Arquitecturas de galgas extensiométricas
Comparación entre la tecnología tradicional de lámina, película delgada, semiconductores de silicón y silicón microfundido.
Las galgas extensiométricas detectan deformaciones mínimas en los materiales, lo que resulta fundamental para monitorear la integridad estructural de las alas de los aviones, los puentes y los instrumentos médicos. Miden la deformación como la relación entre el cambio en la longitud y la longitud original (ΔL/L), lo que ayuda a los ingenieros a evitar fallas y optimizar el rendimiento. La precisión y la durabilidad requeridas ayudan a los ingenieros a elegir la galga extensométrica correcta.
Entre los muchos tipos de instrumentos disponibles, los elementos de silicón Microfused de TE Connectivity destacan por su diseño único y su rendimiento en entornos exigentes. Estos elementos suelen integrarse en dispositivos que utilizan galgas extensiométricas, como sensores de fuerza y transductores de presión. Los sensores Microfused evitan la entrada de agua o contaminantes e incorporan un puente de Wheatstone, lo que simplifica el procesamiento de la señal. Exploraremos cómo se comparan con las galgas extensiométricas tradicionales de lámina, película delgada y semiconductores de silicón convencionales.
Galgas extensiométricas de lámina
Estos dispositivos incorporan una rejilla delgada de lámina metálica unida a una base flexible. El patrón serpentín de la rejilla aumenta la longitud del conductor en un área compacta, mejorando la sensibilidad a la deformación en la dirección requerida.. El material de la base ofrece soporte mecánico y aislamiento eléctrico para la rejilla metálica. La capa adhesiva une la base y la rejilla metálica a la superficie del objeto que se va a medir, mientras que los cables de conexión enlazan la galga extensiométrica con dispositivos de medición externos, como un circuito puente de Wheatstone. Aunque es opcional en entornos controlados, un recubrimiento protector suele ser esencial en entornos exteriores o industriales para proteger el sensor de la humedad, los productos químicos y el desgaste mecánico.
Aplicaciones
Las galgas extensiométricas de lámina se usan ampliamente por su bajo costo y fácil instalación, lo que las hace comunes en pruebas estructurales y aplicaciones educativas.
- Pruebas estructurales generales: Ideal para medir la deformación en vigas, puentes, edificios y componentes mecánicos. Las galgas de lámina son económicas y fáciles de instalar en diversas superficies.
- Instalaciones educativas y de investigación: Ampliamente utilizadas en laboratorios académicos para la enseñanza y los experimentos en etapas iniciales debido a su accesibilidad y facilidad de uso.
- Monitoreo a corto plazo o no crítico: Eficaz para pruebas de carga temporales, evaluación de prototipos o sistemas en los que la durabilidad a largo plazo no es esencial.
- Implementación de sensores a gran escala: Su bajo costo facilita su instalación en múltiples puntos de una estructura para el monitoreo distribuido de la deformación.
- Entornos controlados: Funciona de manera confiable en interiores o en condiciones estables sin necesidad de protección ambiental avanzada.
Aspectos a considerar
Las aplicaciones que implican temperaturas extremas, sustancias corrosivas o alta presión suelen llevar a los ingenieros a descartar las galgas extensiométricas de lámina metálica en favor de alternativas más robustas.
Galgas extensiométricas de película delgada
Las galgas extensiométricas de película delgada se fabrican utilizando técnicas de microfabricación que depositan una delgada capa de metal o material semiconductor sobre un sustrato o, en algunas aplicaciones, directamente sobre la superficie de la muestra de ensayo. En entornos donde la interferencia eléctrica puede afectar el rendimiento, los ingenieros suelen añadir una capa aislante entre el sustrato y la capa sensora. Del mismo modo, una capa adhesiva como el titanio o el cromo puede mejorar la adhesión entre la película sensora y el sustrato. Unas delgadas pistas conductoras o cables soldados conectan el elemento sensor a los circuitos de medición externos. Al igual que con las galgas de lámina, a menudo se aplica una capa protectora de pasivación para protegerla del daño ambiental.
Aplicaciones
Las galgas extensiométricas de película delgada son precisas, estables y funcionan en entornos difíciles.
- Aeroespacial y automotriz: Ideales para entornos con altas temperaturas y altas tensiones gracias al robusto diseño y mínima deriva.
- Dispositivos médicos: Se utiliza en aplicaciones que requieren miniaturización y biocompatibilidad, como los sensores integrados en catéteres.
