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简单分析接触式壓力傳感器

時間:2019-11-13 10:45來源:傳感器專家網 作者:鄭州u9彩票科技 點擊:

壓力傳感器是工業實踐、儀器儀表控制中最爲常用的一種傳感器,並廣泛應用于各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、生産自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等衆多行業。

1954年C.S.史密斯詳細研究了矽的壓阻效應,從此開始用矽制造壓力傳感器。早期的硅壓力傳感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条,并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型壓力傳感器。这两种传感器都同样采用粘片结构,因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。

70年代以來制成了周邊固定支撐的電阻和矽膜片的一體化矽杯式扩散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結構的固有缺陷,而且能將電阻條、補償電路和信號調整電路集成在一塊矽片上,甚至將微型處理器與傳感器集成在一起,制成智能傳感器。這種新型傳感器的優點是:頻率響應高,適于動態測量;體積小,適于微型化;精度高,可達0.1~0.01%;靈敏高,比金屬應變計高出很多倍,有些應用場合可不加放大器;無活動部件,可靠性高,能工作于振動、沖擊、腐蝕、強幹擾等惡劣環境。其缺點是溫度影響較大、工藝較複雜和造價高等。

壓力傳感器的种类繁多,如电阻应变片壓力傳感器、半导体应变片壓力傳感器、压阻式壓力傳感器、电感式壓力傳感器、电容式壓力傳感器、谐振式壓力傳感器及电容式加速度傳感器等。但應用最爲廣泛的是压阻式壓力傳感器,它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。這種傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶矽膜片上,制成矽壓阻芯片,並將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內,引出電極引線。

接触式壓力傳感器原理

双面接触式电容壓力傳感器的原理是基于单面接触式电容壓力傳感器而來的。其工作原理是當傳感器的受壓膜片(即梁)與基底距離很近時,膜片受壓後與基底接觸,當壓力變化時,通過改變接觸面積的大小來改變電容量。

双面接触式电容壓力傳感器的电容由两部分组成:一部分为梁受压后,尚未接触到衬底上的绝缘层时形成的电容,此电容类似于常规的电容壓力傳感器,这一部分只占接触式电容壓力傳感器的电容量的很小一部分;另一部分是梁接触到衬底后形成的电容,这部分电容量才是需要的电容量,而且它占主导地位,较多采用的是国产品牌电容。当压力增加时,梁与衬底的接触面积增加,同时梁与衬底的非接触部分减少。刚开始,电容主要由非接触部分提供,随着压力的增加,梁开始接触衬底的绝缘层后,非接触部分提供的电容逐渐减少,而接触部分提供的电容与接触面积将呈线性增加。由于绝缘层非常薄,因此当梁开始与衬底上的绝缘层接触后,接触面积所提供的电容将占主导地位。

双面接触式电容壓力傳感器由3个硅晶片(其中有两个晶片B是一样的)用硅熔融法进行键合,先把晶片A正反两面腐蚀两个同样大小的沟槽来作为传感器的真空腔,然后在这两个大沟槽上淀积一层二氧化硅作为绝缘层,同时把晶片A作为双面接触式电容壓力傳感器的公共下电极,接着把两片用浓的固态硼扩散好的晶体B用熔融键合的办法键合在晶片A的正反两面,用离子刻蚀法刻蚀掉晶片B最外层的重掺杂层,紧接着用自停止腐蚀法去掉轻掺杂层,得到最里面的重掺杂层作为传感器的上电极。对于晶片A和B,可以采用圆形、方形、矩形膜,本次设计采用圆形膜。