TRANSDUTORES DE PRESSÃO DE SILÍCIO 

SÉRIE KPY 50-A DA INFINEON TECHNOLOGIES

INTRODUÇÃO

        Sensores de pressão são transdutores que convertem a grandeza física pressão em sinal elétrico. No seu centro existe uma célula de medição que consiste de uma pastilha com um fino diafragma de silício acoplado, no qual caminhos resistivos são formados pela implantação iônica para transferir o nível exato de força para a ponte de Wheatstone de silício.

        Quando pressão é aplicada, a deflexão do diafragma leva a mudanças nas resistências implantadas de acordo com o efeito piezoresistivo. A espessura do diafragma, a área da superfície e o desenho geométrico dos resistores determinam a permissibilidade da faixa de pressão. Efeitos mecânicos do suporte nas células de medição podem largamente ser evitadas pelos aspectos estruturais.

APLICAÇÕES

O EFEITO PIEZORESISTIVO

        A mudança de resistência causada por mudanças na geometria tem significância secundária. O efeito primário é a mudança de condutividade, dependente de esforço mecânico no cristal. Esta dependência pode ser definida pela constante de proporcionalidade 

dr/r= Õxs

         Tensões de compressão e dilatação no cristal semicondutor são usados para produzir mudanças na resistência nos piezoelétricos conectados como um circuito ponte.

a)    Tensões de compressão no cristal causam uma redução na  máxima energia e conseqüentemente no aumento do número de portadores de carga na direção da força de compressão. Este aumento na condutividade reflete na diminuição da resistência.

b)    Tensões de dilatação causam um aumento na energia máxima e conseqüentemente uma diminuição no número de portadores de carga na direção da força dilatadora. Isto reflete no aumento da resistência.

        Os resistores estão precisamente localizados sobre o diafragma flexível para corresponder com a máxima tensão de compressão e dilatação. Com base na direção relativa dos componentes da tensão mecânica s , o efeito elétrico E, e a densidade de corrente elétrica j; os seguintes efeitos podem ser distinguidos:

        -    Efeito Longitudinal:

            E // j // s

        -    Efeito Transversal: 

            E // j ^ s

        -    Efeito de tensão perpendicular:

            (E ^ j) // s

        Um indicador da magnitude do efeito piezo é o material dependente fator K, também conhecido como fator Gauge, o qual é a proporcionalidade entre a mudança relativa na resistência - que é constante - e a mudança relativa no comprimento.:

       d R/R = K x dL/L

        O fator Gauge pode ser derivado das equações básicas:

        K = Õ x E

        Onde Õ é a constante piezo e E o módulo de elasticidade. O fator K é aproximadamente 2 para metais e 50 a 100 vezes maior para semicondutores, dependendo do nível de dopagem.

VANTAGENS DESTA TECNOLOGIA

        As vantagens do transdutor de pressão usando a tecnologia semicondutora comparada outras formas medidoras de resistência por pressão são:

        Uma desvantagem que deve ser mencionado é a sua dependência na temperatura, mas estes efeitos podem ser compensados por um circuito corretor.

        Todos os sensores de pressão da Infineon contém um sensor de temperatura KTY-Series que pode ser usado, com excelente resultados, na compensação da variação da temperatura.

        Infineon Technologies inicialmente desenvolveu sensores de pressão para aplicações industriais (medição e controle de engenharia). Os sensores estão disponíveis para baixa pressão até 0.06 bar e para alta pressão até 400 bar. A tecnologia semicondutora determina parâmetros tais como uma maior quantidade de diferentes tensões de saída,  sensibilidade e dependência da temperatura, além da estabilidade dos sensores. Outros parâmetros não ideais como histerese de temperatura já estão considerados no projeto do sensor.

QUATRO PIEZORESISTORES FORMAM UMA CIRCUITO PONTE

        Para atingir a máxima precisão na medição, quatro piezoresistores estão conectados para formar um circuito ponte. A posição dos resistores individuais é escolhida de acordo com a deflexão no diafragma. Dois resistores situados em lados opostos aumentam a resistência, enquanto os outros dois diminuem. Esta configuração propicia a vantagem de minimização dos efeitos da variação de resistência versus a temperatura. A variação de resistência com a deformação é pequena, enquanto a variação com a temperatura pode ser grande.

        Estas mudanças na resistência resultam em uma saída de tensão de acordo com a seguinte equação: 

V_out= V_in x [R₁(p)xR₃(p) - R₂(P)XR₄(p)]/ [R₁(p) +R₂(p)]x[R₃(p)+R₄(p)]

        Onde V_in é a tensão de entrada e R_i(p) a resistência dependente da pressão.

