در زیر سه اصل رایج تکنولوژی سنسور توضیح داده شده است. سنسورهای فیلم نازک فلزی و فیلم ضخیم سرامیکی دو مورد از رایج‌ترین کاربردهای اندازه‌گیری فشار مقاومتی هستند. تفاوت قابل توجه بین آنها ناشی از مواد مختلف مورد استفاده و خواص آنها است. سومین اصل تکنولوژی سنسور برای ساخت سنسور فشار ← که شرح داده شد، سنسور فشار پیزو مقاومتی است.
سنسور فیلم نازک فلزی
بدنه اصلی و دیافراگم سنسور فیلم نازک فلزی معمولاً از فولاد ضد زنگ ساخته شده است. آنها را می توان با ضخامت مورد نیاز از طریق ماشینکاری دیافراگم در ماشین های تراش دقیق اتوماتیک و سپس سنگ زنی، صیقل دادن و چسباندن آن تولید کرد.
در سمتی که دیافراگم با محیط تماس ندارد، فیلم‌های عایق، استرین گیج ها، مقاومت‌های جبران‌کننده و مسیرهای رسانا با استفاده از ترکیبی از فرآیندهای شیمیایی (CVD) و فیزیکی (PVD) اعمال می‌شوند و با استفاده از حکاکی ساختار لیتوگرافی نوری می گیرند (شکل ۱).
این فرآیندها در شرایط اتاق تمیز و در کارخانه‌های ویژه، در برخی از قسمت‌ها تحت خلاء یا در یک اتمسفر بی اثر انجام می‌شوند تا بتوان ساختارهایی با خلوص اتمی بالا تولید کرد.
مقاومت ها و مسیرهای رسانای الکتریکی ساخته شده روی حسگر به طور قابل توجهی کوچکتر از یک میکرومتر هستند و بنابراین به عنوان مقاومت فیلم نازک شناخته می شوند.
سنسور فیلم نازک فلزی به خاطر مواد استفاده شده بسیار پایدار است. علاوه بر این، در برابر ضربه و بارگذاری ارتعاشی و همچنین عناصر فشار دینامیکی مقاوم است. از آنجایی که مواد مورد استفاده قابل جوش کاری هستند ، سنسور را می توان به اتصال فشار به صورت هرمتیک و بدون هیچ گونه مواد آب بندی اضافی جوش داد.
در نتیجه شکل پذیری مواد، سنسور دارای محدوده فشار بیش از حد (overpressure)، نسبتا کم، و اما فشار ترکیدگی (burst pressure) بسیار بالایی است.
سنسور فیلم ضخیم سرامیکی
بدنه اصلی و دیافراگم سنسور فیلم ضخیم سرامیکی از سرامیک ساخته شده است. اکسید آلومینیوم (Al2O3) به دلیل پایداری و فرآیند پذیری خوب به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد . چهار استرین گیج به عنوان یک خمیر فیلم ضخیم در یک فرآیند چاپ صفحه روی کناره دیافراگم که در تماس با سیال فشار نخواهد بود اعمال می شود و سپس در دماهای بالا می سوزد و از طریق یک پوشش محافظ غیرفعال می شود. هیچ ناخالصی در طول فرآیندهای چاپ روی صفحه و سوزاندن مجاز نیست. بنابراین، تولید معمولاً در اتاق تمیز انجام می شود (شکل ۲).
فقط تولیدکنندگان پیشرو می توانند کارخانه های خود را با تفکیک مناسب برنامه ریزی کنند تا از هر گونه آلودگی متقابل جلوگیری کنند و در نتیجه پایداری فرآیند بالا را حفظ کنند.
سرامیک استفاده شده در سنسور در برابر خوردگی بسیار مقاوم است. با این حال، نصب سنسور در محفظه ابزار اندازه‌گیری فشار به یک مهر و موم اضافی برای اتصال به پورت فشار نیاز دارد که در برابر همه سیال ها مقاوم نخواهد بود. علاوه بر این، سرامیک شکننده است و بنابراین فشار ترکیدگی آن در مقایسه با سنسورهای فیلم نازک فلزی کمتر است.
سنسور پیزو مقاومتی
سنسور پیزو مقاومتی ساختار بسیار پیچیده تری نسبت به حسگرهایی دارد که در بالا توضیح داده شد دارند. عنصر حسگر آن از یک تراشه سیلیکونی ساخته شده است. این تراشه از یک دیافراگم تشکیل شده است که با مقاومت های پیزو مقاومتی ساخته شده است که تحت فشار منحرف می شود.
سطح این تراشه تنها چند میلی‌متر مربع است و بنابراین بسیار کوچکتر از دیافراگم‌های سنسورهای فیلم نازک فلزی یا فیلم ضخیم سرامیکی است. تراشه پیزو بسیار مستعد تأثیرات محیطی است و بنابراین، در بیشتر موارد باید به صورت هرمتیک (بدون روزنه و مهر و موم شده) در محفظه قرار گیرد (شکل ۳).
