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压力传感器本安防爆技术分析

Alpha 阿尔法仪器 2021-10-05 335 126

压力传感器,是能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。

压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型,压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。

常见的压力传感器是差压传感器,而其中使用较多的是扩散硅压力传感器。

扩散硅压力传感器工作原理:扩散硅压力传感器的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷),使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,和用电子线路检测这一变化,并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

扩散硅压力传感器简介

扩散硅压力传感器是利用压阻效应原理,采用集成工艺技术经过掺杂、扩散,沿单晶硅片上的特点晶向,制成应变电阻,构成惠斯通电桥。利用硅材料的弹性力学特性,在同一切硅材料上进行各向异性微加工,就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。

扩散硅压力传感器的特点

1、适合制作小量程的传感器

硅芯片的这种力敏电阻的压阻效应在零点附近的低量程段无死区,制作压力传感器的量程可小到几个Kpa。

2、输出灵敏度高

硅应变电阻的灵敏因子比金属应变计高50~100倍,故相应的传感器的灵敏度就很高,一般量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊要求,使用比较方便。

3、精度高

由于传感器的感受、敏感转换和检测三部分由同一个元件实现,没有中间转换环节,重复性和迟滞误差较小。由于单晶硅本身刚度很大,变形很小,保证了良好的线性。

4、由于工作单性形变低至微应变数量级,弹性芯片最大位移在亚微米数量级,因而无磨损,无疲劳,无老化,寿命长达1×103压力循环,性能稳定,可靠性高。

5、由于硅的优良化学防腐性能,即使是非隔离型的扩散硅压力传感器,也有相当程度的适应各种介质的能力。

6、由于芯片采用集成工艺,又无传动部件,因此体积小,重量轻。

扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应,在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性,因而改变了半导体的导电机理,使得它的电阻率发生变化,这种物理现象称之为半导体的压阻效应 。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件,在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜(扩散出P型或N型电阻条)组成电桥。在压力(压强)作用下弹性元件产生应力,半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化,引起电阻的变化,经电桥转换成电压输出,则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯通电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用,电桥处于平衡状态(称为零位),当传感器受压后芯片电阻发生变化,电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源,电桥将输出与压力对应的电压信号,这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化,经过放大后,再经过电压电流的转换,变换成相应的电流信号。

根据扩散硅传感器的原理,其采集压力信号的部分电压和电流变化很小,所以前端可以直接看成是一个本安型元件。后端的处理电路,是接收来自压力传感器的放大信号,根据本安的处理,此电路需采取稳压限流的措施。

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