4.4.1 Piezorezistivitatea

Senzorii piezorezistenți se bazează pe variația rezistivității electrice a unui material atunci când acesta este deformat. Multe materiale prezintă piezorezistivitate, dar numai cele cu o sensibilitate ridicată sunt potrivite pentru a fi aplicate în senzori. Exemple sunt materialele semiconductoare și unii elastomeri. Cel mai popular semiconductor piezoelectric este siliciul: acest material poate fi utilizat ca suport de senzor și, în plus, o parte din interfața electronică poate fi integrată cu senzorul pe același suport. Elastomerii pot fi făcuți piezorezistivi printr-un tratament special, de exemplu prin adăugarea de particule conductive la materialul elastic neconductor. Acest lucru este discutat în secțiunea 4.4.3.

Principiul fizic care stă la baza piezorezistivității în siliciu revine la structura benzii energetice a atomului de siliciu. O solicitare mecanică aplicată va schimba distanța între benzi. În funcție de direcția forței aplicate în raport cu orientarea cristalului, mobilitatea medie a electronilor în siliciu de tip-n este redusă, rezultând o creștere a rezistivității. Astfel, factorul de marcă al siliciului de tip-n este negativ și atinge valori de până la -150. Factorul de marcă absolut crește cu creșterea concentrației de dopaj.

În siliciu-p, golurile sunt purtătorii majoritari: mobilitatea lor este influențată de poziția din banda de valență. Factorul de marcă al siliciului-p pare să fie mai mare decât la siliciu-n (la aceeași temperatură și concentrație de dopare) și are o valoare pozitivă. În ambele cazuri, efectul piezorezistiv predomină asupra efectului geometric (așa cum este folosit în mărcile tensometrice metalice).

Tabelul 4.4 prezintă valori numerice pentru factorul de marcă al siliciului dopat -p și -n, pentru trei orientări diferite de cristal și un nivel de dopaj corespunzător unei rezistivități de 1 Ωcm.

Figura 4.21 afișează aceste trei orientări principale ale cristalului de siliciu.

Tabelul 4.4 Unii factori de măsurare pentru siliciu [12]

Figura 4.21 Trei suprafețe orientate în siliciu.

Deși variația de rezistență este cauzată în primul rând de deformarea materială, este de uz general să se exprime piezorezistivitatea siliciului în termeni de sensibilitatea la presiune:

cu K factorul de marcă definit în Ec. (4.12), π piezorezistivitatea (m²/N) și S și T deformația mecanică și tensiunea, respectiv, în material. Aceasta este o expresie simplificată: coeficientul piezorezistiv depinde puternic de direcția forței aplicate față de orientarea cristalului. Sensibilitatea la presiune π a senzorilor piezorezistivi (în siliciu) depinde de trei factori:

1. conductivitatea (dependentă de orientare)

2. direcția forței aplicate

3. orientarea rezistorilor în raport cu orientarea cristalului.

Al doilea factor din această listă este legat de comportamentul elastic al materialului, așa cum a fost deja descris de matricea de conformitate 6 × 6 (a se vedea anexa A, simboluri și notații):

Conductivitatea și conformitatea dependente de orientare combinate dă o expresie pentru variația relativă a rezistenței r ca funcție a vectorului T:

Pentru siliciu multe dintre elementele matricei sunt zero datorită simetriei cristalului, iar unele sunt egale pe perechi. Aceasta are ca rezultat ecuația matricei de piezorezistivitate pentru siliciu:

Deci, există doar trei componente independente care descriu piezorezistivitatea siliciului. Valorile lor numerice sunt prezentate în Tabelul 4.5.

Tabelul 4.5 Componentele de piezorezistivitate ale siliciului pentru tipurile p și n, în x10^-12/Pa [12]

Siliciul tip-n pare să aibă o piezorestitivitate negativă puternică în direcția x și aproximativ jumătate la fel de pozitiv în direcțiile y și z ; siliciul-p este mai puțin sensibil în aceste direcții. Cu toate acestea, o forță de forfecare (în raport cu o direcție arbitrară) are ca rezultat o variație de rezistență mare.

