微差壓傳感器在關(guān)鍵環(huán)境中的應(yīng)用將壓力分為正壓和負(fù)壓兩種，前者用于保護(hù)性隔離，而后者則用于隔離控制通過空氣傳播的傳染病。例如，醫(yī)院的病房、手術(shù)室、藥房、用于制藥和半導(dǎo)體生產(chǎn)的潔凈室、生命科學(xué)實驗室和動植物園等采用正壓保護(hù)，而醫(yī)院用于肺結(jié)核、麻疹、水痘或SARS病人的病房和生物安全實驗室則采用負(fù)壓隔離，以便為公眾形成一個保護(hù)空間。

1.在關(guān)鍵環(huán)境中使用微差壓傳感器的重要性

微差壓傳感器用于精確測量關(guān)鍵區(qū)域與鄰近區(qū)域（通常為鄰近的走廊或前廳）的微小氣壓差。這些壓差梯度可以阻止空氣傳播傳染病或污染物從防護(hù)區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散到受污染區(qū)域，反之亦然。

關(guān)鍵醫(yī)療環(huán)境具有差壓測量值極低的特點(diǎn)，滿量程為25Pa（0.0036 PSI）。隨著建筑能耗的重要性日益突出，在確保安全性的前提下，環(huán)境差壓要求不斷降低。

微差壓傳感器通常分為三類：壓阻式應(yīng)變計、電容式傳感器和微機(jī)電 (MEMS) 傳感器。

2.壓阻式傳感器

壓阻式應(yīng)變計通常由硅制成，通過金屬間的粘結(jié)作用接合到鋼基板上。當(dāng)施加應(yīng)力時，這種單晶膜片就會發(fā)生形變，進(jìn)而使惠斯通電橋中的電阻檢測到壓力，然后按比例輸出電壓。壓阻式應(yīng)變計具有良好的分辨率和帶寬，適合預(yù)算不寬裕的應(yīng)用。

但是這種傳感器也有其局限性。它們對溫度變化很敏感，并且容易漂移。更嚴(yán)重的是，這類傳感器無法提供足夠大的面積來感應(yīng)壓力以產(chǎn)生有效的膜片形變。當(dāng)然膜片可以做得更薄一些，但是這會降低其強(qiáng)度和完整性，同時也增加了成本。當(dāng)用于低壓測量時，測量結(jié)果噪雜，長期穩(wěn)定性差。因此這類傳感器更適合高壓測量。

采用多晶薄膜、粘結(jié)金屬箔片、厚膜和濺射薄膜的傳感器工作原理都相同，也有非常相似的優(yōu)缺點(diǎn)。幸運(yùn)的是，我們還可以采用具備更多優(yōu)點(diǎn)的其它傳感器技術(shù)。

3. 電容式傳感器

基于電容的壓力傳感器已經(jīng)成為壓力測量應(yīng)用的主流。相對于壓阻式壓力傳感器，電容式壓力傳感器具備更高的壓力靈敏度和更低的溫度靈敏度。

其它優(yōu)點(diǎn)還包括：設(shè)計簡單、無需使用特殊材料、低能耗、高分辨率和低成本。

電容式傳感器包括一個緊湊外殼和內(nèi)部兩片平行放置的絕緣金屬板。其中一片金屬板采用金屬膜片，能夠在壓力作用下發(fā)生輕微形變，另一片為絕緣的不銹鋼電極。當(dāng)在金屬膜片上施加壓力差時，金屬膜片將相對固定電極發(fā)生位移，從而使電容發(fā)生變化。線性比較電路檢測到所產(chǎn)生的電容變化，成正比地放大并輸出高電平電壓信號。金屬膜片的形變量極小，有利于減小遲滯和重復(fù)誤差，加快響應(yīng)速度。

4.MEMS傳感器

MEMS(Microelectro Mechanical Systems)傳感器是一種常見的電容式傳感器。它通過微影蝕刻技術(shù)在硅基板上蝕刻執(zhí)行器、機(jī)械部件和電子器件，從而可以低廉地大批量制造。此外，其體積也在不斷縮小，其膜片面積小至13mm2級別。

然而，這種小型化趨勢也限制了性能，例如不靈敏、不精確和信號漂移。由于由脆性材料制成，MEMS傳感器在高應(yīng)力下易于斷裂，無法承受過大的受力。電容式MEMS傳感器的最大局限在于，小型化限制了其在高壓應(yīng)用中的壓力靈敏度。

