Tecnologia Extensométrica

Explorando Arquiteturas de Extensômetros

Comparação da tecnologia tradicional de folha metálica, filme fino, semicondutor de silício e silício microfundido.

Medidores de tensão detectam deformações mínimas em materiais, o que é essencial para monitorar a integridade estrutural de asas de aeronaves, pontes e instrumentos médicos. Eles medem a deformação como uma relação entre a alteração no comprimento e o comprimento original (ΔL/L), ajudando os engenheiros a evitar falhas e otimizar o desempenho. A precisão e a durabilidade necessárias orientam os engenheiros na escolha do tipo adequado de extensômetro.

Entre os vários tipos de instrumentos disponíveis, os elementos de silício Microfused^TM da TE Connectivity se destacam por sua construção e desempenho únicos em ambientes exigentes. Esses elementos são comumente integrados a dispositivos baseados em tecnologias extensométricas, como sensores de força e transdutores de pressão. Os sensores Microfused^TM evitam a entrada de água ou contaminantes e integram uma ponte Wheatstone, simplificando o processamento do sinal. Abaixo, vamos explorar como eles se comparam aos extensômetros tradicionais de folha metálica, filme fino e semicondutores de silício convencionais.

Extensômetros de Folha Metálica

Esses dispositivos incorporam uma grade feita de folha metálica fina ligada a um suporte flexível. O padrão em serpentina da grade aumenta o comprimento do condutor em uma área compacta, melhorando a sensibilidade à tensão na direção necessária. O material de apoio fornece suporte mecânico e isolamento elétrico para a grade. A camada adesiva une o suporte e a grade à superfície do objeto que está sendo medido, enquanto os fios condutores conectam o extensômetro a dispositivos de medição externos, como um circuito de ponte de Wheatstone. Embora seja opcional em ambientes controlados, um revestimento protetor é geralmente essencial em ambientes externos ou industriais para proteger o sensor contra umidade, produtos químicos e desgaste mecânico.

Aplicações

Os extensômetros de folha metálica são amplamente utilizados devido à sua acessibilidade e facilidade de instalação, o que os torna amplamente adotados em testes estruturais e uso educacional.

Testes estruturais gerais: Adequado para medir a tensão em vigas, pontes, edifícios e componentes mecânicos. Os extensômetros de folha são econômicos e fáceis de instalar em várias superfícies.
Instalações educacionais e de pesquisa: Amplamente utilizado em laboratórios acadêmicos para ensino e experimentos em estágio inicial devido à sua acessibilidade e facilidade de uso.
Monitoramento de curto prazo ou não crítico: Eficaz para testes de carga temporários, avaliação de protótipos ou sistemas em que a durabilidade a longo prazo não é essencial.
Implantação de sensores em larga escala: Seu baixo custo permite a implantação generalizada em estruturas para o monitoramento distribuído da tensão.
Ambientes controlados: Funciona de forma confiável em condições internas ou estáveis, sem exigir proteção ambiental avançada.

Considerações

Aplicações que envolvem temperaturas extremas, substâncias corrosivas ou alta pressão geralmente levam os engenheiros a rejeitar os extensômetros de alumínio em favor de alternativas mais robustas.

Extensômetros de Filme Fino

Os extensômetros de filme fino são projetados com técnicas de microfabricação que depositam uma fina camada de metal ou material semicondutor em um substrato ou, em algumas aplicações, diretamente na superfície do corpo que deve ser testado. Quando a interferência elétrica pode afetar o desempenho, os engenheiros podem adicionar uma camada isolante entre o substrato e a camada de detecção. Da mesma forma, uma camada de ligação, como titânio ou cromo, pode melhorar a adesão entre o filme sensor e o substrato. Pistas condutoras finas ou fios conectam o elemento sensor aos circuitos de medição externos. Assim como ocorre com os extensômetros de folha metálica, uma camada de passivação protetora é frequentemente aplicada para proteger o medidor contra danos ambientais.

Aplicações

Os extensômetros de filme fino são valorizados por sua precisão, estabilidade e capacidade de operar em ambientes adversos.