Progresul neîncetat în tehnologia microprelucrării și crearea dispozitivelor microelectromecanice MEMS au un impact deosebit asupra dezvoltării senzorilor. Avantajele acestei tehnologii sunt

• toate piezorezistoarele sunt depuse într-o singură etapă de procesare, ducând la proprietăți aproape identice;

• rezistoarele de pe membrană pot fi configurate într-o punte;

• rezistoarele au aproape aceeași temperatură, datorită conductivității termice ridicate a siliciului;

• dispozitivele electronice de interfață, inclusiv circuite de compensare a temperaturii, pot fi integrate cu puntea senzorului pe același substrat;

• dimensiunile dispozitivului pot fi extrem de mici; ele sunt stabilite în principal de mărimea pachetului și de interfața mecanică.

Senzorii bazați pe această tehnologie sunt acum răspândiți pe scară largă, dar multe cercetări încă se îndreaptă către îmbunătățirea performanței (în ansamblu). MEMS au, de asemenea, limitări, iar alte tehnologii sunt, de asemenea, investigate și dezvoltate în continuare pentru a crea senzori mai buni sau mai ieftini. Există, de asemenea, o tendință de combinare a tehnologiilor pentru a beneficia de avantajele oferite de fiecare dintre acestea.

4.4.2 Senzori piezorezistivi cu siliciu

Tehnologia cu siliciu permite construirea unei varietăți de senzori care utilizează proprietățile piezorezistive ale siliciului. Exemple sunt senzorii de presiune și forță, accelerometrele și giroscoapele.

Figura 4.22 prezintă configurațiile de bază ale unui senzor de presiune de siliciu și un senzor de forță de siliciu, ambele bazate pe siliciu piezorezistiv.

Figura 4.22 Secțiunea transversală a (A) unui senzor de presiune piezorezistiv în tehnologia cu siliciu (simplificat),
(B) senzor de forță de forfecare (nu pe scală).

Suportul sau substratul senzorului este un cip de siliciu: o parte rectangulară tăiată din plăcuța de siliciu, cu o grosime de aproximativ 0,6 mm. Materialul plăcuței de siliciu este ușor dopat cu purtători de sarcină pozitivă, ducând la siliciu de tip-p. Pe partea de sus a plachetei, se cultivă un strat subțire de siliciu de tip-n, numit stratul epitaxial sau epilayer. Substratul este gravat local de la partea de jos până la stratul epitaxial, folosind tehnologia selectivă de gravare. Rezultatul este o membrană subțire de siliciu care constă numai din stratul epitaxial, grosimea căruia este de câțiva μm. Această membrană acționează ca un element deformabil.

Folosind tehnologia standard de prelucrare a siliciului, senzorii piezorezistivi sunt depuși la pozițiile de pe membrana unde deformarea este cea mai mare. Factorul de marcă al siliciului este mult mai mare decât cel al metalelor; cu toate acestea, coeficientul de temperatură al rezistivității este de asemenea mai mare. Prin urmare, senzorii de solicitare din siliciu sunt configurați invariabil într-un aranjament de punte completă.

Piezorezistoarele de siliciu sunt depuse pe suprafața cristalului, deci sunt legate tehnologic de o orientare specifică (una din orientările din figura 4.21). După alegerea orientării suprafeței, rezistoarele trebuie să fie poziționate astfel încât să se obțină o sensibilitate maximă. Piezorezistoarele au, de obicei, o asemănare cu forma meandrelor pentru a obține o sensibilitate direcțională într-o zonă restrânsă (ca în cazul mărcilor tensometrice metalice). Pentru a optimiza sensibilitatea, axa principală a rezistorului ar trebui să coincidă cu direcția piezorezistivității maxime pe suprafața membranei.

Membrana se deformează sub o diferență de presiune (ca în figura 4.22A) sau la o forță aplicată (figura 4.22B). Modele speciale permit măsurarea atât a forțelor normale, cât și a forțelor de forfecare. Măsurarea independentă a componentelor de forță se realizează prin poziționarea corectă a unui set de piezorezistoare pe membrană (vezi, de exemplu, Ref. [13] ).

O problemă comună cu toate aceste tipuri de senzori este ambalajul. Pe de o parte măsurandul (de exemplu, presiunea și forța) trebuie să aibă un acces bun la membrana sensibilă pentru a produce o deformație. Pe de altă parte, cipul de siliciu trebuie protejat împotriva deteriorării mecanice.

Senzorii de presiune a gazului sunt încapsulați într-o cutie mică prevăzută cu găuri care dau gazului acces la membrană, protejând în același timp cipul de contactul mecanic direct cu lumea exterioară. Senzorii de forță necesită un contact mecanic între membrană și obiectul (solid), care este realizat de o structură de transmitere a forței, de exemplu o bilă mică de oțel, o bucată mică de material fixată în centrul membranei (mesa) sau un strat subțire dintr-un material elastic.

