压力传感器的设计教材课程.ppt

压力传感器 策划人：耿文飞 目录 产品背景和发展前景 产品设计的主要内容 产品系统的基本组成 产品背景和发展前景 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。压力传感器的应用相当广泛，设计起来相对简单，而且操作方便、价格便宜，适宜大规模使用，因此，本产品拥有广阔的发展前景。 产品背景和发展前景 1.压力传感器的发展 硅单 晶 材 料优良的压阻效应与完美的微加工技术相结合，被广泛用于制 备压力传感器。这种薄膜压力传感器的发展过程可以分为四个阶段。 (l) 发明 阶 段(1497~1906):这个阶段主要是以1497年双极性晶体管的发明 为标志。此后，半导体及设备的特性得到了广泛应用。史密斯(CS.Smith)于1945年发现了硅和锗的压阻效应[，即当有机械力作用于半导体材料时，其电阻发生变化。依据此原理制成的第一个压力传感器是把应变!创沮片粘在金属簿上，将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为Icm。 (2) 荃础 技 术发展阶段(1906一197)0:为提高传感器的性能，应变片被直接扩散在硅杯的底面簿膜上。用硅杯代替金属膜，’实现了金属一硅共晶体。这个阶段也是“商业和市场发展的阶段”，即把技术研究变为实际应用。此阶段最小加工线度为0.scm。 产品背景和发展前景 (3 )批 量加 工阶段(1907一198)0:采用选择性的各项异性的化学腐蚀加工的工艺提高膜片的性能。由于腐蚀可以在整个表面进行，因此，数百个传感器膜片可以一批加工完成。这一阶段类似于集成电路的制作。山于表面光刻技术的发展，加工尺寸十分精确，加之离子注入工艺的应用使工艺水平进一步提高。此阶段最小加工尺寸为0,2cm。 (4) 微 机械 加工阶段(1908~今):微机械加工工艺适应于结构型传感器，或线度在微米级(10一6协m)范围的其他结构。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，标志着传感器已进入了微米阶段。此阶段标志传感器的最小尺寸为0.02cm。 2. 压力传感器的研究现状 目前 ， 压 力传感器技术的研究方向: 1) 开发 耐 高温的压力传感器:主要是以新型半导体材料(IS)C为膜片的压阻式力传感器为代表。zierm an，Rene和vonBerg，Jochen等人先于1997年报 导了使用单晶n型psiC材料制成的压力传感器，这种压力传感器工作温度可 达573K，耐辐射，且有较高的灵敏度;okojie，Oberts和Ned， AlexanderA等人 产品背景和发展前景 1997年报导了可工作在500℃条件下的6H-SiC压阻式力传感器1101，它的满程输出范围可达40.66mV(230C )和20.03mV(5000C)，线性度可达一0.17%，电阻的温度系数为一0.25%/0C(1000C)和一0.05%/0C(5000C)o (2)微 机 械 加工的压力传感器:主要是以微机械加工为标志的，线度大约在1-2mm 左右的微型压力传感器，这种压力传感器由于体积很小，可以放置于人体的重要器官(如:血管、眼睛等)内进行有关数据的采集。Hachol, Andrzej;Dziuban,Ja nB ochenek,Andraejl11996年报导了他们研制的用于测量眼压(fJ眼压计，其膜片直径为1m m，灵敏度系数亦较高;Marco,S和Samitier,J等人于1997年也报导了使用极簿膜片构成的高性能、用于生物学研究的压阻式力传感器.主要用于血管压力测量 。 压强 单位面积上垂直方向的压力(f)大小 F A(单位面积) P = F (合力) 单位 : N/m2 = pa A 压力的种类 标准压力 现以大气压为标准，以压力 ‘0’为基准， 大于‘0’为 (正压)；小于‘0’为 (负压).? 延 伸 压 以大气压为标准，增加或减少的压力 绝对压力 以完全真空为标准，在完全真空下，在压力为 ‘0’时的压力.? 差 压 两压力之间的差压而言 控制输出 主回路 过电流保护回路 负荷 +V(褐色) 模拟电压输出 (橙色) OUT1(黑色) OUT2 (白色) 0V (青色) 12 - 24VDC + - 1K? 过电流保护回路 负荷 ◆ 模拟电压输出内部无保护回路. 不要超过额定电源电压. ◆ 使用模拟电压输出时，请注意与之相连仪器的阻抗；另外，要考虑配线电阻产生电压的影响。 NPN open