幾個重要類型的壓力傳感器

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

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。壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。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。

一、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。

二、壓電式壓力傳感器

壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

三、陶瓷式壓力傳感器

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。

四、厚膜壓力傳感器

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℃。

審核編輯黃昊宇