圧力センサーはどのような材質でできていますか?
の分野における経験豊富なサプライヤーとして圧力センサー, 圧力センサーの製造に使用される材料についてよく質問されます。材料を理解することは、これらのセンサーの性能、耐久性、アプリケーションの適合性に直接影響するため、非常に重要です。このブログでは、圧力センサーに一般的に使用されているさまざまな材料とその重要性について詳しく説明します。
ピエゾ抵抗材料
最も広く使用されているタイプの圧力センサーの 1 つは、ピエゾ抵抗圧力センサーです。これらのセンサーは、機械的ストレスを受けると材料の抵抗が変化するピエゾ抵抗効果に依存しています。シリコンは、最新の圧力センサーで主流のピエゾ抵抗材料です。
シリコンにはいくつかの利点があります。第一に、高い強度と低い抵抗温度係数などの優れた機械的特性を備えています。これは、シリコンベースの圧力センサーが広範囲の温度にわたって正確な測定を提供できることを意味します。第二に、シリコンはよく理解されている半導体材料であり、シリコン集積回路の製造プロセスは高度に開発されています。これにより、小型で高精度の圧力センサーを比較的低コストで大量生産できるようになります。
シリコン圧力センサーのピエゾ抵抗器は、通常、半導体産業で使用されているものと同様の技術を使用してシリコン基板に不純物を注入することによって形成されます。これらのピエゾ抵抗は、薄いシリコン ダイヤフラム上にホイートストン ブリッジ構成で配置されています。圧力がダイアフラムに加えられると、ダイアフラムが変形してピエゾ抵抗器の抵抗が変化し、加えられた圧力に比例する電気信号として測定できます。
容量性材料
静電容量式圧力センサーも人気のあるタイプです。これらは、2 つの導電板間の距離が変化すると、間の静電容量が変化するという原理に基づいて動作します。圧力センサーでは、圧力がダイヤフラムに作用し、ダイヤフラム (一方のプレート) と固定電極 (もう一方のプレート) の間の距離が変化します。
静電容量式圧力センサーのダイアフラムに使用される一般的な材料には、シリコン、窒化ケイ素、ステンレス鋼などの金属が含まれます。シリコンダイヤフラムは、優れた機械的および電気的特性のため、多くの場合好まれます。高精度の微細加工が可能で、高感度かつ低ヒステリシスのセンサーの製造が可能になります。
窒化ケイ素は、特に高い耐薬品性が必要な場合に、ダイヤフラム材料としても使用されます。純粋なシリコンよりも過酷な環境に耐えることができます。ステンレス鋼のダイヤフラムは、センサーの堅牢性と耐腐食性が必要な産業用途で一般的に使用されています。静電容量式圧力センサーの電極は、導電性が高く、比較的安定している金、アルミニウム、プラチナなどの金属で作ることができます。
光学材料
光学式圧力センサーは、光を使用して圧力を測定します。これらのセンサーは通常、圧力に応じた、屈折率や透過光または反射光の強度などの材料の光学特性の変化に依存します。
光ファイバー圧力センサーはその顕著な例です。多くの場合、クラッド材で囲まれた光ファイバーコアが使用されます。ファイバーに圧力がかかると、ファイバーのコアの屈折率や応力誘起複屈折が変化します。シリカガラスのような材料は、光ファイバー圧力センサーのファイバーコアとクラッドに一般的に使用されます。石英ガラスは光損失が低く、機械的強度が高く、化学的に安定しているため、長距離の光通信や圧力センシングの用途に最適です。
一部の光学式圧力センサーでは、ポリマーも使用されます。ポリマーは、圧力に応じて変化する特定の光学特性を持つように設計できます。多くの場合、柔軟性があり、さまざまな形状に簡単に製造できるため、コンフォーマルセンシングが必要な特定の用途には有利です。
圧電材料
圧電圧力センサーは、機械的ストレスを受けると電荷を生成します。最も一般的に使用される圧電材料は、石英とチタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) などの特定のセラミックです。
石英は、優れた安定性と高温耐性を備えた天然の圧電材料です。漏れ電流が非常に低いため、高精度かつ長期間の圧力測定に適しています。クォーツベースの圧力センサーは、航空宇宙産業や自動車産業でのエンジン圧力測定など、高い信頼性が重要な用途でよく使用されます。
一方、PZT セラミックは、水晶に比べて圧電係数がはるかに高くなります。これは、一定量の機械的ストレスに対してより大きな電荷を生成できることを意味し、結果として感度が高くなります。 PZT ベースの圧力センサーは、圧力スイッチや一部の種類の医療センサーなど、産業用および民生用アプリケーションで広く使用されています。
その他の素材
感知素子に使用される主な材料に加えて、圧力センサーの構造には他の材料も含まれます。センサーのハウジングには、ステンレス鋼、アルミニウム、プラスチックなどの材料が一般的に使用されます。ステンレス鋼は耐食性があるため、過酷な環境での用途に適しています。アルミニウムは軽量でコスト効率が高く、重量が問題となる用途によく使用されます。電気絶縁性や耐薬品性が要求される場合には、ポリカーボネートやPEEK（ポリエーテルエーテルケトン）などのプラスチックが使用されます。
シーリング材は、湿気、ほこり、その他の汚染物質の侵入を防ぐためにも重要です。ゴム O リング、シリコン シール、エポキシ樹脂がシール材として一般的に使用されます。これらの材料は、信頼性の高いシールを確保するために、優れた弾性、耐薬品性、接着特性を備えている必要があります。
圧力センサーの材料を選択するときは、特定の用途要件を考慮することが重要です。最適な材料を決定するには、測定する圧力範囲、動作温度、腐食性物質の有無、必要な精度などの要素がすべて影響します。
のサプライヤーとして圧力センサー私たちは、高品質の素材と高度な製造プロセスを使用することの重要性を理解しています。当社のセンサーは、石油・ガス、自動車、医療、環境モニタリングなど、さまざまな業界の多様なニーズを満たすように設計されています。圧力センサーを製品やシステムに統合することを検討している場合は、ぜひご相談ください。必要かどうか水位センサーまたは防爆ボールバルブ圧力センサーとともに、専門的なアドバイスと高品質の製品をご提供いたします。お客様の要件について話し合い、当社の圧力センサーがお客様の業務をどのように強化できるかを検討するには、お気軽にお問い合わせください。
参考文献
- ドーベリン、EO (2007)。測定システム: アプリケーションと設計。マグロウ - ヒル。
- コバックス、GTA (1998)。微細加工トランスデューサーのソースブック。ワイリー - インターサイエンス。
- スミス、CS (1954)。ゲルマニウムとシリコンのピエゾ抵抗効果。フィジカルレビュー、94(1)、42 - 49。