智能压力传感器系统设计

智能压力传感器系统设计

梁毓灵

身份证号码： 45011119841004**** 广西恒传数字信息设计院有限公司

摘 要:智能压力传感器相对于传统的实验室压力测试虽然不够精准，但获得压力数据的便利性却远超实验室压力测试，而在精确程度上却又比传统压力传感器更胜一筹，因为所有的压感数据都会在传感器内部进行预处理，所以才能被称之为“智能”。通过对智能传感器系统的设计思路、应用场景以及具体的技术路线进行研究，就能够更好地把握智能压力传感器系统的设计关键以及注意事项，更好地为各领域设计出能够满足其测压要求的智能压力传感器系统。

关键词: 智能; 压力测试; 传感器系统

传感器是一种对客观事物物理特性变化进行测试与监控的设备，一旦接收到监控对象的物理特性出现变化，就会将这种变化以数据形式记录下来，并输出到其他设备上，实现人机交互与直观显示，帮助人类做出下一步处置。由于传感器是所有测试与监控系统的最前端，所以系统的稳定性与传感器的稳定性息息相关。但无论是温度、湿度、电磁波动等，都会影响传感器的精准性、可靠性，所以非线性输出的传感器，往往也缺乏应有的检测精度。

1.智能传感器系统的设计思路

对于传感器系统来说，传感器模组始终处于最前端，所以只有确保传感器模组的元件足够灵敏、精确，才能够保障整个系统最后检测结果足够精准^[1]。从目前情况来看，同时能够应用在多个压力检测场景下的传感器模组，往往需要具备占地体积不大、相对精准且灵敏，而且需要有比较高的稳定程度，而恰恰是因为固态压阻式压力传感器同时具备这些优势，所以才会被长期应用在液压、气压等工况较为严苛的环境中。对于固态压阻式压力传感器来说，最关键的模组元件就是硅膜片以及硅环，膜片被环固定后，会在两边形成一个高压腔与一个低压腔，而两个腔体的压力差就会导致膜片变形、改变电阻阻值后，让电桥失衡输出响应的电压电流，从而经过换算后得到膜片上感受到的压力差^[2]。

2.智能压力传感器的应用

2.1压力监控

在工业化生产当中的很多场景，都需要应用压力传感器实现对压力的监控，比如航天航空事业就需要随时监控舱内的气压变化，而汽车制造业也会通过压力传感器来监控车胎气压、发动机油压以及中冷回路的水压等等^[3]。相对于压力测量，压力监控通常只需要较直观地展现出压力的变化，让用户能够根据变化趋势作出判断与处置。

2.2压力测量

压力传感器最常见的应用场景，就是压力测量工作^[4]。由于压力测量关乎工业制造精度或是生产过程中的设备、人身安全，因此需要得出十分精确的压力数据。在使用压力传感器进行测量时，由于需要的精度存在差异，所以使用的压力传感器技术也不相同。

2.3压力控制

通过将压力传感器系统应用到机械设备自动化当中，就能够实现压力控制功能^[5]。比如一台冰箱压缩机，要求将蒸发器中吸热低压的气态制冷剂吸入后压缩，形成55-58摄氏度，且压强约为112.8帕的高压，压入冷凝器当中。为了确保蒸发器中的压力能够达到112.8帕之后迅速进入冷凝器，就需要压力传感器进行控制，从而实现冰箱的持续制冷。压力传感器应用在压力控制功能时，不仅要能够显示压力测量数据，还需要通过控制器IC实现自动化控制。

