硅压阻式压力传感器的工作特性.doc

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冠标科技有限公司

论硅压阻式压力传感器的工作特性与应用
一、硅压阻式压力传感器的工作特性
●采用刻蚀成型扩散硅膜片式结构
●有绝压式的、差压式的
●尺寸小，重量轻，圆柱状或片状外形
●灵敏度高，频响宽，动态范围大
●结构牢固，过载能力强
●有专用于高温环境下测量压力的
●有专用于汽车ABS系统测量压力的

为获得预期的结果，压力传感器的用户应当对被测的压力，所处的环境，其它可选择的方案和预期的结果有一个全面的了解。他们应当知道所测压力的性质、幅值和持续时间，预期的环境温度，对输出的要求和压力传感器的精确度。在选择合适的仪器时必须进行折衷，因此必须将影响测量的诸多因素定量化，并区别轻重缓急。刻蚀成形的硅膜片
●灵敏度
传感器输出的电信号与所受压力之比，称之为灵敏度。对于给定的压力，灵敏度越高，压力传感器输出的信号越大。为了减小噪声引入的误差，在选择压力传感器和系统时，力求使信噪比最大化。与粘贴应变片压力传感器相比，扩散硅应变片式压力传感器的灵敏度较高，噪声较低。Endevco公司采用了刻蚀成型的硅膜片，并采用了横向应变片设计，从而使压力传感器的输出达到满量程300mV，在10V直流电压激励下，噪声只有5µV。
●高频响应
压阻式压力传感器的膜片既可用来测量静态压力，也可测量动态压力。对动态压力测量，压力传感器所能响应的上限频率既与膜片的设计形式有关，也与其摆放的位置有关。由于质量很小，硅膜片的共振频率很高。硅膜片被置放在传感器的前端，从而减小了静空间，提高了共振频率。作为动态测量的准则，一般取传感器的共振频率为所欲测的最高频率的五倍。
在测量动态压力时，必须认真地考虑压力传感器所放的位置。在压力传感器距离测量点过远时，其响应将严重地限制着整个测量系统的响应。
对每个型号的压力传感器的膜片共振频率，恩德福克都做过大量的试验。满量程为1 psi的膜片共振频率为60，000Hz，而量程更高的可达Hz以上。
●过压
在新的从未测量过的系统中和有短暂的压力尖峰的液压管路里，压力有时会高于预期的值。Endevco的压力传感器不仅能耐受这种过压，而且能继续正常地工作。单晶硅是一种能耐受高过压的高强材料，由其做成的膜片具有这种特征。硅材料的强度比不锈钢能高20倍。
这种刻蚀成形的膜片，只有小部分的有效面积承受高应力的作用，因此它能耐受较高的压力。试验已充分地证明了这一点：满量程为2 psi的压力传感器能耐受40 psi的压力，也即20倍满量程的压力。所有的恩德福克压力传感器都在3倍满量程压力下进行了过压试验，在技术性能一览表中可查到试验结果。
●线性度与滞后
传感器的线性度和滞后通常是用满量程输出的百分数来表示的。这是表征传感器性能的两个重要指标。
单晶硅是一种非常好的弹性材料，在600℃以下其应力—应变曲线没有塑性变形区，而且不存在蠕变现象，因此硅膜片压力传感器只要设计合理，滞后非常小，通常低于满量程的0.1%。技术性能表中也给出了3倍满量程下的非线性度。
●温度灵敏度
随着温度的变化，硅应变片的电阻会发生变化，压阻应变系数会发生变化，因此压力传感器的灵敏度和零位输出也会产生变化。在电路中对这种变化进行了补偿。Endevco的压力传感器是用内部的混合电路在－18°C～＋93°C之间对灵敏度和零位输出进行补偿，而无需加任何外部补偿。

二、压力传感器的原理与应用
●压力敏感技术
在传感技术中，压力的精确测量是最具挑战性，也是最活跃的领域。这些年来，发展了多种压力测量技术，但应用硅半导体技术制成超小型的传感器是目前最先进的。endevco将最先进的硅压力敏感膜片和独具特色的传感器设计接合到一起，从而制造出超小型压力传感器，它不仅体积小，而且频响宽，线性度高，比任何一种压力传感器灵敏度都高。
●压阻电子学
endevco的压力传感器中使用了由四个压阻硅元件构成的硅压力敏感膜片。这些压阻应变元件（PR）是固态的硅电阻，它的电阻值的变化与所受的机械应变成正比。这些压阻硅元件是被扩散到硅膜片之中的，因此彼此成为原子连接。应用了四个臂的惠斯登电桥结构，所得到的电信号与所受的压力成正比。与金属丝应变片相比，压阻应变片完全避免了机械滞后的问题，且灵敏度大几个数量级。
●刻蚀成形的硅膜片
如果能将应变集中在应变片所处的位置，则可大大地提高压力传感器的变换效率。在平的圆形膜片上，应变是大面积分散的，对于一个承受弯曲的构件来说，应变会集中在弯曲构件厚度变化的地方。这就是endevco压力传感器具有超众的优越性能的基本想法之一。应用了板梁理论的综合。所选形状的膜片能将应力集中。由图中可看到，它是一个有着两种厚度的圆膜片，外边缘和中间两个小岛处，相当厚，且它们靠的很近。
●压力传感器的应用
●表压式/差压式压力传感器
8507C系列压力传感器：用于风洞模型；发动机入口实验；
8510B系列压力传感器：用于过程控制；喷气发动机入口压力测量；风洞流量测量； 一般用途；航空、航天压力测量；汽车压力测量（燃料系统，防滑刹车系统）；
8511A系列压力传感器：用于冲击波试验，爆炸波/爆炸试验，液压系统；
8520A系列压力传感器：用于发动机试验；高温下压力测量；发动机入口试验；
●绝压式
8515C系列压力传感器：用于系列压力传感器：用于风洞内小尺寸模型试验；飞行试验中气动表面压力测量；爆炸效应研究；直升飞机或气轮机叶片表面压力测量；
8530C系列压力传感器：一般用途；爆炸波/爆炸试验；工业；航空，航天； 汽车传动系统压力测量；
8540系列压力传感器：用于发动机试验；高温下压力测量；液压传输系统；