Los sensores de presión piezorresistivos destacan por su alta sensibilidad. También en términos de precisión y miniaturización, surgen muchas ventajas sobre otros instrumentos de medición. En nuestro artículo de conocimientos, explicaremos la respuesta de presión de los sensores de presión piezorresistivos.

Los usuarios de transductores de presión piezorresistivos esperan una respuesta de presión lineal, en la que la señal de salida es proporcional a la presión aplicada. Por este motivo, la curva del diagrama presión-señal debe ser una línea recta, cuyo punto de partida está indicado por la posición cero y su sensibilidad por la pendiente. Sin embargo, la forma real de la curva de señal de presión, más o menos siempre, muestra una fuerte desviación de la línea ideal. Esta discrepancia se conoce como error de linealidad del sensor de presión. El gradiente de la curva, por otro lado, corresponde a su sensibilidad.

Podemos ver en la ilustración que se utiliza una parte virtualmente lineal de la curva cuando el sensor se usa a sensibilidades más bajas (aproximadamente el 70% de la presión nominal de viruta). Mediante la selección, los transmisores pueden construirse con una no linealidad muy baja (piense en 0,05% FS). Sin embargo, el requisito previo es que el rango operativo se encuentre dentro de la parte lineal del chip.

La sensibilidad de los sensores de presión piezorresistivos

La sensibilidad de un transductor de presión depende en gran medida de dos factores:

• el valor resistivo de las resistencias semiconductoras difusas y su nivel de efectividad piezorresistiva,
• el espesor del diafragma de silicio.

La mayor influencia sobre la respuesta a la presión reside en el grosor del diafragma de silicio. Esto se define por su procesamiento mecánico, químico o incluso combinado. Estos procesos no pueden controlarse con tanta precisión que todas las celdas de medición de presión muestren exactamente la misma sensibilidad. Se establecen así clases dentro de las cuales los sensores de presión se pueden utilizar para un rango de presión particular. Y dentro de estas clases, las sensibilidades pueden variar alrededor de ± 20%. Esta desviación en sí misma se puede compensar en la electrónica mediante la corriente de alimentación o el factor de amplificación (calibración).

La linealidad de los sensores de presión piezorresistivos

Debe tenerse en cuenta en las especificaciones de linealidad que el% FS (escala completa, valor final) se aplica principalmente. En términos de valor medido, el error puede tener un peso bastante significativo, incluso cuando la especificación del fabricante enumera un valor muy pequeño, aunque se muestra en% FS.

En las celdas de medición de presión, la linealidad depende de varios factores:

• Las resistencias semiconductoras deben ser lo suficientemente pequeñas y estar difundidas en el punto exacto correcto del diafragma de silicio.
• el diafragma de silicona debe estar limpio, con bordes afilados y en el lugar correcto,
• la linealidad es variable, ya sea que se mida la presión positiva o negativa, es decir, si el diafragma se abulta en una forma cóncava o convexa (carga de tracción o compresión),
• la relación de diámetro a espesor del diafragma de silicio debe estar dentro de un rango particular. Los diafragmas muy delgados se deformarán con el estiramiento superpuesto: este efecto de globo, en los transductores para rangos de presión más bajos, conduce a un curso típicamente en forma de S de la curva de linealidad (que no puede rectificarse mediante métodos de compensación analógica).
• con diafragmas de silicio muy gruesos, la estructura prevista del diafragma, fijada rígidamente en sus bordes, ya no se puede lograr, ya que, por ejemplo, con un transductor de 1.000 bar, el diafragma tiene la mitad de grosor que el propio chip.

La sobrecarga y la presión de rotura de los sensores de presión piezorresistivos

El curso típico de una curva de linealidad es en su mayor parte bastante lineal y luego más aplanado. En aras de una señal de salida lo más amplia posible, se utiliza la mayor extensión posible de esta curva. Hasta alrededor de la marca de dos tercios, el curso es tan lineal que el error es inferior al 0,5% FS. Más allá de aquí, el error de linealidad se vuelve rápidamente más dominante de modo que se establece un límite de precisión. Aparte de los rangos de presión muy bajos y muy altos, el rango de presión nominal puede excederse típicamente alrededor del 50% antes de que falle la celda de medición.

Para aumentar la protección contra sobrecargas, debe abandonarse la idea de una señal eficaz amplia: debe emplearse un sensor de presión, que en sí mismo estaría destinado a un rango de presión más alto. Si bien, por ejemplo, se puede implementar un tope mecánico en sensores de presión capacitivos para que su membrana se deforme bajo presión y se garantice una protección de sobrecarga muy alta, esto es apenas posible con las membranas de silicio comparativamente diminutas de las celdas de presión piezorresistivas con sus deflexiones más mínimas.

En STS, la presión de ruptura se define como la presión a la que un medio puede entrar en el sensor y, por lo tanto, se destruye el diafragma metálico. Sin embargo, el transductor ya no funciona en este momento. Utilizando Sensores Sumergibles  las carcasas, conectores de cables y cables son definitivos. Los valores de presión de rotura del transductor en la hoja de datos son, por tanto, insignificantes.