Ri(p)=Ri + DRi(p)

    A equação pode ser simplificada para:

        V_out=V_in x DR/R

        DR/R = K x e(p)

        Onde e é a deflexão mecânica e K um fator de proporcionalidade conhecido como fator gauge. Para uma primeira aproximação, a função  e(p) é linear para pequenas deflexões no diafragma e representa a relação entre a tensão de saída e pressão.

        Com uma maior deflexão do diafragma a não-linearidade aumenta porque uma  expansão comum dos quatro resistores é adicionado à mudança na resistência. Isto significa que dois resistores aumentam e os outros dois diminuem a resistência. Este efeito limita a obtenção do sinal de saída para um máximo de erro de linearidade permitido Fl.

GEOMETRIA  DOS SENSORES DE PRESSÃO

        A conversão da entidade física pressão em tensão elétrica ocorre pela localização precisa dos resistores que estão conectados na forma da ponte de Wheatstone. A fim de obter a maior sinal possível com a melhor linearidade, duas condições devem ocorrer:

        Primeiramente, todos os quatro resistores devem ter o mesmo valor nominal e em segundo lugar os resistores opostos na diagonal devem mudar igualmente suas  quantidades em valores opostos.

        Em princípio esta segunda condição pode ser obtida por dois métodos separados. Através do posicionamento dos resistores em localizações opostas aos esforços mecânicos ou pelo uso de diferentes sinais dos efeitos longitudinal e transversal. A melhor posição para cada resistor é calculada por computador utilizando técnicas de análise de elementos finitos.

PRESSÕES BAIXAS (50mbar a 100mbar)

        Abaixo de 200mbar os sinais de saída obtidos atingem no máximo 5mV/V. São utilizados diafragmas circulares com não-linearidade dentro de 0.2%. A possibilidade de aumento no sinal de saída dentro de uma banda de não linearidade dada é conseguida mudando-se de um diafragma circular para um diafragma anular de aproximadamente 20mm de espessura. Reforçando o diafragma no seu interior reduz distensão e também o efeito balão. Os piezoresistores são arranjados radialmente para fora e as extremidades internas do anel utilizam o efeito resistivo piezoresistivo. Nesta froma os sensores podem ser produzidos para baixa pressão com sinal de saída 2 a 3 vezes maior que a dos sensores com diafragma circulares equivalentes. Com uma fonte de entrada de 5 V, os sensores de 50mbar e 100mbar produzem sinais de saída de 35 a 40 mV.

PRESSÕES MÉDIAS (0.25bar a 25 bar)

        Sensores de pressão média consistem de chips com diafragmas circulares de 20 a 60mm de espessura. Dois resistores são posicionados radialmente e dois tangencialmente no contorno do diafragma circular, utilizando um efeito piezoresistivo longitudinal e transversal.

        A faixa média dos sensores de pressão média disponíveis são de 0.25  bar até 25 bar, com saídas de tensão que variam de 25mV até 250mV (com fonte de 5 volts).

MODELO KPY 50-A

        Na construção do modelo KPY 50-AK, uma cápsula plástica em forma de funil é ajustado sobre a base do sensor. Esta cápsula pode ser facilmente removida para permitir nova fabricação do sensor. Esta construção básica é usada para produzir comunicação de sensores separados.

        A figura 1 mostra a construção de sensores relativos aonde a sensibilidade da célula de pressão é montado diretamente em um tubo conectado na base. A pressão pode ser aplicada na frente ou atrás do chip.

        A figura 2 mostra a construção dos sensores de pressão absoluta aonde a célula de sensibilidade contém vácuo, o qual é conectado em um suporte ligado à base. Este suporte substitui o centro do tubo e dá segurança adicional no caso de ruptura do diafragma.

                                                                                                                fig.1

fig.2

SENSORES DE PRESSÃO ABSOLUTA DE SÍLICIO PIEZORESISTIVO

 CARACTERÍSTICAS

        Baixa histerese de temperatura e pressão

        Resposta rápida

        Alta sensibilidade e linearidade

        Livre de fadiga

        Período longo de estabilidade

        Construção com sensor de temperatura de silício

        A seguir serão descritos os sensores da série KPY 50-A e suas características

CONFIGURAÇÃO DOS PINOS

ESPECIFICAÇÕES MÁXIMAS ABSOLUTAS

CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS (T_A=25 C e V_in=5V)

DIMENSÕES

CONCLUSÃO

        A Infineon Tecnologies apresenta transdutores de pressão da série KPY 50-A com saída de alta resolução sob um largo alcance de temperatura. Isto é obtido atarvés de correção digital do sinal dentro do sensor. Cada unidade é calibrada para uma performance padrão, promovendo exatidões maiores do que usualmente obtido em outros transdutores de pressão

REFERÊNCIA

Site da Infineon: http://www.infineon.com

Trabalho de Instrumentação Eletrônica realizado por Emilio Hoffmann Gomes Neto