Sensor tekanan telah dikembangkan menggunakan efek piezoresistif pada beberapa material, meliputi silikon dan polisilikon. Efek piezoresistif didefinisikan sebagai perubahan daya hambat material ρ dengan tegangan mekanik yang diterapkan e, dan ditampilkan dengan (1/e)(∆ρ/ρ) di dalam persamaan untuk faktor gauge dari sebuah strain gauge.
Piezoresistif merupakan sensor tekanan yang terdiri dari diafragma silikon monokristal dengan empat strain-gauge piezoresistif yang dibentuk secara penggabungan dengan konfigurasi jembatan Wheatstone. Piezoresistif adalah sensor pembangkitan ggl bahan kristal piezo akibat gaya luar. Dimana alat ini dapat menghasilkan :
Suara
Getaran
Percepatan
Tekanan
(a)
(b)
Pada sensor tekanan piezoresistif elemen elastisnya adalah diafragma silikon datar. Diafragma merupakan bidang plat lingkaran tipis. Diafragma secara luas dipergunakan sebagai elemen sensing karena akurasi tinggi dan respon dinamik yang baik.
Penyimpangan difragma dirasakan oleh empat elemen tegangan piezoresistif yang dibuat melibatkan bahan doping ke dalam area silikon, dimana terdapat tegangan terbesar. Metode pelibatan bahan doping tersebut adalah dengan difusi pada temperatur tinggi, yang merupakan hasil dari empat strain-gauge yang dihubungkan ke dalam rangkain jembatan defleksi secara normal.
Untuk menentukan harga resistor dari piezoresistor harus melibatkan kesepakatan antara beberapa persyaratan yang berbeda. Sensitivitas tekanan dari rangkaian jembatan yang terdiri atas empat piezoresistor aktif adalah sebanding dengan resistivitas sheet dan voltage yang diberikan. Dalam hal stabilitas temperatur adaIah berbanding terbalik dengan resistivitas sheet dan voltage yang diberikan agar supaya persyaratan untuk stabilitas temperatur baik, berbeda dengan persyaratan untuk sensitivitas tekanan besar.
Untuk resistor tipe-p biasanya diproses dengan menggunakan difusi base, resistivitas sheet besarnya sekitar 100 ohm per-square. Dalam menentukan harga, resistan, koefisien piezoresistif rata-rata dari resistor cenderung terhadap ukuran yang lebih kecil. Ukuran minimum dari resistor adalah ditentukan oleh resolusi fotolitografi yang ada dan resistivitas sheet.
Untuk piezoresistor-piezoresistor yang berorientasi secara radial dan secara tangensial pada lingkaran diafragma, perubahan fraksional dalam resistan dapat dinyatakan sebagai berikut:
* Resistor tangensial
* Resistor radial
Untuk mengukur tegangan (stress) yang timbul karena tekanan yang dipergunakan. Gauge semikonduktor piezoresistif terbentuk pada diafragma silikon menunjukkan sensitivitas jauh lebih tinggi dibandingkan dengan gauge wire bonded dan unbonded konvensional yang ditempelkan pada diafragma metal, dan gauge piezoresistif tersusun secara langsung pada permukaan diafragma.
Diafragma dipergunakan sebagai divais memperbesar tegangan (stress) yang besarnya adalah sebanding dengan kwadrat rasio dari diameter diafragma dengan ketebalannya (a/t)2. Tekanan menyebabkan stresses pada diafragma adalah diindera oleh piezoresistor-piezoresistor berorientasi sebagaimana mestinya yang terinterkoneksi membentuk jembatan. Dua resistor yang betul-betul berlawanan dalam jembatan mempunyai arah piezoresistivitas yang sama dan berlawanan dengan arah dari dua resistor lainnya.
Sensitivitas yang dikehendaki, yakni 10.000, dan diameter diafragma sekitar 0,5 mm, maka ketebalan diafragma diperoleh sekitar 5 µm. Lingkaran penyokong diafragma dengan ketebalan sama dengan ketebalan silikon, adalah fasilitas yang dipergunakan untuk menahan (menghandel) dan penempelan struktur-struktur tersebut diatas.
Untuk fabrikasi rangkaian terintegrasi pressure transducers, memerlukan sejumlah
masker yang berbeda, yakni : masker pemotong bagian atas diafragma, masker pemotong
bagian bawah diafragma, masker alignment mark, masker untuk difusi resistor tipe-p, masker untuk difusi kontak ohmik tipe-n+, masker kontak metal, dan masker pad metal.