În toate cazurile, aceasta va afecta proprietățile elastice ale membranei. În senzorii comerciali, piezorezistoarele pe siliciu microprelucrat sunt configurate în jumătate de punte sau punte completă, pentru a reduce sensibilitatea la temperatură.

Aceeași tehnologie este folosită pentru a construi accelerometre și giroscoape de siliciu.

Figura 4.23 prezintă configurația de bază a unui accelerometru integrat, constând dintr-un element masă-și-arc. Toate elementele mecanice sunt create în siliciu, prin gravarea selectivă.

Figura 4.23 Structura unui accelerometru integrat de siliciu cu elemente piezorezistive.

Masa seismică este o parte izolată a substratului, obținută prin gravarea selectivă de la partea de jos a cipului. Arcele sunt grinzi de siliciu realizate din stratul epitaxial, prin gravarea găurilor în membrană. Masa se suspendă din substrat prin grinzile subțiri, deasupra cărora sunt depuse elementele piezorezistive. Atunci când structura este supusă unei accelerații într-o direcție perpendiculară pe suprafața cipului, masa se va deplasa în sus sau în jos datorită inerției sale. Grinzile se îndoaie, iar elementele piezorezistive răspund la această deformație.

Deoarece dispozitivul este sensibil la forțele inerțiale, acesta poate fi ambalat într-o carcasă închisă ermetic, făcându-l rezistent la influențele mecanice și chimice din mediul înconjurător.

Accelerometrele din siliciu cu masă microprelucrată, arcul și piezorezistoarele integrate prezintă o frecvență înaltă de rezonanță (până la 150 kHz), dimensiuni și greutate mici (până la 0,4 g) și low-cost. Ele sunt disponibile cu una, două sau trei axe sensibile. Montate pe locuri adecvate, pe o construcție mecatronică, furnizează informații utile privind poziția, orientarea și rotirea pieselor mobile. Tehnologia permite integrarea electronică a interfeței cu corpul senzorului, oferind posibilitatea unor dispozitive foarte ieftine. Unul dintre primele accelerometre cu siliciu cu circuit de interfață complet este descris în Ref. [14]. Masa seismică rectangulară este realizată cu ajutorul microprelucrării în vrac și circuitul este realizat în tehnologia metal-oxid semiconductor complementar (CMOS).

Giroscoapele microfabricate sunt construite în același mod. Ele constau în principal dintr-o masă vibrantă conectată printr-o grindă subțire la baza senzorului. Micromasa vibrează în mod de rezonanță (de exemplu, printr-o comandă electrostatică), iar îndoirea corespunzătoare a grinzilor este măsurată în două direcții (de preferință cu patru piezorezistoare în configurație punte completă, așa cum este discutat în capitolul 3, Aspecte de incertitudine). La rotirea structurii, suspensia este supusă torsiunii măsurată prin piezorezis-toare integrate în grinda de suspendare. Când structura se rotește, modurile de vibrație se modifică, rezultând o schimbare de fază a semnalelor punții. Exemple de astfel de senzori de viteză unghiulară microprelucrați cu senzori piezorezistivi sunt prezentați în Ref. [15,16].

4.4.3 Elastomeri piezorezistivi

Elastomerii piezorezistivi sunt elastomeri care sunt făcuți conductivi prin impregnarea cu particule conductive (de exemplu carbon și argint). Rezistivitatea depinde de concentrația particulelor conductive, distanța reciprocă și zona de contact dintre particulele care se ating.

Când materialul este presat, mai multe particule fac contact, tinzând să scadă rezistivitatea materialului. Rezistența dintre două puncte adiacente sau opuse ale stratului elastomer se modifică în mod neliniar cu presiunea aplicată. Pătratele albastre din figura 4.24 prezintă o caracteristică tipică rezistență-presiune, care demonstrează că senzorii piezorezistivi sunt foarte sensibili (rezistența poate varia mai multe ordine de mărime), dar extrem de neliniari [17]. Aceeași figură arată că conductanța (adică, 1/R) are o relație aproape liniară cu presiunea (pătratele roșii). O modalitate adecvată de a crea această valoare inversă este prin utilizarea unui amplificator standard inversor, așa cum este discutat în Anexa C.4, Circuite bazice de interfață.