Aeroespaço e sistemas automotivos: Adequado para ambientes de alta temperatura e alta tensão devido à sua construção robusta e desvio mínimo.
Dispositivos médicos: Usado em aplicações que exigem miniaturização e biocompatibilidade, como sensores baseados em cateteres.
Dispositivos MEMS: Integrado a sistemas microeletromecânicos para medição de deformação compacta e altamente sensível.
Instrumentação de alta precisão: Adequado para equipamentos de nível laboratorial em que a precisão e a repetibilidade são essenciais.
Monitoramento incorporado: Pode ser depositado diretamente em componentes estruturais para monitoramento de tensão integrado a longo prazo.

Considerações

Os extensômetros de filme fino costumam ser mais caros e ter uma fabricação mais complexa do que os extensômetros de folha metálica. Além disso, exigem condições de superfície ou substratos específicos para a deposição eficaz da camada de detecção. Devido à sua flexibilidade limitada, os extensômetros de filme fino não são adequados para superfícies altamente flexíveis ou irregulares.

Extensômetros de Semicondutores de Silício

A tecnologia extenométrica de semicondutores de silício dopado usa as propriedades piezoresistivas do silício para medir a deformação. Diferentemente de extensômetros metálicos, esses dispositivos dependem de alterações na estrutura da rede cristalina do silício sob estresse mecânico. Esses medidores apresentam um elemento de silício dopado (normalmente do tipo p ou n) cuja resistividade muda em proporção à tensão mecânica devido ao efeito piezoresistivo. Geralmente fabricado diretamente em um wafer de silício ou ligado a um suporte rígido, em alguns projetos o próprio silício atua como elemento sensor e substrato. Os engenheiros podem usar agentes de ligação ou técnicas de microusinagem para fixar o medidor na superfície de teste. Contatos metálicos (por exemplo, alumínio ou ouro) depositados no silício conectam o extensômetro a circuitos externos. Para sensores destinados a ambientes exigentes ou onde se espera estresse mecânico, os fabricantes oferecem uma camada protetora ou encapsulamentos para proteger o extensômetro.

Aplicações

Conhecidos por sua alta sensibilidade, extensômetros de semicondutores de silício são usados por engenheiros em ambientes de precisão e alto desempenho.

Dispositivos médicos: Adequado para sensores em miniatura em cateteres, implantes e equipamentos de diagnóstico devido ao seu pequeno tamanho e sensibilidade.
Aeroespaço e sistemas automotivos: Usado em ambientes que exigem alta precisão e resistência a vibrações e temperaturas extremas.
Sensores de pressão: Comumente integrado a transdutores de pressão e células de carga baseadas em MEMS.
Monitoramento industrial: Adequado para medição de força e torque de alta precisão em sistemas de robótica e automação.
Eletrônicos de consumo: Encontrado em dispositivos compactos que exigem recursos de detecção integrados.

Considerações

Os engenheiros devem ter cuidado ao aplicar extensômetros de semicondutores de silício, já que eles são frágeis e podem quebrar sob tensão mecânica excessiva. A fabricação desses extensômetros é mais cara do que a dos extensômetros de folha ou de filme fino e pode exigir manuseio e encapsulamento cuidadosos para proporcionar confiabilidade em ambientes adversos.

Tecnologia Microfused™

A tecnologia Microfused™ da TE Connectivity utiliza elementos piezoresistivos de silício patenteados fundidos diretamente a um diafragma de metal por meio de colagem de vidro em alta temperatura. Esses elementos de detecção são integrados a dispositivos baseados em tecnologias extensométricas, como sensores de força, transdutores de pressão e células de carga. Esse design cria um elemento de detecção robusto e monolítico com excelente estabilidade a longo prazo. O elemento piezoresistivo de silício micromecanizado inclui uma ponte de Wheatstone que converte diretamente a tensão mecânica em um sinal de saída de tensão, simplificando o condicionamento do sinal. Esses elementos sensores de silício são permanentemente fundidos a um diafragma de aço inoxidável com uma camada de ligação de vidro de alta temperatura que elimina a necessidade de adesivos ou soldas. Os fios se conectam aos elementos de silício usando técnicas proprietárias de ligação, permitindo conexões confiáveis com os componentes eletrônicos de condicionamento de sinal. Isso melhora a sensibilidade, a estabilidade e a durabilidade em ambientes adversos. Todo o conjunto é alojado em um encapsulamento robusto e vedado, projetado para suportar ambientes extremamente adversos e estresse mecânico.

