如何正确选择低压压力传感器
Rick Hagen,
摘要：本文详细介绍了目前市场上流行使用的各种压力传感器的性能和技术指标，并列表给出了各种传感器的优劣和适用的现场。
关键词：微机械 低压 迟滞 灵敏度 非线性
微机械感测芯片已发展到对某点进行大容量的压力感测。上图为消费应用的标准1.5 mm ×1.5 mm冲模。显示在此的传感器具有温度补偿、校准和混合放大功能，可在大部分低压应用中用于监测功能。
新型低压硅传感器，可以对十分之一磅/in2的应力产生响应，目前已有这种产品的生产和应用。在非常小的变化范围内，硅传感器已能测量液位压力的微弱变化或呼出物施加的压力。这些装置采用了压力感测的新型技术，可以取代很多应用的机械压力装置。但你如何能在应用中进行*好的选择呢？判断的好方法就是测试硅传感器和传统传感器间的差别，市场优势和你所用的硅传感器的技术规格。
什么能正确的组成低压传感器系统?一般来说，在硅传感器中典型的压力范围在0–0.15 psi F.S.之间，常常能到上升到0–10,000 psi。厂商对不同低压的定义为，基于其传感器的设计和它们的生产过程。响应小于5 psi的传感器一般要求不同的冲模拓扑和工艺技术。根据此问题的讨论，也就是将小于5 psi的压力定义为低压范围。
硅工艺的差异
形成低压感测的硅微机械元件由同类工艺制造，以形成标准的压力量程元件，但存在关键的区别。标准量程的元件包括蚀刻在薄隔膜上的电阻桥（惠斯通方式）。当电压源激励的压力形成隔膜偏移时就会改变电阻值并且引起输出电压的变化。低压硅传感器工作与此类似，但也存在明显的特征，包括突起的隔膜结构和用于应力集中的约50%的隔膜面积。**地蚀刻薄膜厚度和策略的放置电阻也能极大地扩大传感器的容量。另外，硅传感器采用传统的半导体批处理工艺也会出现其规模生产的成本优势。
低压硅传感器通常用于以下三个主要市场：
HVAC.低压传感器是加热、通风和空调系统中不可缺少的部件。在其它应用中，它们可以监测通风和空气流量，确定气流的体积，检测由于弄脏的过滤器变化引起的负荷问题以及控制整个系统的压力。这些应用都要求产品在0.015 psi的压力变化中能检测出压力差别。
医药.如果没有小尺寸的传感器，许多医学应用都不可能检测环境变化和条件。所以设计必须满足如下要求：相对小的传感器（1–2 mm），能测量人体内的流体压力。这些装置一般为导尿管器件，它们可以插入头盖骨、心腔或**，以实时监测棘手的外科手术，这种情况**了产品为一次性的低价品。用于呼吸计的低压产品要求传感器量程在0.5 psi以下。这些作业以前由根据时间变化的机械压力开关执行。
汽车.低费用和高可靠性是组成感测外部汽车条件的基本要素，包括喷射、汽油蒸汽和排气装置。新近的汽车都采用硅传感器监测轮胎、管线和刹车压力。硅半导体传感器的应用范围也可扩展到制造封装技术以保护汽车元件在恶劣环境条件下的使用。
应用要求和传感器类型
由于每种应用都有其各自的特点，因此，你必须在选择过程中充分考虑整个系统的各方面影响。务必确定压力源的输入，希望的输出和各种相关的操作条件。安装位置和方向，与压力源的远近程度、导线应力、接口和压力连接、确定封装形式能承受的冲击性能和影响的精度范围。例如在医药应用中，感测压力的膜元件必须进行无封装安装。在受温度波动影响的测量过程中，必须有更**的传感器用于补偿和校准偏移量，如此才能消除材料产生的温度系数。诸如湿度和污染等周围环境，也会对医学的防护应用产生影响。精度方面的权衡结果是通过微处理器控制某些特性并消除不希望的结果。系统组成（如电源、放大器、A/D转换器、控制电路）与传感器模拟输出信号的兼容性必须达到希望的解决方案和全部设计的精度。