- Dispositivos MEMS: Se integran en sistemas microelectromecánicos para mediciones de deformación compactas y de alta sensibilidad.
- Instrumentación de alta precisión: Ideal para equipos de laboratorio en los que la precisión y la repetibilidad son fundamentales.
- Monitoreo integrado: Se puede depositar directamente sobre componentes estructurales para el monitoreo a largo plazo de la deformación incrustada.
Aspectos a considerar
las galgas extensiométricas de película delgada suelen ser más caras y complejas de fabricar que las de lámina. Además, estas galgas requieren condiciones de superficie o sustratos específicos para lograr una deposición eficaz de la capa sensible. Debido a su flexibilidad limitada, las galgas de película delgada no son ideales para superficies altamente flexibles o irregulares.
Galgas extensiométricas de silicón semiconductor
La tecnología de galgas extensiométricas de semiconductores de silicón utiliza las propiedades piezorresistivas del silicón dopado para medir la deformación. A diferencia de las galgas metálicas, estos dispositivos se basan en los cambios en la estructura cristalina del silicón bajo tensión mecánica. Estas galgas cuentan con un elemento de silicón dopado (normalmente de tipo p o n) cuya resistividad cambia en proporción a la tensión mecánica debido al efecto piezorresistivo. A menudo se fabrica directamente sobre una oblea de silicón o se une a un soporte rígido; en algunos diseños, el propio silicón actúa como elemento sensor y sustrato. Los ingenieros pueden utilizar agentes adhesivos o técnicas de micromecanizado para fijar la galga a la superficie de prueba. Los contactos metálicos (por ejemplo, aluminio u oro) depositados sobre silicón conectan la galga a los circuitos externos. Para los sensores destinados a entornos exigentes o en los que se prevé una tensión mecánica, los fabricantes ofrecen una capa protectora o una carcasa para proteger la galga.
Aplicaciones
Por su alta sensibilidad, los ingenieros utilizan galgas extensiométricas de semiconductores de silicón en entornos de precisión y alto rendimiento.
- Dispositivos médicos: Ideales para sensores en miniatura en catéteres, implantes y equipos de diagnóstico por su pequeño tamaño y sensibilidad.
- Aeroespacial y automotriz: Se utiliza en entornos que requieren alta precisión y resistencia a las vibraciones y a temperaturas extremas.
- Sensores de presión: Normalmente se integra en transductores de presión y celdas de carga con tecnología MEMS.
- Monitoreo industrial: Ideal para la medición de fuerza y par de alta precisión en sistemas robóticos y de automatización.
- Electrónica de consumo: Se utiliza en dispositivos compactos que requieren capacidades de detección integradas.
Aspectos a considerar
Los ingenieros deben tener cuidado al aplicar galgas extensiométricas de silicón semiconductor, ya que son frágiles y pueden romperse bajo una tensión mecánica excesiva. Estas galgas son más caras de fabricar que las de lámina o película delgada y pueden requerir un manejo y encapsulado cuidadosos para garantizar su confiabilidad en entornos difíciles.
Tecnología Microfused
La tecnología Microfused de TE Connectivity utiliza elementos piezorresistivos de silicón patentados que se fusionan directamente con un diafragma metálico mediante una unión de vidrio a alta temperatura. Estos elementos sensores están integrados en dispositivos que utilizan galgas extensiométricas, como sensores de fuerza, transductores de presión y celdas de carga. Este diseño crea un elemento sensor monolítico y robusto con una excelente estabilidad a largo plazo. El elemento piezorresistivo de silicón microfabricado incluye un puente de Wheatstone que convierte directamente la tensión mecánica en una señal de salida de voltaje, lo que simplifica el acondicionamiento de la señal. Estos elementos sensores de silicón están fusionados de forma permanente a un diafragma de acero inoxidable con una capa de unión de vidrio de alta temperatura, lo que elimina la necesidad de adhesivos o soldaduras. Los cables conductores se conectan a los elementos de silicón mediante técnicas patentadas de unión por alambre, lo que garantiza conexiones confiables con los componentes electrónicos de acondicionamiento de señales. Esto mejora la sensibilidad, la estabilidad y la durabilidad en entornos difíciles. Todo el ensamble está alojado en una carcasa resistente y sellada, diseñada para soportar entornos extremadamente duros y tensiones mecánicas.
