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MEMS压力传感器

MEMS压力传感器具有输出灵敏度高、性能稳定、体积小巧、环境适应性强、重复性好等综合性能,这也是它广泛应用于各领域的基本原因。
       MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器,两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。
       硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的,具有较高的测量精度、较低的功耗,极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器,如无压力变化,其输出为零,几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版。
       电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状,上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器,上横隔栅受压力作用向下位移,改变了上下二根横隔栅的间距,也就改变了板间电容量的大小,即△压力=△电容量。

       MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁,采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处,组成惠斯顿测量电桥,作为力电变换测量电路,将压力这个物理量直接变换成电量,其测量精度能达0.01%~0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示,上下二层是玻璃体,中间是硅片,硅片中部做成一应力杯,其应力硅薄膜上部有一真空腔,使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中,应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起,发生弹性变形,四个电阻应变片因此而发生电阻变化,破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡,电桥输出与压力成正比的电压信号。

       MEMS压力传感器是基于 MEMS(微机电)技术,建立在微米/纳米基础上,在单晶硅片上刻融制作惠斯登电桥组成的硅应变计,这样制造的压力传感器具有输出灵敏度高,性能稳定,批量可靠性、重复性好等优点。下面从传感器的制作工艺、结构两方面分析一下MEMS压力传感器综合性能。
 
       先进的制作工艺: 经500℃以上高温熔化玻璃,将硅应变片烧结在17-4PH不锈钢传感弹性体上,弹性体受压变形后产生电信号,由带微处理器的数字补偿放大电路进行放大,经数字软件进行全智能温度补偿,输出标准信号。在标准净化生产过程中,参数严格受控,避免了温度、湿度及机械疲劳的影响,具有频响高、工作温度宽等特点,保证了传感器在工业恶劣环境中使用的长期稳定性。智能数字温度补偿电路将温度变化划分为若干小区间,每一个小区间的零位和补偿值都被分别写入补偿电路中,在使用中,这些值被写入受温度影响的模拟量输出路径中,每一个温度点都是该变送器的“校准温度”。传感器数字电路针对射频、电磁干扰、浪涌电压的工况进行精心设计,具有抗干扰能力强,供电范围宽、极性保护等特点。

       可靠的结构: 压力腔体采用进口17-4PH不锈钢整体加工,无"O"型圈、无焊缝,无泄漏隐患。传感器过载能力为200%FS,破坏压力为500%FS,适应高压力过载。针对液压系统可能产生的瞬间压力突变,传感器内置阻尼保护装置,能有效抵御瞬间压力冲击。

       MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机轨压力传感器。消费电子如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤,洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器,空调压力传感器,洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器。工业电子如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。

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