Conhecendo a medição de pressão – Parte 2
Rodrigo Trentini, Prof. Dr., Instituto Federal de Santa Catarina
Este texto faz parte de uma série de artigos que tratam sobre o princípio de funcionamento de vários tipos de sensores normalmente utilizados na indústria. Este segundo texto aborda especificamente sensores piezoresistivos. Se você ainda não leu a primeira parte desta série sobre conceitos básicos e históricos sobre pressão, clique aqui.
O efeito piezoresistivo
A descoberta da mudança na resistência elétrica em dispositivos de metal causada por uma carga mecânica aplicada pode ser rastreada até Lord Kelvin em 1856. Para quem não o conhece, Lord Kelvin foi um importante engenheiro e matemático norte-irlandês, responsável, entre outras descobertas, pela formulação das Leis da Termodinâmica.
No entanto, sua descoberta sobre o efeito piezoresistivo ficou sem utilização prática até 1954, quando o significativo efeito piezorresistivo no silício e germânio, particularmente na forma de cristal único, foi identificado pela primeira vez. Esse avanço levou à ampla utilização desses materiais no projeto de circuitos analógicos e digitais.
Tecnicamente, o efeito piezorresistivo é dado por uma modificação na resistência elétrica de um material semicondutor ou metálico quando submetido a uma tensão mecânica. Ao contrário do efeito piezoelétrico, o efeito piezorresistivo provoca apenas uma alteração na resistência elétrica, sem afetar o potencial elétrico (ou tensão elétrica). Não se preocupe, vamos explicar com calma!
Princípio de funcionamento
Alterações no espaçamento interatômico em materiais condutores, causadas pela sua deformação, influenciam na forma com que os elétrons podem transitar para a banda de condução. Consequentemente, a resistividade do material sofre uma modificação. Assim, o coeficiente piezoresistivo é dado por,
Montagem do sensor
Bem, agora que já conhecemos como o elemento piezoresistivo funciona, podemos pensar em como medir pressão com ele.
A forma mais utilizada é a inserção de quatro elementos piezoresistivos em um diaframa, o que minimiza os efeitos da temperatura no elemento sensor. A figura a seguir mostra um esquema de ligação da forma citada.
Figura 1 – Esquema de montagem dos elementos piezoresistivos em um diafragma para medição de pressão
O diagrama fornecido demonstra visualmente a conexão entre os elementos sensores de um sensor de pressão do tipo ponte e um diafragma flexível. À medida que o diafragma deflete, a resistência dos elementos sensores sofre alterações proporcionais à magnitude da deflexão. Para garantir a linearidade ideal do sensor, dois fatores principais entram em jogo: a estabilidade do diafragma dentro da faixa de medição especificada e a linearidade dos elementos piezoresistivos empregados no projeto do sensor. Esses elementos contribuem coletivamente para o desempenho de linearidade geral do sensor de pressão.
Circuito de condicionamento
Os quatro elementos podem ser ligados à uma Ponte de Wheatstone em série com um circuito de amplificação. Isso permite que pequenas mudanças na resistência do sensor sejam convertidas em uma tensão de saída.
Figura 2 – Circuito de condicionamento para medição de pressão a partir de sensores piezoresistivos.
Além disso, a utilização de quatro elementos variáveis na ponte aumenta a amplitude do sinal de saída pois os pares trabalham sendo sujeitos a tensões iguais e opostas.
Quanto ao amplificador de instrumentação, o diagrama traz um esquema simplificado de sua utilização, dado que existem diversas formas de se implementar tal circuito, e isto está fora do escopo deste artigo. Porém, é importante citar que tal circuito, além de amplificar o sinal proveniente da Ponte de Wheatstone, também precisa levar em conta a compensação devido à variação de temperatura dos elementos.
Vantagens e desvantagens
Assim como foi explicado no decorrer deste texto, sensores piezoresistivos exploram o fenômeno de alteração de resistividade em materiais semicondutores quando eles sofrem tensões causadas pela deflexão do diafragma. Essa mudança na resistividade pode ser até 100 vezes maior em comparação com a variação de resistência observada em extensômetros metálicos, gerando uma razão de até 10 mV/V na saída da Ponte de Wheatstone. Consequentemente, os sensores piezoresistivos têm a capacidade de detectar e medir mudanças de pressão menores com maior sensibilidade do que suas contrapartes de metal ou cerâmica. Essa vantagem torna os sensores piezoresistivos adequados para aplicações que exigem medição precisa e precisa de variações de pressão.
Além disso, sensores de pressão do tipo piezoresistivos oferecem a vantagem de robustez, garantindo durabilidade e confiabilidade em várias condições de operação. Esses sensores demonstram desempenho consistente e estabilidade de calibração ao longo do tempo, fornecendo medições de pressão confiáveis e precisas.
No entanto, uma desvantagem dos sensores piezoresistivos é seu consumo de energia relativamente maior em comparação com outros tipos de sensores de pressão. Este maior requisito de energia pode limitar sua adequação para sistemas alimentados por bateria ou portáteis, onde a eficiência de energia e vida útil prolongada da bateria são considerações cruciais. É importante avaliar cuidadosamente os requisitos de energia e as restrições da aplicação específica antes de escolher um sensor piezoresistivo para tais sistemas.
Rodrigo Trentini é professor do Instituto Federal de Santa Catarina. Possui doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade de Hannover, Alemanha. Sua principal área de pesquisa é Sistemas de Controle.
