A nyomás az egyik alapvető fizikai paraméter, amely szorosan kapcsolódik az élethez és a termeléshez. Számos megközelítést fejlesztettek ki a nyomás mérésére. A nyomásérzékelő egy olyan eszköz, amely érzékeli a nyomásjelet, és bizonyos mechanizmusok szerint a nyomásjelet elektromos kimeneti jellé alakítja. Általában nyomáselemekből és egy jelfeldolgozó egységből áll. A működési elv szerint a nyomásérzékelők piezorezisztív, kapacitív, optikai szál, rezonancia és piezoelektromos típusokra oszthatók.

A miniatűr mikroelektromechanikus rendszerek (MEMS) nyomásérzékelői különféle előnyökkel bírnak, például alacsony energiafogyasztással működnek, könnyűek, kis térfogatúak, pontos mérést végeznek korlátozott helyen is, olcsók, kis hatással vannak csak az érzékelt tárgyakra. Az orvosi diagnózishoz gyakran szükséges pontos vérnyomás. A miniatűr nyomásérzékelők közvetlenül meg tudják mérni a vérnyomást és a vérnyomás-fluktuációt az erekben 200 és 1000 μm között. De a glaukóma kezelésénél is használhatók. Ez a szembetegségek olyan csoportja, amely általában rendellenes szemnyomásból származik. A valós idejű ellenőrzésre szolgáló beültethető nyomásérzékelő megakadályozza a betegség súlyosbodását, és ezek a kis eszközök enyhíthetik a betegek kellemetlenségeit. Az orvosi alkalmazásokon kívül a miniatűr nyomásérzékelőket az űrkutatás, az ipari és a fogyasztói elektronika területén is használják.

Autóipari terület

A kicsi méret, az alacsony ár, a könnyű integráció és a nagy megbízhatóság miatt a miniatűr nyomásérzékelők abszolút megfelelnek a komplex ipari igényeknek. Például az autóipart tekintve miniatűr nyomásérzékelőket alkalmaznak az automatikus fékrendszer nyomásának, a gumiabroncsok nyomásának, az erőátviteli rendszer folyadéknyomásának, a motorolaj és a nyomás változásának mérésére. Összehasonlításul: a „miniatűr méret” olyan nyomásérzékelőkre vonatkozik, amelyek teljes mérete kisebb, mint 2 mm × 2 mm, vagy a nyomásérzékeny membrán területe kisebb, mint 1 mm × 1 mm. Például egyes Bosch és ST Microelectronics termékeknél az érzékelők teljes kiszerelése már 2 mm × 2 mm × 0,75 mm alatt van.

A bejelentett tudományos munkákból a legkisebb nyomásérzékelőt sajtolt grafénfilmmel készítették, amelynek átmérője 5 μm és vastagsága 10,5 nm volt. A grafénfólia nyomással történő rezonancia-eltolódása alapján a szenzorok érzékenysége 9 kHz/mbar volt, 8–1000 mbar tartományban. A Bosch egyik terméke egy nagyon kicsi, kis teljesítményű és alacsony zajszintű, 24 bites abszolút légköri nyomásérzékelő, amelyet kifejezetten a magasságkövetési alkalmazások széles köréhez terveztek. Ez a nagyon kicsi barométer és hőmérő kombináció csak 3, 4 μA-t fogyaszt (1 Hz-es frissítésekkel), és a navigációs készülékek magassági információit ±0,5 m pontossággal ±0,06 hPa (equivalent to ±50 cm) biztosítja. Támogatja mind az SPI, mind az I2C interfészeket. Könnyen integrálható különböző eszközökbe, például okostelefonokba, GPS-modulokba, viselhető egészségügyi eszközökbe, autókba és drónokba.

Piezorezisztív szenzorok

A piezorezisztív technológiát gyakran ott említik, ahol a nyomásmérést. De mi pontosan a piezoresztív hatás? A piezoresztív hatás leírja az anyag elektromos ellenállásának mechanikai stressz hatására bekövetkező változását.
Az ellenállásos nyomásmérés egy olyan elektromos ellenállás körül helyezkedik el, amelynek ellenállási értéke a mérendő nyomás függvényében változik. A mérőellenállások nyomásérzékeny membránba vannak beépítve, és a nyomásintenzitástól függően vannak megnyújtva (az elektromos ellenállás növekszik) vagy összenyomva (az elektromos ellenállás csökken). Minél nagyobb a nyomás, annál jobban deformálódik a membrán, vagyis az ellenállás változásának mértéke közvetlenül függ a nyomástól. Ezenkívül a piezorezisztív ellenállásban a mechanikus feszültség – amely annak nyújtásakor vagy összenyomásakor következik be – az elektromos vezetőképesség megváltozásához vezet. Ez a piezorezisztív hatás az atompozíciók eltolódásán alapul, amelyek közvetlenül befolyásolják az elektromos töltés szállítását.
A piezorezisztív érzékelő chip alapja egy milliméter vastag kristályos szilíciumkorong, amelyet wafernek nevezünk. Ennek felületére, bizonyos meghatározott pontokra idegen atomokat vezetnek be, a szilíciumban adalékolt területek képezik a piezorezisztív ellenállásokat. Az ezt követő lépésben az ostyát lokalizáltan elvékonyítják úgy, hogy a membránok közvetlenül a szilíciumon alakuljanak ki. Ha a membrán deformálódik, akkor az ellenállás értéke a helyzettől függően növekszik vagy csökken. Ezután a szilícium hátulját szorosan összekapcsolják egy üveggel. Az abszolút nyomásérzékelőknél ez zárt referenciateret hoz létre vákuumban. A relatív nyomás mérésekor a hátsó üveg referenciafuratot tartalmaz.

