在某些應(yīng)用中,壓力傳感器部署在非常惡劣的環(huán)境中。例如,飛機系統(tǒng)非常復(fù)雜,需要在惡劣的環(huán)境條件下工作。僅溫度就可能從極低到異常高,具體取決于傳感器在飛機上的使用位置。由于這些極端條件,航空航天應(yīng)用中使用的傳感器或換能器最好能夠承受惡劣的工作條件。
這就是薄膜技術(shù)的用武之地。采用薄膜技術(shù)的傳感器比市場上的其他傳感器更堅固、更輕、更簡單,同時也更便宜、更可靠。讓我們看看為什么以及如何。
一、壓力傳感器技術(shù)的類型
首先,讓我們從壓力傳感器的一些背景信息開始。術(shù)語“傳感器”用于描述將物理量的變化轉(zhuǎn)換為成比例的電信號的任何設(shè)備。壓力傳感器通常使用壓阻應(yīng)變計技術(shù)(通常采用惠斯通電橋)來感應(yīng)壓力變化并將其轉(zhuǎn)換為電輸出。飛機壓力傳感器中使用的應(yīng)變計技術(shù)大致分為兩種類型:微機電系統(tǒng)(MEMS)和薄膜。
二、MEMS系統(tǒng)如何工作
在MEMS傳感器技術(shù)中,介質(zhì)的壓力由硅或絕緣體上硅傳感元件測量,該傳感元件上有壓阻應(yīng)變計電橋,MEMS元件和不銹鋼膜片之間存在傳輸介質(zhì)(通常是硅油)。施加在隔膜上的壓力通過油傳遞到MEMS元件。壓力的變化會導(dǎo)致MEMS元件壓阻式應(yīng)變計的電輸出發(fā)生變化。該電輸出為我們提供了系統(tǒng)內(nèi)壓力變化的指示。
三、MEMS傳感器技術(shù)的不足在哪里?
MEMS壓力傳感器確實有一些缺點。首先,MEMS器件非常復(fù)雜,其設(shè)計和制造工藝也相當(dāng)復(fù)雜。這種復(fù)雜性是這些設(shè)備成本高昂的原因之一。
其次,MEMS傳感器的精度和可靠性很大程度上取決于絕緣膜片的復(fù)雜制造和設(shè)計。最重要的是,在極高或極低的溫度下使用時,設(shè)備內(nèi)的硅油可能會發(fā)生熱膨脹或收縮。
圖中顯示了在低于-40°F的溫度下測試MEMS傳感器時會發(fā)生什么情況。這是一個主要問題,因為熱膨脹和收縮可能會損壞不銹鋼隔膜,從而需要更換傳感器。
四、薄膜傳感器和轉(zhuǎn)換器選擇
薄膜傳感器比MEMS傳感器更堅固且更簡單。它們簡單的結(jié)構(gòu)使它們更容易以更低的成本制造,即使在極端溫度(低于-40 o F和高達392 o F)等惡劣的操作條件下,它們也能提供令人難以置信的精度和可靠性。在薄膜傳感器技術(shù)中,壓阻應(yīng)變片電橋直接沉積在電池的不銹鋼隔膜上,該隔膜與被測介質(zhì)直接接觸。