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- 低壓硅傳感器如何選型
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2015/8/5
什么能正確的組成低壓傳感器系統(tǒng)？一般來說，在硅傳感器中典型的壓力范圍在0–0.15psiF.S.之間，常常能到上升到0–10,000psi。廠商對(duì)不同低壓的定義為，基于其傳感器的設(shè)計(jì)和它們的生產(chǎn)過程。響應(yīng)小于5psi的傳感器一般要求不同的沖模拓?fù)浜凸に嚰夹g(shù)。根據(jù)此問題的討論，也就是將小于5psi的壓力定義為低壓范圍。硅工藝的差異形成低壓感測(cè)的硅微機(jī)械元件由同類工藝制造，以形成標(biāo)準(zhǔn)的壓力量程元件，但存在關(guān)鍵的區(qū)別。標(biāo)準(zhǔn)量程的元件包括蝕刻在薄隔膜上的電阻橋（惠斯通方式）。當(dāng)電壓源激勵(lì)的壓力形成隔膜偏移時(shí)就會(huì)改變電阻值并且引起輸出電壓的變化。低壓硅傳感器工作與此類似，但也存在明顯的特征，包括突起的隔膜結(jié)構(gòu)和用于應(yīng)力集中的約50%的隔膜面積。精確地蝕刻薄膜厚度和策略的放置電阻也能極大地?cái)U(kuò)大傳感器的容量。另外，硅傳感器采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體批處理工藝也會(huì)出現(xiàn)其規(guī)模生產(chǎn)的成本優(yōu)勢(shì)。
低壓硅傳感器，可以對(duì)十分之一磅/in2的應(yīng)力產(chǎn)生響應(yīng)，目前已有這種產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用。
在非常小的變化范圍內(nèi)，硅傳感器已能測(cè)量液位壓力的微弱變化或呼出物施加的壓力。這些裝置采用了壓力感測(cè)的新型技術(shù)，可以取代很多應(yīng)用的機(jī)械壓力裝置。
但你如何能在應(yīng)用中進(jìn)行最好的選擇呢？判斷的好方法就是測(cè)試硅傳感器和傳統(tǒng)傳感器間的差別，市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和你所用的硅傳感器的技術(shù)規(guī)格。
低壓硅傳感器通常用于以下三個(gè)主要市場(chǎng)：
1. HVAC.低壓傳感器是加熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)中不可缺少的部件。在其它應(yīng)用中，它們可以監(jiān)測(cè)通風(fēng)和空氣流量，確定氣流的體積，檢測(cè)由于弄臟的過濾器變化引起的負(fù)荷問題以及控制整個(gè)系統(tǒng)的壓力。這些應(yīng)用都要求產(chǎn)品在0.015psi的壓力變化中能檢測(cè)出壓力差別。
2. 醫(yī)藥，如果沒有小尺寸的傳感器，許多醫(yī)學(xué)應(yīng)用都不可能檢測(cè)環(huán)境變化和條件。所以設(shè)計(jì)必須滿足如下要求：相對(duì)小的傳感器（1–2mm）,能測(cè)量人體內(nèi)的流體壓力。這些裝置一般為導(dǎo)尿管器件，它們可以插入頭蓋骨。心腔或子宮，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棘手的外科手術(shù)，這種情況絕對(duì)了產(chǎn)品為一次性的低價(jià)品。用于呼吸計(jì)的低壓產(chǎn)品要求傳感器量程在0.5psi以下。這些作業(yè)以前由根據(jù)時(shí)間變化的機(jī)械壓力開關(guān)執(zhí)行。
