SMI壓力傳感器的組成、技術原理及應用分析

1、概述

隨著社會日益進步，人類對其生活環(huán)境質量要求提高，以及對常見傳染病的預防，使人類對公共場合有了更高的要求。由于人口聚集使得空氣中得一氧化碳、二氧化碳及氨氣濃度增加，致使室內空氣下降，對人體產(chǎn)生重大損害，并且易造成傳染病的傳播。在大型商場，綜合超市，商品專業(yè)店，服務專業(yè)店和餐飲以及火車站候車室、汽車站候車室等公共場合有嚴格的通風要求。

改善公共環(huán)境空氣條件就要讓公共環(huán)境的空氣與外界空氣進行交換。室內處于負壓狀態(tài)，而讓外界空氣進入公共環(huán)境中，就要有壓力差的存在，我們可以通過壓力傳感器感受到室內壓力的大小控制通風設備，實現(xiàn)智能控制。

SMI是美國一家專門生產(chǎn)微差壓傳感器芯片的廠家，是專注于低微量程，成本低，性價比高等特點，占定了絕大部分市場份額。

2、應用SMI壓力傳感器的系統(tǒng)組成

SMI壓力傳感器就是將壓力物理量轉換成電效應，SMI壓力傳感器能測量微小壓力、精度高、輸出程線性、帶溫度補償、后期應用電路簡單等特點，能精確的測量環(huán)境中空氣流動的微小壓力。下圖是典型的信號流程圖。

壓力傳感器測量室內外壓力差值將物理量轉換成電壓信號；信號處理系統(tǒng)是處理電壓信號，將輸入的壓力傳感器提供的電壓信號進行放大、調零、調滿度以及進行數(shù)字顯示實現(xiàn)遠程監(jiān)控;控制系統(tǒng)通過接收信號處理系統(tǒng)出來的信號，控制室內排風扇的啟動與關閉，從而遠程控制室內負壓值，實現(xiàn)智能控制以及節(jié)能效果。

如果信號處理過程中，將測量的壓力差經(jīng)過放大處理后變成標準的0-20MA變送器信號，這樣能直接融合到公共環(huán)境的各式各樣的控制系統(tǒng)中，具有良好的通用性。是未來公共環(huán)境控制系統(tǒng)的一個重要組成部分。

3、SMI微壓傳感器的技術原理

美國Silicon Microstructures INC.開發(fā)了一系列價位低、線性度在0.3%到0.05% 范圍內的硅微結構壓阻式傳感器，滿量程為0.15psi（1KPa）、0.3psi（2KPa）、0.8psi（5KPa）、1.5psi（10KPa）、3 psi（20KPa）、最低滿量程為0.15psi（1KPa），被列為超低壓力測量范圍。

美國SMI廉價的壓阻式、超低壓傳感器成功的關鍵是它的創(chuàng)新的物理刻蝕設計。一般來說，硅微壓力傳感器芯片采用扁平膜來測量壓力，而SMI傳感器芯片采用三維膜片結構，用硅刻蝕工藝將產(chǎn)生的應力（壓力）集中在傳感電阻處。這樣在保持總體精度和線性度的同時仍有很高的靈敏度。80% 的應力傳遞到膜片中的梁式區(qū)域，而膜片丟失的應力只有20%。

除了壓阻器所處的四周外，膜片的所有部分都減薄，從而得到膜片的浮凸結構。由于傳感器看起來像機械信號的放大器，因而便于把膜片運動的應力集中在壓阻器上，增加的應力極大地提高了信號輸出，膜片上的浮凸用做終止層。四周的薄膜有效地將器件密封起來。因此壓力不會前后移動。此外，在器件的結構內，離子注入電阻形成壓阻式惠斯登電橋，凹坑減少了器件的總震動質量。

SMI壓力傳感器無需校準即能提供線性度優(yōu)于1% 的傳感信號。因此，SMI壓力傳感器是一種性能優(yōu)越、全集成化的單片硅器件。

SMI使用了一套專門設計的軟件由計算機對傳感器作靜態(tài)和動態(tài)仿真，并進一步計算壓力傳感器芯片的尺寸，使靈敏度和線性度滿足預定要求。在生產(chǎn)方面，官方采用雙板、CMOS或EPROM等成功的工藝，從而提高器件的可靠性、增加成品率并降低成本。

4、SMI應用電路設計

SMI使用先進的硅微結構壓力傳感器，并集成信號調節(jié)ASIC技術，大大的簡化了高性能壓力傳感器的使用。其中，SM5812和SM5852系列高性能壓力傳感器可以直接安裝在標準的PCB板上，經(jīng)過放大、高精確性、校準過的壓力信號可以通過數(shù)字接口或者模擬輸出。這可以省去額外的電路，例如補償電路或者自定義的微控制器校準電路。下圖是SM5651典型應用電路圖。

5、結論

SMI壓力傳感器是全固態(tài)、體積小、重量輕、價格低廉，特別適合在通風、空調領域的應用。

隨著集成電路制造技術極微機械加工技術的不斷發(fā)展，其產(chǎn)品性能會逐步提高，此產(chǎn)品在智能機器人、航空航天、生物醫(yī)學工程、汽車工業(yè)及家用電器等眾多領域有著很高的應用前景。

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