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壓力傳感器的發展以及優缺點

2018-12-05 2051次瀏覽 來源:網絡

壓力傳感器的發展以及優缺點

壓力傳感器是工業實踐、儀器儀表控制中*為常用的一種傳感器,并*應用于各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。 

力學傳感器的種類繁多,如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用*為*的是壓阻式壓力傳感器,它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。 

壓阻式壓力傳感器原理與應用: 

壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器。壓阻式傳感器常用于壓力、拉力、壓力差和可以轉變為力的變化的其他物理量(如液位、加速度、重量、應變、流量、真空度)的測量和控制。 

壓阻效應 

當力作用于硅晶體時,晶體的晶格產生變形,使載流子從一個能谷向另一個能谷散射,引起載流子的遷移率發生變化,擾動了載流子縱向和橫向的平均量,從而使硅的電阻率發生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異,因此硅的壓阻效應與晶體的取向有關。硅的壓阻效應不同于金屬應變計,前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化,后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化(應變),而且前者的靈敏度比后者大50~*倍。 

壓阻式壓力傳感器結構 

壓阻式壓力傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內,引出電極引線。壓阻式壓力傳感器又稱為固態壓力傳感器,它不同于粘貼式應變計需通過彈性敏感元件間接感受外力,而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔,另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設計成周邊固支的圓形,直徑與厚度比約為20~60。在圓形硅膜片(N型)定域擴散4條P雜質電阻條,并接成全橋,其中兩條位于壓應力區,另兩條處于拉應力區,相對于膜片中心對稱。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴散制作電阻條 ,兩條受拉應力的電阻條與另兩條受壓應力的電阻條構成全橋。


1954年C.S.史密斯詳細研究了硅的壓阻效應,從此開始用硅制造壓力傳感器。早期的硅壓力傳感器是半導體應變計式的。后來在 N型硅片上定域擴散P型雜質形成電阻條,并接成電橋,制成芯片。此芯片仍需粘貼在彈性元件上才能敏感壓力的變化。采用這種芯片作為敏感元件的傳感器稱為擴散型壓力傳感器。這兩種傳感器都同樣采用粘片結構,因而存在滯后和蠕變大、固有頻率低、不適于動態測量以及難于小型化和集成化、精度不高等缺點。70年代以來制成了周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯式擴散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結構的固有缺陷,而且能將電阻條、補償電路和信號調整電路集成在一塊硅片上,甚至將微型處理器與傳感器集成在一起,制成智能傳感器。


這種新型傳感器的優點是:  ① 頻率響應高(例如有的產品固有頻率達1.5兆赫以上),適于動態測量; ② 體積?。ɡ缬械漠a品外徑可達0.25毫米),適于微型化; ③ 精度高,可達0.1~0.01%;  ④ 靈敏高,比金屬應變計高出很多倍,有些應用場合可不加放大器; ⑤ 無活動部件,可靠性高,能工作于振動、沖擊、腐蝕、強干擾等惡劣環 境。其缺點是溫度影響較大(有時需進行溫度補償)、工藝較復雜和造價高等。   


缺點是:  ① 溫度特性差,由于壓阻式壓力傳感器是用半導體材料制作的,受溫度影 響較大,因此,在溫度變化大的環境中使用時,必須進行溫度補償。


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