Aplicações

Os dispositivos que incorporam elementos sensores Microfused™ são projetados para ambientes de alto desempenho e alto volume, onde a durabilidade e a precisão são fundamentais.

Sistemas aeroespaciais: Usado em sensores de controle de voo, detecção de emperramento de flap e sistemas de feedback de força de piloto automático.
Dispositivos médicos: Adequado para sensores compactos e de alta precisão em equipamentos diagnósticos e terapêuticos.
Automação industrial: Adequado para células de carga, sensores de força e transdutores de pressão em ambientes industriais exigentes.
Sistemas automotivos: Aplicado em sistemas de freio, direção e suspensão que exigem sensoriamento robusto e confiável.
Equipamentos de teste e medição: Integrado a instrumentos de precisão para monitoramento dinâmico de força e pressão.

Considerações

Devido às suas características exclusivas, os extensômetros Microfused^TM podem exigir encapsulamentos ou componentes eletrônicos sob medida para aplicações específicas. Esses extensômetros são mais caros do que os extensômetros de folha devido aos materiais e processos de fabricação avançados. A integração de sensores Microfused^TM pode exigir considerações cuidadosas de design para otimizar o desempenho em sistemas incorporados.

Gráfico de Comparação

Categoria	Recurso	Silício microfundido	Folha de alumínio	Semicondutores (silício)	Filme Fino
Desempenho	Saída de sinal	Muito alta	Baixa	Alta	Moderada
	Estabilidade do sinal	Excelente	Moderada a ruim	Muito boa a excelente (com encapsulamento adequado)	Excepcional
	Sensibilidade (fator de medição)	50 – 200	1 – 5	50 – 200	~2
	Tempo de resposta	Rápido	Moderado	Muito rápido	Rápido
Confiabilidade	Histerese	Muito baixa	Moderada a alto	Muito baixa	Baixa
	Resistência à deformação	Excepcional	Ruim	Excelente	Excelente
	Vida útil por fadiga	Muito longa	Mais curta	Muito longa	Longa
Tolerância ambiental	Faixa de temperatura	Até 750 °F	Até 350 °F	Até 750 °F	Alta (depende da aplicação)
	Durabilidade	Excepcional (com ligação de vidro, resistente à fadiga)	Moderada (suporte orgânico, fluência do adesivo)	Excelente (estrutura cristalina rígida)	Excelente (com ligação molecular, resistente à fadiga)
	Potencial de vazamento	À prova de vazamentos (vedação hermética)	Alto risco (degradação do adesivo)	Moderado (dependente da montagem)	Baixo risco (dependente do substrato)
	Imunidade a ruído	Alta	Baixa	Alta	Moderada
Eficiência de custo	Tamanho	Compacto	Maior	Microusinável	Ultrafino
	Integração	Monolítico (colado com vidro)	Montagem em superfície (adesivo)	Compatível com o substrato (depende do encapsulamento)	Integrado ao substrato (depositado)
	Custo	Moderado	Baixo	Moderado a alto	Alto

Vantagem do Microfused

Quando integrados a dispositivos baseados em tecnologias extensométricas, os elementos sensores de silício Microfused™ da TE Connectivity oferecem várias vantagens importantes ao serem integrados a dispositivos baseados em extensômetro, tornando-os uma opção superior para aplicações de alto desempenho. Sua construção exclusiva, que funde silício piezoelétrico diretamente a um diafragma de metal usando colagem de vidro em alta temperatura, garante estabilidade e durabilidade excepcionais a longo prazo. Esse design elimina a necessidade de adesivos ou soldas, reduzindo os possíveis pontos de falha e aumentando a confiabilidade. A incorporação de uma ponte micro-Wheatstone em cada sensor simplifica o processamento do sinal e as técnicas de ligação de fios de propriedade da TE melhoram sua sensibilidade e estabilidade.

Esses recursos, quando incorporados a um encapsulamento robusto e vedado, garantem que os dispositivos Microfused^TM possam suportar condições extremas, tornando-os adequados para aplicações aeroespaciais, médicas, industriais, automotivas e de teste e medição. De modo geral, a tecnologia de silício Microfused^TM da TE permite soluções de detecção de deformação robustas, confiáveis e de alto desempenho para medição precisa de deformação em uma ampla gama de aplicações críticas.