传感器原理及工程应用（论文） 合金薄膜压 力传感器的应用 学生姓名：张志强 指导教师：任爽 所在学院：信息技术学院 专业：电气工程及其自动化 学号：20094073120 中国·大庆 2019 年12 月
目录 前言........................................................ I I 1 合金薄膜压力传感器工作原理 (1) 2 合金薄膜高温压力传感器研究现状 (2) 2.1 镍铬系合金薄膜压力传感器 (2) 2.2 铂钨合金薄膜压力传感器 (3) 2.3 钯铬合金薄膜应变计 (3) 3 多功能传感器（MULTIFUNCTION） (4) 3.1 多功能传感器的执行规则和结构模式 (4) 3.2 多功能传感器的研制与应用现状 (4) 4 无线网络化（WIRELESS NETWORKED） (7) 4.1 传感器网络 (7) 4.2 传感器网络研究热点问题和关键技术 (7) 4.3 传感器网络的应用研究 (8) 结论 (10) 参考文献 (11)
前言 咨询公司INTECHNO CONSULTING的传感器市场报告显示，2019年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2019年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景,一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2019-2019年复合年增长率预计会超过25%。 目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
实验四 MEMS薄膜压力传感器静力学分析 一、实验目的 1、掌握静力学分析 2、验证理论分析结果 3、对不同形状膜的分析结果进行对比 二、实验器材 能够安装ANSYS软件，内存在512MHz以上，硬盘有5G空间的计算机 三、实验说明 （一）基本思路 1、建模与网格化 2、静力学分析 3、对结果进行分析和比较 （二）问题描述： 由于许多压力传感器的工作原理是将受压力作用而变形的薄膜硅片中的应变转换成所需形式的电输出信号，所以我们要研究比较一下用什么样形状的膜来作为压力传感器的受力面比较好。我们比较的膜形状有三种，分别是圆形. 正方形. 长方形。在比较的过程中，三种形状膜的面积.，厚度和承受的压力是都是相等的。设置参数具体为：F=0.1MPa, EX=1.9e11,PRXY=0.3,DENS=2.33e3.单元尺寸为5e-006。为了选择合适的网格化类型，首先我们拿圆的结构进行一下比较，最后选择比较接近理论计算的网格化类型，通过比较，我们知道映射网格化类型比较优越，所以后面的两种类型膜结构选择了映射网格化。
四、实验内容和步骤 圆形薄膜1 1.先建立一个圆形薄膜：Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solid cylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图1，单击OK. 图1 2.设置单元类型：Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择brick 8node 45选项，单击OK. 在点击close.如图2. 图2
电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。下面就让艾驰商城小编对电容式传感器的结构及工作原理来一一为大家做介绍吧。 若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εS/d，式中ε为极间介质的介电常数，S为两极板互相覆盖的有效面积，d为两电极之间的距离。d、s、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。 因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类，即变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介质型电容传感器。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。 典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/d58663913.html,/