Figura 4.24 Caracteristica rezistență-presiune a elastomerilor conductivi: rezistența bulk.

Pe lângă comportamentul neliniar, din păcate, cele mai multe materiale piezorezistive prezintă, de asemenea, histerezis, reproductibilitate slabă și fluaj, în principal datorită modificărilor permanente ale poziției particulelor conductive din elastomer după comprimare sau lipsei de elasticitate. Comportamentul tipic al elastomerilor conductivi nu este încă pe deplin înțeles; multe încercări sunt făcute pentru a modela proprietățile piezorezistive în raport cu compoziția și metodele de fabricație (a se vedea, de exemplu, Ref. [18]). În ciuda performanțelor slabe ale proprietăților de detectare, unele modele utile au fost construite și aplicate pentru o varietate de aplicații unde acuratețea nu este o problemă importantă. Fig. 4.25 prezintă un exemplu al unui astfel de senzor elastomeric, ilustrând dimensiunile sale mici (grosime aproximativ 0,3-0,6 mm) și flexibilitate.

Figura 4.25 Senzor de forță care utilizează elastomeri piezorezistivi.

4.4.4 Aplicații ale senzorilor piezorezistivi

Senzorii piezorezistivi sunt adecvați pentru măsurarea unei varietăți de cantități. Cuvântul piezo este derivat din piezein-ul grecesc, ceea ce înseamnă a presa, astfel încât presiunea este o cantitate evidentă care poate fi măsurată de acești senzori. Dar, multe alte cantități fizice pot fi măsurate utilizând efectul piezorezistiv.

Un senzor 3D de forță, pentru aplicații biomedicale, este prezentat în Ref. [19]. Senzorul are o construcție similară celei din figura 4.17 dar este realizat în tehnologia cu siliciu. Piezorezistoarele localizate în locurile potrivite pe cadrul pătrat din siliciu (2,3 × 2,3 mm) măsoară trei componente ale forței (0-2 N) aplicate pe un mesa proeminent scurt (o jumătate de mm). Evident, senzorul trebuie ambalat astfel încât forța aplicată extern să fie transferată în mod corespunzător spre mesa de siliciu, asigurând în același timp o protecție mecanică și chimică adecvată.

O altă aplicație a unui senzor piezorezistiv este senzorul de deplasare descris în Ref. [20], care se bazează pe o pastă conductivă, depusă pe o bucată de cauciuc. Elasticitatea ridicată a cauciucului și a pastei permite valori mari de solicitare, până la 40%. Rezistența sa electrică variază, de asemenea, grosier cu aproximativ această valoare. Ca în cazul tuturor senzorilor pe bază de elastomeri piezorezistivi, acest senzor prezintă, de asemenea, un histerezis semnificativ. Senzorul este proiectat pentru măsurarea deplasării unui actuator delicat.

Pentru măsurarea parametrilor corpului (de exemplu, postură, gest și mers) se dezvoltă senzori purtabili. Senzorii bazați pe fire sunt o soluție bună pentru această aplicație, deoarece pot fi ușor integrați în țesături pentru îmbrăcăminte. Materialele adecvate pentru senzori sunt polimerii piezorezistivi, cauciucul și carbonul ca material de acoperire. Fibrele din aceste materiale pot fi intercalate cu textilele. Întinderea și îndoirea textilului conduce la alungirea fibrelor și, prin urmare, la o schimbare a rezistenței. Un exemplu de aplicare a unei astfel de detectări este dat în Ref. [21], care raportează despre astfel de senzori pentru măsurarea aspirației. Elongația fibrei poate fi până la 23%, rezultând o schimbare de rezistență de aproximativ 300%.

Senzorii piezorezistivi se găsesc și în înclinometre. Astfel de senzori măsoară unghiul de înclinare, adică unghiul în raport cu normala Pământului. Montat pe un robot, de exemplu, senzorul furnizează date importante despre orientarea sa verticală, care prezintă un interes deosebit pentru roboții de mers pe jos (sau cu picioare). În Ref. [22] a fost propus un înclinometru microprelucrat, bazat pe senzori piezorezistivi cu siliciu. Senzorul constă dintr-o micromasă suspendată pe grinzi subțiri. Gravitatea forțează masa să se deplaseze spre centrul de gravitație al pământului. Îndoirea rezultată a grinzilor este măsurată în două direcții, prin piezorezistoare integrate poziționate corespunzător. Autorii raportează o sensibilitate medie de aproximativ 0,1 mV pe grad într-o gamă de ± 70° înclinație.

