SMI壓力傳感器的組成、技術(shù)原理及應(yīng)用分析

1、概述

隨著社會(huì)日益進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)其生活環(huán)境質(zhì)量要求提高，以及對(duì)常見(jiàn)傳染病的預(yù)防，使人類(lèi)對(duì)公共場(chǎng)合有了更高的要求。由于人口聚集使得空氣中得一氧化碳、二氧化碳及氨氣濃度增加，致使室內(nèi)空氣下降，對(duì)人體產(chǎn)生重大損害，并且易造成傳染病的傳播。在大型商場(chǎng)，綜合超市，商品專(zhuān)業(yè)店，服務(wù)專(zhuān)業(yè)店和餐飲以及火車(chē)站候車(chē)室、汽車(chē)站候車(chē)室等公共場(chǎng)合有嚴(yán)格的通風(fēng)要求。

改善公共環(huán)境空氣條件就要讓公共環(huán)境的空氣與外界空氣進(jìn)行交換。室內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，而讓外界空氣進(jìn)入公共環(huán)境中，就要有壓力差的存在，我們可以通過(guò)壓力傳感器感受到室內(nèi)壓力的大小控制通風(fēng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能控制。

SMI是美國(guó)一家專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)微差壓傳感器芯片的廠家，是專(zhuān)注于低微量程，成本低，性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，占定了絕大部分市場(chǎng)份額。

2、應(yīng)用SMI壓力傳感器的系統(tǒng)組成

SMI壓力傳感器就是將壓力物理量轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)，SMI壓力傳感器能測(cè)量微小壓力、精度高、輸出程線性、帶溫度補(bǔ)償、后期應(yīng)用電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能精確的測(cè)量環(huán)境中空氣流動(dòng)的微小壓力。下圖是典型的信號(hào)流程圖。

壓力傳感器測(cè)量室內(nèi)外壓力差值將物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；信號(hào)處理系統(tǒng)是處理電壓信號(hào)，將輸入的壓力傳感器提供的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)零、調(diào)滿度以及進(jìn)行數(shù)字顯示實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控;控制系統(tǒng)通過(guò)接收信號(hào)處理系統(tǒng)出來(lái)的信號(hào)，控制室內(nèi)排風(fēng)扇的啟動(dòng)與關(guān)閉，從而遠(yuǎn)程控制室內(nèi)負(fù)壓值，實(shí)現(xiàn)智能控制以及節(jié)能效果。

如果信號(hào)處理過(guò)程中，將測(cè)量的壓力差經(jīng)過(guò)放大處理后變成標(biāo)準(zhǔn)的0-20MA變送器信號(hào)，這樣能直接融合到公共環(huán)境的各式各樣的控制系統(tǒng)中，具有良好的通用性。是未來(lái)公共環(huán)境控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。

3、SMI微壓傳感器的技術(shù)原理

美國(guó)Silicon Microstructures INC.開(kāi)發(fā)了一系列價(jià)位低、線性度在0.3%到0.05% 范圍內(nèi)的硅微結(jié)構(gòu)壓阻式傳感器，滿量程為0.15psi（1KPa）、0.3psi（2KPa）、0.8psi（5KPa）、1.5psi（10KPa）、3 psi（20KPa）、最低滿量程為0.15psi（1KPa），被列為超低壓力測(cè)量范圍。

美國(guó)SMI廉價(jià)的壓阻式、超低壓傳感器成功的關(guān)鍵是它的創(chuàng)新的物理刻蝕設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，硅微壓力傳感器芯片采用扁平膜來(lái)測(cè)量壓力，而SMI傳感器芯片采用三維膜片結(jié)構(gòu)，用硅刻蝕工藝將產(chǎn)生的應(yīng)力（壓力）集中在傳感電阻處。這樣在保持總體精度和線性度的同時(shí)仍有很高的靈敏度。80% 的應(yīng)力傳遞到膜片中的梁式區(qū)域，而膜片丟失的應(yīng)力只有20%。

除了壓阻器所處的四周外，膜片的所有部分都減薄，從而得到膜片的浮凸結(jié)構(gòu)。由于傳感器看起來(lái)像機(jī)械信號(hào)的放大器，因而便于把膜片運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力集中在壓阻器上，增加的應(yīng)力極大地提高了信號(hào)輸出，膜片上的浮凸用做終止層。四周的薄膜有效地將器件密封起來(lái)。因此壓力不會(huì)前后移動(dòng)。此外，在器件的結(jié)構(gòu)內(nèi)，離子注入電阻形成壓阻式惠斯登電橋，凹坑減少了器件的總震動(dòng)質(zhì)量。

SMI壓力傳感器無(wú)需校準(zhǔn)即能提供線性度優(yōu)于1% 的傳感信號(hào)。因此，SMI壓力傳感器是一種性能優(yōu)越、全集成化的單片硅器件。

SMI使用了一套專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的軟件由計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器作靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真，并進(jìn)一步計(jì)算壓力傳感器芯片的尺寸，使靈敏度和線性度滿足預(yù)定要求。在生產(chǎn)方面，官方采用雙板、CMOS或EPROM等成功的工藝，從而提高器件的可靠性、增加成品率并降低成本。

4、SMI應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

SMI使用先進(jìn)的硅微結(jié)構(gòu)壓力傳感器，并集成信號(hào)調(diào)節(jié)ASIC技術(shù)，大大的簡(jiǎn)化了高性能壓力傳感器的使用。其中，SM5812和SM5852系列高性能壓力傳感器可以直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)的PCB板上，經(jīng)過(guò)放大、高精確性、校準(zhǔn)過(guò)的壓力信號(hào)可以通過(guò)數(shù)字接口或者模擬輸出。這可以省去額外的電路，例如補(bǔ)償電路或者自定義的微控制器校準(zhǔn)電路。下圖是SM5651典型應(yīng)用電路圖。

5、結(jié)論

SMI壓力傳感器是全固態(tài)、體積小、重量輕、價(jià)格低廉，特別適合在通風(fēng)、空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用。

隨著集成電路制造技術(shù)極微機(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展，其產(chǎn)品性能會(huì)逐步提高，此產(chǎn)品在智能機(jī)器人、航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、汽車(chē)工業(yè)及家用電器等眾多領(lǐng)域有著很高的應(yīng)用前景。

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