智能压力传感器系统设计
6页1、摘 要:智能压力传感器相对于传统的实验室压力测试虽然不够精准,但获得 压力数据的便利性却远超实验室压力测试,而在精确程度上却又比传统压力传感 器更胜一筹,因为所有的压感数据都会在传感器内部进行预处理,所以才能被称 之为“智能”。通过对智能传感器系统的设计思路、应用场景以及具体的技术路 线进行研究,就能够更好地把握智能压力传感器系统的设计关键以及注意事项, 更好地为各领域设计出能够满足其测压要求的智能压力传感器系统。关键词: 智能; 压力测试; 传感器系统传感器是一种对客观事物物理特性变化进行测试与监控的设备,一旦接收到 监控对象的物理特性出现变化,就会将这种变化以数据形式记录下来,并输出到 其他设备上,实现人机交互与直观显示,帮助人类做出下一步处置。由于传感器 是所有测试与监控系统的最前端,所以系统的稳定性与传感器的稳定性息息相关 但无论是温度、湿度、电磁波动等,都会影响传感器的精准性、可靠性,所以非 线性输出的传感器,往往也缺乏应有的检测精度。1. 智能传感器系统的设计思路对于传感器系统来说,传感器模组始终处于最前端,所以只有确保传感器模 组的元件足够灵敏、精确,才能够保障整个系统最
2、后检测结果足够精准1。从目 前情况来看,同时能够应用在多个压力检测场景下的传感器模组,往往需要具备 占地体积不大、相对精准且灵敏,而且需要有比较高的稳定程度,而恰恰是因为 固态压阻式压力传感器同时具备这些优势,所以才会被长期应用在液压、气压等 工况较为严苛的环境中。对于固态压阻式压力传感器来说,最关键的模组元件就 是硅膜片以及硅环,膜片被环固定后,会在两边形成一个高压腔与一个低压腔, 而两个腔体的压力差就会导致膜片变形、改变电阻阻值后,让电桥失衡输出响应 的电压电流,从而经过换算后得到膜片上感受到的压力差2。2. 智能压力传感器的应用2.1压力监控在工业化生产当中的很多场景,都需要应用压力传感器实现对压力的监控, 比如航天航空事业就需要随时监控舱内的气压变化,而汽车制造业也会通过压力 传感器来监控车胎气压、发动机油压以及中冷回路的水压等等3。相对于压力测 量,压力监控通常只需要较直观地展现出压力的变化,让用户能够根据变化趋势 作出判断与处置。2.2压力测量压力传感器最常见的应用场景,就是压力测量工作4。由于压力测量关乎工 业制造精度或是生产过程中的设备、人身安全,因此需要得出十分精确的
3、压力数 据。在使用压力传感器进行测量时,由于需要的精度存在差异,所以使用的压力 传感器技术也不相同。2.3压力控制通过将压力传感器系统应用到机械设备自动化当中,就能够实现压力控制功 能5。比如一台冰箱压缩机,要求将蒸发器中吸热低压的气态制冷剂吸入后压缩 形成55-58摄氏度,且压强约为112.8帕的高压,压入冷凝器当中。为了确保蒸 发器中的压力能够达到112.8帕之后迅速进入冷凝器,就需要压力传感器进行控 制,从而实现冰箱的持续制冷。压力传感器应用在压力控制功能时,不仅要能够 显示压力测量数据,还需要通过控制器IC实现自动化控制。3. 智能压力传感器的主要感应技术3.1压阻式传感器美国物理学家Charles S. Smith在1954年时在对硅和锗的电阻率与应力变 化特性测试时发现应力作用与电阻率变化之间关系,也就是压阻效应,压阻式传 感器的原理就是基于押租效应制作而来的6。当然,全面商用化的固态压阻式压 力传感器是从20世纪70年代初开始出现的,也是目前世界上应用场景最多的压 力传感器系统。而在压阻式传感器发展到今天之后,它的结构也随着制造工艺的 变化而出现了较大改变。最典型的压阻式
4、压力感应器结构包括真空密封腔、弹性 硅膜片、压敏电阻条7。弹性硅膜片一般是通过电化学蚀刻的方式完成制造,所 以能够很好地控制弹性硅膜片的压力感应精度,而压力传感器的真空密封腔则是 通过硅-硅键合的方式实现。而通过选择性离子注入后,就能够形成压敏电阻条 在弹性硅膜片表面承受压力之后,弹性硅膜片就会出现弯折,从而让弹性硅膜片 内应力,触发压敏电阻条后改变电阻值,惠斯通电桥则因此改变了输出电压。鉴于压阻式压力感应器制造原理简单、工艺要求不高,而且具备较好的线性 度,能够直接通过电压变化改变信号输出,所以传感器以及后续电路的接口相对 不需要更复杂的设计,也因此成为了压力传感器市场占有量最大的产品8。然而 压阻式压力感应器受温度影响较大,容易因温度导致压力测量不准确,而且相对 来说缺乏高精度压力测量所需要的灵敏度,所以对较严苛的工况适应力较差。3.2 电容式压力传感器电容式压力传感器则近年来比较受欢迎的智能压力传感器系统元件,因为其 相对压阻式压力感应器能够具有更好的测量精度,而且功耗也不高,不容易受温 度影响,加上结构简单不容易被外部应力影响,所以在许多工况较为复杂的工业 场景下很受青睐。电容
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