User Guide 薄膜压力传感器平面扫描测量系统 艾动测试系统使用流程图： 硬件安装启动测试软件 USB连接到测试电脑 连接传感器与数据采集查看设备是否连 接成功 打开软件界面设备已经连接 黄色LED点亮 轻压感应区软件窗口 Yes No 软件进入校正功能 OK?Yes No 开始录制施压过程停止录制施压过程保存、打开录制文件数据影片重播END 开始使用 重新拔、插传感器 红色LED灯点亮 施压过程分析 断开USB连接线 测试软件安装
一、安全使用注意事项： 为保证您正确使用本机，防止发生身体伤害或者损坏，特提供一项注意事项。请遵守这些事项。 1.1非专业人士，请勿拆开外壳；请勿在潮湿的环境中使用；请勿撕扯薄膜传感片。 1.2标定系统在使用过程中：请勿用力拉电线拔出电源插头；请勿用湿手插/拔插头。 二、系统设备配置列表 2.打开包装箱，请根据包装箱内附装箱单检查并仔细检查物品，若有物品丢失或损坏，请联络经销商。 2.1传感器系统包含以下物品： A，数据采集手柄1套； B，单点压力传感器若干片； C，测试软件安装软件包E-SCAN（显示52列44行数据），可以通过艾动公司的客服人员处获取； D，使用说明书，可以根据艾动公司的客服人员获取； 三、计算机运行系统要求： 四、设备组成与功能描述： 整套测试系统由数据采集采集手柄、传感器、以及PC测试软件安装包组成。数据采集手柄功能包括运算放大器、ADC转换器和USB数据传输给测试电脑。 （1）1套硬件测试电路（1套52行&44列数据采集手柄）；通过USB接口连接数据采集手柄与测试电脑传感器集线系统。 （2）1套测试软件系统； （3）推拉力计校正系统用于校正功能使用。 五、艾动单点薄膜压力传感器参数与性能： （1）用途：在外力荷载作用下测试构件之间相互作用产生的应力分布及相应位置的应力值，施加在所有的传感器上构件产生的应力值需要能够同时采集。 （2）方案：采用多点分布式薄膜传感器。 （3）规格：感应区尺寸为255mm*210mm；信号导线延长长度180mm；压力测量时量程要求0-500KG （35PSI）。 （4）传感器封装PET薄膜采用100微米材料制作，整体封装厚度约0.2mm。 （5）各力敏点测试精度、稳定性具有较好的一致性； （6）检测方法，将感应区直接置于两片平板之间，量测对应测试压力，要求采用100KG量程的推拉力计机台。 六、艾动整套52行*44列数据采集手柄参数与性能： （1）通过52行*44列的阵列分布结构，数据采集手柄最大可以进行2288个点的信号处理，包含对应数据采集系统软件开发，数据传输。
苏州能斯达电子科技有限公司 ?已通过ROHS 认证 柔性薄膜压力传感器 ZNX-01 超薄柔软，厚度小于0.45mm 便于集成 响应速度快、分辨率高 寿命长，耐弯折，通过100万次以上按压测试 检测电路简单 防水、防潮、透气 不同尺寸外形传感器可定制 ZNX-01柔性薄膜压力传感器是苏州能斯达电子自主知识产权研发，采用印刷技术在柔韧轻薄衬底材料上印刷压力敏感纳米功能材料，实现足底压力的分布式检测。 ZNX-01是基于电阻式传感器，输出电阻随着施加于传感器表面压力的增大而减小，通过特定的压力-电阻关系，可以测量出压力大小。将ZNX-01传感器置于鞋底，能够检测出人体站立和行走时的足底压力，检测数据可用于足底压力分析。 尺寸规格 单位：mm 产品特点 产品描述
接口定义 性能指标 项目参数 型号ZNX-01 量程10kg 厚度小于0.45mm 外观尺寸41码（其他尺寸大小可以定制） 响应点400g 耐久性＞100万次 初始电阻＞10MΩ(无负载) 响应时间<1ms 恢复时间<15ms 测试电压典型值DC3.3V 工作温度-20℃-60℃ 电磁干扰EMI不产生 静电释放ESD不敏感 力敏特性 以下为柔性薄膜压力传感器ZNX-01中一个点的压力-电阻值变化曲线图。图表显示了全部电阻范围内的压力-电阻值关系。 注意： 图表中曲线是在特定的条件下测得的数据绘制而成，曲线关系仅供参考，实际数据请根据具体应用情况安装后测试。
参考电路 图示电路中ZNX-01是以前文接口定义中的左脚传感器图示为例，本图中传感器座1#~10#引脚对应A~J。输出信号Vout 的标号1~10对应接口定义图中的1~10个检测点。 图中电路是用电阻分压原理测量传感器电阻值，根据测量到的Vout 电压值和分压电阻值计算传感器敏感点受力后的电阻值。再根据压力-电阻曲线可计算出压力值。 特别的，如果将Vout 接到MCU 的ADC 端口，通过标定算法，可将采集到的AD 值和压力值对应起来，从而无需计算中间过程量（电压值、电阻值）。 如果对信号的输出阻抗有特殊要求，可在Vout 后端增加运放电路。
