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電容式傳感器以其較低的成本、較高的靈敏度以及較快的動態響應等諸多優點得到了廣泛的應用。在20世紀,R.Whiddington就研制出高精度的電容式壓力傳感器,但在早期的由于電容式壓力傳感器是以金屬敏感元件作為活動極板,不僅體積大、成本高,而且很難應用到工業上,因此電容式傳感器在最初的幾十年發展受到限制。
電容式壓力傳感器實質上是位移傳感器,它利用電容的一個極板在壓力作用下變形產生的位移改變電容的大小,通過測試電路對電容的值進行檢測,從而得到待測壓力值。屬于極距變化型的電容式傳感器,主要由以下幾種類型。
(1)單電容式壓力傳感器
它是由一個固定的電極和薄膜組成,當有壓力作用時,薄膜發生彈性變形,使得兩個電極之間的距離發生改變,進而影響電容值的大小。這種傳感器適用于動態高壓下的測量。
(2)差動電容式壓力傳感器
在兩個固定的電極之間有一個受壓膜片,這樣構成兩個電容。當壓力作用于受壓膜片上時,其中一個電容的值會增大,相應的另一個電容的值將減小,其測量的結果將通過差動式的電路輸出。和單電容式壓力傳感器相比,差動式電容傳感器線性度較好,靈敏度也較高。但是這種電容式傳感器對測試電路的要求較為嚴格,需制成單片集成式,所以加工起來比較困難。
(3)新型接觸電容式壓力傳感器
我們將這種膜片可以接觸到帶有薄絕緣層底部電極的傳感器稱為接觸式電容壓力傳感器(TMCPS),它具有較好的線性和較高的靈敏度,結構簡單還有良好的過載保護能力。為了達到更好的性能,增大線性范圍而又不至于使其靈敏度下降,人們在結構上又提出了好多改進的方法,設計出一種新的結構——雙凹槽接觸式電容壓力傳感器(DTMCPS),通過計算機的模擬分析,這種傳感器的線性范圍較大。
(4)MEMS硅膜電容式壓力傳感器
該傳感器原理也是將壓力的變化轉化為電容極距的變化進而改變電容值的大小。這種傳感器在70年代末就已經成為研究的熱點。它的優點是溫度穩定性好、靈敏度高、功耗低、能實現進一步的微型化設計。其存在的缺點是其信號檢測電路必須是單片集成,這就有一定的難度。由王躍林教授提出的靜電伺服模型對電容式硅微微壓傳感器的研究有了較大的貢獻。主要是采用了共中間極板的2個電容器的結構,通過上極板對中間極板的靜電吸引作用以及閉環反饋模式,這樣在電容極板之間的距離做的非常小的情況下,還可獲得較大的電容輸出,便拓寬了傳感器的動態范圍。
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