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      力傳感器和電路分離的環境壓力檢測設計

      時間:2021-03-20 點擊次數:

      傳感器是一種廣泛使用的儀器設備部件。傳統的機械結構設備主要是彈性元件的變形指示,但結構尺寸大,重量輕,不能提供電輸出。隨著半導體的發展,半導體也應運而生。其特點是體積小,重量輕,精度高,溫度特性好。特別是隨著MEMS的發展,半導體正在向微型發展,功耗低,可靠性高。高溫壓力是為了解決高溫下測量各種氣體和液體的壓力。主要用于測量鍋爐、管道、高溫反應容器中的壓力、井下壓力、各種發動機腔中的壓力、高溫油的液位和油井測量。

      現在研究較多的高溫壓力傳感器主要有SOS,SOI,SiO2,Poly2Si等半導體傳感器,以及濺射式合金膜高溫壓力傳感器,高溫光纖壓力傳感器,高溫電容式壓力傳感器等。與壓阻式壓力傳感器相比,半導體電容式壓力傳感器度穩定性好,功耗低,只對壓力敏感,對應力不敏感,所以電容壓力傳感器廣泛應用于很多領域。高溫壓力傳感器應用于很多領域。由于高溫故障,傳感器方案是解決高溫測量的方法之一。

      本文介紹了與傳感器模型識別的微電容壓力傳感器。傳感器通過MEMS技術實現,信號激勵和信號處理通過計算機完成。電路工作過程進行了計算機模擬和試驗,提供了微型高溫壓力傳感器的MEMS工藝。

      1.設備的基本組成和制造技術。

      硅電容壓力傳感器的敏感部件是半導體薄膜,可采用單晶硅、多晶硅等半導體技術制造。一般的電容式傳感器包括上下電極,絕緣體和底層。當薄膜受到壓力時,薄膜會發生一定的變形,所以上下電極之間的距離會發生變化,容量也會發生變化。但是,電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離關系是非線性的,所以必須使用具有補償功能的測量電路量電路進行非線性補償。高溫壓力傳感器在高溫下工作,補償電路受溫度影響,誤差較大。

      模型識別的高溫壓力傳感器是為了避免在高溫環境下補償電路的大誤差,其設計方案是通過模型識別傳感器和放大電路來測量環境的壓力。高溫工作區的溫度可達350℃。傳感器由鉑電阻和電容壓力傳感器組成。其MEMS技術如下:

      高溫壓力傳感器由硅片、底層、下電極和絕緣層組成。其中下電極位于厚支撐的底部。絕緣層蒸在電極上。硅片采用各向異性腐蝕技術,從正面和背面腐蝕硅片。上下電極之間的間隙由硅片的腐蝕深度決定。硅片和底層通過結合技術結合,形成具有一定穩定性的硅片電容壓力傳感器[2]。

      耐高溫、對溫度敏感的白金電阻,選用白金電阻,可用作普通電阻,也可用作溫度傳感器檢測環境溫度。當金屬白金電阻與硅膜片的參數為0℃時,其電阻值為1000ω,電阻率為1.0526316×10-5ωcm,密度為21440kg/m3,比熱為132.51J/(kg)k,熔斷溫度為1769℃,因此,白金電阻可加工成0.02mm厚度為0.2μm的總長度為3800μm,形成鋸齒狀,可在10V寬度的階梯信號下正常工作。電容式壓力傳感器的上下電極間隙為3μm,圓板電容器的上下電極半徑為73μm,其電容值為50pF。

      識別技術的模型及其模擬。

      對于一個系統,它的方程是UO(s)=G(s)Ui(s),UO(s)和Ui(s)分別是輸出和輸入信號。輸出、輸入信號和系統的階段數已知。計算機可以根據一定的標準識別G(s)的模型參數。本文主要闡述了應用模型識別的方法,以確定電容壓力傳感器在高溫環境下的電容值。

      2.1電路模型。

      對于溫度變化敏感的金屬白金電阻,選擇零度時電阻值為1000ω,溫度系數為3851×10-6/℃的金屬白金電阻,當溫度變化范圍為-50~350℃時,相應的電阻值為803.07~2296.73ω。環境溫度可通過電阻的變化來測量。在不同的壓力下,壓力傳感器具有不同的電容值,所以在相同的溫度下輸入相同的交流電壓信號時,輸出信號也不一樣。

      2.2時域內系統算法。

      以上可以看出,該系統穩定,無振動。以下是響應曲線的斜度:

      從式(3)以lg[1-UO(t)]為縱向坐標,t為橫向坐標,通過原點直線,從直線的斜度得到常數RC的值,知道R得到c,得到壓力。

      深圳市力準傳感技術有限公司是專業研發生產高品質、高精度力值測量傳感器的廠家。主要產品有微型傳感器、柱式傳感器、拉壓傳感器、壓力傳感器、稱重傳感器、測力傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器、壓力變送器、液壓傳感器、控制儀表、以及手持儀等力控產品達千余種。并已獲得多項國家知識產權,產品技術持續創新、新品研發能力強。

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