مستشعر ضغط السيليكون المنتشر: مبدأ العمل، المزايا، العيوب، الخصائص، التطبيقات، والملخص
1. مبدأ العمل
مستشعر ضغط السيليكون المنتشر يعتمد هذا الجهاز على التأثير الكهروإجهادي ، وهي ظاهرة تتغير فيها مقاومة المواد شبه الموصلة تحت تأثير الإجهاد الميكانيكي. يتم تشكيل مجموعة من المقاومات متساوية القيمة على غشاء من السيليكون أحادي البلورة باستخدام تقنية الانتشار، ثم يتم توصيلها على شكل جسر ويتستون.
عند الضغط على غشاء السيليكون، يحدث تشوه طفيف (إزاحة طبيعية أقل من 0.025 مم)، مما يؤدي إلى تغير قيم المقاومة. يُخرج الجسر إشارة جهد ضعيفة تتناسب مع الضغط، والتي يتم تضخيمها وتحويلها إلى إشارة صناعية قياسية.
2. المزايا
دقة عالية - دقة شاملة تصل إلى ±0.5% من النطاق الكامل، مع نماذج عالية الدقة تصل إلى ±0.1% من النطاق الكامل.
حساسية عالية - خرج كامل النطاق يبلغ حوالي 100 مللي فولت، وهو أعلى بكثير من مستشعرات مقياس الإجهاد التقليدية (حوالي 10 مللي فولت).
صغير الحجم وخفيف الوزن - حجم صغير، سهل الدمج والتركيب.
استقرار جيد على المدى الطويل - أفضل من ±0.2% من النطاق الكامل سنويًا.
فعال من حيث التكلفة - تكنولوجيا ناضجة وتكلفة منخفضة، مما يجعلها "العمود الفقري" للأتمتة الصناعية.
آمن بطبيعته - جهد منخفض واستهلاك منخفض للطاقة، مناسب للأماكن الخطرة.
3. العيوب
الانحراف الحراري - يتدهور الاستقرار عند درجة حرارة أقل من 0 درجة مئوية وأعلى من 85 درجة مئوية.
غير مناسب للضغط العالي - عادةً ما يكون غير مناسب للضغط الذي يزيد عن 20 ميجا باسكال.
غشاء هش - غشاء السيليكون الرقيق عرضة للصدمات الميكانيكية.
يتطلب حماية إضافية - وإلا فإنه عرضة للتلف بسبب الرطوبة.
غير مناسب للضغط الديناميكي - لا يمكنه التعامل مع الضغوط المتقلبة بسرعة.
الانحراف الصفري — يتطلب معايرة دورية (يوصى بها سنوياً).
4. الميزات الرئيسية
يعتمد على التأثير الكهروإجهادي، ولا يحتوي على أجزاء متحركة - استجابة سريعة، وموثوقية عالية.
تقنية انتشار أشباه الموصلات - التكامل المتجانس للحجاب الحاجز والمقاومات.
مخرجات الإشارة التناظرية القياسية (4-20 مللي أمبير، 0-5 فولت، إلخ).
التشذيب بالليزر والتعويض الواسع لدرجة الحرارة.
هيكل اختياري مصنوع بالكامل من الفولاذ المقاوم للصدأ لمقاومة التآكل.
متوفر بأنواع قياس الضغط، والضغط التفاضلي، والضغط المطلق.
5. التطبيقات
| صناعة | التطبيقات |
|---|---|
| النفط والكيماويات | قياس ضغط المفاعل وخطوط الأنابيب |
| توليد الطاقة | مراقبة ضغط البخار ومستوى الماء في الغلاية |
| علم المعادن | مراقبة ضغط أعلى الفرن ومياه التبريد |
| المستحضرات الصيدلانية | التحكم في ضغط المفاعل وقياس الفراغ |
| الأطعمة والمشروبات | التحكم في ضغط خط التعبئة وخزان التخمير |
| معالجة المياه | التحكم في المضخات، وقياس مستوى السوائل، ومراقبة خطوط الأنابيب |
| السيارات | مراقبة ضغط زيت المحرك ونظام الفرامل |
| HVAC | التبريد، والضاغط، والتحكم في الضغط الهيدروليكي |
6. ملخص
يُعدّ مستشعر الضغط المصنوع من السيليكون المنتشر جهازًا عالي الدقة وفعالًا من حيث التكلفة، ويُستخدم على نطاق واسع في الأتمتة الصناعية. تتمثل نقاط قوته الرئيسية في دقته العالية، وحجمه الصغير، وثباته الجيد، وسهولة دمجه. أما عيوبه الرئيسية فتتمثل في انحراف درجة الحرارة، وعدم ملاءمته للضغوط العالية، وهشاشة غشائه. ومع ذلك، لا يزال هذا المستشعر عنصرًا أساسيًا في صناعات البتروكيماويات والطاقة والأدوية والسيارات.