Senzorii rezistivi pe bază de elastomeri piezorezistivi pot fi fabricați ca dispozitive extrem de plate, care oferă o mare plajă de libertate pentru proiectare și aplicații. În mod tipic, un senzor poate fi fabricat utilizând un număr de straturi de plastic rezistent acoperit cu elastomer, combinat cu piste flexibile ale unui conductor "normal". Pe lângă măsurarea forțelor liniare sau forțelor de forfecare, acești senzori pot fi de asemenea transformați în senzori rezistivi de îndoire. Figura 4.26 prezintă un senzor rezistiv tipic de îndoire utilizând folie de plastic și un elastomer rezistiv, aplicată, de exemplu, în interfața om-computer. Acești senzori sunt frecvent aplicați în mănuși cu senzor (cum ar fi "bunicul" mănușilor cu senzori: mănușa de putere Nintendo prezentată în aceeași figură).

Figura 4.26 Senzor de îndoire rezistiv și exemplu de aplicare într-o mănușă.

4.4.4.1 Senzori tactili

Elastomerii piezorezistivi pot fi utilizați pentru o varietate de sarcini de detectare în robotică. Sensibilitatea la presiune a rezistenței directe este utilă pentru a simți atingerea (reamintește sensibilitatea ridicată pentru forțe mici), pentru a măsura forța de prindere și pentru detectare tactilă. Materialul este în formă de foi, care este foarte convenabil pentru construirea de senzori plani și în special pentru senzori tactili.

Elastomerii piezorezistivi fac parte din primii senzori tactili din clești de roboți [23, 24]. Aceștia încă primesc multă atenție de la designerii de roboți destinați capacităților ca cele umane, în special prin prinderea delicată (vezi, de exemplu, figura 4.27).

Figura 4.27 Mână de robot folosind elastomeri piezorezistivi la vârful degetului.

Majoritatea senzorilor tactili rezistivi se bazează pe un anumit tip de elastomer piezorezistiv. Mulți cercetători au raportat despre utilitatea acestor așa-numite rezistoare sensibile la forță ca senzori tactili, de exemplu în Ref. [25- 27].

Rezistivitatea bulk (directă) nu este numai un parametru de detectare adecvat, dar este de asemenea posibil să se utilizeze rezistivitatea de suprafață a unor astfel de materiale. Rezistența de contact dintre două foi conductoare sau între o foaie și un strat conductor se schimbă cu presiunea, în principal datorită creșterii suprafeței de contact (figura 4.28). Caracteristica rezistență-presiune este similară celei din figura 4.24.

Figura 4.28 Senzori tactili piezorezistivi: (A) modul (bulk) direct și (B) modul de contact.

Un aspect important al senzorilor tactili bazați pe foi rezistive este selecția și citirea punctelor individuale de presiune (taxels = elemente tactile în robotică). Cea mai populară este citirea rând-coloană, realizată printr-o rețea de electrozii foarte conductibili pe fiecare parte a elastomerului, făcând unghiuri drepte și definind astfel punctele de presiune ale matricei senzorilor (figura 4.29).

Taxel-ii individuali sunt adresați prin selectarea rândului și coloanei corespunzătoare, de exemplu prin aplicarea unei tensiuni de referință pe electrodul coloană și măsurarea curentului prin electrodul de rând selectat. Prin utilizarea multiplexoarelor, atât pentru selectarea rândului cât și pentru coloană, întreaga matrice poate fi scanată rapid. Însă, datorită caracterului continuu al rezistivității foii, rezistența taxel-ului selectat este șuntată de rezistențele tuturor celorlalți taxel-i, așa cum se poate vedea în modelul senzorului tactil prezentat în figura 4.28B. De exemplu, atunci când selectăm taxel a-1, rezistența taxel-ului R_a1 este șuntată de rezistențele R_ab + R_b1 și R_a2 + R₁₂, ducând la (crosstalk) interferențe nedorite între taxel-i. Chiar și atunci când rezistențele interelectrod R_ab și R₁₂ sunt mari în comparație cu rezistențele taxel, rezistența taxel-ului selectat este șuntată de R_a2+ R_2b + R_b1. În consecință, atunci când unul sau mai mulți dintre taxel-ii a-2, b-2 și b-1 sunt încărcați, taxel-ul neîncărcat a-1 este practic încărcat. Acest fenomen este desemnat prin "imagini fantomă". Într-o matrice n × m, multe dintre astfel de imagini fantomă sunt văzute de taxel-ul selectat, un efect care este mai pronunțat atunci când se încarcă mai mulți taxel-i ai dispozitivului tactil.

