系列精小型压力变送器
产品概述
精小型压力变送器以其优良的可靠性，广泛的适应性，产品的灵活性和多样性，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、水利等工业过程现场压力测量和控制中。
工作原理
陶瓷压阻型变送器是压力直接作用在陶瓷膜片的前面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯登电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号。
技术参数
测量范围-0.1～0－0.01～60MPa
过载 1.5倍满量程压力
压力类型表压或绝压密封参考压力
精确度典型：±0.25%FS；最大：±0.5%FS(包括非线
性、迟滞和重复性)
长期稳定性典型：±0.1%FS；最大：±0.2%FS
零点温度漂移0.03%FS/℃(≤100kPa)；0.02%FS/℃(＞100kPa)
满度温度漂移0.03%FS/℃(≤100kPa)；0.02%FS/℃(＞100kPa)
允许温度·正常工作温度0～70℃·贮存温度-20～80℃
供电电源(12.5～36)V DC
输出信号(4～20)mA DC
传输方式二线
外壳防护电缆线和接插件连接均为IP65
电气连接进口防爆插头座（DIN43650）
壳体不锈钢/1Cr18Ni9Ti
膜片96%氧化铝陶瓷
高温型最高温度可达150度
主要特点
·量程覆盖范围宽。
·防护等级：IP65。
·输出信号形式多样，现场可显示。
·反极性保护和瞬间过电流过跨压保护，符合EMI防护要求。·防爆型产品符合GB3836.4标准的ExiaⅡCT6要求。
加速度传感器及压电式传感器应用 摘要：加速度传感器是一种惯性传感器,它能感受加速度并转换成可用输出信号，被广泛用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等。通过加速度的测量，本文简单介绍了加速度传感器的种类、原理及相关应用并着重介绍了压电式加速度传感器。 关键词：加速度，传感器，应用 一加速度传感器概况 加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量，加速度检测广泛应用于航天、航空和航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。 测量加速度，目前主要是通过加速度传感器（俗称加速度计），并配以适当的检测电路进行的，在(1～64)Hz的设备频率下典型的加速度测量范围为(0．1～10)g。。加速度传感器的种类繁多，依据对加速度计内检测质量所产生的惯性力的检测方式来分，加速度计可分为压电式、压阻式、应变式、电容式、振梁式、磁电感应式、隧道电流式、热电式等；按检测质量的支承方式来分，则可分为悬臂梁式、摆式、折叠梁式、简支承梁式等。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的，当输入加速度时，加速度通过质量块形成的惯性力加在压电材料上，压电材料产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比，输出电量经放大后就可检测出加速度大小。下表为部分加速度计的检测方法及其主要性能特点。 型式测量范围灵偏稳定性分辨力特点 压电式(5~)g (~)g(~)g固有频率较高，用于冲击 及振动测量，大地测量及 惯性导航等 应变式± (0.5~200)g 低频响应较好，固有频率低，适用于低频振动测量 压阻式± (20~)g 灵敏度较高，便于集成化，耐冲击，易受温度影响 液浮摆式±(1~15)g (~)g(~)g带力反馈和温控，分辨力 高，成本较高，适用于惯 性导航
压阻式压力传感器 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。 压阻效应当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器的结构这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。 发展状况1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器（见单片微型计算机）。这种新型传感器的优点是:①频率响应高(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上),适于动态测量;②体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；③精度高，可
陶瓷压力传感器 陶瓷具有高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和震动的功能。陶瓷的热稳定性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达－40℃～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电器绝缘程度大于2KV，输出信号强，长期稳定性好。高特性、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其他类型传感器的趋势，在中国越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面、室膜片的表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性，与激励电压成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0、3.0、3.3MV等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0℃～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。 