物聯(lián)網(wǎng)中的高精度低成本壓力檢測(cè)方案分享_薄膜型壓阻傳感器

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用薄膜型壓阻傳感器

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用薄膜型壓阻傳感器的原因主要基于其獨(dú)特的性能特點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。以下是詳細(xì)的分析：

薄膜型壓阻傳感器的性能特點(diǎn)

1、高精度：

薄膜型壓阻傳感器通過(guò)將外部物理量（如壓力、重量、扭矩等）轉(zhuǎn)換成電阻變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，具有較高的測(cè)量精度。

2、快速響應(yīng)：

由于薄膜材料的特性，薄膜型壓阻傳感器具有快速的響應(yīng)速度，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和反應(yīng)外部物理量的變化。

3、高靈敏度：

薄膜材料對(duì)于微小的物理量變化非常敏感，使得薄膜型壓阻傳感器能夠捕捉到微小的信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

4、寬測(cè)量范圍：

薄膜型壓阻傳感器可用于大范圍的壓力、重量等物理量的測(cè)量，滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)多樣化的需求。

5、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便：

薄膜型壓阻傳感器通常由少量的材料組成，結(jié)構(gòu)緊湊，便于在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行安裝和集成。

6、低成本：

相比其他類(lèi)型的傳感器，薄膜型壓阻傳感器在制造成本上具有優(yōu)勢(shì)，有助于降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體成本。

薄膜型壓阻傳感器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值

1、工業(yè)自動(dòng)化：

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，薄膜型壓阻傳感器可用于測(cè)量機(jī)器人的力量和壓力、生產(chǎn)線(xiàn)上的物料重量等，為自動(dòng)化控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

2、汽車(chē)工業(yè)：

在汽車(chē)工業(yè)中，薄膜型壓阻傳感器可用于測(cè)量汽車(chē)的壓力、流量、溫度等參數(shù)，以及監(jiān)測(cè)輪胎壓力等，確保汽車(chē)的正常運(yùn)行和安全性。

3、醫(yī)療領(lǐng)域：

在醫(yī)療設(shè)備中，薄膜型壓阻傳感器可用于血壓測(cè)量、呼吸監(jiān)測(cè)等醫(yī)療應(yīng)用，為患者提供精確的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)。

4、消費(fèi)電子：

在智能手機(jī)、平板電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品中，薄膜型壓阻傳感器可用于實(shí)現(xiàn)觸摸屏、按壓感應(yīng)等功能，提升用戶(hù)體驗(yàn)。

5、環(huán)境監(jiān)測(cè)：

在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，薄膜型壓阻傳感器可用于測(cè)量大氣壓力、水位等環(huán)境參數(shù)，為環(huán)境保護(hù)和氣象預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)支持。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用薄膜型壓阻傳感器的原因在于其高精度、快速響應(yīng)、高靈敏度、寬測(cè)量范圍、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便以及低成本等性能特點(diǎn)，以及其在工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)工業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域、消費(fèi)電子和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用價(jià)值。這些優(yōu)勢(shì)使得薄膜型壓阻傳感器成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，為物聯(lián)網(wǎng)的智能化、高效化和安全化提供了有力支持。

本文會(huì)再為大家詳解壓力傳感器家族中的一員——薄膜型壓阻傳感器 .

薄膜型壓阻傳感器的定義

薄膜型壓阻傳感器，屬于壓阻式壓力傳感器，是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成的，結(jié)構(gòu)如圖。

薄膜型壓阻傳感器的原理

薄膜壓力傳感器是利用現(xiàn)代薄膜制備技術(shù)，在金屬?gòu)椥曰w上沉積薄膜應(yīng)變電阻，因其具有精度高、蠕變性好、抗干擾力強(qiáng)等性能。薄膜壓力傳感器厚度低至幾百納米到幾十微米，可直接在被測(cè)零件表面制膜而不影響設(shè)備內(nèi)部環(huán)境，制作簡(jiǎn)單，有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/感知一體化制造。

薄膜壓力傳感器在受壓力時(shí)電阻隨壓力增大而減小，其壓阻特性表現(xiàn)為電阻與 壓力呈冪函數(shù)關(guān)系，電阻倒數(shù)與壓力呈近似線(xiàn)性關(guān)系，單點(diǎn) 感應(yīng)單元可視為一個(gè)壓力可變電阻。

薄膜型壓阻傳感器種類(lèi)

1)合金薄膜壓力傳感器

合金薄膜制作的壓力傳感器雖然應(yīng)變靈敏系數(shù)較低，但具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、溫度特性較好且應(yīng)用溫度范圍較寬等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的運(yùn)用。