所有的壓力傳感器都通過膜片來檢測壓力。但在這類應(yīng)用中，壓力低得不足以使膜片產(chǎn)生應(yīng)有的形變，除非膜片足夠大，例如達(dá)39cm2。遺憾的是，這類傳感器的膜片都遠(yuǎn)小于這一尺寸。一些基于硅膜片的電容式傳感器機(jī)械彈性好，但膜片厚度只能達(dá)到0.15mm。相比之下，不銹鋼膜片厚度可低至該尺寸的1/20，從而賦予其遠(yuǎn)更出色的靈敏度。MEMS和集成電路 (IC) 傳感器天生小巧，信號輸出能力極其有限。增加膜片的尺寸只能加劇硅的成本。此外，如果對輸出信號進(jìn)行放大，則會同時放大噪音。這類技術(shù)仍無法用來生產(chǎn)量程小于1"W.C.(249Pa)的傳感器，并且還要保證信噪比足以確保正常運(yùn)行。

5.電容式宏傳感器

電容式宏傳感器是關(guān)鍵環(huán)境應(yīng)用的理想之選。這類傳感器具備MEMS傳感器的所有優(yōu)點(diǎn)，但沒有壓力靈敏度的限制。其特別之處在于2”直徑的金屬張緊膜片，使之比其它低壓傳感器性能更為優(yōu)異，實際分辨率可達(dá)一百萬倍。

該膜片由不銹鋼制成，厚度為紙張的1/10。良好的彈性使得移動范圍不超過一張紙的寬度，因此可以實現(xiàn)不同壓力測量量程。例如膜片配置低徑向張力，可以測量0到0.1in.w.c.的低壓力；而配置高徑向張力，則可以測量0到100in.w.c.的高壓力。該類傳感器允許高達(dá)2PSI（視量程而異）的過壓而不會損壞。此外，組件還具有相應(yīng)的溫度系數(shù)，有利于改善溫度性能，獲得優(yōu)良的長期穩(wěn)定性。

6.關(guān)鍵性能參數(shù)

下列為關(guān)鍵應(yīng)用中選購電容式宏應(yīng)變傳感器應(yīng)考慮的技術(shù)參數(shù)。

機(jī)械設(shè)計師、工程師和建筑師應(yīng)首先考慮壓力量程。一但選定了量程，就可以確定所需的測量精度。精度指實際值和傳感器測量值之間的誤差，通過綜合計算線性誤差、遲滯和重復(fù)性誤差得出，用滿量程的百分比值表示。例如假設(shè)某傳感器的精度為±0.5% FS，輸出為±0.1”W.C.(25Pa)FS，則該傳感器的測量精度可達(dá)到±0.001”W.C(0.25Pa)。

盡管精度作為一個重要因素，往往也是首要考慮的因素，但應(yīng)注意，只有長期保持，精度才有意義。電容式傳感器的一大優(yōu)點(diǎn)是可以在很長的時間內(nèi)保持測量精度設(shè)置。不同粘結(jié)式應(yīng)變計，電容式傳感器具有非常低的蠕變、老化效應(yīng)、濕度效應(yīng)和其它常見輸出穩(wěn)定性問題，可以達(dá)到±0.05 到±0.5% FS/年的長期穩(wěn)定性。

此外，務(wù)必確保所選傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸出電平和電源管理系統(tǒng)相匹配。最常用的輸出類型為高電平模擬0到5VDC、0到10VDC電壓輸出或兩線4-20mA電流輸出。電容式宏應(yīng)變傳感器無需信號放大，因此可以避免了壓阻式傳感器（薄膜式和IC）類型等低電平輸出裝置普遍存在的某些問題，通常包括長期穩(wěn)定性差、溫度不穩(wěn)定性、高頻無線電干擾 (RFI) 敏感性和濕度效應(yīng)。

為關(guān)鍵應(yīng)用選擇微差壓傳感器需要全盤考察多種因素。從基本傳感器到尖端復(fù)雜的傳感器，從眾多傳感器中選擇出合適的傳感器是一項艱巨的任務(wù)。選擇壓力傳感器時高信噪比是最重要的考量指標(biāo)。傳感器輸出的內(nèi)源信號越高，傳感器的長期穩(wěn)定性、溫度誤差漂移和EMI/RFI敏感性就越好。

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