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力传感器和电路分离的环境压力检测设计

时间:2021-03-20 点击次数:

传感器是一种广泛使用的仪器设备部件。传统的机械结构设备主要是弹性元件的变形指示,但结构尺寸大,重量轻,不能提供电输出。随着半导体的发展,半导体也应运而生。其特点是体积小,重量轻,精度高,温度特性好。特别是随着MEMS的发展,半导体正在向微型发展,功耗低,可靠性高。高温压力是为了解决高温下测量各种气体和液体的压力。主要用于测量锅炉、管道、高温反应容器中的压力、井下压力、各种发动机腔中的压力、高温油的液位和油井测量。

现在研究较多的高温压力传感器主要有SOS,SOI,SiO2,Poly2Si等半导体传感器,以及溅射式合金膜高温压力传感器,高温光纤压力传感器,高温电容式压力传感器等。与压阻式压力传感器相比,半导体电容式压力传感器度稳定性好,功耗低,只对压力敏感,对应力不敏感,所以电容压力传感器广泛应用于很多领域。高温压力传感器应用于很多领域。由于高温故障,传感器方案是解决高温测量的方法之一。

本文先容了与传感器模型识别的微电容压力传感器。传感器通过MEMS技术实现,信号激励和信号处理通过计算机完成。电路工作过程进行了计算机模拟和试验,提供了微型高温压力传感器的MEMS工艺。

1.设备的基本组成和制造技术。

硅电容压力传感器的敏感部件是半导体薄膜,可采用单晶硅、多晶硅等半导体技术制造。一般的电容式传感器包括上下电极,绝缘体和底层。当薄膜受到压力时,薄膜会发生一定的变形,所以上下电极之间的距离会发生变化,容量也会发生变化。但是,电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离关系是非线性的,所以必须使用具有补偿功能的测量电路量电路进行非线性补偿。高温压力传感器在高温下工作,补偿电路受温度影响,误差较大。

模型识别的高温压力传感器是为了避免在高温环境下补偿电路的大误差,其设计方案是通过模型识别传感器和放大电路来测量环境的压力。高温工作区的温度可达350℃。传感器由铂电阻和电容压力传感器组成。其MEMS技术如下:

高温压力传感器由硅片、底层、下电极和绝缘层组成。其中下电极位于厚支撑的底部。绝缘层蒸在电极上。硅片采用各向异性腐蚀技术,从正面和背面腐蚀硅片。上下电极之间的间隙由硅片的腐蚀深度决定。硅片和底层通过结合技术结合,形成具有一定稳定性的硅片电容压力传感器[2]。

耐高温、对温度敏感的白金电阻,选用白金电阻,可用作普通电阻,也可用作温度传感器检测环境温度。当金属白金电阻与硅膜片的参数为0℃时,其电阻值为1000ω,电阻率为1.0526316×10-5ωcm,密度为21440kg/m3,比热为132.51J/(kg)k,熔断温度为1769℃,因此,白金电阻可加工成0.02mm厚度为0.2μm的总长度为3800μm,形成锯齿状,可在10V宽度的阶梯信号下正常工作。电容式压力传感器的上下电极间隙为3μm,圆板电容器的上下电极半径为73μm,其电容值为50pF。

识别技术的模型及其模拟。

对于一个系统,它的方程是UO(s)=G(s)Ui(s),UO(s)和Ui(s)分别是输出和输入信号。输出、输入信号和系统的阶段数已知。计算机可以根据一定的标准识别G(s)的模型参数。本文主要阐述了应用模型识别的方法,以确定电容压力传感器在高温环境下的电容值。

2.1电路模型。

对于温度变化敏感的金属白金电阻,选择零度时电阻值为1000ω,温度系数为3851×10-6/℃的金属白金电阻,当温度变化范围为-50~350℃时,相应的电阻值为803.07~2296.73ω。环境温度可通过电阻的变化来测量。在不同的压力下,压力传感器具有不同的电容值,所以在相同的温度下输入相同的交流电压信号时,输出信号也不一样。

2.2时域内系统算法。

以上可以看出,该系统稳定,无振动。以下是响应曲线的斜度:

从式(3)以lg[1-UO(t)]为纵向坐标,t为横向坐标,通过原点直线,从直线的斜度得到常数RC的值,知道R得到c,得到压力。

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