壓力傳感器的發(fā)展以及優(yōu)缺點(diǎn)
壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐、儀器儀表控制中*為常用的一種傳感器,并*應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境,涉及水利水電、鐵路交通、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。
力學(xué)傳感器的種類(lèi)繁多,如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)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(yīng)用*為*的是壓阻式壓力傳感器,它具有極低的價(jià)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(lèi)傳感器。
壓阻式壓力傳感器原理與應(yīng)用:
壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)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(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢砹浚ㄈ缫何?、加速度、重量、?yīng)變、流量、真空度)的測(cè)量和控制。
壓阻效應(yīng)
當(dāng)力作用于硅晶體時(shí),晶體的晶格產(chǎn)生變形,使載流子從一個(gè)能谷向另一個(gè)能谷散射,引起載流子的遷移率發(fā)生變化,擾動(dòng)了載流子縱向和橫向的平均量,從而使硅的電阻率發(fā)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(yīng)與晶體的取向有關(guān)。硅的壓阻效應(yīng)不同于金屬應(yīng)變計(jì),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(yīng)變),而且前者的靈敏度比后者大50~*倍。
壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)
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(nèi),引出電極引線。壓阻式壓力傳感器又稱為固態(tài)壓力傳感器,它不同于粘貼式應(yīng)變計(jì)需通過(guò)彈性敏感元件間接感受外力,而是直接通過(guò)硅膜片感受被測(cè)壓力的。硅膜片的一面是與被測(cè)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(shè)計(jì)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(kuò)散4條P雜質(zhì)電阻條,并接成全橋,其中兩條位于壓應(yīng)力區(qū),另兩條處于拉應(yīng)力區(qū),相對(duì)于膜片中心對(duì)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(kuò)散制作電阻條 ,兩條受拉應(yīng)力的電阻條與另兩條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋。
1954年C.S.史密斯詳細(xì)研究了硅的壓阻效應(yīng),從此開(kāi)始用硅制造壓力傳感器。早期的硅壓力傳感器是半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)式的。后來(lái)在 N型硅片上定域擴(kuò)散P型雜質(zhì)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(kuò)散型壓力傳感器。這兩種傳感器都同樣采用粘片結(jié)構(gòu),因而存在滯后和蠕變大、固有頻率低、不適于動(dòng)態(tài)測(cè)量以及難于小型化和集成化、精度不高等缺點(diǎn)。70年代以來(lái)制成了周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯式擴(kuò)散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結(jié)構(gòu)的固有缺陷,而且能將電阻條、補(bǔ)償電路和信號(hào)調(diào)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(yōu)點(diǎn)是: ① 頻率響應(yīng)高(例如有的產(chǎn)品固有頻率達(dá)1.5兆赫以上),適于動(dòng)態(tài)測(cè)量; ② 體積小(例如有的產(chǎn)品外徑可達(dá)0.25毫米),適于微型化; ③ 精度高,可達(dá)0.1~0.01%; ④ 靈敏高,比金屬應(yīng)變計(jì)高出很多倍,有些應(yīng)用場(chǎng)合可不加放大器; ⑤ 無(wú)活動(dòng)部件,可靠性高,能工作于振動(dòng)、沖擊、腐蝕、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán) 境。其缺點(diǎn)是溫度影響較大(有時(shí)需進(jìn)行溫度補(bǔ)償)、工藝較復(fù)雜和造價(jià)高等。
缺點(diǎn)是: ① 溫度特性差,由于壓阻式壓力傳感器是用半導(dǎo)體材料制作的,受溫度影 響較大,因此,在溫度變化大的環(huán)境中使用時(shí),必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
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