壓力傳感器原理

壓力傳感器原理簡(jiǎn)介2021/5/91壓力傳感器技術(shù)原理機(jī)械式壓力傳感器：液柱式包括水銀柱和U型管，主要用于小量程壓力檢測(cè)和壓差檢測(cè)，由于其簡(jiǎn)單可靠和直觀性，U型壓差計(jì)至今仍在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。但由于其無(wú)法直接得到電信號(hào)，且量程較小，限制了其在工業(yè)自動(dòng)控制中的應(yīng)用。2021/5/922021/5/93金屬螺旋管壓敏元件和機(jī)械讀數(shù)法當(dāng)彈性金屬螺旋管內(nèi)充滿流體時(shí)，流體壓力的改變會(huì)造成螺旋管的形變，從而制成壓力敏感元件，所用金屬螺旋管稱為布爾登管。其一端固定，一端在壓力作用下可自由伸縮，如自由端在壓力下的位移由齒輪系統(tǒng)放大后，帶動(dòng)壓力表指針轉(zhuǎn)動(dòng)。布爾登管壓力計(jì)一般精度不高，最多只能到滿量程的0.1%，當(dāng)被測(cè)壓力在滿量程下端時(shí)，誤差更大。同液柱式壓力計(jì)，布爾登管也難以用于工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。2021/5/942021/5/95彈性膜片壓敏元件及其壓力計(jì)彈性膜片是應(yīng)用最廣泛的壓力敏感元件，不但機(jī)械式壓力傳感器，也是各類電子式壓力傳感器的基礎(chǔ)。在均勻壓力的作用下，一個(gè)周邊固定半徑為R的圓形金屬膜片的中心點(diǎn)在垂直于膜片平面方向的凹凸變形量Y0：Y0=E為材料楊氏模量，v為泊松比2021/5/96為了進(jìn)一步改善靈敏度和線性范圍，膜片可以設(shè)計(jì)成波紋狀，下圖以上介紹的機(jī)械螺旋管、膜片和波紋鼓壓力敏感元件，配上機(jī)械傳動(dòng)的指針來(lái)顯示壓力數(shù)值，其雖然可以直觀地顯示流體的壓力，但不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)遙測(cè)和自動(dòng)控制的需要。2021/5/97采用位移式傳感器測(cè)量壓力為了能將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，機(jī)械式膜片和波紋鼓動(dòng)位移用電子位移傳感器測(cè)出，機(jī)械式壓力計(jì)便成為可直接應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的電子類壓力傳感器。如可變電勢(shì)差壓力傳感器，其測(cè)量電路簡(jiǎn)單，信號(hào)無(wú)需放大，但其體積大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，接點(diǎn)易磨損。2021/5/98可變電勢(shì)差壓力傳感器2021/5/99線性差分變壓器非常適合測(cè)量微小的位移，可達(dá)亞微米級(jí)，靈敏度極高，而其兩個(gè)輸出線圈構(gòu)成一個(gè)差分信號(hào)檢測(cè)電路，抗干擾能力很強(qiáng)。但其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。2021/5/910電容式壓力傳感器膜片電容壓力傳感器是兩個(gè)相互電絕緣的有一定導(dǎo)電性的極板組成，可看成一標(biāo)準(zhǔn)的平行板電容器，其中一個(gè)電極板是可在外加壓力的作用下產(chǎn)生形變的彈性膜片，另一個(gè)極板固定在傳感器的外殼上不會(huì)在壓力作用下變形。當(dāng)壓力變化引起檢測(cè)極板變形改變壓力電容器極板間距，進(jìn)而引起電容量變化來(lái)檢測(cè)壓力變化。2021/5/911電容式絕對(duì)壓力傳感器2021/5/912膜片電容壓力傳感器也可設(shè)計(jì)成差分式，以提高靈敏度，穩(wěn)定性和抗干擾能力。壓敏膜片是公用的極板，另外兩個(gè)極板固定，膜片兩方壓力不同，膜片的變形導(dǎo)致一側(cè)電容增加，另一側(cè)電容下降，兩個(gè)壓力電容與另外兩個(gè)外接電容組合成交流電橋，可以非常靈敏的測(cè)量?jī)蓚€(gè)壓力電容的差值。2021/5/913硅微加工電容式壓力傳感器其體積小，集成度高，成本低，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能良好，可大批量制造。其以半導(dǎo)體硅為基板，首先形成氧化硅或氮化硅絕緣層，再形成一層金屬薄膜電極。電極的上方是絕緣的氧化硅或氮化硅圍成的空腔，空腔上口是單晶硅、多晶硅或氮化硅彈性膜片，膜片上表面為薄膜金屬電極層。目前硅微加工電容式壓力傳感器是應(yīng)用最為普遍的壓力傳感器之一。2021/5/9142021/5/915基于壓阻應(yīng)變片的壓力傳感器在現(xiàn)代各類原理的壓力傳感器中，以壓阻應(yīng)變片為基礎(chǔ)的壓力傳感器是應(yīng)用最廣泛的兩種類型中的一種（另一種既是電容式壓力傳感器），此兩類原理有可分為粘貼應(yīng)變片式壓力傳感器、薄膜應(yīng)變片式壓力傳感器、硅壓阻壓力傳感器、厚膜壓阻壓力傳感器、硅電容壓力傳感器、厚膜電容壓力傳感器。