薄膜压力传感器敏感芯体薄膜的结构及技术要求 薄膜压力传感器敏感芯体的功能薄膜一般采用多层薄膜结构，这些功能薄膜一般是采用真空离子束溅射工艺生产，由于敏感薄膜厚度一般在100nm以下，因此我们也称其为纳米薄膜，采用离子束溅射工艺生产制造的压力传感器有时称为纳米薄膜压力传感器。泽天电子是这种薄膜压力传感器的专业制造厂家。 ?薄膜压力传感器的薄膜衬底是圆形特种材料金属弹性体。第一层功能薄膜是起隔离作用的介质绝缘薄膜，通常采用SiO2、Al2O3或复合结构。第二层薄膜是起应变作用的金属敏感薄膜，通过光刻工艺形成电桥应变电阻，成为压力敏感芯体的核心，其材料业内一般采用Ni-Cr合金、NiCrMnSi合金制备。第三层是钝化保护介质薄膜，这层薄膜主要用来保护应变电阻和隔离空气、水气，防止应变薄膜氧化、腐蚀等造成应变电阻的不稳定性。钝化保护介质薄膜一般是采用SiO2、Al2O3等材料。第四层薄膜是金丝引线用的窗口镀金薄膜，它与应变电阻膜接触，实现电气引出。 ?根据薄膜压力传感器的薄膜所起作用的不同，对各层薄膜的质量要求也不同，对于绝缘薄膜，要求应变电阻与传感器的壳体间的绝缘性电阻为 100000MΩ以上，耐压100VDC以上，而绝缘电阻5000MΩ以上。同时，绝缘薄膜与弹性体的表面粘附力高。在量程范围内，弯曲变形超过10000000次循环不失效。要求绝缘薄膜与弹性体的热膨胀系数基本一致，不因它们之间的差异引起内应力，从而造成传感器的输出不稳定，对制成的薄膜压力传感器蠕变要小。除金属弹性体的严格热处理外，要求沉积在其上的介质绝缘薄膜附着力高、致密无针孔、空洞等缺陷。如有蠕变产生，则会增加零点漂移误差，降低传感器的非线性。绝缘薄膜含杂质量少，无吸附气体。这样，能
电容式压力传感器 一、概念 电容式压力传感器（capacitive type pressure transducer），是一种可以利用电容敏感的原件把被测量的压力转换成为跟它有一定的关系的电信号输出的精密测量仪器。 二、结构与工作原理 它通常是使用镀金属薄膜或者是圆形金属薄膜来做电容器的其中一个电极。在薄膜感受到压力的时候，它会变形的，此时薄膜跟固定的电极间所产生的电容量就会发生改变。测量电路就可以输出跟电压形成一定的关系的电信号。它的应用非常广泛，之所以应用这么广泛，是因为它的优点有很多：它的分辨率很高；它可以进行动态的检测；它的结构很简单，并不复杂；它可以在很恶劣的工作环境下正常工作，解决人不可以测量的很多问题；它可以是非接触测量的，很方便。 三、分类 电容式压力传感器是极距变化型的电容式传感器，有差动电容式和单电容式之分。 （1）差动电容式压力传感器 其受压膜片电极是处于两个固定的电极之间的，可以形成两个电容器。当受到压力的作用的时候，其中一个电容器的容量就会变大，而另一个电容器的容量就会相应地变小，而测量的结果是由差动式的电路输出的。此传感器的固定的电极是由在凹而曲的玻璃的表层上面镀上金属层而制造出来的。当过载的时候，膜片就会受到凹面的保护，所以，它是不会破裂的。相对于单电容式压力传感器来说，它的线性度较好，灵敏度也较高，但是在加工方面就比较困难了，还有它不
可以完成对被测的液体或者是气体的隔离，所以，它不适合使用在有杂质的或者是有腐蚀性的流体之中。 （2）单电容式压力传感器 它是由固定的电极和圆形的薄膜组成的。当受到压力作用的时候，薄膜就会发生变形，这样就会改变电容器的容量。它的灵敏度大概是跟薄膜与固定的电极之间的距离和薄膜的张力成反比关系的；而跟压力和薄膜的面积成正比关系的。有另外的一种型式，它是跟固定电极取凹形球面状的，而膜片是周围边缘的固定的张紧的平面，膜片能够使用塑料接着镀上金属层的这个方法制造而成的。这一种型式比较适合于测量低压这个工作条件的，它有比较高的过载能力。当然，要测量高压工作条件的话，可使用带有活塞动极膜片制造而成的单电容式压力传感器。这一种型式的传感器能够把膜片的直接的受压面积变小，这样就方便使用比较薄的膜片以致来提高它的灵敏度。它还有一个操作是用来提高抗干扰能力的，就是跟各种的保护和补偿部还有放大电路的整体整合在一起。这一种传感器就适用于对飞行物体进行遥测和在动态高压的工作条件下测量。单电容式压力传感器还可以分为听诊器式和传声器式这两种类型的。 四、厂家生产的压力传感器举例 1、电容式压力传感器血压计用电容式压力传感器SENSOR1 （由登方电子有限公司生产的） 品牌型号
