壓力傳感器,是能感受壓力信號,并能按照一定的規律將壓力信號轉換成可用的輸出的電信號的器件或裝置。
壓力傳感器通常由壓力敏感元件和信號處理單元組成。按不同的測試壓力類型,壓力傳感器可分為表壓傳感器、差壓傳感器和絕壓傳感器。
常見的壓力傳感器是差壓傳感器,而其中使用較多的是擴散硅壓力傳感器。
擴散硅壓力傳感器工作原理:擴散硅壓力傳感器的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷),使膜片產生與介質壓力成正比的微位移,使傳感器的電阻值發生變化,和用電子線路檢測這一變化,并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。
擴散硅壓力傳感器簡介
擴散硅壓力傳感器是利用壓阻效應原理,采用集成工藝技術經過摻雜、擴散,沿單晶硅片上的特點晶向,制成應變電阻,構成惠斯通電橋。利用硅材料的彈性力學特性,在同一切硅材料上進行各向異性微加工,就制成了一個集力敏與力電轉換檢測于一體的擴散硅傳感器。
擴散硅壓力傳感器的特點
1、適合制作小量程的傳感器
硅芯片的這種力敏電阻的壓阻效應在零點附近的低量程段無死區,制作壓力傳感器的量程可小到幾個Kpa。
2、輸出靈敏度高
硅應變電阻的靈敏因子比金屬應變計高50~100倍,故相應的傳感器的靈敏度就很高,一般量程輸出為100mv左右。因此對接口電路無特殊要求,使用比較方便。
3、精度高
由于傳感器的感受、敏感轉換和檢測三部分由同一個元件實現,沒有中間轉換環節,重復性和遲滯誤差較小。由于單晶硅本身剛度很大,變形很小,保證了良好的線性。
4、由于工作單性形變低至微應變數量級,彈性芯片最大位移在亞微米數量級,因而無磨損,無疲勞,無老化,壽命長達1×103壓力循環,性能穩定,可靠性高。
5、由于硅的優良化學防腐性能,即使是非隔離型的擴散硅壓力傳感器,也有相當程度的適應各種介質的能力。
6、由于芯片采用集成工藝,又無傳動部件,因此體積小,重量輕。
擴散硅壓阻式壓力傳感器的工作機理是半導體應變片的壓阻效應,在半導體受力變形時會暫時改變晶體結構的對稱性,因而改變了半導體的導電機理,使得它的電阻率發生變化,這種物理現象稱之為半導體的壓阻效應 。一般半導體應變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件,在它上面直接蒸鍍擴散出多個半導體電阻應變薄膜(擴散出P型或N型電阻條)組成電橋。在壓力(壓強)作用下彈性元件產生應力,半導體電阻應變薄膜的電阻率產生很大變化,引起電阻的變化,經電橋轉換成電壓輸出,則其輸出電壓的變化反映了所受到的壓力變化。壓阻壓力傳感器一般通過引線接入惠斯通電橋中。平時敏感芯體沒有外加壓力作用,電橋處于平衡狀態(稱為零位),當傳感器受壓后芯片電阻發生變化,電橋將失去平衡。若給電橋加一個恒定電流或電壓電源,電橋將輸出與壓力對應的電壓信號,這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉換成壓力信號輸出。電橋檢測出電阻值的變化,經過放大后,再經過電壓電流的轉換,變換成相應的電流信號。
根據擴散硅傳感器的原理,其采集壓力信號的部分電壓和電流變化很小,所以前端可以直接看成是一個本安型元件。后端的處理電路,是接收來自壓力傳感器的放大信號,根據本安的處理,此電路需采取穩壓限流的措施。
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