Untuk jembatan yang mengandung empat resistor aktif tipe-p, kombinasi yang terbaik adalah dua resistor radial dan dua resistor tangensial dalam arah [110] , semuanya terletak pada pinggiran diafragma.
Sebelum menyusun piezoresistif "pressure transducers" yang dapat direalisasikan pada diafragma, pola-pola stress yang ada dan batasannya harus diketahui. Defleksi dan "stress" dapat ditentukan dengan menggunakan teori plat, yang terjadi karena akting tekanan p yang uniform pada diafragma. Untuk akting beban yang uniform pada lingkaran diafragma, defleksi pada pertengahan bidang diafragma akan mempunyai radial
simetris.
Sensor dari tipe ini (piezoresistif) mempunyai input range 0 sampai 100kPa dengan sensitivitas sekitar 3mV/kPa (untuk voltase jembatan sebesar 10V). Piezoresistif mempunyai frekuensi natural sebesar 100kHz dan kombinasi ketidak-linearitasan dan hinterisis sebesar ± 0.5%.
Komponen dan Prinsip Kerja Piezoresistif
Komponen Piezoresistif
Piezoresistif memiliki beberapa komponen, dimana terdiri dari Piezoresistif elemen itu sendiri dan diafragma. Adapun dapat dijelaskan pada gambar berikut ini :
Prinsip Kerja Piezoresistif
Prinsip kerja dari piezoresistif adalah dengan menganalisa perbedaan tekanan (differential pressure) yang diterima oleh piezoresistif. Adapun dapat dijelaskan pada gambar berikut ini :
Jika digambarkan dalam diagram blok dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Aplikasi Piezoresistif
Bidang Biomedis
Piezoresistif terbuat dari bahan silikon, dimana bahan silikon ini dapat dimanfaatkan untuk aplikasi pembuatan pressure transducers biomedis yang berhubungan dengan pembuIuh darah (arteri). Walaupun tidak ada pengaruh piezoelektrik yang kelihatan dalam silikon, namun ada pengaruh lain sensitif tekanan yang dapat digunakan untuk membuat pressure transducer, seperti strain yang menyebabkan perubahan sifat listrik junction P-N dan pengaruh piezoresistif. Pertimbangan utama dalam pemilihan bahan silikon adalah pengaruh stress σ yang digunakan pada karakteristik junction P-N. Pengaruh strain pada junction P-N adalah terjadi deformasi yang mengakibatkan perubahan karakteristik junction P-N yang berfungsi sebagai penyearah.
Piezoresistif juga dapat diaplikasikan apabila dihubungkan dengan adanya Straingauges (piezoresistor). Pada dasarnya Straingauges (piezoresistor) adalah suatu piranti yang akan berubah resitansinya jika dikenai sebuah tegangan. Starin = regangan, gauges = materi,ada dua komponen utama efek piezoresistif pada kebanyakan material yaitu komponen geometric dan komponen resitif.
Straingauges cair digunakan di rumah sakit untuk pengukuran fluktasi tekanan darah suatu selang karet yang diisi dengan merkuri dililitkan pada lengan pasien sehingg fluktasi pada tekanan darah dapat dilihat pada perekram bergrafik dan bentuk pulsa tekann darah dan dapat digunakan untuk mendiagnosis kondisi pembuluh darah . Pada rumah sakit modern saat ini piranti tersebut sudah diganti dengan instrument strain gauge padat. Pada Strain gauge digunakan untuk mengukur perpindahan yang sangat kecil akibat pembengkokan atau peregangan sehingga mengakibatkan pada strain gauge tersebut memanfaatkan perubahan resistansi.
Bidang IPTEK
Resistance Thermal Detector (RTD) ini menggunakan bahan metal ,prinsip kerja hamper sama dengan Thermistor maupun dengan Thermostat yaitu mengukur perbeedaan suhu lingkungan dengan pembacaan hasil pada tampilan LCD maupun Seven segment.
Dibawah ini merupakan sifat dari RTD :
•Digunakan untuk jangkauan temperatur yang lebar
•Bahan Pt, Cu, Ni
•Lebih linier tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor
No comments:
Post a Comment