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1、传感器技术年第期矿如加加加如气泛竺塑夕硅膜片电容压力传感器徐科军马文合肥工业大学电气系、、摘要本文用数值方法计算型和型硅膜片电容压力传感器的输人输出关系及性能指标,给出了能减少非线性误差的新的电极形状。一!,一,位
2、!∀,传感器的敏感元件是硅膜片其上有、一引言,一电极另一电极是在玻璃上蒸镀的圆形,,与硅怀式压阻压力传感器相比硅膜金属膜为了克服电极电场边缘效应的影,。响玻璃上还蒸镀了一个环状电极硅杯片电容压力传感器有下列优点温度系数、、。,和玻璃用静电焊接技术封装在一起,低压力灵敏度高功耗小然而它采组成,。。用的是变间隙原理
3、存在着非线性误差一个圆形平板电容器图是其结构示意,,。本文按照弹性厚板理论用等参元素法图,分别计算了型和型硅膜片电容压力传两电极间隙约协左右是由在硅、,。,感器的压力挠度和电容量关系分析其膜片上腐蚀的凹坑而形成上电极中敏,感部分是直径,结构和各种电极形状的特点为研制高性为的圆外边的保护能的传感器提供先进的方法和软件。环宽。外径为下电极是直径。。为的圆硅膜片厚几百、二理论分析计算方法基本结构拐仁通收稿口期年传感器技术‘移电极下电极图,。计算传感器膜片的工作特性曾用过天
4、,,,’艺和「“‘式中有限差分法解析方法解析为上面敏感电极的半径凡为保。方法不能给出变厚度膜片和型膜片的准护环的内半径,。一中型机上完确解只有在作了较大的简化后才能处理计算和设计在本文采用基于其程序框图如下厚板原理的等参元成。素法来求解,考虑膜片所具有的对称性只取其四,。分之一计算场域剖分的简图如图所示产生计算传感器特性所必备的几何、物理数据匕二计算刚度矩阵加入载荷二比,一仇一口一波前法解方程各节点和单元位移计算输出电容最图,根据实际工艺情况此为固支圆板,根据结构参数和测量范围此为弹性小挠。度问题,
5、求出各单元的平均挠度后电容的计算公式为非线性误差、灵一二百〕艺刃一“一一习“,、,式中为介电常数为第个单元的面户一牡积为初始间隙泪为单元的间隙增。,量注意计算电容时所用的面积并非是。瞥中间敏感电极的面积考虑电极电场的边,缘效应和保护环的抑制作用定义有效面。积的半径为图传感器技术。理论和实测结果计算值的比较见表和图所示表中。、、。传感器由安徽电子科学研究所传感器为膜片最大挠度,,室试制其具体参数为硅膜片厚协八飞勺,上敏感电极直径为保护环的电极,
6、内径为外径为有效半径为‘。。,匕因为是试制型膜片周边的沟户一一虚线为买侧值,。槽开得较浅其深为卜两电极间隙叮乙舀行,上实线为计算值璐计叶仁。为协,测试时将传感器安装在活塞式压力一,计上由型电容自动测量仪测量传感。器的输出电容量实验中会有寄生电容的,影响即电极与传感器外壳间的电容附加,在工作电容上我们设法测出了这一寄生一一扩一犷一飞一两艾而两,。电客将其从实测数据中扣除实测值与表·。。·一“,臼口臼…一…‘!工泞·一,∀#““叮兮通一实测##一
7、一拐一一一一!∀一!一问同叫{.计算}36·2签·了器‘3.计算一不犷。卜n。谕一百蒯万…丽}一万云….,3敏感电极形状相同但面积不同、三各种设计方案的比较时的比较1.当、,,,电极形状面积相同均为圆设感压膜片为C型厚度27郎m敏感,。,形时C型膜片和E型膜片的比较电极均为环状比较结果见表4。,C,ttF设表示C型膜片厚度以及E型膜片中设感压膜片为E型为27郎mt为,,。圆心部分的厚度tE表示E型膜片沟槽处200协m比较结果见表5。,.、,LI4的厚度N表示非线性误差定
8、义为实当敏感电极形状面积相同均际特性曲