3. 汽車，低費(fèi)用和高可靠性是組成感測(cè)外部汽車條件的基本要素，包括噴射。汽油蒸汽和排氣裝置。新近的汽車都采用硅傳感器監(jiān)測(cè)輪胎。管線和剎車壓力。硅半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用范圍也可擴(kuò)展到制造封裝技術(shù)以保護(hù)汽車元件在惡劣環(huán)境條件下的使用。
應(yīng)用要求和傳感器類型由于每種應(yīng)用都有其各自的特點(diǎn)，因此，你必須在選擇過程中充分考慮整個(gè)系統(tǒng)的各方面影響。務(wù)必確定壓力源的輸入，希望的輸出和各種相關(guān)的操作條件。安裝位置和方向，與壓力源的遠(yuǎn)近程度。導(dǎo)線應(yīng)力。接口和壓力連接。確定封裝形式能承受的沖擊性能和影響的精度范圍。例如在醫(yī)藥應(yīng)用中，感測(cè)壓力的膜元件必須進(jìn)行無封裝安裝。在受溫度波動(dòng)影響的測(cè)量過程中，必須有更高級(jí)的傳感器用于補(bǔ)償和校準(zhǔn)偏移量，如此才能消除材料產(chǎn)生的溫度系數(shù)。諸如濕度和污染等周圍環(huán)境，也會(huì)對(duì)醫(yī)學(xué)的防護(hù)應(yīng)用產(chǎn)生影響。
精度方面的權(quán)衡結(jié)果是通過微處理器控制某些特性并消除不希望的結(jié)果。系統(tǒng)組成（如電源。放大器。A/D轉(zhuǎn)換器。控制電路）與傳感器模擬輸出信號(hào)的兼容性必須達(dá)到希望的解決方案和全部設(shè)計(jì)的精度。
每種壓力傳感器都有材料特性，其能根據(jù)施加的壓力變化形成可度量的輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)你在考慮通用檢測(cè)器的技術(shù)數(shù)據(jù)時(shí)，務(wù)必要牢記自己的技術(shù)需求。硅微機(jī)械材料。這些產(chǎn)品由注入電阻的微機(jī)械硅隔膜組成，這種隔膜能在壓力作用下產(chǎn)生壓電變化。應(yīng)用包括醫(yī)學(xué)通風(fēng)設(shè)備、身體內(nèi)壓檢測(cè)、汽車通風(fēng)、真空吸塵、蒸汽壓力。
電子材料：這類產(chǎn)品包括應(yīng)力計(jì)和可變電容傳感器（非微機(jī)械硅制造的）。應(yīng)力計(jì)采用偏轉(zhuǎn)厚/薄膜。金屬薄片或粘合金屬薄片的耦合效應(yīng)�？勺冸娙菰Y(jié)合電容的變化并將它轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的信號(hào)。應(yīng)力計(jì)用于接觸式和機(jī)械壓力應(yīng)用中。
真空計(jì)：真空傳感器將加熱導(dǎo)線作為平衡橋的一個(gè)腿，通過測(cè)量其阻值的變化來檢測(cè)壓力。它們主要用于檢測(cè)真空泵腔室達(dá)到的真空值，諸如電子顯微鏡和其它工藝設(shè)備。
壓電材料：這類傳感器是由聚合體。
晶體：陶瓷和薄膜制成，當(dāng)它們被施加機(jī)械時(shí)會(huì)產(chǎn)生電極化。這類產(chǎn)品非常適合用于動(dòng)態(tài)壓力源而不適合用于大氣壓力那樣的連續(xù)靜態(tài)情況。它們能在惡劣環(huán)境下很好地工作。
可變磁阻材料：可變磁阻傳感器在兩個(gè)金屬膜的偏轉(zhuǎn)感測(cè)隔膜間結(jié)合一個(gè)感應(yīng)的半橋配置。感應(yīng)/阻抗的變化結(jié)果能產(chǎn)生一個(gè)變化的AC信號(hào)。典型的應(yīng)用包括低壓HVAC。了解使用規(guī)范一旦你確定了設(shè)計(jì)要求，就可以按優(yōu)先秩序決定最重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)并判斷何種技術(shù)最適合你的應(yīng)用。你如何確定何種標(biāo)準(zhǔn)是最重要的呢？系統(tǒng)規(guī)范通常要求某一方面的參數(shù)必須保證，主要就是壓力操作范圍，其一般定位最高優(yōu)先權(quán)。而對(duì)于用于體積的低壓微機(jī)械裝置，你可以在價(jià)格的前提下考慮更寬的響應(yīng)范圍。
