硅压阻式压力传感器的工作特性

论硅压阻式压力传感器的工作特性与应用论硅压阻式压力传感器的工作特性与应用 一 一 硅压阻式压力传感器的工作特性硅压阻式压力传感器的工作特性 采用刻蚀成型扩散硅膜片式结构 有绝压式的 差压式的 尺寸小 重量轻 圆柱状或片状外形 灵敏度高 频响宽 动态范围大 结构牢固 过载能力强 有专用于高温环境下测量压力的 有专用于汽车 ABS 系统测量压力的 为获得预期的结果 压力传感器的用户应当对被测的压力 所处的环境 其它可选择的方案和预期 的结果有一个全面的了解 他们应当知道所测压力的性质 幅值和持续时间 预期的环境温度 对输 出的要求和压力传感器的精确度 在选择合适的仪器时必须进行折衷 因此必须将影响测量的诸多因 素定量化 并区别轻重缓急 刻蚀成形的硅膜片 灵敏度 传感器输出的电信号与所受压力之比 称之为灵敏度 对于给定的压力 灵敏度越高 压力传感 器输出的信号越大 为了减小噪声引入的误差 在选择压力传感器和系统时 力求使信噪比最大化 与粘贴应变片压力传感器相比 扩散硅应变片式压力传感器的灵敏度较高 噪声较低 Endevco 公司 采用了刻蚀成型的硅膜片 并采用了横向应变片设计 从而使压力传感器的输出达到满量程 300mV 在 10V 直流电压激励下 噪声只有 5 V 高频响应 压阻式压力传感器的膜片既可用来测量静态压力 也可测量动态压力 对动态压力测量 压力传 感器所能响应的上限频率既与膜片的设计形式有关 也与其摆放的位置有关 由于质量很小 硅膜片 的共振频率很高 硅膜片被置放在传感器的前端 从而减小了静空间 提高了共振频率 作为动态测 量的准则 一般取传感器的共振频率为所欲测的最高频率的五倍 在测量动态压力时 必须认真地考虑压力传感器所放的位置 在压力传感器距离测量点过远时 其响应将严重地限制着整个测量系统的响应 对每个型号的压力传感器的膜片共振频率 恩德福克都做过大量的试验 满量程为 1 psi 的膜片 共振频率为 60 000Hz 而量程更高的可达Hz 以上 6 10 过压 在新的从未测量过的系统中和有短暂的压力尖峰的液压管路里 压力有时会高于预期的值 Endevco 的压力传感器不仅能耐受这种过压 而且能继续正常地工作 单晶硅是一种能耐受高过压的 高强材料 由其做成的膜片具有这种特征 硅材料的强度比不锈钢能高 20 倍 这种刻蚀成形的膜片 只有小部分的有效面积承受高应力的作用 因此它能耐受较高的压力 试 验已充分地证明了这一点 满量程为 2 psi 的压力传感器能耐受 40 psi 的压力 也即 20 倍满量程的 G P Technology 冠冠标标科科技技有有限限公公 司司 压力 所有的恩德福克压力传感器都在 3 倍满量程压力下进行了过压试验 在技术性能一览表中可查 到试验结果 线性度与滞后 传感器的线性度和滞后通常是用满量程输出的百分数来表示的 这是表征传感器性能的两个重要 指标 单晶硅是一种非常好的弹性材料 在 600 以下其应力 应变曲线没有塑性变形区 而且不存在 蠕变现象 因此硅膜片压力传感器只要设计合理 滞后非常小 通常低于满量程的 0 1 技术性能表 中也给出了 3 倍满量程下的非线性度 温度灵敏度 随着温度的变化 硅应变片的电阻会发生变化 压阻应变系数会发生变化 因此压力传感器的灵 敏度和零位输出也会产生变化 在电路中对这种变化进行了补偿 Endevco 的压力传感器是用内部的 混合电路在 18 C 93 C 之间对灵敏度和零位输出进行补偿 而无需加任何外部补偿 二 压力传感器的原理与应用二 压力传感器的原理与应用 压力敏感技术压力敏感技术 在传感技术中 压力的精确测量是最具挑战性 也是最活跃的领域 这些年来 发展了多种压力 测量技术 但应用硅半导体技术制成超小型的传感器是目前最先进的 endevco 将最先进的硅压力敏 感膜片和独具特色的传感器设计接合到一起 从而制造出超小型压力传感器 它不仅体积小 而且频 响宽 线性度高 比任何一种压力传感器灵敏度都高 压阻电子学压阻电子学 endevco 的压力传感器中使用了由四个压阻硅元件构成的硅压力敏感膜片 这些压阻应变元件 PR 是固态的硅电阻 它的电阻值的变化与所受的机械应变成正比 这些压阻硅元件是被扩散到硅 膜片之中的 因此彼此成为原子连接 应用了四个臂的惠斯登电桥结构 所得到的电信号与所受的压 力成正比 与金属丝应变片相比 压阻应变片完全避免了机械滞后的问题 且灵敏度大几个数量级 刻蚀成形的硅膜片刻蚀成形的硅膜片 如果能将应变集中在应变片所处的位置 则可大大地提高压力传感器的变换效率 在平的圆形膜 片上 应变是大面积分散的 对于一个承受弯曲的构件来说 应变会集中在弯曲构件厚度变化的地方 这就是 endevco 压力传感器具有超众的优越性能的基本想法之一 应用了板梁理论的综合 所选形状 的膜片能将应力集中 由图中可看到 它是一个有着两种厚度的圆膜片 外边缘和中间两个小岛处 相当厚 且它们靠的很近 压力传感器的应用压力传感器的应用 表压式表压式 差压式压力传感器差压式压力传感器 8507C 系列压力传感器 用于风洞模型 发动机入口实验 8510B 系列压力传感器 用于过程控制 喷气发动机入口压力测量 风洞流量测量 一般用途 航空 航天压力测量 汽车压力测量 燃料系统 防滑刹车系统 8511A 系列压力传感器 用于冲击波试验 爆炸波 爆炸试验 液压系统 8520A 系列压力传感器 用于发动机试验 高温下压力测量 发动机入口试验 绝压式绝压式 8515C 系列压力传感器 用于系列压力传感器 用于风洞内小尺寸模型试验