I sensori di pressione piezoresistivi sono caratterizzati da un’elevata sensibilità. Rispetto ad altri strumenti di misurazione si traggono numerosi vantaggi anche in merito alla precisione e alla miniaturizzazione. Nell’articolo spieghiamo il comportamento della pressione dei sensori dei sensori piezoresistivi.
Chi utilizza i sensori di pressione si aspetta un comportamento lineare in cui il segnale di uscita è proporzionale alla pressione applicata. Per questo, nel diagramma pressione-segnale la curva deve essere una linea retta, il cui punto d’inizio è denominato punto zero e l’incremento coincide con la sensibilità. Il vero andamento della curva pressione-segnale in realtà mostra sempre discrepanze più o meno accentuate dalla retta ideale. Questa discrepanza è l’errore di linearità del sensore di pressione. L’incremento della curva corrisponde, invece, alla sensibilità.
Nell’immagine si può vedere come una parte praticamente lineare della curva caratteristica è utilizzata quando il sensore viene impiegato con una minore sensibilità (circa il 70% della pressione nominale del chip). Attraverso la selezione i trasmettitori possono essere costruiti con una non-linearità molto ridotta (0.05% FS), a patto che il campo di applicazione si trovi nella parte lineare del chip.
Sensibilità dei sensori di pressione piezoresistivi
La sensibilità di un sensore di pressione dipende essenzialmente da due fattori:
- dal valore di resistenza dei resistori semiconduttori diffusi e dal loro fattore d’impatto piezoresistivo
- dallo spessore della membrana di silicio.
Lo spessore della membrana di silicio ha l’influenza maggiore sul comportamento della pressione. Viene determinato tramite un’elaborazione meccanica, chimica o combinata. Questi processi non possono essere controllati in modo molto accurato, così che tutte le celle di misura della pressione presentino esattamente la stessa sensibilità. Per questo vengono costruite delle classi all’interno delle quali i sensori di pressione possono essere utilizzati per un determinato intervallo di pressione. All’interno di queste classi le sensibilità possono disperdersi di circa ±20%. La differenza può essere compensata dalla corrente di alimentazione o dal fattore di guadagno in elettronica (calibrazione).
Linearità dei sensori di pressione piezoresistivi
Riguardo ai dati di linearità in percentuale occorre notare che viene solitamente indicato in %FS (Fondo Scala). Riferito ad una misurazione l’errore può dunque avere un forte peso anche quando nelle indicazioni del produttore è indicato un valore molto piccolo, ma espresso appunto in %FS.
Nelle celle di misura di pressione la linearità dipende da diversi fattori:
- i resistori semiconduttori devono essere sufficientemente piccoli ed essere diffusi esattamente nel punto giusto della membrana di silicio
- la membrana di silicio deve essere pulita, a spigoli vivi e esattamente nel posto giusto,
- la linearità è diversa se si misura la sovra pressione o la sottopressione, ovvero se la membrana presenta una forma concava o convessa (spinta o carico),
- il rapporto tra diametro e spessore della membrana di silicio deve essere compreso all’interno di un determinato intervallo. Membrane molto sottili si deformano con un allungamento sovrapposto: nei sensori per intervalli di pressione bassa questo effetto palloncino porta ad un andamento della curva di linearità dalla tipica forma a S (cosa che non può essere superata con i metodi di compensazione analogica).
- nelle membrane di silicio molto spesse la struttura della membrana fissata all’estremità non è più realizzabile, visto che in un sensore ad esempio di 1000 bar la membrana è spessa la metà del chip.
Sovraccarico e pressione di scoppio dei sensori di pressione piezoresistivi
Il tipico andamento di una curva di linearità è in gran parte abbastanza lineare e poi fortemente in calo. Nell’interesse di un segnale di uscita possibilmente grande viene utilizzato l’intervallo più ampio possibile della curva. Fino a circa due terzi l’intervallo è così lineare che l’errore è inferiore a 0.5% FS. Dopodiché l’errore di linearità aumenta rapidamente, tanto che viene fissato un limite alla precisione. Fatta eccezione per gli intervalli di pressione molto bassa o molto alta, il campo di pressione nominale può essere superato di circa il 50%, fino a quando la cella di misura si rompe.
Al fine di aumentare la protezione da sovraccarico, bisogna rinunciare ad un segnale utile elevato: è necessario utilizzare un sensore di pressione destinato ad un intervallo di pressione maggiore. Mentre, ad esempio, con i sensori di pressione capacitivi si può prevedere un arresto meccanico per la membrana che risulti incurvata sotto pressione, garantendo una resistenza ai sovraccarichi molto elevata, questo non è possibile con le membrane di silicio delle celle di misura della pressione piezoresistive, piccolissime a confronto, con le loro minime flessioni.
Alla STS la pressione di scoppio è la pressione alla quale la membrana metallica si rompe. Il sensore non è comunque più funzionante già da prima. Ciò avviene già quando il chip si rompe. Nelle sonde ad immersione ad essere determinanti sono il corpo, il pressa cavo e il cavo, e non la pressione di scoppio del sensore (eventuali informazioni contenute nella scheda tecnica sono quindi trascurabili).