Figura 4.29 Ideea de bază a citirii rând-coloană a unei matrici tactile:

(A) electrozi rând și coloană pe un elastomer piezorezistiv și

(B) model cu patru taxel-i, care prezintă rezistențe de șuntare.

Interferențele și imaginile fantomă sunt reduse prin păstrarea activă a rândurilor și coloanelor neselectate, reducând la zero astfel potențialul peste toate taxel-urile neselectate. Principiul este ilustrat cu matricea simplă 2 × 2 din Fig. 4.30.

Figura 4.30 Reducerea crosstalk: (A) modul de selecție original și (B) modul de selecție îmbunătățit.

În figura 4.30A, selectarea taxel-ului a-1 se realizează prin conectarea unei tensiuni V_a la electrodul coloanei a și măsurarea curentului rezultat prin electrodul rândului 1, în timp ce toate celelalte rânduri și coloane rămân flotante. Evident, deoarece o componentă suplimentară de curent I₂ curge prin celelalte trei rezistențe taxel, rezistența aparentă a taxel-ului este Va/I₁ = R_a1// (R_a2 + R_b2 + R_b1). În figura 4.30B, electrozii de rând neselectați sunt conectați la masă; curentul suplimentar, care este acum I^’₂, curge direct la masă, deci rezistența măsurată este V_a/I₁ = R_a1, care este doar rezistența taxel-ului selectat. Rețineți că curentul prin electrodul coloanei selectate a poate fi destul de mare, în special atunci când mulți taxel-i din această coloană sunt încărcați și, prin urmare, au valori scăzute de rezistență la masă. Deși nu este strict necesar, este preferată împământarea electrozilor de coloană neselectată, pentru a preveni posibilele interferențe datorate rezistenței mari a taxel-ilor neîncărcați. S-au investigat diverse scheme alternative care vizează creșterea eficienței acestei soluții și reducerea complexității electronice, de exemplu în Ref. nr. [28-30].

Mulți cercetători au încercat să sporească rezoluția senzorilor tactili, reducând în același timp dezavantajele majore cum ar fi complexitatea tehnică, rigiditatea, dimensiunile și susceptibilitatea la deteriorare. Oferim aici o selecție din numeroasele idei publicate în ultimele decenii, ca o sursă de inspirație pentru proiectanții de mecatronică.

Lipiți pe stratul elastic, electrozii conductivi afectează în mod semnificativ proprietățile elastice ale materialului sensibil la presiune. Prin urmare, s-a propus utilizarea de elastomeri anizotropici: acest material prezintă o conductivitate ridicată într-o direcție și o conductivitate scăzută în direcție perpendiculară (vezi, de exemplu, Ref. [31]). O altă soluție este dată în Ref. [30], unde sunt combinate funcțiile de sensibilitate la presiune și electrozi de citire: senzorul constă din două rețele poziționate ortogonal din fibre conducătoare. Taxel-ii de 8×8 sunt definiți de punctele de încrucișare a fibrelor. Rezistența contactului se modifică prin presiune, în principal datorită reducerii ariei de contact.

O abordare complet diferită este aceea de a evita existența unor electrozi pe partea superioară a stratului elastic, lăsând partea frontală a senzorului tactil liberă să fie accesată de obiecte. Una dintre soluțiile aplicate, de exemplu, în senzorul tactil descris în Ref. [32], se bazează pe o placă cu circuite imprimate față-verso. Senzorul taxel de 16×16 răspunde la rezistența de contact dintre o foaie elastomerică înalt conductivă și un model de electrod depus pe placa de circuite imprimate. Schema unui taxel pe PCB este dată în figura 4.31, care arată cum pot fi realizate punctele de trecere între electrozi coloană și electrozi rând. Partea sensibilă la presiune a fiecărui taxel constă în cele două zone de trecere dintre rând și coloană.

Figura 4.31 Planul taxel-ului (A) vedere de sus, (B) secțiunea transversală prin A-A'.

