压阻压力传感器:压阻压力传感器

2021/11/09 01:35 · 传感器知识资讯 ·  · 压阻压力传感器:压阻压力传感器已关闭评论
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压阻压力传感器:压阻压力传感器1.灵敏度高:硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高50~100倍,故相应的传感器灵敏度很高,一般满量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊要求,应用成本相应较低。由于它是一种非机械结构传感器,因而分辨率极高,国外称之无限,即主要受限于外界的检测读出仪表限制及噪声干扰限制,一般均可达传感器满量程的十万分

压阻压力传感器:压阻压力传感器  第1张

压阻压力传感器:压阻压力传感器

1. 灵敏度高:  硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高50~100倍,故相应的传感器灵敏度很高,一般满量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊要求,应用成本相应较低。由于它是一种非机械结构传感器,因而分辨率极高,国外称之无限,即主要受限于外界的检测读出仪表限制及噪声干扰限制,一般均可达传感器满量程的十万分之一以下。硅压阻传感器在零点附近的低量程段无死区,且线性优良。  2. 精度高:  由于固态压阻压力传感器的感受,敏感转换和检测三部分由同一个元件实现,没有中间转换环节,所以不重复性和迟滞误差极小。同时由于硅单晶本身刚度很大,形变很小,保证了良好的线性,因此综合静态精度很高。  3. 体积小、重量轻、动态频响高:  由于芯体采用集成工艺,又无传动部件,因此体积小,重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性模数,敏感元件的固有频率很高。在动态应用时,动态精度高,使用频带宽,合理选择设计传感器外型,使用带宽可以从零频至100千赫兹。  4. 性能稳定、可靠性高:  由于工作弹性形变低至微应变数量级,弹性薄膜最大位移在亚微米数量级,因而无磨损、无疲劳、无老化。寿命长达107压力循环次以上。  5. 温度系数小:  由于微电子技术的进步,四个应变电阻的一致性可做的很高,加之激光修调技术、计算机自动补偿技术的进步,硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达10-5/℃数量级,即在压力传感器领域已超过温度系数小的应变式传感器的水平。  6. 适应介质广:  由于硅的优良化学防腐性能,与硅油的良好可兼容性,使得隔离式结构易于实现,即使非隔离型的压阻压力传感器,也有相当程度的适应各种介质的能力。  7. 安全防爆:  由于其低电压、低电流的低功耗特点,它是本质安全防爆型产品,可广泛用于各种化工工业检测控制等领域,具有最优性价比。压阻压力传感器:压阻压力传感器  第2张