陶瓷厚膜结构与力敏Z－元件的优势互补。厚膜压力传感器是继扩散硅压力传感器之后压力传感器的又一次重大的技术创新，而力敏Z－元件是目前国内外唯一具有数字信号输出的敏感元件，因此陶瓷厚膜工艺与力敏Z－元件的最简单电路的巧妙结合，可以出现一种性能优异、成本低廉的新型压力传感器。具体来说，陶瓷厚膜工艺有下述优点。陶瓷弹性体性能优良，平整、均匀、质密的材料在程度范围内都严格遵循虎克定律，无塑性变形。厚膜电阻（包括高温导线）能与陶瓷弹性膜片牢固地烧结在一起，不需用胶进行粘贴。这种刚性结构蠕变小，漂移小，静态性能稳定，动态性能好。厚膜弹性体结构简单，易于制备。它与扩散硅压力传感器相比，不需半导体平面工艺来形成扩散电阻弹性膜片，大幅度减小了生产线的前期投入和工艺加工成本。陶瓷厚膜结构耐液体或气体介质的腐蚀，不需通过不锈钢膜片和硅油的转换与隔离，封装结构简化，进一步降低成本。工作量程宽。量程决定于膜片的有效半径与厚度之比，只要微压力不小于1KPA，原则上较高的量程也易于实现。工作温度范围宽，可达－40℃～120℃。 陶瓷厚膜力数字压力传感器的结构设计。陶瓷厚膜力数字压力传感器主要由瓷环、陶瓷膜片和陶瓷盖板三部分组成。陶瓷膜片作为感力弹性体，采用95％的AL2O3瓷精加工而成，要求平整、均匀、质密，其厚度与有效半径视设计量程而定。瓷环采用热压铸工艺高温烧制成型。陶瓷膜片与瓷环之间采用高温玻璃浆料，通过厚膜印刷、热烧成技术烧制在一起，形成周边固支的感力杯状弹性体，即在陶瓷的周边固支部分应形成无蠕变的刚性结构。在陶瓷膜片上表面，即瓷杯底部，用厚膜工艺技术做成传感器的电路。陶瓷盖板下部的圆形凹槽使盖板与膜片之间形成一定间隙，通过限位可防止膜片过载时因过度弯曲而破裂，形成对传感器的抗过载保护。 性能特点 坚固的陶瓷敏感膜片 零点、满量程激光标定 卓越的抗腐蚀、抗磨损性能 抗冲击、抗震动 高精度、高稳定性 宽的工作温度范围 体积小巧，易封装 最具竞争力的价格
压阻式传感器 piezoresistancetypetransducer 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。 压阻效应当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器的结构这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线（图1）。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。图1中硅膜片的一面是与被测压力连通的
高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。图2中是两种微型压力传感器的膜片，图中数字的单位为毫米。此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。 发展状况1954年c.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器（见单片微型计算机）。这种新型传感器的优点是:①频率响
压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。 压力传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数，对静态和动态压力，局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如，用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。 在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器，其工作温度达500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05％的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。 压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式压力传感器。 单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫，非线性和滞后均为全量程的±0.22％。在生物医学方面，压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到10微米，外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有 10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解相关PLC产品的选型，报价，采购，参数，图片，批发等信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/ca18924952.html,。
实验二压阻式压力传感器的压力测量实验 一、实验目的： 了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。 二、基本原理： 扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。 图一压阻式压力传感器压力测量实验 三、需用器件与单元： 主机箱、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。 四、实验步骤： 1、将压力传感器安装在实验模板的支架上，根据图二连接管路和电路（主机箱内的气源部分，压缩泵、贮气箱、流量计已接好）。引压胶管一端插入主机箱面板上气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连。压力传感器引线为4芯线： 1端接地线，2端为U0＋，3端接＋4V电源， 4端为Uo－，接线见图9-2。