苏州能斯达电子科技有限公司 柔性薄膜压力传感器DF9-16系列 超薄，厚度小于0.3mm 响应速度快 寿命长，通过100万次以上按压测试 检测电路简单，易于集成应用 可定制传感器外形 可定制传感器量程参数 DF9-16系列柔性薄膜压力传感器是苏州能斯达电子拥有自主知识产权的柔性压力传感技术在柔韧轻薄材料上印刷附着力强、耐弯折、灵敏度高的柔性纳米功能材料，使其实现对压力的高灵敏度检测。 薄膜压力传感器是一种电阻式传感器，输出电阻随着施加在传感器表面压力的增大而减小，通过特定的压力-电阻关系，可以测量出压力大小。适用于柔性面的压力测量场景，可广泛应用于智能家居、消费电子、汽车电子、医疗设备、工业控制、智能机器人等领域。 DF9-16系列目前有500g、2kg、5kg、10kg、20kg 等不同量程型号产品。 尺寸规格 标识尺寸（mm） 长度16.0敏感区外径10.0敏感区内径7.5 Pin 脚距离 2.54公差 0.2 ?已通过ROHS 认证 产品特点 产品描述 尺寸表 尺寸图
性能指标 型号DF9-16@500g DF9-16@2kg DF9-16@5kg DF9-16@10kg DF9-16@20kg 量程500g2kg5kg10kg20kg 厚度<0.3mm 外观尺寸见尺寸表 响应点20g20g150g150g200g 重复性<±9.7%(60%负载) 一致性±10%（同一型号批次） 迟滞+10%(RF+-RF-)/RF+ 耐久性＞100万次 初始电阻＞10MΩ(无负载) 响应时间<1ms 恢复时间<15ms 测试电压典型值DC3.3V 工作温度-20℃-60℃ 电磁干扰EMI不产生 静电释放ESD不敏感 力敏特性 以下为DF9-16系列各型号柔性薄膜压力传感器的压力-电阻值曲线图。左侧图表显示了全部电阻范围内的压力-电阻值关系；右侧图表为左侧图标的局部细节展示，显示了电阻值在30kΩ以下的压力-电阻关系。 注意： 图表中曲线是在特定条件下测得的数据绘制而成，曲线关系仅供参考，实际数据请根据具体应用情况安装后测试。 DF9-16@500g DF9-16@2kg
目录 1 概述 2 工作原理 1. 2.1 电阻应变片 2. 2.2 陶瓷型 3 选型要点 4 常见故障 5 四个无法避免的误差 6 抗干扰措施 7 八大发展趋势 将压力转换为电信号输出的传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 力学传感器的种类繁多，但常用的压力传感器有电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器，光纤压力传感器等。应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。 压阻式应变压力传感器的主要由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成。 电阻应变片
一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变 电阻应变片内部结构 片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变， 使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 金属电阻应变片的内部结构 如图所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 惠斯通原理
电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。 电容式压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化。 通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。 单电容式压力传感器 它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。 另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。 这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。 这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。 差动电容式压力传感器 它的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。 过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路