Керамические датчики давления: главная тенденция развития датчиков давления

Керамический датчик давления — это тензорезистивный дат […]

Керамический датчик давления — это тензорезистивный датчик, изготовленный по специальной технологии из особой керамической массы. Керамика общепризнанно является материалом с высокой упругостью, стойкостью к коррозии, износу, ударам и вибрации. Термическая стабильность керамики и толстоплёночные резисторы обеспечивают рабочий диапазон температур до −40…125 °C, а также высокую точность и стабильность измерений. Электрическая изоляция превышает 2 кВ, выходной сигнал силён, долговременная стабильность отличная.

Керамические датчики с высокими характеристиками и невысокой ценой определяют направление развития датчиков давления: в Европе и США они имеют тенденцию к полному вытеснению датчиков других типов, а в Китае всё больше пользователей заменяют ими датчики на диффузионном кремнии.

Классификация керамических датчиков давления

Основой керамических датчиков давления служит керамика Al₂O₃; по принципу действия они делятся на ёмкостные и тензорезистивные (пьезорезистивные).

① Керамические ёмкостные датчики давления

Керамический ёмкостный датчик давления имеет конструкцию из неподвижного керамического основания и подвижной керамической мембраны, герметично соединённой с основанием, например, стеклянной пастой. На обращённых друг к другу поверхностях напечатаны электроды, образующие переменную ёмкость: при изменении давления среды на мембране изменяется ёмкость, и после преобразования микросхемой нормализации сигнал поступает в последующие каскады. Ёмкостная керамическая технология отличается умеренной стоимостью, широким диапазоном измерений, хорошими температурными характеристиками, высокой повторяемостью и долговременной стабильностью.

▲ Схема конструкции керамического ёмкостного чувствительного элемента

Поскольку края керамической мембраны закреплены на керамическом основании (опора по периметру), при воздействии давления деформация в центре велика, а на краях мала, что порождает нелинейность ёмкости и снижение чувствительности. Для уменьшения влияния температуры и краевых эффектов на керамической мембране выполняется один круглый электрод, служащий общим, а на керамической крышке — два электрода равной площади, образуя соосную кольцевую двухёмкостную структуру датчика.

▲ Принцип действия керамического ёмкостного датчика давления

В центре расположена измерительная ёмкость Cp, по краям — кольцевая опорная ёмкость Cr, наружная граница которой является заделкой. Последующая схема нормализации обрабатывает разность двух ёмкостей: прямоугольный (меандровый) сигнал возбуждения преобразует изменения Cp и Cr в постоянные напряжения, а по разности двух выходных напряжений определяется величина приложенного давления.

Двухёмкостная конструкция существенно снижает нелинейную погрешность системы; при изменении температуры среды обе ёмкости испытывают одинаковое температурное воздействие, поэтому температурные эффекты взаимно компенсируются, устраняя температурную погрешность измерений — реализуется температурная самокомпенсация.

▲ Керамический ёмкостный датчик давления (изображение из сети)

Благодаря коррозионной стойкости, ударопрочности, отсутствию гистерезиса и высокой совместимости со средами керамические ёмкостные датчики давления широко применяются для измерения давления воды, газа и других сред и особенно подходят для жёстких условий автомобильных систем. Для новых рынков — интернета вещей и бытовой техники — ударопрочность ёмкостной керамики используется в измерениях давления в водопроводных сетях, отлично противостоя гидроударам; в скороварках с переменным давлением плоская мембранная конструкция ёмкостной керамики исключает засорение.

② Керамические тензорезистивные датчики давления

Керамический тензорезистивный датчик давления состоит из трёх частей: керамического кольца, керамической мембраны и керамической крышки. Керамическая мембрана служит упругим чувствительным элементом, на ней по толстоплёночной технологии формируется мост Уитстона — схема датчика; за счёт тензорезистивного (деформационного) эффекта резисторов возникает сигнал напряжения.

▲ Керамический тензорезистивный датчик давления (изображение из сети)

Толстоплёночные резисторы напечатаны на обратной стороне керамической мембраны и соединены в мост Уитстона (замкнутый мост). При нулевом давлении мост уравновешен и напряжение на выходе равно нулю; при приложении давления мембрана деформируется, сопротивления четырёх плеч моста изменяются, мост выходит из равновесия, формируя высоколинейный сигнал напряжения, пропорциональный давлению и напряжению возбуждения. Стандартный сигнал в зависимости от диапазона давлений калибруется как 2,0/3,0/3,3 мВ/В и совместим с тензометрическими датчиками. Благодаря лазерной калибровке датчик обладает высокой температурной и временной стабильностью, имеет встроенную температурную компенсацию 0–70 °C и может непосредственно контактировать с большинством сред.