2、实验模板上R W2用于调节放大器零位，R W1 调节放大器增益。按图9-2将实 验模板的放大器输出V02接到主机箱(电压表)的Vin插孔，将主机箱中的显示选 择开关拨到2V档，合上主机箱电源开关，R W1 旋到满度的1／3位置(即逆时针旋 到底再顺时针旋2圈)，仔细调节R W2 使主机箱电压表显示为零。 3、输入气压，压力上升到4Kpa左右时调节调节Rw2（低限调节），，使电压表显示为相应的0.4V左右。再仔细地反复调节旋钮使压力上升到19Kpa左右时调节差动放大器的增益电位器Rw1（高限调节），使电压表相应显示1.9V左右。 4、再使压力慢慢下降到4Kpa，调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示为相应的0.400V。再仔细地反复调节汽源使压力上升到19Kpa时调节差动放大器的增益电位器，使电压表相应显示1.900V。 5、重复步骤4过程，直到认为已足够精度时仔细地逐步调节流量计旋钮，使压力在4－19KPa之间变化，每上升3KPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表1。 作业： 1、画出实验曲线，并计算本系统的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭所有电源。
压力传感器 压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。 在航天和航空工业中压力是一个关键参数，对静态和动态压力，局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。 例如，用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器，其工作温度达500℃以上。
在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05%的配套硅压力传 感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。 单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫，非线性和滞后均为全量程的±0.22%。在生物医学方面，压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到10微米，外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。 压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/ca18924952.html,/
四种压力传感器的基本工作原理及特点 一：电阻应变式传感器 1 1电阻应变式传感器定义 被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。 1.2 电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。 箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 ?，通常为120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。 材料的电阻变化率由下式决定： d d d R A R A ρρ=+ （1） 式中； R —材料电阻
由材料力学知识得； [(12)(12)]dR R C K μμεε=++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数 式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得 R L K K R L ε??== (3) 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。 1.3电阻应变式传感器的分类及特点 测低压用的膜片式压力传感器 常用的电阻应变式压力传感器包括 测中压用的膜片——应变筒式压力传感器 测高压用的应变筒式压力传感器 1.3.1膜片——应变筒式压力传感器的特点 该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。 1.3.2 膜片式应变压力传咸器的特点 A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于0.5％，同时又有较高的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。 B 这种传感器与膜片—应变筒式压力传感器相比，自振频率较低，因此在低ρ—材料电阻率
