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mems压力传感器多种多样,且优点很多-利来app官网

2017-10-17

      小量程压力测量主要应用于大气压力测量和生物体内部的压力测量。气压测量在气象、航空、实验室等条件中运用频繁。在气象学领域里,压力数据是估算大气中水汽含量不可或缺的参数。又如,根据气压值随海拔高度线性降低的关系可以实时获取航天器飞行时的高度位置信息。

       这些应用领域的气压值均在一个大气压(0.1 mpa)以下,而且需要传感器便携式和集成化。在临床医疗过程中,实时、准确地监测人体各种压力指标的变化能对诊断和治疗起到非常积极的作用。这些被测压力都比较小,青光眼的眼压范围在10~100 kpa之间,人类与外部接触所产生的压力大约在0~220 kpa之间。除此之外,传感器还需要植入生物体中,所以体积要微小并能进行非接触式测量。因此,小量程mems压力传感器应用前景广泛,对其研究具有重要意义。由于作用压力小,灵敏度成为了制约小量程mems压力传感器发展和应用的难点。通常,灵敏度的提高会导致线性度的降低,反之亦然。要成功研制出小量程压力传感器,必须首先解决小量程高灵敏度输出与超薄力敏膜片大挠度引起的非线性误差之间的矛盾。

       mems压力传感器多种多样,与其他类型的传感器相比,电容式压力传感器不仅结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、温度漂移小,而且能够进行非接触式的无线无源测量。特别地,电容式传感器还可以承受更高的满量程过载,这点对于小量程测试应用也是十分重要的,因为相对高的压力载荷经常会出现在小量程压力检测过程中。通过上述分析可知,电容式压力传感器很适合用于小量程压力测量。电容式压力传感器是基于变间隙式平行板电容器工作的。当可动极板受压力作用时,会发生一定的变形,因此上下电极之间的距离发生变化,从而它们之间的电容也发生了变化。然而,压力与电容之间的关系是非线性的。

       为了消除非线性,设计者会根据小挠度薄板理论设计电容式传感器的可动极板,使之在一定的压力范围内非线性减小甚至呈线性变化。除此之外,也可以采用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。在小量程压力范围内,传感器的测量对象是绝对压力。初始电容c0和δγ(γ为可动极板形变量与初始极板间距的比值)是影响电容式传感器灵敏度的关键因素。为了得到较大的电容输出和较高的灵敏度,极板作用面积应该尽量大,极板间的间距要尽量小,可动极板受力产生的形变也应该尽量大,同时采用介电常数大的材料做介电层。

      这4个设计参数之间不是彼此孤立的,而是相互联系相互影响。单纯利用改进传感器结构来提高小量程传感器的输出电容是有限的。如果电路灵敏度不高,则小电容信号很有可能湮没在噪声信号中。因此,对测量电路的优化也是实现mems电容式传感器小量程测压必不可少的一步。大而薄的极板不仅使传感器的初始电容c0增大,而且使可动极板在受到相同压力时产生更大的形变,从而使传感器的电容输出值增大。但又大又薄的极板会导致器件的线性性能恶化,同时与mems微型化的设计理念相违背。而且,太薄的极板太脆易碎。极板间距的减小也可以显著提高c0。

       但当极板间距很小时,传感器的动态范围不仅过窄,而且空腔内任何微量气体的存在都会影响传感器性能,因此传感器空腔的真空度必须非常高。另外,在小压力范围内,内应力对可动极板工作性能的影响也特别大,内应力会阻碍可动极板形变,降低传感器灵敏度,增加非线性误差。

 
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