3.智能压力传感器的主要感应技术

3.1压阻式传感器

美国物理学家Charles S. Smith在1954年时在对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试时发现应力作用与电阻率变化之间关系，也就是压阻效应，压阻式传感器的原理就是基于押租效应制作而来的^[6]。当然，全面商用化的固态压阻式压力传感器是从20世纪70年代初开始出现的，也是目前世界上应用场景最多的压力传感器系统。而在压阻式传感器发展到今天之后，它的结构也随着制造工艺的变化而出现了较大改变。最典型的压阻式压力感应器结构包括真空密封腔、弹性硅膜片、压敏电阻条^[7]。弹性硅膜片一般是通过电化学蚀刻的方式完成制造，所以能够很好地控制弹性硅膜片的压力感应精度，而压力传感器的真空密封腔则是通过硅-硅键合的方式实现。而通过选择性离子注入后，就能够形成压敏电阻条。在弹性硅膜片表面承受压力之后，弹性硅膜片就会出现弯折，从而让弹性硅膜片内应力，触发压敏电阻条后改变电阻值，惠斯通电桥则因此改变了输出电压。

鉴于压阻式压力感应器制造原理简单、工艺要求不高，而且具备较好的线性度，能够直接通过电压变化改变信号输出，所以传感器以及后续电路的接口相对不需要更复杂的设计，也因此成为了压力传感器市场占有量最大的产品^[8]。然而压阻式压力感应器受温度影响较大，容易因温度导致压力测量不准确，而且相对来说缺乏高精度压力测量所需要的灵敏度，所以对较严苛的工况适应力较差。

3.2电容式压力传感器

电容式压力传感器则近年来比较受欢迎的智能压力传感器系统元件，因为其相对压阻式压力感应器能够具有更好的测量精度，而且功耗也不高，不容易受温度影响，加上结构简单不容易被外部应力影响，所以在许多工况较为复杂的工业场景下很受青睐。电容式压力传感器通常是采用一片可动薄膜作为电容的其中一个电极，另一端电极则是设置在弹性膜片下的衬底，在薄膜受压力作用出现应力形变后，电容器的电极距离就会出现变化。

而为了保证电容式压力传感器的线性度，让电容式压力传感器能够更好地应用在智能压力传感器系统，在设计时通常会选择岛膜结构，不过岛膜结构相对平膜结构也有着敏感度较低导致精度较差的情况，所以在设计过程中必须要根据智能压力传感器系统的实际应用场景做好结构上的取舍。

3.3压电式压力传感器

压电式的压力传感器的原理，就是通过压电材料的压电效应实现压力测量。通过压力的作用，压电材料会出现形变，这时候压电元件的两边就会出现正负极化电荷，在物理特性允许的范围之内，可以呈现出线性变化，也就是电荷产生的量，与测量压力的大小有着正相关联系。压电式压力传感器有着较为迅速的响应能力，精准度也颇高，而且能够测量较大范围的压力。但缺点在于压电式压力感应器的许多元件对制造工艺要求较高，尤其是应用在智能压力传感器系统中时，很多时候都会因为压电薄膜技术指标过高，在实际应用时出现误差过多或成本过高的情况。

4.智能压力传感器系统的设计关键点

4.1 做好详细的安装说明

通常情况下，如果在技术路径选择正确、元件制造工艺能够满足标准要求的情况下，智能压力传感器系统出现测量不精确的原因，往往是因为安装说明不到位，导致在不合适的空间内给压力传感器带来了外部应力，积压了传感器的薄膜。所以，在智能压力传感器系统设计过程中，应该对相关元件的安装提供说明，从而确保传感器的安装位置能够获得适当加工，改善安装速度与安装质量，还可以确保传感器的封闭性，避免系统运作过程中出现传感器松动。

4.2重视误差及温度补偿

虽然对于采用了内置芯片，所以智能压力传感器的压力测量误差确实得到了有效降低，然而由于一些非线性的因素存在，所以还是会出现一定的误差。为此，在进行压力测量之前，首先应该在常规工况下选择半桥差动电路甚至是全桥差动电路来减少误差，同时在高精度测量时依旧保留足够的灵敏度。同时，通过采用全桥差电路，还能够为压力传感元件提供温度补偿。

