壓力感測器工作原理

2021-05-25 15:49:48 字數 2490 閱讀 6988

壓力感測器是工業實踐、儀器儀表控制中最為常用的一種感測器,並廣泛應用於各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、工具機、管道等眾多行業。

力學感測器的種類繁多,如電阻應變片壓力感測器、半導體應變片壓力感測器、壓阻式壓力感測器、電感式壓力感測器、電容式壓力感測器、諧振式壓力感測器及電容式加速度感測器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力感測器,它具有極低的**和較高的精度以及較好的線性特性。

下面我們主要介紹這類感測器。

1、壓阻式壓力感測器原理與應用: 壓阻式壓力感測器是利用單晶矽材料的壓阻效應和積體電路技術製成的感測器。壓阻式感測器常用於壓力、拉力、壓力差和可以轉變為力的變化的其他物理量(如液位、加速度、重量、應變、流量、真空度)的測量和控制。

壓阻效應當力作用於矽晶體時,晶體的晶格產生變形,使載流子從乙個能谷向另乙個能谷散射,引起載流子的遷移率發生變化,擾動了載流子縱向和橫向的平均量,從而使矽的電阻率發生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異,因此矽的壓阻效應與晶體的取向有關。矽的壓阻效應不同於金屬應變計,前者電阻隨壓力的變化主要取決於電阻率的變化,後者電阻的變化則主要取決於幾何尺寸的變化(應變),而且前者的靈敏度比後者大50~100倍。

壓阻式壓力感測器結構壓阻式壓力感測器採用整合工藝將電阻條整合在單晶矽膜片上,製成矽壓阻晶元,並將此晶元的周邊固定封裝於外殼之內,引出電極引線。壓阻式壓力感測器又稱為固態壓力感測器,它不同於貼上式應變計需通過彈性敏感元件間接感受外力,而是直接通過矽膜片感受被測壓力的。矽膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔,另一面是與大氣連通的低壓腔。

矽膜片一般設計成周邊固支的圓形,直徑與厚度比約為20~60。在圓形矽膜片(n型)定域擴散4條p雜質電阻條,並接成全橋,其中兩條位於壓應力區,另兩條處於拉應力區,相對於膜片中心對稱。矽柱形敏感元件也是在矽柱面某一晶面的一定方向上擴散製作電阻條 ,兩條受拉應力的電阻條與另兩條受壓應力的電阻條構成全橋。

發展狀況 2023年c.s.史密斯詳細研究了矽的壓阻效應,從此開始用矽製造壓力感測器。

早期的矽壓力感測器是半導體應變計式的。後來在 n型矽片上定域擴散p型雜質形成電阻條,並接成電橋,製成晶元。此晶元仍需貼上在彈性元件上才能敏感壓力的變化。

採用這種晶元作為敏感元件的感測器稱為擴散型壓力感測器。這兩種感測器都同樣採用粘片結構,因而存在滯後和蠕變大、固有頻率低、不適於動態測量以及難於小型化和整合化、精度不高等缺點。70年代以來製成了周邊固定支撐的電阻和矽膜片的一體化矽杯式擴散型壓力感測器。

它不僅克服了粘片結構的固有缺陷,而且能將電阻條、補償電路和訊號調整電路整合在一塊矽片上,甚至將微型處理器與感測器整合在一起,製成智慧型感測器。

這種新型感測器的優點是:

1 頻率響應高(例如有的產品固有頻率達1.5兆赫以上),適於動態測量;

2 體積小(例如有的產品外徑可達0.25公釐),適於微型化;

3 精度高,可達0.1~0.01%;

4 靈敏高,比金屬應變計高出很多倍,有些應用場合可不加放大器;

5 無活動部件,可靠性高,能工作於振動、衝擊、腐蝕、強干擾等惡劣環境。其缺點是溫度影響較大(有時需進行溫度補償)、工藝較複雜和造價高等。

缺點是:

1 溫度特性差,由於壓阻式壓力感測器是用半導體材料製作的,受溫度影響較大,因此,在溫度變化大的環境中使用時,必須進行溫度補償。

2 工藝複雜,對研製條件要求高而嚴格,尤其是擴散雜質、燒結、封裝工藝等比其他感測器要複雜的多,因而成本也相對要高。

應用壓阻式感測器廣泛地應用於航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫學工程、氣象、地質、**測量等各個領域。在航天和航空工業中壓力是乙個關鍵引數,對靜態和動態壓力,區域性壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精度。壓阻式感測器是用於這方面的較理想的感測器。

例如,用於測量直公升飛機機翼的氣流壓力分布,測試發動機進氣口的動態畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發動機中心壓力的測量中,使用專門設計的矽壓力感測器,其工作溫度達500℃以上。在波音客機的大氣資料測量系統中採用了精度高達0.

05%的配套矽壓力感測器。在尺寸縮小的風洞模型試驗中,壓阻式感測器能密集安裝在風洞進口處和發動機進氣管道模型中。單個感測器直徑僅2.

36公釐,固有頻率高達300千赫,非線性和滯後均為全量程的±0.22%。在生物醫學方面,壓阻式感測器也是理想的檢測工具。

已製成擴散矽膜薄到10微公尺,外徑僅0.5公釐的注射針型壓阻式壓力感測器和能測量心血管、顱內、尿道、子宮和眼球內壓力的感測器。圖3是一種用於測量腦壓的感測器的結構圖。

壓阻式感測器還有效地應用於**壓力和衝擊波的測量、真空測量、監測和控制汽車發動機的效能以及諸如測量槍炮膛內壓力、發射衝擊波等兵器方面的測量。此外,在油井壓力測量、隨鑽測向和測位地下密封電纜故障點的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應用壓阻式感測器。隨著微電子技術和計算機的進一步發展,壓阻式感測器的應用還將迅速發展。

壓阻式壓力感測器優點:

1. 頻率響應高,f0可達1.5m;

2. 體積小、耗電少;

3. 靈敏度高、精度好,可測量到0.1%的精確度;

4. 無運動部件(敏感元件與轉換元件一體)。

壓阻式壓力感測器缺點:

1. 溫度特性差;

2. 工藝複雜。

壓力感測器的工作原理

2.陶瓷壓力感測器原理及應用 抗腐蝕的陶瓷壓力感測器沒有液體的傳遞,壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片產生微小的形變,厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面,連線成乙個惠斯通電橋 閉橋 由於壓敏電阻的壓阻效應,使電橋產生乙個與壓力成正比的高度線性 與激勵電壓也成正比的電壓訊號,標準的訊號根據壓力量程的不同...

壓力感測器的原理簡介

壓力感測器是工業實踐中最為常用的一種感測器,而我們通常使用的壓力感測器主要是利用壓電效應製造而成的,這樣的感測器也稱為壓電感測器。我們知道,晶體是各向異性的,非晶體是各向同性的。某些晶體介質,當沿著一定方向受到機械力作用發生變形時,就產生了極化效應 當機械力撤掉之後,又會重新回到不帶電的狀態,也就是...

壓力感測器的原理簡介

壓力感測器 壓力感測器是工業實踐中最為常用的一種感測器,而我們通常使用的壓力感測器主要是利用壓電效應製造而成的,這樣的感測器也稱為壓電感測器。我們知道,晶體是各向異性的,非晶體是各向同性的。某些晶體介質,當沿著一定方向受到機械力作用發生變形時,就產生了極化效應 當機械力撤掉之後,又會重新回到不帶電的...