各類應(yīng)變片，如線繞式應(yīng)變片、金屬合金薄膜、半導(dǎo)體厚膜或薄膜均可以和彈性膜片配合，制成不同結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。2021/5/916應(yīng)變片技術(shù)原理以線體導(dǎo)電絲為例，設(shè)其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，截面積為A，電阻率為ρ，其電阻值可表示為R=當(dāng)導(dǎo)電絲沿長(zhǎng)度受到應(yīng)力影響發(fā)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)度、截面積、電阻率均會(huì)有微小的改變，電阻也因而改變。壓阻應(yīng)變片一般是將壓阻材料鍍?cè)诮^緣材料極板上而成，對(duì)壓阻材料的基本要求如下：線性度好，以便簡(jiǎn)化讀出電路并提高檢測(cè)精度；靈敏度系數(shù)高，以便提高電信號(hào)的幅度，降低電路讀出誤差；應(yīng)變范圍大，以便于增大應(yīng)用范圍；電阻率高，以便減小應(yīng)變傳感器的尺寸并與測(cè)量電路相匹配（小電流）；滯后效應(yīng)低，以便傳感器能有很好的重復(fù)性和良好的響應(yīng)；溫度系數(shù)低，可簡(jiǎn)化溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)；溫度范圍大，可在各種環(huán)境溫度下使用；化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，不受環(huán)境因素的影響而變質(zhì)，作長(zhǎng)期高精度的測(cè)量；疲勞壽命長(zhǎng)，以便用來(lái)做動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。2021/5/917能滿足以上條件的敏感材料并不存在，各類應(yīng)變片僅能滿足特定的需求。金屬合金膜應(yīng)變片其性能穩(wěn)定、溫度系數(shù)小、量程寬，但其靈敏度系數(shù)低，信號(hào)較小。薄膜半導(dǎo)體應(yīng)變片具有較高的靈敏度系數(shù)，信號(hào)很大，但溫度系數(shù)高、穩(wěn)定性差。陶瓷厚膜應(yīng)變片采用粉末燒結(jié)工藝制作，主要應(yīng)用于高溫環(huán)境中。單晶硅制作的半導(dǎo)體應(yīng)變片其應(yīng)變靈敏度特大，但其溫度系數(shù)也最大。2021/5/9182021/5/919Ε=膜片的邊緣和圓心應(yīng)變?yōu)樽畲笾?，是測(cè)量應(yīng)變的最有利位置。2021/5/920電阻絲壓力傳感器屬于非粘貼類的壓阻壓力傳感器。通過(guò)敏感膜片的位移引起合金絲張力變化進(jìn)而導(dǎo)致電阻的變化。其體積大，制作一致性差，溫度引起合金絲張力變化導(dǎo)致零點(diǎn)漂移也大。2021/5/921貼片式應(yīng)變壓力傳感器將微型應(yīng)變片用粘合劑粘貼在彈性金屬膜片表面，通過(guò)測(cè)量其應(yīng)變將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。此技術(shù)很適合于極端環(huán)境，如高溫、高壓、輻射。如將硅應(yīng)變片粘貼于金屬?gòu)椥阅て?，則可大幅提高靈敏度（金屬合金電阻靈敏系數(shù)僅為2，而單晶硅靈敏系數(shù)則可達(dá)200）。但此類結(jié)構(gòu)壓力傳感器應(yīng)用中遇到的困難主要是熱膨脹系數(shù)不同引起的溫度漂移、工作溫度不宜超過(guò)80度和粘合劑塑性變形導(dǎo)致響應(yīng)恢復(fù)較慢。為了解決此問(wèn)題，就發(fā)展了薄膜應(yīng)變壓力傳感器。2021/5/922薄膜應(yīng)變壓力傳感器薄膜式壓阻壓力傳感器將壓敏電阻直接沉積在金屬?gòu)椥阅て希梢员苊饽z粘劑工藝帶來(lái)的麻煩，其制作工藝如下：首先制備絕緣膜，金屬?gòu)椥阅て鲜紫扔谜婵斟?、離子濺射等方法形成一層金屬氧化物陶瓷或玻璃薄膜，然后用薄膜工藝在絕緣膜上制作壓阻薄膜，壓阻薄膜材料用合金或硅均可。最后將壓阻薄膜用光刻或等離子刻蝕成需要的圖形。2021/5/923壓阻式硅微加工壓力傳感器以上壓阻式壓力傳感器的體積均較大，加工困難，制作效率較低，成本也較高。因而在硅微加工技術(shù)成熟時(shí)，壓阻式硅微加工壓力傳感器便成為壓阻類壓力傳感器的主流。本結(jié)構(gòu)壓力傳感器從硅片開(kāi)始，用化學(xué)或等離子刻蝕的方法形成很小的膜片及膜片下的空腔。彈性膜片和壓力空腔可采用同一片硅片，當(dāng)然彈性膜片也可不用硅片而用機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性更好的二氧化硅或氮化硅。此結(jié)構(gòu)傳感器最小可致100微米，可大規(guī)模批量生產(chǎn)，成本很低。特別是將讀出電路集成在硅膜片的四周，省去了外部的讀出電路（電路板和電纜），用半導(dǎo)體工業(yè)