Un aspect adesea neglijat este interferența mecanică între taxel-ii adiacenți, datorită rigidității stratului elastic sau a unui strat suplimentar de protecție. Materialul foii acționează ca un filtru spațial trece-jos în conversia de la forța aplicată în partea superioară la partea de măsurare din partea inferioară a foii [33]. Prin urmare, rezoluția spațială nu este egală cu pasul electrozilor, dar poate fi substanțial mai mică.

Au fost întreprinse multe încercări de creștere a rezoluției spațiale prin aplicarea tehnologiei cu siliciu. Unul dintre primele rezultate ale acestei abordări este descris în Ref. [34], unde elastomerul conductiv este montat pe un substrat de siliciu, prevăzut cu electrozi și circuite electronice pentru a măsura rezistența de contact (sensibil la presiune). Un senzor tactil din siliciu tot nu are elastomerul piezorezistiv: el constă dintr-un șir de senzori de presiune, similar dispozitivelor indicate în secțiunea 4.4.2. Câteva exemple de astfel de senzori tactili rezistivi, complet integrați, sunt dați aici. Primul [35] constă din 32×32 punți piezorezistive integrate pe un singur cip de 10×10 mm. Cipul conține și circuite de procesare a semnalului. Pentru a preveni deteriorarea la apăsare, suprafața fragilă a senzorului este acoperită cu un strat de protecție elastic. Un alt exemplu [36] se referă la un senzor tactil de 4×8 special proiectat pentru o gamă largă de forțe (până la 50 N). În final, în Ref. [37] este prezentat un senzor tactil de 4×4 cu o arhitectură diferită. Stratul de diafragmă este depus pe o matrice de cavități mici în partea superioară a substratului, construind o matrice de membrane (fără a fi gravată din partea din spate). Fiecare element conține un piezorezistor. Aceste rezistoare sunt conectate secvențial la o punte Wheatstone, prin controlul unui set de comutatoare CMOS pe cip.

Un alt aspect care trebuie discutat aici este măsurarea forțelor de forfecare utilizând un senzor tactil. Majoritatea dispozitivelor discutate până acum sunt sensibile numai la forțele normale, adică o forță care este perpendiculară pe suprafața senzorului. Un senzor de forfecare trebuie să fie sensibil la forțele tangențiale. Puțini senzori tactili rezistivi oferă până acum această abilitate [38, 39].

O alternativă frecvent utilizată pentru senzorii rezistivi ca senzori tactili este utilizarea senzorilor capaci-tivi. De asemenea, cu senzori capacitivi pot fi creați „taxel-i“, de exemplu, „pielea“ în robotul „iCub“ -menționat mai devreme (Fig. 4.20) conține o grilă mare bazată pe detectare capacitivă. Aceste sisteme vor fi descrise în capitolul 5, Senzorii capacitivi.

4.4.4.2 Senzori de atingere

Senzorii de forță pe bază de elastomeri nu sunt cei mai potriviți pentru măsurarea absolută (calibrată) a forței sau a greutății datorată efectelor neliniare. În ciuda acestui fapt, senzorii s-au dovedit foarte potriviți pentru alte aplicații, ilustrate prin proiectarea unui picior al robotului Tulip [40] prezentat în Fig. 4.32. Senzorii sunt foarte sensibili pentru "prima atingere" atât de bună pentru a detecta impactul podelei în timpul mersului pe jos. Prin măsurarea diferenței dintre patru senzori localizați la colțurile piciorului, poziția centrului de masă poate fi determinată cu exactitate, deoarece efectele nedorite (neliniaritatea, sensibilitatea la temperatură, fluaj) afectează toți cei patru senzori în același mod.

Figura 4.32 Picior de robot, incluzând senzori de presiune bazat pe folie.

4.4.4.3 Ecranele tactile

Ecranele tactile rezistive utilizează o strategie similară cu cea a matricei tactile descrise în figura 4.28. Cu toate acestea, în loc de o serie de electrozi, numai doi electrozi sunt plasați la marginile opuse ale unei pelicule acoperit cu un strat conductiv distribuit uniform. Două foi acoperite sunt așezate cu straturile conductive orientate unul spre altul, separate de un strat de puncte distanțier. La aplicarea presiunii (prin deget uman sau prin dispozitiv de indicare) se formează două divizoare de tensiune cuplate, permițând detectarea poziției, așa cum se arată în figura 4.33A. Prin polarizarea unuia dintre divizoare (de exemplu, axa X), o atingere a celeilalte axe poate fi folosită ca punct de detectare, așa cum se arată în figura 4.33B.

