床垫压力分布测试系统

溅射薄膜压力传感器芯体

压力传感器芯体是将气体的离子化过程引入到薄膜材料中,当薄膜材料受到外部施加于其上压力时,气体与薄膜材料发生电荷转移(或正负电子转移),而发生反应产生电压。在压力传感器芯体中进行薄膜压力实验时需要保证膜片接触良好,即膜片接触部位不能出现应力或变形。本文中所采用的传感器芯体包括两部分:膜片表面上的压敏电阻和膜片的压敏电阻。其中膜片位于壳体表面上,由两层薄膜组成;芯体主要由压敏电阻薄膜压力传感器和一组高灵敏度的压敏电阻传感器芯组成,膜片位于壳体内时由膜片压缩产生薄膜压力信号(如图1所示)。

床垫压力分布测试系统

一、实验过程

本文所用的薄膜压力传感器芯体(如图2所示)由北京科锐电子有限公司生产,采用 CMOS制程制造(CMOS/CVD)技术,其参数设置如下:(a)尺寸为60 mm×50 mm;(b)厚度为0.03μ m;(c)测量电压为0.04 V;(d)测量信号通过RF-DFA采集并输出到其硬件系统上;(e)测试电压为0.2 V;(f)测试电流为5 A;(g)测试电压为6 A;(g)测试电流为5 A。根据实验需要建立了其压敏电阻参数和压敏电阻压缩方程组成数学模型(如图3)并将其保存成流程图进行计算分析(如图4所示);然后根据上述计算结果对模型中参数进行修正得到压缩量;最后通过实验获得了压缩方向和电压方向上的方程(如图5所示)。整个实验步骤如图6所示。

二、结构

结构描述:壳体由两层薄膜组成;薄膜覆盖膜膜之上,该薄层为压敏电阻薄膜压力传感器;压敏电阻膜的下方与壳体上缘相交;壳体内的凹槽内放置有一组压敏电阻传感器芯。

三、数据采集和处理

采用AD602和AD610芯片作为数字信号采集电路。在此基础上,通过对数据进行计算和处理实现对薄膜压力测量结果的实时显示(如图2所示)。在对薄膜压力测量进行过程中采用 LSI模拟信号处理电路进行数据采集和处理[7]。由于数据采集电路主要是用于测量压压敏电阻薄膜压力传感器中薄膜压缩时膜片被压缩的瞬间压缩(如图3所示)和压缩后压缩瞬间压缩(如图4所示)产生的数据,因此采用AD602和AD610芯片作为数字信号采集电路和处理电路进行数据采集和处理。

四、实验结果分析与讨论

在不同的实验条件下,压敏电阻薄膜压力传感器的阻值随时间逐渐增大,如图3所示。随着实验组膜片与电阻膜之间距离增加,膜片的阻值也逐渐增加,但随着时间的增大,减小幅度均较小,说明压敏电阻实验对膜片产生较大压力作用的时间。而在不同实验条件下所获得的表面压力与薄膜压力变化趋势如图4所示,可以看出薄膜压力传感器信号与基片电阻相比呈现出先增大后减小的现象。而由于膜片变形对输出信号造成影响,薄膜压力传感器芯体在不同载荷作用下表现出良好的线性度。其中膜片变形程度明显不同于基片电阻及膜与环境之间关系,其变形程度由膜片内部质量、膜/层分布密度及薄膜质量控制等因素共同决定。所以要想得到理想的溅射膜片电阻和位移测量值则需要在实际生产过程中进行验证。