固态压阻压力传感器系统应用指南 |
半导体单晶硅材料在受到外力作用，产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。人类是在本世纪五十年代才开始发现和研究这一效应的应用价值的。利用压阻效应原理，采用三维集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺，在单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻构成的惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，集应力敏感与力电转换检测于一体的这种力学量传感器，称为固态压阻传感器。以气、液体压强为检测对象的则称为固态压阻压力传感器，它诞生于六十年代末期。显然，它较之传统的膜合电位计式，力平衡式，变电感式，变电容式，金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进得多，目前仍是压力测量领域最新一代传感器。由于各自的特点及局限性，它虽然不能全面取代上述各种力学量传感器，但是，从八十年代中期以后，在美，日，欧传感器市场上，它已是压力传感器中执牛耳的品种，并与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。
主要特点：
1. 灵敏度高
硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高50～100倍，故相应的传感器灵敏度很高，一般满量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高，国外称之无限，即主要受限于外界的检测读出仪表限制及噪声干扰限制，一般均可达传感器满量程的十万分之一以下。硅压阻传感器在零点附近的低量程段无死区，且线性优良。
2. 精度高
由于固态压阻压力传感器的感受，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，所以不重复性和迟滞误差极小。同时由于硅单晶本身刚度很大，形变很小，保证了良好的线性，因此综合静态精度很高。
3. 体积小、重量轻、动态频响高
由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性模数，敏感元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设计传感器外型，使用带宽可以从零频至100千赫兹。
4. 性能稳定、可靠性高
由于工作弹性形变低至微应变数量级，弹性薄膜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107压力循环次以上。
5. 温度系数小
由于微电子技术的进步，四个应变电阻的一致性可做的很高，加之激光修调技术、计算机自动补偿技术的进步，目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达10-5/℃数量级,即在压力传感器领域已超过温度系数小的应变式传感器的水平。
6. 适应介质广
由于硅的优良化学防腐性能，与硅油的良好可兼容性，使得隔离式结构易于实现，即使非隔离型的压阻压力传感器，也有相当程度的适应各种介质的能力。
7. 安全防爆
由于其低电压、低电流的低功耗特点，它是本质安全防爆型产品，可广泛用于各种化工工业检测控制等领域，具有最优性价比。
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