确定压力传感器模具尺寸及压力测量方法

压阻式传感器测量绝对压力、表压和差压的高精度和多功能性使其适用于许多应用领域，包括工业和汽车行业的许多领域。


本文展示了压力传感器如何满足不同应用的日益苛刻的要求，如插电式混合动力电动汽车（PHEV）中的油箱压力传感或电池电动汽车（BEV）的增长领域。压力传感器支持蓄电池管理和蓄电池冷却液、空气悬架、真空制动助力、变速箱和HVAC系统。



每个压力传感器的核心部件是敏感元件，它将压力转换为电信号。范围广泛的高精度、压阻式压力传感微机电系统 (MEMS) 芯片有助于实现这一目的。



压阻式压力传感器芯片的强大设计特性专注于在更小的封装中实现更高的灵敏度和性能，增强了介质耐受性、易于处理以及在其整个生命周期内提供可靠信号的能力。



压阻原理



压阻芯片中的传感材料是硅膜片，当施加压力时它会弯曲。这种变形或机械应力会导致作为电阻桥配置植入隔膜内的压敏电阻的电阻率发生变化（图 1）。



图1. 使用硅传感器芯片测量压力是基于压阻效应，这是由隔膜两端的压力差引起的机械应力。



根据电阻器的方向，这种变化可以增加或减少。然后，桥式电路将此变化转换为电信号，该信号与施加的压差成正比。



作为 MEMS 技术的早期采用者之一，压阻式压力传感器广泛用于汽车行业以支持发动机管理和安全系统，原因如下：



硅中电阻的压阻变化是基于材料中的弹性张力与半导体的特殊能带结构的相互作用。因此，可以获得比简单金属高 100 倍的 K 因子。



测量元件由单晶硅制成。由应力引起的不可逆变形和重排是多晶材料中的已知效应。因此，在拉伸单晶膜后，传感器始终恢复到原始状态，不会变形。



压阻效应发生在材料块内部。表面的电化学老化，如电容式传感器可能发生的那样，因此不会影响效果和传感器性能。



压力传感器的不同方法



绝对压力传感器测量相对于密封真空参考的压力，因此无论温度如何变化都能保持精确和准确。对于密封芯片，绝对真空是通过在真空条件下将硅阳极键合到实心玻璃基板上来产生的，无论是正面还是背面（图 2）。



图2. 正面（左）和背面（右）压力传感器处理的横截面。



对于正面压力应用，被测介质与芯片正面的有源电子元件直接接触。这种测量方法允许测量干燥和非腐蚀性气体和空气。



为了测量非腐蚀性气体和流体的压力，例如燃料或机油应用中涉及的那些，必须避免与正面接触。相反，介质通过背面的孔进入，参考真空室以玻璃盖的形式添加到正面。



压差传感器测量两个施加的压力之间的差值（图 3）。正面压力较高的压力差导致输出信号的正向变化。如果背面压力高于正面压力，则输出信号变化为负。这些传感器适用于非腐蚀性气体和流体，例如与过滤器监测或流量控制有关的气体和流体。



图3. 压阻式压力传感方法。



顾名思义，表压传感器用于测量气体或液体的液位或体积。它是一种特殊类型的压差传感器，因为正面或背面都暴露在环境压力下，而另一面则暴露在要测量的介质中。



技术特点



由于压力传感器芯片的灵活配置，以下技术进步是可能的：



如果用于绝对测量的参比室采用原子键合密封，则与其他玻璃料键合技术相比，压力传感器可确保高长期稳定性。



使用背面绝对压力传感器可以轻松密封设计，因为晶圆级封装允许电子产品与应用流体或气体之间的清晰分离。



电屏蔽可以直接设计到 MEMS 层系统中，以减少对芯片性能的电磁和电化学影响。



用于压力传感元件和传感器封装的坚固焊点的可选芯片背面金属化可以实现显着的介质耐受性，并结合高机械坚固性。



较新的模具设计提供了灵活性，可以通过对压力传感器组件的微小设计更改来创建用于绝对压力和相对压力的平台产品。