Sensor de presión semiconductor Funcionamiento En un semiconductor la movilidad de portadores de carga puede variar sí se le somete a un esfuerzo. Dependiendo del dopado un aumento del esfuerzo puede aumentar o disminuir la resistencia del material, esto se denomina efecto piezoresistivo. Como vimos en las galgas el cambio de resistencia con la deformación se denomina factor de galga y en los semiconductores, este factor es del orden de 50 a 100.
Generalmente se implanta un puente Wheatstone en una membrana de silicio con los 4 elementos semiconductores activos como se ve en la figura. La membrana está expuesta a la presión a medir, lo que le causa una variación de los elementos resistivos desequilibrando el puente. Para que los elementos resistivos no se deformen por igual, se disponen de forma adecuada para que se deformen uno más que otros y así desequilibrar el puente. Como la respuesta de los semiconductores son muy sensibles a la temperatura, estos componentes incorporan algún sistema electrónico para compensar esta dependencia. Además para lograr un buen equilibrio del puente cuando no esta sometida a presión, se ajustan las resistencias volatilizando parte de ella con un láser (laser trimming). Funcionamiento Las distintas partes se van implantando sobre un substrato semiconductor nº 2 en la figura. La cámara nº 1 esta a una presión constante de referencia, que se cierra con el diafragma n° 3 que se deforma con la diferencia de presión. Las resistencias nº 4 cambian de valor con la deformación y mediante los cables se realizan los 4 contactos, para la tensión de excitación V s y la de salida V0.
Encapsulado
Posteriormente se encapsula, dejando una entrada para conectar el sistema cuya presión se va a medir.
Encapsulados. Absolutos, manométrico y diferencial Estos componentes están disponibles para medida manométrica, diferencial y absoluta. En el primer caso se mide la presión respecto a la presión atmosférica; de modo que si la entrada de presión está al aire, la salida de tensión será cero.
En el caso de medida diferencial, el sensor tiene 2 entradas de presión y la salida es proporcional a la diferencia.
La medida de presión absoluta es como la diferencial, pero solo tiene una entrada de presión, la otra presión es interna, constante, estable y conocida, de esta manera el dispositivo puede dar una salida proporcional a la presión absoluta de su entrada. Características En las tablas se ven las características más relevantes de un determinado dispositivo a 25 °C y alimentado con 10 voltios. "Null offset" es la salida que puede presentar el puente en equilibrio y "Null Shift" es lo que puede variar este valor en el margen de temperaturas indicado. Repetitividad e histéresis están relacionados con la precisión. El rango de medida va de 1 a 100 psi.
Medidas Ya hemos visto como se acondiciona con un puente de Wheatstone otros sensores. Por un lado se excita el puente con una tensión constante y por otro se amplifica la salida con un amplificador de instrumentación.
Existen dispositivos que llevan el acondicionador integrado en el propio encapsulado, de modo que solo hay que alimentarlos y recoger la señal de salida debidamente linealizada.
Por ejemplo, Motorola ofrece la familia MPX5100, dispositivos sensores de presión, con acondicionador integrado que dan una salida entre 0 y 5 voltios proporcional a la presión, especialmente diseñados para conectarlos a un microprocesador. Estos dispositivos no están basados en el tradicional puente de galgas visto antes, sino que utiliza un solo elemento piezoresistivo implantado por grabado en un diafragma de silicio. Es un sistema patentado por Motorola. El sistema entrega una salida proporcional a la presión muy lineal, de gran precisión, sensibilidad y exactitud, además de muy baja dependencia de la temperatura. Sensor Bayard-Alpert Este sensor es utilizado para medir presiones de orden de 10e-6 Torr. Funciona por la ionización del gas remanente en el interior de una válvula expuesta al vacío. Consiste en una ampolla de vidrio o metálica cerrada, que se conecta al circuito de vacío que se quiere medir, en cuyo interior hay una serie de electrodos.
Sensor de alto vacío Bayard-Alpert Funcionamiento Un filamento a potencial positivo, se calienta para emitir de forma controlada electrones I e (típicamente de 25uA a 10mA), que son atraídos por otro electrodo a potencial más positivo que el filamento, la rejilla o ánodo. La rejilla está dispuesta formando una espiral.
En su trayectoria los electrones acelerados por el campo eléctrico entre filamento y rejilla ionizan positivamente, las moléculas de gas que pueda haber en el interior de la válvula, haciendo que desprendan electrones. Tanto los electrones desprendidos por el filamento como los producidos por la ionización, circulan por el circuito de la rejilla o ánodo. Los iones positivos son atraídos por un tercer electrodo que está a potencial negativo respecto a los anteriores y situado en eje de la espiral del ánodo, el colector de iones, esta corriente iónica/+ es proporcional al número de partículas por unidad de volumen (densidad de partículas) y esta está relacionada con la presión, que se calcula a partir de la sensibilidad y las corrientes. Degas Tras un prolongado uso, los electrodos y las paredes de la válvula quedan cubiertos por moléculas contaminantes, que se han acumulado en su superficie. En el proceso de medida, estas moléculas son liberadas y reabsorbidas por los electrodos provocando una corriente que no está relacionada con la presión.
Por eso el sistema implementa una función de “degas". El proceso se puede realizar o bien conectando el ánodo a una alta tensión positiva; para crear una fuerte corriente electrónica entre ánodo y cátodo; o bien conectando 2 extremos del ánodo a una fuente de corriente, para calentar los electrodos y hacer que se desprendan las moléculas acumuladas, para que sean retiradas por la bomba que hace el vacío del sistema. Por supuesto cuando se realiza este proceso no se puede medir. Sensibilidad En cuanto a ¡as prestaciones del dispositivo, la salida es fuertemente lineal respecto de la presión, a partir de una determinada presión la corriente iónica no solo deja de ser lineal respecto de la presión, sino que disminuye, además el tiempo de vida media del filamento disminuye drásticamente. El límite superior lo impone la emisión de rayos X que se produce al chocar los electrones muy energéticos contra los átomos de los electrodos.
Electrodos El material con el que está fabricado el filamento puede ser de iridio recubierto de torio o itrio, o bien tungsteno sin recubrimiento. Los de iridio trabajan bien a menor temperatura, por lo que son más duraderos y no se funden al exponerse a presiones de algunas centésimas de torr, donde los filamentos de tungsteno se funden rápidamente. Por el contrario los filamentos de tungsteno soportan mejor cierto tipo de contaminantes, como compuestos halogenados.
Medida En la figura vemos esquemáticamente como se polarizaría la válvula para realizar medidas. El "electrometer" es un circuito electrónico que teniendo en cuenta la sensibilidad, convertirá las unidades de corriente en presión. Cada fabricante suele recomendar, para utilizar con sus válvulas sus propios equipos de medida, que se adaptan a sus necesidades de "degas", sensibilidades y corrientes de emisión.
Especificaciones En la figura vemos las especificaciones de un sensor Bayard-Alpert de Varian. Vemos que da 2 rangos de presión de trabajo dependiendo del tipo de gas. Cuando se trabaja con aire la presión no puede subir por encima 0,02 torr, en el caso de atmósfera de argón la presión puede subir hasta 0,1 torr, debido a la ausencia de oxígeno que quemaría el filamento. Vemos que el límite inferior de presión lo impone la emisión de rayos X. La sensibilidad típica es 6 (1/torr), pero hay que tener en cuenta que esta depende, además de la geometría de la válvula que ya la tiene en cuenta el fabricante, del perfil de ionización del gas en la válvula y de la temperatura absoluta. Para mantener la sensibilidad en las especificaciones dadas es necesario frecuentes calibraciones.