在傳感器行業(yè)中,力、溫度、流量是應(yīng)用最為廣泛的幾種傳感器。在當(dāng)今快節(jié)奏的人類社會(huì)里,因科學(xué)及工程技術(shù)的高速發(fā)展,在不同的行業(yè)技術(shù)應(yīng)用中對經(jīng)典物理量的監(jiān)測相比以往都出現(xiàn)了更高的頻次和不同維度的應(yīng)用需求。
在本文中,通過對壓阻式壓力傳感器技術(shù)、應(yīng)用、產(chǎn)品的解析,就一些相關(guān)原理與概念做一個(gè)分享。
壓力傳感器
在測量上所稱“壓力”就是物理學(xué)中的“壓強(qiáng)”,反應(yīng)物質(zhì)狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。在壓力測量中,有表壓、絕壓(絕對壓力)、負(fù)壓、真空度之分。在工業(yè)中所用的壓力指示值大多為表壓,即絕對壓力和大氣壓力的差值,所以絕壓就是表壓和大氣壓的和。若測量壓力低于大氣壓,則稱為負(fù)壓或真空度。
測量壓力的傳感器在工作原理上分為壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、壓磁式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、霍爾式壓力計(jì)等。
壓阻式壓力傳感器
半導(dǎo)體應(yīng)變片式傳感器在實(shí)際應(yīng)用中被稱為壓阻式壓力傳感器,壓阻式壓力傳感器在早期利用半導(dǎo)體應(yīng)變片粘貼在彈性體上制成。上世紀(jì)70年代后期,研制出了周邊固定的力敏電阻和硅膜一體化的擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器,克服了粘貼帶來的滯后、蠕變及固有頻率較低和集成化困難的缺點(diǎn),且把應(yīng)變電阻條和誤差補(bǔ)償、信號(hào)調(diào)理等電路集成在一塊硅片上。
壓阻式壓力傳感器的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕、易集成,擁有超高的靈敏度和分辨率,適合對微小壓力進(jìn)行檢測。但由于它采用半導(dǎo)體硅材料制成,對溫度敏感,如不采用溫度補(bǔ)償,溫度誤差會(huì)很大。
壓阻式壓力傳感器應(yīng)用
由于壓阻式壓力傳感器具備一系列優(yōu)點(diǎn),在航天、航海、石油化工、醫(yī)療設(shè)備、氣象、軍事裝備中都得到了廣泛應(yīng)用。
2020年新冠病毒在全球蔓延,全球市場對呼吸機(jī)、制氧機(jī)、血壓計(jì)等醫(yī)療設(shè)備的需求呈井噴式爆發(fā),其中壓阻式壓力傳感器就是呼吸機(jī)中的關(guān)鍵部件。在家用型呼吸機(jī)、醫(yī)療型呼吸機(jī)、高精度血壓計(jì)等應(yīng)用中,壓阻式壓力傳感器一度出現(xiàn)了供不應(yīng)求、甚至斷貨的情況。
壓阻式壓力傳感器產(chǎn)品
壓阻式壓力傳感器工藝復(fù)雜,對傳感器的制造工藝要求苛刻。當(dāng)前市場上國產(chǎn)產(chǎn)品較少,多為進(jìn)口。所幸國產(chǎn)產(chǎn)品雖少,但不是沒有,而且就性能參數(shù)與技術(shù)實(shí)力來看,并不比進(jìn)口產(chǎn)品差。下面列舉兩款比較典型的壓阻式壓力傳感器的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行客觀的對比和說明。
壓力范圍
0~10kPa的壓力量程屬于一個(gè)比較小的壓力測量范圍,在實(shí)際應(yīng)用中,量程范圍的選擇要比所用的量程稍大即可。此量程的產(chǎn)品適合大商業(yè)終端、消費(fèi)電子、健康醫(yī)療類的應(yīng)用。
工作溫度
一般工業(yè)應(yīng)用與集成電路系統(tǒng)的要求在-40℃~80℃之間,兩款產(chǎn)品達(dá)到了-40℃~125℃的工作溫度范圍,能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用。
零點(diǎn)輸出
在工作電壓的激勵(lì)下,理論上傳感器空載時(shí)輸出應(yīng)為零,但實(shí)際上傳感器空載時(shí)輸出時(shí)是不穩(wěn)定的,這就出現(xiàn)了一個(gè)偏差范圍,此范圍越小越好。兩款產(chǎn)品零點(diǎn)輸出控制的范圍都很優(yōu)異,能夠提供相對好的可靠性和穩(wěn)定性。
精確度
這里的精確度指的是非線性誤差,非線性是指由空載荷的輸出值和額定載荷時(shí)輸出值所決定的直線和增加負(fù)荷的實(shí)測曲線之間最大偏差對于額定輸出值的百分比。非線性單位為%FS,非線性誤差=量程×非線性。兩款產(chǎn)品的最大誤差在±5%,在實(shí)際的應(yīng)用中,通常會(huì)在±5%以內(nèi),這個(gè)精度對于消費(fèi)和商用是能夠完全滿足的。
過載壓力
過載壓力分為兩種,一種為安全過載,安全過載是指在此載荷內(nèi)不會(huì)對壓力傳感器造成破壞性損壞,但不能長期過載。另外一種為極限過載,是指壓力傳感器的極限臨界負(fù)荷,超過極限即意味著傳感器將會(huì)損壞。從該指標(biāo)中可以看出西人馬(FATRI)TYZV16在此項(xiàng)性能上表現(xiàn)不俗,優(yōu)于進(jìn)口品牌指標(biāo)。
通過參數(shù)對比,兩款產(chǎn)品的技術(shù)性能均表現(xiàn)優(yōu)異,其中西人馬(FATRI)在過載這一指標(biāo)中,優(yōu)于同類產(chǎn)品。兩個(gè)產(chǎn)品的品牌,擁有不同的產(chǎn)品線和應(yīng)用市場,在不同的方向上各有優(yōu)勢。
NXP Semiconductors(恩智浦半導(dǎo)體),原飛利浦半導(dǎo)體,1953年創(chuàng)立,是全球知名的傳感器品牌。應(yīng)用市場遍及汽車電子、家庭影音、健康醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。
FATRI西人馬(廈門)科技有限公司,是當(dāng)前國內(nèi)傳感器領(lǐng)域的一匹黑馬,擁有先進(jìn)材料、芯片制造、精密傳感器(加速度、溫度、壓力等)、測量設(shè)備等豐富和扎實(shí)的產(chǎn)品研發(fā)和制造能力。
任何一款傳感器想要做好,都離不開對底層核心技術(shù)的開發(fā)和探索,獨(dú)立的芯片設(shè)計(jì)和制造能力的高低,直接關(guān)系到傳感器最終的性能和適用性。如西人馬(FATRI)的產(chǎn)品,從企業(yè)公開信息中了解到,這家公司目前已經(jīng)具備并掌握了芯片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。
對于傳感器企業(yè)來說,現(xiàn)在以及未來的市場,機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)并存,更多中國傳感器企業(yè)在正確的方向上正大踏步前進(jìn)。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造水平的提升,相信能夠涌現(xiàn)出更多的優(yōu)秀國產(chǎn)傳感器企業(yè)和產(chǎn)品。
原文標(biāo)題:傳感器產(chǎn)品技術(shù)-壓阻式壓力傳感器解析
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