传感器的功能、性能、应用范围及应用条件,可以通过技术参数来表达。不同种类的传感器其性能不同,技术参数也不一样。本文以硅膜片组成的压阻式压力传感器为例介绍传感器的基本参数。
结构与工作原理
由硅片做成的压阻式压力传感器如图1所示。在图1(a)所示的一小块硅片上(如2mm×2mm),用腐蚀方法做成硅膜片,见图1(b),在膜片顶部用扩散工艺制作4个电阻,并接成电桥,见图1(c)。由于单晶硅是各向异性材料,取向不同时,特性也不一样。当压力作用在硅膜片上时,膜片受力,使电桥中两个电阻阻值上升,另两个电阻的阻值下降,破坏了电桥的平衡,从而输出一个与压力成正比的电压信号VO。

压力传感器的结构见图1(d)所示。硅膜片1放在塑料外壳5的底部,其电桥电路由内接线2焊到引脚4上,为了保护内接线2及硅膜片1上的电桥电路,在它上面涂上硅胶7,塑料外壳5上用金属盖板3封住,形成一个完整的压力传感器。
工作时,外加的压力从压力管嘴6进入硅膜片,膜片受力变形,引起电桥不平衡,输出相应的电压信号。盖板3上有小孔是通大气的,则这种压力传感器测量的压力是相对于大气压的,一般称它表压测量。
如上所述,硅膜片制成的压力传感器的核心部分是用集成电路工艺制作的。它是目前压力传感器中应用最广的一种之一。
压力传感器的基本参数
各种压力传感器都有一定的测量范围,或称为满量程(英文叫Full Scale Span,缩写为FSS)。例如0~100kPa或0~1MPa。表示它最大的输入压力为100kPa或1MPa。压力传感器允许一定的过载,但过载部分不作为测量范围。在选用传感器时,传感器的测量范围应稍大于被测压力的最高值。
输出特性是表达输入压力与输出电压的特性曲线。理想的输出特性是一条直线,而且在无压力输入时,输出为零。例如,在输入100kPa时,输出为40mV,如图2所示。而实际的压力传感器输出特性如图3所示。它是一条弯曲的弧线,并且在无输入压力时,由于电桥电阻不可能绝对相等而有一定的电压输出,称为零点输出。理想输出与实际输出的不吻合程度称为非线性误差,用它最大的非线性与全量程的比值取万分比表示。图上的曲线是夸大的,目的是看得较为清楚。
即使是同一种型号,同一硅晶片上生产的压力传感器,由于工艺上的差异性(如硅膜片的厚度有差别、直径有差异等)其输出特性也会有一些差别,如图4所示。从图中可以看出三个同型号传感器其零点输出不同,满量程时输出也不同,其非线性误差也不完全相同,这叫做离散性。在技术参数上给出了它的典型值、最大值及最小值。例如,MPX7100A压力传感器其满量程输出的典型值为40mV,最大值为41.5mV,最小为38.5mV;而零点输出的最大值为2mV,最小值为-2mV。

不重复性指的是在相同的环境(温度及湿度),同一操作条件下,在同一方向上作全量程连续多次重复测量(有的规定为3次),输出值的不一致程度。输出特性曲线在同一输入量(压力)时的最大差值与最大输出量之比的百分数称为不重复误差,如图5所示。
在相同的工作条件下,传感器在正、反行程中,同一输入所对应的输出不重合程度称为滞后。这种现象在有弹性变形及有磁性能变化的传感器中较为普遍。传感器的滞后如图6所示。
5. 精度
非线性误差、不重复误差及滞后误差这三项指标决定了传感器的精度,它是反映系统误差和随机误差的综合指标。一般可通过误差合成求出精度。精度用计算出的最大误差与最大输出的百分比表示。
6. 灵敏度
对线性传感器来说,传感器的标准直线的斜率就是灵敏度,而非线性传感器的灵敏度则随输入量不同而变化,如图7所示。斜率越大,灵敏度越高。
灵敏度高的传感器,它的信号处理电路较简单;灵敏度低的传感器,受到干扰信号的干扰,使信号处理较困难。例如,传感器输出的信号是μV级的,而传输中干扰信号也是μV级的,则从受干扰的信号中取出有用的信号较为困难。
7. 零点时间漂移(零漂)
传感器在恒定的温度环境中,零点输出的信号与时间变化特性,称为零点时间漂移。一般按8小时内输出信号的变化量来度量。
8. 零点温度漂移
传感器的零点输出随温度而变化的特性,称为传感器的零点温度漂移。一般常用环境温度变化10℃所引起的输出变化相对于最大输出的百分比来表示。
在实际使用中,时间漂移与温度漂移是同时存在的。
9. 灵敏度漂移
传感器的灵敏度随温度改变而变化,它反映了温度变化对传感器输出的影响程度。一般用温度变化10℃所引起的灵敏度的相对变化来表示。
硅压力传感器中硅膜片的特性受温度的影响较大,所以在传感器中将温度补偿电路与传感器做在一个硅片上。即使有温度补偿电路,减少了温度的影响,仍然会有温度误差。一般温度补偿范围小于工作温度范围。
10. 工作环境条件
一般指温度及相对湿度范围。例如工作温度范围-40℃~+85℃,相对湿度0~90%RH。在工作环境条件内,能保证传感器各项性能指标在规定的误差范围之内。
11. 响应速度(响应时间)
响应速度反映传感器的动态特性。一般用时间常数大小来表示,时间常数越小,则动态响应越好。如图8所示的曲线中,当突然在压力传感器中加入一个压力值,输出从10%上升到90%所需的时间表示其影响时间。若影响时间为1ms,即输出从10%到90%的时间为1ms。
其它不同的传感器有不同的参数,但基本参数是相同的。
MPX2100A的参数
MPX2100A压力传感器的工作参数及极限参数如表1、表2所示。在表1的稳定性一项中指的是在量程范围内及-40℃~+125℃范围内,温度变化1000个循环,压力变化1.5×106次循环后,输出上的差别与满量程输出的百分数。
有关MPX2100A更详细的原厂资料请上网下载:www.gaw.ru/doc/motorola/MPX2100rev6.pdf。
(时尚)



