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探討高溫壓力傳感器的溫度效應

發表時間:2018-06-30 10:21:49

常見的高溫壓力傳感器材料有多晶硅、石英、 SiC、SOI、SOS(藍寶石上硅) 等。SOI的低壓、低功耗、電隔離等優勢,提高了傳感器對惡劣環境的適應性,基于硅隔離SOI技術的耐高溫壓力傳感器得到了廣泛應用。相對于硅壓阻式壓力傳感器,高溫壓力傳感器具有低噪聲、高靈敏度、低溫漂、動態變化范圍大等顯著優點。為了得到高性能的高溫壓力傳感器,課題組研制了非接觸電容式和接觸電容式高溫壓力傳感器。

高溫壓力傳感器溫度效應分析

高溫壓力傳感器溫度效應產生的原因主要有傳感器結構的熱脹冷縮、楊氏模量的負溫度系數、電容空腔中殘余氣體的影響和極板間介電常數的溫度效應。

熱脹冷縮對傳感器的影響 溫度的變化會導致傳感器的幾何尺寸發生變化,對于電容式傳感器,溫度的變化主要引起兩板間隙或面積的變化,產生附加電容的變化。溫度變化對接觸電容式ME MS傳感器的影響更加明顯,因為接觸電容式微傳感器的極板間距小于2μm,溫度的變化,導致很小的極板間隙產生很大的相對變化,從而產生很大的溫度誤差。

高溫壓力傳感器溫度效應是不可避免的,可以通過設計合理的結構、選擇合適的材料來減小誤差,也可以通過設計環形補償電極來消除溫度共模信號和通過信號處理軟硬件來修正溫度對傳感器測量的影響。下面介紹采用參考電容的辦法來消除高溫壓力傳感器溫度效應及寄生電容的影響。

傳感器參考電容的設計 為了消除溫度效應及寄生電容的影響,在接觸式電容壓力傳感器的結構中加入1個參考電容,該參考電容對壓力的變化不敏感,其輸出不隨壓力的變化而變化。參考電容C0與傳感器壓力敏感電容Cx在同一環境下工作,其輸出量大體上體現相同環境的數值變化。參考電容越接近傳感器的電容,測量的相對誤差越小,所以設計參考電容的電容值和傳感器的電容近似相等。在信號處理過程中,將參考電容的輸出與傳感器電容輸出進行比較,通過數據處理去掉外界溫度對傳感器測量的影響,從而消除溫度效應。

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