半导体单晶硅材料在受到外力作用,产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时,其原子结构内部的电子能级状态发生变化,从而导致其电阻率剧烈的变化,由其材料制成的电阻也就出现极大变化,这种物理效应叫压阻效应。人类是在本世纪五十年代才开始发现和研究这一效应的应用价值的。利用压阻效应原理,采用三维集成电路工艺技术及专用特殊工艺,在单晶硅片上的特定晶向,制成应变电阻构成的惠斯顿检测电桥,并同时利用硅的弹性力学特性,在同一硅片上进行特殊的机械加工,集应力敏感与力电转换检测于一体的这种力学量传感器,称为固态压阻传感器。
HQ系列压力、液位、差压传感器和变送器就是采用扩散硅压阻式传感器及专用信号放大电路经严格筛选、测试生产的。 主要特点:
输出信号大,灵敏度高:硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高50~100倍,故相应的传感器灵敏度很高,一般满量程输出100mV左右。因此对接口电路无特殊要求,应用成本相应较低。由于它是种非机械结构型传感器,因而分辨率极高,国外称之为无极限,即主要受限于外界的检测读出仪表限制及噪声干扰限制,一般均可达传感器满量程的十万分一之以下。硅压阻传感器在零点附近的低量程段无死区。
精度高:由于固态压阻压力传感器的感受、敏感转换和检测三部分由同一个元件实现,没有中间转换环节,所以重复性和迟滞误差极小。同时由于硅单晶本身刚度很大,形变很小,保证了良好的线性,因此综合静态精度很高。
由于芯体采用集成工艺,又无传动部件,因此体积小,重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性模数,敏感元件的固有频率很高。在动态应用时,动态精度高,使用频带宽,合理选择设计传感器外形,使用带宽可以从零频至100千赫兹。由于工作弹性形变低至微应变数量级,弹性薄膜最大位移在亚微米数量级,因而无磨损,无疲劳、无老化。寿命长达107压力循环次以上。且性能稳定,可靠性高。
由于微电子技术的进步,四个应变电阻的一致性可以做得很高,加之激光修调技术、计算机自动补偿技术的进步,目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达10-5/℃数量级,即在压力传感器领域已超过温度系数小的应变式传感器的水平。
由于硅的优良化学防腐性能,即使非隔离型的压阻压力传感器,也有相当程度的适应各种介质的能力。与硅油的良好可兼容性,使得隔离式结构易于实现。加之其低电压、低电流的低功耗特点,它是本质安全防爆型产品,可广泛用于各种化工工业检测控制等领域,具有最优性能价格比,因此,在压力变送器领域发展迅速,成为电容式压力变送器的换代产品。硅压阻传感器也有其弱点与局限,在弹性元件比较复杂的应用领域,如应变、扭矩、集中力测量中,不如应变片式传感器灵活适用。无隔离膜的硅压阻压力传感器在受到压力超过其过载能力时,硅膜易碎裂,这种失效模式会造成介质泄漏。无隔膜的硅压阻传感器一般不能用于测双端导电性介质的差压。成本较低的简单结构的硅压阻传感器较难实现简单的机械限位过载保护。但这些局限性均可在合理选型上得到克服。
选型要点:
依据被测压力性质,选择表压、差压或绝压模式。测量液位时,依据液位上方是自由大气压或密封气压选择表压或差压模式,如密封带压容器内的液位测量就应选差压模式。
一般来说,量程选择使工作压力值在标准量程值的60~100%为宜,系统中最大可能出现的过载压力,包括异常情况导致的过载压力不超过产品允许最大过载。若矛盾时,可向我公司技术部咨询,可依据不同系列,不同品种灵活处理、合理选择。
传感器给出的三项精度指标,均按国标用最小二乘直线或端基平移直线计算。精度等级确定应根据测量系统分配给传感器的最大误差选取。实用中习惯性的精度,有时还应考虑计入零位时漂,零位和灵敏度温度系数带入的附加误差。由于产品等级按多项参数分档,档级越高,价格越贵。某些特殊应用中,用户也可提出某些单项筛选指标,以便用较低价格满足较高的精度要求。我公司免费提供此类技术咨询服务。
对于使用温度范围宽,而又要求总精度高的用户,可用软件执行温度误差修正。本公司产品在补偿方法上,尽量避免采用非线性的温度系数补偿方法。而且,在某些产品系列,本公司备有压力、温度复合敏感元件,可以进行很高精度的跟踪补偿,用户可在订货时提出协商。
传感器分档表列温度系数,是补偿温区范围内的合格值。超过补偿温区,温度系数指标可能超标,但仍可使用,超过使用温度范围极限,即便有的传感器仍能工作,但寿命将大大缩短。对于长期在工作极限温度附近的使用工况,建议订货时详细协商,以保障使用效果与寿命。
传感器的动态频响,除决定于其敏感元件的固有频率外,更多时候是传感器结构的管腔结构参数限制。因此,有较高频响要求者,应先向我公司咨询,以便合理选型或特制。
普通差压传感器,若非特殊说明,一般使用在高压端压力高于低压端压力的正差压情况下。虽然固态压阻差压传感器都可同样用于负差压,多数两端基本对称,但负压差一般不另标定。因此,要求高对称性精度的差压用户,订货时需特别申明。
由于不同的传感器内部结构材料具有不同的介质兼容性,因此为了获得最优的使用效果,用户在选型订货时应说明使用的被测介质(名称、浓度、温度)。
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