主题：【第十五届原创】气相色谱仪流量控制原理与维护 —— 压力传感器

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红小豆发表于：2022/11/23 15:52:20 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

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气相色谱仪流量控制原理与维护 —— 压力传感器

概述

压力传感器是电子流量控制器（EPC、AFC或EFC）的重要组成元件，目前常见气相色谱仪配备的压力传感器主要为压阻式传感器，其灵敏度高、分辨率高、体积小、工作频带宽、响应速度快。

简介

气相色谱维修人员在检查或维修电子流量式气相色谱仪过程中，当拆解或者检查电子流量控制器时——不论是进样口流量控制器或者检测器流量控制器，都可以观察到如图1所示的元器件，尺度大约10mm*10mm左右，此即为压力传感器，用来测定气体压力和协助控制气体流量。

图1 压力传感器外观

目前常见气相色谱仪配备的压力传感器主要为压阻式传感器，其灵敏度高、分辨率高、体积小、工作频带宽、响应速度快。压阻传感器的工作原理基于压阻效应，压力敏感元件是使用集成电路工艺在半导体材料的基片上制成的扩散电阻，当受到流体压力作用于敏感元件时，扩散电阻的阻值发生对应的变化。

对于某个确定的导电材料，其电阻值的变化率可以由公式1决定：

公式 1

公式中R 为电阻值、ρ为电阻率、l为导电材料长度、s为导电材料截面积。

对于金属电阻（常见于工业测量中使用的金属应变片），上式中的Δρ/ρ项数值较小，即电阻率变化较小，而尺度的变化率（Δl/l和Δs/s）较大，所以金属电阻阻值的变化主要由其尺寸变化率引起。而对于半导体电阻，受力时其尺寸变化率较小，而电阻率变化率（Δρ/ρ）较大，这就是压阻式传感器的基本工作原理。

当压力作用于半导体硅晶片时，硅晶体晶格发生变形，是载流子产生不同能谷之间的散射，载流子的迁移率发生变化，从而使硅晶片的电阻率发生变化。对于半导体电阻，其压阻系数较大，压阻传感器的灵敏度是金属应变片灵敏度的50-100倍。

压阻式传感器的结构

压阻传感器的压力敏感元件是采用集成电路工艺在半导体基片（硅晶片）上制成的扩散电阻，扩散电阻依附于弹性元件才能工作。单晶硅材料纯度高、功耗低、滞后和蠕变小、机械稳定性好，传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，所以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力测试仪表在工业测量领域得到广泛应用。

图2 压阻传感器的结构

图2为压阻式传感器的机构示意图，在硅膜片上用离子注入和激光修正方法形成4个阻值相等的扩散电阻，并连接成惠斯登电桥形式，如图3所示。

图3 惠斯登电桥

使用MEMS技术在硅膜片上形成一个压力室，一测与大气相连（或真空），一侧与取压口相连，此结构即为硅杯。当待测压力作用于膜片上，膜片发生部分拉伸和部分压缩，电桥失去平衡，产生输出电压，电压的大小反应了膜片受到的压力情况。该电路一般采用恒电流工作方式，可以抑制环境温度的变化对传感器带来的影响。

压阻传感器的使用注意事项

压阻传感器具有灵敏度高、分辨率高、体积小、工作频带宽、测量电路以及传感器一体化等优点。压阻传感器可以测量0.01kPa左右的微小压力变化，频率响应高，可以测量数十kHz的脉动压力，其有效面积可以做的很小，可以做到1平方毫米左右。对于气相色谱仪得到高精度高灵敏的气体流量和压力控制非常有益。

气相色谱工作者使用电子流量方式的气相色谱仪时，需要注意避免气源压力过高或者过于剧烈的变化，造成传感器损坏；注意控制气源质量加强维护，避免水、油污或者细小的固体颗粒物进入色谱仪流量控制器内，造成传感器损坏。在使用电解水方式的气体发生器时，尤其需要注意仪器的维护，发生器故障或者维护不足导致气源中含有大量水，对于压力传感器而言是致命的。电子式的压力传感器，随着不断的使用，还存在零点漂移问题，造成压力显示不正确或者出现压力显示为负值等异常现象，需要色谱工作者进行零点校正。

小结

压阻式传感器的原理和使用注意事项。