应变式压力传感器的稳定性.doc

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1、应变式压力传感器及其稳定性应变式压力传感器是在一定形状的弹性元件上安装电阻应变敏感元件，受拉压时弹性元件的变形使应变电阻的阻值随之变化，由变换电路将阻值变化转变为电压变化输出．根据电压变化量即可推之压力变化。稳定性指的是在一定温度压力条件下．一定时间内，传感器再现其最初输出的能力。实际应用中稳定性误差的不确定性往往是很大的压力测量系统中大多数其它的误差能够进行量化并通过一些数据处理技术得到修正，例如对压力传感器中的最大重复性误差——温漂．用计算机数据处理或通过在传感器上装温度测量计的方法．可使其最小化。同样．线性、零点平衡和其它大多数误差采用当今的信号处理技术也能被有效地减

2、到最小。但遗憾的是，却没有一种信息处理技术能够有效而令人满意地对随机而不确定的稳定性误差进行处理。但不稳定性会大大增加传感器的系统误差，可能导致最终的测量数据无效，因此必须同对待其它测量误差一样仔细地分析稳定性误差的来源，尽量将它的影响减到最小。目前国内厂家生产的应变式压力传感器的不稳定性指标从小于O．1％FS／年到大于2％FS，当用不稳定性小于O．1％FS的设备时．仪器稳定性所带来的测量系统误差是可以忽略不计的。但是．稳定性较差的仪器却可能带来大于系统总体测试误差的不稳定性误差．这时就很难判断测量数据的真实性和可靠性。影响稳定性的主要因素分析应变片的设计和制造对传感器的性

3、能起着决定性的作用。为了优化应变式压力传感器的稳定性，必须着重分析设计和制造过程中影响这一参数的因素。应变式压力传感器的关键部件是其敏感元件即应变电阻，而电阻是一种工作温度范围很宽，同时又易受其它环境因素影响的元器件。例如对电桥电阻为350Ω稳定性为0.1％/年的传感器来说,0.1％/年的输出稳定性就意味着小于0.0015/年的电阻变化量。如此小的变化量无疑对应变电阻的设计提出了很高的要求。现代应变式压力传感器常用以下3种方法设计敏感元件：粘贴式的金属箔或粘贴式的半导体电阻元件．即利用某种粘合剂将金属箔片或半导体片直接粘贴在载压系统上；扩散硅电阻元件，它直接在硅弹性元件上蒸

4、镀半导体电阻应变薄膜，即直接在硅片上扩散出敏感栅极；第3种是用真空和溅射薄膜沉积技术制作金属或半导体薄膜电阻元件的真空溅射沉积薄膜系统，它通过高动能气体分子撞击金属材料表面，使金属离子逸出并沉积在高度抛光过的载片上制造应变电阻。无论哪一种应变片都具有多层的设计。若要提高它们的稳定性，就必须消除应变片结构各层之间的相对运动，这种相对运动来源于未消除的在制造或安装过程中引入的内应力以及粘结剂固化的不充分，粘结层在传递应变时出现“滑动”，就会产生应变片的”蠕变”对应变式压力传感器来说这种”蠕变”是引起不稳定性的最主要的原因。相比较而言，在敏感元件和传力装置间用分子结合的应变片设计

5、，利用高真空溅射直接将薄膜电阻沉积在载片上，其附着力是最强的，无疑也是最优的。实践也证明，沉积薄膜和扩散系统一般在恶劣环境和长时间内均有其固有的高稳定性。相反，粘贴连接的系统由于使用了环氧树脂、焊料或其它粘贴料,这些材料在一些环境中或长期的使用中很可能变质，使传感器存在潜在的不稳定因素，其稳定性能往往是最差的，这一点当工作在较高温度条件下时表现得尤为明显。应变片制造方法的选择并不能完全确保压力传感器具有高稳定性，承压膜片和主体梁结构所选用的材料也是重要的。均匀而不易变形的高强度材料，例如真空熔化的不锈钢由于其优良的机械性能而成为首选。同时在使用之前必须经过退火、硬化和释压处

6、理，以消除材料中残存的机械应力。传感器的每一步制造过程都可能引入残存内应力，任何未消除的残存应力都会引起仪器测量中的不稳定误差，所以对每一步制造，都需要对其所引入的残余压力作消除处理。同时，机械隔离系统对传感器的设计也是必不可少的，以防止在安装、受力和电缆连接时引入外部应力。如果这些应力传到感应片上，传感器将会变得很不稳定。零点和温度补偿是传感器制造中不可或缺的步骤。对具有高稳定性的敏感元件的传感器来说，平衡和补偿电阻就可能是该系统中最不稳定的因素。通常我们选择稳定性比较好的铂或其它低温度系数材料的金属薄膜电阻或线绕电阻，最后封装使与环境隔离并通过热老化消除内应力。稳定性的

7、测试与量化稳定性是仪器保持其长期性能特性的一种指标，通常用“%FS/年”表示，即在一定条件下．传感器输出在一年内的变化相对于满量程的比值，是一个相关长期性能的指标。最理想的标定测试方式是在仪器实际应用时的工作条件和环境下，进行长期的观察和测试。而这样的测试往往需要一年或更长的时间，才足以证明仪器的稳定性，所以这种长时间的测试实际上是并不实用的。我们对本课题组自行研制的溅射式金属薄膜压力传感器，在模拟其工作中的如工作温度、湿度、工作压力变化频度、变化大小等等一系列条件的环境中，进行一定时间内的连续测试，以确定其稳定性