2017年 第6期仪表技术与传感器 Instrument Technique and Sensor 2017 No.6 收稿日期：2017-03-04 基于压阻效应的陶瓷压力传感器 邬林，陈丛，钱江蓉，赵潇，胡国俊 （中国电子科技集团公司第三十八研究所，微电子封装研究中心，安徽合肥230000） 摘要：设计制作了一种基于压阻效应的陶瓷压力传感器，采用宜弯折柔性调理电路，体积小二稳定性好二宜封装集成三在不同温度二压强环境条件下，对传感器进行了系列实验测试，其满量程综合检测精度（线性二迟滞二重复性等）达到0.975％，完全符合压力传感器通用技术条件规定的综合误差要求，性能指标优良三加之陶瓷芯片具有耐腐蚀二抗磨损二成本低廉等优点，该传感器可被广泛应用在各种压力检测的场合三 关键词：压阻效应；陶瓷；压力传感器；压力检测；柔性调理电路 中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1002-1841（2017）06-0026-03 Ceramic Pressure Sensor Based on Piezoresistive Effect WU Lin，CHEN Cong，QIAN Jiang-rong，ZHAO Xiao，HU Guo-jun （The38th Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Microelectronics Packaging Research Center，Hefei230000，China） Abstract：With a flexible processing circuit，a ceramic pressure sensor based on piezoresistive effect was designed and fabri-cated，which has advantages of small size，good stability and suitable packaging.Then，the sensor was tested under different tem-perature and pressure conditions，and a comprehensive detection accuracy（linearity，hysteresis，repeatability，etc.）of0.975％was obtained，which is fully in accordance with the global error requirement of the general technical specifications for pressure sensor，that illustrates the excellent performance of the https://www.doczj.com/doc/ca18924952.html,bined with the advantages of corrosion resistance，wear resistance and low cost，the ceramic sensor can be widely used in various pressure detection. Keywords：piezoresistive effect；ceramic；pressure sensor；pressure detection；flexible processing circuit 0 引言 随着现代科技的发展，世界已进入了信息化时 代，传感器作为信息感知的关键部件，已被广泛应用 到了工业二农业二医疗二交通二军事二航空航天等各行各 业中三其发展水平标志着一个国家的综合科技实力， 是其他各行业技术发展进步的基础三其中，压力传感 器是被使用最广泛的一类传感器，过去国内外一直以 电阻应变式为主，主要包括金属箔式和硅压阻式2种， 但都存在一些不足[1]三金属箔式应变计灵敏度低，且易受温湿度等环境因素影响而老化，产生零点漂移和 迟滞增大；硅压阻式应变系数高，对温度非常敏感，工 作温度区间较窄（60?以下），测量腐蚀性流体介质 时需隔离，结构复杂二成本较高，限制了其应用场合三 后来，虽有薄膜应变式压力传感器出现，但由于成本 等因素，其应用也受到一定限制[2]三 陶瓷压力传感器（也称厚膜压力传感器），是一种 新型压阻式力学传感器，以陶瓷为基底，以陶瓷膜片为弹性载体，采用厚膜工艺制得，具有测量精度高二稳 定性好二工作温度范围宽（-40 135?）二耐腐蚀二耐磨 损二抗冲击振动二低成本等优点，已被广泛应用在各种 测量压力的场合[3]三本研究正是基于这一原理特点，结合独特柔性电路设计，制造了一种性能稳定二检测 精度高二成本低廉的陶瓷压力传感器，可被应用于多 种流体介质的压力检测三 1 传感器结构 设计制作的陶瓷压力传感器如图1所示，包括陶 瓷压力传感芯片和柔性调理电路2部分 三 图1 陶瓷压力传感器 万方数据
WSH系列厚膜陶瓷压阻式芯体 使用说明书 （型号：WSH） 郑州炜盛电子科技有限公司Zhengzhou Winsen Electronic Technology Co., Ltd
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WSH 系列厚膜陶瓷压阻式芯体 产品描述 WSH 系列厚膜陶瓷压阻式芯体是采用进口陶瓷基座经厚膜工艺精制而成的陶瓷压阻压力传感器。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷良好的热稳定特性和厚膜的高温烧结工艺使陶瓷压力传感器工作温度范围高达-40～125℃。而陶瓷的高弹性和抗蠕变性能，使陶瓷压力传感器具有很好的长期稳定性。另外，陶瓷的耐腐蚀性，使它在制冷、化工和环保等领域具有得天独厚的优势。 传感器特点 ● 高过载能力的陶瓷敏感膜片 ● 零点、满量程激光标定 ● 卓越的抗腐蚀、抗磨损性能 ● 抗冲击、抗震动 ● 高精度、高稳定性 ● 工作温度范围广 ● 体积小巧，易封装 ● 环保 主要应用 WSH 系列厚膜陶瓷压阻式芯体被广泛地应用在：过程控制、环境控制、液压和气动设备、伺服阀门和传动、化学制品和化学工业及医用仪表等众多领域。 如今，高特性、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家逐步替代其它类型传感器的趋势越来越明显，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代应变式和扩散硅压力传感器。 技术指标 传感器示意图 项目 参数 量程 2bar 、 5bar 、10bar 、16bar 、20bar 、25bar 、30bar 、 50bar 、100bar 、200 bar 、250 bar 、400 bar
