Un sensor basado en el efecto piezoresistivo del silicio monocristalino y la tecnología de circuito integrado. Después de estresar el material de silicio monocristalino, la resistividad cambia y la salida de señal eléctrica proporcional al cambio de fuerza se puede obtener a través del circuito de medición. Los sensores piezoresistivos se utilizan para medir y controlar la presión, la tensión, la diferencia de presión y otras cantidades físicas que pueden convertirse en cambios de fuerza (como el nivel del líquido, la aceleración, el peso, la tensión, el flujo, el vacío, etc.) (ver acelerómetro).
Efecto piezorresistivo: cuando una fuerza actúa sobre un cristal de silicio, la red cristalina se deforma, lo que hace que los portadores se dispersen de un valle de energía a otro, lo que provoca que cambie la movilidad de los portadores. Esto altera la cantidad promedio de portadores. las direcciones vertical y horizontal, cambiando así la resistividad del silicio. Este cambio cambia con la orientación del cristal, por lo que el efecto piezoresistivo del silicio está relacionado con la orientación del cristal. El efecto piezoresistivo del silicio es diferente al de las galgas extensométricas metálicas (ver galgas extensométricas de resistencia). El cambio de resistencia con la presión depende principalmente del cambio de resistividad, y el cambio de resistencia depende principalmente del cambio de tamaño geométrico (deformación). La sensibilidad del primero es de 50 a 100 veces mayor que la del segundo.
La estructura del sensor de presión piezoresistivo utiliza tecnología de integración para integrar una tira de resistencia en un diafragma de silicio monocristalino para formar un chip piezoresistivo de silicio. La periferia del chip está empaquetada de forma fija en la carcasa. y los cables del electrodo salen. Los sensores de presión piezoresistivos, también conocidos como sensores de presión de estado sólido, son diferentes de los extensímetros adhesivos que requieren detección indirecta de fuerzas externas a través de componentes elásticos sensibles. En cambio, detectan directamente la presión medida a través de un diafragma de silicio. Un lado del diafragma de silicio es una cámara de alta presión conectada a la presión medida y el otro lado es una cámara de baja presión conectada a la atmósfera. Los diafragmas de silicio generalmente se diseñan con una forma circular con una circunferencia fija, con una relación diámetro-espesor de aproximadamente 20 a 60. Cuatro tiras de resistencias de impurezas tipo P se difunden en el diafragma de silicio circular (tipo N) y se conectan para formar un puente completo, dos de los cuales están en el área de tensión de compresión y los otros dos en el área de tensión de tracción, que son simétricos con respecto al centro del diafragma. El sensor del cilindro de silicio también se fabrica mediante la difusión de tiras de resistencia a lo largo de una determinada dirección del plano cristalino del cilindro de silicio. Dos tiras de resistencia a la tensión de tracción y dos tiras de resistencia a la tensión de compresión forman un puente completo.
Estado de desarrollo 1954 C.S. Smith estudió en detalle el efecto piezoresistivo del silicio y comenzó a utilizarlo para fabricar sensores de presión. Los primeros sensores de presión de silicio eran extensímetros semiconductores. Posteriormente, las impurezas de tipo P se difundieron localmente en la oblea de silicio de tipo N para formar tiras resistivas, que se conectaron para formar puentes para formar chips. Este chip todavía necesita estar unido al elemento elástico para que sea sensible a los cambios de presión. Los sensores que utilizan este chip como elemento sensible se denominan sensores de presión de difusión. Ambos sensores adoptan la estructura de láminas adhesivas, que tienen desventajas como gran histéresis y fluencia, baja frecuencia natural, no son adecuados para mediciones dinámicas, dificultades de miniaturización e integración y baja precisión. Desde la década de 1970, está disponible un sensor de presión de difusión integrado tipo copa de silicio con resistencia de soporte fija y diafragma de silicio. No sólo supera los defectos inherentes a la estructura del chip, sino que también integra tiras de resistencia, circuitos de compensación y circuitos de acondicionamiento de señales en un chip de silicio, e incluso integra microprocesadores y sensores para crear sensores inteligentes (ver microcomputadora de un solo chip). Las ventajas de este nuevo tipo de sensor son: ① respuesta de alta frecuencia (como la frecuencia natural de algunos productos por encima de 1,5 MHz), adecuada para mediciones dinámicas ② tamaño pequeño (como el diámetro exterior de algunos productos de hasta 0,25 mm); ), adecuado para miniaturización; ③ Alta precisión, hasta 0,1 ~ 0,01; (4) Alta sensibilidad, muchas veces mayor que las galgas extensométricas metálicas, no se necesita amplificador en algunas aplicaciones 5. No se pueden utilizar piezas móviles, alta confiabilidad; en vibración, impacto, corrosión, interferencias fuertes Trabajo en ambientes hostiles. Sus desventajas son que se ve muy afectado por la temperatura (a veces se requiere compensación de temperatura), el proceso es complejo y el costo es alto.
Los sensores piezoresistivos se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, aviación, navegación, industria petroquímica, maquinaria eléctrica, ingeniería biomédica, meteorología, geología, medición sísmica y otros campos. La presión es un parámetro clave en la industria aeroespacial, que requiere una alta precisión para la medición de la presión estática y dinámica, la presión local y todo el campo de presión. Los sensores piezorresistivos son sensores ideales para este propósito. Por ejemplo, se utiliza para medir la distribución de la presión del flujo de aire en el ala de un helicóptero, probar la distorsión dinámica de la entrada del motor, la presión pulsante en cascada, la vibración del ala, etc. Para medir la presión central del motor a reacción se utiliza un sensor de presión de silicio especialmente diseñado, cuya temperatura de funcionamiento es superior a 500°C.
El sistema de medición de datos aéreos de los aviones Boeing utiliza un sensor de presión de silicio con una precisión de 0,05. En las pruebas del modelo de túnel de viento a escala reducida, se pueden instalar densamente sensores piezoresistivos en la entrada del túnel de viento y en el modelo del conducto de admisión del motor. Un solo sensor tiene solo 2,36 mm de diámetro, una frecuencia natural de hasta 300 kHz y una no linealidad y una histéresis de 0,22 de escala completa. En biomedicina, los sensores piezoresistivos también son una herramienta de detección ideal. Se han fabricado sensores de presión piezorresistivos con aguja de inyección con membranas de silicio difundidas de tan solo 65.438 ± 00 μm y un diámetro exterior de sólo 0,5 mm, capaces de medir las presiones cardiovascular, intracraneal, uretral, uterina e intraocular. La Figura 3 es un diagrama estructural de un sensor para medir la presión cerebral. Los sensores piezoresistivos también se utilizan eficazmente para medir la presión de explosión y las ondas de choque, medir el vacío, monitorear y controlar el rendimiento de los motores de automóviles y medir armas como la presión de la recámara del arma y la emisión de ondas de choque. Además, los sensores piezorresistivos también se utilizan ampliamente en la medición de la presión de los pozos petroleros, la medición de la dirección durante la perforación y la detección de puntos de falla del cable de sellado de fondo de pozo, así como la medición del flujo y el nivel de líquido. Con el mayor desarrollo de la tecnología microelectrónica y las computadoras, la aplicación de sensores piezoresistivos se desarrollará rápidamente.