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制造高頻響壓阻式壓力傳感器存在哪些條件


制造高頻響壓阻式壓力傳感器存在哪些條件:
  (1)具有設計高諧振頻率壓力敏感芯片并能制造出這種芯片;
  (2)芯片與傳感器封裝設計必須兼容,使傳感器的封裝結構不降低或可預見性地少降低固有頻率。
  (3)傳感器的封裝設計必須與用戶的使用狀況相配合,使得使用安裝不降低或少降低可用頻段。目前,市面上還沒有這樣高的動態性能的產品。

   1 敏感元件設計

  保證壓阻式壓力傳感器優良動態特性的第一步是設計有高的固有頻率的敏感元件。

  為減小運動質量和避免加速度效應,一般采用周邊固支的圓平膜片或方平膜片作為彈性敏感膜。周邊固支的圓平膜片的固有頻率為:

  (1)顯然,硅高的楊氏模量E,低的密度ρ都有利于獲得高的諧振頻率。如果考慮到硅壓阻式壓力敏感元件的輸出靈敏度與膜片的厚徑比有關,因此設計上提高固有頻率的第一措施是減小膜片的半徑。當然這要受到工藝水平、封裝方式、內引線方式等的制約。

  用于核沖擊波測量的高頻動態壓力傳感器的固有頻率高達1MHz,就是盡量減小了膜片直徑。在膜片厚度也相應變薄情況下,用特殊設計避免了強光效應的影響。

  用于創傷醫學研究的埋藏植入式微型高頻高壓傳感器和用于測井采油工藝研究的小型高頻動態壓力傳感器也均采用了小直徑的背面平坦面受力的圓平膜結構。其固有頻率超過壓電式動態壓力傳感器,達500kHz以上,幅頻特性曲線的上升時間及平直段均大大優于壓電式壓力傳感器。

   2 傳感器設計
.
  高頻動態壓力傳感器的封裝設計要盡量避免或減小引進氣道管腔效應的影響。以敏感元件的平坦硅片一面直接感受介質壓力,且傳感器設計為齊平式封裝,無引壓進氣道的傳感器,其固有頻率約等于敏感元件的固有頻率。前述三種傳感器均采用了這一設計原則。

  由于管腔效應的影響太大,有時為了克服工藝難點,甚至不惜適當加大膜片半徑以保證傳感器能齊平封裝。筆者用于某空氣動力學研究及某化爆自由場測試的動態壓力傳感器即采用了這種設計原則。其0~0.4MPa,……0~4MPa的多種動壓傳感器,固有頻率在100~270kHz。用正弦波動態實校,在5kHz范圍內,幾乎無動態附加誤差,其性能可與作為標準傳感器對照的霍尼威爾儀表壓力傳感器相比擬,而價格僅其五分之一。圖1即為一只量程1 MPa的動態壓力傳感器用激波管實驗得出的幅頻特性曲線,其第一諧頻為170kHz,動態誤差很小的可用帶寬在50kHz,上升時間為0.8μs。
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