Figura 4.33 Schema unui ecran tactil rezistiv cu 4 fire, (A) poziția electrodului,

(B) citirea poziției punctului de atingere.

Deși aceste ecrane rezistive sunt încă folosite în aplicațiile (industriale) de interfață umană, acestea sunt în mare parte înlocuite cu ecrane capacitive, deoarece acestea din urmă au o repetabilitate mai mare și suportă multitouch. Ecranele tactile rezistive trebuie recalibrate ocazional, deoarece sistemul se bazează pe valori rezistive absolute, în timp ce un ecran tactil capacitiv se bazează pe detectarea modificărilor capacitive relative (Secțiunea 5.4.3).

4.4.5 Interfața senzorilor piezorezistivi

În această secțiune sunt prezentate câteva exemple practice pentru interfața senzorilor piezorezistivi. Interfața acestor senzori pentru aplicații încorporate va fi discutată utilizând platforma de microcontroler Arduino introdusă în Capitolul 1, Introducere. Exemplele de cod și o discuție mai detaliată a platformei sunt prezentate în Anexa D, Exemple practice și exemple de cod.

În e-cărți privind senzorii (vezi, de exemplu, Ref. [41] ), pot fi găsite exemple de aplicații referitoare la analiza calitativă a datelor senzorilor. În majoritatea cazurilor, un circuit de divizare a tensiunii (figura 4.34A) este utilizat pentru a transforma o schimbare rezistivă într-o tensiune care poate fi măsurată folosind un ADC. Totuși, un divizor de tensiune introduce alte neliniarități. Atunci când un senzor este plasat în ramura inferioară a divizorului (cu alte cuvinte, folosind un rezistor „pull up“ R1), tensiunea de ieșire V_o este V_i·R_senzor/(R_senzor + R₁). Mai mult decât atât, rezistorul pull-up (sau pull-down) ar putea introduce în sistem zgomot (termic) suplimentar și dependența de temperatură. În anexa C.2, Circuite de interfață de bază, sunt discutate circuite alternative.

Figura 4.34 (A) Divizor de tensiune, (B) măsurarea conductivității (1/RS)

folosind un amplificator inversor.

Figura 4.34B ilustrează un exemplu practic de interfațare a unui senzor piezorezistiv neliniar utilizând un amplificator inversor și o sursă de tensiune negativă. Utilizând codul din exemplul graficului prezentat în Anexa D, circuitul din figura 4.35 este o implementare practică a circuitului prezentat în figura 4.34B și poate fi folosit ca circuit de liniarizare.

Figura 4.35 Circuit practic de interfață pentru un senzor de forță piezorezistiv

utilizând o tensiune negativă.

La alegerea valorilor rezistorului pentru pull-up sau pull-down, selecția trebuie să fie în gama așteptată a senzorului rezistiv. În afară de această potrivire, suma rezistențelor (senzor și pull-up/pull-down) ar trebui să fie suficient de mare pentru a reduce la minimum consumul de curent și a reduce încălzirea prin disipa-rea puterii I²R). ICL7660 este ales în acest caz ca invertor de tensiune de alimentare. Cu cele două condensatoare, acest circuit generează o tensiune de -5 V de la tensiunea de alimentare normală de 5 V. În cod acum, tensiunea măsurată crește liniar cu forța aplicată. Pentru calibrare, o multiplicare liniară și offset ar putea fi suficiente.

O celulă de sarcină formată din patru mărci tensometrice în configurația punte, așa cum este discutată în secțiunea 3.2.1, poate fi interfațată utilizând un amplificator de instrumentație (figura 4.36). Diferența de tensiune dintre cele două brațe ale punții Wheatstone poate fi trimisă direct în amplificator. Pentru a facilita imunitatea la zgomot, o tensiune de curent alternativ ar putea fi aplicată pentru a alimenta puntea (conform capitolului 3, Aspecte de incertitudine), totuși, din motive de simplitate, celula de sarcină va fi alimentată de tensiunea de alimentare. Figura 4.37 ilustrează interfața unei celule de sarcină și a amplificatorului de instrumentație cu o placă Arduino.

Figura 4.36 Schema de conectare a celulei de sarcină și a amplificatorului de instrumentație.

Figura 4.37 Amplificator de instrumentație care conectează o celulă de sarcină la o placă Arduino.