压阻压力传感器:压阻式压力传感器的仿真设计

设计压阻式压力传感器等 MEMS 设备是一项极富挑战的工作,这是因为精确描述此类设备的工作条件需要基于多个物理场的耦合分析。借助 COMSOL Multiphysics?,您便可以轻松地耦合多物理场仿真,进而便捷地测试设备性能并获取精确的分析结果。今天,我们将通过一个示例来展示软件的这一强大功能。
压阻式压力传感器的优势
压阻式压力传感器是首款商用的 MEMS 设备。作为压力传感器市场占有率最高的产品,此类设备在众多应用领域拥有着极为广泛的用途。血压测量仪和汽车发动机中的油(气)量表是其最常见的应用示例。
压阻效应定义
压阻式压力传感器在生物医学领域及汽车行业的应用。左图:血压测量装置。图像由 Andrew Butko 拍摄。已获CC BY-SA 3.0许可,通过 Wikimedia Commons 共享。右图:汽车油表。图像由 Marcus Yeagley 拍摄。已获 CC BY-SA 2.0 许可,通过Flickr Creative Commons共享。
相比于电容式压力传感器,压阻式压力传感器虽然耗电量较高、噪声相对较大,但它却拥有电容式压力传感器不具备的许多优点,例如压阻式压力传感器能更容易地与电子设备相集成。不仅如此,它对压力的响应更为线性,并且还能屏蔽射频噪声的干扰。
压阻式压力传感器同其他 MEMS 设备一样,其设计中也包含了多个物理场。为了准确地评估传感器性能,需要借助可靠工具来对不同的物理场进行耦合,并描述它们之间的相互作用。COMSOL Multiphysics 的丰富特征和功能绝对可以满足您的需求。精确的仿真结果让您进行实际制造前,便能准确地了解设备的性能。
我们从“案例下载”中选取了一个示例,来让您更深入地了解 COMSOL 软件的强大功能。
借助 COMSOL Multiphysics? 评估压阻式压力传感器的性能
“压阻式压力传感器,壳”教学模型的设计基于原摩托罗拉(Motorola)公司半导体事业部制造的一款压力传感器,该部门后来发展成为飞思卡尔半导体有限公司(Freescale Semiconductor)。该型号的传感器现已停产,文末的参考文献 1提供了该传感器的详细分析,参考文献 2提供了制造商的存档数据表。
压阻式压力传感器,壳
模型的几何结构由一个厚度为 20 μm、边长为 1 mm 的正方形隔膜组成。隔膜的周围是宽 0.1mm 的支撑区域,该区域固定在隔膜下侧,与设备中的半导体材料粗柄相连。靠近隔膜的边缘处,您可以看到一个 X 形的压敏电阻 Xducer? (以下简称 X)及与其相连的线。该区域内仅加入了少量的互连线,这些连接线的电导率足够高,故不会对设备的输出产生影响。
传感器模型的几何结构(左图)和压敏电阻几何结构的细节图(右图)。
如果我们向 X 中沿[100]方向的臂施加一个电压,则会有电流沿臂流过。当压力导致植入的传感器的隔膜发生变形时,设备中会产生剪切应力。由于产生了剪切应力,X 中沿[010]方向的臂内会产生与电流方向垂直的电场或电势梯度——这是由压阻效应产生的。换能器宽度上的电势梯度逐渐相加,最终使 X的[010]臂两端之间产生电压差。
在这种情况下,我们假设压敏电阻的厚度为 400 nm,密度为 的均匀 p 型半导体。由于连接线具有相同的厚度,故我们假设其掺杂密度为 。
对于方向来说,半导体材料的边必须与模型的 x 轴,y 轴和硅的[110]方向对齐。与此同时,压敏电阻与材料边缘成 45o 角,也就是它位于晶体的[100]方向。为了确定晶体方向,可将模型的坐标系关于 z 轴旋转 45o。借助 COMSOL 软件中的旋转坐标系 特征,我们可以轻易完成上述操作。
在此案例中,我们使用压阻效应,边界电流 接口来对结构方程式和薄层上的电气方程进行模拟,此薄层与结构上的边界相重合。使用此类二维“壳”公式可以大大降低模拟薄层结构占用的计算资源。请注意,我们同时选择了“MEMS 模块”与“结构力学模块”来执行分析。
结果比较
首先,让我们观察一下施加了 100kPa 压力后隔膜的位移情况。在下方的仿真绘图中,我们可以观察到隔膜中心的位移为 1.2μm,参考文献 1 中各向同性模型预计该点处的位移为 4μm。考虑到分析模型是基于粗略的猜想,故可以认为此案例的结果与文献中的结果是相匹配的。
施加 100 kPa压力后隔膜的位移情况。
当在局部坐标系中对隔膜边缘中点处取更为精确剪切应力值时,参考文献 1表示局部剪切应力为 35MPa。这一结果与本文仿真研究中的最小值 38MPa 非常吻合。从理论上讲,隔膜边缘中点处的剪切应力应最大。
压敏电阻局部坐标系中的剪切应力。
下图展示了隔膜边缘上的剪切应力。每条边的中心处,局部剪切应力最大,为 38MPa。
沿两条隔膜边缘的局部剪切应力。
鉴于设备尺寸和掺杂度估算值,在正常运行下,模型输出与制造商数据表中的信息十分吻合。举例来说,在该模型中,施加 3V 的偏压后可以得到 5.9mA 的工作电流。数据表中记录有一个相似的 6mA 电流。此外,该模型的电压输出为 54mV。如数据表所示,设备产生的实际电位差为 60mV。
最后,让我们看看 Xducer? 传感器的电流与电压分布详情。参考文献 3中提到,当电压传感元件中的载流硅线的局部宽度增大时,可能会发生“短路效应”。该效应的本质原因是电流扩散到了 X 形压敏电阻的传感臂中。具体情况请参见下图。此外,下图还突出显示了不对称电位,它也由压阻效应产生的。
3 V 的偏压、100 kPa 压力时,设备的电流密度和电势。压阻式压力传感器,壳更多资源如您希望获取“压阻式压力传感器”演示教程,请观看已归档的网络研讨会Modeling MEMS Devices with COMSOL Multiphysics? 浏览“COMSOL 博客”中 MEMS 分类下的文章,了解更多关于 MEMS 设备的仿真应用参考文献S.D. Senturia, “A Piezoresistive Pressure Sensor”, Microsystem Design, chapter 18, Springer, 2000.Motorola Semiconductor MPX100 series technical data, document: MPX100/D, 1998.M. Bao, Analysis and Design Principles of MEMS Devices, Elsevier B. V., 2005.
Xducer? 是飞思卡尔半导体公司的商标,该公司前身为摩托罗拉公司。COMSOL Multiphysics? 软件及此模型并不从属于飞思卡尔半导体公司或摩托罗拉公司,同时未以任何方式接受其赞助或认可。
经授权转载自 原作者 Bridget Cunningham。