每种压力传感器都有材料特性，其能根据施加的压力变化形成可度量的输出数据。当你在考虑通用检测器的技术数据时，务必要牢记自己的技术需求。
硅微机械材料.这些产品由注入电阻的微机械硅隔膜组成，这种隔膜能在压力作用下产生压电变化。应用包括医学通风设备、身体内压检测、汽车通风、真空吸尘和蒸汽压力。
电子材料.这类产品包括应力计和可变电容传感器（非微机械硅制造的）。应力计采用偏转厚/薄膜、金属薄片或粘合金属薄片的耦合效应。可变电容元件结合电容的变化并将它转换为可测量的信号。应力计用于接触式和机械压力应用中。
真空计.真空传感器将加热导线作为平衡桥的一个腿，通过测量其阻值的变化来检测压力。它们主要用于检测真空泵腔室达到的真空值，诸如电子显微镜和其它工艺设备。
压电材料.这类传感器是由聚合体、晶体、陶瓷和薄膜制成，当它们被施加机械时会产生电极化。这类产品非常适合用于动态压力源而不适合用于大气压力那样的连续静态情况。它们能在恶劣环境下很好地工作。
可变磁阻材料.可变磁阻传感器在两个金属膜的偏转感测隔膜间结合一个感应的半桥配置。感应/阻抗的变化结果能产生一个变化的AC信号。典型的应用包括低压HVAC。
了解使用规范
一旦你确定了设计要求，就可以按优先秩序决定*重要的选择标准并判断何种技术*适合你的应用。你如何确定何种标准是*重要的呢？系统规范通常要求某一方面的参数必须保证。主要就是压力操作范围、其一般定位*高优先权。而对于用于体积的低压微机械装置，你可以在价格的前提下考虑更宽的响应范围。随着压力范围和灵敏度的确认，一般按级别排列的标准顺序为物理尺寸、造价、精度、温度性能、可靠性、长期稳定性和媒介兼容性。
实际证明精度和温度性能常常是*复杂的处理因素。每个生产商都会将他们的精度规范描述的不错，但是这些参数必须被转换为可比较的单位以增加它们的可比性（千万不要被这些误导的规范所迷惑！）。为了帮助大家对性能规范的了解，以下列出了对精度定义的*通用解释，以及对每项内容*值得关注的变化。**组假设参考温度在25°C。
零点/偏移量.在课本上激励的输出电压值通常认为是在25°C条件时施加的零电压。一般表示为0±mV。由于相对变化的原因，在施加更高的电压或电流时将产生更多的偏移。
零点压力的滞后性.当传感器用于一个或多个满量程压力的循环测量时，会出现零点的重复测量问题。其单位用满量程输出的百分比表示。在计算零点压力的滞后性能时，不同的传感器厂商会使用不同的压力循环次数和不同的满量程范围。
压力量程的滞后性.当传感器用于一个或多个压力循环时，输出量程的重复测量值。该值通常用*差情况下满量程输出得百分比表示。
量程的温度迟滞性能.当传感器循环用在同一温度下时，对量程的重复性判别。换言之，传感器受制于*小和*大温度限制。循环使用后量程的读数差别就是量程的温度迟滞性能。该参数用满量程输出的百分比表示。因而，满量程压力读数确定了各种温度下循环使用时在量程上的*差变化。
灵敏度.输出信号变化量与压力变化量的比率。实际中该单位的情况取决于厂商，但该值一般用mV/V或I/psi表示。灵敏度是确定系统解决方案的关键性能指标。
长期稳定性.在一定时间内，对量程和零点性能变化的度量。一般用mV表示。
图1.为了计算线性，*优的直线（BFSL）误差法可提供平均误差测量，BFSL直线与实际的检测压力存在一定的误差（见图1）。*终的基本线性是由从零点到全量程中间点测量压力的*差情况决定。
