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压阻式压力传感器的工作原理及性能分析

时间:2021-01-02 点击次数:

    从广义上讲,压力传感器可分为三类:压阻压力传感器、电容压力传感器和压电压力传感器,下面,介绍压阻压力传感器的工作原理及性能。

    压力传感器的压力敏感元件为压阻元件,其工作原理为压阻效应。所称压阻元件,实际上是指由集成电路工艺在半导体材料基板上制造的扩散电阻,当它受到外力作用时,会因电阻率的变化而改变阻值。在正常情况下,扩散电阻需要依赖于弹性元件,通常使用单晶硅薄膜。

    压阻片采用周边固定硅片结构,封装于外壳内。一个圆形单晶硅膜片上,有四个扩散电阻,其中两片位于受压应力区,另两片位于受拉应力区,构成全桥测量电路。硅膜由圆形硅杯固定,两侧有两个压腔,一个与测量的压力相连接的高压腔,另一个是低压腔,接参考压力,通常与压气层相通。在压差作用下,膜片产生变形,从而改变两对电阻的阻值,使电桥失去平衡,其输出电压反映膜片两侧压差的大小。

    MEMS技术硅压阻式智能传感器。

    利用惠斯顿检测电桥,利用MEMS技术将压力信号转换成电信号,利用应变原理,使单晶硅片成为集应力敏感和力电敏感于一体的敏感元件。

硅片受外力作用时,硅应变电桥的桥臂电阻会发生变化,通常采用惠斯顿电桥的检测方式。在图3中可以看到。

它的输出电压表示为:

V="VBΔR/R(R1=R2,R3=R4,P=P=R2,P=R4)

由于电阻的变化与应力P有直接的关系。

伏特=SPVB±伏特。

其中:Vo是输出电压,mV;S是灵敏度,mV/V/Pa;P是外力或应力,Pa;P是桥压,V,V;P是零输出电压,mV。

单片机芯片只能作为检测单元的一部分,不能独立完成信号转换,因此必须有特殊的封装,使其具有压力检测功能。用PYREX玻璃将硅晶片和密封环连接起来。由于PYREX玻璃环作为硅片的力学固定支撑弹性敏感元件,并使硅片绝缘于封装,PYREX玻璃环上的孔恰好成为传感器的基准压腔和电极引线腔。在金属螺纹基座上形成进气腔后,这种包装技术能承受至少15MPa的压力,如果经过特殊处理,还能承受100MPa的压力。

技术性能分析

MEMS智能硅压阻传感器的静态特性测试结果表明,其技术指标如下:

再现性小于±0.2%满负荷。

滞后小于0.1%的满量程。

线性小于±0.1%的满量程

敏感性为0.02V/千帕。

这个感应器有100毫秒的分辨率。

这个感应器的超载能力达到200%

与HZ-PRC-802型等常规压阻式压力传感器相比:

计量准确度为0.5%(包括线性、重复性、滞后指标)

敏感性是±0.02%FS/℃。

瞬间超负荷是两倍满量程。

智能化硅压阻式传感器具有稳定、灵敏度高、温度范围宽、封装尺寸小、质量好等特点。

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