تشریح سنسورهای پیزورزیستیو: فناوری، کاربردها و عملکرد در صنعت خودرو
سنسورها بخش جداییناپذیر سامانههای هوشمند در صنعت خودرو هستند. یکی از انواع مهم سنسورها که در اندازهگیری فشار، نیرو و شتاب کاربرد فراوان دارد، سنسورهای پیزورزیستیو (Piezo-resistive sensors) است. در این مقاله به معرفی، ساختار، عملکرد و کاربردهای سنسورهای پیزورزیستیو با تمرکز ویژه بر استفادههای آنها در صنعت خودروسازی میپردازیم.
۱. مقدمهای بر سنسورهای پیزورزیستیو
سنسی پیزورزیستیو نوعی حسگر است که از تغییر مقاومت الکتریکی در یک ماده به دلیل اعمال نیروهای مکانیکی برای اندازهگیری فشار یا نیرو استفاده میکند.
اصطلاح "پیزورزیستیو" از ترکیب کلمات "پیزو" (فشار) و "رزستیو" (مقاومت) برگرفته شده است که اشاره به خاصیت تغییر مقاومت ماده تحت فشار دارد.
۱.۱ تعریف پیزورزیستیو
اثر پیزورزیستیو پدیدهای فیزیکی است که در آن مقاومت الکتریکی یک ماده نیمههادی یا فلزی با اعمال تنش مکانیکی تغییر میکند. این تغییر مقاومت، اساس کار سنسورهای پیزورزیستیو است.
۱.۲ تفاوت با دیگر سنسورها
برخلاف سنسورهای پیزوالکتریک که بار الکتریکی تولید میکنند، سنسورهای پیزورزیستیو تغییر مقاومت ایجاد کرده و معمولا به صورت پل ویستون استفاده میشوند. همچنین در برابر نویزهای الکتریکی مقاومتر و قابل اطمینان ترند و در دماهای مختلف پایدار عمل میکنند.
۲. ساختار و نحوه عملکرد سنسورهای پیزورزیستیو
سنسورهای پیزورزیستیو معمولا از قطعات نیمههادی یا فلزات با خاصیت پیزورزیستیو ساخته میشوند. رایجترین مواد مورد استفاده سیلیکون و آلیاژهای فلزی خاص هستند.
۲.۱ اجزای اصلی سنسور
- عنصر حساس پیزورزیستیو: معمولا یک قطعه کوچک سیلیکونی که در معرض تنش مکانیکی قرار میگیرد.
- پهنه اندازهگیری فشار یا نیرو: غالبا یک دیافراگم یا میله که نیروی خارجی به آن وارد میشود.
- پل جبران آفست (Wheatstone Bridge): مدار پل که مقاومت عنصر حساس را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند.
- الکترونیک پردازش سیگنال: تقویت کننده و مبدل آنالوگ به دیجیتال برای خواندن سیگنال خروجی.
۲.۲ عملکرد سنسور
وقتی نیروی خارجی یا فشار به دیافراگم سنسور وارد میشود، این دیافراگم خمیده شده و تنش مکانیکی به عنصر حساس منتقل میشود. این تنش باعث تغییر مقاومت الکتریکی در ماده سیلیکونی میشود.
تغییر مقاومت به صورت سیگنال ولتاژی در مدار پل ویلستون تبدیل میشود و پس از تقویت، به شکل داده قابل خواندن برای واحد کنترل الکترونیکی خودرو (ECU) ارسال میگردد.
۳. مواد سازنده و فناوری ساخت
۳.۱ استفاده از سیلیکون در ساخت سنسور
سیلیکون به دلیل خواص نیمهرسانایی و حساسیت بالای خود در برابر تنش مکانیکی، ماده اصلی سنسورهای پیزورزیستیو صنعتی است. فرآیندهای میکروفابریکیشن (Microfabrication) به همراه لیتوگرافی امکان ساخت عناصر بسیار کوچک و دقیق را فراهم میکنند.
۳.۲ تکنولوژی MEMS در سنسورهای پیزورزیستیو
تکنولوژی MEMS (سیستمهای میکروالکترومکانیکی) اجازه ساخت سنسورهای پیزورزیستیو با دقت بالا و ابعاد بسیار کوچک را میدهد. در خودروها، استفاده از سنسورهای MEMS باعث بهکارگیری سنسورهای فشار سوخت، فشار روغن، و شتابسنجهای دقیق شده است.
۴. کاربردهای سنسورهای پیزورزیستیو در صنعت خودرو
این سنسورها نقشی کلیدی در سامانههای ایمنی، کنترل سوخت و بهینهسازی عملکرد موتور ایفا میکنند.
