Wprowadzenia.
Mechanizm wytwarzania ciśnienia w organizmie człowieka
W cyklu pracy serca wyróżniamy skurcz i rozkurcz. Podczas skurczu (systole) krew wyrzucana jest z komór do tętnic. W czasie rozkurczu (diastole) krew napływa z przedsionków do komór. W warunkach normalnych serce człowieka wykonuje około 60-80 skurczów na minutę.
W momencie skurczu komór serca krew napływa do tętnic, co powoduje wzrost ciśnienia. W czasie rozkurczu ciśnienie w tętnicach jest niższe. Dzięki takim właściwościom układu sercowo-naczyniowego wyróżniamy ciśnienie skurczowe i rozkurczowe.
W niektórych publikacjach spotyka się określenie górne i dolne ciśnienie krwi. Jest to nic innego jak ciśnienie skurczowe (górne) i rozkurczowe (dolne).
RR = 120/80 mmHg - takie oznaczenie stosuje się do zapisania wartości ciśnienia krwi u pacjenta z ciśnieniem 120/80. Skrót RR oznacza Riva-Rocci (dla uczczenia włoskiego lekarza, który jako pierwszy skonstruował aparat do mierzenia ciśnienia). 120 - oznacza wartość ciśnienia skurczowego. 80 - oznacza wartość ciśnienia rozkurczowego. mmHg - jednostka pomiaru ciśnienia - milimetry słupa rtęci.
Prawidłowe ciśnienie tętnicze krwi wynosi poniżej 120 mmHg ciśnienia skurczowego i 80 mmHg ciśnienia rozkurczowego. Wartości powyżej 140/90 mmHg oznaczone dwukrotnierozpoznawane są jako nadciśnienie. U chorych na cukrzyce lub choroby nerek ważne jest utrzymanie ciśnienia poniżej 130/80 mmHg. W populacji polskiej tylko około 40% osób ma prawidłowe ciśnienie krwi. 30% ma ciśnienie zbyt wysokie, ale nadal w górnych granicach prawidłowego.
Czujniki ciśnienia budowa i zasada działania
Czujniki ciśnienia znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie należy mierzyć ciśnienie bezwzględne (absolutne), względne (różnicowe), nadciśnienie. Stanowić mogą one wyposażenie pomp, kompresorów, systemów hydraulicznych i transportujących media, systemów hamulcowych czy paliwowych w samochodach. Stosuje się je w mikrofonach, instrumentach biomedycznych (np. do pomiaru ciśnienia krwi i płynów), w układach kontroli próżni, oprzyrządowaniu tuneli wiatrowych, w pomiarze ciśnienia wokół skrzydeł samolotu.
Współcześnie główny udział w rynku mają czujniki półprzewodnikowe. W submilimetrowej skali przyrządów elektronicznych takie materiały jak krzem wykazują wielką odporność na zmęczenie, co jest bardzo rzadko spotykane w skali makro. Dzięki temu membrana krzemowa może być zginana praktycznie nieskończenie długo, w wyniku czego czujnik taki jest bardzo trwały. Dwa główne rodzaje takich przyrządów to czujniki pojemnościowe i piezorezystancyjne. Istnieją też rozwiązania zintegrowanych przetworników ciśnienia – w jednej obudowie mieści się czujnik oraz układy zapewniające jego liniowość, układy kompensacji temperaturowej, wzmacniające itp. (mogą to być tzw. systemy MEMS – Micro-Electro-Mechanical-Systems). Na wyjściu otrzymuje się sygnał cyfrowy lub analogowy do wyprowadzenia na przetwornik analogowo-cyfrowy, najczęściej o liniowej zależności wielkości wyjściowej od ciśnienia. Do produkcji tego typu przyrządów wykorzystuje się najczęściej technologie mikromechaniczne. Coraz częściej spotkać można tez czujniki wykonane w technologii SOS (Silicon on Sapphire), które mimo ich wysokiej ceny charakteryzują się znakomitymi parametrami. Przykładowo, stabilność długoczasowa takich czujników jest większa niż 0.1% na rok.
