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浅谈压阻式压力传感器的动态特性

发布时间:2014-9-25      发布人:泽天传感      点击:

0 引 言

压阻式压力传感器因其采用硅集成电路工艺技术和硅三维加工技术制造,利用硅优良的力学特性,用硅膜作为弹性敏感元件。二者一体化、尺寸小、国外公司的最小敏感元件的直径为0.8mm,国产最小的敏感元件为1mm×1mm。因而固有频率很高,加上硅材料的杨氏模量很高,硅压阻检测元件是惠斯顿电桥模式。因此硅压阻式压力传感器频响带宽从零频开始,高可达1MHz以上。市面上出售的压阻式压力传感器并非都有很高的动态性能。能制造高频响压阻式压力传感器的必要条件是:

(1)具有设计高谐振频率压力敏感芯片并能制造出这种芯片;

(2)芯片与传感器封装设计必须兼容,使传感器的封装结构不降低或可预见性地少降低固有频率;

(3)传感器的封装设计必须与用户的使用状况相配合,使得使用安装不降低或少降低可用频段。

1 敏感元件设计

保证压阻式压力传感器优良动态特性的第一步是设计有高的固有频率的敏感元件。为减小运动质量和避免加速度效应,一般采用周边固支的圆平膜片或方平膜片作为弹性敏感膜。周边固支的圆平膜片的固有频率为:

   (1)

显然,硅杯的杨氏模量E,低的密度ρ都有利于获得高的谐振频率。如果考虑到硅压阻式压力敏感元件的输出灵敏度与膜片的厚径比有关,因此设计上提高固有频率的第一措施是减小膜片的半径。当然这要受到工艺水平、封装方式、内引线方式等的制约。

用于核冲击波测量的高频动态压力传感器的固有频率高达1MHz,就是尽量减小了膜片直径。在膜片厚度也相应变薄情况下,用特殊设计避免了强光效应的影响。用于创伤医学研究的埋藏植入式微型高频高压传感器和用于测井采油工艺研究的小型高频动态压力传感器也均采用了小直径的背面平坦面受力的圆平膜结构。其固有频率超过压电式动态压力传感器,达500kHz以上,幅频特性曲线的上升时间及平直段均大大优于压电式压力传感器。

2 传感器设计

高频动态压力传感器的封装设计要尽量避免或减小引进气道管腔效应的影响。以敏感元件的平坦硅片一面直接感受介质压力,且传感器设计为齐平式封装,无引压进气道的传感器,其固有频率约等于敏感元件的固有频率。前述三种传感器均采用了这一设计原则。

由于管腔效应的影响太大,有时为了克服工艺难点,甚至不惜适当加大膜片半径以保证传感器能齐平封装。笔者用于某空气动力学研究及某化爆自由场测试的动态压力传感器即采用了这种设计原则。其0~0.4MPa,……0~4MPa的多种动压传感器,固有频率在100~270kHz。用正弦波动态实校,在5kHz范围内,几乎无动态附加误差。图1即为一只量程1 MPa的动态压力传感器用激波管实验得出的幅频特性曲线,其第一谐频为170kHz,动态误差很小的可用带宽在50kHz,上升时间为0.8μs。

图1 幅频特性曲线

对于有管腔存在的压阻式压力传感器,在压阻敏感元件固有频率很高,封装中又无充油波纹膜片隔离等增加柔度,降低频率响应特性的复杂因素存在时,管腔系统的谐振频率即是传感器的固有频率。对于进气孔半径为R,长为L,并有一容积相当为V的T型引压进气管腔的压力传感器,其管腔系统的自振频率为:

   (2)

代入有关数据,不难求得高精度压力传感器的固有频率为2.47 kHz处,而其敏感元件的固有频率为20~80 kHz,足见进气管腔的影响之大。用正弦压力发生器实校压力传感器,第一谐频在2.44kHz处,与理论计算相符,由图2所示的动态实校幅频特性曲线可见 ,该传感器可用于800-1000Hz以下的低频动压精密测试中。

对于封装无法避免管腔,而又要求动态频响较高的传感器,可以尽量采用直筒形引压进气道,且越短越好。在敏感元件固有频率高于管道自振频率时,传感器固有频率由此直管谐振决定。谐振按口琴—笛子模式,其谐振频率为:

图2 正弦波动态实校幅频特性

  (3)

水工模型专用脉动压力传感器即是为适应水介质和水密封而采用了这一设计模式,其微型敏感元件的固有频率≥200 kHz,而封装成的传感器的第一谐频约为30 kHz,可用频段0~10 kHz,已完全满足水工模型试验中的动压频谱分析。

3 结 论

获得高动态压力测试性能的动压传感器首先要有自己设计制造的利于封装的高固有频率压力敏感元件,其次要在封装成压力传感器时避免或尽量减小引压进气管道。