薄膜壓力傳感器的主要組成部分：基體、轉(zhuǎn)換元件以及信號(hào)調(diào)理電路等。

合金薄膜壓力傳感器一般采用濺射、蒸鍍等方法把合金沉積在彈性基體上。

薄膜電阻層通過(guò)感受彈性元件的應(yīng)變而產(chǎn)生相應(yīng)電阻變化，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，從而完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

2)半導(dǎo)體材料薄膜壓力傳感器

半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器應(yīng)變靈敏系數(shù)較高，一般情況下比金屬薄膜的應(yīng)變系數(shù)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，適合批量生產(chǎn)且成本低廉，其缺點(diǎn)是溫度特性較差。

半導(dǎo)體材料薄膜壓力傳感器采用單晶硅為基體，壓力腔彈性膜由單晶硅通過(guò)各向異性腐蝕而得到，沉積SiO2作為絕緣層，化學(xué)氣相沉積等方法外延生長(zhǎng)壓敏電阻薄膜。

具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。薄膜壓阻層通過(guò)感受外部壓力引起壓阻材料載流子密度的變化，從而導(dǎo)致薄膜電阻的變化，其后的信號(hào)調(diào)理和電量轉(zhuǎn)化與合金薄膜壓力傳感器類(lèi)似。

薄膜型壓阻傳感器的測(cè)量維度

1）一維單點(diǎn)壓力傳感器

一維單點(diǎn)壓力傳感器只能感受坐標(biāo)軸Z方向的力。

2）一維多點(diǎn)分布傳感器

多點(diǎn)分布式傳感器是采用1行*N列或者M(jìn)行*N列的電極設(shè)計(jì)，每個(gè)感應(yīng)點(diǎn)仍是獨(dú)立的單元。如下圖：M0303M是采用3行*3列的模式，總共9個(gè)感應(yīng)點(diǎn)；0404M是采用4行*4列的模式，總共16個(gè)感應(yīng)。

3）二維單點(diǎn)壓力傳感器

二維單點(diǎn)壓力傳感器，能感受在X軸方向上的位置和Z軸方向上的力，很容易感受線(xiàn)性方向的帶有力的大小的滑動(dòng)。

4）三維單點(diǎn)壓力傳感器，能感受在X軸和Y軸方向的位置和Z軸方向的力。類(lèi)似于帶壓力的單點(diǎn)觸摸屏。

5）三維多點(diǎn)壓力傳感器

能感受多點(diǎn)在X軸和Y軸方向的位置和Z軸方向的力。類(lèi)似于帶壓力的多點(diǎn)觸摸屏。

6）高密度分布式柔性壓力傳感器

分布式柔性薄膜壓力傳感器是采用電極矩陣式分布設(shè)計(jì)，每個(gè)交叉點(diǎn)即為一個(gè)感應(yīng)單元。傳感器在受到壓力時(shí)，電阻隨壓力增大而減小,其壓阻特性表現(xiàn)為電阻與壓力呈冪函數(shù)關(guān)系，電阻倒數(shù)與壓力呈近似線(xiàn)性關(guān)系。該傳感器特點(diǎn)在于每行、每列的功能感應(yīng)區(qū)均為獨(dú)立布局，實(shí)現(xiàn)最小干擾。

薄膜型壓阻傳感器的注意事項(xiàng)

因?yàn)槠?a target="_blank">工作原理，薄膜壓力傳感器有以下特征，在應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)注意：

1，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，傳感器的背面最好是平滑的表面。傳感器不能彎折，彎折會(huì)讓傳感器產(chǎn)生誤壓力值。

2，因?yàn)槠涔ぷ髟?，薄膜壓力傳感器不是精?zhǔn)測(cè)量器件，其重復(fù)率大約為±5%，也就是相同的壓力壓在傳感器上，兩次誤差大約±5%。

3，薄膜壓力傳感器長(zhǎng)時(shí)間按壓會(huì)有漂移，所以正常狀態(tài)下最好沒(méi)有力壓在傳感器上。

4，薄膜壓力傳感器的測(cè)量范圍大約是10克到10千克，如果需要測(cè)量的力超過(guò)10千克，一般需要用一個(gè)結(jié)構(gòu)件分擔(dān)總的壓力，讓壓在薄膜傳感器上的壓力仍然保持在10千克以?xún)?nèi)。

