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      不同類型壓力傳感器的比較與濺射膜壓力傳感器的原理

      發布時間:2018-8-1??????發布人:澤天傳感??????點擊:

      壓力敏感元件是壓力傳感器或者壓力變送器的關鍵功能元件,壓力傳感器按其工作原理可分為結構型和物性型兩個基本類型。結構型壓力傳感器包括:彈簧管式、電感式、電位器式和電容式。結構型傳感器由于體積較大、抗振動性能差,在現代工業測量中已很少采用。物性型壓力傳感器包括:壓阻式和應變式。壓阻式傳感器的工作原理是基于壓力變化引起敏感電阻的電阻率發生改變,主要指半導體壓力傳感器。應變式傳感器的工作原理是基于壓力變化引起的敏感電阻的幾何尺寸發生改變,主要包括粘貼式傳感器、厚膜和薄膜傳感器。表1為各種類型壓力傳感器的特點比較。

      表1 各種類型壓力傳感器特性比較

       類 別 

      型 式

      優 點

      缺 點



      彈簧管式 制造簡便,價格低廉。 特性差、可靠性低
      電感式
      電位器式 精度高、穩定性好。 體積大、價格高、環境適應性差
      電容式



      半導體壓阻式 常溫精度高、價格較低。 溫度特性較差、不適應高振動、腐蝕等惡劣環境。
      粘貼應變式 體積小、精度高、價格低。 不穩定、易老化。
      厚膜應變式 體積小、精度低 易破碎、可靠性較差
      納米薄膜式 體積小、精度高、溫度特性好、耐惡劣環境 工藝復雜、生產成本較高。

      薄膜壓力傳感器被稱為“第三代傳感器”,自研發成功以來,在工業測量與航天、航空、地面,海上與水下等武器裝備中,取代早期壓力傳感器,應用日益廣泛。圖1是納米薄膜壓力傳感器的工作原理圖。

      納米薄膜壓力傳感器原理

      其中,采用離子束濺射與刻蝕技術在彈性膜片上制作組成惠斯登電橋的薄膜電阻,當流體壓力P(包括P1和P2)作用在特殊材質的不銹鋼彈性膜片上 ,使膜片產生變形 ,這種變形產生的應變使惠斯登電橋輸出與壓力大小成比例的電信號。對此信號處理后可以獲得壓力的大小,這就是納米薄膜壓力傳感器的基本原理。另外,從物理上,壓力傳感器關鍵的基本物理原理歸結為惠斯登電橋和電容式兩類。

      惠斯登電橋:配置于彈性膜片上的電橋電阻在壓力作用下發生形變,有的被拉伸,有的則被壓縮。電阻尺寸的變化引起電阻值的變化。因此電橋產生差動輸出信號,其值正比于施加的壓力?;菟沟请姌蚩捎山饘匐娮杌驂鹤璨牧蠘嫵?,壓阻電橋由于晶格摻雜效應以及機械變形,能提供較大輸出信號。金屬電阻可采用多種技術將電橋電阻固定于膜片之上,諸如粘接,硅/陶瓷融合,玻璃微融、直接分子鍵合等。

      電容式:測量兩片導電板的電容值,在壓力作用下,導電板被迫擠合,使電容值隨壓力的變化而變化。電容式壓力傳感元件采用MEMS技術由陶瓷構成,或將金屬嵌入半導體層中。

      種 類

      優 點

      缺 點

      擴散硅壓阻式 1、常溫精度高;
      2、小量程和絕壓產品優于其它類型產品。
      1、溫漂大,低于0℃或高于40℃后性能大幅度降低;
      2、膜片易損壞,測量介質要求嚴格;
      3、壓力量程局限,不合適大壓力測量。
      厚膜陶瓷壓阻式 1、成本低;
      2、抗腐蝕性能好;
      3、使用范圍較擴散硅寬。
      1、精度差,穩定性差;
      2、壓力下降時,回零難;
      3、膜片易碎,易泄露。
      電容式 1、工藝成熟,穩定性較好;
      2、過載能力強,抗腐蝕性強。
      1、成本很高;
      2、體積大,安裝維護不方便。
      應變片應變式 1、成本低;
      2、成熟膠粘工藝。
      1、手工生產,離散性大;
      2、漂移大,穩定性差。
      藍寶石 1、精度高,溫度范圍寬;
      2、量程范圍寬;
      3、體積小、重量輕。
      1、成本高;
      2、工藝復雜技術要求高;
      3、敏感材料需要進口。
      濺射薄膜應變式 1、精度高,溫度范圍寬;
      2、溫漂小,穩定性好;
      3、體積小、重量輕;
      1、成本高;
      2、不適合小量程和差壓測量。

      對于非濺射工藝的壓力傳感元件,例如固定(融合)于金屬玻璃密封體或裝入充油腔中,所有的壓阻和硅技術都存在因摻雜物質遷移和費米能級效應而引起漂移問題。這些影響隨著溫度的升高而增大。密封和充油隔離腔體由于熱膨脹系數不同而引起不希望有的熱穩定性問題。在工作溫區內的溫度非線性是一個大問題,工作溫區的高端和低端因此受到限制。并且存在充油腔漏油的潛在可能,這也是不希望有的。金屬電阻的粘接或硅陶瓷融合。無可避免的從原理上存在不穩定現象。澤天公司的壓力敏感元件采用濺射工藝,在壓力介質直接作用的不銹鋼膜片上,以分子鍵合的方式制作出微米級的電阻膜。再經過微電子工藝制作出需要的惠斯登電橋,組成全金屬型敏感元件,無任何粘貼劑和活動件,無需密封腔和充油腔,因此具有適用惡劣環境和長期穩定性工作的特點。本文源自澤天傳感,版權所有,轉載請保留出處。

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