Nyomásmérés digitalizálása

Az elektronikus nyomásméréshez olyan érzékelő szükséges, amely rögzíti a mért nyomást, és elektromos jellé alakítja. A nagy kimeneti jelek és a bevált gyártási folyamatok, valamint a sokéves tapasztalat miatt a piezorezisztív technológia beépült a nyomásmérésbe.
A koronavírus-járvány súlyos egészségügyi hatásai közül, láthattuk, hogy az orvosioxigén-ellátás kiterjedt logisztikát és rengeteg humán erőforrást igényel. A terület egyik éllovasának számító Linde Healthcare a KELLER céggel együttműködve emelte új szintre az oxigénpalackok képességeit, méghozzá a szelepdigitalizációval. Már több mint 20 éve használnak analóg nyomásmérőkkel felszerelt oxigénpalackokat az orvosi gázokhoz, amelyeket humán erőforrással ellenőriztetnek. A folyamat a következőképpen néz ki: a felhasználó – ápolószemélyzet egy tagja – egy táblázatban kikeresi a megmaradt oxigént és a maradéknyomás, a palackméret és a beállított oxigénáram alapján kiszámítja a nyomást. Ez óriási mennyiségű humán erőforrást igényel, hiszen a kórházak naponta akár több száz gázpalackot is elhasználnak, és maximális áramlási sebesség mellett egy palack csak mintegy három órára elegendő. Annak érdekében, hogy ezt a hatalmas logisztikai feladatot ne az ápolószemélyzet végezze el, a Linde Healthcare felvetette az oxigénpalackok digitális kijelzésének a lehetőségét, a kórházi logisztika leegyszerűsítése céljából. A projekt célja egy olyan digitális szelep kifejlesztése volt, amely kompatibilis a meglévő oxigénpalackokkal. A svájci KELLER AG für Druckmesstechnik már évek óta fejleszt speciálisan tervezett szenzorokkal felszerelt töltésszintmérő rendszereket mindenféle ipari alkalmazás számára, ebben a projektben azonban egy teljesen új érzékelőt kellett kifejlesztenie, amely tökéletesen illeszkedett a meghatározott környezethez. Az érzékelőnek képesnek kellett lennie az akár 300 bar nyomástartomány mérésére, a gyártásnak pedig steril helyiségben kellett történnie.
Az újonnan kifejlesztett nyomásmérő rendkívül robusztus felépítésű, csak a legszükségesebb alkatrészeket tartalmazza, és olyan anyagokból készült, amelyek különösen jól tolerálják az oxigént. Ezen tényezők figyelembevételével vált a kompakt szerkezetű PA-5 szenzor a Linde digitális oxigénpalackok lelkévé. A szelepbe beépített analóg érzékelő mérni tudja a palackban lévő gáz halmazállapotú oxigén nyomását, az információt egy csatlakozón keresztül a kijelző mögött lévő elektronikához továbbítja, és kijelzi a digitális falon. Látható a kijelzőn az adott oxigénáramlás melletti hátralévő idő, hogy milyen szinten van a töltöttség, mekkora az áramlási sebesség. Kritikus esetekben biztonsági figyelmeztető vizuális és hangjelzéseket ad, ilyen eset, ha a gázáram alacsonyabb, mint a beállított áramlás, vagy a hőmérséklet túl alacsony, illetve magas, esetleg mágneses mezőt érzékel a gép.

A félvezetők tipikus piezorezisztív anyagok, amelyek erős piezorezisztív hatást mutatnak. Ezen anyagok elektromos vezetőképessége az elektromos vezetők (fémek, például ezüst, réz és alumínium) és a szigetelők (mint például az üveg) között helyezkedik el. A piezorezisztív nyomásmérő cellák alapvetően szilíciumból készülnek, amelyet elektronikai áramkörök gyártásában is használnak.

Cikkünk eredetileg a GyártásTrend nyári lapszámának, Fluid mellékletében jelent meg.