陶瓷电容式压力传器

陶瓷电容式压力传器是什么

电容式压力传感器是一种对外部环境压力进行检测的仪表,用于测量各种液体、气体和固体的压力。这种传感器由陶瓷薄膜和电容器组成,用于在需要精确检测的环境中测量液体,气体和固体的压力。这类传感器包括压电陶瓷,压电介质和半导体材料。压电陶瓷被广泛应用于压力测试以及各种应用中。例如,可用于石油钻井平台的压力检测系统中;石油开采设备对压电陶瓷中的电荷产生了敏感影响;压力设备可以用于各种工作条件并且其使用成本低得多。随着压电传感技术在各行各业获得越来越多的关注与应用,作为一种能够精确测量液体、气体和固体流动并将其转化为实际物理参数的精密元件,压控陶瓷在这些领域取得了重大突破并发展成了压电电子器件最有前景、最成熟也是最广泛用于各种应用领域中的元件。

陶瓷电容式压力传器

一、压电陶瓷

压电陶瓷(Supercharge,简称压电陶瓷)是指表面带有电荷-电场–磁场或称压电效应的陶瓷材料。具有不同电学性质的 Si、 Sn和 PbSn是压电效应的典型材料,因此被称为“三大压电陶瓷”。其中 PbSn和 PbSn的压电阻系数较大且稳定性较好,常用于测量高压; PbSn和 PbSn/TiO2压电陶瓷具有较高的稳定性,常用于测量低电压; PbSn/TiO2压电陶瓷具有高密度、高导热性、稳定性好以及体积小等特点,常被用于测量高温或者高压场合。在高压场合下,压控陶瓷具有很好,高温稳定性好甚至可以在较低温度下工作等特点,因此多用于温度传感、高压和高温领域以及高压电源等方面;而在低压领域,随着研究和技术发展,目前多以使用特种材料做压控陶瓷材料,如 GaAs, SiC等对高压进行测量,但随着相关研究的不断深入, GaAs具有更强、稳定性更高、体积小以及体积较小等特点,已成为目前高压传感和监测领域亟待解决但又无法通过现有工艺或设备实现高性能的新选择。

二、基于压电介质的压力传感器

基于压电介质的压力传感器是使用一种电子形式的半导体器件,它包括压电陶瓷(catena)、压控电子薄膜(chemical interface lens, CMOS)和压电玻璃(magnetic surface traction, TSF)。基于半导体器件的压力传感器可以测量与之相连的多个电压变化。这些电压从外部转移到由压电陶瓷组成的电容器之间。这导致这些电阻随着电容器施加压电因子而变化,因此这种传感器可以测量电阻随压力水平的变化。这种压力传感器可用于各种工作条件并且其使用成本低得多。根据其原理可以将这种类型的传感器分为三类:第一类是用于测量材料本身压电特性和电场强度的压电陶瓷,称为 CVD陶瓷;第二类是用于探测外部介质电荷特性的压电陶瓷,称为电容式压电容器;第三类是用于测量液体、气体和固体物质中电荷特性的传统压电陶瓷。为了使基于压电信号而建立的传感器获得更好地响应,可以使用以下两种材料:一、硅基材料;二、氧化锆材料。

三、小结与展望

随着人类对物质、环境效应要求的不断提高,以及人们对压电技术等前沿技术持续的关注。传统电容式压力传感器从结构上而言,其最大的问题是成本。传统电容式压力传感器采用的材料为传统的陶瓷材料,由于它存在材料的相变过程、制造工艺、环境因素和成本等方面的制约,其成本一直居高不下,随着科学技术的不断发展、电子信息技术的不断进步和计算机技术及通信技术的广泛应用,传统电容式压力传感器的成本将不断下降。基于对压控陶瓷在实际应用中的需求与特点,未来将有很多有趣的应用领域需要采用压控陶瓷作为导电器件和电容器件。在此基础上将会开发出一系列基于陶瓷材料的电容式压力传感器,这些传感器不仅性能优异,而且还具有功耗小、功耗低等特点,可广泛应用于石油开采、压力测量、流体控制、食品加工等领域,从而极大地提高工作效率与产品质量。