第二节压阻式传感器 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷参数。 因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。 1.基本工作原理 根据式（2－3） 式中，项，对金属材料，其值很小，可以忽略不计，对半导体材料， 项很大，半导体电阻率的变化为 (2－22) 式中为沿某晶向的压阻系数，σ为应力，为半导体材料的弹性模量。如半导体硅材料，, ，则 ，此例表明，半导体材料的灵敏系数比金属应变片灵敏系数(1＋2μ)大很多。可近似认为。 半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。由于半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻系数不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。所谓晶向，就是晶面的法线方向。 晶向的表示方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。
1．截距法设单晶硅的晶轴坐标系为x、y、z， 如图2－29所示，某一晶面在轴上的截距分别为r、s、t (2－23) 1/r、1/s、1/t为截距倒数，用r、s、t的最小公倍数分别相乘，获得三个没有公约数的整数a、b、c，这三个数称为密勒指数，用以表示晶向，记作〈a b c〉，某数（如a）为负数则记作〈 b c〉。例如图2－30(a)，截距为－2、－ 2、4，截距倒数为－、－、，密勒指数为〈1〉。图2－30(b)截距为 1、1、1，截距倒数仍为1、1、1，密勒指数为〈1 1 1〉。图2－30(c)中ABCD 面，截距分别为1、∞、∞，截距倒数为1、0、0，所以密勒指数为〈1 0 0〉。 2．法线法如图2－29所示，通过坐标原点O，作平面的法线OP，与x、y、z轴的夹角分别为α、β、γ。 (2－24)
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910276589.0 (22)申请日 2019.04.08 (71)申请人 绍兴文理学院元培学院 地址 312000 浙江省绍兴市越城区群贤中 路2799号 (72)发明人 徐志望 (74)专利代理机构 杭州杭诚专利事务所有限公 司 33109 代理人 尉伟敏 (51)Int.Cl. H01B 1/16(2006.01) H01B 1/22(2006.01) H01B 13/00(2006.01) H01C 7/00(2006.01) H01C 17/065(2006.01) (54)发明名称 一种陶瓷压阻式压力传感器用厚膜电阻浆 料及制备方法 (57)摘要 一种陶瓷压阻式压力传感器用厚膜电阻浆 料及制备方法，涉及厚膜电子材料领域，包括导 电相：成分为氧化钌，氧化钌/碳纳米管复合材 料；无机粘结相：成分为CaO，B 2O 3，SiO 2和ZrO 2；有 机载体：成分为有机溶剂，增稠剂，表面活性剂， 触变剂和流变剂；和改性剂：成分为聚丙烯酸树 脂包覆二氧化硅，氧化铅，本发明厚膜电阻浆料 的导电相中加入氧化钌/碳纳米管复合材料，增 加了导电相的导电性能，同时具有较高的稳定 性，并且在厚膜电阻浆料中加入聚丙烯酸树脂包 覆二氧化硅和氧化铅混合改性剂，提高厚膜电阻 浆料烧结后的应变系数，降低阻值，提高性能稳 定性和与基片的粘附力。权利要求书2页 说明书7页CN 110232983 A 2019.09.13 C N 110232983 A
权 利 要 求 书1/2页CN 110232983 A 1.一种陶瓷压阻式压力传感器用厚膜电阻浆料，其特征在于，包括导电相：成分及质量份数为氧化钌50-60份，氧化钌/碳纳米管复合材料5-10份；无机粘结相：成分及质量份数为CaO40-50份，B2O340-50份，SiO245-55份和ZrO215-20份；有机载体：成分及质量份数为有机溶剂90-95份，增稠剂2-5份，表面活性剂0.5-1份，触变剂1-2份和流变剂0.5-1份；和改性剂：成分及质量份数为聚丙烯酸树脂包覆二氧化硅70-90份，氧化铅30-40份。 2.根据权利要求1所述的一种陶瓷压阻式压力传感器用厚膜电阻浆料，其特征在于，所述有机溶剂为二乙二醇单甲醚、柠檬酸三丁酯、磷酸三丁酯、松油醇、丁基卡必醇中的一种或组合，增稠剂为乙基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素中的一种，表面活性剂为卵磷脂，触变剂为十六醇、聚酰胺蜡，蓖麻油中的一种或组合，流变剂为1，4-丁内酯。 3.