Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia w kolektorze dolotowym.

Kolektor dolotowy to element doprowadzający gaz lub ciecz do wybranego urządzenia, np. samochodu czy innej maszyny. Kolektor ma za zadanie łączenie urządzeń pomocniczych z silnikiem lub maszyną roboczą. Czujnik ciśnienia mierzy ciśnienie gazów w kolektorze dolotowym oraz ciśnienie atmosferyczne.

Istnienie wielem sposobów mierzenia ciśnienia, m. in. czujnik ciśnienia transformatorowy, czujnik piezorezystancyjny, manometry sprężyste. Gdy potrzebny jest czujnik o niewielkich wymiarach, charakteryzujący się liniowością i dobrą czułością stosuje się często czujniki piezorezystancyjne.

Typowy piezorezystancyjny czujnik ciśnienia [1] zbudowany jest z monokrystalicznej płytki krzemu, w której wytrawiona jest membrana o grubości od kilku do kilkudziesięciu μm w zależności od zakresu mierzonego ciśnienia. Na powierzchni membrany umieszczone są poprzez zastosowanie dyfuzji 2-4 piezorezystorów Poprzez działanie ciśnienia ośrodka na membranę powstają na niej naprężenia, które odczytywane są następnie na piezorezystorach. Piezorezystory przetwarzają naprężenia na sygnały elektryczne w mostkowych układach elektronicznych. Podstawowym układem do przetwarzania zmian rezystancji na sygnał elektryczny jest mostek Wheatstone'a.

Rysunek: Czujniki do pomiarów ciśnienia, Laboratorium Czujników i Pomiarów Wielkości Nieelektrycznych, Politechnika Wrocławska

Rys. 1. Schemat budowy piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia [1] a) płytka krzemowa,

b) konstrukcja wewnetrzna

Rysunek: Czujniki do pomiarów ciśnienia, Laboratorium Czujników i Pomiarów Wielkości Nieelektrycznych, Politechnika Wrocławska

Rys. 2. Schemat podstawowego układu mostka Wheatstone'a do współpracy z czujnikiem

piezorezystancyjnym TM-520 (z dwoma piezorezystorami) [1].

Zastosowanie czujnika w kolektorze wymaga zrozumienia jego budowy, schemat układu przedstawia rysunek nr 3 [2].

Powietrze

Rysunek: BADANIE CZUJNIKÓW UKŁADU DOLOTOWEGO SILNIKA, Materiały laboratoryjne Politechniki Śląskiej, Kraków 2010

W produkowanych obecnie pojazdach sterowanie pracą silnika jest skomplikowanym procesem, w którym najważniejszym punktem jest kontrola bieżących parametrów pracy pojazdu. Zintegrowany układ wtryskowo-zapłonowy ma do spełnienia cztery zasadnicze funkcje [2]:

- sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu i wtryskiem paliwa wg optymalnego algorytmu,

- ograniczanie zużycia paliwa,

- zmniejszenie emisji szkodliwych gazów,

- zwiększenie niezawodności działania układu wtrysku – zapłonu.

Czujniki instalowane są we wszystkich częściach układu w celu dokładnej kontroli parametrów. W celu poprawnego interpretowania wyników pomiarów należy przyjąć odpowiednią charakterystykę częstotliwościową pomiarów [3]. Istnieje kilka prostych metod wyznaczania takich charakterystyk. Przykładowo mogą być to sposoby bazujące na generacji akustycznego sygnału harmonicznego (metoda fali stojącej i metoda fali bieżącej) lub metody oparte na analizie przebiegów czasowych odpowiedzi czujnika na skokową zmianę ciśnienia i impuls ciśnienia. Po poprawnej analizie zaprojektowanego już czujnika należy przystąpić do jego fizycznej realizacji [4]. Anizotropowe trawienie płytki muszą być oparte na właściwościach krystalograficznych materiały, by proces mógł zostać przeprowadzony poprawnie. Na rynku istnieje wiele dostępnych (w produkcji) czujników ciśnienia [5][6] różniących się od siebie parametrami i zastosowaniem.

Bibliografia.

[ 1] Ćwiczenie nr 3., Czujniki do pomiarów ciśnienia, Laboratorium Czujników i Pomiarów Wielkości Nieelektrycznych, Politechnika Wrocławska

[2] ĆWICZENIE 13 – BADANIE CZUJNIKÓW UKŁADU DOLOTOWEGO SILNIKA, Materiały laboratoryjne Politechniki Śląskiej, Kraków 2010

[3] CZUJNIK CIŚNIENIA, CZUJNIK PIEZOREZYSTANCYJNY, WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNE, BADANIA, H Urzędniczok, J Zakrzewski - Zeszyty Naukowe. Elektryka, 2004

[4] Anizotropia trawienia i piezorezystancji w kryształach półprzewodników. Przykłady wykorzystania w przyrządach MEMS,  Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania , 2008, nr 2

[5] E-direct Katalog 2010, www.portal.endress.com

[6] Katalogi 2012, www.bosch.com.au