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微型压力传感器工作原理、介绍和应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-11-07  来源:传感器  浏览次数:86
     压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主,以弹性元件的形变指示压力,但这种结构尺寸大、质量轻,不能提供电学输出。随着半导体技术的发展,半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展,半导体传感器向着微型化发展,而且其功耗小、可靠性高。
    微型压力传感器具有体积微小、或超薄、防水、防油性能好等特点,广泛用于在空气动力学研究、生物医学应用,化爆或核爆冲击波等许多研究领域中。
    ◇量程范围广;
    ◇固有频率高;
    ◇体积小,高频动态响应;
    ◇动态压力传感器,微型压力传感器最小直径为2.54mm,长度为3.77mm
    ◇精度高,最高可做到0.1%FS;
    ◇温度范围宽,从低温-40℃到高温+120℃(特殊可到+175℃)。
    ◇长期稳定性好,耐各种恶劣环境。
    量程:0~1~150(MPa)
    综合精度:0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS
    输出信号:1.0mV/V、1.5mV/V、2.0mV/V、2.5mV/V、3.3mV/V(四线制)
    供电电压:10DCV(6~12DCV)
    介质温度:-20~85℃
    环境温度:常温(-20~85℃)
    负载电阻:
    电流输出型:最大800Ω;
    电压输出型:大于50KΩ
    绝缘电阻:大于2000MΩ(100VDC)
    密封等级:IP65
    长期稳定性能:0.1%FS/年
    振动影响:在机械振动频率20Hz~1000Hz内,输出变化小于0.1%FS
    电气接口(信号接口):四色排线输出
    机械连接(螺纹接口):1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等
    工作原理
    1、压阻式压力传感器
    电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。
    2、陶瓷压力传感器
    陶瓷压力传感器基于压阻效应,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片产生微小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面,连接成一个惠斯通电桥,由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号,标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等,可以和应变式传感器相兼容。
    3、扩散硅压力传感器:
    扩散硅压力传感器工作原理也是基于压阻效应,利用压阻效应原理,被测介质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,利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。
    4、蓝宝石压力传感器:
    利用应变电阻式工作原理,采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件,具有无与伦比的计量特性。因此,利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件,对温度变化不敏感,即使在高温条件下,也有着很好的工作特性;蓝宝石的抗辐射特性极强;另外,硅-蓝宝石半导体敏感元件,无p-n漂移。
    5、压电式压力传感器:
    压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
    应用领域
    压力传感器主要应用于:增压缸、增压器、气液增压缸、气液增压器、压力机,压缩机,空调制冷设备等领域。
    1、应用于液压系统
    压力传感器在液压系统中主要是来完成力的闭环控制。当控制阀芯突然移动时,在极短的时间内会形成几倍于系统工作压力的尖峰压力。在典型的行走机械和工业液压中,如果设计时没有考虑到这样的极端工况,任何压力传感器很快就会被破坏。需要使用抗冲击的压力传感器,压力传感器实现抗冲击主要有2种方法,一种是换应变式芯片,另一种方法是外接盘管,一般在液压系统中采用第一种方法,主要是因为安装方便。此外还有一个原因是压力传感器还要承受来自液压泵不间断的压力脉动。
    2.应用于安全控制系统
    压力传感器在安全控制系统中经常应用,主要针对的领域是空压机自身的安全管理系统。在安全控制领域有很多传感器应用,压力传感器作为一种非常常见的传感器,在安全控制系统中应用也不足为奇。
