中心論題:
- PS壓力傳感器工作原理
- 外圍電路的設計
- 應用實例
解決方案:
- 用恒流源來驅(qū)動壓力傳感器
- PS壓力傳感器在全自動洗衣機中的應用
概述
PS壓力傳感器是一種利用半導體膜片結(jié)構制成的電子式壓力傳感器,它可將空氣壓力這一物理量變換成電信號, 并能夠高精度、線性地檢測出壓力的變化。它是松下電工公司近年推出的新產(chǎn)品。
早在1954年美國C.S.Smith首先確認了半導體壓電電阻效應,1955年C.Herring指出:這種壓電電阻效應是由于應力的作用,引起導體與價電子帶能量狀態(tài)的變化,以及載流子數(shù)量與遷移率變化所產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。日本從1970年開始研究開發(fā),首先應用在血壓計上,之后在過程控制領域及轎車發(fā)動機控制部分都獲得了廣泛的應用。最近幾年在家用電器、裝配機器人等應用領域普遍采用電子壓力傳感器作為壓力控制、壓力監(jiān)控和判斷真空吸附的效果。
工作原理
圖1為PS壓力傳感器的截面結(jié)構圖,圖2為其傳感器部分的結(jié)構。如圖所示,在壓力傳感器半導體硅片上有一層擴散電阻體,如果對這一電阻體施加壓力,由于壓電電阻效應,其電阻值將發(fā)生變化。受到應變的部分,即膜片由于容易感壓而變薄,為了減緩來自傳感器底座應力的影響,將壓力傳感器片安裝在玻璃基座上。
如圖2(b)所示,當向空腔部分加上一定的壓力時,膜片受到一定程度的拉伸或收縮而產(chǎn)生形變。壓電電阻的排列方法如圖3所示,受到拉伸的電阻R2和R4的阻值增加;受到壓縮的電阻R1和R3阻值減小。
由于各壓電電阻如圖4那樣組成橋路結(jié)構,如果將它們連接到恒流源上,則由于壓力的增減,將在輸出端獲得輸出電壓ΔV,
當壓力為零時的ΔV等于偏置電壓Voffset,在理想狀態(tài)下我們希望Voffset=0V,實際上在生成擴散電阻體時,由于所形成的擴散電阻體尺寸大小的不同和存在雜質(zhì)濃度的微小差異,因此總是有某個電壓值存在。壓力為零時,R1=R2=R3=R4=R,我們把加上一定壓力時R1、R2電阻的變化部分記作ΔR;相應R3、R4電阻的變化部分記作-ΔR,于是ΔV=ΔRI ?! ?br />
這個ΔV相對壓力呈現(xiàn)幾乎完全線性的特性,只是隨著溫度的變化而有所改變。
外圍電路的設計
圖4是PS壓力傳感器的外圍電路設計實例,圖中用恒流源來驅(qū)動壓力傳感器。
由于橋路失衡時的輸出電壓比較小,所以必須用運放IC1b和IC1C來進行放大。圖中VR1為偏置調(diào)整,VR2為壓力靈敏度調(diào)整,VR3為沒有加壓時輸出電壓調(diào)整,C1、C2用于去除噪聲。另外,如果電源電壓波動的話,將引起輸出電壓的變化,所以必須給電路提供一個穩(wěn)定的電源。
應用實例
圖5是PS壓力傳感器在全自動洗衣機中的應用實例。如圖所示,利用氣室,將在不同水位情況下水壓的變化,作為空氣壓力的變化檢測出來,從而可以在設定的水位上自動停止向洗衣機注水。