供應(yīng)商A：常州柔希電子科技有限公司

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊(cè)

http://www.roxifsr.com/cpzx

（2）主推型號(hào)1：D0306

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

單點(diǎn)壓阻式柔性壓力傳感器只有一個(gè)感應(yīng)點(diǎn)單元，即只能得出一個(gè)信號(hào)，傳感器在受到壓力時(shí)，電阻隨壓力增大而減小，可看作一個(gè)壓力驅(qū)動(dòng)變化的可變電阻，其壓阻特性表現(xiàn)為電阻與壓力呈冪函數(shù)關(guān)系，電阻倒數(shù)與壓力呈近似線(xiàn)性關(guān)系。

D0306 是一款小尺寸柔性壓力傳感器，其感應(yīng)直徑為3mm ，外力輪廓直徑為 6mm ，超薄、靈敏、尺寸小等特點(diǎn)使得該型號(hào)傳感器在機(jī)器人、皮膚壓力、觸感設(shè)備等微小壓力變化檢測(cè)等方面獲得廣泛的應(yīng)用。

特征曲線(xiàn)

傳感器參數(shù)

硬件參考設(shè)計(jì)

采用分壓方式測(cè)量。壓力傳感器與 R1 串聯(lián)，兩端分別接 VCC 和 GND，構(gòu)成基本的分壓電路，分壓電壓接出為 Vout?？梢詫毫Υ笮∽兓瘜?duì)應(yīng)的傳感器輸出電阻變化轉(zhuǎn)為電壓變化信號(hào)。根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻 R1，通?？扇?1kΩ~100kΩ（建議負(fù)載電阻取 50%量程壓力時(shí)傳感器對(duì)應(yīng)的電阻值）；Vout 接單片機(jī) ADC 接口，可以用作檢測(cè)壓力大?。唤?MCU 的外部中斷 IO 口，可用作壓力觸發(fā)功能。

研發(fā)設(shè)計(jì)注意使用事項(xiàng)

傳感器區(qū)域需平整貼合測(cè)試面;

避免尖銳的物體作用于傳感區(qū)域;

超過(guò) 60°C時(shí)，傳感器溫度漂移嚴(yán)重，盡量避免高于 60C下使用;

為了獲得最佳測(cè)試效果，建議在傳感區(qū)域貼上略小于傳感區(qū)的薄硅膠墊D0306

供應(yīng)商B：蘇州能斯達(dá)電子科技有限公司

http://www.lssensor.com/

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊(cè)

http://www.lssensor.com/cgqdz/rxyl/

（2）主推型號(hào)1：DF9-40

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

產(chǎn)品特點(diǎn)

超薄，厚度小于 0.3mm

響應(yīng)速度快

壽命長(zhǎng)，通過(guò) 100 萬(wàn)次以上按壓測(cè)試

檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，易于集成應(yīng)用

可定制傳感器外形

可定制傳感器量程參數(shù)

產(chǎn)品描述

DF9-40 系列柔性薄膜壓力傳感器是蘇州能斯達(dá)電子采用擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的柔性壓力傳感技術(shù)制備的新型傳感器，在柔韌輕薄材料上印刷附著力強(qiáng)、耐彎折、靈敏度高的柔性納米功能材料，使其實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的高靈敏度檢測(cè)。柔性薄膜壓力傳感器是一種電阻式傳感器，輸出電阻隨施加在傳感器表面壓力的增大而減小，通過(guò)特定的壓力-電阻關(guān)系，可測(cè)量出壓力大小。適用于柔性面的壓力測(cè)量場(chǎng)景，可廣泛應(yīng)用于智能家居、消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制、智能機(jī)器人等領(lǐng)域。DF9-40 系列目前有 500g、2kg、5kg、10kg、20kg 等不同量

程型號(hào)產(chǎn)品。

尺寸規(guī)格

硬件參考設(shè)計(jì)

采用分壓方式測(cè)量。壓力傳感器與 R1 串聯(lián)，兩端分別接 VCC 和 GND，構(gòu)成基本的分壓電路，分壓電壓接出為 Vout?？梢詫毫Υ笮∽兓瘜?duì)應(yīng)的傳感器輸出電阻變化轉(zhuǎn)為電壓變化信號(hào)。根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻 R1，通?？扇?1kΩ~100kΩ（建議負(fù)載電阻取 50%量程壓力時(shí)傳感器對(duì)應(yīng)的電阻值）；Vout 接單片機(jī) ADC 接口，可以用作檢測(cè)壓力大小；接 MCU 的外部中斷 IO 口，可用作壓力觸發(fā)功能。

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審核編輯 黃宇