微型壓力傳感器工作原理、介紹和應(yīng)用
壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機械結(jié)構(gòu)型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量輕，不能提供電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運而生。其特點是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器向著微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性高。
微型壓力傳感器具有體積微小、或超薄、防水、防油性能好等特點，廣泛用于在空氣動力學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，化爆或核爆沖擊波等許多研究領(lǐng)域中。
◇ 量程范圍廣;
◇ 固有頻率高;
◇ 體積小，高頻動態(tài)響應(yīng);
◇ 動態(tài)壓力傳感器,微型壓力傳感器最小直徑為2.54mm，長度為3.77mm
◇ 精度高，最高可做到0.1%FS;
◇ 溫度范圍寬，從低溫-40℃到高溫+120℃(特殊可到+175℃)。
◇ 長期穩(wěn)定性好，耐各種惡劣環(huán)境。
量 程： 0～1～150(MPa)
綜合精度： 0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS
輸出信號： 1.0mV/V、1.5mV/V、2.0mV/V、2.5mV/V、3.3mV/V(四線制)
供電電壓： 10DCV(6～12DCV)
介質(zhì)溫度： -20～85℃
環(huán)境溫度： 常溫(-20～85℃)
負(fù)載電阻：
電流輸出型：最大800Ω;
電壓輸出型：大于50KΩ
絕緣電阻： 大于2000MΩ (100VDC)
密封等級： IP65
長期穩(wěn)定性能： 0.1%FS/年
振動影響： 在機械振動頻率20Hz～1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS
電氣接口(信號接口)： 四色排線輸出
機械連接(螺紋接口)： 1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等
工作原理
1、壓阻式壓力傳感器
電阻應(yīng)變片是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。
2、陶瓷壓力傳感器
陶瓷壓力傳感器基于壓阻效應(yīng)，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋，由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標(biāo)準(zhǔn)的信號根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。
3、擴(kuò)散硅壓力傳感器：
擴(kuò)散硅壓力傳感器工作原理也是基于壓阻效應(yīng)，利用壓阻效應(yīng)原理，被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷)，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，利用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號。
4、藍(lán)寶石壓力傳感器：
利用應(yīng)變電阻式工作原理，采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。因此，利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性;藍(lán)寶石的抗輻射特性極強;另外，硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件，無p-n漂移。
5、壓電式壓力傳感器：
壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。
應(yīng)用領(lǐng)域
壓力傳感器主要應(yīng)用于：增壓缸、增壓器、氣液增壓缸、氣液增壓器、壓力機，壓縮機，空調(diào)制冷設(shè)備等領(lǐng)域。
1、應(yīng)用于液壓系統(tǒng)
壓力傳感器在液壓系統(tǒng)中主要是來完成力的閉環(huán)控制。當(dāng)控制閥芯突然移動時，在極短的時間內(nèi)會形成幾倍于系統(tǒng)工作壓力的尖峰壓力。在典型的行走機械和工業(yè)液壓中，如果設(shè)計時沒有考慮到這樣的極端工況，任何壓力傳感器很快就會被破壞。需要使用抗沖擊的壓力傳感器，壓力傳感器實現(xiàn)抗沖擊主要有2種方法，一種是換應(yīng)變式芯片，另一種方法是外接盤管，一般在液壓系統(tǒng)中采用第一種方法，主要是因為安裝方便。此外還有一個原因是壓力傳感器還要承受來自液壓泵不間斷的壓力脈動。
2.應(yīng)用于安全控制系統(tǒng)
壓力傳感器在安全控制系統(tǒng)中經(jīng)常應(yīng)用，主要針對的領(lǐng)域是空壓機自身的安全管理系統(tǒng)。在安全控制領(lǐng)域有很多傳感器應(yīng)用，壓力傳感器作為一種非常常見的傳感器，在安全控制系統(tǒng)中應(yīng)用也不足為奇。
在安全控制領(lǐng)域應(yīng)用一般從性能方面來考慮，從價格上的考慮，還有從實際操作的安全性方便性來考慮，實際證明選擇壓力傳感器的效果非常好。壓力傳感器利用機械設(shè)備的加工技術(shù)將一些元件以及信號調(diào)節(jié)器等裝置安裝在一塊很小的芯片上面。所以體積小也是它的優(yōu)點之一，除此之外，價格便宜也是它的另一大優(yōu)點。在一定程度上它能夠提高系統(tǒng)測試的準(zhǔn)確度。在安全控制系統(tǒng)中，通過在出氣口的管道設(shè)備中安裝壓力傳感器來在一定程度上控制壓縮機帶來的壓力，這算是一定的保護(hù)措施，也是非常有效的控制系統(tǒng)。當(dāng)壓縮機正常啟動后，如果壓力值未達(dá)到上限，那么控制器就會打開進(jìn)氣口通過調(diào)整來使得設(shè)備達(dá)到最大功率。
