ЗНАЙ ИНТУИТ, Лекция, Физически основи на работа и класификация на електрическите сензори
8.2.3. Пиезорезистори
Ако върху метална жица действа сила, която я разтяга, тогава в резултат на деформация дължината на проводника леко се увеличава и площта на напречното сечение леко намалява. Поради това се увеличава електрическото съпротивление на проводника. Това явление се нарича пиезорезистивен (от гръцкия корен) или тензорезистивен (от латинския корен) ефект. Константановите или нихромовите метални пиезорезистори се използват за откриване и измерване на значителни сили на опън и деформация в строителни и механични носещи конструкции. С тяхна помощ е възможно своевременно да се открие например феноменът на умора на металните опори, появата на тяхната пластична деформация и да се предотврати разрушаването.
Полупроводниковите пиезорезистори имат значително по-висока тензочувствителност от металните, тъй като механизмът за промяна на електрическото съпротивление в тях е много по-сложен. Чувствителността на деформация на резистори, например изработени от силиций, е десет пъти по-висока от тази на металните. Но тяхното електрическо съпротивление също е много по-зависимо от температурата. За да се намали влиянието върху резултатите от измерването на неконтролирани температурни промени, се използват мостови вериги. Натоварен пиезорезистор е включен в едното им рамо (върху което действа измерената сила), а в другото - точно същият резистор, но не механично натоварен. Когато температурата се промени, съотношението на съпротивлението и балансът на моста не се променят.
Високото ниво на развитие на съвременната микроелектронна технология направи възможно формирането на миниатюрни прецизни пиезорезистивни структури от силиций заедно с елементи на термична компенсация, усилване и електронна обработка на сигнала. На тази основа са създадени стотици имена на различни микроелектронни сензори, които се произвеждат индустриално за измерване на сила, налягане, механично напрежение, за фиксиране и на най-малкото докосване. Например, сензорите за налягане на Honeywell, базирани на силициеви пиезорезистори, обхващат диапазона на налягане от единици Pascal до десетки МРа, осигурявайки измерване с точност от ± 0,1-3% [[251]; http://content.honeywell.com/sensing/products]. Сред тях - сензори за абсолютно, манометър и диференциално налягане за работа в суха и влажна неагресивна среда, както и за измервания в течност и дори в агресивна среда.
Пиезорезисторите, изработени от еластомери, които са направени от каучук, полиуретан и подобни еластични синтетични материали, които включват електропроводими частици или влакна (например графит или въглерод на прах) [148], имат още по-висока чувствителност към деформация. Принципът на действие на еластомерните пиезорезистори е показан на фиг. 8.4.
При липса на външна сила подвижният контакт докосва само електропроводимия еластомер и съпротивлението между контактите е доста голямо. Появата на сила на натиск, действаща върху подвижния контакт, води до деформация на еластичния слой на еластомера и до известно задълбочаване на контакта в този слой. В същото време разстоянието между контактите и между електропроводимите частици в еластомера намалява и площта на контактната зона се увеличава. Взети заедно, това води до забележимо намаляване на електрическото съпротивление. Типичен изглед на нелинейната зависимост на електрическото съпротивление от приложената сила или от движението на подвижния контакт (от степента на деформация) е показан на фиг. 8.4 вдясно.
Дори масиви от деформационни елементи, изработени от такива еластомери, са описани в [[35]]. Използването им заедно с микрокомпютър като част от интелигентни сензори дава възможност да се измери разпределението на механичните натоварвания по повърхността на масива и тяхната промяна във времето (динамика). Сензорът може да сигнализира за заплашващо локално или общо претоварване, да фиксира и проследява движението на обектите на повърхността на тази чувствителна "интелигентна" опора на сензора. Когато тренирате спортисти-джъмпери, например, такъв разпределен сензор записва мястото, силата, времето и продължителността на излитане, ви позволява да проучите ефективността на използването на различни амортисьори и т.н.