隨著壓力范圍和靈敏度的確認(rèn)，一般按級(jí)別排列的標(biāo)準(zhǔn)順序?yàn)槲锢沓叽�、造價(jià)、精度、溫度性能、可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和媒介兼容性。實(shí)際證明精度和溫度性能常常是最復(fù)雜的處理因素。每個(gè)生產(chǎn)商都會(huì)將他們的精度規(guī)范描述的不錯(cuò)，但是這些參數(shù)必須被轉(zhuǎn)換為可比較的單位以增加它們的可比性（千萬不要被這些誤導(dǎo)的規(guī)范所迷惑�。�。為了幫助大家對(duì)性能規(guī)范的了解，以下列出了對(duì)精度定義的最通用解釋，以及對(duì)每項(xiàng)內(nèi)容最值得關(guān)注的變化。第一組假設(shè)參考溫度在25°C。零點(diǎn)/偏移量。在課本上激勵(lì)的輸出電壓值通常認(rèn)為是在25°C條件時(shí)施加的零電壓。一般表示為0±m(xù)V。由于相對(duì)變化的原因，在施加更高的電壓或電流時(shí)將產(chǎn)生更多的偏移。
零點(diǎn)壓力的滯后性：當(dāng)傳感器用于一個(gè)或多個(gè)滿量程壓力的循環(huán)測(cè)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)的重復(fù)測(cè)量問題。其單位用滿量程輸出的百分比表示。在計(jì)算零點(diǎn)壓力的滯后性能時(shí)，不同的傳感器廠商會(huì)使用不同的壓力循環(huán)次數(shù)和不同的滿量程范圍。
壓力量程的滯后性：當(dāng)傳感器用于一個(gè)或多個(gè)壓力循環(huán)時(shí)，輸出量程的重復(fù)測(cè)量值。該值通常用最差情況下滿量程輸出得百分比表示。
量程的溫度遲滯性能：當(dāng)傳感器循環(huán)用在同一溫度下時(shí)，對(duì)量程的重復(fù)性判別。換言之，傳感器受制于最小和最大溫度限制。循環(huán)使用后量程的讀數(shù)差別就是量程的溫度遲滯性能。該參數(shù)用滿量程輸出的百分比表示。因而，滿量程壓力讀數(shù)確定了各種溫度下循環(huán)使用時(shí)在量程上的最差變化。
靈敏度：輸出信號(hào)變化量與壓力變化量的比率。實(shí)際中該單位的情況取決于廠商，但該值一般用mV/V或I/psi表示。靈敏度是確定系統(tǒng)解決方案的關(guān)鍵性能指標(biāo)。
長(zhǎng)期穩(wěn)定性：在一定時(shí)間內(nèi)，對(duì)量程和零點(diǎn)性能變化的度量。一般用mV表示。圖1.為了計(jì)算線性，最優(yōu)的直線（BFSL）誤差法可提供平均誤差測(cè)量，BFSL直線與實(shí)際的檢測(cè)壓力存在一定的誤差（見圖1）。最終的基本線性是由從零點(diǎn)到全量程中間點(diǎn)測(cè)量壓力的最差情況決定。
