中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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陶瓷壓力傳感器是采用特種陶瓷材料，經(jīng)特殊工藝精制而成的壓阻類型壓力傳感器。陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和震動的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定性及厚膜電阻可以使它工作溫度范圍高達-40℃～125℃，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度大于2KV，輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。
高特性、低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國家陶瓷傳感器有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也有越來越多的用戶使用替代擴散硅壓力傳感器。
陶瓷壓力傳感器分類
陶瓷壓力傳感器的基材都是Al2O3陶瓷，根據(jù)實現(xiàn)的原理可以分為電容式壓力傳感器和壓阻式壓力傳感器。
① 陶瓷電容式壓力傳感器
陶瓷電容式壓力傳感器是采用固定式陶瓷基座和可動陶瓷膜片結(jié)構(gòu)，可動膜片通過玻璃漿料等方式與基座密封固定在一起。兩者之間內(nèi)側(cè)印刷電極圖形，從而形成一個可變電容，當膜片上所承受的介質(zhì)壓力變化時兩者之間的電容量隨之發(fā)生變化，通過調(diào)理芯片將該信號進行轉(zhuǎn)換調(diào)理后輸出給后級使用。陶瓷電容技術(shù)具有成本適中，量程范圍寬，溫度特性好、一致性、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。
▲陶瓷電容敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖
由于陶瓷膜片邊緣固定在陶瓷基座上，周邊支撐，受力時中間形變大，邊緣形變小，電容量產(chǎn)生非線性并使靈敏度降低。為了減少溫度影響和邊緣效應(yīng)，設(shè)計時在陶瓷膜片上設(shè)置一圓形的單電極作為公共電極，陶瓷蓋板上設(shè)置雙電極并使面積相等，構(gòu)成同軸環(huán)狀的雙電容傳感器。
▲陶瓷電容式壓力傳感器原理
中心為測量電容Cp，邊緣環(huán)形為參考電容Cr，Cr的外側(cè)是固支邊。后續(xù)的信號調(diào)理電路處理的是兩電容的壓差，利用方波激勵信號把Cp和Cr的變化量分別轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出，通過兩輸出電壓的差值信號來測量外加壓力的大小。
雙電容結(jié)構(gòu)大大減小了傳感器系統(tǒng)的非線性誤差，同時在環(huán)境溫度變化時，由于兩電容感受同一溫度的變化，溫度對它們產(chǎn)生的溫度效應(yīng)是一致的，這就抵消了溫度變化帶來的測量誤差，實現(xiàn)溫度自補償?shù)淖饔谩?/p>
▲陶瓷電容式壓力傳感器（圖源：上海德薩堡）
陶瓷電容壓力傳感器因其耐腐蝕、抗沖擊、無遲滯、介質(zhì)兼容性強等優(yōu)勢可以廣泛應(yīng)用在水、氣、液多種介質(zhì)的壓力檢測，尤其適合于汽車系統(tǒng)的惡劣環(huán)境下工作。針對物聯(lián)網(wǎng)及家電等壓力傳感器的新興應(yīng)用市場，陶瓷電容抗沖擊優(yōu)勢可以應(yīng)用于供水管網(wǎng)的水壓測量，完美應(yīng)對水錘效應(yīng)；針對可變壓力的壓力煲應(yīng)用，陶瓷電容平膜結(jié)構(gòu)可以避免堵塞。
② 陶瓷壓阻式壓力傳感器
陶瓷壓阻式壓力傳感器主要由瓷環(huán)、陶瓷膜片和陶瓷蓋板三部分組成。陶瓷膜片作為感力彈性體，其上用厚膜工藝技術(shù)形成惠斯頓電橋作為傳感器的電路，由于電阻的壓阻（形變）效應(yīng)，產(chǎn)生電壓信號。
▲陶瓷壓阻式壓力傳感器（圖源網(wǎng)絡(luò)）
厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋（閉橋），當壓力為零時，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出端電壓為零；當施加壓力于電橋時，膜片產(chǎn)生形變導致電橋的四個電阻阻值發(fā)生變化，電橋處于不平衡狀態(tài)，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。由于電阻的壓阻（形變）效應(yīng)，產(chǎn)生電壓信號。標準的信號根據(jù)壓力量程的不同標定為2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補償0～70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。
