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产品知识

浅谈接触式压力传感器

压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器,并广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应,从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传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压力传感器。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年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷,而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上,甚至将微型处理器与传感器集成在一起,制成智能传感器。这种新型传感器的优点是:频率响应高,适于动态测量;体积小,适于微型化;精度高,可达0.1~0.01%;灵敏高,比金属应变计高出很多倍,有些应用场合可不加放大器;无活动部件,可靠性高,能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大、工艺较复杂和造价高等。

压力传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内,引出电极引线。

接触式压力传感器原理

双面接触式电容压力传感器的原理是基于单面接触式电容压力传感器而来的。其工作原理是当传感器的受压膜片(即梁)与基底距离很近时,膜片受压后与基底接触,当压力变化时,通过改变接触面积的大小来改变电容量。

双面接触式电容压力传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压力传感器,这一部分只占接触式电容压力传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。

双面接触式电容压力传感器由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压力传感器的公共下电极,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。