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(jī)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(yùn)而生。其特點(diǎn)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(diǎn)，廣泛用于在空氣動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng);
◇ 動(dòng)態(tài)壓力傳感器,微型壓力傳感器最小直徑為2.54mm，長(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)： 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(jí)： IP65
長(zhǎng)期穩(wěn)定性能： 0.1%FS/年
振動(dòng)影響： 在機(jī)械振動(dòng)頻率20Hz～1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS
電氣接口(信號(hào)接口)： 四色排線輸出
機(jī)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(jī)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(gè)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(gè)與壓力成正比的高度線性、與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)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(cè)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(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。
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(jì)量特性。因此，利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件，對(duì)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(qiáng);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(cè)量，因?yàn)榻?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(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)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(jī)，壓縮機(jī)，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(dòng)時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)會(huì)形成幾倍于系統(tǒng)工作壓力的尖峰壓力。在典型的行走機(jī)械和工業(yè)液壓中，如果設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到這樣的極端工況，任何壓力傳感器很快就會(huì)被破壞。需要使用抗沖擊的壓力傳感器，壓力傳感器實(shí)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?yàn)榘惭b方便。此外還有一個(gè)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(dòng)。
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(duì)的領(lǐng)域是空壓機(jī)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(jià)格上的考慮，還有從實(shí)際操作的安全性方便性來考慮，實(shí)際證明選擇壓力傳感器的效果非常好。壓力傳感器利用機(jī)械設(shè)備的加工技術(shù)將一些元件以及信號(hào)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(diǎn)之一，除此之外，價(jià)格便宜也是它的另一大優(yōu)點(diǎn)。在一定程度上它能夠提高系統(tǒng)測(cè)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(jī)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(jī)正常啟動(dòng)后，如果壓力值未達(dá)到上限，那么控制器就會(huì)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(jī)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(cè)量出塑料在注模、充模、保壓和冷卻過程中從注塑機(jī)的噴嘴到模腔之間某處的塑料壓力。
4.應(yīng)用于監(jiān)測(cè)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(cè)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(dòng)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(dòng)作時(shí)，傳感器會(huì)分析這一系列信息，去推斷睡眠人睡覺處于一個(gè)什么狀態(tài)，然后通過對(duì)傳感器的分析，收集傳感器的信號(hào)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(gè)晚上的睡眠壓縮成一首幾分鐘的音樂。
6.應(yīng)用于壓縮機(jī)，空調(diào)冷設(shè)備
壓力傳感器常用于空氣壓力機(jī)，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(jì)。
LPS25H 傳感器
意法半導(dǎo)體積極擴(kuò)大壓力傳感器的市場(chǎng)份額，新推出的LPS25H微型壓力傳感器以其為移動(dòng)應(yīng)用優(yōu)化的獨(dú)特創(chuàng)新功能贏得一線智能手機(jī)廠商的青睞。
據(jù)IHS研究報(bào)告顯示，隨著消費(fèi)者對(duì)更先進(jìn)的新款智能手機(jī)和平板電腦的需求日益提高，全球消費(fèi)電子產(chǎn)品壓力傳感器市場(chǎng)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(cè)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(jī)新應(yīng)用創(chuàng)造機(jī)會(huì)，例如天氣分析和健康運(yùn)動(dòng)監(jiān)視。
LPS25H是一個(gè)MEMS(微機(jī)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(xiàng)MEMS相關(guān)專利和專利申請(qǐng)，讓這款傳感器具有很多獨(dú)有特性功能。其中，增強(qiáng)的溫度補(bǔ)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(dòng)歸零讓用戶一進(jìn)入房間就立即獲得精確的測(cè)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(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)時(shí)，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(jí)最高的品質(zhì)，增強(qiáng)了客戶為市場(chǎng)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(jī)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(zhǎng)電池使用壽命。超低噪聲設(shè)計(jì)有助于確保精度在±0.2mbar以內(nèi)。
LPS25H在同一個(gè)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(cè)絕對(duì)壓力，主要組件包括在一個(gè)單晶硅基板上制作的懸浮薄膜和一個(gè)防止薄膜破裂的原生機(jī)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(shí)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(bǔ)償算法采用二次修正，在寬溫度范圍內(nèi)取得同級(jí)最好的精確度，不受溫度變化的影響。通過集成一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)先進(jìn)選出存儲(chǔ)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(duì)系統(tǒng)資源的需求，從而簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。
使用LPS25H的設(shè)計(jì)人員可利用意法半導(dǎo)體的廣泛的MEMS技術(shù)專長(zhǎng)和開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，包括LPS25H壓力傳感器評(píng)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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