微型壓力傳感器的相關應用
邁梓工控 / 2022-03-17
壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。傳統的壓力傳感器以機械結構型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結構尺寸大、質量輕，不能提供電學輸出。隨著半導體技術的發展，半導體壓力傳感器也應運而生。其特點是體積小、質量輕、準確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術的發展，半導體傳感器向著微型化發展，而且其功耗小、可靠性高。
微型壓力傳感器具有體積微小、或超薄、防水、防油性能好等特點，廣泛用于在空氣動力學研究、生物醫學應用，化爆或核爆沖擊波等許多研究領域中。
◇量程范圍廣;
◇固有頻率高;
◇體積小，高頻動態響應;
◇動態壓力傳感器,微型壓力傳感器最小直徑為2.54mm，長度為3.77mm
◇精度高，最高可做到0.1%FS;
◇溫度范圍寬，從低溫-40℃到高溫+120℃(特殊可到+175℃)。
◇長期穩定性好，耐各種惡劣環境。
量程：0～1～150(MPa)
綜合精度：0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS
輸出信號：1.0mV/V、1.5mV/V、2.0mV/V、2.5mV/V、3.3mV/V(四線制)
供電電壓：10DCV(6～12DCV)
介質溫度：-20～85℃
環境溫度：常溫(-20～85℃)
負載電阻：
電流輸出型：最大800Ω;
電壓輸出型：大于50KΩ
絕緣電阻：大于2000MΩ(100VDC)
密封等級：IP65
長期穩定性能：0.1%FS/年
振動影響：在機械振動頻率20Hz～1000Hz內，輸出變化小于0.1%FS
電氣接口(信號接口)：四色排線輸出
機械連接(螺紋接口)：1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等
工作原理
1、壓阻式壓力傳感器
電阻應變片是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。
2、陶瓷壓力傳感器
陶瓷壓力傳感器基于壓阻效應，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋，由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產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，標準的信號根據壓力量程的不同標定為2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和應變式傳感器相兼容。
3、擴散硅壓力傳感器：
擴散硅壓力傳感器工作原理也是基于壓阻效應，利用壓阻效應原理，被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷)，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，利用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。
4、藍寶石壓力傳感器：
利用應變電阻式工作原理，采用硅-藍寶石作為半導體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。因此，利用硅-藍寶石制造的半導體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性;藍寶石的抗輻射特性極強;另外，硅-藍寶石半導體敏感元件，無p-n漂移。
5、壓電式壓力傳感器：
壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態的應力。
應用領域
壓力傳感器主要應用于：增壓缸、增壓器、氣液增壓缸、氣液增壓器、壓力機，壓縮機，空調制冷設備等領域。
1、應用于液壓系統
壓力傳感器在液壓系統中主要是來完成力的閉環控制。當控制閥芯突然移動時，在極短的時間內會形成幾倍于系統工作壓力的尖峰壓力。在典型的行走機械和工業液壓中，如果設計時沒有考慮到這樣的極端工況，任何壓力傳感器很快就會被破壞。需要使用抗沖擊的壓力傳感器，壓力傳感器實現抗沖擊主要有2種方法，一種是換應變式芯片，另一種方法是外接盤管，一般在液壓系統中采用第一種方法，主要是因為安裝方便。此外還有一個原因是壓力傳感器還要承受來自液壓泵不間斷的壓力脈動。
2.應用于安全控制系統
壓力傳感器在安全控制系統中經常應用，主要針對的領域是空壓機自身的安全管理系統。在安全控制領域有很多傳感器應用，壓力傳感器作為一種非常常見的傳感器，在安全控制系統中應用也不足為奇。
