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(biāo)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(kuò)散硅、電容式、硅藍(lán)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(lán)寶石壓力傳感器

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

藍(lán)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(lán)寶石比硅要堅固，硬度更高、不怕形變；而且藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣性，因此，利用硅-藍(lán)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(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng)；另外，硅-藍(lán)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(lán)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(kuò)散硅壓力傳感器

擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的信號根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)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(biāo)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(bǔ)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(rèn)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(dá)-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(qiáng)，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(kuò)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(bǔ)

厚膜壓力傳感器是繼擴(kuò)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(yán)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(jìn)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(kuò)散硅壓力傳感器相比，不需半導(dǎo)體平面工藝來形成擴(kuò)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(jìn)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(dá)-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(hù)。