- Sự tải nạp của đại lượng vật lý, áp suất trong trường hợp cụ thể, thành một hình có thể đo được bằng điện được thực hiện mặc dù các phần tử điện trở áp điện được cấy trên bề mặt của chip silicon. Loại đầu dò này rất nhạy cảm với các ứng suất trong hai tọa độ được xác định đối với mặt phẳng nơi các phần tử được cấy vào chip. Các ứng suất trên điện trở Piezo tạo ra những thay đổi về điện trở có thể được phát hiện với độ chính xác khá cao là sự mất cân bằng của cây cầu Wheaston. Các ứng suất trên bề mặt chip phụ thuộc vào các đặc tính hình học của phần sau và vào các lực xuất phát từ áp suất áp dụng. Do đó, các bộ chuyển đổi thường được đặt theo cách như vậy để có phản ứng tối đa với sự thay đổi áp suất và để có được độ nhạy không đổi. Thông thường các biến thể nhỏ về độ nhạy là không mong muốn vì chúng làm phức tạp quá trình hiệu chuẩn và thường làm giảm độ chính xác của cảm biến. Ngược lại, trong thiết kế được trình bày, một sự thay đổi đáng kể về độ nhạy như đã được hình thành thông qua một biến thể chính của hình học cảm biến. Đặc tính này đã được khai thác để nhận ra hai phạm vi độ nhạy.
Hình 3.8 Sơ đồ cấu hình chip cảm biến
- Cảm biến bao gồm một cấu trúc màng mà tại đó trung tâm được đặt một cấu trúc hình trụ (màng centreboss) như trong hình 3.8. Khi áp suất được áp dụng, từ trên xuống, màng sẽ di chuyển tự do xuống dưới: điều này xác định phản ứng cảm biến khá nhạy, sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được 30 bar. Lúc này xi lanh sẽ tiếp xúc với tấm silicon lớn. Do đó, cấu trúc hình học của cảm biến sẽ thay đổi gần như ngay lập tức: màng sẽ không thể di chuyển tự do nữa và sẽ hoạt động giống như một vòng cố định ở hai bên. Độ cứng của cấu trúc sẽ tăng đáng kể, do đó, sự gia tăng ứng suất do áp lực sẽ giảm và do đó độ nhạy sẽ nhỏ hơn khoảng bốn yếu tố so với một trong khoảng từ 0 đến 30 bar. Điều này xác định phạm vi độ nhạy thấp được chỉ định lên tới 250 bar. Hình 3.9 tóm tắt bằng đồ họa những gì đã được mô tả ở trên.
- Hơn nữa, cấu trúc trung tâm hình trụ làm cho màng khá chắc chắn và chịu được áp lực.
- Trong silicon, độ đàn hồi, trái ngược với nhựa, chiếm ưu thế. Do đó silicon chịu được các ứng suất với các đặc tính gần như không thay đổi: đây là điều làm cho nó trở thành một vật liệu tốt cho các cảm biến. Do đó, có thể dự kiến rằng trong thiết kế được mô tả, cấu trúc trung tâm hình trụ và diện tích tiếp xúc tương ứng trên khối silicon sẽ vẫn ổn định. Do đó, cũng có thể dự đoán rằng áp suất cần thiết để tạo ra sự tiếp xúc giữa hai phần sẽ không đổi trong suốt vòng đời của cảm biến, do đó quá trình chuyển đổi giữa hai mức độ nhạy sẽ luôn diễn ra ở cùng một áp suất: trong hình 3.9 điều này được định nghĩa là điểm hiệu chỉnh.
- Bây giờ, thu thập thông tin này lại với nhau, một điểm tiếp xúc thu được, đó là: xác định một cách cơ học, không đổi và độc lập với các đặc tính điện của đầu dò. Do đó, nếu có thể đánh giá một quy trình để xác định điểm này mặc dù hoạt động của cảm biến bình thường, hơn là theo dõi và sửa chữa các bất ổn về điện như trôi dạt bù có thể đạt được mà không cần cảm biến tham chiếu hoặc hành động bên ngoài: một ví dụ đơn giản về cách điều này có thể thu được sẽ được đưa ra trong đoạn tiếp theo. Ngoài ra, nguyên tắc hiệu chuẩn lại không sử dụng hệ thống truyền động bên trong, do đó không cần điều khiển bộ truyền động hoặc công nghệ bổ sung: cảm biến tích hợp cái có thể gọi là nguyên lý tự hiệu chuẩn thụ động và tự kiểm tra. Hơn nữa, quy trình như vậy có thể cho phép để tránh hiệu chuẩn nhiệt độ dài và tốn kém. Ít nhất nhưng không kéo dài, điểm tiếp xúc hoặc hiệu chuẩn được xác định thông qua công nghệ cảm biến và có thể được xác định là khác nhau từ cảm biến đến cảm biến. Trong trường hợp cảm biến hoạt động trong môi trường mạng có nhiều cảm biến có áp lực tiếp xúc khác nhau, có thể thu được nhiều điểm hiệu chuẩn hơn, có khả năng tăng độ chính xác của cảm biến.