به همین دلیل، در یک کیس فولادی ضد زنگ نصب می شود که با استفاده از یک دیافراگم نازک فولادی ضد زنگ آب بندی می شود. حجم آزاد بین تراشه پیزو و دیافراگم (خارجی) با یک مایع انتقال پر شده است. معمولاً برای این کار از روغن مصنوعی استفاده می شود. در یک سنسور پیزو مقاومتی محصور شده، محیط فشار تنها با دیافراگم فولادی ضد زنگ در تماس است، که سپس فشار را از طریق روغن به دیافراگم تراشه (داخلی) منتقل می کند.
برای به حداقل رساندن تأثیر انبساط حرارتی مایع انتقال بر روی اندازه گیری فشار، طراحی سنسور باید به گونه ای بهینه شود که حجم داخلی آزاد برای فاصله داده شده دیافراگم فولاد ضد زنگ حداقل باشد.
از جمله برای این منظور از بدنه های جابجایی ویژه استفاده می شود. یک سری (Header) معمولا برای نصب و اتصال الکتریکی تراشه سنسور استفاده می شود. این سری دارای مهر و موم های یکپارچه شیشه به فلز برای اتصال الکتریکی بین محفظه های داخلی و خارجی است و می توان آن را به صورت هرمتیک به کیس جوش داد. المان حسگر که به سمت عقب هدر چسبانده شده است، با استفاده از سیم‌های باند (شکل ۴) به پین‌ها متصل می‌شود و سیگنال‌های الکتریکی را از عنصر حسگر به قسمت الکترونیکی متصل در بالای محفظه خارجی سنسور منتقل می‌کند. یک لوله تهویه که به سمت عقب دیافراگم سنسور منتهی می شود، در مرکز هدر قرار دارد.
اگر محفظه پشت عنصر حسگر تخلیه شود و لوله تهویه بسته شود، می توان از چنین سنسور پیزو مقاومتی برای اندازه گیری فشار ابسلوت استفاده کرد، زیرا خلاء فضای توخالی به عنوان مرجع فشار عمل می کند. در سنسورهایی که برای اندازه‌گیری فشار گیج طراحی شده‌اند، لوله تهویه باز می‌ماند و هواگیری مداوم به سمت عقب دیافراگم را تضمین می‌کند، به طوری که اندازه‌گیری همیشه نسبت به فشار اتمسفر همان جا انجام می‌شود. تهویه یا از طریق قاب بیرونی یا از طریق یک کابل تهویه شده به بیرون انجام می شود.
در مقاله تفاوت بین فشار ابسلوت و فشار گیج ← بیشتر با این دو نوع فشار فرآیند آشنا شوید.
این لوله تهویه باید به دقت در برابر آلودگی، به ویژه ورود رطوبت محافظت شود، زیرا سنسور در برابر رطوبت بسیار حساس است و حتی ممکن است از کار بیفتد.
هیچ اصل حسگری ایده آلی وجود ندارد زیرا هر یک از آنها مزایا و معایب خاصی دارند (جدول ۱).
نوع سنسوری که برای یک کاربرد مناسب‌تر است، در درجه اول با توجه به نیازهای کاربرد تعیین می‌شود. این تنها فناوری پایه حسگر نیست که برای مناسب بودن سنسور کلیدی است، بلکه مهمتر از همه، موارد کاربردی اجرای آن است. بسته به کاربرد، اصل حسگری شرح داده شده ممکن است اجرا را آسانتر یا دشوارتر کند.
قطعاتی که در تماس با محیط فشار (قطعات خیس شونده) هستند و مناسب بودن آن ها برای سیال های خاص از اهمیت اساسی برخوردار است. بنابراین یکی از معایب سنسور فیلم ضخیم سرامیکی در مقایسه با سنسور فیلم نازک فلزی این است که نیاز به آب بندی اضافی بین مواد دیافراگم غیر فلزی و کیس دارد. این مسئله تقریباً از استفاده برای همه کاربردها جلوگیری می کند.
محدوده محصولات تولید کنندگان سنسور معمولاً برای کاربردهای مختلف بسته به چنین ملاحظاتی طراحی و بهینه می شود.
| تکنولوژی سنسور | |||
|---|---|---|---|
| نیازمندی | سنسور پیزومقاومتی | سنسور فیلم نازک فلزی | سنسور فیلم ضخیم سرامیکی |
| اندازه گیری فشار ابسلوت | • | ° | ° |
| محدوده فشار بسیار پایین | • | ° | ° |
| محدوده فشار بسیار بالا | ° | • | ° |
| مقاوم در برابر لرزش و شک | - | • | - |
| ثبات دراز مدت | • | • | - |
| • نیازمندی برآورده شده | نیازمندی تا حدودی برآورده شد - | ° نیازمندی برآورده نشده | |
جدول ۱
