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名家講解:幾款應(yīng)用廣泛的壓力傳感器對(duì)比解析

發(fā)布時(shí)間:2014-11-28 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】傳感器是各行各業(yè)的常用元器件,雖然傳感器看似可有可無(wú),但是在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中,傳感器技術(shù)代表著科技的先鋒。而壓力傳感器是傳感器中極其重要的一個(gè)分支。本文將由名家來(lái)講解常用的壓力傳感器的特點(diǎn)及差異。

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的標(biāo)志之一,而壓力傳感器技術(shù)是傳感器技術(shù)的重要分支。目前各種類型的壓力傳感器,如擴(kuò)散硅、電容式、硅藍(lán)寶石、陶瓷厚膜、金屬應(yīng)變電式等類型,正廣泛應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)的各行業(yè)以及科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

藍(lán)寶石壓力傳感器

藍(lán)寶石壓力傳感器利用應(yīng)變電阻式工作原理,采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件,具有無(wú)與倫比的計(jì)量特征。

藍(lán)寶石系由單晶體絕緣體元素組成,不會(huì)發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象;藍(lán)寶石比硅要堅(jiān)固,硬度更高、不怕形變;而且藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣性,因此,利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件,對(duì)溫度變化不敏感,即使高溫條件下,也有著很好的工作特性;藍(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng);另外,硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件無(wú)p-n飄移,因此,從根本上簡(jiǎn)化了制造工藝,提高了重復(fù)性,確保了高成品率。

用硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器,可在最惡劣的工作條件下正常工作,并且可靠性高,精度好,溫度誤差極小,性價(jià)比高。

擴(kuò)散硅壓力傳感器

擴(kuò)散硅壓力傳感器的工作原理是:被測(cè)介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷),使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移,使傳感器的電阻值發(fā)生變化,用電子線路檢測(cè)這一變化,并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。

陶瓷壓力傳感器

抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒(méi)有液體的傳遞,壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面、室膜片的表面,使膜片產(chǎn)生微小的形變,厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面,連接成一個(gè)惠斯通電橋(閉橋),由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng),使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線性,與激勵(lì)電壓成正比的電壓信號(hào),標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0、3.0、3.3mV等,可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過(guò)激光標(biāo)定,傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性,傳感器自帶溫度補(bǔ)償0℃~70℃,并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。

陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和震動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40℃~135℃,而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。電器絕緣程度大于2KV,輸出信號(hào)強(qiáng),長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。高特性、低價(jià)格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向,在歐美國(guó)家有全面替代其他類型傳感器的趨勢(shì),在中國(guó)越來(lái)越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。

陶瓷厚膜結(jié)構(gòu)與力敏Z-元件的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)


厚膜壓力傳感器是繼擴(kuò)散硅壓力傳感器之后壓力傳感器的又一次重大的技術(shù)創(chuàng)新,而力敏Z-元件是目前國(guó)內(nèi)外唯一具有數(shù)字信號(hào)輸出的敏感元件,因此陶瓷厚膜工藝與力敏Z-元件的最簡(jiǎn)單電路的巧妙結(jié)合,可以出現(xiàn)一種性能優(yōu)異、成本低廉的新型傳感器。

具體來(lái)說(shuō),陶瓷厚膜工藝有下述優(yōu)點(diǎn):

●陶瓷彈性體性能優(yōu)良,平整、均勻、質(zhì)密的材料在程度范圍內(nèi)都嚴(yán)格遵循虎克定律,無(wú)塑性變形。
●厚膜電阻(包括高溫導(dǎo)線)能與陶瓷彈性膜片牢固地?zé)Y(jié)在一起,不需用膠進(jìn)行粘貼。這種剛性結(jié)構(gòu)蠕變小,漂移小,靜態(tài)性能穩(wěn)定,動(dòng)態(tài)性能好。
●厚膜彈性體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制備。它與擴(kuò)散硅壓力傳感器相比,不需半導(dǎo)體平面工藝來(lái)形成擴(kuò)散電阻彈性膜片,大幅度減小了生產(chǎn)線的前期投入和工藝加工成本。
●陶瓷厚膜結(jié)構(gòu)耐液體或氣體介質(zhì)的腐蝕,不需通過(guò)不銹鋼膜片和硅油的轉(zhuǎn)換與隔離,封裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,進(jìn)一步降低成本。
●工作量程寬。量程決定于膜片的有效半徑與厚度之比,只要微壓力不小于1Kpa,原則上較高的量程也易于實(shí)現(xiàn)。
●工作溫度范圍寬,可達(dá)-40℃~120℃。

陶瓷厚膜力數(shù)字傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陶瓷厚膜力數(shù)字傳感器主要由瓷環(huán)、陶瓷膜片和陶瓷蓋板三部分組成。陶瓷膜片作為感力彈性體,采用95%的Al2O3瓷精加工而成,要求平整、均勻、質(zhì)密,其厚度與有效半徑視設(shè)計(jì)量程而定。

瓷環(huán)采用熱壓鑄工藝高溫?zé)瞥尚?。陶瓷膜片與瓷環(huán)之間采用高溫玻璃漿料,通過(guò)厚膜印刷、熱燒成技術(shù)燒制在一起,形成周邊固支的感力杯狀彈性體,即在陶瓷的周邊固支部分應(yīng)形成無(wú)蠕變的剛性結(jié)構(gòu)。在陶瓷膜片上表面,即瓷杯底部,用厚膜工藝技術(shù)做成傳感器的電路。陶瓷蓋板下部的圓形凹槽使蓋板與膜片之間形成一定間隙,通過(guò)限位可防止膜片過(guò)載時(shí)因過(guò)度彎曲而破裂,形成對(duì)傳感器的抗過(guò)載保護(hù)。

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