量程的非线性.当压力增加时，硅微机械传感器产生的比例输出一般都较低。因此对于高压而言压力变换器会显示较低的输出，而实际的线性只能推测指示。目前有两种计算线性的基本方法。*优的直线（BFSL）误差法可提供平均误差测量，BFSL直线与实际的检测压力存在一定的误差（见图1）。*终的基本线性是由从零点到全量程中间点测量压力的*差情况决定。终端的非线性一般为2 x BFSL非线性。
规范的**类描述了与温度相关的精度情况。当温度变化时，所有的传感器都存在非重复性的零点漂移。典型的桥电阻在室温的变化约在+3000 ppm/°C (有时也会用mV/V/°C表示 )。然而，在低于室温情况下（通常为–20°C），阻抗会出现零斜率并转换。在这种条件下，假设电阻与温度间的线性变化关系是无效的，因此修正系数项必须结合进传感器模块。所能做的*好情况仅是将误差减到*小，实际中采用时同个别厂商使用的容忍标准有关。厂商为了使其性能标准*佳化，故每个厂商都会提出不同性能的指标。
零点的温度系数（三种方式）.该值很难准确定义，**的规定受厂商的变化影响。有些厂商采用简单的线性，既在参照温度（25°C）连接两个终点的直线，特别的误差应该比蝶阀规定的理想量程小。零点温度系数的**种定义是在指定温度范围内，温度误差应比给定的满量程百分比低。这是该性能起码的测量标准，但并不广泛采用。第三种方法是用三个数据点计算BFSL。
图2.有三种技术都可用于确定零点的温度系数。以两个端点温度为参考点的简单直线法可以提供*多的信息。满量程误差法对装置性能提供的信息*少，但它是广泛使用的。
三种技术中，**种提供**多数据信息，而第三种（BFSL误差）提供给用户有限的精度。**种方法提供的装置性能信息*少。图2显示了三种方法的比较。
零点的温度滞后.当传感器用于一个或多个温度循环周期时，该读数反映了零点重复性的测量。在一定循环后，零点读数的差异反映了温度的滞后性，一般定义为满量程输出的百分比。因此，满量程压力读数确定了整个温度循环中*差的温度偏移情况。
温度补偿.这是一种消除温度变化影响的方法，其采用复杂的数学模型确定厚膜电阻的修正值。运行在各种变化温度下的操作系统既需要通过电子系统的补偿，也需要传感器厂商的事先调整。
各种误差元件的结合可用于描述传感器误差对系统性能的影响。以下两种定义广泛用于描述整个传感器的精度：
*差情况误差.各种相关的单误差的总和，这里：
误差(*坏情况) = E1 + E2 + E3 . . . En
*可能的误差.定义为单个误差平方和的平方根，这里：
误差(*可能情况) = (E12 + E22 + E32 + . . . En2)
RMS不受误差的方向影响。
产品选型表
现在你可以进行选择了，你已经确定好了选择标准，你有了设计约束清单，可以用它们做出决定了。以下简单的工具表可以助你做出比较决定。一般而言，许多工艺都可以按此方法做出，当然您的比较必须与厂商的情况结合。举例来说，假设你正设计一个医药呼吸装置，其必须在压力开关点处有一个可动作的电子线路。电子开关能完成该任务，但关键设计参数是压力范围、尺寸、造价和长期稳定性（见表1）。
表1
根据表1建议的提供的比较建议，开关特性和低压传感器能进行比较，实际上每种产品都有自己的优点和缺点。重要的是在引入低压微机械硅传感器前这种选择过程不可能存在。当你在评估新的设计时，可以采用机械的和硅条件的。在市场日益竞争激烈的条件下，设计人员应该不断接触新产品，这样才能激发其设计潜能，不断开拓新的市场。