在安全控制領域應用一般從性能方面來考慮，從價格上的考慮，還有從實際操作的安全性方便性來考慮，實際證明選擇壓力傳感器的效果非常好。壓力傳感器利用機械設備的加工技術將一些元件以及信號調節器等裝置安裝在一塊很小的芯片上面。所以體積小也是它的優點之一，除此之外，價格便宜也是它的另一大優點。在一定程度上它能夠提高系統測試的準確度。在安全控制系統中，通過在出氣口的管道設備中安裝壓力傳感器來在一定程度上控制壓縮機帶來的壓力，這算是一定的保護措施，也是非常有效的控制系統。當壓縮機正常啟動后，如果壓力值未達到上限，那么控制器就會打開進氣口通過調整來使得設備達到最大功率。
3.應用于注塑模具
壓力傳感器在注塑模具中有著重要的作用。壓力傳感器可被安裝在注塑機的噴嘴、熱流道系統、冷流道系統和模具的模腔內，它能夠測量出塑料在注模、充模、保壓和冷卻過程中從注塑機的噴嘴到模腔之間某處的塑料壓力。
4.應用于監測礦山壓力
傳感器技術作為礦山壓力監控的關鍵性技術之一。一方面，我們應該正確應用已有的各種傳感器來為采礦行業服務;另一方面，作為傳感器廠家還要研制和開發新型壓力傳感器來適應更多的采礦行業應用。壓力傳感器有多種，而基于礦山壓力監測的特殊環境，礦用壓力傳感器主要有：振弦式壓力傳感器、半導體壓阻式壓力傳感器、金屬應變片式壓力傳感器、差動變壓器式壓力傳感器等。這些傳感器在礦產行業都有廣泛的應用，具體使用哪種傳感器還有根據具體的采礦環境進行選擇。
5.應用于促進睡眠
壓力傳感器本身無法促進睡眠，我們只是將壓力傳感器放在床墊地下，由于壓力傳感器具有高靈敏度，當人發生翻身、心跳以及呼吸等有關的動作時，傳感器會分析這一系列信息，去推斷睡眠人睡覺處于一個什么狀態，然后通過對傳感器的分析，收集傳感器的信號得到心跳和呼吸節奏等睡眠的數據，最后將所有數據處理譜成一首段的曲目，當然能將你一個晚上的睡眠壓縮成一首幾分鐘的音樂。
6.應用于壓縮機，空調冷設備
壓力傳感器常用于空氣壓力機，以及空調制冷設備，這類傳感器產品外形小巧、安裝方便、導壓口一般采用專用閥針式設計。
LPS25H傳感器
意法半導體積極擴大壓力傳感器的市場份額，新推出的LPS25H微型壓力傳感器以其為移動應用優化的獨特創新功能贏得一線智能手機廠商的青睞。
據IHS研究報告顯示，隨著消費者對更先進的新款智能手機和平板電腦的需求日益提高，全球消費電子產品壓力傳感器市場規模將于2017年達到3.75億美元[1]。壓力傳感器使終端產品能夠精確檢測樓層高度，提高位置服務(location-basedservices，LBS)質量，從而改進室內導航功能。壓力數據還有助于航位推算，為智能手機新應用創造機會，例如天氣分析和健康運動監視。
LPS25H是一個MEMS(微機電系統)傳感器，出自世界最大的MEMS供應商意法半導體，意法半導體在全世界擁有900余項MEMS相關專利和專利申請，讓這款傳感器具有很多獨有特性功能。其中，增強的溫度補償功能讓終端產品在不斷變化的環境內仍能保持穩定的性能，而自動歸零讓用戶一進入房間就立即獲得精確的測量結果。
此外，還有更多增值功能，如可控限值和中斷。除移動應用外，意法半導體的LPS25H還適用于穿戴式裝置、工業控制和智能家居系統。
在談到LPS25H羸得的第一個設計時，意法半導體高端傳感器及模擬器件產品部總經理FrancescoItalia表示：“意法半導體的壓力傳感器兼備先進功能和同級最高的品質，增強了客戶為市場提供優異的創新產品的信心。我們期待內置LPS25H的新智能手機取得巨大成功，提供優異的功能，給終端用戶帶來高附加值。”
2.5mmx2.5mmx1mm微型傳感器的空間占用極小，工作電流極低，僅為4µA，有助于延長電池使用壽命。超低噪聲設計有助于確保精度在±0.2mbar以內。
LPS25H在同一個封裝內集成MEMS感應單元和IC接口電路。感應單元檢的功能是測絕對壓力，主要組件包括在一個單晶硅基板上制作的懸浮薄膜和一個防止薄膜破裂的原生機械擋塊。意法半導體的先進制造工藝使薄膜比傳統微加工技術制作的薄膜薄很多。
IC接口芯片采用標準CMOS制造工藝，可實現高集成度，精確地調節接口電路，使其與感應單元的特性匹配。溫度補償算法采用二次修正，在寬溫度范圍內取得同級最好的精確度，不受溫度變化的影響。通過集成一個數據存儲先進選出存儲器(FIFO，First-InFirst-Outmemory)和支持用戶控制門限和中斷，LPS25H最大限度降低了對系統資源的需求，從而簡化軟件設計。
使用LPS25H的設計人員可利用意法半導體的廣泛的MEMS技術專長和開發生態系統，包括LPS25H壓力傳感器評估套件以及連接STeval-MKI109V2主板的專用適配板(STeval-MKI142V1)。
采用開孔LGA封裝(HCLGA)的LPS25H的樣片現已上市。
