanzasyon çözümleri ile birlikte, son derece hassas, sıcaklıktan bağımsız basınç sinyalleri elde edilebilir.
İzole edilmiş piezorezistif basınç ölçüm hücresi, çok yönlülüğü ile göze çarpmaktadır. Çeşitli ortamlarla uyumludur  ve geniş basınç aralıklarını kapsar. Özel muhafazalı yapısı, kritik şartlarda bile pek çok endüstriyel uygulama için  büyük esneklik sağlar. 

KELLER AG'yi öne çıkaran, izole ölçüm hücrelerinin tasarımı ve üretimidir. Piezorezistif  basınç ölçümündeki deneyimi sayesinde, özel uygulamaların kolaylıkla uygulanabilmesi sağlanmaktadır. 

KELLER AG piezorezistif basınç hücreleri, zorlu endüstriyel uygulamalarda ve araştırmalarda kullanılmaktadır.