根据权利要求1所述的一种陶瓷压阻式压力传感器用厚膜电阻浆料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤： S1：导电相的制备： S1.1：在三氯化钌中加入去离子水，配置成0.1-0.15mol/L的三氯化钌溶液，随后加入碳纳米管，升温至60-70℃搅拌，随后逐滴滴入氢氧化钠溶液，继续搅拌陈化2-4h，随后离心洗涤，煅烧后得到氧化钌/碳纳米管复合材料； S1.2：将氧化钌粉末与氧化钌/碳纳米管复合材料混合制备得到导电相； S2：无机粘结相的制备：将CaO、B2O3、SiO2和ZrO2按配比加入至玛瑙球磨罐搅拌1-2h，随后置于坩埚中在1100-1300℃下熔炼1.5-2h，水淬后再进行球磨10-15h，制备得到无机粘结相； S3：有机载体的制备：将有机溶剂与增稠剂在70-85℃水浴下进行混合，搅拌至增稠剂完全溶解于有机溶剂中，随后加入表面活性剂、触变剂和流变剂，搅拌均匀，得到有机载体； S4：改性剂制备： S4.1：将二氧化硅颗粒置于无水乙醇中，加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，在30-50℃下反应7-14h，离心烘干，得到氨基改性二氧化硅颗粒；随后将氨基改性二氧化硅颗粒分散至甲苯中，加入三乙胺，在0℃下氮气保护下搅拌1-2h后，加入2-溴异丁酰溴，随后搅拌反应10-15h，并离心干燥，得到溴改性二氧化硅颗粒；随后，将溴改性二氧化硅颗粒、六水合三氯化铁和三苯基膦分散于N,N-二甲基甲酰胺中，通过氩气置换之后，加入2-溴异丁酸乙酯和甲基丙烯酸甲酯，搅拌混合，缓慢加入抗环血酸，在50-80℃下反应20-28h，离心洗涤干燥，得到聚丙烯酸树脂包覆二氧化硅； S4.2：将聚丙烯酸树脂包覆二氧化硅和氧化铅混合得到改性剂； S5：将导电相、无机粘结相混合研磨，随后置于有机载体，并加入改性剂，得到陶瓷压阻式压力传感器用厚膜电阻浆料。 4.根据权利要求3所述的一种陶瓷压阻式压力传感器用厚膜电阻浆料的制备方法，其特征在于，步骤S1.1中所述三氯化钌和/碳纳米管的质量比为：1-3:1。 5.根据权利要求3所述的一种陶瓷压阻式压力传感器用厚膜电阻浆料的制备方法，其特征在于，步骤S1.1中所述煅烧的温度为250-350℃，时间为15-24h。 6.根据权利要求3所述的一种陶瓷压阻式压力传感器用厚膜电阻浆料的制备方法，其特征在于，步骤S4.1中所述六水合三氯化铁和三苯基膦的质量比为1:10-15。 7.根据权利要求3所述的一种陶瓷压阻式压力传感器用厚膜电阻浆料的制备方法，其 2
压力传感器及其应用电路 摘要：目前在工业生产中用得最广的压力传感器是硅压阻式压力传感器，它通过感触压力的 变化来改变其中的应变元件的电阻，从而输出相应的电压变化，实现将压力参数转变 成电信号参数。本文探讨了MPX2000系列压力传感器的应用电路以及MC33079型号运 算放大器在其中的应用的相关知识。 关键词：压力传感器；MPX2000；MC33079 引言 在工业测量中，压力的测量极为广泛，利用压力测量可以直接或间接测得很多物理参数，例如大型储液罐的液位、储气罐的压力、海洋的水深、山的高度，医疗方面可以测量血压、呼吸压等，航空方面测量飞机的飞行高度、飞行速度、升降速度以及气体管道流量等。但目前在实际中用得最多的是由膜片、波纹管、弹簧管和机械式传动、放大机构组成的指针式压力表。它的优点是结构简单、生产成本低，但测量精度低，如果要对压力参数进行遥测、记录或集中观察（监控）、自动调节或控制，则需要用到压力传感器，通过压力传感器将压力参数变成电信号输出。 一、硅压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，也就是在单晶硅的基片或硅杯上用扩散工艺、离子注入工艺或溅射工艺制成一定形状的应变元件，当压力传感器受到压力时，传感器中的应变元件的电阻 发生变化，从而输出相应的电压变化。很多压阻式压力传感器 是在硅膜片上制作四个等值电阻的应变元件，形成电桥。当受 到压力作用时，一对桥臂电阻变大△R ，而另一对桥臂电阻变小△R ，电桥失去平衡，这时便有一个与压力成正比的电压u o 输出，其工作原理如图(a)所示。 二、压力传感器的应用电路 典型的压力传感器应用电路如图(b)所示。它是一种适合于MPX2000系列的通用放大电路。MPX2000系列压力传感器是一种 带有温度补偿的压阻式压力传感器，其内部有温度补偿电阻网 络，并经激光校准，如图(c)所示。经过激光校准后，传感器的零输出、满量程输出及输出一致性、温度补偿特性等都达到较 好的性能指标。它的基本性能指标是：零位输出小于±1mV ，满 量程输出40mV ±1.5mV ，在0～＋85℃范围内有较好的温度补偿效果；线性度可达±0.1％FS ～±0.25％FS ；工作温度范围为－40℃～＋125℃,允许过载为400％（MPX2100）、200％（MPX2050）。（MPX2100与MPX2050的主要参数与极限参数详见附录一和附录二） 另外，在压力传感器的应用电路中，大多都采用仪用放大器电路结构。这是由于仪用放大器电路具有高输入阻抗的特点（传感信号两端均由同相端输入），两运放A1、A2的特性相同时，就可以很好地减小温漂，增强抗共模干扰的能力，且当改变增益时对放大器特性无影响。这种放大电路能测量小信号并具有较高的精度。 三、应用电路的分析 典型的压力传感器应用电路中，A 1、A 2构成同相比例运算电路，它们的同相端连接硅压阻式传感器的输出端，A 3组成一个差分比例运算电路，它将双端输入信号变为单端输出的输 R+△R R-△R R-△R R+△R u 0 I 0(a)
陶瓷压力传感器的简介 陶瓷具有高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和震动的功能。陶瓷的热稳定 性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达－40℃～135℃，而且具有测 量的高精度、高稳定性。电器绝缘程度大于2KV，输出信号强，长期稳定性好。高特性、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面 替代其他类型传感器的趋势，在中国越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散 硅压力传感器。 