Czujniki pojemnościowe
Zasadniczą częścią czujników wykorzystujących efekt pojemnościowy jest specjalnie zbudowany kondensator. Górną jego okładkę stanowi giętka membrana. Dolną okładką jest sztywna kształtka uformowana w wyniku anizotropowego, mokrego trawienia krzemu. Cały kondensator składa się z centralnej części – czułej na zmiany ciśnienia – i części brzegowej, odgrywającej rolę pojemności stałej. Widoczne podtrawienie brzegowe tworzące wnękę redukuje wartość pojemności brzegowej, a ponadto zwiększa objętość przestrzeni z ciśnieniem odniesienia, zapewniając tym samym większą stabilność parametrów. Ugięcie górnej membrany pod wpływem przyłożonego ciśnienia powoduje zmianę odległości między okładkami kondensatora i w wyniku tego zmianę jego pojemności. Wyjście czujników tego typu w naturalny sposób nadaje się do połączenia z układami działającymi na zasadzie przełączanych pojemności. Parametry kondensatora utworzonego przez membrany mniej zależą od temperatury i czasu niż parametry piezorezystorów używanych w czujnikach piezorezystancyjnych. Przykładowy schemat układu wzmacniającego do pojemnościowego czujnika ciśnienia przedstawia poniższy schemat
Czujniki piezorezystancyjne wykorzystują efekt zmiany rezystancji materiału pod wpływem działającego ciśnienia. Cechują się dużą trwałością, szerokim zakresem ciśnień i małymi rozmiarami. Proces produkcji tych czujników jest prostszy i tańszy niż czujników pojemnościowych (mniej etapów technologicznych, mniej masek itp.).
Typową konstrukcję piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia przedstawia rysunek. Główną jego sensora stanowi membrana wytrawiona w krzemie. Jej grubość jest tym większa, im większy zakres ciśnienia ma mierzyć czujnik.
W membranie stanowiącej podłoże typu n wytworzone są metodą implantacji jonów (lub dyfuzji – dla czujników starszej generacji) cztery zagrzebane piezorezystory typu p. Ich grubość wynosi najczęściej ok. 1-2µm. Mogą być wykonane z krzemu domieszkowanego lub polikrystalicznego. Krzem polikrystaliczny ma lepszą stabilność i może być stosowany w temperaturach pracy do 200oC. Stosując go można uniknąć złącz p-n o parametrach zależnych od czasu i temperatury.
Najprostszym połączeniem piezorezystorów tworzących czujnik jest układ mostka Wheatstone’a. Jest on utworzony z czterech piezorezystorów znajdujących się przy czterech krawędziach membrany czujnika. Pod wpływem ciśnienia doprowadzonego prostopadle membrana ulega odkształceniu - z nią również piezorezystory. Dwa z nich (Ra i Rc) umieszczone równolegle do kierunku naprężenia są rozciągane i ich rezystancja rośnie. Dwa (Rb i Rd) umieszczone prostopadle do kierunku naprężenia są ściskane, a ich rezystancja maleje ze wzrostem ciśnienia.
Najważniejszymi parametrami są zakres ciśnienia wejściowego, nominalne napięcie zasilania, nominalny prąd pobierany ze źródła i zakres napięcia wyjściowego dla pełnego zakresu zmian ciśnienia. Producent podaje też tzw. offset czujnika (czyli napięcie wyjściowe przy minimalnej wartości ciśnienia wejściowego – zazwyczaj niezerowe) oraz czułość (stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany ciśnienia na wejściu), liniowość charakterystyki przetwarzania, histerezę temperatury, czas odpowiedzi i inne.
Próba wyjaśnienia mechanizmu działania czujnika w oparciu o zjawiska fizyczne.
Do pomiaru ciśnienia wykorzystuje się wiele różnych zjawisk fizycznych, które zachodzą w gazach, cieczach lub ciałach stałych jako skutek zmian ciśnienia, np.:
rozszerzalność,
zmiany temperatury,
odkształcenie,
zmiany częstotliwości drgań.
Przegląd obecnie stosowanych sensorów ciśnienia.