陶瓷压力传感器是采用特种陶瓷材料,经特殊工艺精制而成的压阻式压力传感器。陶瓷是公认的具有高弹性、耐腐蚀、耐磨损、耐冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定性和厚膜电阻可以使其在-40℃~125℃的温度范围内工作,并且具有高精度测量、高稳定性。电气绝缘程度大于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,陶瓷传感器有全面取代其他类型传感器的趋势。在中国,越来越多的用户正在使用替代扩散硅压力传感器。
①陶瓷电容式压力传感器陶瓷电容式压力传感器由固定陶瓷底座和活动陶瓷膜片结构组成,活动膜片通过玻璃粘贴等方式与底座密封在一起。两者之间的内部印刷电极图案形成可变电容。当振膜上的介质压力发生变化时,两者之间的电容发生变化,信号通过调理芯片进行转换和调整,输出到后级。陶瓷电容器技术具有成本适中、范围广、温度特性好、一致性和长期稳定性好的优点。
由于陶瓷膜片边缘固定在陶瓷底座上,外围有支撑,受力时中间变形大,边缘变形小,电容呈非线性,灵敏度降低。为了减少温度和边缘效应的影响,在陶瓷膜片上布置圆形单电极作为公共电极,在陶瓷盖板上布置两个电极,使面积相等,形成同轴环形双电容传感器。
中心为测量电容Cp,边缘环为参考电容Cr,Cr的外侧为固定支撑边缘。随后的信号调理电路处理两个电容器之间的压差。利用方波激励信号将Cp和Cr的变化分别转换成直流电压输出。施加的压力通过两个输出电压的差信号来测量。双电容结构大大降低了传感器系统的非线性误差。同时,当环境温度变化时,由于两个电容感受到的温度变化相同,因此温度对它们的影响一致,抵消了温度变化带来的测量误差,实现了温度自补偿的功能。
陶瓷电容式压力传感器因其耐腐蚀、耐冲击、无迟滞、介质兼容性强等优点,可广泛应用于水、气体、液体压力检测,特别适用于汽车系统的恶劣环境。针对物联网、家电等压力传感器新兴应用市场,将陶瓷电容抗震的优势应用到供水管网的水压测量中,完美应对水锤效应。对于可变压力锅应用,陶瓷电容器平膜结构可以避免堵塞。
②陶瓷压阻式压力传感器
陶瓷压阻式压力传感器主要由陶瓷环、陶瓷膜片和陶瓷盖板组成。陶瓷膜片是力敏弹性体,采用厚膜技术形成惠斯顿电桥作为传感器的电路。由于电阻的压阻(变形)效应,产生电压信号。
厚膜电阻印刷在陶瓷膜片背面并连接形成惠斯通电桥(闭桥)。当压力为零时,电桥处于平衡状态,输出电压为零;当压力施加到电桥上时,膜片变形导致电桥的四个电阻的阻值发生变化,电桥处于不平衡状态,产生高度线性且与压力成正比的电压信号,并且与励磁电压成正比。由于电阻的压阻(变形)效应而产生电压信号。标准信号根据不同的压力范围校准为2.0/3.0/3.3mV/V,可与应变传感器兼容。通过激光标定,传感器具有较高的温度稳定性和时间稳定性,传感器自带0~70℃的温度补偿,可直接与大多数介质接触。