KELLER 壓阻壓力測量技術

壓電電阻技術經常與壓力測量同時出現。但是，壓電電阻作用究竟是什麼？為什麼在壓力測量中使用這種技術呢？

當前的技術報告以一種易於理解的方式說明了壓阻壓力測量技術及其優缺點。

壓力

隨著溫度變化，壓力是許多技術系統中必不可少的輔助儀錶。在各種工業過程中都需要能精確地控制壓力。因此，除了溫度測量之外，壓力測量是監控機器和設備中最重要和最常用的技術。此外，壓力是環境變化中重要的一環，藉由重力壓力的液位量測，如地下水或填充的液位是可以被量測的。
電子式壓力測量需要傳感器來接收要測量的壓力並將其轉換為電子信號。電阻壓力測量圍繞著電阻，電阻值隨著壓力量測而變化。

電阻壓力測量

在最簡單的情況下，經典的電阻壓力測量方法適用於應變片，應變片是一種細帶，其電阻值會根據其變形而變化。拉伸時，條帶變長、變薄，表示增加電阻;當壓縮時，條帶變短，其橫截面變短，從而降低其電阻。為了將要測量的壓力轉化為受控的模型變形，將應變計應用於彈性膜。通常，這是使用粘合劑連接。如果壓力作用於此膜的一側，則其變形，應變片(根據其在膜上的位置)被壓縮或拉伸(見圖1)。壓力越高，膜變形越多，這意味著再生變化的程度直接取決於壓力振幅。為了進行其更精確的測量，將多個應變片組合到惠斯通橋電路中，並將抗壓變化作為電壓信號進行測量。

圖1：應變片在壓力感應膜上的位置。

壓電式壓力測量

從古希臘詞"piezein"(指擠壓或按壓)中衍生出來，壓電技術與壓力緊密相連。壓電式壓力測量與電阻式壓力測量的基本原理相對應。在這裡，延伸或縮短會導致壓電電阻的變化。然而除此之外，在壓電材料中，拉伸或壓縮時產生的機械式張力也會導致電導度率的變化。這種壓電效應基於原子位置的變化，並直接影響到電荷傳輸。電導率變化引起的電阻變化可能明顯大於純變形引起的電阻變化。
半導體是典型的壓阻材料，具有較強的壓阻抗性效果。這些材料的導電率能介於導體(如銀、銅和鋁等金屬)和絕緣體(如玻璃)之間。作為標準，壓電式壓力薄膜是由矽利康製成，同時也用於電子電路的生產。因此，這些感應器有時被稱為感應晶片。
壓電式感應器晶片是厚度小於一毫米的晶體矽片，稱為晶圓(如圖2)。在一種稱為摻雜的過程中，在某特定點上將外來原子引入其表面，從而影響導電性。矽中的這些摻雜區域形成壓電電阻器。在子晶片步驟中，矽晶片的某些區域被稀釋，使膜直接在矽中形成，壓電電阻器位於某些孔隙中，如圖1所示。
當預置後會作用於此膜的一側時，它會變形，並在壓電式電阻器中引起機械式應變力。根據定位，電阻值會隨之增加或減少。感應器晶片的壓力靈敏度由固定膜的厚度來定義。
之後，在矽的背面粘接到玻璃上(如圖3)。對於絕對壓力傳感器，此步驟可以在真空中創建閉合參考空間。當測量相對壓力時，後方玻璃有一個參考孔。

圖2：矽晶片，應用各種金屬結構。

圖3：壓電感應器晶片的結構。

在壓電式壓力測量元件中，其與應變片不相同，測量的電阻器因此被集成到膜中。因此，該技術消除了粘合的需要，從而消除了粘合(即粘合劑)，這是隨時間和溫度穩定後避免滯後現象(滯後現象=前後變形的後遺症)。此外，壓電效應導致電阻變化，其電阻比金屬應變片大50倍。
為了將感應器晶片與介質隔離，它們安裝在壓力密閉的金屬外殼中，該金屬外殼充滿油，並在前面用薄膜密封(參見圖4)。然後，壓力通過此膜作用於感應器晶片，並將油作為傳輸介質。這種絕緣測量元件還允許在腐蝕性液體和氣體中承受壓力。

為什麼要在壓力測量中使用壓電技術？

在壓電式壓力測量元件中，其與應變片不相同，測量的電阻器因此被集成到膜中。因此，該技術消除了粘合的需要，從而消除了粘合(即粘合劑)，這是隨時間和溫度穩定後避免滯後現象(滯後現象=前後變形的後遺症)。此外，壓電效應導致電阻變化，其電阻比金屬應變片大50倍。
為了將感應器晶片與介質隔離，它們安裝在壓力密閉的金屬外殼中，該金屬外殼充滿油，並在前面用薄膜密封(參見圖4)。然後，壓力通過此膜作用於感應器晶片，並將油作為傳輸介質。這種絕緣測量元件還允許在腐蝕性液體和氣體中承受壓力。

相關連結: www.keller-druck.ch/picts/pdf/engl/Fachbeitrag_Piezo_e.pdf