Piëzoresistieve drukmeettechnologie

Voor solid state sensoren met vele voordelen

Samen met temperatuur is druk een essentiële parameter in veel technische systemen. Een brede verscheidenheid aan industriële processen vereist bovendien nauwkeurig gecontroleerde drukken. Daarom is – naast temperatuurmeting – drukmeting de belangrijkste en meest gebruikte technologie voor monitoring en besturing van machines en fabrieken.

In bij klassieke resistieve drukmeting wordt gewerkt met rekstrookjes. Als door drukvariaties de strook wordt uitgerekt, wordt de strip langer en dunner en neemt de elektrische weerstand toe. Om de vertaling te maken van druk naar een gecontroleerde mechanische vervorming, wordt een rekstrookje op een elastisch membraan bevestigd, normaal gesproken met een lijmverbinding. Als er druk wordt uitgeoefend op één kant van dit membraan, dan vervormt het. Afhankelijk van de positie van de rekstrookjes op het membraan, wordt hij gecomprimeerd of uitgerekt. Hoe groter de druk, hoe groter de vervorming en dus de mate van de weerstandverandering. Voor een nauwkeuriger meting worden verschillende rekstrookjes gecombineerd in een brugcircuit. De verandering van de weerstand wordt geregistreerd als een spanningsvariatie.

Piëzoresistieve drukmeting
Het basisprincipe van piëzoresistieve drukmeting komt overeen met die van resistieve drukmeting. Ook hier veroorzaakt verlenging of verkorting van het piëzoresistief materiaal een verandering in elektrische weerstand.
Dit effect wordt veroorzaakt door verschuivingen in de atomaire posities, die rechtstreeks van invloed zijn op het transport van de elektrische lading. De verandering in weerstand door de verandering in elektrische geleidbaarheid kan aanzienlijk groter zijn dan de verandering veroorzaakt door pure vervorming. Typische materialen die een sterk piëzoresistief effect vertonen zijn halfgeleiders. Het meest gebruikt voor de productie van piëzoresistieve drukcellen is silicium van minder dan een millimeter dik. In het oppervlak van deze chip zijn door doping ‘vreemde’ atomen geïntroduceerd. Deze hebben lokaal invloed op de geleidbaarheid.
De volgende stap in het proces is het gelokaliseerd verdunnen van de siliciumchip zodat de membranen direct in het silicium worden gevormd en de piëzoresistieve weerstanden in bepaalde posities liggen. Als op één zijde van dit membraan druk wordt uitgeoefend, vervormt het membraan. Dit veroorzaakt een mechanische spanning in de piëzoresistieve weerstanden. Afhankelijk van de positie neemt de weerstandswaarde toe of af waarbij de gevoeligheid van de sensorchip kan worden aangepast door de totale dikte van het membraan.