    在安全控制领域应用一般从性能方面来考虑,从价格上的考虑,还有从实际操作的安全性方便性来考虑,实际证明选择压力传感器的效果非常好。压力传感器利用机械设备的加工技术将一些元件以及信号调节器等装置安装在一块很小的芯片上面。所以体积小也是它的优点之一,除此之外,价格便宜也是它的另一大优点。在一定程度上它能够提高系统测试的准确度。在安全控制系统中,通过在出气口的管道设备中安装压力传感器来在一定程度上控制压缩机带来的压力,这算是一定的保护措施,也是非常有效的控制系统。当压缩机正常启动后,如果压力值未达到上限,那么控制器就会打开进气口通过调整来使得设备达到最大功率。
    3.应用于注塑模具
    压力传感器在注塑模具中有着重要的作用。压力传感器可被安装在注塑机的喷嘴、热流道系统、冷流道系统和模具的模腔内,它能够测量出塑料在注模、充模、保压和冷却过程中从注塑机的喷嘴到模腔之间某处的塑料压力。
    4.应用于监测矿山压力
    传感器技术作为矿山压力监控的关键性技术之一。一方面,我们应该正确应用已有的各种传感器来为采矿行业服务;另一方面,作为传感器厂家还要研制和开发新型压力传感器来适应更多的采矿行业应用。压力传感器有多种,而基于矿山压力监测的特殊环境,矿用压力传感器主要有:振弦式压力传感器、半导体压阻式压力传感器、金属应变片式压力传感器、差动变压器式压力传感器等。这些传感器在矿产行业都有广泛的应用,具体使用哪种传感器还有根据具体的采矿环境进行选择。
    5.应用于促进睡眠
    压力传感器本身无法促进睡眠,我们只是将压力传感器放在床垫地下,由于压力传感器具有高灵敏度,当人发生翻身、心跳以及呼吸等有关的动作时,传感器会分析这一系列信息,去推断睡眠人睡觉处于一个什么状态,然后通过对传感器的分析,收集传感器的信号得到心跳和呼吸节奏等睡眠的数据,最后将所有数据处理谱成一首段的曲目,当然能将你一个晚上的睡眠压缩成一首几分钟的音乐。
    6.应用于压缩机,空调冷设备
    压力传感器常用于空气压力机,以及空调制冷设备,这类传感器产品外形小巧、安装方便、导压口一般采用专用阀针式设计。
    LPS25H传感器
    意法半导体积极扩大压力传感器的市场份额,新推出的LPS25H微型压力传感器以其为移动应用优化的独特创新功能赢得一线智能手机厂商的青睐。
    据IHS研究报告显示,随着消费者对更先进的新款智能手机和平板电脑的需求日益提高,全球消费电子产品压力传感器市场规模将于2017年达到3.75亿美元[1]。压力传感器使终端产品能够精确检测楼层高度,提高位置服务(location-basedservices,LBS)质量,从而改进室内导航功能。压力数据还有助于航位推算,为智能手机新应用创造机会,例如天气分析和健康运动监视。
    LPS25H是一个MEMS(微机电系统)传感器,出自世界最大的MEMS供应商意法半导体,意法半导体在全世界拥有900余项MEMS相关专利和专利申请,让这款传感器具有很多独有特性功能。其中,增强的温度补偿功能让终端产品在不断变化的环境内仍能保持稳定的性能,而自动归零让用户一进入房间就立即获得精确的测量结果。
    此外,还有更多增值功能,如可控限值和中断。除移动应用外,意法半导体的LPS25H还适用于穿戴式装置、工业控制和智能家居系统。
    在谈到LPS25H羸得的第一个设计时,意法半导体高端传感器及模拟器件产品部总经理FrancescoItalia表示:“意法半导体的压力传感器兼备先进功能和同级最高的品质,增强了客户为市场提供优异的创新产品的信心。我们期待内置LPS25H的新智能手机取得巨大成功,提供优异的功能,给终端用户带来高附加值。”
    2.5mmx2.5mmx1mm微型传感器的空间占用极小,工作电流极低,仅为4µA,有助于延长电池使用寿命。超低噪声设计有助于确保精度在±0.2mbar以内。
    LPS25H在同一个封装内集成MEMS感应单元和IC接口电路。感应单元检的功能是测绝对压力,主要组件包括在一个单晶硅基板上制作的悬浮薄膜和一个防止薄膜破裂的原生机械挡块。意法半导体的先进制造工艺使薄膜比传统微加工技术制作的薄膜薄很多。
    IC接口芯片采用标准CMOS制造工艺,可实现高集成度,精确地调节接口电路,使其与感应单元的特性匹配。温度补偿算法采用二次修正,在宽温度范围内取得同级最好的精确度,不受温度变化的影响。通过集成一个数据存储先进选出存储器(FIFO,First-InFirst-Outmemory)和支持用户控制门限和中断,LPS25H最大限度降低了对系统资源的需求,从而简化软件设计。
    使用LPS25H的设计人员可利用意法半导体的广泛的MEMS技术专长和开发生态系统,包括LPS25H压力传感器评估套件以及连接STeval-MKI109V2主板的专用适配板(STeval-MKI142V1)。
    采用开孔LGA封装(HCLGA)的LPS25H的样片现已上市。
 
关键词: 传感器
 
 
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