Sensori di Pressione Integrati

1. Sensori di Pressione Integrati • I sensori di pressione vengono usati per un’ampia varietà di misure e controllo di sistemi in svariati campi : nell’automazione, nella biomedica ecc. • Esistono tre tipi di sensori, tutti basati su una membrana deformabile per effetto della pressione: • 1. Piezoresistivi, che sfruttano la variazione di resistività di un materiale conduttore causata dalla deformazione della membrana; • 2. Capacitivi, che sfruttano la variazione di capacità dovuta al movimento della membrana; • 3. Risonanti, dove la pressione esercitata sulla membrana provoca una variazione della frequenza di risonanza di un elemento vibrante posto su di essa.

2. Piezoresistivi: Uscita lineare Semplicità di fabbricazione Impedenza d’uscita bassa Basso costo Sensibili alla temperatura e al drift Poco adatti per misure precise o di bassa pressione Risonanti: Maggior accuratezza Uscita variazione frequenza Processo di fabbricazione molto complesso PregieDifetti • Capacitivi: • Sensibilità maggiore • Minor consumo di potenza • Effetto temperatura ridotto • Problema capacità parassite • Uscita non lineare

3. Sensori Resistivi • Sfruttano il movimento della membrana causato da una variazione di pressione per indurre uno stress sui resistori e variare la loro resistenza Termine dipendentedalla lunghezza V è detto Rapporto di Poisson Dipendentedalle proprietà di bulk • Possiamo distinguere due tipi di resistori: • Metallici dove domina il termine dimensionale • Piezoresistivi dove la variazione di resistenza è causata principalmente dalla variazione della resistività

4. Struttura Sensori Piezoresistivi • Hanno resistori in silicio (molto robusti), elevato fattore di misura, elevata sensibilità, adatti per sensori integrati; difetto è la dipendenza di ρ dalla temperatura • Sottile membrana di Si monocristallino supportata da un anello di silicio più spesso, i resistori posso essere: • Diffusig Problemi di Drift e rumore ma maggiore sensibilità • Depositatig Miglior comportamento alle alte temperature • Esistono tre differenti tecniche di fabbricazione: • Micromachining tecnica molto usata in ambito commerciale lo svantaggio è che la superficie del chip richiesta è grande • Fusion-bonded riduce la grandezza per i supporti delle membrane (importante nelle applicazioni biomediche) • Surface-Micromachining sensori molto sottili e molto sensibili, svantaggio e nella membrana costituita da polisilicio.

5. Interfacce Sensori Piezoresisivi • La variazione di resistenza può essere calcolata come funzione dello stress indotto dalla pressione sulla membrana π T= π L per come sono disposti i resistori rispetto al cristallo • I Resistori sono connessi in configurazione a ponte di Wheastone • Uscita lineare • No influenza della Temperatura

6. Struttura Sensori Capacitivi • La struttura base è un condensatore con un’armatura fissa e una costituita dalla membrana che deformandosi sotto l’azione di una pressione determina una variazione di capacità • Abbiamo due tecniche realizzative : • Fusion-bondig • Surface micromaching Per una membrana circolare di raggio R, il massimo stress σ IL minimo spessore di diaframma possibile

7. Interfacce Sensori Capacitivi • Questi sensori necessitano sempre di un’interfaccia di lettura, un circuito che converta la variazione di capacità in segnale elettrico Circuito a condensatori commutati(lettura differenziale) Correlated-Double Sampling (cancella offset e l’effetto rumore)

8. Sensori di Pressione Risonanti • La membrana si flette per effetto di una differenza di pressione e questo induce degli stress sul risonatore che causano una variazione della frequenza di risonanza dello stesso • Una misura della sensibilità è data dal Fattore di qualità • I meccanismi di perdita dell’energia sono dovuti: • perdite nel mezzo circostante • nel supporto del risonatore • interna al materiale del risonatore stesso

9. Interfacce Sensori Risonanti • Per misurare la frequenza di risonanza di un sensore è costruire un circuito oscillatore elettronico in cui il sensore determini la frequenza di oscillazione • Una tecnica semplice per ottenere un circuito oscillatore è chiudere in anello un amplificatore con il risonatore

10. Interfacce Sensori Risonanti • Per indurre e rilevare la vibrazione esistono due possibili approcci : • Un solo elemento per l’eccitamento e rilevamento, come i risonatori quarzanti → dispositivo ad una porta • Due elementi separati per le due operazioni → dispositivo a due porte Se R=RS la frequenza attenuata di un fattore due allora A>2 Guadagno d’anello A*R/RS

11. Sensori di Pressione Ottici • La potenza necessaria al funzionamento dei sensori ottici è molto bassa e si arriva a velocità di operazione elevate • Abbiamo però che le variazioni dell’indice di rifrazione, usate per le misure con questi sensori, sono molto piccole ed inoltre si raggiunge una scarsa densità degli elementi in un circuito ottico integrato • I sensori ottici più diffusi si basano sull’interferometro Po Pt Po = Pt :la luce attraversa due percossi identici→ variazione pressione nulla Po > Pt :incremento lunghezza braccio sensibile→ aumento di pressione