Sensori di pressione integrati

Sensori di Pressione Integrati
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I sensori di pressione vengono usati per un’ampia
varietà di misure e controllo di sistemi in svariati
campi : nell’automazione, nella biomedica ecc.
Esistono tre tipi di sensori, tutti basati su una
membrana deformabile per effetto della pressione:



1. Piezoresistivi, che sfruttano la variazione di
resistività di un materiale conduttore causata dalla
deformazione della membrana;
2. Capacitivi, che sfruttano la variazione di
capacità dovuta al movimento della membrana;
3. Risonanti, dove la pressione esercitata sulla
membrana provoca una variazione della frequenza di
risonanza di un elemento vibrante posto su di essa.
Pregi
e
Difetti

Piezoresistivi:







Capacitivi:
Uscita lineare
Semplicità di
fabbricazione
Impedenza
d’uscita bassa
Basso costo

Sensibili alla
temperatura e
al drift
Poco adatti per
misure precise
o di bassa
pressione





Risonanti:
Sensibilità
maggiore
Minor consumo
di potenza
Effetto
temperatura
ridotto

Problema
capacità
parassite
Uscita non
lineare


Maggior
accuratezza
Uscita
variazione
frequenza
Processo di
fabbricazione
molto
complesso
Sensori Resistivi

Sfruttano il movimento della membrana causato da
una variazione di pressione per indurre uno stress sui
resistori e variare la loro resistenza
ρl
ΔR Δl ΔA Δρ
ΔR
Δl Δρ
R 




 ( 1  2v) 
A
R
l
A
ρ
R
l
ρ
Termine dipendente
dalla lunghezza
V è detto Rapporto di Poisson

Dipendente
dalle proprietà di bulk
Possiamo distinguere due tipi di resistori:

Metallici dove domina il termine dimensionale
R
l
 (1  2v)
R
l

Kgf 
R
R  (1  2v)  Fattore di misura
l
l
Piezoresistivi dove la variazione di resistenza è causata
principalmente dalla variazione della resistività
R 

Kgf  150 (silicio monocrista lino)
R

Struttura Sensori Piezoresistivi


Hanno resistori in silicio (molto robusti), elevato fattore
di misura, elevata sensibilità, adatti per sensori
integrati; difetto è la dipendenza di ρ dalla temperatura
Sottile membrana di Si monocristallino supportata da
un anello di silicio più spesso, i resistori posso essere:



Diffusi g Problemi di Drift e rumore ma maggiore sensibilità
Depositati g Miglior comportamento alle alte temperature
Esistono tre differenti tecniche di fabbricazione:



Micromachining tecnica molto usata in ambito commerciale lo
svantaggio è che la superficie del chip richiesta è grande
Fusion-bonded riduce la grandezza per i supporti delle
membrane (importante nelle applicazioni biomediche)
Surface-Micromachining sensori molto sottili e molto sensibili,
svantaggio e nella membrana costituita da polisilicio.
Interfacce Sensori Piezoresisivi
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La variazione di resistenza può
essere calcolata come funzione
dello stress indotto dalla
pressione sulla membrana
R
 LL  TT 
R

R
  L  T 
R
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I Resistori sono connessi in
configurazione a ponte di Wheastone
•
Uscita lineare
• No influenza della Temperatura
R
V 
Vdd   L  T Vdd
R
π T= π L per come
sono disposti i
resistori rispetto al
cristallo
Struttura Sensori Capacitivi


La struttura base è un condensatore con un’armatura
fissa e una costituita dalla membrana che deformandosi
sotto l’azione di una pressione determina una variazione
di capacità
Abbiamo due tecniche realizzative :




Fusion-bondig
Surface micromaching
Per una membrana circolare di
raggio R, il massimo stress σ
IL minimo spessore di diaframma
possibile
Interfacce Sensori Capacitivi
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Questi sensori necessitano sempre di un’interfaccia di
lettura, un circuito che converta la variazione di capacità
in segnale elettrico

Circuito a condensatori
commutati (lettura differenziale)
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Correlated-Double Sampling
(cancella offset e l’effetto rumore)
Sensori di Pressione Risonanti
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La membrana si flette per effetto di una differenza
di pressione e questo induce degli stress sul risonatore
che causano una variazione della frequenza di
risonanza dello stesso
Una misura della sensibilità è data dal Fattore di qualità

I meccanismi di perdita dell’energia sono dovuti:

• perdite nel mezzo circostante
•
nel supporto del risonatore
• interna al materiale del risonatore stesso
Interfacce Sensori Risonanti
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
Per misurare la frequenza di risonanza di un sensore
è costruire un circuito oscillatore elettronico in cui il
sensore determini la frequenza di oscillazione
Una tecnica semplice per ottenere un circuito oscillatore
è chiudere in anello un amplificatore con il risonatore
Interfacce Sensori Risonanti
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Per indurre e rilevare la vibrazione esistono due possibili
approcci :


Un solo elemento per l’eccitamento e rilevamento, come i risonatori
quarzanti → dispositivo ad una porta
Due elementi separati per le due operazioni → dispositivo a due porte
Se R=RS la frequenza attenuata
di un fattore due allora A>2
Guadagno d’anello A*R/RS
Sensori di Pressione Ottici
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La potenza necessaria al funzionamento dei sensori
ottici è molto bassa e si arriva a velocità di operazione
elevate
Abbiamo però che le variazioni dell’indice di rifrazione,
usate per le misure con questi sensori, sono molto
piccole ed inoltre si raggiunge una scarsa densità degli
elementi in un circuito ottico integrato
I sensori ottici più diffusi si basano sull’interferometro
Po
P
t


Po = Pt : la luce attraversa due percossi identici→ variazione pressione nulla
Po > Pt : incremento lunghezza braccio sensibile→ aumento di pressione