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面、室膜片的表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成 正比的高度线性，与激励电压成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的 不同标定为2.0、3.0、3.3MV等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0℃～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。 陶瓷厚膜结构与力敏Z－元件的优势互补。厚膜压力传感器是继扩散硅压力 传感器之后压力传感器的又一次重大的技术创新，而力敏Z－元件是目前国内 外唯一具有数字信号输出的敏感元件，因此陶瓷厚膜工艺与力敏Z－元件的最 简单电路的巧妙结合，可以出现一种性能优异、成本低廉的新型压力传感器。 具体来说，陶瓷厚膜工艺有下述优点。陶瓷弹性体性能优良，平整、均匀、质 密的材料在程度范围内都严格遵循虎克定律，无塑性变形。厚膜电阻（包括高 温导线）能与陶瓷弹性膜片牢固地烧结在一起，不需用胶进行粘贴。这种刚性 结构蠕变小，漂移小，静态性能稳定，动态性能好。厚膜弹性体结构简单，易 于制备。它与扩散硅压力传感器相比，不需半导体平面工艺来形成扩散电阻弹
压阻式压力传感器的应用领域 压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。 70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器。这种新型传感器的优点是:频率响应高,适于动态测量;体积小，适于微型化；精度高，可达0.1～0.01％；灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大、工艺较复杂和造价高等。 压力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。 压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。 硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片N型定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。 压力传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。 在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05％的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。
压阻式压力传感器测量压力特性实验 一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和标定方法。 二、基本原理：扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出P型或N 型电阻条）组成电桥。在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。图为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。 压阻式压力传感器压力测量实验原理 三、需用器件与单元：主机箱中的气压表、气源接口、电压表、直流稳压电源±15V、±2V～±10V（步进可调）；压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。 四、实验步骤： 1、按示意图安装传感器、连接引压管和电路：将压力传感器安装在压力传感器实验模板的传感器支架上；引压胶管一端插入主机箱面板上的气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连；压力传感器引线为4芯线(专用引线)，压力传感器的 1端接地，2端为输出Vo＋，3端接电源＋4V，4端为输出Vo－。具体接线见下图。
压阻式压力传感器测压实验安装、接线示意图 2、将主机箱中电压表量程切换开关切到2V档；可调电源±2V～±10V调节到±4V档。实验模板上R W1用于调节放大器增益、R W2用于调零，将R W1调节到的1／3位置(即逆时针旋到底再顺时针旋3圈)。合上主机箱电源开关，仔细调节R W2使主机箱电压表显示为零。 3、合上主机箱上的气源开关，启动压缩泵，逆时针旋转转子流量计下端调压阀的旋钮，此时可看到流量计中的滚珠在向上浮起悬于玻璃管中，同时观察气压表和电压表的变化。 4、调节流量计旋钮，使气压表显示某一值，观察电压表显示的数值。 5、仔细地逐步调节流量计旋钮，使压力在2kPa～18kPa之间变化（气压表显示值），每上升1kPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表8。 压阻式压力传感器测压实验数据 P(kPa) V o(p-p) 6、画出实验曲线计算本系统的灵敏度和非线性误差。 7、如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对电路进行标定，方法采用逼近法：输入4kPa气压，调节R w2（低限调节），使电压表显示0.3V(有意偏小)，当输入16kPa气压，调节Rw1（高限调节）使电压表显示1.3V(有意偏小)；再调气压为4kPa，调节Rw2（低限调节），使电压表显示0.35V(有意偏小)，调气压为16kPa，调节R w1（高限调节）使电压表显示1.4V(有意偏小)；这个过程反复调节直到逼近自己的要求(4kpa对应0.4V，16kpa对应 1.6V)即可。实验完毕，关闭电源。