傳感器是一種廣泛使用的儀器設(shè)備部件。傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)備主要是彈性元件的變形指示，但結(jié)構(gòu)尺寸大，重量輕，不能提供電輸出。隨著半導(dǎo)體的發(fā)展，半導(dǎo)體也應(yīng)運(yùn)而生。其特點(diǎn)是體積小，重量輕，精度高，溫度特性好。特別是隨著MEMS的發(fā)展，半導(dǎo)體正在向微型發(fā)展，功耗低，可靠性高。高溫壓力是為了解決高溫下測(cè)量各種氣體和液體的壓力。主要用于測(cè)量鍋爐、管道、高溫反應(yīng)容器中的壓力、井下壓力、各種發(fā)動(dòng)機(jī)腔中的壓力、高溫油的液位和油井測(cè)量。
現(xiàn)在研究較多的高溫壓力傳感器主要有SOS,SOI,SiO2,Poly2Si等半導(dǎo)體傳感器，以及濺射式合金膜高溫壓力傳感器，高溫光纖壓力傳感器，高溫電容式壓力傳感器等。與壓阻式壓力傳感器相比，半導(dǎo)體電容式壓力傳感器度穩(wěn)定性好，功耗低，只對(duì)壓力敏感，對(duì)應(yīng)力不敏感，所以電容壓力傳感器廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。高溫壓力傳感器應(yīng)用于很多領(lǐng)域。由于高溫故障，傳感器方案是解決高溫測(cè)量的方法之一。
本文介紹了與傳感器模型識(shí)別的微電容壓力傳感器。傳感器通過(guò)MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，信號(hào)激勵(lì)和信號(hào)處理通過(guò)計(jì)算機(jī)完成。電路工作過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)，提供了微型高溫壓力傳感器的MEMS工藝。
1.設(shè)備的基本組成和制造技術(shù)。
硅電容壓力傳感器的敏感部件是半導(dǎo)體薄膜，可采用單晶硅、多晶硅等半導(dǎo)體技術(shù)制造。一般的電容式傳感器包括上下電極，絕緣體和底層。當(dāng)薄膜受到壓力時(shí)，薄膜會(huì)發(fā)生一定的變形，所以上下電極之間的距離會(huì)發(fā)生變化，容量也會(huì)發(fā)生變化。但是，電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離關(guān)系是非線性的，所以必須使用具有補(bǔ)償功能的測(cè)量電路量電路進(jìn)行非線性補(bǔ)償。高溫壓力傳感器在高溫下工作，補(bǔ)償電路受溫度影響，誤差較大。
模型識(shí)別的高溫壓力傳感器是為了避免在高溫環(huán)境下補(bǔ)償電路的大誤差，其設(shè)計(jì)方案是通過(guò)模型識(shí)別傳感器和放大電路來(lái)測(cè)量環(huán)境的壓力。高溫工作區(qū)的溫度可達(dá)350℃。傳感器由鉑電阻和電容壓力傳感器組成。其MEMS技術(shù)如下:
高溫壓力傳感器由硅片、底層、下電極和絕緣層組成。其中下電極位于厚支撐的底部。絕緣層蒸在電極上。硅片采用各向異性腐蝕技術(shù)，從正面和背面腐蝕硅片。上下電極之間的間隙由硅片的腐蝕深度決定。硅片和底層通過(guò)結(jié)合技術(shù)結(jié)合，形成具有一定穩(wěn)定性的硅片電容壓力傳感器[2]。
耐高溫、對(duì)溫度敏感的白金電阻，選用白金電阻，可用作普通電阻，也可用作溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度。當(dāng)金屬白金電阻與硅膜片的參數(shù)為0℃時(shí)，其電阻值為1000ω，電阻率為1.0526316×10-5ωcm，密度為21440kg/m3，比熱為132.51J/(kg)k，熔斷溫度為1769℃，因此，白金電阻可加工成0.02mm厚度為0.2μm的總長(zhǎng)度為3800μm，形成鋸齒狀，可在10V寬度的階梯信號(hào)下正常工作。電容式壓力傳感器的上下電極間隙為3μm，圓板電容器的上下電極半徑為73μm，其電容值為50pF。
識(shí)別技術(shù)的模型及其模擬。
對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，它的方程是UO(s)=G(s)Ui(s)，UO(s)和Ui(s)分別是輸出和輸入信號(hào)。輸出、輸入信號(hào)和系統(tǒng)的階段數(shù)已知。計(jì)算機(jī)可以根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別G(s)的模型參數(shù)。本文主要闡述了應(yīng)用模型識(shí)別的方法，以確定電容壓力傳感器在高溫環(huán)境下的電容值。
2.1電路模型。
對(duì)于溫度變化敏感的金屬白金電阻，選擇零度時(shí)電阻值為1000ω，溫度系數(shù)為3851×10-6/℃的金屬白金電阻，當(dāng)溫度變化范圍為-50~350℃時(shí)，相應(yīng)的電阻值為803.07~2296.73ω。環(huán)境溫度可通過(guò)電阻的變化來(lái)測(cè)量。在不同的壓力下，壓力傳感器具有不同的電容值，所以在相同的溫度下輸入相同的交流電壓信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)也不一樣。
2.2時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)算法。
以上可以看出，該系統(tǒng)穩(wěn)定，無(wú)振動(dòng)。以下是響應(yīng)曲線的斜度：
從式(3)以lg[1-UO(t)]為縱向坐標(biāo)，t為橫向坐標(biāo)，通過(guò)原點(diǎn)直線，從直線的斜度得到常數(shù)RC的值，知道R得到c，得到壓力。
深圳市力準(zhǔn)傳感技術(shù)有限公司是專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)高品質(zhì)、高精度力值測(cè)量傳感器的廠家。主要產(chǎn)品有微型傳感器、柱式傳感器、拉壓傳感器、壓力傳感器、稱重傳感器、測(cè)力傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器、壓力變送器、液壓傳感器、控制儀表、以及手持儀等力控產(chǎn)品達(dá)千余種。并已獲得多項(xiàng)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新、新品研發(fā)能力強(qiáng)。
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