解析|最新矽壓力感測器與傳統矽壓力感測器的對比

雖然矽油壓力感測器相關的歷史問題已經有了很好的記錄,隨著最近感測器設計的進步使得有了改進版本,並克服了許多缺點,印象感測器和系統有限公司銷售總監SamDrury說。

解析|最新矽壓力感測器與傳統矽壓力感測器的對比

歷史上,使用矽感測元件的充油壓力感測器在測量效能和可靠性方面受到了許多不同因素的影響。然而,現在進入市場的最新版本得益於許多改進的機械設計,因此能夠克服這些缺點。

大多數矽壓力感測器都是介質隔離型的,即它們使用隔離隔膜工作。當測量壓力時,這種隔膜透過油將壓力彎曲並傳遞到矽片上。與最新的感測器設計相比,傳統的充油隔膜、矽壓力感測器使用的油量要大得多。

雖然這種油的成本一般不是使用者的問題,但這種油對感測器的整體效能和熱穩定性的影響是一個關鍵的設計因素。在傳統的設計中,空氣往往會穿透房屋,並被困在油中,這可能會造成問題。當感測器的工作溫度波動時,隨著空氣的膨脹或收縮,油的物理特性發生變化,從而導致測量誤差。隨著時間的推移,當感測器變得不那麼密閉,更多的空氣將進入室內,問題惡化。

為了解決這些問題,最新的矽壓力感測器採用了改進的機械密封設計,與以前的版本相比,這種設計只使用了石油體積的一小部分。這意味著,即使任何空氣進入油,油量也會減少,因此溫度波動對油的影響要小得多,從而使測量效能更加可靠,熱穩定性得到改善。這些影響並沒有完全消除,但與傳統版本相比大大減少了。這意味著最新的感測器與改進的機械密封現在適合在真空條件下使用。

現在也有可能出現更高的超壓。通常情況下,最新的矽壓力感測器在1 bar及以上工作時會提供5倍的超壓,這比目前市面上的裝置要高得多,因此為客戶提供了額外的安全保障,即使在系統超壓狀態下,感測器也能持續。同樣,對於1巴以下的壓力範圍,最新的感測器通常提供10倍的超壓,因此保護敏感的低量程隔膜。

精度也提高到±0。1%,與傳統的感測器相比有很大的提高,包括感測器的解析度、重複性和熱穩定性也有類似的提高。

全不鏽鋼結構的充油矽壓力感測器也可用於食品和飲料加工。最新的感應器與食品級油一起工作,由於其密封效能的改善,能夠抵抗頻繁的洗滌、化學物質和其他清潔劑。

過去,充油矽壓力感測器一直存在定位問題。例如,如果一個感測器在水平位置被工廠校準為4mA,但在應用中,則安裝在一個角度或略有偏移的位置,油的物理特性的變化(由於重力效應)可能會影響感測器的測量效能。在最新的版本,使用的油明顯較少,並沒有受到同等程度的影響,重力對石油的影響大大減少。

使用者選擇矽壓力感測器而不是替代壓力感測技術有很多原因。以下是一些技術優勢:

完全彈性

用矽壓力感測器,基底膜片通常由‘n’型單晶層矽製成,100%的彈性一直到它的斷點。這使矽成為用作感測膜片的理想材料。

低滯後

高彈性材料和幾乎完美的粘合和整合應變規的結合產生了一個幾乎沒有滯後的結構。這可以確保壓力讀數是精確的,而不管壓力變化的方向如何。

重複性

應變計是將壓力轉換成電訊號的關鍵元件。由於這些量規是化學改變的區域的一片均勻的材料,他們將幾乎完全變形(沒有滯後或分離)與應力的隔膜。這意味著壓力測量的重複性在許多壓力迴圈中是很好的(即感測器沒有疲勞)。

高規因子

對於給定的壓力變化,半導體應變計之間的電壓降可以達到很高的水平,這意味著可以更好地利用模擬數字解析度和提高信噪比。

緊湊輕巧

矽晶片和矽壓阻元件採用化學刻蝕、微機械加工、摻雜和掩蔽相結合的方法制造,利用微電子元件製造機械結構,使微型感測元件得以生產。由於感測膜片通常是控制整個感測器設計直徑的限制因素,一個更緊湊的感測元件將有助於工程師設計更緊湊、重量更輕的壓力感測器。

加速

矽感測元件的緊湊性和重量減輕意味著它們對加速力不太敏感。因此,這些感測器在具有高G力水平、高振動或衝擊的應用中是首選的。

穩定度

半導體應變計不是貼上、印刷或電鍍到感測膜片表面,而是同一材料的化學改變部分。隨著時間的推移,應變片鍵會隨著壓力和溫度的迴圈而惡化或變化,從而導致感測器效能的不穩定。

高超壓

與其他型別的應變計相比,半導體應變計的規範因數較高,因此可以在給定的壓力範圍內使用更硬的隔膜,以便能夠指定高超壓額定值,而不會影響太大的靈敏度。矽的高彈性也使得矽比其它彈性較低的隔膜材料更容易應變,幾乎沒有產生應力。

動態響應

由於半導體應變片的靈敏度高,對於感測膜片而言,其相對於橫截面面積的厚度相對較高。此外,小尺寸導致很高的固有頻率。這結合彈性和原子結合應變儀,使矽應變片高度響應快速變化的壓力。