压阻压力传感器:压阻式压力传感器的原理解析

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-M -M 位置传感器配套仪表

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

电气特征

线路电源电压要求?(VDC):
9 – 30

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(mA):
4 – 20

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(VDC):
0 – 10

励磁电压?(Vrms):
3

信号特征

励磁频率?(kHz):
7.5

主体特性

信号调节 - LVDT/RVDT 重量?(g):
117

机械附件

信号调节 - LVDT/RVDT 安装?:
DIN 3

使用环境

工作温度范围?:
-20 – 75?°C?[?0 – 165?°F?]

操作/应用

...

发表于 08-21 02:00 ?

10次
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-006 -006 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

目前没有详细产品特性的在线信息。?

发表于 08-21 02:00 ?

17次
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-012 -012 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

目前没有详细产品特性的在线信息。?

发表于 08-21 02:00 ?

12次
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-006 -006 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

目前没有详细产品特性的在线信息。?

发表于 08-21 02:00 ?

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-012 -012 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

电气特征

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 电源电压?(V):
±15

模拟输出?:
±10 V

电气连接?:
PT02A-10-6P

主体特性

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外形尺寸?:
圆柱形

弹簧回弹式?:
分离式铁芯, 分离式铁芯

壳体特性

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外壳材料?:
不锈钢

外壳直径?:
4.78?mm?[?.188?in?]

使用环境

工作温度范围?:
0 – 70?°C?[?32 – 158?°F?]

环境规范?:
1,000 PSI 压力

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-M -M 角位移传感器 - RVDTRVIT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。?

产品类型特性

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 类型?:
RVDT

结构特性

电气连接?:
M12.5 针

电气特征

Input Current (Max)?(mA):
25

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 输出类型?:
0 – 10 VDC

主体特性

角度感应范围?(°):
0 – 120

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 重量?(g):
99

外壳材料?:

机械附件

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 安装?:
Servo Groove

...

发表于 08-21 01:00 ?

16次
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-00 -00 即插即用加速度传感器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
5 针连接器

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
4 – 30

零加速输出?(mV):
±50

信号特征

频率响应?(Hz):
0-1500

主体特性

轴数?:
1

重量?:
16?g?[?.56?oz?]

材料?:
不锈钢

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-1 -1 角度位置传感器 - 空心轴旋转变压器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。?

结构特性

Resolver Size?:
21

Pole Pairs?:
1

其他

Angular Error?('):
20

发表于 08-21 01:00 ?

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315-120 315-120 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

即插即用加速度计传感器类型?:
电缆组件

发表于 08-21 01:00 ?

12次
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-00 341A-240 即插即用加速度传感器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

产品类型特性

即插即用加速度计传感器类型?:
电缆组件

发表于 08-21 01:00 ?

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4000A-005-060 4000A-005-060 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
一体式电缆

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
8 – 36

零加速输出?(mV):
±100

励磁电流?(mA):
5

信号特征

频率响应?(Hz):
0-300

主体特性

轴数?:
1

重量?:
7?g?[?.245?oz?]

...

发表于 08-21 01:00 ?

