【解析】传感技术之几类重要的压力传感器

蓝宝石压力传感器


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征。

1、蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象。

2、蓝宝石比硅要坚固，硬度更高、不怕形变。

3、蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘性，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，即使高温条件下，也有着很好的工作特性。

4、蓝宝石的抗辐射特性极强。

5、硅-蓝宝石半导体敏感元件无p-n飘移，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高，精度好，温度误差极小，性价比高。

扩散硅压力传感器

扩散硅压力传感器的工作原理是：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，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。

陶瓷压力传感器


抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面、室膜片的表面，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（闭桥），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等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0℃~70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和震动的材料。陶瓷的热稳定性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40℃~135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电器绝缘程度大于2KV，输出信号强，长期稳定性好。高特性、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其他类型传感器的趋势，在中国越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

陶瓷厚膜结构与力敏Z-元件的优势互补

厚膜压力传感器是继扩散硅压力传感器之后压力传感器的又一次重大的技术创新，而力敏Z-元件是目前国内外唯一具有数字信号输出的敏感元件，因此陶瓷厚膜工艺与力敏Z-元件的最简单电路的巧妙结合，可以出现一种性能优异、成本低廉的新型传感器。具体来说，陶瓷厚膜工艺有下述优点：

1、陶瓷弹性体性能优良，平整、均匀、质密的材料在程度范围内都严格遵循虎克定律，无塑性变形。

2、厚膜电阻（包括高温导线）能与陶瓷弹性膜片牢固地烧结在一起，不需用胶进行粘贴。这种刚性结构蠕变小，漂移小，静态性能稳定，动态性能好。

3、厚膜弹性体结构简单，易于制备。它与扩散硅压力传感器相比，不需半导体平面工艺来形成扩散电阻弹性膜片，大幅度减小了生产线的前期投入和工艺加工成本。

4、陶瓷厚膜结构耐液体或气体介质的腐蚀，不需通过不锈钢膜片和硅油的转换与隔离，封装结构简化，进一步降低成本。

5、工作量程宽。量程决定于膜片的有效半径与厚度之比，只要微压力不小于1Kpa，原则上较高的量程易于实现。

6、工作温度范围宽，可达-40℃~120℃。

陶瓷厚膜力数字传感器的结构设计

陶瓷厚膜力数字传感器主要由瓷环、陶瓷膜片和陶瓷盖板三部分组成。陶瓷膜片作为感力弹性体，采用95%的Al2O3瓷精加工而成，要求平整、均匀、质密，其厚度与有效半径视设计量程而定。

瓷环采用热压铸工艺高温烧制成型。陶瓷膜片与瓷环之间采用高温玻璃浆料，通过厚膜印刷、热烧成技术烧制在一起，形成周边固支的感力杯状弹性体，即在陶瓷的周边固支部分应形成无蠕变的刚性结构。在陶瓷膜片上表面，即瓷杯底部，用厚膜工艺技术做成传感器的电路。陶瓷盖板下部的圆形凹槽使盖板与膜片之间形成一定间隙，通过限位可防止膜片过载时因过度弯曲而破裂，形成对传感器的抗过载保护。

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