Aplicaciones
Los dispositivos que incorporan elementos sensores Microfused están diseñados para entornos de alto rendimiento y gran volumen en los que la durabilidad y la precisión son fundamentales.
- Sistemas aeroespaciales: Se utiliza en sensores de control de vuelo y sistemas de retroalimentación de fuerza del piloto automático, y detectan cuando las flaps se traban.
- Dispositivos médicos: Ideal para sensores compactos y de alta precisión en equipos de diagnóstico y terapéuticos.
- Automatización industrial: Ideal para celdas de carga, sensores de fuerza y transductores de presión en entornos industriales exigentes.
- Sistemas automotrices: Se aplica en sistemas de frenado, dirección y suspensión que requieren una detección robusta y confiable.
- Equipos de prueba y medición: Se integra en instrumentos de precisión para el control dinámico de la fuerza y la presión.
Aspectos a considerar
Debido a sus características únicas, las galgas extensiómetras Microfused pueden requerir un empaque o componentes electrónicos a medida para aplicaciones específicas. Estas galgas son más caras que las de lámina debido a los materiales y procesos de fabricación avanzados. La integración de los sensores Microfused puede requerir cuidadosas consideraciones de diseño para optimizar el rendimiento en sistemas integrados.
Tabla comparativa
| Categoría | Característica | Silicón microfundido | Lámina | Semiconductor (silicón) | Placa delgada |
|---|---|---|---|---|---|
| Rendimiento | Salida de señal | Muy alta | Baja | Alta | Moderada |
| Estabilidad de la señal | Excelente | Moderado a deficiente | Muy bueno a excelente (con empaque adecuado) | Excepcional | |
| Sensibilidad (factor de calibración) | 50 - 200 | 1 - 5 | 50 - 200 | ~2 | |
| Tiempo de respuesta | Rápido | Moderada | Muy rápido | Rápido | |
| Confiabilidad | Histeresis | Muy bajo | De moderado a alto | Muy bajo | Baja |
| Resistencia a la deformación | Excepcional | Mala | Excelente | Excelente | |
| Vida útil por fatiga | Muy larga | Más corta | Muy larga | Largo | |
| Tolerancia ambiental | Rango de temperatura | Hasta 750 °F | Hasta 350 °F | Hasta 750 °F | Alta (depende de la aplicación) |
| Durabilidad | Excepcional (unida con vidrio, resistente a la fatiga) | Moderada (soporte orgánico, deslizamiento del adhesivo) | Excelente (estructura cristalina rígida) | Excelente (unión molecular, resistente a la fatiga) | |
| Posibilidad de fuga | A prueba de fugas (sello hermético) | Alto riesgo (degradación del adhesivo) | Moderado (dependiendo del montaje) | Bajo riesgo (dependiente del sustrato) | |
| Inmunidad al ruido | Alta | Baja | Alta | Moderada | |
| Rentabilidad | Tamaño | Compacto | Más grande | Micromecanizable | Ultradelgado |
| Integración | Monolítico (unido con vidrio) | Montaje en superficie (adhesivo) | Compatible con sustrato (dependiendo del paquete) | Integrado en el sustrato (depositado) | |
| Costo | Moderada | Baja | De moderado a alto | Alta |
Ventajas de Microfused
Cuando se integran en dispositivos basados en galgas extensiométricas, los elementos sensores de silicón Microfused de TE Connectivity ofrecen varias ventajas clave, lo que los convierte en una opción superior para aplicaciones de alto rendimiento Su construcción única, que fusiona silicón piezoeléctrico directamente a un diafragma metálico mediante unión con vidrio a alta temperatura, garantiza una estabilidad y durabilidad excepcionales a largo plazo. Este diseño elimina la necesidad de adhesivos o soldaduras, lo que reduce los posibles puntos de falla y mejora la confiabilidad. La incorporación de un puente de Wheatstone micro en cada sensor simplifica el procesamiento de señales, y las técnicas de unión de cables patentadas por TE Connectivity mejoran su sensibilidad y estabilidad.
Estas características, cuando se incorporan en un paquete resistente y sellado, garantizan que los dispositivos Microfused puedan tolerar condiciones extremas, lo que los hace adecuados para aplicaciones aeroespaciales, médicas, industriales, automotrices y de prueba y medición. En general, la tecnología de silicón Microfused de TE Connectivity garantiza soluciones de detección de deformación robustas, confiables y de alto rendimiento para la medición precisa de la deformación en una amplia gama de aplicaciones críticas.
