幾類重要類型的壓力傳感器解析

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的標志之一，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，如擴散硅、電容式、硅藍寶石、陶瓷厚膜、金屬應(yīng)變電式等類型，正廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)的各行業(yè)以及科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。下面就簡單介紹一些常用壓力傳感器的特點及其相互之間的差異。

藍寶石壓力傳感器

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

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

用硅-藍寶石半導(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，性價比高。

擴散硅壓力傳感器

擴散硅壓力傳感器的工作原理是：被測介質(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，用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標準測量信號。

陶瓷壓力傳感器

抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，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)生一個與壓力成正比的高度線性，與激勵電壓成正比的電壓信號，標準的信號根據(jù)壓力量程的不同標定為2.0、3.0、3.3mV等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補償0℃~70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。

陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和震動的材料。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-40℃~135℃，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電器絕緣程度大于2KV,輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。高特性、低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國家有全面替代其他類型傳感器的趨勢，在中國越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。

陶瓷厚膜結(jié)構(gòu)與力敏Z-元件的優(yōu)勢互補

厚膜壓力傳感器是繼擴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-元件是目前國內(nèi)外唯一具有數(shù)字信號輸出的敏感元件，因此陶瓷厚膜工藝與力敏Z-元件的最簡單電路的巧妙結(jié)合，可以出現(xiàn)一種性能優(yōu)異、成本低廉的新型傳感器。具體來說，陶瓷厚膜工藝有下述優(yōu)點：

●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)都嚴格遵循虎克定律，無塑性變形。

●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，動態(tài)性能好。

●厚膜彈性體結(jié)構(gòu)簡單，易于制備。它與擴散硅壓力傳感器相比，不需半導(dǎo)體平面工藝來形成擴散電阻彈性膜片，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，不需通過不銹鋼膜片和硅油的轉(zhuǎn)換與隔離，封裝結(jié)構(gòu)簡化，進一步降低成本。

●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現(xiàn)。

●工作溫度范圍寬，可達-40℃~120℃。

陶瓷厚膜力數(shù)字傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，通過限位可防止膜片過載時因過度彎曲而破裂，形成對傳感器的抗過載保護。