5. 智能压力传感器系统的设计趋势

5.1更智能、更精密

智能化程度更高、精密度更高，是智能压力传感器系统未来发展的必然趋势，也是要实现机械自动化控制的必要要求，只有确保智能压力传感器系统的压力测量精度越来越高、反应速度越来越快、也能够在芯片内写入更多更复杂的压力控制程序，才能够为未来的工业生产自动化提供技术支持。

5.2更加可靠和更加宽泛的温度区间

更加可靠和更加宽泛的温度区间也是其未来的趋势。温度在 －20℃ ～70℃区间内是当前大多数传感器的运行的外部环境温度，其离工业生产需要达到的要求还有很远，所以研制对外部环境要求更宽泛的传感器是必然趋势。而电子设备的功能同样受到传感器可靠性直接影响，因此这是个长期的发展趋势在开发高可靠性的智能压力传感器方面。

5.3微型化

更小的体积，同样是智能压力传感器系统未来的发展趋势。虽然目前智能化的压力传感器系统体积已经足够小、足够满足一般工业生产的要求，然而这是通过对传感器元件模组的体积缩小实现的，但传感器的控制模组体积却未能有效缩小。所以为了进一步提升整个系统的体积效能、更好地适应不同的工况，一方面需要尽可能缩小智能传感器系统的控制模组，另一方面也需要不断开发出可以让传感器元件体积更小的、超越硅材料体积效能的新型材料。

6.智能压力传感器系统设计的注意事项

5.1综合考量工艺设计

对于智能压力传感器系统的设计来说，对工艺流程的设计规划十分关键，工艺制程以及流程的设计，直接决定了芯片在设计完成后加工生产的良品率、运行的稳定性等等。鉴于压力传感元件的作用原理不尽相同，所以采用不同类型传感元件的智能压力传感器系统设计，也应该综合考量应用场景以及技术路径的特点。换言之，智能压力传感器系统需要同时满足整体测量的性能、生产过程中的制造可行性以及成本控制。结合目前成熟的表面微机械加工技术和体微机械加工技术，提出可以加工实现的压力传感器结构，在进行加工制作的过程中解决工艺问题，并进一步的对器件的性能进行优化，在这其中，需要考虑工艺的复杂性和成本问题，这就是工艺设计阶段所要处理的内容。

6.2做好性能检测工作

传感器技术的发展对传感器的整体性能提出了更高的要求。信号处理电路设计逐渐成为传感器设计密不可分的重要组成部分。在一个传感器投入到生产应用之前，往往需要经过标定测试环节。测试环节是对传感器性能的最终检验，也是进一步改进的起点。任何一项设计都不是一徽而就的，往往需要经过反复的试验、不断的改进，最终才能获得满足设计要求的性能。在测试环节中发现问题、分析问题、解决问题，使得整个传感器设计朝着正确的方向顺利前进。也只有经过传感器样品的性能测试环节，前面的理论分析和工艺设计才显得真实而完整。

参考文献

[1]李昂阳.分析智能压力传感器系统的设计[J].中国新通信,2014,16(05):114.

[2]姬忠校,董惠.基于FPGA的智能压力传感器系统设计[J].计算机测量与控制,2008(10):1516-1518.

[3]陈俞霖.智能压力传感器系统设计[J].电子技术与软件工程,2018(02):107.

[4]常一帆.智能压力传感器系统设计[J].技术与市场,2016,23(07):207.

[5]王泉.智能压力传感的研究与设计[J].电子质量,2009(02):23-24+35.

[6]沈金鑫,夏静.硅压阻式压力传感器智能校准系统设计[J].仪表技术与传感器,2014(03):1-3.

[7]向素君,解其锋.压力传感器自动校准装置设计[J].工业计量,2012,22(S1):114-115+177.

[8]卢威.高精度校准测试压力传感器装置及其测试平台设计[J].电子世界,2014(18):357-358.