單晶矽(Monocrystalline Silicon)/擴散矽壓力傳送器(Piezoresistive Silicon Pressure Transmitter)壓力傳送器是目前工業自動化領域中精準度最高、穩定性最好的壓力測量工具之一。其核心技術在於利用矽的壓阻效應(Piezoresistive Effect)。
單晶矽壓力傳送器的感測元件是一個由單晶矽製成的微小彈性膜片。
微觀機制:在矽膜片的特定晶面上,利用半導體工藝(如離子注入)滲雜形成四個電阻,並組合成一個惠斯通電橋(Wheatstone Bridge)。
形變與電阻變化:當壓力作用於膜片時,膜片會產生微小的形變。這種機械應力會導致矽晶格結構發生變化,進而改變電阻值的阻值。
信號轉換:電橋感應到阻值變化後,會輸出一個與壓力成正比的毫伏(mV)級電壓信號。
為了保護脆弱的矽晶片,傳送器通常採用間接測量結構:
隔離膜片:外部介質(液體或氣體)首先接觸不鏽鋼或其他材質的隔離膜片。
填充液(灌充油):壓力通過填充液(通常是矽油)傳遞到內部的單晶矽感測器。
封裝設計:感測器通常被封裝在一個堅固的殼體內,並採用「懸浮式」設計,以減少外部安裝應力和溫度波動對測量的影響。
電容式壓力感測器(Capacitive Pressure Sensor)是一種利用電容量變化來測量壓力的精密裝置。其核心構造通常由兩塊平行極板組成:一個是固定的參考電極,另一個則是會隨壓力產生位移的彈性隔膜(感應電極)。
結構與運作過程
受壓變形:當流體(液體或氣體)壓力作用於金屬隔膜或陶瓷隔膜時,隔膜會向內凹陷。
位移轉換:隔膜的位移直接改變了它與內部固定電極之間的空間間隙。
電信號輸出:偵測電路(通常是振盪電路或電橋電路)會感測到這個微小的電容變化,並將其轉換為標準的電壓、電流或數位訊號(如 4-20mA)。
高靈敏度:能偵測極微小的壓力波動。