量程的非線性：當(dāng)壓力增加時(shí)，硅微機(jī)械傳感器產(chǎn)生的比例輸出一般都較低。因此對(duì)于高壓而言壓力變換器會(huì)顯示較低的輸出，而實(shí)際的線性只能推測(cè)指示。目前有兩種計(jì)算線性的基本方法。最優(yōu)的直線（BFSL）誤差法可提供平均誤差測(cè)量，BFSL直線與實(shí)際的檢測(cè)壓力存在一定的誤差。最終的基本線性是由從零點(diǎn)到全量程中間點(diǎn)測(cè)量壓力的最差情況決定。終端的非線性一般為2xBFSL非線性。規(guī)范的第二類描述了與溫度相關(guān)的精度情況。當(dāng)溫度變化時(shí)，所有的傳感器都存在非重復(fù)性的零點(diǎn)漂移。典型的橋電阻在室溫的變化約在+3000ppm/°C（有時(shí)也會(huì)用mV/V/°C表示）。然而，在低于室溫情況下（通常為–20°C）,阻抗會(huì)出現(xiàn)零斜率并轉(zhuǎn)換。在這種條件下，假設(shè)電阻與溫度間的線性變化關(guān)系是無效的，因此修正系數(shù)項(xiàng)必須結(jié)合進(jìn)傳感器模塊。所能做的最好情況僅是將誤差減到最小，實(shí)際中采用時(shí)同個(gè)別廠商使用的容忍標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。廠商為了使其性能標(biāo)準(zhǔn)最佳化，故每個(gè)廠商都會(huì)提出不同性能的指標(biāo)。
零點(diǎn)的溫度系數(shù)（三種方式）：該值很難準(zhǔn)確定義，精確的規(guī)定受廠商的變化影響。有些廠商采用簡(jiǎn)單的線性，既在參照溫度（25°C）連接兩個(gè)終點(diǎn)的直線，特別的誤差應(yīng)該比蝶閥規(guī)定的理想量程校零點(diǎn)溫度系數(shù)的第二種定義是在指定溫度范圍內(nèi)，溫度誤差應(yīng)比給定的滿量程百分比低。這是該性能起碼的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，但并不廣泛采用。第三種方法是用三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算BFSL。有三種技術(shù)都可用于確定零點(diǎn)的溫度系數(shù)。以兩個(gè)端點(diǎn)溫度為參考點(diǎn)的簡(jiǎn)單直線法可以提供最多的信息。滿量程誤差法對(duì)裝置性能提供的信息最少，但它是廣泛使用的。三種技術(shù)中，第一種提供最最多數(shù)據(jù)信息，而第三種（BFSL誤差）提供給用戶有限的精度。第二種方法提供的裝置性能信息最少。
零點(diǎn)的溫度滯后：當(dāng)傳感器用于一個(gè)或多個(gè)溫度循環(huán)周期時(shí)，該讀數(shù)反映了零點(diǎn)重復(fù)性的測(cè)量。在一定循環(huán)后，零點(diǎn)讀數(shù)的差異反映了溫度的滯后性，一般定義為滿量程輸出的百分比。因此，滿量程壓力讀數(shù)確定了整個(gè)溫度循環(huán)中最差的溫度偏移情況。
溫度補(bǔ)償：這是一種消除溫度變化影響的方法，其采用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型確定厚膜電阻的修正值。運(yùn)行在各種變化溫度下的操作系統(tǒng)既需要通過電子系統(tǒng)的補(bǔ)償，也需要傳感器廠商的事先調(diào)整。各種誤差元件的結(jié)合可用于描述傳感器誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響。以下兩種定義廣泛用于描述整個(gè)傳感器的精度：最差情況誤差。各種相關(guān)的單誤差的總和，這里：誤差（最壞情況）=E1+E2+E3...En最可能的誤差。定義為單個(gè)誤差平方和的平方根，這里：誤差（最可能情況）=（E12+E22+E32+...En2） RMS不受誤差的方向影響。
產(chǎn)品選型表現(xiàn)在你可以進(jìn)行選擇了，你已經(jīng)確定好了選擇標(biāo)準(zhǔn)，你有了設(shè)計(jì)約束清單，可以用它們做出決定了。
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