Sensor de pressão MPX2100A da Motorola

Conteúdo

• Introdução
• Estrutura básica dos sensores de pressão da Motorola
• Sistema X-Ducer (patenteado pela Motorola)
• O sensor MPX2100A
• Aplicação: interface para microcomputador
• Conclusão
• Referências

Introdução

Um conjunto de sensores resistivos de grande utilidade prática são as piezo-resistências. A piezo-resistividade é a propriedade dos materiais que caracteriza a dependência da resistividade elétrica com a deformação mecânica. Esta propriedade tem como causas, entre outras, a variação da mobilidade e da densidade de cargas livres nos materiais, sendo esta última devida em particular à dependência da amplitude da banda proibida com o esforço mecânico.

Apesar de a piezo-resistividade ser uma propriedade comum a todos os materiais, ela é mais notória nos semicondutores como o silício e o germânio, em cujo caso o coeficiente de variação da resistência eléctrica é, regra geral, negativo. As piezo-resistências são utilizadas na construção de microfones e de detectores de aceleração, de força e de pressão, como é o caso dos airbag dos automóveis e dos sensores de fluxo em condutas de líquidos ou gases. Devido à compatibilidade tecnológica com a eletrônica de silício, os sensores de pressão são passíveis de integração conjunta com os circuitos eletrônicos de revelação e processamento de sinal, permitindo, assim, realizar numa única pastilha sistemas complexos que incluem as funções de transdução, de revelação e de processamento da informação.

Estrutura básica dos sensores de pressão da Motorola

Os sensores de pressão Motorola são feitos utilizando um piezorresistor de silicone monolítico, que gera uma tensão de saída que varia conforme a pressão aplicada. O elemento resistivo, que constitui o medidor de pressão, é uma implantação de íon em um fino diafragma de silicone.

Aplicando pressão sobre o diafragma resulta em uma variação de resistência no medidor de pressão, que por conseguinte promove uma variação na tensão de saída diretamente proporcional à pressão aplicada. O medidor de pressão é uma parte integrante do diafragma de silicone, portanto ele não sofre efeito de temperatura devido a diferenças de dilatação térmica no medidor de força e no diafragma. Entretanto, os parâmetros do medidor de pressão são dependentes da temperatura, requerindo um esquema de compensação quando usado sob uma grande faixa de variação de temperatura. Uma compensação simples pode ser usada para um estreito intervalo de temperatura, entre 0°C e 85°C. Para um intevalo de temperatura maior, é necessário um esquema de compensação mais elaborado.

Figura 1: Elemento básico do sensor.

Sistema X-Ducer (patenteado pela Motorola)

Uma pequena corrente de excitação passa longitudinalmente pelo resistor (taps 1 e 3), e a pressão exercida sobre o diafragma é aplicada em ângulo reto ao fluxo de corrente. Essa pressão estabelece um campo elétrico transversal no resistor, que gera uma tensão nos taps 2 e 4, que se localizam no ponto médio do resistor. Essa tensão gerada pode ser comparada à gerada por efeito Hall.

Usando um elemento único elimina a necessidade de montar os resistores sensíveis à pressão e à temperatura como uma ponte de Wheatstone. Também simplifica os circuitos necessários para calibração e compensação de temperatura. O offset não depende dos resistores montados, mas sim do quão exato estão alinhados os taps da tensão transversal. Este alinhamento é feito em um simples processo fotolitográfico, cuja execução possui fácil controle, simplificando o zeramento do offset.

O sensor MPX2100A

Ele provê uma grande precisão e tensão de saída linear (diretamente proporcional à pressão aplicada). Possui uma matriz de silicone monolítico com o medidor de pressão e um conjunto de filmes resistores integrados num único chip. O sensor é feito a laser, para obter grande calibração e compensação térmica. Ele possui compensação de temperatura para valores entre 0°C e +85°C.

Aplicações

• Controle de motores e de bombas;
• Robótica;
• Indicador de nível de líquidos;
• Controle automático de pressão;
• Barômetros;
• Altímetros.

A Figura 2 mostra uma figura do sensor e diagrama de blocos do circuito interno.

Figura 2: MPX2100A e diagrama de blocos do circuito interno.

Tensão de saída X Pressão aplicada

A tensão diferencial de saída é diretamente proporcional à pressão aplicada. O sensor possui uma referência de vácuo embutida.

Compensação térmica e calibração on-chip

A Figura 3 exibe as características de saída do MPX2100A a 25°C. A saída é diretamente proporcional à pressão e é essencialmente uma linha reta. O efeito de temperatura na faixa de fundo de escala é muito pequeno.

Figura 3: Tensão de saída X Pressão aplicada a 25°C.

A Figura 4 ilustra a configuração do sensor. Um gel de silicone isola a superfície e fio condutor do ambiente, e transmite a pressão para o diafragma de silicone.

Figura 4: Corte transversal (fora de escala) do MPX2100A.

Valores máximos

Características operacionais

Características mecânicas

Aplicação: interface para microcomputador

As Figuras 5 e 6 mostram um circuito básico e seu esquema que converte uma medida de pressão absoluta em uma tensão de saída (referenciada ao terra) que pode ser conectada diretamente a um conversor A/D para microcomputador. A saída é um sinal analógico que fornece 0,5 V à pressão zero e 4,5 V a 100 kPa. Um ajuste para 0 V de saída é obtido através do resistor R7.

Figura 5: Interface entre sensor da família MPX2000 e conversor A/D.



Figura 6: Esquema do circuito de intefaceamento.

Componentes

Pinos

' B+: alimentação do circuito. A tensão mínima de entrada é de 6,8 V e a máxima, 30 V.

' OUT: tensão de saída (normalmente entre 0,5 V e 4,5 V).

' GND: terra.

' P1: pressão a ser medida (pino P2 não se aplica ao MPX2100A).

Conclusão

O sensor de pressão MPX2100A opera em pressões de até 100 kPa. Apresenta boa precisão e pode ser aplicado em várias áreas da insdústria que necessitem, direta ou indiretamente, de controle de pressão de média magnitude. Ele pode ser integrado a diversos tipos de circuitos, como mostra a aplicação acima, fornecendo de forma contínua valores de pressão que podem ser eletrônicamente manipulados e/ou armazenados.

Referências

Para este trabalho foram consultadas as seguintes referências:

"Sensor Device Data / Handbook"; 4^th Edition; Motorola Inc., 1997; Pages 4-1, 4-2, 4-3, 4-57, 4-58, 4-59, 4-60, 4-266, 4-267, 4-268, 4-269.
Esse livro contém as descrições, tabelas de dados e aplicações de sensores de aceleração, químicos e de pressão da Motorola.

http://199.104.132.208/ProdCat/psp/0,1250,MPX2100A~M98710,00.html
Contém arquivo PDF com a descrição e tabela de dados da família de sensores de pressão MPX2100. Em http://motorola.com/sps é possível oter informações a respeito de vários produtos da Motorola. Clique aqui para obter o arquivo PDF diretamente desta página.

http://gama.inesc.pt/public/Info/Circuit%20Analysis/cap_03/sensores.htm
Contém breve explicação sobre sensores resistivos. A página http://gama.inesc.pt/public/Info/Circuit%20Analysis/capa.htm contém vários tópicos teóricos a respeito de assuntos abordados em engenharia elétrica.

Consulte também o site da disciplina de Instrumentação Eletrônica do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná para conhecer outros sensores.