Insert your alternative text
Sensortechniek

Piëzoresistieve druksensor

De samenstelling van een complete siliciumsensor is betrekkelijk complex. Er worden geen rekstrookjes gebruikt zoals eerder is beschreven. In plaats daarvan bestaat het drukgevoelige element uit een siliciumchip die slechts enkele millimeters dun is.

De kristalstructuur van deze chip komt functioneel overeen met die van een metalen rekstrookje, maar is optisch niet altijd herkenbaar. Het wordt vervaardigd door dotering, d.w.z. door gerichte inbrenging van vreemde atomen. De op deze wijze vervaardigde halfgeleider rekstrookjes reageren tot 100 maal gevoeliger op vervorming dan metalen rekstrookjes. De verandering in weerstand wordt niet veroorzaakt door een zuiver geometrische vervorming, maar door de resulterende verandering in de kristalroosterstructuur en dus in de elektronenmobiliteit of wel het geleidingsvermogen. De afzonderlijke sensorchips worden vervaardigd op zogenaamde wafers. Deze siliciumwafers, die ongeveer 150 mm groot zijn, bevatten enkele honderden chips.


Figuur 1: Membraan met siliciumchips

De afzonderlijke sensorchip wordt door anodische verlijming op een glazen voetstuk bevestigd. Bij uitvoeringen met relatieve druk is de glazen voet voorzien van een doorlopend gat. De omgevingsdruk wordt door dit gat naar de achterkant van de chip geleid. De glazen basis is gelijmd op de zogenaamde TO header. De header leidt de omgevingsdruk via een compensatieleiding naar de glasbodem. Op de achterzijde bevinden zich, samen met de compensatieleiding en de vulbuis, de aansluitpennen, die via bindingsdraden met de chip zijn verbonden.





Fig. 2 Verlijmde silicium chip op TO header

Fig. 3 Afgewerkte meetcel

Het sensorelement van de piëzoresistieve druksensor is zeer gevoelig voor invloeden van buitenaf en wordt daarom niet rechtstreeks blootgesteld aan het te meten medium. De kop is gelast in een roestvrij stalen behuizing met een dun metalen membraan dat aan de voorkant is gelast. De keuze van verschillende membraanmaterialen (roestvrij staal, Hastelloy C, titanium, enz.) betekent dat de meetcellen kunnen voldoen aan de eisen van verschillende media.

Via de vulbuis in de kop wordt het binnenste gevuld met een synthetische olie en vervolgens drukdicht afgedicht. In de aldus ontstane meetcel werkt de procesdruk indirect: via het membraan op de vulolie en dus op de sensorchip (media scheiding).

Naast de omschreven versie met scheiding van de media is er ook een piëzoresistieve druksensor zonder scheidingsmembraan en vulolie. Deze kan worden gebruikt voor het meten van media, die niet onderhevig is aan factoren van buitenaf. In dit geval staat de sensorchip in direct contact met het medium en biedt dus een betere meetnauwkeurigheid, omdat storende invloeden - vulolie en membraan - worden geëlimineerd.

Door het ontwerp van de meetcel is de variantie het grootst bij deze sensortechnologie. De keuze van het materiaal voor het membraan en de behuizing is onafhankelijk van het meetsysteem en ook de vorm of grootte kan worden aangepast aan de specifieke toepassing. De meetcel kan rechtstreeks aan de procesaansluiting van de afgewerkte druktransmitter worden gelast (fig. 3), zodat er geen extra afdichting nodig is en uiteindelijk slechts één soort materiaal compatibel hoeft te zijn met het medium.

Fig. 4 Hoge temperatuur versie

De vulolie brengt de druk van het scheidingsmembraan over op de sensorchip. De meest gebruikte vulolie is siliconenolie, die goede eigenschappen heeft met betrekking tot temperatuurgerelateerde expansie. Voor toepassingen in de levensmiddelenindustrie worden vuloliën voorgeschreven die veilig zijn voor menselijke consumptie. Naast de oliën die speciaal door de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) zijn goedgekeurd, kunnen ook medische witte oliën worden gebruikt. Fluorkoolwaterstoffen zijn geschikt voor zuurstofmetingen. Bij chloormetingen kan het ontsnappen van siliconenoliën tot een explosieve reactie leiden; ook hier zijn fluorkoolwaterstoffen een geschikter vulmedium.

JUMO. Druktransmitter van de serie dTRANS p31