۴.۱ سنسور فشار منیفولد هوای ورودی (MAP Sensor)
یکی از مهمترین کاربردهای سنسور پیزورزیستیو، اندازهگیری فشار هوای ورودی به موتور است. سنسور MAP فشار هوای منیفولد را اندازهگیری میکند تا کامپیوتر خودرو بتواند مقدار دقیق سوخت تزریق شده را تنظیم کند.
۴.۲ سنسور فشار روغن موتور
حفظ فشار مناسب روغن موتور برای روانکاری و جلوگیری از خرابی اجزای موتور حیاتی است. سنسورهای پیزورزیستیو فشار روغن را اندازهگیری و اطلاع به سیستم هشدار خودرو میدهند.
۴.۳ سنسورهای شتابسنج
در ایربگها و سامانه کنترل پایداری خودرو (ESP) از سنسورهای پیزورزیستیو برای اندازهگیری شتاب و نیروهای ناشی از تصادفات یا لغزش استفاده میشود.
۴.۴ سنسورهای نیرو و گشتاور
برای بهینهسازی عملکرد اجزایی مانند ترمز، کلاچ و سیستم انتقال نیرو، استفاده از سنسورهای پیزورزیستیو جهت اندازهگیری نیرو و گشتاور به صورت مستقیم انجام میشود.
۵. مزایا و محدودیتهای سنسورهای پیزورزیستیو
۵.۱ مزایا
- دقت بالا: تغییر مقاومت بسیار دقیق و قابل اندازهگیری است.
- پایداری حرارتی: عملکرد مناسب در محدوده دمایی وسیع.
- اندازه کوچک: با فناوری MEMS، سنسورهای بسیار جمع و جور ساخته میشوند.
- کاربرد چندگانه: فشار، نیرو، شتاب و حتی دما قابل اندازهگیری است.
- قابلیت تولید انبوه و هزینه مناسب: فناوری ساخت سیلیکونی هزینهها را کاهش میدهد.
۵.۲ محدودیتها
- حساسیت به تداخل الکترومغناطیسی: مدارهای الکترونیکی باید به خوبی شیلد شوند.
- کالیبراسیون دورهای: برای حفظ دقت، کالیبراسیون منظم لازم است.
- محدودیت مقاومت در فشارهای بسیار بالا: ممکن است دقت در فشارهای فراتر از دامنه طراحی کاهش یابد.
۶. مثالهای عملی از سنسورهای پیزورزیستیو در خودرو
۶.۱ نمونه سنسور فشار سوخت شرکت Bosch
شرکت بوش از سنسورهای پیزورزیستیو با ساختار سیلیکونی تقویت شده برای اندازهگیری فشار سوخت در مسیر تزریق مستقیم استفاده میکند. این سنسورها دقت بالا و پاسخ سریع دارند که به بهبود احتراق و کاهش آلودگی منجر میشود.
۶.۲ استفاده در ABS و سامانه ترمز ضد قفل
در سیستمهای ABS برای اندازهگیری نیرو و فشار ترمز از سنسورهای پیزورزیستیو بهره میبرند تا کنترل دقیقتر بر روی فشار ترمز را فراهم کنند و از لغزش چرخها جلوگیری شود.
۷. روند توسعه و آینده سنسورهای پیزورزیستیو در صنعت خودرو
با پیشرفت فناوریهای نانو و میکرومکانیک، سنسورهای پیزورزیستیو آیندهای درخشان دارند. کاهش اندازه، افزایش حساسیت و ادغام با فناوری اینترنت اشیا (IoT) باعث میشود خودروهای هوشمند نسل آینده به دادههای دقیقتری جهت بهبود ایمنی و کارایی دست یابند.
همچنین، تحقیقات برای استفاده از مواد جدید مانند گرافن و نانولولههای کربنی در حسگرهای پیزورزیستیو ادامه دارد که میتواند حساسیت و پایداری را به طور چشمگیری افزایش دهد.
۸. نتیجهگیری
سنسورهای پیزورزیستیو به دلیل دقت، قابلیت اطمینان و تطبیقپذیری بالا به ابزارهای حیاتی در صنعت خودروسازی تبدیل شدهاند. از کنترلهای موتور گرفته تا سیستمهای ایمنی، این سنسورها امکان بهرهوری بیشتر و کاهش آلایندگی را فراهم میآورند. با توجه به روند رو به رشد فناوریهای نانومکانیکی و الکترونیکی، انتظار میرود کاربرد و اهمیت این سنسورها در خودروهای مدرن بیشتر و بیشتر شود.
منابع
- R. S. Lakes, “Viscoelastic Materials,” Cambridge University Press, 2009.
- T. P. Newcomb, “Microelectromechanical Systems,” CRC Press, 2016.
- Bosch Automotive Sensors, “Pressure Sensor Technologies,” Bosch Technical Paper, 2021.
- IEEE Sensors Journal, “Piezo-resistive MEMS Sensors for Automotive Applications,” 2022.