壓力傳感器原理

壓力傳感器原理簡介2021/5/91壓力傳感器技術(shù)原理機械式壓力傳感器：液柱式包括水銀柱和U型管，主要用于小量程壓力檢測和壓差檢測，由于其簡單可靠和直觀性，U型壓差計至今仍在工業(yè)控制中得到廣泛應用。但由于其無法直接得到電信號，且量程較小，限制了其在工業(yè)自動控制中的應用。2021/5/922021/5/93金屬螺旋管壓敏元件和機械讀數(shù)法當彈性金屬螺旋管內(nèi)充滿流體時，流體壓力的改變會造成螺旋管的形變，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，帶動壓力表指針轉(zhuǎn)動。布爾登管壓力計一般精度不高，最多只能到滿量程的0.1%，當被測壓力在滿量程下端時，誤差更大。同液柱式壓力計，布爾登管也難以用于工業(yè)自動控制系統(tǒng)。2021/5/942021/5/95彈性膜片壓敏元件及其壓力計彈性膜片是應用最廣泛的壓力敏感元件，不但機械式壓力傳感器，也是各類電子式壓力傳感器的基礎。在均勻壓力的作用下，一個周邊固定半徑為R的圓形金屬膜片的中心點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為了進一步改善靈敏度和線性范圍，膜片可以設計成波紋狀，下圖以上介紹的機械螺旋管、膜片和波紋鼓壓力敏感元件，配上機械傳動的指針來顯示壓力數(shù)值，其雖然可以直觀地顯示流體的壓力，但不能適應現(xiàn)代工業(yè)遙測和自動控制的需要。2021/5/97采用位移式傳感器測量壓力為了能將壓力轉(zhuǎn)換為電信號，機械式膜片和波紋鼓動位移用電子位移傳感器測出，機械式壓力計便成為可直接應用于現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)中的電子類壓力傳感器。如可變電勢差壓力傳感器，其測量電路簡單，信號無需放大，但其體積大，動態(tài)響應差，接點易磨損。2021/5/98可變電勢差壓力傳感器2021/5/99線性差分變壓器非常適合測量微小的位移，可達亞微米級，靈敏度極高，而其兩個輸出線圈構(gòu)成一個差分信號檢測電路，抗干擾能力很強。但其機械結(jié)構(gòu)復雜，體積大，動態(tài)響應差。2021/5/910電容式壓力傳感器膜片電容壓力傳感器是兩個相互電絕緣的有一定導電性的極板組成，可看成一標準的平行板電容器，其中一個電極板是可在外加壓力的作用下產(chǎn)生形變的彈性膜片，另一個極板固定在傳感器的外殼上不會在壓力作用下變形。當壓力變化引起檢測極板變形改變壓力電容器極板間距，進而引起電容量變化來檢測壓力變化。2021/5/911電容式絕對壓力傳感器2021/5/912膜片電容壓力傳感器也可設計成差分式，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，另外兩個極板固定，膜片兩方壓力不同，膜片的變形導致一側(cè)電容增加，另一側(cè)電容下降，兩個壓力電容與另外兩個外接電容組合成交流電橋，可以非常靈敏的測量兩個壓力電容的差值。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)和動態(tài)性能良好，可大批量制造。其以半導體硅為基板，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用最為普遍的壓力傳感器之一。2021/5/9142021/5/915基于壓阻應變片的壓力傳感器在現(xiàn)代各類原理的壓力傳感器中，以壓阻應變片為基礎的壓力傳感器是應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變片式壓力傳感器、薄膜應變片式壓力傳感器、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。各類應變片，如線繞式應變片、金屬合金薄膜、半導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應變片技術(shù)原理以線體導電絲為例，設其長度為L，截面積為A，電阻率為ρ，其電阻值可表示為R=當導電絲沿長度受到應力影響發(fā)生應變時，其長度、截面積、電阻率均會有微小的改變，電阻也因而改變。壓阻應變片一般是將壓阻材料鍍在絕緣材料極板上而成，對壓阻材料的基本要求如下：線性度好，以便簡化讀出電路并提高檢測精度；靈敏度系數(shù)高，以便提高電信號的幅度，降低電路讀出誤差；應變范圍大，以便于增大應用范圍；電阻率高，以便減小應變傳感器的尺寸并與測量電路相匹配（小電流）；滯后效應低，以便傳感器能有很好的重復性和良好的響應；溫度系數(shù)低，可簡化溫度補償?shù)脑O計；溫度范圍大，可在各種環(huán)境溫度下使用；化學穩(wěn)定性強，不受環(huán)境因素的影響而變質(zhì)，作長期高精度的測量；疲勞壽命長，以便用來做動態(tài)應變測量。2021/5/917能滿足以上條件的敏感材料并不存在，各類應變片僅能滿足特定的需求。金屬合金膜應變片其性能穩(wěn)定、溫度系數(shù)小、量程寬，但其靈敏度系數(shù)低，信號較小。薄膜半導體應變片具有較高的靈敏度系數(shù)，信號很大，但溫度系數(shù)高、穩(wěn)定性差。陶瓷厚膜應變片采用粉末燒結(jié)工藝制作，主要應用于高溫環(huán)境中。單晶硅制作的半導體應變片其應變靈敏度特大，但其溫度系數(shù)也最大。2021/5/9182021/5/919Ε=膜片的邊緣和圓心應變?yōu)樽畲笾?，是測量應變的最有利位置。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。通過敏感膜片的位移引起合金絲張力變化進而導致電阻的變化。其體積大，制作一致性差，溫度引起合金絲張力變化導致零點漂移也大。2021/5/921貼片式應變壓力傳感器將微型應變片用粘合劑粘貼在彈性金屬膜片表面，通過測量其應變將壓力轉(zhuǎn)換成電信號。此技術(shù)很適合于極端環(huán)境，如高溫、高壓、輻射。如將硅應變片粘貼于金屬彈性膜片上，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200）。但此類結(jié)構(gòu)壓力傳感器應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80度和粘合劑塑性變形導致響應恢復較慢。為了解決此問題，就發(fā)展了薄膜應變壓力傳感器。2021/5/922薄膜應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彈性膜片上，可以避免膠粘劑工藝帶來的麻煩，其制作工藝如下：首先制備絕緣膜，金屬彈性膜片上首先用真空鍍、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，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始，用化學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，當然彈性膜片也可不用硅片而用機械性能和化學穩(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），用半導體工業(yè)