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4000A-050-030 4000A-050-030 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
一体式电缆

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
8 – 36

零加速输出?(mV):
±100

励磁电流?(mA):
5

信号特征

频率响应?(Hz):
0-800

主体特性

轴数?:
1

重量?:
7?g?[?.245?oz?]

...

发表于 08-21 01:00 ?

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603-0100-120 603-0100-120 速率和惯性传感器

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产品类型特性

速率和惯性传感器类型?:
Rate Sensors/Gyros

电气特征

励磁电压?(VDC):
5 – 16

尺寸

尺寸 MM?:
20.8 x 20.8 x 14.5

使用环境

工作温度范围?:
-40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?]

包装特性

速率和惯性传感器包装?:
Anodized Aluminium

其他

精确度?:
±0.5% Non-Linearity

FS 范围 (±) DEG/SEC?:
100...

发表于 08-21 01:00 ?

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-00 610-12K-276 速率和惯性传感器

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产品类型特性

速率和惯性传感器类型?:
Rate Sensors/Gyros

电气特征

励磁电压?(VDC):
5 – 16

尺寸

尺寸 MM?:
14.6 x 10.2 x 7.6

使用环境

工作温度范围?:
-40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?]

包装特性

速率和惯性传感器包装?:
Anodized Aluminium

其他

精确度?:
±0.5% Non-Linearity

FS 范围 (±) DEG/SEC?:
...

发表于 08-21 01:00 ?

12次
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-000 -000 位置传感器配套仪表

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电气特征

线路电源电压要求?(VDC):
±12, ±15

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(VDC):
±10

励磁电压?(Vrms):
3

信号特征

励磁频率?(kHz):
2.5 – 10

机械附件

信号调节 - LVDT/RVDT 安装?:
Printed Circuit Board Edge or Terminal Block

使用环境

工作温度范围?:
-1 – 55?°C?[?30 – 130?°F?]

其他

传感器类型?:
带 5 或 6 根导线的 LVDT 或 RVDT

传感器通道?:
1

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-000 -000 线性位移传感器 - LVDT

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使用环境

工作温度范围?:
5 – 60?°C?[?41 – 140?°F?]

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7104A-0050 7104A-0050 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

加速度计类型?:
IEPE

即插即用加速度计传感器类型?:
交流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
10-32 同轴连接器

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±5

励磁电压?(VDC):
18 – 30

励磁电流?(mA):
2 – 10

信号特征

频率响应?(Hz):
0.3-

主体特性

轴数?:
1

重量?:
8.6?g?[?.303?oz?]

材料?:
不锈钢

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-020 -020 倾角传感器和倾角仪

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结构特性

接口?:
模拟

电气特征

电源电压?(VDC):
12 – 24

模拟接口?(mA):
4 – 20

端接特性

倾角传感器和测斜仪安装?:
垂直

尺寸

尺寸?(mm):
最多 70

倾角传感器和测斜仪精确度?(°):
最多 +/- .5

分辨率?(°):
最多 +/- .01

使用环境

测量原理?:
液体

工作温度范围?:
-25 – 60?°C?[?-13 – 140?°F?]

包装特性

倾...

发表于 08-21 01:00 ?

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-00 AST4300AP4P1000 压力传感器

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产品类型特性

压力传感器类型?:
非易燃压力变送器

压力类型?:
测量仪

结构特性

压力端口/接头?:
1/4 MNPT

电气连接?:
10 英尺导管

电气特征

压力传感器电源电压?(V):
10 – 28

主体特性

端口材料?:
316L

使用环境

压力?:
344.73?bar?[?5000?psi?]

工作温度范围?:
-40 – 80?°C?[?-40 – 176?°F?]

操作/应用

耐压范围?:
2X,最小值

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-00 AST4600AP4W1000 压力传感器

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产品类型特性

压力传感器类型?:
防爆型压力变送器

压力类型?:
测量仪

结构特性

压力端口/接头?:
1/4 MNPT

电气连接?:
导管 2 m 引线

电气特征

压力传感器电源电压?(V):
10 – 28

主体特性

端口材料?:
316L

使用环境

工作温度范围?(°C):
-40 – 85

工作温度范围?(°F):
-40 – 185, -40 – 185

操作/应用

耐压范围?:
2X,最小值

...

发表于 08-21 01:00 ?

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