3.應(yīng)用于注塑模具
壓力傳感器在注塑模具中有著重要的作用。壓力傳感器可被安裝在注塑機的噴嘴、熱流道系統(tǒng)、冷流道系統(tǒng)和模具的模腔內(nèi)，它能夠測量出塑料在注模、充模、保壓和冷卻過程中從注塑機的噴嘴到模腔之間某處的塑料壓力。
4.應(yīng)用于監(jiān)測礦山壓力
傳感器技術(shù)作為礦山壓力監(jiān)控的關(guān)鍵性技術(shù)之一。一方面，我們應(yīng)該正確應(yīng)用已有的各種傳感器來為采礦行業(yè)服務(wù);另一方面，作為傳感器廠家還要研制和開發(fā)新型壓力傳感器來適應(yīng)更多的采礦行業(yè)應(yīng)用。壓力傳感器有多種，而基于礦山壓力監(jiān)測的特殊環(huán)境，礦用壓力傳感器主要有：振弦式壓力傳感器、半導(dǎo)體壓阻式壓力傳感器、金屬應(yīng)變片式壓力傳感器、差動變壓器式壓力傳感器等。這些傳感器在礦產(chǎn)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，具體使用哪種傳感器還有根據(jù)具體的采礦環(huán)境進(jìn)行選擇。
5.應(yīng)用于促進(jìn)睡眠
壓力傳感器本身無法促進(jìn)睡眠，我們只是將壓力傳感器放在床墊地下，由于壓力傳感器具有高靈敏度，當(dāng)人發(fā)生翻身、心跳以及呼吸等有關(guān)的動作時，傳感器會分析這一系列信息，去推斷睡眠人睡覺處于一個什么狀態(tài)，然后通過對傳感器的分析，收集傳感器的信號得到心跳和呼吸節(jié)奏等睡眠的數(shù)據(jù)，最后將所有數(shù)據(jù)處理譜成一首段的曲目，當(dāng)然能將你一個晚上的睡眠壓縮成一首幾分鐘的音樂。
6.應(yīng)用于壓縮機，空調(diào)冷設(shè)備
壓力傳感器常用于空氣壓力機，以及空調(diào)制冷設(shè)備，這類傳感器產(chǎn)品外形小巧、安裝方便、導(dǎo)壓口一般采用專用閥針式設(shè)計。
LPS25H 傳感器
意法半導(dǎo)體積極擴(kuò)大壓力傳感器的市場份額，新推出的LPS25H微型壓力傳感器以其為移動應(yīng)用優(yōu)化的獨特創(chuàng)新功能贏得一線智能手機廠商的青睞。
據(jù)IHS研究報告顯示，隨著消費者對更先進(jìn)的新款智能手機和平板電腦的需求日益提高，全球消費電子產(chǎn)品壓力傳感器市場規(guī)模將于2017年達(dá)到3.75億美元[1]。壓力傳感器使終端產(chǎn)品能夠精確檢測樓層高度，提高位置服務(wù)(location-based services，LBS)質(zhì)量，從而改進(jìn)室內(nèi)導(dǎo)航功能。壓力數(shù)據(jù)還有助于航位推算，為智能手機新應(yīng)用創(chuàng)造機會，例如天氣分析和健康運動監(jiān)視。
LPS25H是一個MEMS(微機電系統(tǒng))傳感器，出自世界最大的MEMS供應(yīng)商意法半導(dǎo)體，意法半導(dǎo)體在全世界擁有900余項MEMS相關(guān)專利和專利申請，讓這款傳感器具有很多獨有特性功能。其中，增強的溫度補償功能讓終端產(chǎn)品在不斷變化的環(huán)境內(nèi)仍能保持穩(wěn)定的性能，而自動歸零讓用戶一進(jìn)入房間就立即獲得精確的測量結(jié)果。
此外，還有更多增值功能，如可控限值和中斷。除移動應(yīng)用外，意法半導(dǎo)體的LPS25H還適用于穿戴式裝置、工業(yè)控制和智能家居系統(tǒng)。
在談到 LPS25H羸得的第一個設(shè)計時，意法半導(dǎo)體高端傳感器及模擬器件產(chǎn)品部總經(jīng)理Francesco Italia表示：“意法半導(dǎo)體的壓力傳感器兼?zhèn)湎冗M(jìn)功能和同級最高的品質(zhì)，增強了客戶為市場提供優(yōu)異的創(chuàng)新產(chǎn)品的信心。我們期待內(nèi)置LPS25H的新智能手機取得巨大成功，提供優(yōu)異的功能，給終端用戶帶來高附加值?！?
2.5mm x 2.5mm x 1mm微型傳感器的空間占用極小，工作電流極低，僅為4μA，有助于延長電池使用壽命。超低噪聲設(shè)計有助于確保精度在±0.2mbar以內(nèi)。
LPS25H在同一個封裝內(nèi)集成MEMS感應(yīng)單元和IC接口電路。感應(yīng)單元檢的功能是測絕對壓力，主要組件包括在一個單晶硅基板上制作的懸浮薄膜和一個防止薄膜破裂的原生機械擋塊。意法半導(dǎo)體的先進(jìn)制造工藝使薄膜比傳統(tǒng)微加工技術(shù)制作的薄膜薄很多。
IC接口芯片采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造工藝，可實現(xiàn)高集成度，精確地調(diào)節(jié)接口電路，使其與感應(yīng)單元的特性匹配。溫度補償算法采用二次修正，在寬溫度范圍內(nèi)取得同級最好的精確度，不受溫度變化的影響。通過集成一個數(shù)據(jù)存儲先進(jìn)選出存儲器(FIFO，F(xiàn)irst-In First-Out memory)和支持用戶控制門限和中斷，LPS25H最大限度降低了對系統(tǒng)資源的需求，從而簡化軟件設(shè)計。
使用LPS25H的設(shè)計人員可利用意法半導(dǎo)體的廣泛的MEMS技術(shù)專長和開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，包括LPS25H壓力傳感器評估套件以及連接STEVAL-MKI109V2主板的專用適配板(STEVAL-MKI142V1)。
采用開孔LGA封裝(HCLGA)的LPS25H的樣片現(xiàn)已上市。
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